puc redes de alta velocidade

8/8/2019 PUC Redes de Alta Velocidade

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PUC-Rio Departamento de Informática

Redes de Alta Velocidade 2000.2

Redes de Acesso

José Antonio Brandão de Lossio Seiblitz

Prof. Luiz Fernando Gomes Soares

24 de Janeiro de 2001



Indice

1 Introdução 1

2 Altas Taxas de Bits em Par Trançado – RDSI e x-DSL 5

2.1 Características do Par Trançado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

2.2 RDSI-FE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.2.1 Configuração de Referência . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

2.2.2 Canal Físico da RDSI-FE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

2.2.3 Canais da Rede RDSI-FE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2.2.4 RDSI-FE Tendências . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

2.3 Tecnologias x-DSL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.3.1 High-Data-Rate Subscriber Line – HDSL . . . . . . . . . . . . . . . . 17

2.3.2 Single-Line Digital Subscriber Line – SDSL . . . . . . . . . . . . . . 18

2.3.3 Assymetric Digital Subscriber Line – ADSL . . . . . . . . . . . . . . 19

2.3.4 Rate-Adaptative Digital Subcriber Line – RADSL . . . . . . . . . . . 27

2.3.5 Very-High-Data-Rate Digital Subscriber Line – VDSL . . . . . . . . . 27

2.3.6 Universal Adaptative Digital Subcriber Line – UADSL . . . . . . . . 28

2.3.7 RDSI-FE e x-DSL – Comparação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

i



3 Redes de Acesso HFC – Cable Modem 30

3.1 O Cabo Coaxial e a Fibra Óptica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313.2 Partes da Rede HFC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

3.3 Funcionamento da Rede HFC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

3.3.1 Redes HFC Aspectos Físicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

3.3.2 Redes HFC Aspectos Lógicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

3.4 Redes HFC Problemas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

3.5 Redes HFC Tendências . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

4 Acesso por Satélite 43

4.1 Redes por Satélites – Aspectos Físicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

4.1.1 Redes de Acesso versus Redes Núcleo . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

4.1.2 Tipos de Órbitas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

4.1.3 Bandas de Freqüência . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

4.2 Redes de Acesso por Satélites – Aspectos Lógicos . . . . . . . . . . . . . . . 52

4.3 Redes de Acesso por Satélites – Tendências . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

5 Tecnologias Emergentes 56

5.1 Acesso por Fibra Óptica – FITL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

5.2 Acesso Celular por Enlace Rádio – LMDS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

5.3 Acesso por Plataformas Aéreas de Grande Altitude – HAPS e HALO . . . . . 62

5.4 Tecnologias Emergentes – Tendências . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

6 Conclusões 70

ii



Capítulo 1

Introdução

A demanda pelos serviços de comunicação vêm sofrendo crescimento exponencial a partir

das últimas décadas do século XX. Em particular, o desenvolvimento da Internet, combinado

com os avanços contínuos das técnicas de compressão de voz e imagem, alterou substancial-

mente o paradigma tradicional de que os serviços, tais como telefonia, transmissão de dados,

rádio e televisão, sejam entes totalmente desvinculados. Verifica-se atualmente a tendência àintegração das diversas operadoras sob o conceito de que todos esses serviços são aspectos

diversos de um serviço mais geral que é o serviço de comunicação multimídia.

Análises do mercado de telecomunicações indicam que a demanda pela comunicação de dados

será maior que a demanda por voz [2], do que se pode inferir que a demanda por serviços de

banda larga será cada vez mais dominante em relação a serviços de banda estreita. A figura

1.1 mostra a capacidade necessária para um ponto de presença ( point of presence - PoP)[25].

Nela se pode verificar, além da questão da evolução da demanda relativa entre as bandas larga

e estreita, o próprio crescimento absoluto de demanda, que, em curto espaço de tempo, evolui

da ordem de grandeza de Mbit/s para a ordem de grandeza de Tbit/s.

O mesmo crescimento pode ser visto observando-se o comportamento do número de usuários

da Internet no mundo. Segundo [2] e [25], de 175 milhões previstos em 2001, esse número

deve elevar-se para algo entre 250 e 500 milhões em 2005. O histograma da figura 1.2 [25]

mostra o número de usuários da Internet previsto para 2001 (175 milhões) em relação ao

mesmo número apurado em 1997 (50 milhões). Verifica-se que em quatro anos, o crescimento

1



Figura 1.1: Evolução da demanda por banda passante por PoP.

Figura 1.2: Evolução do número de usuários da Internet por região do Planeta.

global previsto é de 250

De modo geral, o crescimento que já é grande será ainda maior. Isto faz, evidentemente,

com que as redes de comunicações devam ser capazes de suportar os fluxos cada vez mais

intensos. Paralelamente, ao usuário deve ser dada a capacidade de efetivamente usufruir da

banda que a rede de comunicações for capaz de prover, ou seja, seu acesso deve poder ser feito

em banda cada vez mais larga. Visando a suprir essa demanda por acesso em banda larga,

surge a necessidade de existirem redes projetadas especificamente para alcançar o usuário e a

ele prover o efetivo acesso ao serviço de comunicação. Essas redes são chamadas Redes de

Acesso.

2



Na conjuntura atual, em que já existem serviços públicos de comunicação implantados, tais

como telefonia e televisão a cabo (CATV), duas características têm-se tornado típicas (embora

não obrigatórias) das redes de acesso:

a possibilidade de aproveitar as estruturas dos serviços existentes de comunicações;

o fato de que as redes existentes atendem a regiões homogêneas.

Uma terceira característica que apresentam as redes de acesso é o fato de que o produto taxa

de bits¡

distância seja limitado, ou seja, uma rede de acesso pode transportar fluxos em altas

taxas (da ordem de alguns Mbit/s por usuário), porém a distâncias pequenas (da ordem de

alguns quilômetros). Tais características fazem com que o projeto das redes de acesso tenha

condicionantes próprios, que as distinguem das redes de infra-estrutura dos serviços (chamadas

redes “núcleo” ou “core”.

Sob a óptica do modelo abstrato geral de um serviço de comunicações – como mostrado na

figura 1.3 [29] – considerando-se o serviço como a comunicação fim a fim, as redes de acesso

corresponderiam às entidades provedoras de acesso – figura 1.3a. Evidentemente, a própria

rede de acesso pode ser vista segundo o mesmo modelo, caso em que ela como um todo

constituiria o serviço – figura 1.3b. Ao longo deste trabalho, tanto um como outro enfoques

pode ser implicitamente adotado. Em alguns casos, menciona-se o “acesso a redes de infra-

estrutura”, fazendo-se referência ao primeiro enfoque. Em outros, faz-se alusão, por exemplo,

a “aproveitamento da (infra)-estrutura existente”, fixando-se o contexto no segundo enfoque.

De acordo com a recomendação G.902 do ITU-T, a rede de acesso é definida como uma imple-

mentação compreendendo aquelas entidades (tais como infra-estruturas de cabos, equipamentos

de transmissão etc) que provêem as capacidades necessárias de suporte ao transporte para a

provisão de serviços de telecomunicações entre uma “interface de nó do serviço” ( Service

Node Interface - SNI ) e cada uma das interfaces usuário-rede (User-Network Interface - UNI )

a ela associadas. Uma observação importante: a rede de acesso não interpreta o sinal (do

usuário) [2].

Neste trabalho serão abordadas basicamente três tipos de redes de acesso, que aproveitam a

infra-estrutura existente:

3



Figura 1.3: Modelo conceitual para o serviço de comunicações (a)Rede de acesso vista como

um provedor de acesso ao serviço;(b)Rede de acesso vista ela própria como um serviço

1. RDSI-FE e tecnologias x-DSL: que aproveitam as redes telefônicas em par trançado;

2. redes HF: que são implementadas sobre as redes de CATV;

3. acesso por satélite;

4. acesso por fibra óptica.

Alem dessas, no capítulo 5, serão vistas outras tecnologias que estão emergindo para implan-

tação comercial, utilizando acessos sem fio e por meio de fibra óptica.

Um procedimento que se procurou adotar neste trabalho foi começar a abordagem em cada

capítulo com base em textos gerais sobre Redes de Acesso, aprofundando-se posteriormente a

apresentação com base em textos específicos de cada tecnologia.

4



Capítulo 2

Altas Taxas de Bits em Par Trançado –

RDSI e x-DSL

Os fios de cobre são ainda hoje utilizados na totalidade das redes elétricas e na grande maioria

das redes telefônicas metropolitanas. Por causa disso, qualquer alternativa para a realização

física do acesso a infra-estruturas de alta velocidade deve levar em conta obrigatoriamente essa

“herança” de gerações passadas, se o objetivo é atingir o maior número de pessoas possível

em curto ou médio prazo. O problema que surge neste tipo de acesso é a limitação de banda

inerente a essas redes mais antigas, dados que filtros passa-baixa colocados ao longo da rede

limitam a banda passante a 4 kHz, o que é muito inferior à demanda atual. Uma curva típica

da banda passante de uma rede telefônica é apresentada na figura 2.1.

Figura 2.1: Resposta em freqüência aproximada de um canal telefônico.

5



Figura 2.2: Esquema de uma rede telefônica.

As tecnologias x-DSL objetivam explorar as redes telefônicas em par trançado nas faixas

superiores à da telefonia de voz para possibilitar o transporte de informação em altas taxas de

bit.

2.1 Características do Par Trançado

O fio de cobre normalmente utilizado em comunicações é o chamado par trançado. O par

trançado pode ser visto comumente nos circuitos de telefonia residenciais. Um esquema

simples de rede telefônica (Plain Old Telephone Service - POTS) pode ser visto na figura 2.2.

Uma linha em fio de cobre é caracterizada pelo diâmetro do fio de cobre (em décimos de

milímetro - p. ex. 4 a 10 - ou em bitola - 24 a 26 AWG), pelo comprimento do tramo e

pelo tipo de isolamento (p. ex. polietileno). Na rede telefônica, para facilitar a conexão de

novos assinantes, terminações são colocadas na linha principal na etapa de lançamento do

cabo. Quando um novo usuário vai ser conectado à rede (isto é, um novo assinante, que vai

passar a estar fisicamente ligado à rede) uma das terminações é fisicamente conectada a ele,

permanecendo em circuito aberto todas as outras terminações do mesmo cabo de distribuição.

Essas terminações desconectadas atuam, no entanto, como stubs na linha de transmissão, o

que faz com que a banda passante fique ainda mais severamente limitada pela reflexão dos

sinais em altas freqüências, resultando no chamado efeito de eco. O tipo de fluxo a que a

rede telefônica se destina é principalmente a voz analógica em banda básica, e tal rede foi

6



projetada como um conjunto de circuitos físicos dedicados de conexão ponto-a-ponto de cada

assinante com a sua central telefônica (C.O.). Evidentemente, não houve qualquer cuidado com

o tráfego de sinais de mais alta freqüência, uma vez que estes eram tidos como espúrios para

os fins a que destinava a rede, bastando rejeitá-los com filtros passa-baixa convenientemente

distribuídos em vários pontos.

Para se ter uma idéia do quão limitada é a banda passante da rede telefônica, observa-se o

limite teórico na taxa de bits que comporta o canal (sua capacidade teórica). Em um canal

qualquer, com a banda passante limitada W (em kHz), o Teorema de Shannon, advindo da

Teoria da Informação, estabelece o limite máximo da capacidade teórica máxima D ¡ ¢

(em

kbit/s), pela equação 2.1:£ ¤ ¥ ¦ § ¨ ©

(2.1)

onde: W é a banda passante e SNR é a relação sinal-ruído do canal. Assim, para os valores

típicos da rede telefônica: W = 4kHz e SNR = 30 dB (potência do sinal igual a 1000 vezes

a potência do ruído interferente) obtém-se D = 40 kbit/s, que é um valor muito aquém

da demanda atual. Além disso, essa capacidade é ainda mais baixa em decorrência de outros

fatores tais como ruído térmico, crosstalk , descasamento de impedâncias, atenuação, distorção

na velocidade de propagação e ruído impulsivo [11]. Para relações sinal-ruído mais altas,

podem-se obter taxas um pouco mais elevadas, porém a limitação teórica é taxativa.

Como exemplo, pode-se citar o acesso residencial à Internet, por meio de modem comercial

na linha telefônica (modem para banda de voz). Esse modem usa o espectro de voz de 4kHz

do canal de voz analógico. Com os avanços da eletrônica e das técnicas de cancelamento de

eco, a taxa de bits evoluiu de 1200 bit/s da década de 1970 até a taxa atual de 56 kbit/s.

No entanto, a experiência de qualquer usuário residencial da Internet mostra que essa taxa

é apenas nominal, sendo obtida apenas nos horários em a relação sinal-ruído alcança seus

valores de pico - normalmente, de madrugada - principalmente pela ausência de crosstalk ,

dado que são poucas as chamadas na rede.

Observando-se mais a fundo a banda passante potencial de uma rede telefônica, verifica-se que

a filtragem passa-baixa faz com que se não se tire completamente partido da banda passante

que o cabo em par trançado de cobre fisicamente pode oferecer, que é da ordem de 1 MHz [23].

7



De fato, a equação (2.1) aplicada a essa banda passante, para a mesma SNR de 30 dB, resulta

na capacidade teórica de 10 Mbit/s, que passa a ser atrativa para o transporte de informação.

Objetivando aproveitar essa faixa ociosa de alta freqüência da infra-estrutura da rede telefônica

existem basicamente duas tecnologias: a Rede Digital de Serviços Integrados - RDSI-FE e o

conjunto x-DSL. Uma terceira forma de acesso são as chamadas linhas dedicadas, que são

basicamente dois pares trançados (um para uplink outro para downlink ) não integrados à rede,

que ligam um CPE à central de comutação mais próxima, de modo a prover a conexão ponto-

a-ponto com altas taxas de bits. Trata-se de uma forma de acesso restrita apenas a aplicações

profissionais, basicamente voltadas à transmissão de dados. Como exemplo, têm-se os acessos

de terminais remotos a um computador de grande porte situado em bairros distantes do CPD.

O Teorema de Shannon, no entanto, não leva em consideração o comprimento do canal,

estabelecendo o limite teórico geral. Na verdade, em virtude da geometria do par trançado,

a resolução das Equações de Maxwell [16] mostra que esse dispositivo é um bom irradiador

(como se fosse uma antena), e por conseguinte, um bom receptor. Essa propriedade física

provoca dois efeitos indesejáveis:

1. a “boa” irradiação faz com que o sinal experimente forte atenuação em seu percurso,

atenuação essa que é tanto maior quanto maior a freqüência do sinal, decorrendo daí a

severa limitação de distância para sinais de banda larga, que impõe que as redes não

possam cobrir grandes distâncias;

2. a “boa” recepção provoca o fato de o canal ser muito sensível a interferências, princi-

palmente a gerada pela irradiação de pares trançados adjacentes, que, no cabo da rede

de distribuição, se situam fisicamente muito próximos.

Assim, apesar de se pensar nos pares trançados como meios confinados, um ponto relevante

nas redes telefônicas diz respeito ao crosstalk . O fato de estarem os pares fisicamente muito

próximos no cabo de distribuição faz existir que entre eles surja uma capacitância parasita,

o que em altas freqüências provoca o acoplamento entre os canais, dando origem a sinais

interferentes. Basicamente duas formas existem de interferência por crosstalk :

1. NEXT ( Near-End CrossTalk ): que ocorre quando o uplink de um usuário interfere no

8



Figura 2.3: Efeito de interferência (crosstalk ) entre canais (a)NEXT e (b)FEXT.

downlink de outro1

;

2. FEXT (Far-End CrossTalk ): que ocorre quando o downlink da central de comutação tem

potência suficiente para suplantar a atenuação do cabo e do próprio capacitor parasita e

é detetado como ruído em usuário diverso do de destino da informação.

Ao contrário do FEXT, o NEXT não sofre atenuação da rede. A figura 2.3 ilustra os dois

efeitos:

2.2 RDSI-FE

A RDSI-FE foi o primeiro passo na direção da integração voz/dados. Um único par trançado é

usado entre a central de comutação e o equipamento do usuário. Um acesso RDSI-FE utiliza

1Ocorre também NEXT quando a saída do usuário interfere em sua própria entrada, caso em que se diz

auto-NEXT

9



espectro mais largo que os 4kHz originais da rede telefônica - na faixa de 80 kHz para o

acesso básico.

A filosofia básica da RSDI-FE é a comutação por circuitos, uma vez que se aproveita a infra-

estrutura existente da rede telefônica. A primeira idéia foi criar uma interface que faria a

comutação entre as redes para depois definir o padrão de equipamento “CPF”.

A principal característica de RDSI-FE é a possibilidade de acesso a diversos serviços por meio

de uma interface padronizada à qual podem ser adaptados diversos equipamentos distintos,

desde o aparelho telefônico analógico até uma rede local.

Dada a existência de padrões universais já aceitos, é possível a interligação de todas as redes,

formando uma malha única, a exemplo do que já existe hoje em relação à rede telefônica.

O termo RDSI-FE (ou em inglês - ISDN) surgiu da idéia de se disponibilizarem serviços

através da rede telefônica digitalizada (IDN), ou seja, da idéia de se usar a tecnologia digital

para o oferecimento de serviços (tais como transmissão de dados) não possíveis (ou bastante

limitados) pela via analógica.

A definição de RDSI foi elaborada em 1984 pelo então CCITT, atual ITU-T [30]: Uma rede,

em geral evoluída da rede integrada, que proporciona conectividade digital fim-a-fim, para

suportar uma variedade de serviços vocais e não vocais, aos quais os usuários têm acesso

através de um conjunto limitado de interfaces padronizadas.

Ao contrário de algumas outras tecnologias que serão vistas neste trabalho - em particular a

tecnologia ADSL, o tráfego nas redes RDSI-FE é simétrico.

2.2.1 Configuração de Referência

A configuração de referência – figura 2.4 – estabelece os equipamentos e interfaces utilizados

para acesso:

Os equipamentos definidos são:

NT-1 (Network Termination 1): Trata-se da terminação física da rede, com a qual deve

ser trocada a informação dentro do padrão aprorpiado. Da NT-1 para a infra-estrutura da

10



Figura 2.4: Configuração de referência da rede RDSI-FE

RDSI-FE o tráfego seguirá em um modo de transferência. O nível da hierarquia TDM

em que os dados seguem a partir de NT-1 teoricamente é determinado pelo número e

pelo tipo dos canais disponibilizados pela operadora para o usuário.

NT-2 (Network Termination 2): Esse equipamento atua basicamente com um concen-

trador, podendo ainda incluir algumas funções de comutação, controle de fluxo e controle

de erros. O fluxo de tráfego entre NT-1 e NT-2 é bem determinado no padrão RDSI-FE,

sendo que tanto um como outro equipamentos podem multiplexar canais. Exemplos de

NT-2 são as mesas PBX [13].

TE-1 (Terminal Equipment 1): Trata-se do terminal do usuário capaz de trocar dadosdentro do padrão RDSI-FE, exatamente da mesma forma como são trocadas as infor-

mações entre NT-1 e NT-2, a menos do volume de tráfego. Exemplo de TE-1 é o

modem RDSI-FE, que será visto mais adiante.

TE-2 (Terminal Equipment 2): Trata-se também de terminal do usuário, mas que não é

compatível com o padrão RDSI-FE. Nessa categoria são englobados os atuais aparelhos

telefônicos analógicos.

TA (Terminal adaptation): O TA promove exatamente a adaptação entre os terminais

11



do usuário não compatíveis com o padrão RDSI-FE e o NT-2. Evidentemente, as

recomendações RDSI-FE não especificam os tipos de TA, haja vista a grande diversidade

de equipamentos existentes no mercado não compatíveis entre si e com o padrão RDSI-

FE.

Em relação às interfaces, o padrão RDSI-FE especifica apenas as interfaces S e T, bem como

a interface U com a infra-estrutura da rede, deixando em aberto a interface R, por conta dos

vários TE-2 existentes que escapam a qualquer tentativa de padronização. As interfaces S

e T são ditas UNI (user-network interface) - interfaces usuário-rede - e são absolutamente

idênticas a menos da capacidade de tráfego, de modo que um TE-1 ou um TA podem trocar

informações diretamente com a NT-1.

A NT-1 é conectada à Central de Comutação pela linha do assinante, na qual se define uma

via digital de acesso, que deve obedecer ao modo de acesso e ao número de canais e seus

tipos. Uma quarta interface definida pelo ITU-T é a interface U entre o usuário e a Central

de Comutação. Nesse ponto está localizado o limitante físico principal, que é o cabo de par

trançado da rede telefônica.

2.2.2 Canal Físico da RDSI-FE

Na RDSI-FE um par trançado é usado entre a central e o equipamento do usuário. Um acesso

básico (a ser visto a seguir no item 2.2.3) requer a banda passante de 80 kHz, bem mais larga

que a requerida pelo modem de banda de voz (4kHz). O modem para a RDSI-FE é mostrado

na figura 2.5 a seguir:

Várias operações são realizadas pelos modems RDSI-FE colocados nos extremos da linha

telefônica do assinante [11]. Dentre elas cabe citar:

amostragem e quantização do sinal de voz: PCM de taxa 64 kbit/s;

compressão do sinal: compressão não uniforme: leis A ou ¡

2;

2Como referência para compressão e leis A e ¢

, ver [13]

12



Figura 2.5: Esquema do Modem RDSI-FE.

Figura 2.6: Código de linha PAM 2B1Q.

codificação de linha: o código de linha padronizado para a RDSI-FE foi o PAM (Pulse

Amplitude Modulation) 2B1Q, que associa a cada conjunto de dois bits um dentre quatro

os níveis de amplitude possíveis [11] – ver figura 2.6.

cancelamento de eco: para anular o efeito da auto-NEXT (ver seção 2.1)

Dado que o acesso básico RDSI-FE tem taxa de bits fixa, a distância máxima de transferência

de informação é função do diâmetro ou bitola do par trançado. Para facilitar a implementação

da rede física, cria-se o conceito de CSA (carrier server area), dentro do qual a transmissão

é possível sem o uso de repetidores. Assim sendo, dentro da idéia de que repetidores não são

utilizados, a CSA efetivamente impõe a limitação da distância máxima admissível para o acesso

básico. Por exemplo, para o cabo de bitola 24, a distância máxima é de aproximadamente

13



2700 m [11]. Observando-se a tabela 2.2 (item 2.3.3 mais à frente), verifica-se que para a

mesma distância máxima, e para bitola do fio maior3, a taxa de bits da RDSI-FE é bem inferior

à possível de se obter pela tecnologia ADSL.

2.2.3 Canais da Rede RDSI-FE

Na RDSI-FE, o acesso é feito por multiplexação no domínio do tempo (TDM) segundo o

modo de transferência síncrono (STM - syncronous transfer mode).

O STM segue uma hierarquia de multiplexação que parte do PCM básico de 64 kbit/s de

codificação de voz para os canais de informação. Os canais STM admitidos no padrão RDSI-

FE são:

canal B: 64 kbit/s: para voz ou dados;

canal D: 16 kbit/s ou 64 kbit/s: para sinalização fora de banda 4(out band);

canal H: 384 kbit/s (H0), 1536 kbit/s (H11) ou 1920 kbit/s (H12)

Como já mencionado, o tráfego na RDSI-FE é simétrico, sendo a taxa de bits de cada canal

é contada em cada um dos dois sentidos. Por exemplo, o canal A apresenta 64 kbit/s em

upstream e 64 kbit/s em downstream.

A mutiplexação TDM sobre o canal PCM básico segue três padrões de hierarquia: o padrão

europeu - adotado pelo Brasil - o padrão americano e o padrão japonês. Essas hierarquias

são chamadas hierarquias plesiócronas (em inglês, Plesiochronous Digital Hierarchy – PDH),

em referência à técnica utilizada para a multiplexação dos diversos canais, que, por não se

propagarem ao longo do meio com a mesma velocidade, são ditos quase síncronos. Em linhas

gerais, o multiplexador admite pequena discrepância de velocidades, ajustando o número de

bits dos slots dos canais mais lentos com bits adicionais (de enchimento). As hierarquias são

mostradas na tabela 2.1 (em Mbit/s):

3Quanto maior é o número da bitola menor é o diâmetro do fio.4O canal D de 16 kbit/s não é múltiplo do PCM básico, não sendo, no entanto, utilizado para informação

14



Nível Europa EUA Japão

1 2,048(E1) 1,544(T1) 1,544

2 8,448 6,312(T2) 6,312

3 34,368 44,736(T3) 32,064

4 139,264 276,176(T4) 97,728

Tabela 2.1: Hierarquias PDH adotadas na Europa(Brasil), EUA e Japão

A estrutura PDH é, na verdade, inteiramente geral, sendo utilizada em vários outros serviços

de comunicações, não apenas na RDSI-FE.

As estruturas de acesso mais usadas na RDSI-FE, em função dos canais B, C e H, são:

estrutura de acesso básico: usuário normal - 2 canais B + 1 canal C: 144 kbit/s;

estrutura de acesso primário: usuário com maiores necessidade, sendo possíveis as

estruturas T1 ou E1 comportando respectivamente 1544 kbit/s e 2048 kbit/s. Tanto

numa como noutra estruturas, tomam-se 8 bits de cada um dos 23 ou 30 canais e faz-se

a multiplexação. A taxa de quadros para ambas as estruturas é igual à de amostras de

um canal de voz, ou seja 8000 quadros por segundo.

– T1: 23 X 8 bits por canal B + 8 bits do canal D + 1 bit para a marcação do quadro

= 193 bits/quadro. ¡ 193 bits/quadro¢

8000 quadros/s = 1544 kbit/s

– E1: 30 X 8 bits por canal B + 8 bits do canal D + 8 bits de sincronismo = 256

bits/quadro.¡

256 bits/quadro

¢

8000 quadros/s = 2048 kbit/s

Comparando-se as taxas de bits do acesso RDSI-FE com as das tecnologias x-DSL, verifica-se

que existe grande diferença em favor destas últimas, conforme será visto na seção 2.3.

2.2.4 RDSI-FE Tendências

Há cerca de 15 anos, quando RDSI-FE estava sendo visto como uma tecnologia promissora,

a taxa de 128 kbit/s era satisfatória, tendo em vista que as velocidades das redes Ethernet e

15



Fast Ethernet (10 Mbit/s e 100 Mbit/s, respectivamente) não era difundida entre os usuários

em residências ou em pequenos escritórios. Atualmente, no entanto, com a expectativa de

desempenhos melhores por parte das tecnologias x-DSL (a serem vistas na seção 2.3) e HFC

(a ser vista no capítulo 3), vêm sendo despendidos cada vez menos esforços no sentido de

desenvolver e implantar a RDSI-FE como rede de acesso. Embora a RDSI-FE tivesse sido uma

grande solução tecnológica em seu tempo, as empresas de telecomunicações não promover-

am seu “marketing” de forma adequada e não promoveram seu suporte de forma eficiente.

Um problema grave que ocorre com a RDSI-FE é que os custos e a disponibilidade variam

significativamente. Em se tratando de redes basicamente comutadas por circuito, a demanda

cada vez maior por acesso à Internet pode esgotar a capacidade das centrais telefônicas. Deste

modo, as empresas operadoras de serviços de comunicações têm sido hesitantes em prover o

acesso RDSI-FE, pelo menos até que soluções estáveis e econômicas para as centrais venham

a ser encontradas [8].

Não obstante, o acesso básico RDSI-FE (visto no item 2.2.3) ainda é freqüentemente utilizado

pelo usuário domiciliar médio. Atualmente, na Cidade do Rio de Janeiro, a concessionária de

serviços públicos Tele Norte Leste (Telemar) oferece ao usuário residencial o acesso básico

RDSI-FE , sob a designação comercial de Digital Voice Image, ou como é mais conhecido,

DVI [33].

2.3 Tecnologias x-DSL

Com a tecnologia x-DSL, tira-se proveito da diferença entre a banda passante física do par

trançado de cobre e a imposta pela filtragem passa-baixa da rede dos serviços de telefonia.

O serviço tradicional de voz analógica é mantido na faixa de 0 4kHz, e os serviços de

transmissão, basicamente digitais, são implementados nas faixas superiores a 4 kHz. O prefixo

“x” representa, na verdade, várias tecnologias – HDSL, SDSL, ADSL, RADSL e VDSL – das

quais a primeira é a mais antiga e amadurecida [8] e a terceira é atualmente a mais difundida.

Essas tecnologias diferem basicamente nas taxas de bits, na simetria da transmissão, distâncias

que podem ser cobertas e comprimentos dos enlaces, como será visto ao longo das próximas

16



seções.

2.3.1 High-Data-Rate Subscriber Line – HDSL

O HDSL 5 é simplesmente uma atualização do conceito de RDSI-FE, oferecendo serviços T1

ou E1 [11]. Trata-se da primeira tecnologia x-DSL que foi desenvolvida, tendo sido oferecida

comercialmente durante alguns anos [8]. Avanços nos campos de processamento de sinais,

cancelamento de eco e modulação permitiram reduzir consideravelmente a banda necessária

para T1 e E1, que, de acordo com o comprimento do enlace, pode ser de apenas 80 a 240kHzem vez de 1,5 MHz e 2 MHz [11]. No entanto, a distância é limitada a alguns poucos

quilômetros - por exemplo, cerca de 3,6 km para bitola 24 AWG americana - o que nem

sempre satisfaz aos requisitos de acesso a redes de alta velocidade.

O HDSL é constituído de dois ou três pares trançados iguais, ambos com tráfego bidirecional

simétrico em full-duplex, de modo a que a taxa de bits seja dividida por dois ou três [11],

sendo mais tradicional a utilização de dois pares [21]. Duas configurações são as mais comuns

[8]:

usa-se o HDSL como uma linha dedicada ligando a central de comutação diretamente

ao equipamento do usuário, normalmente um escritório de maior porte;

usa-se o HDSL para a conexão a uma central de distribuição, de onde o sinal segue para

os usuários com menor taxa de bits através de cabos em par trançado da própria rede

telefônica.

O modem HDSL tem estrutura semelhante à estrutura do modem RDSI. Dado que a conexão

física se dá por meio mais de um par em full-duplex, existirá NEXT originada pelo fluxo

de transmissão na recepção (denominada auto-NEXT - ver figura 2.7). Como em RDSI, é

utilizado um cancelamento de eco e uma equalização com realimentação para minimizar esse

efeito [11].

5Apesar de o gênero da tradução de HDSL – “linha digital do assinante...” – ser feminino, usa-se o termo

no masculino em referência a “esquema HDSL” ou “sistema HDSL”.

17



Figura 2.7: Esquema do Modem HDSL.

O HDSL a rigor não reaproveita a infra-estrutura existente da rede telefônica. Além disso, o

padrão HDSL é aberto, como o padrão RDSI, de modo que as implementações existentes da

tecnologia HDSL são proprietárias.

2.3.2 Single-Line Digital Subscriber Line – SDSL

O SDSL (também dito S-HDSL ou DSL simétrico) opera com um par, em vez de dois pares

do HDSL, e suporta a mesma taxa de bits deste. Pode operar sobre uma rede telefônica

suportando T1 e E1. Segundo [8], os sistemas comerciais existentes podem suportar as taxas

de 384 kbit/s, 768 kbit/s, 1,5 Mbit/s (T1) e 2 Mbit/s (E1)6 . Dada a simetria do fluxo, o

SDSL é interessante para aplicações do tipo videoconferência e LANs [23], e sua vantagem

sobre o HDSL reside no fato de utilizar-se um único par, o que, além de proporcionar menor

custo para novas ligações físicas, permite o efetivo aproveitamento das redes telefônicas já

instaladas.

Dado, no entanto, que as aplicações do usuário residencial são eminentemente assimétricas -

um exemplo claro é o acesso à Internet - e que a distância coberta pelo SDSL é relativamente

pequena - cerca de 3 km - essa tecnologia perde em aplicabilidade para o ADSL, que pode

chegar a distâncias e taxas bem maiores. O SDSL, tal como ocorre para o HDSL, apresenta

ainda o inconveniente de não possuir um padrão completamente definido, de modo que as

implementações dependem de tecnologias proprietárias, quase sempre incompatíveis entre si.

Em [21] faz-se referência ao sistema HDSL2, que tem basicamente as mesmas características

6A data da publicação de [8] é janeiro de 1999.

18



do HDSL, porém, como o SDSL, utiliza um único par trançado e possui a vantagem de ter

sua tecnologia padronizada.

2.3.3 Assymetric Digital Subscriber Line – ADSL

O ADSL se diferencia do SDSL porque objetiva promover a melhor relação entre taxa de bits

e distância, usando o fato de que o fluxo de informação de um usuário típico de uma rede

telefônica é eminentemente assimétrico, ocorrendo muito mais em downstream - principalmente

vídeo e dados - que em upstream - basicamente requisições de serviços.

O ADSL é, dentre todas as tecnologias x-DSL, aquela com as maiores perspectivas de mercado,

razão pela qual sua abordagem será a mais aprofundada neste trabalho. O ADSL favorece

principalmente a dois tipos de aplicações: vídeo interativo e comunicações de dados. Vídeo

interativo inclui video-on-demand , video-games, ensino a distância, e catálogos de vídeo.

Comunicações de dados envolvem por exemplo o acesso à Internet e o acesso remoto a LANs.

A grande vantagem atual do ADSL sobre as demais tecnologias decorre do fato de que as redes

telefônicas, que podem ser totalmente reaproveitadas, já cobrem hoje milhões de assinantes

nas cidades, [10], sendo necessária pouca ou nenhuma obra civil , que normalmente é a parte

mais dispendiosa na implantação de um sistema.

ADSL Aspectos Físicos

Um circuito ADSL consiste de um modem em cada extremo de uma linha telefônica em

par trançado, criando-se três canais físicos de informação: um canal de downstream de alta

velocidade, um canal de média velocidade bidirecional ou para upstream (dependendo da

arquitetura) e o canal telefônico original [9]. A figura 2.8 ilustra o esquema ADSL. As bandas

de cada canal, com exceção do canal telefônico, podem variar em relação às apresentadas

abaixo, dependendo da arquitetura e da destinação do sistema.

O canal telefônico de 0 a 4kHz pode ser usado tanto para voz analógica ou digital como para

dados (modem de banda de voz) e é isolado dos demais por meio de filtragem. Dado que sua

banda de freqüência se situa abaixo da dos canais ADSL, tudo se passa para a conversação

19



Figura 2.9: Espectro de freqüências para o ADSL.

Taxa de Bits Bitola Distância

1,5 ou 2 Mbit/s 24 5,5 km

1,5 ou 2 Mbit/s 26 4,6 km

6,1 Mbit/s 24 3,7 km

6,1 Mbit/s 26 2,7 km

Tabela 2.2: Exemplos de distâncias máximas em função da taxa de bits e da bitola do par

trançado

apresentada na tabela 2.2 [9]:

Comparando-se ao HDSL, que tem para T1 (1,5 Mbit/s) por exemplo, cerca de 3600 m

para bitola 24 AWG, observa-se larga margem de capacidade do ADSL em relação àquela

tecnologia. O ADSL permite distância da ordem de 1 vez e meia a distância HDSL para a

mesma taxa de bits, ou 4 vezes a taxa de bits HDSL para a mesma distância.

Quanto aos códigos de linha para o ADSL, dois tipos foram propostos [11]: Carrierless

Amplitude and Phase Modulation – CAP – e Discrete Multitone – DMT. O esquema CAP,

21



Figura 2.10: Arquitetura genérica de uma rede ADSL.

patenteado pela AT&T, é similar ao esquema de modulação QAM-16, associando um símbolo

a cada 4 bits. A principal vantagem do esquema CAP é fornecer um espectro de potência plano

na transmissão e sua principal desvantagem é a necessidade de equalizações de amplitude e fase

eficientes na recepção. O esquema DMT é uma modulação do tipo multicarrier modulation

(MCM) - na qual o espectro do sinal é particionado em sub-canais de 4 kHz, e cada sub-canal é modulado com técnicas de QAM. Em vez de se utilizar equalização na transmissão,

o DMT adapta a taxa de bits de cada subcanal à SNR da sua região espectral. O DMT é

uma das características que levam ao RADSL, que será mencionado na seção 2.3.4. Além

de se procurar combater os efeitos nocivos do ruído na BER por um esquema de modulação

robusto, tanto para o canal de upstream quanto para o canal de downstream é implementado no

modem ADSL o interleaving (embaralhamento) dos dados antes da transmissão e, para dados

que não apresentem requisitos de retardo, a codificação de Reed-Solomon (semelhante ao CD

de áudio). Ambas as formas de modulação apresentam as mesmas taxas de bits máxima e

cobertura [11], de acordo com o exemplificado na tabela 2.2.

A figura 2.10 ilustra uma dentre várias possibilidades de configuração para uma rede ADSL .

Verifica-se a grande flexibilidade da tecnologia em suportar os mais diversos protocolos para

acesso a praticamente qualquer tipo de rede de alta velocidade, conjugados com serviços de

TV e com serviços de voz analógica. Tudo sobre um dispositivo - o par trançado - que existe

desde o início do século XX [17].

22



Os ATU são modems que codificam e modulam (ou demodulam e decodificam) os dados

segundo o plano de freqüências da figura 2.9, combinando a estes (ou retirando destes) o sinal

analógico de voz da telefonia. Na figura 2.10, são mostrados:

ATU-C: ADSL Transmition Unit Central Office(Unidade ADSL da Central Comutado-

ra).

ATU-R: ADSL Transmition Unit Receiver (Unidade ADSL do Usuário).

O sinal analógico deve permanecer inalterado na linha ADSL, visto que a comunicação deveser possível e direta com outros usuários da mesma rede (ou de qualquer outra) que usem,

por exemplo, aparelhos telefônicos comuns ou PDN de outras tecnologias x-DSL. É digno de

ressalva, no entanto, o fato de que existe uma derivação na ATU-R para a conexão da linha

telefônica, cuja fiação permanece em separado. Verifica-se que, apesar de o par trançado

chegar às portas da residência do usuário, e daí até seu aparelho telefônico, outros tipos de

cabeamento devem existir para a ligação dos demais equipamentos. Evitar a necessidade de

novos cabeamentos foi uma das premissas que nortearam a criação do esquema UADSL (verseção 2.3.6).

O nó de acesso provê o interfaceamento entre a rede ADSL e a rede externa de alta velocidade.

Outras funções são a demultiplexação, roteamento e comutação, no sentido de downstream, e

a concentração e multiplexação, no sentido de upstream.

ADSL Aspectos Lógicos

O ADSL, como aliás todos os x-DSL , é basicamente uma tecnologia de comunicação ponto-a-

ponto na Camada Física do modelo OSI. Uma possível pilha de protocolos pode conter IP sobre

PPP sobre HDLC sobre MAC, ou IP sobre PPP sobre AAL5 sobre ATM, todos sobre ADSL.

Várias arquiteturas são possíveis para o atendimento à especificidade de diversos serviços

(vídeo, texto, mensagens, dados, voz) na interconexão com redes de alta velocidade segundo

as estratégias de cada provedor. A figura 2.11 ilustra a flexibilidade do ADSL mostrando

uma configuração possível de protocolos tanto para a comunicação entre usuário e central

23



Figura 2.11: Exemplo de pilhas de protocolos aplicáveis a uma rede de acesso ADSL.

comutadora como para o interfaceamento entre os equipamentos do usuário e as redes tronco

(ver também figura 2.10). Evidentemente o modelo apresentado é um tanto genérico para

funcionar como um todo sobre um meio físico real. No entanto, partes desse modelo são

facilmente realizáveis.

Embora o exemplo da figura 2.11 mostre o protocolo IP sobre ADSL, outros protocolos da

camada de rede - IPX, DEC Net, Apple Talk - podem ser também suportados pelo ADSL por

pelas demais variações DSL. A camada de transporte da rede tronco determina os protocolos

de mais alto nível sobre o enlace ADSL. Três são as arquiteturas mais comuns: modo de

sincronização de bits, modo ATM e modo de pacotes. O modo é independente do código de

linha usado - DMT ou CAP [8].

No modo em sincronismo de bit é suportada a hierarquia tradicional de redes comutadas por

circuito. No modem ADSL são suportadas , para o fluxo de downstream, as hierarquias PDH

DS1, E1, DS2 e E2 (1544 kbit/s, 2048 kbit/s, 6312 kbit/s e 8448 kbit/s respectivamente).

Uma aplicação usará a banda passante que satisfizer sua demanda. Por exemplo, um vídeo de

3 Mbit/s vai requerer dois circuitos DS1. No fluxo de upstream, bandas múltiplas de 16kbit/s

ou 64 kbit/s podem ser usadas. Aplicações de dados como acesso à Internet ou interconexão

de LANs podem estar no escopo desse modo de transporte.

24



Quando a rede para a qual se faz o acesso é comutada por pacotes, o modo usado sobre ADSL

será o de pacotes. Redes comutadas por pacotes implicam a comutação/roteamento de pacotes

de tamanho variável sobre uma conexão física ADSL. PPP e FR são os dois protocolos de

nível de enlace mais difundidos capazes de suportar qualquer dos protocolos de nível de rede

(por exemplo IP e IPX), sendo a camada física ADSL vista simplesmente como um duto por

onde trafegam bits. Pacotes PPP, por exemplo, são transportados entre o ATU-C e ATU-R em

quadros semelhantes ao quadro HDLC.

No modo ATM, a ATU-R pode prover tanto interface ATM para o usuário como utilizar a

quebra e remontagem de quadros (subcamada SAR da camada AAL), de modo que na camada

física ADSL trafeguem basicamente células lógicas ATM e não mais apenas fluxos de bits,

como nos outros modos. Do lado do nó de acesso, um comutador ATM - dito de borda - faz as

funções típicas da camada ATM - multiplexação de células, adição e remoção dos cabeçalhos

das células, chaveamento e encaminhamento às portas físicas apropriadas da rede WAN. Pode

ocorrer de a rede externa não ser ATM e ainda assim o modo ATM ser utilizado. Neste

caso, no nó de acesso existirá uma subcamada SAR e um protocolo de roteamento de rede,

para a conversão das células em quadros e seu roteamento (do endereço ATM para a forma

de endereçamento particular da rede externa e vice-e-versa). Do lado do usuário, as funções

da camada ATM realizadas no sentido de downstream são as de roteamento das células para

cada equipamento (canais ”rápidos- de pequena latência - e ”entrelaçados- com poucos erros),

e no sentido de upstream a multiplexação dos canais em um único fluxo ATM. Múltiplas

conexões ATM são suportadas no enlace e modem ADSL. As taxas de bits para downstream

e upstream são determinadas quando da inicialização do sistema, em múltiplos de 32 kbit/s

desde esse valor até a capacidade do sistema em cada direção. A rede ADSL pode trabalhar

simultaneamente em sincronismo de bit e em ATM, bastando que seja reservada a priori a

banda passante necessária aos dois modos. Alocam-se as bandas necessárias em cada fluxo

(downstream ou upstream) para o sincronismo de bit e o modo ATM ocupará o restante da

capacidade.

Segundo [8] 7, estão sendo desenvolvidas as especificações para o tráfego ATM de fluxos

da camada de rede e níveis mais altos do nó de acesso ao terminal do usuário de forma

7Data de publicação: janeiro de 1999.

25



transparente. Pretende-se que esse padrão seja independente do código de linha (DMT ou

CAP), e que defina uma (sub)camada de convergência de transmissão para interfaceamento

com as camadas ATM (ou PMD).

Redes ADSL Tendências

Muitos fabricantes estão desenvolvendo multiplexadores para acesso por DSL (DSLAM), que

se situarão nos nós de acesso das centrais de comutação telefônica para o provimento dessas

funções de conversão e segmentação (além, obviamente, de outras tantas, como o controle

de fluxo, e a deteção/correção de erros). Do lado do acesso, esses dispositivos apresentariam

grande diversidade de protocolos de serviços de rede/transporte (TCP/IP, PPP, FR, ATM)

trabalhando sobre uns tantos outros (HDSL, ADSL, DS1). Do lado da rede externa, seria

provida a UNI-ATM para a conexão em redes ATM.

O ADSL, assim com o conjunto x-DSL está cada vez mais sendo visto como o único veículo

que efetivamente provê acesso de alta velocidade sem demandar investimentos significativos

em infra-estrutura. Não é, no entanto, uma tecnologia para transporte de informação fim-a-fim,

apenas uma tecnologia de acesso que pode suportar telefonia, RDSI, dados em pacotes e, em

particular, ATM. Serviços ADSL já estão sendo efetivamente oferecidos em diversas cidades.

Vários organismos trabalham no desenvolvimento e padronização da tecnologia ADSL, assim

como no tráfego ATM sobre ADSL. Entre eles estão o ADSL Forum, o ATM Forum, o Digital

Audio Visual Counsil (DAVIC), o ANSI e o European Telecomunications Standards Institute

(ETSI).

Como já mencionado, o ADSL é a mais difundida tecnologia do conjunto x-DSL. Sua im-

plantação vem cada vez mais suplantado a tecnologia RDSI-FE no aproveitamento das redes

telefônicas existentes como redes de acesso. No Brasil, o serviço começou a ser implantado

nas cidades de Belo Horizonte e São Paulo, sob as denominações comerciais de “Velox” [33]

e “Speedy” [4] respectivamente.

26



2.3.4 Rate-Adaptative Digital Subcriber Line – RADSL

Para todas as tecnologias que reaproveitam a rede telefônica existente, existe o problema da

inadequação do projeto original à sua nova utilização. Os sistemas ADSL, em particular, dada

a alta freqüência dos canais, são em muito dependentes da extensão das linhas, bitola dos

fios, estado de conservação das linhas e condições climáticas e do ambiente (fios elétricos são

sujeitos a interferências por descargas na rede elétrica, relâmpagos, ligamento e desligamento

de motores e eletrodomésticos e outros ruídos ditos impulsivos8). Todos esses parâmetros

podem variar de enlace para enlace, mesmo que sejam servidos pela mesma central. Assim

existe a necessidade de que técnicas adaptativas sejam usadas na comunicação por ADSL.

Essas técnicas incluem, entre outras, o esquema DMT de modulação, já mencionado[11]. O

RADSL é uma extensão do ADSL de modo a abranger larga gama de taxas de bits de acordo

com as características (e condições) de cada linha [21]. Uma série de testes é realizada na

linha antes do início da transmissão, do mesmo modo como é feito nos modems de faixa de

voz, para determinar qual a máxima taxa de bits possível [8]. Tudo o que foi mencionado em

relação ao ADSL é válido também para o RADSL.

2.3.5 Very-High-Data-Rate Digital Subscriber Line – VDSL

VDSL é um esquema de transmissão semelhante ao ADSL, com a diferença de ter capacidade

mais alta cobrindo distâncias menores. Como para o caso do ADSL, a rede telefônica é também

reaproveitada. Não existe ainda um padrão para o VDSL, mas as taxas de bits que estão em

discussão vão de 12,96 Mbit/s (para 1,4 km) a 51,84 Mbit/s (para 300 m) para downstreame de 1,6 Mbit/s a 2,3 Mbit/s, para upstream. O VDSL foi pensado para implementação em

áreas com altíssima densidade de ocupação, onde a central de comutação é próxima ou onde

terminações de redes em fibra ópticas são próximas aos usuários. Uma vez que o comprimento

dos enlaces é menor, é esperada a ocorrência de menos problemas relacionados com o meio de

transmissão, o que provavelmente resulta em modems VDSL comparativamente mais baratos

que os modems ADSL.

8

Os ruídos impulsivos voltarão a ser mencionados no capítulo 3, relativo o sistema HFC

27



A desvantagem do VDSL em relação ao ADSL reside no fato de as centrais telefônicas

próximas ao usuários não serem tão numerosas. As terminações de redes de fibra óptica

também ainda não estão plenamente instaladas, requerendo obras de infra-estrutura. O custo

e o porte dessas obras tendem inclusive a equilibrar os custos do VDSL e do esquema HFC

(a ser abordado no capítulo 3), sendo que este, pelo menos a princípio, apresenta capacidade

de tráfego muito superior.

2.3.6 Universal Adaptative Digital Subcriber Line – UADSL

O UADSL se constitui em uma adaptação do ADSL visando à criação de uma versão com alta

capacidade para atender a demanda imediata do mercado consumidor final. Na realidade, para

o usuário residencial do ADSL existe a necessidade de se utilizarem derivações na ATU-R para

possibilitar a conexão da linha telefônica na fiação interna original. O grande inconveniente é

o fato de que o cabeamento pelo qual se atende aos demais equipamentos, a partir da interface

interna da ATU-R, não é mais o par trançado original, o que obriga o usuário a modificar

suas instalações para o uso do ADSL. Em 1997, algumas empresas formaram um grupo de

caráter temporário denominado Universal ADSL Working Group (UAWG) com o objetivo de

desenvolver uma especificação mundial de uma extensão do ADSL capaz de suportar fluxos

de até 1,5 Mbit/s em downstream e até 512 kbit/s em upstream [8], cobrindo as mesmas

distâncias. A essa extensão, deu-se o nome de UADSL ou ADSL Lite (ou g.lite, conforme

designação do padrão pela ITU [21]). UADSL é, portanto, uma forma simplificada de ADSL,

com requisitos mais brandos de processamento de sinal, cobrindo taxas de bits menores, sobre

as mesmas distâncias (ver tabela 2.2).

2.3.7 RDSI-FE e x-DSL – Comparação

As tecnologias x-DSL promovem o aproveitamento muito mais efetivo da rede telefônica que

a RDSI-FE. Dentre as tecnologias, não resta dúvida de que o ADSL é atualmente o mais

difundido, pois provê a melhor relação entre a demanda do usuário por banda passante e a

necessidade de alterações na rede. A tabela 2.3 sumariza as variantes x-DSL com suas taxas

28



Sigla Nome Taxa de Bits Modo Número

de Pares

DSL Digital Subscriber Line 0,160 Mbit/s Duplex 1

(RDSI-FE)

HDSL High-Data-Rate 1,544 Mbit/s Duplex 2

DSL 2,048 Mbit/s Duplex 3

SDSL Single Line DSL 1,544 Mbit/s Duplex 1

2,048 Mbit/s Duplex 1

ADSL Assymetric DSL 1,5 a 6,144 Mbit/s Downstream 1

16 a 640 Mbit/s Upstream

RADSL Rate-Adaptative DSL Adaptativo Downstream 1

às taxas ADSL e Upstream

VDSL Very-High 13 a 52 Mbit/s Downstream 1

Data-Rate DSL 1,5 a 2,3 Mbit/s Upstream

(A)DSL Lite ADSL lite 1,5 Mbit/s Downstream 1

(ou UADSL) (Universal DSL) 0,512 Mbit/s Upstream

Tabela 2.3: Comparação das tecnologias x-DSL

de bits, número de pares trançados e modos de transmissão.

29



Capítulo 3

Redes de Acesso HFC – Cable Modem

O crescimento de demanda por acessos a redes de alta velocidade - particularmente pela

Internet - e a banda passante permissível nas redes de TV por assinatura por cabo coaxial

levaram as operadoras de CATV a desenvolver métodos de prover serviços de banda larga

através das redes existentes. Para realizar esse potencial de mercado (projeções para este ano

de 2000 indicam 70 milhões de domicílios com TV a cabo somente nos Estados Unidos [23]),as operadoras estão ativamente envolvidas no estabelecimento de padrões para a transmissão,

modernizando as redes físicas para suportar tráfego bidirecional e trabalhando em conjunto

com fornecedores para o desenvolvimento de hardware e software [8].

No campo do hardware, cabe destacar um tipo especial de modem desenvolvido especialmente

para o acesso às redes por cabo, diferente dos modems mencionados até então (que provêem

o acesso a meios físicos em par trançado), que tomou o nome genérico de cable-modem.

A grande maioria das redes de TV a cabo baseia-se no sistema HFC (sigla para Hybrid

Fiber/Coax), que é uma rede de telecomunicações em meio confinado, que combina fibra

óptica e cabo coaxial como suportes para a transmissão de sinais. Embora existam redes

diferentes da HFC, com tecnologias que são modificações das tecnologias para LANs [21], a

difusão muito maior daqueles tipos de rede a cabo levou a que atualmente a o par HFC+cable-

modem dominasse totalmente o cenário, de tal forma que ambos os termos são hoje usados

na literatura como se fossem sinônimos, para referência à própria tecnologia.

Os cable-modems sobre as redes de CATV se constituem em uma alternativa de alta velocidade

30



às redes de acesso com tecnologia x-DSL e aos modems de banda de voz. Observe-se que,

de mesma forma que as tecnologias x-DSL e RDSI-FE, as redes HFC também aproveitam

infra-estrutura existente, que no caso não é rede de telefonia e sim a rede de CATV.

3.1 O Cabo Coaxial e a Fibra Óptica

O cabo coaxial é, como o par trançado de cobre, um cabo que conduz energia sob a forma

de corrente elétrica. Diferentemente do par trançado, a simetria de revolução da geometria

do cabo coaxial faz com que o campo eletromagnético fique totalmente confinado entre o

conduto interno e a malha externa, resultando em irradiação teoricamente nula. Isso resulta,

na prática, no fato de que o cabo coaxial pode transportar os mesmos sinais que o par trançado

a distâncias muito maiores, ou, de forma equivalente, pode transportar sinais de freqüência

muito mais alta cobrindo as mesmas distâncias. Na prática, no entanto, em decorrência de

imperfeições de sua geometria, o cabo coaxial irradia pequena fração da energia do sinal

que por ele trafega. Ao contrário do par trançado, ele não é um bom irradiador, embora

também irradie e, conseqüentemente, receba sinais. Isso faz com que cabo coaxial, apesar de

menos suscetível a interferências, não seja imune a elas. Como será visto mais adiante, essa

falta de imunidade representa um inconveniente nas redes HFC, particularmente nos canais de

upstream.

A fibra óptica conduz energia sob a forma óptica, pelo fenômeno da reflexão interna total.

Trata-se de um meio não condutor transparente, pelo qual a luz é passada e a informação se

traduz na intensidade luminosa. Isso faz com que a fibra óptica seja efetivamente imune a

interferências externas. Outra propriedade da fibra óptica é o fato de que, sendo a freqüência

a luz da ordem de THz, ela comporta sinais de informação em freqüências muito superiores

a qualquer dispositivo elétrico, o que resulta na possibilidade de tráfego em banda passante

– aí entendida também como taxa de bits – muito maior. As fibras ópticas, assim como

os dispositivos ópticos e eletro-ópticos – laseres, foto-detetores, divisores multiplexadores e

outros – têm sido objeto de estudo aprofundado, sendo este um campo muito vasto, mas

que experimenta desenvolvimento acentuado nos dias atuais, tendo em vista a adequação

31



de praticamente todas as suas propriedades na comunicação de alta velocidade. Uma fonte

introdutória de estudo das fibras e dispositivos ópticos pode ser encontrada em [22].

3.2 Partes da Rede HFC

As redes HFC têm topologia em árvore, prestando-se muito bem a conexões em broadcast,

como era o objetivo original das redes de CATV reaproveitadas. Pelo trecho em fibra óptica, é

transportado o tráfego agregado de basicamente a totalidade dos usuários. No trecho em cabo

coaxial, o tráfego agrega menos usuários. A rede HFC se compõe basicamente de quatro partes

claramente diferenciadas: a cabeceira (ou headend ), a rede tronco, a rede de distribuição e

rede de usuários.

O headend é o centro de onde se governa todo o sistema. Sua complexidade depende dos

serviços suportados pela rede. Por exemplo, para um serviço básico de distribuição de sinais

unidirecionais de televisão (analógicos e digitais), o headend apresenta uma série de equipa-

mentos de recepção de televisão terrestre, via satélite e por microondas, assim como de enlacescom outros headends ou estúdios de produção. Os sinais analógicos são transmitidos multi-

plexados em freqüência. Os sinais digitais de vídeo, áudio e dados que formam os canais de

televisão digital são multiplexados. Uma vez aplicado o código corretor de erros e realizado

o entrelaçamento de bits, utiliza-se um modulador QAM para transmitir a informação até o

equipamento do assinante (encabeçado por uma set-top-box, como no ADSL). O headend é

também encarregado de monitorar a rede e supervisionar seu funcionamento. O monitoramen-

to está se tornando um requisito básico das redes de cabo, em virtude da atual complexidade

das novas arquiteturas e da sofisticação de novos serviços, que exigem da rede confiabilidade

muito alta. No headend se realiza todo o tipo de tarifação e controle dos serviços prestados

aos assinantes.

A rede tronco pode apresentar estrutura em forma de anéis redundantes de fibra óptica que

unem um conjunto de nós primários. Os nós primários alimentam outros nós, ditos secundários,

através de outras estruturas em anel ou em barramento, ainda por fibras ópticas.

Nos nós secundários, os sinais ópticos são convertidos em sinais elétricos e são distribuídos

32



Figura 3.1: Arquitetura genérica de uma rede HFC.

para os assinantes por meio de cabos coaxiais, pela rede de distribuição. Cada nó secundário

serve a algumas centenas de lugares (500 é um tamanho habitual para redes HFC). No enlace,

são dispostos em cascata 2 ou 3 amplificadores de banda larga, no máximo. Com isso, se

consegue bom nível de ruído e distorção no canal descendente. A figura 3.1 apresenta uma

arquitetura possível para uma rede HFC.

A título de ilustração, no início da implementação do serviços de acesso por redes de CATV,

apenas 15-20% do parque instalado nos Estados Unidos poderia efetivamente possibilitar

fluxos bidirecionais nas bandas passantes imaginadas. Para o canal de upstream, as operadoras

utilizavam modems de banda de voz, enquanto a modernização lentamente ocorria. Apenas

quando as análises de mercado indicaram rentabilidade atrativa, as operadoras passaram a

investir de forma mais incisiva na modernização das redes existentes; porém tiveram que rever

seus planos ao se depararem com os custos das obras, na dificuldade de suporte e nos preços

altos pelos quais os serviços eram oferecidos aos assinantes. Atualmente, com o aparecimento

de mercado em áreas mais distantes dos headends, ocorreu o aquecimento dos programas de

modernização.

33



3.3 Funcionamento da Rede HFC

3.3.1 Redes HFC Aspectos Físicos

Como no caso das redes x-DSL, as redes HFC devem suportar comunicações bidirecionais

entre o headend e os terminais dos assinantes, e, portanto, além do canal de downstream, com

até 30 Mbit/s, existirá pelo menos um canal de comunicação upstream. O canal de upstream

ocupa nas redes HFC a faixa de 5 a 55 MHz e é compartilhado por todos os usuários. Os sinais

de upstream de nós distintos são levados ao headend multiplexados em freqüência (SCM) ou,

nos trechos em fibra óptica, por comprimento de onda (WDM). Um sinal gerado por um

terminal de um assinante percorre a rede de distribuição em sentido ascendente, passando por

amplificadores bidirecionais, até chegar ao nó secundário. Os sinais de retorno dos assinantes

abrangidos por um nó convergem para este, onde sofrem a conversão eletro-óptica, e são

transmitidos para o headend . Nas redes de acesso HFC, tal como na filosofia de CATV, o

assinante pode permanecer conectado, não sendo necessário estabelecer uma chamada para

obtenção do acesso, como ocorre para o caso do acesso telefônico em banda de voz ou

RDSI. Apesar disso, existe a possibilidade de somente se faturar por tempo em que o usuário

efetivamente utiliza os recursos do sistema.

O canal de downstream é normalmente dividido na freqüência em subcanais, de acordo com

a operadora, cada qual acomodando banda passante de 6 MHz, possibilitando taxa de bits da

ordem de 27 Mbit/s, sendo usado o esquema de modulação QAM-64. O cable-modem é capaz

de sintonizar (FAMM) um dos subcanais de acordo com um critério qualquer - por exemplo,

selecionando a banda de menor ruído ou a menos ocupada. No canal de upstream, existem

também diversos subcanais, sendo utilizado o esquema de modulação QPSK (quadrature phase-

shift keying).

Os cable-modems podem operar a taxas de até 30 Mbit/s em downstream e até 2 Mbit/s em

upstream, que são taxas significativamente maiores que as obtidas em redes de acesso com

tecnologia ADSL ou mesmo em redes locais com padrão Ethernet (10 Mbit/s). Um dado que

torna atrativo o cable-modem é o fato que seu preço vem decaindo com o tempo, comparado

ao preço do modem ADSL. Um cable modem se distingue do modem telefônico pelo fato de

34



este utilizar toda a banda passante negociada, ao passo que aquele opera sobre uma arquitetura

semelhante a LANs, em que o usuário não tem garantia de banda passante, a qual depende do

número de usuários na rede em um dado momento [8].

A transmissão de dados em redes HFC se realiza através de um meio de acesso compartilhado,

em que um grupo de usuários compartilham certa largura de banda geralmente grande (6 MHz,

por exemplo), com capacidade de 10 a 30 Mbit/s. Em uma rede local Ethernet de 10 Mbit/s,

a capacidade de transmissão e recepção de dados que cada usuário individual de um total de

100, por exemplo, é bastante superior a uma centésima parte dos 10 Mbit/s. Isto se deve à

natureza probabilística do surto de informações que atravessam o meio compartilhado. Esse

tipo de tráfego é característico da maioria das aplicações correntes no serviço de Internet.

Segue-se um exemplo típico das características de um cable-modem:

Tráfego assimétrico, com dados a taxas de bits de até 30 Mbit/s e até 2 Mbit/s. (valores

mais normais são 10 e ao redor de 1 Mbit/s) em downstream e upstream, respectivamente;

Conexão física à rede HFC por meio de um conector de cabo coaxial tipo F e ao

computador do assinante através de uma placa Ethernet 10BaseT;

No sentido upstream, o cable-modem decompõe os pacotes Ethernet vindos do com-

putador pessoal e os converte em células ATM ou em outro formato, normalmente

proprietário. Usa-se a modulação QPSK (Quadrature Phase Shift Keying).

O sistema FAMM (Frequency Agile MultiMode), que permite sintonização automática

de um canal menos ruidoso que o utilizado no momento, de acordo com as ordens doheadend .

Para se ter idéia do grau de assimetria que apresenta o cable-modem, tem-se que, em uma

navegação típica de 60 segundos pela Internet de um computador conectado diretamente à rede,

mais de 8 Mbits de informação em média seguem do servidor para o computador do usuário, e

este devolve àquele cerca de 500 kbits, que representam os pedidos de dados e reconhecimentos

da chegada dos pacotes. Verifica-se que a relação entre o tráfego de downstream e de upstreammostra assimetria de fator 15 ou mais. Não obstante, alguns fabricantes seguem a filosofia

35



Figura 3.2: Configuração lógica possível para uma rede HFC.

de construir modems simétricos, seguindo o entendimento de que a demanda da largura de

banda por parte do usuário evoluirá no sentido de capacidades de upstream cada vez maiores.

Existem configurações de rede nas quais o uptream segue através da rede telefônica. Neste

caso, o cable nodem é híbrido com modem de banda de voz.

3.3.2 Redes HFC Aspectos Lógicos

Para o provimento do acesso em alta velocidade via cabo, o equipamento domiciliar é conectado

a um cable modem. Esse dispositivo é constituído de pilhas de protocolos, que fazem a

adaptação da camada física do usuário para a camada física da rede de acesso HFC. A figura

3.2 ilustra uma uma configuração bastante difundida, na qual a rede do usuário é uma rede

Ethernet 10baseX [8] transportando datagramas IP.

Na figura, no lado direito da pilha de protocolos do cable modem, tem-se a pilha completa

das camadas de enlace de dados e física da rede Ethernet (utilizando-se, no caso, o protocolo

CSMA/CD para o acesso – IEEE 802.3). No lado esquerdo, a subcamada LLC ( Logical Link

Control – padrão IEEE 802.2) pode ser mapeada sobre ATM ou diretamente sobre o protocolo

de acesso ao meio (MAC) da rede HFC, dependendo do protocolo suportado pelo provedor. O

MAC da rede HFC pode suportar várias formas de trasnmissão, como o ATM em campo limpo,

LANE ou MPOA. Neste ponto, deve ser lembrado que, diferentemente da redes telefônicas

de RDSI-FE e x-DSL, a configuração física da rede HFC (ver figura 3.1) apresenta vários

nós intermediários, nos quais poderão existir colisões entre sinais de diferentes usuários. Não

36



se trata mais de ligações ponto-a-ponto entre usuário e central de comutação. Deste modo, o

MAC deve incorporar mecanismos eficientes de deteção de colisão.

No headend , nova adaptação da camadas físicas é realizada. O lado esquerdo da pilha de

protocolos depende da particular rede núcleo à qual é feito o acesso. O interfaceamento entre

a rede de acesso HFC e as redes de infra-estrutura são providas por um roteador (cable router )

localizado fisicamente no headend . Algumas das funções desempenhadas pelo roteador são o

gerenciamento de banda passante do fluxo downstream, encapsulamento de pacotes na camada

enlace de dados (da forma como eles vierem ou após a adaptação ATM), embaralhamento de

dados se necessário, adição do FEC e a coleta, armazenamento e encaminhamento das estatís-ticas de tráfego. No upstream, o roteador sintoniza cada canal (de cada usuário) demodula

os dados, extrai os pacotes Ethernet ou células ATM e os roteia, com base nos respectivos

endereços IP ou ATM [8].

À primeira vista pode parecer que a padronização de redes HFC seria secundária, desde que

datagramas da camada de rede sejam compatíveis, independentemente das camadas inferiores.

No entanto, tem ficado demonstrado que a diversidade de tecnologias proprietárias inevitavel-

mente resulta em fragmentação excessiva dos dados. Essa fragmentação constitui obstáculo

sério para que se obtenha a utilização efetiva do potencial de banda passante que a HFC

pode oferecer. Deste modo, as indústrias têm tentado fixar para as redes padrões que sejam

compatíveis tanto com estrutura já existente como com os diversos equipamentos do usuário.

O ideal de padronização seria tornar as redes independentes do fabricantes. No estágio atual

de implantação, seria satisfatório que equipamentos de diferentes fabricantes pudessem operar

simultaneamente sem fragmentação de dados. Dentre os padrões já definidos e difundidos

podem ser mencionados [8]:

DOCSIS [5], elaborada pelo consórcio Multimedia Cable Network System Partners –

MCNS: define padrões para os cable modems;

IEEE P.802.14: padronização não adotada, mas que constitui base para muitos fabri-

cantes;

DAVIC 1.1: vídeo digital sobre HFC usando tecnologia ATM;

37



DAVIC 1.2: especificações para suporte a serviços de acesso à Internet e dados em alta

velocidade;

DAVIC 1.4 a 1.5 1

ATM Forum: Especificações de interoperabilidade na camada ATM para várias tecnolo-

gias de acesso (inclusive HFC e ADSL).

Como se pode verificar acima, vários são os órgãos envolvidos em padronização. Essa plu-

ralidade de esforços surte muitas vezes efeitos contrários ao esperado. Tantas especificações

têm sido fonte de confusão tanto para provedores de serviços como para fabricantes.

3.4 Redes HFC Problemas

A rede de distribuição em cabo coaxial, ao contrário da fibra óptica, pode receber sinais

indesejados em toda a área que a serve 2. Qualquer sinal que exista no espectro de rádio-

freqüência (RF) na banda de 5 a 55 MHz pode penetrar na rede. Como exemplo, têm-se as

emissoras de ondas curtas, radioamadores; sinais provenientes de televisores mal sintonizados,

interferências elétricas de tubos de neon e motores elétricos. Na verdade, um dos principais

problemas de interferência em redes HFC é o chamado ruído impulsivo. O ruído impulsivo tem

sua origem em várias fontes: descargas em redes de distribuição elétrica, por vezes localizadas

nos mesmos postes condutores do cabo da rede CATV; descargas entre contatos de conectores

oxidados e aparelhos eletrodomésticos. Consiste em picos de sinais de amplitude geralmente

grande, que penetram em todo o espectro do canal de retorno. O ruído impulsivo provoca

aumentos momentâneos muito fortes no nível de entrada (sinal-ruído) nos amplificadores e no

laser que faz a conversão eletro-óptica de retorno. Esse aumento provoca a saturação desses

dispositivos, o que leva ao efeito de produtos de intermodulação de segunda e terceira ordem

(CSO – composite second order – e CTB – composite triple beat , respectivamente). Embora os

1Todas as essas especificações, inclusive as anteriores podem ser obtidas em [6]2Na maior parte, estas interferências (95%) penetram na rede através dos próprios assinantes (70%) e de

pontos próximos a estes (25%) - a instalação do edifício é um dos pontos mais críticos na construção física da

rede [17].

38



amplificadores atuais sejam projetados para praticamente cancelar o CSO para níveis normais

de entrada, o CTB ainda pode ser causa de sobrecarga, com as conseqüentes não-linearidades.

Um problema que se apresenta, por conta da estrutura em árvore da rede de distribuição em

uma rede HFC é que, como todos os sinais indesejados, ruídos e interferências, provêm de

cada um dos pontos do barramento coaxial, e todos convergem para um nó, suas potências

se somam, contribuindo para a degradação da relação sinal-ruído no enlace digital de retorno

(efeito de noise funneling). De fato, o ruído que emana de cada um dos lugares da rede

prejudica todos os assinantes, em decorrência do noise funneling.

Em relação ao downstream, a rede HFC não é tão ruidosa por conta de três fatores:

1. A densidade espectral de potência do ruído impulsivo diminui com a freqüência e o

sinal de downstream ocupa faixa superior ao de upstream;

2. Em qualquer sistema físico, o ruído é mais prejudicial se for gerado no primeiros estágios,

que é precisamente o que ocorre para o upstream, o que inicia no trecho da rede em

cabo coaxial (que é o estágio ruidoso);

3. Não há convergência de sinais, não ocorrendo, portanto, noise funneling, haja vista a

própria topologia da rede.

Deste modo, verifica-se que o canal de upstream exige maior atenção que o canal de down-

stream por parte da operadora da rede, se é desejado assegurar certa qualidade de serviço no

enlace digital ascendente. A figura 3.3 mostra uma configuração possível para um enlace de

retorno e os pontos onde ruídos e interferências são incorporados ao sinal.

Na configuração mostrada, quatro barramentos coaxiais, que servem a 4 áreas de distribuição

distintas, chegam a um nó óptico. Se o nó serve a 500 lugares, cada barramento proverá

serviço a 125 lugares, que compartilharão a faixa de 50 MHz do canal de upstream. Em cada

domicílio, uma unidade de Interface de Rede (UIF) conecta os diferentes terminais do usuário

(PC/modem de cabo, TV/ set-top-box, e terminal telefônico) à rede HFC. O sinal que chega

ao headend estará contaminado pelo ruído de todos os usuários que ela atende, prejudicando

igualmente todos os respectivos sinais, independentemente de quais usuários tenham gerado o

ruído. Por exemplo, ruído excessivo gerado na rede por um domicílio próximo pode corromper

39



Figura 3.3: Esquema de uma rede HFC do ponto de vista do canal de upstream.

os dados saídos de um cable-modem sem qualquer ruído. Assim, a manutenção da rede e a

recuperação de falhas pode ser um processo difícil e caro [8]. O problema é ainda mais grave,

uma vez que muitas redes HFC de fato são constituídas inteiramente de cabo coaxial.

Estender a fibra óptica até o mais próximo possível do domicílio do usuário eliminaria os

amplificadores elétricos, minimizaria o ruído e permitiria a segmentação do trecho final em

regiões menores, o que aumentaria a confiabilidade do sistema. O quão próximo a fibra deve

chegar do domicílio é um problema de otimização complexo. Essa alternativa é a chamada

FITL - fiber in the loop, que será vista na seção 5.1.

Outro problema que ocorre pelo fato de a conexão física na HFC ser compartilhada é a potencial

falta de privacidade e segurança. Este problema, que existe para toda conexão física que não

seja estritamente ponto-a-ponto, fica bastante diminuído, em geral, pelo uso de algoritmos de

encriptação.

40



A tendência atual leva a considerar as redes híbridas de fibra óptica-cabo coaxial (HFC) como

as redes que, em futuro cada vez mais próximo, irão levar até a maioria da população grande

variedade de serviços e aplicações de telecomunicações entre os quais: video-on-demand ,

pay-per-view, jogos de vídeo interativo, videoconferência, telecompras, telebanco, e acesso a

bases de dados.

Não obstante, conforme mencionado no item 3.3.2, muitas são as entidades envolvidas na

padronização para HFC. Um cable modem ainda é um equipamento caro, como também o são

os serviços de dados por cabo. O alto custo, e a incerteza gerada para fabricantes e operadoras

pela pluralidade de padrões – nem sempre compatíveis – podem retardar o estabelecimento

definitivo das redes HFC.

No Brasil, algumas cidades como Rio de Janeiro, São Paulo e Belo Horizonte já dispõem de

acesso por Cable Modem. A GloboCabo (Net) oferece o serviço de nome de fantasia “Virtua”,

com velocidade de downstream de 256 kbit/s.

42



Figura 4.1: Redes usando satélites (a)como acesso e (b)como acesso e infra-estrutura

apenas a função de retransmitir o sinal para um dado ponto – o gateway – sem qualquerprocessamento da informação. Como exemplo de arquitetura de rede por satélite puramente

de acesso, tem-se o sistema SkyBridge.

Uma outra configuração permite que os satélites sejam usados como rede de acesso e rede

núcleo. Neste caso, são estabelecidos enlaces entre satélites (inter satellite links - ISL), através

dos quais o sinal do usuário trafegará. Essa arquitetura é ilustrada na figura 4.1(b). Note-se

que, diferentemente das redes de acesso, o satélite deverá fazer o processamento do sinal, a

fim de que, por exemplo, o pacote seja roteado (ou comutado) para o ISL apropriado. Trata-se

de um satélite bem mais sofisticado (e caro) que o satélite projetado para a rede de acesso,

dado que grande parte dos meta serviços da rede devem ser enviados da Terra, importando em

capacidade de processamento que vai bem além da simples capacidade de rotear 1. Exemplo

de um sistema integrado “rede de acesso-rede núcleo” é o sistema Internet-in-the-Sky, da

Teledesic, Inc. [31].

1Dado que os satélites se movimentam relativamente uns aos outros, o próprio roteamento deve ser dinâmico.

Este é só um pequeno exemplo da complexidade do sistema.

45



Figura 4.2: Tipos de orbitas para satélites de comunicações

Como mencionado acima, a maioria dos satélites atualmente em uso não tem capacidade de

processamento do sinal, permitindo apenas a configuração do sistema como rede de aces-

so. No satélite é feita simplesmente a retransmissão do sinal, sem qualquer regeneração,

promovendo-se apenas o deslocamento de freqüência, para evitar-se a interferência do sinal de

subida (uplink ) com o sinal de descida (downlink ), e a amplificação, no dispositivo chamado

transponder do satélite. Essa “falta de processamento inteligente” apresenta, contudo, a van-

tagem de o satélite ser transparente à informação, o que permite que a estrutura do sinal seja

alterada na Terra, tornando possível o uso de uma gama vasta de protocolos, sem a necessidade

de adaptação no dispositivo embarcado.

4.1.2 Tipos de Órbitas

Em geral, uma constelação2 de satélites pode constituir qualquer conjunto de órbitas em torno

da Terra, de acordo com a sua finalidade. Para os satélites de comunicações, as configurações

de órbitas mais favoráveis são as mostradas na figura 4.2.

Cada tipo de órbita leva a características de rede diferentes, em função da velocidade (período)

do satélite, sua distância à estação terrena e da variação do ângulo de inclinação.

A velocidade do satélite tem importância por conta da precisão do rastreamento deste para

2Diz-se constelação a totalidade de satélites de um sistema, os quais podem situar-se em diversas órbitas

46



o correto apontamento das antenas e, principalmente, por causa do efeito Doppler. O efeito

Doppler provoca desvio na freqüência da portadora para maior – se o satélite está se aprox-

imando – ou para menor – se o satélite está se afastando. Isto faz com que os receptores

tenham que ter filtragem de banda mais larga além de provocar variação na taxa de bits do

sinal.

A maior distância do satélite à Terra implica maior tempo de propagação nos enlaces de subida

e de descida, o que dá origem a retardo do sinal.

A variação do ângulo de inclinação do satélite tem importância basicamente na alteração

da camada de atmosfera através da qual o sinal deve propagar-se. O efeito principal da

combinação do efeito Doppler com a variação da inclinação é a introdução no sinal de variação

estatística do retardo ou jitter .

Deste modo as diversas órbitas refletem soluções de compromisso que existem entre os três

fatores acima:

Órbita Geoestacionária – GEOOs satélites em órbita GEO se situam no plano do equador

da Terra, na altitude (distância medida desde a superfície da Terra até o satélite) de 35.786

km. O período de translação é de 24h, o que resulta no fato de que, visto de um ponto fixo na

Terra, o satélite parecerá um ponto fixo no céu. Trata-se portanto dos enlaces mais simples,

em que o efeito Doppler inexiste, a inclinação é fixa e não há necessidade de troca de satélite

(handoff ou hand-over ) durante a conexão. O tempo de propagação, no entanto é bastante

alto, em decorrência dos comprimentos dos enlaces de subida e descida determinados pela

altitude, como pode ser visto na equação 4.1 abaixo:

¡ ¢ £ ¤ ¥ ¦ § ¨ ©

! " # $

% & ' ( ) 0 1 2 3 4 5

6 7 8 9 @ A B C D E F G H I P Q R S T U V

(4.1)

Esse retardo é de magnitude tal que pode tornar-se perceptível ao ouvido humano durante

uma conversação telefônica, de modo que, o sistema GEO não é adequado, por exemplo, para

fluxos ATM classe A. Outro problema dos sistemas GEO é que o comprimento do enlace

conduz a grandes perdas de propagação, o que obriga à utilização de antenas transmissoras de

grande ganho. Tais antenas são de volume muito grande, o que impossibilita sua utilização

47



Figura 4.3: Configuração do sistema DirecPC

pelo usuário residencial. Deste modo, o acesso por satélite GEO é adequado apenas ao

fluxo dowmstream em altas taxas, devendo o acesso do fluxo upstream ser provido pela rede

telefônica convencional, por exemplo, com modem em banda de voz. Um sistema existente no

mercado é o sistema DirecPC, da empresa Hughes,Inc, capaz de oferecer taxas em downstream

de 400 kbit/s por usuário, conforme mostrado na figura 4.3.

O desenvolvimento de redes de acesso como a mostrada acima praticamente só se tornou

viável com o advento de satélites mais modernos chamados DBS ( direct broadcast satellites),

muito mais potentes que os satélites das primeiras gerações. Essa maior potência faz com

que a recepção de seu sinal possa ser realizada com antenas de 30-40cm de diâmetro e torna

viável a utilização de satélites GEO para o transporte de informação diretamente ao usuário

domiciliar. São exemplos de satélites DBS os sistemas comerciais utilizados para TV por

assinatura como “Sky” [20] e “DirecTV” [7], cujas antenas receptoras podem são muto vistas

nas cidades e (principalmente) fora delas.

A tecnologia de estações receptoras com pequenas antenas é uma evolução da bastante di-

fundida tecnologia VSAT (very small aperture terminal)3. As estações VSAT são terminais

dotados de antenas de diâmetro relativamente pequeno (de 0,50m a 1,2m), destinadas à re-

cepção e transmissão do sinal. Desde 1990, quando se implantaram os primeiros sistemas

comerciais, as VSAT são usadas para suporte a conexões LAN-LAN e como pontes LAN-

3Embora a tradução de VSAT seja um substantivo masculino, refere-se a VSAT no feminino com o significado

de “estação VSAT”.

48



WAN, além de preverem rotas alternativas em casos de calamidade [18]. Atualmente, os

sistemas VSAT são também vistos em redes de comunicação de instituições bancárias.

Os grandes focos atuais de pesquisa para acesso por satélite GEO são o uso das VSATs e das

antenas de pequeno diâmetro na comunicação bidirecional por meio de DBS.

Órbita Baixa – LEO Os sistemas com satélites em órbita baixa (altitudes entre 500 e 2000

km) apresentam retardo comparável aos sistemas em fibra óptica e estão sendo desenvolvidos

para oferecer este tipo de QoS. A órbita pode ser circular ou elíptica e o seu plano tipicamente

não coincide com o plano do equador, de modo que a configuração da constelação pode ser

projetada para cobertura de todo o globo por igual ou com privilégio para determinadas regiões.

Tais sistemas, no entanto, apresentam o inconveniente de o efeito Doppler ser acentuado e a

variação da inclinação ser rápida, com as conseqüências já mencionadas. O período de um

satélite LEO pode variar entre 90 e 120 minutos, o que faz com que seja grande a quantidade

necessária de handoffs. Tanto o problema de jitter quanto o problema dos handoffs tendem a

tornar muito mais complexos os protocolos de comunicação. Não obstante, tais sistemas, em

virtude da menor altitude dos satélites, podem receber fluxos transmitidos pelo usuário, sem

necessidade de estações de grande potência, permitindo assim a conexão bidirecional através

do satélite. Também esses sistemas são aqueles que podem garantir os requisitos de QoS mais

rigorosos, principalmente em relação ao retardo. Por essas razões, os sistemas LEO têm-se

tornado objeto de vultosos investimentos.

Órbita Média – MEO Os sistemas com satélites MEO podem ter órbitas circulares ou

elípticas não necessarianente situadas no plano do equador. Os sistemas com órbita circular

são também chamados sistemas ICOs (intermediate circular orbit ). Trata-se de uma solução

intermediária entre os sistemas GEO e LEO, com altitudes entre 8000 e 20000 km. O período

do satélite é próximo de seis horas, o que diminui a quantidade de handoffs. O número de

satélites na constelação é também menor que para os sistemas LEO, ocorrendo, no entanto,

retardos maiores no fluxo.

49



Órbita Elíptica Alta – HEO Os satélites de órbita elíptica alta (high elliptical orbit – HEO)

descrevem trajetórias elípticas de grande apogeu, de modo que, próximo a esta região, sua

velocidade diminui e eles se tornam praticamente geoestacionários. Trata-se de uma solução

de cobertura semelhante aos sistemas GEO, para regiões próximas aos pólos da Terra. Tem,

porém, o inconveniente de o satélite ser utilizável apenas quando está próximo ao apogeu, o

que provoca grande ociosidade do sistema, além dos problemas já mencionados dos sistemas

GEO e da necessidade de handoffs.

4.1.3 Bandas de Freqüência

Os sistemas de satélites possuem pelo menos dois enlaces: o enlace de subida (uplink ) e o

enlace de descida (downlink )4. Em alguns casos, a banda de freqüência é subdividida em

duas bandas, nem sempre contíguas, estabelecendo uma faixa para downlink e outra para

uplink . Pode-se reparar que, nesses casos, as freqüências do sinal em downlink são inferiores

à do uplink . Isso ocorre porque as freqüências mais baixas apresentam menores perdas de

propagação no espaço, sendo a banda mais baixa outorgada sempre para transmissão pelo

dispositivo mais crítico, que no caso é o satélite5.

Dado que nas trasmissões por satélite, o amplificador de saída do transponder (válvula TWT)

opera no regime de saturação6, não se podem usar sinais com modulação em amplitude.

Deste modo, o esquema de modulação digital utiliza a fase da portadora de alta freqüên-

cia para a codificação da informação, com 2 bits por símbolo. Este esquema é conhecido

como quadriphase-shift keying ou QPSK. Abordagem mais aprofundada sobre esse e outros

esquemas de modulação pode ser encontrada em [13].

A tabela 4.1 resume as bandas de freqüência usuais em sistemas por satélite.

4Não confundir com downstream – fluxo de informação em direção ao usuário – e upstream – fluxo de

informação partindo do usuário.5Um caso semelhante: Nos sistemas de telefonia celular, a transmissão do terminal móvel para a estação

rádio base está em banda de freqüência inferior à da transmissão da ERB para o móvel.6Na saturação, o aumento de amplitude no sinal de entrada não corresponde a aumento proporcional de

amplitude no sinal de saída.

50



Banda Faixa de Freqüências

HF 1,8-30 MHz

VHF 50-146 MHz

P 0,238-1,0 GHz

UHF 0,430-1,3 GHz

L 1,530-2,7 GHz

S 2,7-3,5 GHz

C downlink 3,7-4,2 GHz

uplink 5,925-6,425 GHz

X downlink 7,250-7,745 GHz


K (Europa) downlink 10,7-12,750 GHz


K (EUA) downlink 11,7-12,7 GHz


K¡ 18-31 GHz

Tabela 4.1: Faixas de freqüência dos enlaces por satélite

51



Figura 4.4: Pilha genérica de protocolos do canal downstream para DVB-S.

4.2 Redes de Acesso por Satélites – Aspectos Lógicos

No caso dos satélites atuais (sem capacidade de processamento), basicamente qualquer pro-

tocolo poderia ser usado. No acesso por satélites a serviços multimídia, os protocolos a ser

empregados tendem atualmente a ser TCP/IP e ATM, além obviamente dos protocolos para

DVB. Uma plataforma em que se estabelecem padrões voltados especificamente ao DVB (uti-

lizando MPEG-2 em DBS) com serviços multimídia é chamada DVB-S ( DVB-satellite), cujos

protocolos devem incluir:

métodos para codificação de certos fluxos MPEG-2;

métodos para inclusão de informação para a sincronização e decodificação nos receptores

– chamados “informações de serviço” (service information – SI);

broadcasting de dados DVB;

proteção do sinal por entrelaçamento e códigos corretores de erro.

A figura 4.4[2] mostra uma pilha genérica de protocolos para o canal downstream para um

sistema de satélite DVB-S.

52



Figura 4.5: Modelo de referência para o MPEG-2/DVB.

A exposição que se segue se baseia em [15] e mostra a aspectos de um sistema por satélite

já implementado com sucesso, baseado no transporte de datagramas IP sobre DVB/MPEG-2.

A configuração DBS usa um canal direto (downstream) em broadcast e um canal de retorno

(upstream), em banda estreita. Para os sinais de televisão, o MPEG-2 pode oferecer até 36

Mbit/s, na banda K , e 155 Mbit/s, na banda K¡ .

O DVB se baseia na transmissão em MPEG-2, transportando vídeo, áudio e dados, além

da sinalização interna do sistema. Aproveitando-se a vocação do satélite para broadcast , a

funcionalidade básica para as comunicações é provida pelos protocolos de níveis 1 e 2, não

havendo, a rigor, necessidade de protocolo de nível de rede.

O nível físico cobre a modulação, sincronismo e codificação, não estando definido no padrão

MPEG-2. A camada enlace de dados provê o transporte ponto-a-ponto da chamada payload

ou layer 7 (ISO/ITU-13818-1). A figura 4.5 mostra o modelo de referência dos protocolos para

o MPEG-2/DVB.

As camadas MPEG-2 se assemelham às camadas ATM e têm propriedades correlatas. A

camada TS (Transport Stream) lida com células de tamanho fixo com 188 octetos, sendo 184

correspondentes ao payload e 4 para cabeçalho. Caso pacotes maiores devam ser transportados,

7 Layer não significa camada do modelo OSI e sim uma PDU do nível de rede

53



Figura 4.6: Pilha genérica de protocolos do canal upstream para DVB.

a camada superior (“seções”, no plano de controle ou “PES”8, no plano do usuário) deve cuidar

da segmentação em células TS e posterior remontagem.

No cabeçalho da célula TS encontra-se o identificador do pacote ( Packet Identifier – PID),

que define um canal virtual de broadcast VBC. Com base no PID, o receptor-decodificador in-

tegrado (integrated reciver-decoder – IRD), localizado na estação (possivelmente uma VSAT)

do usuário, determina a qual payload pertence cada célula e promove o devido encamin-

hamento. Note-se que existe alguma semelhança entre o PID e o VPI/VCI das redes ATM.

No entanto, enquanto os circuitos virtuais ATM são ponto-a-ponto, o TS identificado por umPID representa um canal lógico em broadcast .

Em [15], pode ser vista a análise bem mais aprofundada da arquitetura do sistema acima. Deve

ser notado que as células TS são enviadas pela rede de acesso em campo limpo, diretamente

moduladas, o que representa um caminho na direção da rede ATM ideal.

A título de exemplificação, uma arquitetura possível de protocolos para o canal de retorno

DVB é a mostrada na figura 4.6. Cabe lembrar que, no caso do acesso por satélite, o canal de

retorno não é, em geral, fisicamente realizado através do satélite. Verifica-se também que o

fluxo que parte do usuário é mais simples que o downstream e eminentemente ponto-a-ponto.

8Packetized Elementary Stream

54



4.3 Redes de Acesso por Satélites – Tendências

Atualmente o satélite funciona basicamente como um refletor operando em broadcast , para o

qual todos os acessos se dão por enlaces rádio.

No caso atual dos sistemas GEO com DBS, as operadoras oferecem vídeo comprimido MPEG-

1/MPEG-2 até a set-top-box do usuário. O canal de retorno (upstream) é proporcionado pela

rede telefônica, como já mencionado. Alguns fabricantes têm demonstrado a possibilidade do

uso de VSATs para ambos os canais, com banda passante de 12 Mbit/s em downstream e 128

kbit/s em upstream. Comercialmente, ainda é uma incógnita a competitividade da soluçãoDBS+VSAT para o acesso em banda larga [8].

Para aumentar o desempenho e reduzir custos de desenvolvimento, sistemas não geoesta-

cionários, tais como LEO e MEO estão sendo implementados, já existindo inclusive sistemas

em funcionamento comercial. Os sistemas LEO podem ter retardos comparáveis aos da fi-

bra óptica e podem prover acesso bidirecional ao usuário, com a vantagem de o provimento

ao usuário móvel poder ser feito de forma totalmente natural. Como exemplos de sistemas

não geoestacionários podem ser citadas as constelações da Globalstar e ICO (LEO e MEO,

respectivamente), voltadas para a telefonia celular mundial 9, Skybridge e Teledesic, voltadas

aos serviços de comunicação multimídia (broadband satellite multimidia – BSM).

Outra tendência é a existência de satélites LEO “inteligentes”, previstos para servir como nó

de comutação, conectados diretamente entre si (ISL) e com os satélites GEO, formando uma

rede completa (provimento de acesso e infra-estrutura) em torno da Terra. Essas novas redes

têm potencial para mudar totalmente o panorama não só das existentes de acesso, mas também

dos próprios serviços, e alterar totalmente os modelos de telecomunicações e Internet10 [8].

Mais comentários sobre as tendências dos sistemas de satélites (não apenas os destinados a

acesso) podem ser encontrados em [18].

9No Brasil, a Globalstar está equipando os ônibus interestaduais da Viação Itapemirim com terminais

telefônicos[12].

10A Teledesic, Inc promete velocidades de até 2000 vezes o modem de banda de voz, que seria algo em torno

de 100 Mbit/s [32].

55



Capítulo 5

Tecnologias Emergentes

Além das tecnologias vistas nos capítulos anteriores, algumas outras vêm sendo objeto de

estudo, já tendo surgido alguns casos de implantação. Para essas tecnologias, ao contrário das

anteriores, o aproveitamento da infra-estrutura existente é pouca ou nenhuma, razão pela qual

o estágio de implantação ainda não está tão avançado. Neste trabalho, serão mencionadas três

dessas tecnologias:

FITL: Acesso por fibra óptica;

LMDS: Acesso celular por enlace rádio;

HAPS e HALO: Acesso por plataformas aéreas situadas em grande altitude.

5.1 Acesso por Fibra Óptica – FITL

Redes de acesso por fibra óptica são consideradas a alternativa mais promissora para a provisão

de serviços em banda larga. Ao longo dos últimos 20 anos, muitas operadoras têm instalado

fibras ópticas no núcleo de suas redes na interconexão física de seus comutadores. Atualmente,

opções diferentes para a introdução de fibras ópticas nos tramos locais estão em fase de

implantação experimental e comercial [14]. No caso dos tramos locais (ou seja, das redes

de acesso), aparecem as terminações ópticas denominadas OLT (optical liner termination)

56



Figura 5.1: Pilha genérica de protocolos do canal upstream para DVB.

e ONU (optical network unit ). A OLT se situa fisicamente próximo à central de operação

(headend )1.A ONU pode situar-se:

No ponto intermediário, de onde sai sinal elétrico para servir a uma área geográfica,

perfazendo o FTTC ( fiber to the curb);

Em um ponto de entroncamento de usuários em um prédio, perfazendo a configuração

FTTB ( fiber to the building);

No domicílio de cada usuário, perfazendo o FTTH ( fiber to the home).

Cada uma dessas três configurações (mostradas esquematicamente na figura 5.1) é baseada

no uso de uma rede óptica passiva, através da qual o sinal é transmitido em broadcast da1Nos casos de anéis ópticos, a OLT pode-se situar próximo um add-drop, que, neste caso, constitui o headend .

57



central aos usuários. A escolha entre FTTC, FTTB e FTTH depende essencialmente do custo

por usuário de cada configuração, levando-se em conta a densidade de usuários e seu perfil, e

da classe de serviços que serão oferecidos. Note-se que para FTTC e FTTB, o último trecho

(designado genericamente em inglês de last mile) deve ser coberto com par trançado ou cabo

coaxial.

O acesso concorrente à rede óptica requer o uso de um protocolo MAC. Durante a última

década, muitos fabricantes de equipamentos trabalharam no desenvolvimento de protocolos

MAC capazes de suportar serviços baseados em ATM. Tais pesquisas resultaram nos sistemas

chamados “ATM sobre redes ópticas passivas” ou APON (ATM over passive optical networks).

Tipicamente as taxas nesses sistemas são de 622 Mbit/s e 155 Mbit/s em downstream e

upstream respectivamente.

Os usuários finais geram em upstream células ATM, que são encapsuladas nos chamados pa-

cotes APON. Cada pacote APON possui 1 octeto de cabeçalho, que é usado para sincronização

e identificação da ONU. Muitas dificuldades ocorrem no nível físico de uma rede de acesso

APON, por conta das distâncias diferentes entre cada ONU e a OLT. Em particular, dois

problemas devem ser objeto de tratamento rigoroso nos protocolos de acesso ao meio:

1. colisões de pacotes na parte comum da rede;

2. discrepâncias na potência de chegada entre pacotes de ONU situadas a distâncias muito

diferentes.

Em downstream, os pacotes são enviados em regime de broadcast-and-select e a confiden-

cialidade é garantida por encriptação, de modo análogo ao sistema HFC.

As redes ópticas passivas são uma forma razoavelmente econômica de se obterem os bene-

fícios da enorme largura de banda da fibra óptica. Em comparação com outras soluções, as

redes ópticas oferecem o maior grau de flexibilidade para suportar as demandas presente e

futura por serviços. No tocante ao APON, o estágio atual do desenvolvimento permite prever

sua implantação a médio prazo, havendo extensões (chamadas “SuperPONs”) em estágio de

pesquisa, que podem vir a oferecer taxas de 2,4 Gbit/s (em downstrean) e 311 Mbit/s (em

upstream), cobrindo distâncias da ordem de 100 km.

58



Figura 5.2: Esquema de conexões para o LMDS: downstream em broadcast , upstream ponto-

a-ponto.

5.2 Acesso Celular por Enlace Rádio – LMDS

O LMDS – local multipoint distribution service – advém da tecnologia MMDS – multipoint

multichannel dstribution service ou microwave multichannel distribution service – que provê

serviços de acesso, basicamente unidirecionais, segundo o mesmo conceito de transmissão em

broadcast da televisão analógica aberta (por exemplo, os canais populares de televisão VHF

de 2 a 13), dentro de células de grande raio (4 a 50km). No MMDS, os canais de retorno são,

na maioria dos casos, providos através da linha telefônica. No LMDS, surgem os conceitos de

célula e setorização de forma semelhante à telefonia móvel, sendo o canal de retorno provido

através também de enlace rádio. A exposição que se segue é baseada em [19].

Inicialmente baseada na televisão analógica, a tecnologia evoluiu para o LMDS a partir do

advento da TV digital, que permitiu a transmissão não apenas do sinal de vídeo, mas também

de sinais de dados e outros serviços de comunicações. A possibilidade da adição de um canal

de retorno surgiu da necessidade da existência de células de menor raio, por razões que serão

discutidas a seguir. Deste modo, o LMDS apresenta o downlink em ponto-multiponto e o

uplink em conexão ponto-a-ponto, como mostrado na figura 5.2.

A faixa do espectro de freqüências utilizadas para o LMDS compreende as chamadas ondas

59



milimétricas (MMW), que abrangem de 30GHz a 300GHz. Nessa faixa de freqüências, a banda

passante do sinal é bastante larga, o que permite que sinais multimídia possam ser facilmente

transportados. A despeito dessa grande capacidade, é dificil encontrar uma faixa disponível

para o LMDS. A banda principal é a de 40,5GHz até 42,5GHz com extensão possível até

43,5GHz2. Enquanto nos Estados Unidos está alocada também a banda de 28GHz a 29GHz,

na Europa existem vários sistemas, com freqüências que vão de 24 GHz até 43,5GHz. Em

muitos países, foi destinada a banda de 24,5GHz até 26,6GHz, dividida em sub-bandas de

56 MHz, para os canais downstream ponto-multiponto. A tecnologia de hardware para a

transmissão na faixa de 40GHz é mais cara que para transmissão em 28-29GHz. No entanto,

a maior capacidade da faixa de 40 GHz pode compensar seu custo superior.

A transmissão em freqüência mais alta dá origem a um problema imediato que é o efeito da

atenuação por chuvas. Essa atenuação impõe dois fortes condicionantes ao sistema:

Os enlaces entre estação base e usuários devem ser em visibilidade direta;

O raio da célula não excede 3 a 5 km, dependendo da freqüência de operação e das

condições climáticas típicas do local.

Os sistemas devem levar em conta o fato de que a imposição de visibilidade direta resulta na

impossibilidade de cobertura total da área da célula. Também o sombreamento causado por

vegetação é um fator que dificulta a cobertura. Em visibilidade direta, apenas 40 a 70% dos

potenciais usuários podem ser cobertos dentro da célula. Existem, entretanto, recursos para

aumento da cobertura a 90% dos usuários, que é o percentual típico de cobertura que se busca

em telefonia móvel. Tais recursos incluem:

superposição de células;

uso de repetidores e refletores.

A operação do LMDS em uma área demanda o uso de células no centro das quais, se situa

a estação base para transmissão e recepção3. A antena transmissora/receptora deve-se situar

2No Brasil a Agência Nacional de Telecomunicações – Anatel – destina essa banda aos serviços por satélite.

3Uma das estações pode servir como centro de coordenação de todo o sistema e para conexão com outras

redes

60



em um local alto, como um arranha-céu ou uma torre. Pode-se usar também o recurso da

setorização4: em vez de usar um único par transmissor/receptor “omnidirecional” (ou seja, para

toda a célula), a estação base dispõe de 4 a 6 conjuntos transmissor/receptor, dispostos de modo

que cada conjunto cubra um setor da célula de 60

a 90

, perfazendo a cobertura completa

de 360

. Atualmente, os problemas de propagação são já bem conhecidos e equacionados,

não sendo mais considerados obstáculos técnicos para a operação confiável do sistema. Nas

conexões entre estações base das diferentes células podem ser usados enlaces rádio ou fibras

ópticas. Dependendo das características da rede de telefonia móvel, a mesma infra-estrutura

física pode ser compartilhada entre ela e o LMDS.

Para o LMDS, os formatos de transmissão foram estabelecidos basicamente pelo Projeto DVB

e pelo DAVIC [6], que adotaram o mesmo formato do DVB com modulação QPSK já utilizado

para o acesso por satélite (ver itens 4.2 e 4.1.3). Isso permite que sejam usadas as mesmas

set-top-boxes utilizadas para a recepção de TV digital por satélite. Quanto aos protocolos

de downstream, no DVB, tanto células ATM como datagramas IP são colocados em células

TS (ver item 4.2) do esquema MPEG. Se a banda passante é de 2GHz, a modulação QPSK

confere ao sistema a capacidade de 1,5 Gbit/s, com a mesma taxa de bits por usuário do acesso

por satélite, ou seja, 12 Mbit/s. Para o upstream, podem ser usadas diferentes tecnologias

dependendo da damanda. Em geral, tanto TV quanto Internet vão requerer pouca largura de

banda (pelo menos em comparação com os canais de downstream) e os mesmos esquemas

utilizados para acesso por rede telefônica serão satisfatórios.

Em comparação com outras tecnologias de acesso, o LMDS tem potencial para garantir seu

espaço na convivência no cenário competitivo atual. Dado que os problemas técnicos advêm

principalmente da propagação troposférica de sinais em ondas milimétricas e dos esquemas de

reutilização de freqüência, o estágio atual das pesquisas associado à experiência acumulada

em telefonia móvel e transmissão de televisão em broadcast permite afirmar que a tecnologia

LMDS teoricamente não tem obstáculos. Deve-se ressaltar, no entanto, que esse fato impõe

restrições à viabilidade do LMDS em locais onde ocorram com freqüência alterações topológi-

cas que criem áreas de sombra, como o surgimento de novas edificações. De qualquer forma, o

maior desafio está na conquista do mercado, ou seja, em se conseguir rapidamente a produção

4A setorização advém da telefonia móvel, sendo um recurso muito difundido

61



de equipamentos confiáveis que tenham baixo custo para o usuário.

5.3 Acesso por Plataformas Aéreas de Grande Altitude –

HAPS e HALO

Os sistemas de acesso celulares terrestres de banda larga (cujo representante mais significativo

é o LMDS) apresenta dois problemas que podem dificultar, sua implantação e posterior de-

senvolvimento, em função das características da região e da rede de telefonia móvel existente:

A expansão do serviço não é imediata, sendo função da capacidade da operadora de

planejar e implantar novas células, o que não é imediato;

O aumento de demanda pode significar o esgotamento da capacidade de uma célula,

resultando na necessidade de divisão desta em céluals menores, o que constitui um

problema complexo de engenharia, sendo necessário alterar células vizinhas para que se

possa fazer novo plano de reuso de freqüências.

Além disso, existe o problema de ser imprescindível a visada direta, que implica a necessidade

de colocação de refletores ou reapontamento de antenas na célula sempre que a topologia é

alterada por novas edificações.

Por seu turno, o acesso por satélites, que garante quase sempre a visada direta, sofre os

problemas de retardo de propagação, de variação estatítica do retardo e da potência necessária

para transmissão já mencionados no capítulo 4. Outro problema é a utilização nem sempre

eficiente do espectro, já que uma área metropolitana pode ser servida por não mais de um

feixe de um satélite GEO e por não mais que 6 a 9 feixes do satélite LEO, o que reduz a

flexibilidade no reuso de freqüências.

Visando a minimizar esses inconvenientes, alguns esquemas para sistemas de comunicação

multimídia regionais substituíram tanto as células terrestres como os satélites por plataformas a

grande altitude baseadas em aviões (HALO) ou em balões (HAPS). Essas plataformas se situam

alguns quilômetros acima dos enlaces terrestres – na estratosféra – de modo a proporcionar

62



Figura 5.3: Aeronaves utilizadas nos sistemas HALO: (a) Proteus e (b) Centurion.

cobertura sobre toda a área, com visibilidade direta quase que total, e milhares de quilômetros

abaixo dos satélites, de modo a minorar os efeitos de retardo de propagação e jitter . Além disso,

as plataformas estratosféricas permitem a utilização de múltiplos feixes – tipicamente 100 a

1000 (HALO) e 700 a 1000 (HAPS) – de modo a possibilitar o amplo reuso de freqüências.

As plataformas HALO são aviões com longo raio de ação, capazes de voar a grandes altitudes

(high altitude long operational aicraft – HALO). Trata-se de aeronaves com razão de planeio

muito alta, mantidos na estratosfera (entre 17 e 20 km) por motores de baixo consumo. Dois

tipos de aviões já existentes – Proteus e Centurion – são mostrados na figura 5.3 a seguir:

Os aviões mostrados são equipados com motores de baixo consumo, podendo voar durante

horas antes do reabastecimento . Existe ainda, em fase de protótipo, uma aeronave (denom-

inada Helios) totalmente movida por energia solar, projetada para ser capaz de se manter

indefinidamente em vôo, que será destinada, entre outras coisas, à infra-estrutura de serviçosde comunicações [1].

63



Figura 5.4: Arquitetura de uma rede HALO (com a aeronave Proteus).

A plataforma HALO é mantida em altitude aproximadamente constante entre 17 e 20 km

voando dentro de um volume toroidal, descrevendo círculos de diâmetro entre 9 e 15 km, com

duração de translação de aproximadamente 6 min. A projeção no solo do centro do círculo

se dá sobre as áreas onde ocorrerá a maior demanda e cada antena da plataforma tem seu

feixe apontado para os diversos pontos do solo formando células – em esquema semelhante

ao LMDS – dispostas em anéis concêntricos. A topologia da rede é em estrela com reuso de

freqüência para células não adjacentes. Um exemplo de arquitetura para uma rede HALO é

mostrada na figura 5.4.

Cada célula é coberta por um feixe, que, com o deslocamento da aeronave, vai migrando de

uma célula a outra. O tempo pelo qual o feixe permanece apontado para a célula é chamada

“tempo de permanência” (dwell time), e seu valor depende do número de células em um anel.

Deste modo, sistemas de controle e rastreamento são necessários para manter o apontamento

dos feixes e para os procedimentos de handoff entre feixes para a célula, o que constitui um

agente complicador para o sistema.

64



Várias classes de serviços podem ser providas para os usuários compartilhando a banda pas-

sante de um certo feixe. Por exemplo, 1 a 10 Mbit/s de taxa de pico para pequenos escritórios

e 10 a 25 Mbit/s de taxa de pico para usuários de maior porte. Ao contrário dos satélites atuais,

a plataforma HALO é capaz de regenerar o sinal, e de desempenhar funções de roteamento

ou comutação. O modelo de referência de uma rede (ATM/)HALO é mostrado na figura 5.5.

Nele a plataforma estratosférica é ela própria um comutador ATM. É apresentado também o

interfaceamento (interworking unit – IWU) com redes não HALO.

Abordagem detalhada da rede HALO pode ser encontrada em [3].

A rede HAPS difere da rede HALO basicamente pelo fato de a plataforma estratosférica se

constituir de uma aerostato dirigível. Esse balão é dotado dispositivos de controle e motores

(atuadores) que permitem não apenas a dirigibilidade do aparelho mas também, e sobretudo,

que este permaneça estático em relação ao solo, perfazendo assim, a função de um satélite

GEO sem os inconvenientes deste. Essa estacionariedade permite também simplificação de

procedimentos de alocação de feixes e protocolos, uma vez que praticamente não é necessário

proceder-se a handoffs.

Atualmente existe em curso o projeto “SkyStation”, que abrange diversas empresas e organiza-

ções tais como Aerospatiale, Finmeccanica, Alenia Aerospazio, Thomson, Dornier e Comsat.

O aerostato, que já está construído, é um veículo não tripulado, projetado para a vida útil de

5 a 10 anos, apresentando 157 m de comprimento e 62 m de diâmetro. É dotado de baterias

solares, que poderão alimentar 1000 kg de equipamentos, que, além dos serviços de teleco-

municações, servirão também para medições de poluição atmosférica e do mar, deteção de

radiação e outras aplicações [26]. A figura 5.6 mostra o dirigível em vôo.A transmissão em uplink (solo-aerostato) se dá em freqüências da ordem de 47,2 a 47,5 GHz

e em downlink (aerostato-solo), na banda de 47,9 a 48,2 GHz, ou seja, em faixa bem próxima

da utilizada pelo LMDS, com as mesmas implicações de propagação (ver item 5.2). A tabela

5.1, extraída de [2, 27] apresenta as caracteríticas técnicas do sistema HAPS.

Os esquemas HALO e HAPS fazem a junção do melhor dos esquemas por satélites e LMDS

terrestre, com vantagens sobre ambos (e, em alguns casos, sobre o esquema FITL), a saber

[3, 28]:

65



Figura 5.5: Modelo de referência para uma rede (ATM/)HALO.

66



Figura 5.6: Aerostato SkyStation.

Altitude da Plataforma 21 km

Área de Cobertura diâmetro: 150 km

área: 18.000 km

Número de feixes 700 a 1000

Ângulo de Elevação maior que 15¡

Espectro em uplink 100 MHz em 47,9 a 48,2 GHz

Espectro em downlink 100 MHz em 47,2 a 47,5 GHz

Modulação QPSK (para o usuário)

QAM-64 (estação terrena)

Taxa de Bits 10Mbit/s (downstream)

2 Mbit/s (upstream)

Protocolo Físico FDMA/TDMA (uplink )

TDM (downlink )

Tabela 5.1: Dados técnicos para o sistema HAPS.

67



Início imediato de operação, tão a plataforma esteja posicionada;

Posicionamento da plataforma sem a necessidade de veículos lançadores;

Expansibilidade rápida, não sendo necessário qualquer alteração no sistema para acom-

panhar a expansão de demanda, bastando reequipar a aeronave e reapontar feixes;

Uso eficiente do espectro, já que, além do reuso intenso de freqüências, feixes de

capacidades diferentes podem ser apontados dinamicamente para diferentes áreas, pos-

sibilitando o acompanhamento de variações sazonais ou mesmo diárias de demanda;

Cobertura praticamente “onipresente” sobre uma cidade em visibilidade direta, sem ap-

resentar problemas de retardo;

Antenas de pequeno diâmetro podem ser usadas tanto para recepção como para trans-

missão;

Facilidade de manutenção da plataforma e mudança de equipamentos sem interrupção

dos serviços, ao contrário do que se passa com satélites;

Baixo custo da infra-estrutura (estações terrenas e plataforma), em relação a outras

tecnologias por enlace rádio.

Por outro lado, as condições atmosféricas específicas de cada cidade determinam a possibili-

dade de se manter o serviço ao longo de todo o ano. Em áreas sujeitas a grandes instabilidades

atmosféricas, como ciclones ou furacões, os esquemas HALO e HAPS podem ser inviáveis, em

virtude da fração do tempo em que as conexões ficarão indisponíveis ou não poderão suportar

a qualidade de serviço requerida. Outro condicionante diz respeito também à necessidade da

infra-estrutura de suporte para as plataformas, que, principalmente no caso do HALO, devem

situar-se próximas às áreas de serviço.

5.4 Tecnologias Emergentes – Tendências

Das três tecnologias, o esquema FITL (em particular FTTH – Fiber to the Home) é atualmente

a solução considerada definitiva por diversos autores para o acesso em banda larga (ver [14,

68



Capítulo 6

Conclusões

Como mencionado na Introdução, um procedimento que se procurou adotar neste trabalho foi

fazer a abordagem partindo-se dos textos gerais sobre Redes de Acesso na direção dos textos

específicos de cada tecnologia. Por essa sistemática, verificou-se que se os primeiros trazem

comparações, nem sempre coincidentes entre si, os segundos procuram enfatizar as vantagens

da tecnologia de que tratam, por vezes até de forma um tanto exagerada.

Na tabela abaixo, adaptada de [14], faz-se uma comparação sucinta das tecnologias de acesso

apresentadas neste trabalho, segundo as principais características de cada uma.

Evidentemente, não se tenta aqui estabelecer qual das tecnologias é mais vantajosa, uma vez

que:

Os parâmetros de cada tecnologia, principalmente em relação à capacidade, diferem de

local para local, de acordo com as possibilidades e custos de cada implementação real

e a tecnologia e experiência de cada operadora;

Dependendo das características próprias de cada local, a melhor tecnologia para um

pode resultar inviável para outro.

Outro aspecto que tem influência decisiva na definição da “melhor tecnologia” é o fato de que

o usuário médio é normalmente resistente a mudanças, a menos que as vantagens destas sejam

70



Tipo Velocidade Vantagem Limitações

ADSL 1,5 a 6,144 Mbit/s (downstream) Usa a rede Velocidade16 a 640 kbit/s (upstream) telefônica máxima só

atingível em

linhas curtas

HFC até 30 Mbit/s (downstream) Usa a rede Velocidade cai

tip. 2Mbit/s (upstream) CATV com o número

de usuários.

Satélite 12 Mbit/s (downstream) Não exige Mais adequado128 kbit/s (upstream) cabeamento a broadcast;

(VSAT+DSB) ou antenas Retardo e jitter

terrestres grandes;

Canal de retorno

dependente de

outras redes.

Fibra Óptica tip. 600 Mbit/s Velocidade Custo de

Residencial mais alta implantação

elevado.

LMDS 12 Mbit/s (downstream) Velocidade do satélite Custo de

128 kbit/s (upstream) sem retardo e jitter equipamentos

elevado;

Difícil

expansão.

HAPS e HALO 10 a 25 Mbit/s (downstream) Vantagens do satélite Possibilidade

2 Mbit/s (upstream) sem retardo e jitter. de implantação

Fácil implantação e dependente das

expansão. características

Utilização eficiente atmosféricas

do espectro.

Tabela 6.1: Comparação das diversas tecnologias de acesso

71



realmente significativas1. Deste fato resulta que a tecnologia “ótima” é aquela que puder ser

efetivamente oferecida antes das demais e não for “muito inferior” a elas.

Tanto do que foi apresentado neste trabalho quanto do material que foi levantado para sua

elaboração, pode-se concluir que as diversas tecnologias estão ao mesmo tempo em competição

e em cooperação. Algumas delas tenderão a desaparecer frente a outras, como talvez seja o

caso da RDSI-FE, mas o processo não ocorrerá por igual em todas as regiões do globo, em

virtude principalmente dos diferentes graus de adiantamento das diferentes nações, que se

refletem diretamente na demanda por banda passante e nas possibilidades e custos para a sua

disponibilização. Tecnologias novas surgirão com base nas existentes, vindo a fazer frente a

elas, que aos poucos desaparecerão. Existirá, no entanto, sempre um conjunto de tecnologias

convivendo no mercado, cada qual com características mais adequadas a determinados locais,

algumas com grande longevidade, outras totalmente efêmeras – seja em razão dos aspectos

técnicos, seja pela receptibilidade do mercado.

1A definição de “vantagens significativas” é um dos grandes problemas para as empresas de marketing

72



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