“The shortest distance between two points is under construction.”

Noelie Altito.

Os grandes avanços no setor de telecomunicações mexeram profundamente no cotidiano da população.  Nos últimos anos estamos vivenciando um aumento gigantesco do número de acessos a Internet e, talvez a causa disto, um aumento maior ainda da quantidade de informação. Com a Internet de alta velocidade, conhecida como banda larga, foi possível a criação e utilização de diversas aplicações multimídia que antes eram impensáveis, tornando a Internet muito mais atrativa ao público. O acesso sem fio, por sua vez, vem também crescendo. Começou com a telefonia celular que se popularizou muito rápido e agora está ganhando força com os acessos locais sem fio, mais conhecidos como Wi-Fi.

Porém está por vir uma verdadeira revolução calcada nessas duas tecnologias, a Internet banda larga e o acesso sem fio, o WiMAX promete a união desses dois serviços oferecendo assim a rapidez e o conteúdo da Internet banda larga, aliado com a mobilidade e a praticidade do acesso sem fio. O termo WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) é usado para se referir a tecnologia baseada no padrão IEEE 802.16.

Veremos nesse trabalho uma idéia geral de como o WiMAX funciona, quais os problemas a serem superados e quais os benefícios que trará.

Nos anos 90 começou a se pensar em sistemas sem fio, visando oferecer Internet banda larga para a última milha. Dentre quais podemos citar o LMDS (Local Multipoint Distribution Service) que usava a modulação convencional QAM e necessitava de linha de visão (line-of-sight – LOS). Outro era o MMDS (multichannel multipoint distribution services) que operava perto de 2GHz e também precisava de linha de visão. As novas tecnologias utilizaram soluções como OFDM (orthogonal frequency-division multiplex) e CDMA (code division multiple access) para eliminar a dependência das condições LOS.

No intuito de desenvolver um padrão para a Wireless Metropolitan Area Network (WMAN), foi iniciado em 1998 o grupo 802.16 feito pelo IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers). Em dezembro de 2001 foi lançado o primeiro padrão denominado WirelessMAN-SC (single-carrier), que usava a faixa de freqüências de 10 a 66GHz e operava apenas sob condições LOS (OBS: Toda família 802.16 é chamada de WirelessMAN).

Mais tarde, foi criada a ementa 802.16a substituindo o 802.16, que possibilitou o uso na faixa de freqüências de 2 a 11GHz, e incluiu a técnica OFDM, podendo assim operar em sob condições NLOS (non-line-of-sight).

O modelo 802.16b permite a operação na faixa de 5 a 6GHz.

O modelo 802.16c permite a operação para a faixa de 10 a 66GHz, com condição LOS.

Foi lançada, em 2004, uma revisão dos padrões anteriores do 802.16, chamado de 802.16-2004, que é mais conhecido como 802.16d (Fixed WiMAX), e incluía todos os outros padrões anteriores. Este modelo foi adotado pelo ETSI (European Telecommunications Standards Institute) para servir como base para a HIPERMAN (High Performance Metropolitan Area Network).

Em dezembro de 2005 foi lançado um novo padrão, chamado de 802.16e-2005, mais conhecido como 802.16e. Esse novo modelo serve de base para os serviços de banda larga móveis (Mobile WiMAX), e inclui melhor suporte a qualidade de serviço (QoS).

Para regulamentar e garantir a compatibilidade e a interoperabilidade dos produtos para redes sem fio banda larga, foi criada uma organização, coordenada por empresas, chamada WiMAX Fórum. Que emite selos conhecidos como "WiMAX Forum Certified", para produtos que passam nos testes de interoperabilidade de compatibilidade.

         Antes de introduzirmos as técnicas referentes ao WiMAX é necessário fazer uma observação quanto ao canal que estamos utilizando. O ar, como meio físico, é muito suscetível a flutuações como, por exemplo, a interferência, o que prejudica a qualidade da transmissão de dados. Todos os esforços para se conseguir uma melhor taxa de transmissão encontram justamente esse grande desafio, as condições severas do meio. E por isso que muito poucos trabalhos de implementação comparado a quantidade de pesquisas. 

            As redes WiMAX possuem uma forma de funcionamento muito semelhante as redes celulares convencionais. As estações base (BS – base station)  provêem o acesso para as estações assinantes (SS – static station) de uma determinada área, chamada célula. O raio da célula pode chega a alguns quilômetros, e a união das células cobre uma vasta área.

            Existem dois tipos de topologias que são definidas pelo padrão IEEE 802.16: PMP (ponto-multi-ponto) e a Mesh. Sendo que a PMP é definida como obrigatória e a Mesh como opcional.

            Na topologia PMP (semelhante a estrela) a BS tem total controle e gerencia o tráfego de dados dentro da célula, já que se uma SS quiser se comunicar com outra terá que, obrigatoriamente, passar seus dados para a BS e então a BS encaminhará os dados a SS de destino.

            Na topologia Mesh existe a comunicação normal entre a BS e as SSs, mas não há tanto controle da BS sobre o tráfego de dados, já que o tráfego também pode ser roteado pelas SSs. Assim, não há obrigatoriedade de ser passar os dados pela BS, duas SSs podem trocar informações sem intermediários.

            O modelo PMP possuir um ponto único de falha, ou seja, caso a BS falhe todas as SSs da determinada célula ficarão impossibilitadas de se comunicar. Enquanto que no modelo Mesh se houver algum problema que impossibilite a BS de rotear o tráfego, as SSs podem transmitir os dados, se tornando uma opção de roteamento de tráfego para a célula. Porém, na prática o modelo Mesh é mais complicado de se implementar que o PMP.

O OFDM (Orthogonal frequency-division multiplexing) é uma técnica de modulação multiportadora que tem por idéia básica dividir o dado a ser transmitido em diversos canais e transmiti-los paralelamente, a menores taxas. Esta técnica é muita usada em sistemas de telecomunicações e dentre as suas vantagens podemos citar: facilidade para transmissão em múltiplos caminhos; maior resistência à interferência intersímbolo (intersymbol interference – ISI); ideal para condições NLOS. E dentre suas desvantagens, citamos: sensível ao efeito Doppler; sensível a erros na sincronização da freqüência e a alta razão pico-média (peak-to-average ratio – PAR).

 As subportadoras são de três tipos: subportadoras de dados (data subcarrier) que irá transmitir os dados, subportadoras piloto (pilot subcarrier) que informa sobre condição do canal e outros dados de controle, e subportadoras de guarda (guard subcarriers) que servem apenas para evitar interferência entre portadoras, um conjunto de subportadoras é chamado de sub-canal. As freqüências das subportadoras são definidas de forma que toda subportadora seja ortogonal as outras, não havendo interferência entre as subportadoras e eliminando a necessidade de filtros para cada sub-canal. Este modelo ortogonal permite que quase toda a banda de freqüência seja utilizada, e uma implementação mais eficiente do algoritmo FFT (fast Fourier transform). Este algoritmo é um método computacional de se implementar a DFT(discrete Fourier transform), que transforma uma função do domínio do tempo para o domínio da freqüência.

O multi-acesso no modelo OFDM é realizado pela divisão de tempo baseada no modelo TDMA. Mas com base no OFDM, foram desenvolvidas a OFDMA (Orthogonal Frequency-Division Multiple Access) e a SOFDMA (Scalable Orthogonal Frequency-Division Multiple Access). A OFDMA é análoga a OFDM, porém este modelo destina cada sub-canal a um usuário diferente. Assim cada usuário possui um conjunto de subportadoras diferentes por onde podem enviar e receber dados. As subportadoras podem estar adjacentes, aumentando a potência do sinal e sua resistência a ruídos e interferências. Ou podem estar espalhadas ao longo da faixa de freqüência, diminuindo a interferência interportadora (ICI). A SOFDMA, por sua vez, é semelhante a OFDMA, contudo ela possui um numero variável de subportadoras podendo ser 128, 512, 1024 ou 2048. Este modelo foi adotado pelo padrão IEEE 802.16e-2005 (WiMAX Móvel).

Primeiramente devemos ter conhecimento de como é feita a codificação dos dados no WiMAX. Ela é divida em 5 etapas: aleatorização de dados (data randomization), codificação do canal (channel coding), ajuste de taxa (rate matching), H-ARQ (hybrid automatic Repeat request) e entrelaçamento (interleaving).

Na aleatorização de dados os bits são reorganizados de maneira aleatória, com objetivo de fazer uma encriptação e prevenir que um receptor “não-desejado” receba os dados. Após, são formados blocos chamados FEC (forward error correction) nos quais os dados são divididos. Cada bloco FEC é formado por um número de sub-canais (contendo assim várias subportadoras de dados e subportadoras piloto).

 Podem ser usados vários tipos de codificação para os dados, como: a codificação Turbo, a codificação Reed-Solomon (polinomial) e a codificação convolucional. Esta última é a mais usada dentre as outras e também, é a que foi usada no padrão 802.16d-2004(em conjunto com a Reed-Solomon). A codificação convolucional consiste em transformar uma palavra de m bits em uma palavra de n bits, de acordo com uma função definida pelos últimos k bits a serem codificados, e sua taxa de codificação é dada por m/n.  No padrão 802.16d-2004 é usado k igual a 7 e m/n, geralmente, igual a 1/2. É importante chamar a atenção do leitor para o significado dessa taxa usada, significa que em cada palavra a ser codificada serão inseridos bits redundantes de tal forma que após a codificação teremos uma palavra com o dobro do tamanho da palavra original. Ou seja, metade da palavra que realmente será transmitida é informação redundante, assim teremos apenas a metade de nossa banda para transmitir informação útil.

Depois, na fase de ajuste de taxa, são adicionados ou retirados bits para que se ajuste ao quadro de rádio. A fase H-ARQ, que pode ser ou não usada, consiste em dar aos blocos que precisem ser reenviados uma redundância a mais para que tenham mais chances de serem recebidos pelo receptor. O próximo passo é o entrelaçamento (interleaving), onde os bits são reposicionados em subportadoras diferentes para espalhar a informação, e assim evitar que algum erro atinja toda a informação original, lembremos que o processo de codificação inclui muitos bits redundantes.

Por fim, ocorre a modulação, as funções de modulação mais utilizadas são QPSK (quadrature phase shift keying), 16-QAM e 64-QAM (quadrature amplitude modulation). Depois, é aplicada a inversa FFT, passando para o domínio do tempo e adicionamos o prefixo cíclico.

É colocado entre cada símbolo um intervalo de guarda (guard interval) para evitar a ISI, o prefixo cíclico consiste em copiar o final do símbolo para o intervalo e então transmitir o intervalo seguido do símbolo.

          Abaixo e ilustrado o procedimento de envio e recebimento. O procedimento de recebimento é análogo ao procedimento de envio comentado acima a não ser pela presença de um detector. Este tem por função analisar a potência do sinal recebido, sabendo previamente a potência em que o sinal foi emitido pelo emissor. Caso haja uma variação muita significativa entre o sinal enviado e o sinal recebido, é indício de que houve intensa interferência do meio sobre o sinal, ou seja, o canal possui condições hostis. Assim, o modelo pode se adaptar as condições do meio.

Os bits são organizados em frames, com tamanhos iguais, e serão transmitidos pelos canais de downlink ou uplink. No modo FDD (Frequency Division Duplex) são usadas duas freqüências distintas para o downlink e para uplink, podendo haver fluxo de dados em ambos os canais ao mesmo tempo. No modo TDD (Time Division Duplex) é utilizada a mesma freqüência para tráfego de downlink e uplink e existe uma alternância entre a transmissão dos frames. Uma cota de tempo é destinada a transmissão de frames no canal de downlink, quando essa cota termina é dada a mesma cota de tempo para transmissão de frames no canal de uplink e assim por diante (simula uma comunicação full-duplex).

         Além disso, devido ao maior numero de estações assinantes que estações base em uma célula (apenas uma BS por célula), nos frames de uplink é usado TDMA (Time Division Multiple Acess), dividindo o frame em slots de tempo e cada slot é destinado ao uso de uma SS. A primeira parte do frame de downlink contém informações de controle como sincronização, alocação de largura de banda etc.

A camada de acesso ao meio, ou simplesmente camada MAC, é orientada à conexão e tem por finalidade definir como e quando as BSs ou as SSs podem iniciar uma transmissão. A camada MAC é dividida em três nível ou subcamadas: convergência de serviços, parte comum e segurança. Vale ressaltar que estando na topologia PMP o estabelecimento da conexão no sentido de downlink é simples pois apenas a BS transmite. Já no sentido de uplink se torna mais complicado pois existem várias SSs disputando a vez de transmitir.

A SUBCAMADA DE CONVERGÊNCIA

A subcamada de convergência (CS) classifica os dados que recebe das camadas superiores em fluxos de serviços e conexões, associando a eles um SFID (identificador de fluxo de serviço) e um CID (identificador de conexão), assim é possível fornecer QoS mais adequada de acordo com a necessidade de cada fluxo de serviço. Também é dever da subcamada de convergência remover informações redundantes do cabeçalho dos pacotes, tais pacotes são chamados SDUs (Service Data Units). Esta técnica é chamada de PHS (packet header supression – PHS).

        Os fluxos de serviços são classificados nas seguintes classes de serviço: UGS (Unsolicited Grant Service), rtPS (real-time Polling Service), ErtPS (Extended real-time Polling Service), nrtPS (non real-time Polling Service) e BE (Best Effort). O tipo ErtPS só existe para o padrão IEEE 802.16e (2005), todos os outros existem tanto no IEEE 802.16e quanto no IEEE 802.16d (2004).

          A SUBCAMADA DE PARTE COMUM

        A subcamada de parte comum é responsável pela alocação de largura de banda, estabelecimento de conexão,  manutenção da conexão,  término da conexão, escolha da razão de código e outras funções, que também são independentes de outras camadas. É nesta subcamada que são formadas as PDUs (payload data unit). As SDUs recebidas da subcamada de convergência são divididas em várias PDUs, e a cada PDU é associado um numero em seqüência, afim de que o receptor possa “remontar” a mensagem original.

Depois as PDUs são encaminhadas para o escalonador, o qual irá decidir como serão transmitidas na camada física. Os padrões IEEE 802.16d/e não especificam um algoritmo de escalonamento.

  A SUBCAMADA DE SEGURANÇA

  Esta subcamada tem por função manter a privacidade através da criptografia dos dados e autenticidade dos que estabelecem a conexão. No adendo IEEE 802.16-2004 são especificados os algoritmos de criptografia DES (Data Encryption Standard) em modo CBC (Cipher-Block Chaining), o triple-DES e o AES (Advanced Encryption Standart). Mesmo assim ainda há vulnerabilidades, principalmente por causa do meio onde os dados trafegam, o ar. A informação que trafega pelo ar pode ser interceptada e modificada mais facilmente do que a informação que trafega por uma rede cabeada.  

O adendo IEEE 802.16-2005 trouxe a característica, talvez a mais atrativa da tecnologia WiMAX, mobilidade. Essa mobilidade deve vir associada a grande largura de banda e vasta área de cobertura, para isto o padrão utiliza tecnologias como a SOFDMA, AAS (Adaptive Antenna System) e MIMO (Multiple Input Multiple Output). Porém, há um novo problema a ser enfrentado: o processo de handover.

O handover é o processo no qual uma estação móvel (MS – mobile station)  está se deslocando para uma célula próxima, então ela deixa a conexão com a BS da antiga célula e estabelece uma nova conexão com a BS da nova célula. Todo este processo deve ser imperceptível para o usuário, a conexão com a Internet deve ser contínua, ou seja, o usuário deve ser capaz de se movimentar ser perder a conexão. Existem três tipos de handover: HHO (Hard Handover), MDHO (Macro Diversity Handover) e FBSS (Fast Base Station Switching).      

O HHO é definido como obrigatório, enquanto os outros são opcionais. Ele funciona da seguinte maneira, primeiramente a MS tenta descobrir a topologia da rede onde está e procura por BSs próximas que ofereçam sinal de qualidade, e irá trocar essas informações com a sua atual BS. Dentre essas BSs a BS atual irá escolher uma que possua a melhor qualidade de sinal, que será chamada de BS alvo. A MS irá enviar uma mensagem a atual BS para informar que deseja iniciar o processo de handover. A antiga BS irá responder sua requisição, e então a MS deixa a conexão com a antiga BS e faz conexão com a BS alvo. Todo esse processo foi apenas para reconhecimento da rede, o processo de handover será agora iniciado e ele possui 6 fases: re-seleção de células, decisão e iniciação do handover, sincronização, ranging, término do contexto da MS e cancelamento do handover.

As fases de re-seleção de célula e decisão e iniciação de handover podem ser encurtadas, já que consiste nos mesmos procedimentos realizados pela etapa de reconhecimento da rede. Porém a decisão de qual BS será a BS alvo pode vir também da MS. Após, ocorre a sincronização com o canal de downlink e uplink da nova BS, na fase de sincronização. Na fase ranging ocorre autenticação, autorização e todos os processos para se registrar a MS em sua nova BS, a fim de evitar problemas de segurança. E depois, na fase de término do contexto da MS, a antiga BS elimina todos os registros da MS. A fase de cancelamento é opcional, a MS tem liberdade de cancelar o processo de handover a qualquer momento.

O MDHO se da quando um MS deseja trocar informações com várias BSs e o FBSS quando não há envio de mensagem a BS atual para requisitar o handover, a MS simplesmente inicia conexão com uma nova BS sem informar a sua antiga.

            FADING

          Sabemos que as ondas podem interagir construtivamente ou destrutivamente, dentro de uma célula haverá as ondas provenientes de outras células e as reflexões causadas pelas construções podem interferir na onda gerada pela BS da determinada célula. Se algum usuário fixo estiver localizado em pontos onda a interferência for construtiva esse usuário terá o sinal fortalecido. Entretanto, se estive localizado em uma área de interferência destrutiva, terá o sinal enfraquecido ou mesmo nulo.

       EFEITO DOPPLER

        O efeito Doppler é um fenômeno físico, onde dependendo da velocidade relativa entre o emissor e o receptor, a onda pode ter sua freqüência adulterada. Existem técnicas que reduzem o impacto do efeito Doppler sobre as transmissões, mas para velocidade muito altas podemos ter problemas na comunicação.

         ENERGIA

        A comunicação via WiMAX consome grande quantidade de energia, que é um problema principalmente para o caso de dispositivos móveis, que possuem reserva de energia limitada (em baterias).

        CONCORRÊNCIA COM AS REDES 3G

        As redes celulares de terceira geração apesar de possuírem velocidades mais baixas podem dificultar a implementação do WiMAX. Pois não há necessidade de grandes investimentos em infra-estrutura, as redes celulares já estão instaladas e operando. Fala-se das redes de quarta geração (4G) que irão possuir velocidades acima do WiMAX representando uma verdadeira ameaça.

      INCLUSÃO DIGITAL

      O grande slogan do WiMAX é levar o acesso a Internet para a ultima milha, ou seja, dar acesso a pessoas que moram em regiões afastadas dos grandes centros, onde a rede cabeada não foi implantada, e quase sempre são essas regiões as mais pobres. Pela facilidade de instalação, o WiMAX é, sem dúvida, uma ótima opção para que a população dessas áreas tenha acesso as informações e oportunidades que existem na Internet.  

      SKYPE

      O programa Skype já está disponível para celulares Wi-Fi. Com a implantação do WiMAX, poderá se fazer uso do Skype em qualquer lugar sem usar a rede de telefonia celular. Ou seja, será possível usar a rede de dados para transmissão de voz, criando assim uma opção ao celular convencional. 

      O WiMAX possui inúmeros benefícios, se o leitor parar um pouco para pensar, encontrará mil e uma maneiras de como essa tecnologia irá facilitar a sua vida e a de outros. Entretanto, devemos lembrar que essas redes para serem realmente úteis precisam ser implementadas em grandes áreas e em grandes centros urbanos, atendendo uma grande quantidade de pessoas.

       Contudo que foi exposto neste trabalho, podemos concluir que a tecnologia WiMAX está em fase de maturação. Há muitos benefícios, mas também muitos problemas a serem superados. Já existe um pequeno número de redes WiMAX implementadas pelo mundo, mas são de pequena escala e ainda existe muita pesquisa sendo feita em cima dessas redes. Devido a isto não prudente fazer especulações sobre o sucesso ou fracasso dessa tecnologia.

1) Quais as vantagens do modelo OFDM ?

R: Maior facilidade para transmissão em múltiplos caminhos, maior resistência a interferência intersímbolo (ISI) e a ruídos, maior facilidade para transmissão em condições NLOS.

 2)Por que não se tem o aproveitamento de toda a banda anunciada da rede ?

R: Pois na maioria dos casos, durante o processo de codificação são inseridos bits redundantes de tal forma que após o término do processo a palavra resultante tenha o dobro do tamanho da original. Assim, metade da banda será usada para transmissão de informação redundante.

 3) No momento da transmissão, qual a vantagem e qual a desvantagem de se transmitir por subportadoras adjacentes ?

R: A vantagem é que o sinal será intensificado, e a desvantagem é que pode ocorrer alguma interferência especifica nas freqüências (freqüências adjacentes) por onde os dados estão sendo transmitidos, e pode-se perder toda a informação.

 4)Qual a principal finalidade da subcamada de convergência (CS) ?

R: Tem por finalidade agrupar os dados provenientes das camadas superiores e associar a eles um fluxo de serviço e uma conexão.

 5)Quais os principais problemas a serem enfrentados pelo WiMAX?

R: Fading, Efeito Doppler, gestão de energia e a concorrência com as redes celulares de terceira geração.

John Proakis - "Digital Communications 4th Edition"

Theodore S. Rappaport - "Wireless Communications: Principles and Practice 2nd Edition"

Carl Eklund, Roger B. Marks, Kenneth L. Standood and Stanley Wang - "IEEE Standart 802.16:a technical overview of the WirelessMAN air interface for broadband acess"

Arunabha Ghosh, David R. Wolter, Jeffrey G. Andrews and Runhua Chen - "Broadband acesses with WiMAX/802.16: Current performance benchmarks and future potencial"

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Flávia C. Delicato, Luci Pirmez, Jaime Cesar Jr, Nilson Vianna, Aline Macedo de Souza e Ana Liz S Oliveira - "Redes WiMAX: Arquitetura, Protocolos, Segurança e QoS"

Jefferson Elbert Simões - "WiMAX"

www.wimaxforum.org