WiMAX: Redes Metropolitanas sem Fio com Tecnologia IEEE 802.16

UNIVERSIDADE DA AMAZÔNIA

REDES METROPOLITANAS SEM FIO:
APRESENTAÇÃO DA TECNOLOGIA WI-MAX

Paulo Lourinho

2006

UNIVERSIDADE DA AMAZÔNIA – UNAMA
PRÓ-REITORIA DE PESQUISA, PÓS-GRADUAÇÃO E EXTENSÃO
CURSO DE ESPECIALIZAÇÃO EM REDES DE COMPUTADORES


Paulo Roberto Lourinho dos Santos

Monografia apresentada ao
Departamento de Pós-graduação da
Universidade da Amazônia, como
quesito parcial a obtenção do título de
Especialista em Redes de computadores.

Belém-Pa
março de 2006

PAULO ROBERTO LOURINHO DOS SANTOS


Monografia aprovada como
exigência parcial para a obtenção do
título de especialista em redes de
computadores à comissão julgadora da
Universidade da Amazônia.

Estudante:

Data da provação:

Comissão Julgadora:

DEDICATÓRIA

Para Isabela: Filha, perdoe a minha ausência

AGRADECIMENTOS

Ao Mestre JORGE
BECHARA, pelos conselhos breves, mas
significativos para a conclusão desta
tarefa.

“Os teimosos são os
sublimes. Quem é apenas bravo tem
um só assomo, quem é apenas valente
tem só um temperamento, quem é
apenas corajoso tem só uma virtude; o
obstinado, na verdade, tem a
grandeza.”

Victor Hugo
in “Os trabalhadores do mar”

SUMÁRIO

2.1 Modulação Complexa.................................................................................20
2.2 Modulação Adaptativa.................................................................................26
3.1 Redes Pessoais Sem Fio ..............................................................................35
3.2 Redes Locais Sem Fio..................................................................................36
3.3 Redes de Longo Acance Sem Fio................................................................36
3.3.1 Padrão 802.16 (WiMAX)..........................................................................36
3.3.2 Padrão 802.20 (Mobile-fi).........................................................................37
4.1 A Camada Física..........................................................................................47
4.1.1 Duplexação dos Canais de Dados.............................................................49
4.1.2 Circuitos LOS X NLOS............................................................................51
4.1.2.1 Circuitos LOS.........................................................................................51
4.1.2.2 Circuitos NLOS......................................................................................52
4.2. A camada de Enlace....................................................................................57
4.2.1 Protocolo de Acesso ao Meio....................................................................57
4.2.2. Estabelecendo Conexões no 802.16........................................................58
6 ARQUITETURA DE SEGURANÇA.............................................................61
6.1 Associações de Segurança............................................................................61
6.2 Certificação X.509.......................................................................................62
6.3 Autorização PKM (Privacy and Key Management)....................................63
6.4 Gerenciamento de Chave de Privacidade.....................................................64
6.5. Confidencialidade e Integridade.................................................................64
6.6 Ameaças e Vulnerabilidades........................................................................65
7.1 Freqüências de Uso no Brasil.......................................................................67
9.1 Antenas Utilizadas em Wi-Fi.......................................................................72
10.1 OFDM e OFDMA.....................................................................................76
10.2 Handoff e Roaming....................................................................................77
10.3 IEEE 802.16-2004 x IEEE 802.16e...........................................................77
10.4 Trajetos de Migração Para o 802.16e.........................................................80
11.1. Os pré-padrões .........................................................................................82

11.2. Aplicações do WiMAX.............................................................................84
11.3. Certificação Wi-MAX...............................................................................85

RESUMO

A comunicação sem fio permite uma vasta gama de possibilidades para instalação
de sistemas de telecomunicações. Assim como a telefonia celular foi um salto evolutivo na
telefonia, as redes sem fio (wireless) serão um salto na comunicação de dados.
Já é possível hoje encontrar aplicações baseadas em rádio. Em poucos anos,
contudo, mais de um padrão para redes sem fio estará disponível no mercado. Alguns
limitados a poucos metros (WPAN), outros no âmbito de redes locais (WLAN) e haverá ainda
as redes metropolitanas (WMAN) e as redes de longa distância sem fio (WWAN).
Obviamente que na prática, haverá sobreposições entre esses padrões, mas à risca, cada qual
tem sua abrangência bem determinada.
No escopo deste trabalho, será estudado o padrão IEEE 802.16, definido
tecnicamente como WMAN, e seus principais sub-padrões, conhecidos comercialmente como
WiMAX, uma tecnologia que suporta acesso fixo, nomâdico, portável e móvel.
Funcionando numa topologia semelhante à de uma malha de telefonia celular, este
padrão apresenta uma série de características que o colocam como forte candidato a ser o
padrão de facto para as redes sem fio em alguns anos. Dentre as características mais
destacáveis estão: esquema de modulação em OFDM, OFDMA e S-OFDMA, cujas
definições permitem througput elevado e modulação adaptativa de acordo com a distância do
ponto de acesso às estações base, resultando em pontos com canais de melhor qualidade,
garantindo rendimentos elevados na transferência do sinal, enquanto canais menos
favorecidos não perdem a conexão mesmo transmitindo a taxas de dados menores.
Outras características são: a qualidade de serviço, que determina prioridades no
sistema; a segurança intrínseca através da criptografia de dados, além do acesso com ou sem
linha de visada dentro do intervalo de freqüência de 2 a 66 GHz. Todas indispensáveis para o
acesso sem fio a longa distância.
Para garantir as propriedades do padrão, são redefinidas somente subcamadas
física e MAC, correspondentes às camadas 1 e 2 do modelo de referência OSI da ISO,
conseguindo assim obter transparência na conexão com os sistemas de comunicação de dados
baseados em TCP/IP. Isto denota que esta tecnologia terá um grande potencial para permitir a
convergência dos sistemas das mais diversas origens, tais como redes locais ethernet com
telefonia celular, por exemplo.
Diante destas definições inerentes à tecnologia, o protocolo 802.16 deverá tornar-
se o padrão de mercado, com dois sub-padrões principais: o 802.16-2004 para acesso fixo e
nomâdico e o 802.16e para acesso portável e móvel.
Algumas soluções proprietárias baseadas nas definições do protocolo 802.16 já
são encontradas, e estão sendo aplicadas em substituição à instalação de redes wi-fi
(implementações do protocolo 802.11 para redes locais sem fio) hoje utilizadas no mercado,
com grandes vantagens em relação a esta tecnologia. Entretanto se fazem necessários ainda os
testes de conformidade e interoperabilidade, cujo objetivo é disponibilizar para o mercado,
uma série de equipamentos que atendam aos requisitos da tecnologia e sejam compatíveis
entre si, o que permitirá que o usuário não fique dependente de um fornecedor, e ainda
fomentará a expansão da tecnologia WiMAX.

ABSTRACT

The communication wireless allows the vast screeches of possibilities goes
installation of systems of telecommunications. The well the cellular telephony it was an
evolutionary jump in the telephony, the wireless networks they will be the jump in the data
communications.
Today is already possible to find based applications in radiate. In few years,
however, live than the pattern goes wireless networks will be available in the market. It adds
limited the few meters (WPAN), other in the extent of local area networks (WLAN) and there
will still be the metropolitan area networks (WMAN) and the networks of long distance
wireless (WWAN). Obviously that in practice, there will be overlap among those patterns;
but, precisely, each one has their very certain inclusion.
In the mark of this work, it will be studied the pattern IEEE 802.16, defined
technically WMAN, and their main sub-patterns, known commercially WiMAX, the
technology that supports fixed access, nomadic, portable and piece of furniture.
Working in the topology similar to the one of the mesh of cellular telephony, this
pattern presents serializes her of characteristics that you put him the fort runs goes office the
being the facto pattern goes the nets without thread in adds years. Among the most prominent
characteristics they plows: modulation outline in OFDM, OFDMA and S-OFDMA, whose
definitions allow high throughput, adaptative modulation in agreement with the distance of
the access point to the stations base, resulting in points with channels of better quality,
guaranteeing high incomes in the transfer of the sign, while less favored channels don't lose
the connection even transmitting to rate of smaller date.
Others characteristics plows: the service quality that determines priorities in the
system; the intrinsic safety through the date encryption, besides the access with or without
stamped line inside of the frequency interval from 2 to 66 GHz. All, indispensable goes the
access without thread the long distance.
To guarantee the properties of the pattern, they plows redefined only physicals
sublevels and MAC, corresponding to the layers 1 and 2 of the reference model OSI of ISO,
getting like this to obtain transparency in the connection with the communications systems of
based date in TCP/IP. This denotes that this technology will have the great potential to allow
the convergence of the systems of the most several origins, such the place area networks
Ethernet with cellular telephony, it goes instance.
Due to these inherent definitions to the technology, the protocol 802.16 should
become the market pattern, with two main sub-patterns: the 802.16-2004 goes fixed access
and nomadic and the 802.16e goes portable and movable access.
It adds solutions based landladies in the definitions of the protocol 802.16 plows
already found and they plows being applied in substitution to the installation of wi-fi
networks (implementations of the protocol 802.11 goes Wireless LAN), today used attn the
market, with great advantages in relation to this technology. However they plows done
necessary still the conformity tests and interoperability, whose objective is to make available
goes the market, serialize her of equipments that they assist to the requirements of the
technology and that they plows compatible amongst themselves, what will allow the user not
to be dependent of the supplier, and it will still foment the expansion of the technology
WiMAX.

LISTA DE FIGURAS

FIGURA 1.1 – LINHAS DE FORÇA DE UMA ONDA ELETROMAGNÉTICA
(OLEXA, 2005)........................................................................................................................18
FIGURA 1.2 – ELEMENTOS FUNDAMENTAIS DA ONDA (OLEXA, 2005)19
FIGURA 1.3 – GRÁFICO DA MODULAÇÃO DE UM SINAL DIGITAL
SOBRE UMA PORTADORA ANALÓGICA COM ASK, FSK E PSK (SOARES, LEMOS,
COLCHER 1995)......................................................................................................................20
FIGURA 1.4 – MODULAÇÃO BPSK (OLEXA, 2005).......................................22
FIGURA 1.5 – MODULAÇÃO QPSK (OLEXA, 2005)......................................23
FIGURA 1.6 – MODULAÇÃO QAM (OLEXA,2005)........................................24
FIGURA 1.8 – DIAGRAMA DE COMPARAÇÃO DE MODULAÇÕES
(OLEXA, 2005)........................................................................................................................25
FIGURA 1.9 – MULTIPLEXAÇÃO NA FREQÜÊNCIA (FDM) (SOARES,
LEMOS, COLCHER, 1995).....................................................................................................28
FIGURA 1.10 – ILUSTRAÇÃO DE UM ESPECTRO DE TRÊS PORTADORAS
OFDM (OLEXA, 2005)............................................................................................................29
FIGURA 1.11 – SINAL DE PORTADORA ÚNICA E OFDM (WIMAX FORUM
[3]) 30
FIGURA 1.12 – SINAIS RECEBIDOS EM PORTADORA ÚNICA E OFDM
(WIMAX FORUM [3]).............................................................................................................31
FIGURA 1.13 – CANAL COM PORTADORA OFDM: TODAS AS
SUBPORTADORAS POSSUEM A MESMA AMPLITUDE (WIMAX FORUM, 2005)......32
FIGURA 1.14 – CANAL COM PORTADORA OFDMA: UM PILOTO POR
GRUPO (WIMAX FORUM, 2005)..........................................................................................32
FIGURA 1.15 – UPLINK EM OFDM E OFDMA (WIMAX FORUM 2005).....33
FIGURA 2.1 – ABRANGÊNCIA DOS PADRÕES DE REDES SEM FIO
(INTEL[3])................................................................................................................................38
FIGURA 2.2 – COMPARAÇÃO ALCANCE X VELOCIDADE X
MOBILIDADE DOS PADRÕES DE COMUNICAÇÃO NÃO CABEADOS.......................38
FIGURA 3.1 - ARQUITETURA 802.16 (INTEL [3])..........................................43

FIGURA 3.2 – TOPOLOGIA EM MESH (INTEL [1])........................................44
FIGURA 3.3 – INTERCONEXÇÃO DE SISTEMAS COM WIMAX (INTEL [1])
46
FIGURA 3.4- PILHA DE PROTOCOLOS 802.16...............................................47
FIGURA 3.5 - DIVISÃO DO ESPAÇO DE TRANSMISSÃO NO PADRÃO
802.16 (INTEL)........................................................................................................................48
FIGURA 3.6 - DIVISÃO DOS QUADROS PARA DUPLEXAÇÃO POR
DIVISÃO DE TEMPO.............................................................................................................50
FIGURA 3.7 - DUPLEXAÇÃO POR DIVISÃO DE FREQÜÊNCIA.................50
FIGURA 3.8 – CIRCUITO COM LINHA DE VISADA E ZONA DE
LIBERAÇÃO DEFRESNEL (WIMAX FORUM [3] )............................................................52
FIGURA 3.9 - PROPAGAÇÃO SEM LINHA DE VISADA...............................53
FIGURA 3.10 - OS EFEITOS DA SUBCANALIZAÇÃO (WIMAX FORUM
[3] ) 55
FIGURA 3.11 – ANTENAS DIRECIONAIS PARA LEVAR O ALCANCE ATÉ
A ÚLTIMA MILHA EM REDES WI-FI PONTO A PONTO (INTEL [1])............................72
FIGURA 3.12 – AUMENTO DO ALCANCE DE REDE WI-FI UTILIZANDO
TOPOLOGIA EM MESH (INTEL [1])....................................................................................73

LISTA DE TABELAS

Tabela 1.1 – Relação entre banda e freqüência com comprimento de onda 2
1
Tabela 3.1 – Diferenças entre os padrões IEEE 802.11 e IEEE 802.16 7
6
Tabela 3.2 – Tipos de acesso para redes WiMAX 7
7

LISTA DE ABREVIATURAS

3G : Tecnologias de telefonia celular de terceira geração
ADS : Assymmetric Digital Subscriber Line
AES : Advanced Encryption Standard
BPSK : Binary Phase Shifit Keying
BRAN : Broadband Radio Access Network
BWA : Broadband Wireless Access
CA : Autoridade Certificadora
CCMP : Counter Mode With Cipher Block Chaining Message Authentication Protocol
CDMA : Code-Division Multiple Access
CP : Cyclic Prefix
CPE : Customer Premisses Equipment
CSMA/CA : Carrier Sense Multiple Access with Colision Avoidance
DAMA : Demand Assigned Multiple Access
D-AMPS : Digital-Advanced Mobile Phone Service
DES-CBC : Data Encryption Standard - Cipher Block Chaining
DoS : Denial of Service
DSL : Digital Subscriber Line
DSSS : Direct Sequence Spread Spectrum
EB : Estação-Base
ETRI : Eletronics ad Telecomunications Research Institute
ETSI : European Telecomunications Standards Institute
FDD : Frequency Division Duplexing
FDM : Frequency Division Multiplexing
FFT : Fast Fourrier Transform
GMRS : General Móbile Radio Service
GSM : Global System for Mobile Communications
ID : Identification
IEEE : Institute of Eletrical and Eletronic Engineers
IP : Internet Protocol
Ipv6 : IP versão 6
ISI : Inter-Simbol Interference
ISO : International Standard Organization
ITU-T : International Telecomunications Union – Telecomunication Standarization
Sector
LOS : Line of Sight
MAC : Medium Access Control
MIMO : Multiple Input Multiple Output
NIST : National Institute of Standards and Tecnology

NLOS : Non Line of Sight
OFDM : Orthogonal Frequency Division Duplexing
OFDMA : Orthogonal Frequency Division Multiple Access
OSI : Open System Interconect
PDU : Protocol Data Unit
PKM : Privace Key Management
QAM : Quadrature Amplitude Modulation
QoS : Qualy of Service
QPSK : Quadrature Phase Shifit Keying
RF : Rádio Freqüência
RSA : Rivest and Shamir Algorithm
SDU : Service Data Unit
SHA : Secure Hash Algorithm
SLA : Service Level Agreements
SME : Small/Medium Enterprise
S-OFDMA : Scalable- Orthogonal Frequency Division Multiple Access
SOHO : Small Office/ Home Office
TDD : Time Division Duplexing
TDMA : Time Division Multiple Access
TLS : Transport Layer Security
TTL : Time To Live
UWB : Ultra Wide Band
VoIP : Voice over IP
Wi-Fi : Wireless Fidelity
WiMAX : Wireless interoperability for Microwave Access
WISP : Wireless Internet Service Provider
WLAN : Wireless Local Area Network
WMAN : Wireless Metropolitan Area Network
WPAN : Wireless Personal Area Network
WWAN : Wiereless Wide Area Network

16

INTRODUÇÃO
A comunicação sem fio apresenta-se, quase sempre, como uma evolução aos
sistemas de comunicação sedimentados. Bons exemplos dessas evoluções são o telégrafo sem
fio e a telefonia celular, ambos utilizando ondas de rádio para transmitir informação que num
estado anterior utilizavam cabos para esse fim.
Com as redes de computadores não está sendo diferente: O próximo estágio da
comunicação em sistemas de informação é a utilização de enlaces não cabeados. Redes de
alcance limitado, como redes pessoais e redes locais, já são hoje uma realidade na vida de
muitas pessoas. Os obstáculos tecnológicos, entretanto, ainda existem para a comunicação
sem fio em redes de longo alcance, pois a persistência, confiabilidade e segurança do sinal de
dados são bem mais complexos para as redes de longa distância.
Para atender estes aspectos, surgem os padrões conhecidos como WMAN
(Wireless Metropolitan Area Network – Redes metropolitanas sem fio) e WWAN ( Wireless
Wide Area Network – Redes de longo alcance sem fio) que se apresentam como propostas
com soluções efetivas para a comunicação de dados sem fio em longo alcance.
Em regiões onde a implantação de sistemas cabeados não é técnica ou
economicamente viável, a possibilidade de se utilizar um sistema de comunicação de dados
aplicando a tecnologia sem fio é vista com grande entusiasmo pela comunidade técnica.
O estado do Pará, em especial por se tratar da realidade local, é uma região onde a
utilização de redes de longo alcance sem fio traz, certamente, muitos benefícios quando de
sua utilização, já que a região se caracteriza pela presença maciça de florestas e rios. A
passagem de cabos entre cidades do interior do estado pode tornar proibitivo o investimento
em um sistema de comunicação com as instalações cabeadas tradicionais por conta destes
empecilhos naturais.
O novo padrão IEEE 802.16 surge como uma alternativa viável economicamente
e tecnicamente para a implantação de sistemas de comunicação de dados privados e públicos
de longa distância, já que as definições do padrão determinam que este deve transpor
intempéries climáticas, e de ordem física como barreiras causadas por densidade florestal ou
urbana mesmo sem linha de visada.
Soluções adotadas hoje utilizando tecnologia do padrão 802.11 não suprimem
necessidades reais de comunicação de longo alcance, já que o protocolo foi planejado para

17

comunicação em ambientes fechados e de curto alcance, atenuações e interferências tornam o
rendimento e resiliência da comunicação, inaceitáveis para sistemas de comunicações reais. O
alcance é outro fator não contemplado para o padrão de rede local sem fio.
A tecnologia comercialmente conhecida como WiMAX (Worldwide
Interoperability for Microwave Access) cujas definições vem de encontro às necessidades da
comunicação de longo alcance fixo, nomândico e móvel pois apresenta resiliência do canal de
dados e atende a critérios de segurança utilizando criptografia no nível físico além da
possibilidade de trabalhar com freqüências na faixa não licenciada o que pode ser entendido
como economia para implantação dos circuitos.
A interoperabilidade é garantida mantendo transparência do padrão com as
camadas superiores da arquitetura de protocolos baseadas no padrão TCP/IP. Aspectos que a
indicam como forte candidata a ser o padrão de facto para a comunicação de longo alcance
sem fio.
O padrão 802.16 pode ainda promover a convergência entre sistemas de
comunicação de dados tradicionais cabeados e não cabeados, como por exemplo, entre as
redes ethernet e a telefonia celular, possibilitando com isso uma gama interminável de
aplicações entre sistemas de comunicação distintos.
Acreditando nestas premissas, pretende-se neste trabalho detalhar os princípios
necessários para a comunicação sem fio, dando atenção ao que requer a tecnologia em estudo.
Após o qual apresentar-se-á as características da tecnologia, cujo padrão ainda está em
desenvolvimento, observando-se as camadas da arquitetura que são exclusivas à estrutura do
padrão.
A comparação do padrão com outras tecnologias de comunicação sem fio,
pretende esclarecer vantagens e desvantagens da tecnologia, indicando seu campo de atuação
de forma coerente.
Mesmo sem estar terminado, fabricantes já apresentam equipamentos que operam
com as definições do padrão 802.16. Alguns destes equipamentos serão apresentados como do
“pré-padrão”, onde serão comentadas questões como o intercâmbio entre equipamentos de
diferentes fabricantes.
Para finalizar a pesquisa, serão discutidas tendências para o futuro do padrão
analisando os prós e contras da adoção de WiMAX, em quais campos esta tecnologia deve
apresentar mais ganhos e quais as perspectivas para sua utilização a curto e médio prazo.

18

1 TÓPICOS DE COMUNICAÇÃO VIA RÁDIO

Neste capítulo serão discutidas noções de comunicação por ondas de rádio,
enfocando nos conceitos pertinentes ao estudo de redes metropolitanas sem fio, buscando
fornecer subsídios para o estudo da tecnologia que é o objetivo deste trabalho.

1 ENERGIA DE RÁDIO FREQÜÊNCIA.

Energia de rádio freqüência pode ser definida como um sinal de corrente alternada
que cria um campo móvel de força elétrica e magnética que se propaga pelo espaço (OLEXA,
2005, p27). Dentro deste campo, as linhas de força magnéticas estão sempre em ângulo reto
em relação às linhas de força elétrica e ambas as forças são perpendiculares à direção de
propagação da onda.
A onda pode tomar qualquer posição com relação à terra, e ao plano sobre o qual
se propaga chama-se frente de onda.

Campo
elétrico

Direção de
Campo propagação
magnético da onda

Figura 1.1 – Linhas de força de uma onda eletromagnética (OLEXA, 2005)

As principais características de uma onda são: a freqüência (f), que é definida
como a quantidade de vezes em que se completa o ciclo da onda na unidade de tempo. A
freqüência é medida em cliclos por segundo ou Hertz (Hz) ; e o comprimento de onda (w), do
inglês, wavelength definido como o comprimento da senóide1 formada pela onda, que é, na
realidade, o ciclo de onda completo medido em metros. Estas duas características são
inversamente proporcionais entre si na seguinte relação:
w = 300/f

1
É chamada assim porque lembra o gráfico de uma função seno

19

Onde: a freqüência (f) é medida em Hz e o comprimento de onda (w) medido em
metros.
Outra propriedade de uma onda á amplitude, que representa a máxima distância
da onda perpendicular à sua frente de onda.

Amplitude
tempo

Freqüência
ou
Comprimento de onda
Figura 1.2 – Elementos fundamentais da onda (OLEXA, 2005)

O campo de RF é definido pelas faixas de freqüências, agrupadas segundo
propriedades comuns de atenuação e propagação dos espectros (tabela 1.1). Os intervalos de
freqüências são divididos em canais individuais. Estes canais não são nada mais do que
pequenos espectros destinados a um transmissor e a um receptor com a atribuição exata de sua
freqüência, podendo variar seu tamanho e quantidade espectral, características ditadas pela
faixa e tipo de serviço a ser oferecido em um canal de comunicação.
Comprimento de onda
Designação Abreviação Freqüências
(intervalos)
Very Low Frequency VLF 9 kHz − 30 kHz 33 km − 10 km
Low Frequency LF 30 kHz − 300 kHz 10 km − 1 km
Medium Frequency MF 300 kHz − 3 MHz 1 km − 100 m
High Frequency HF 3 MHz − 30 MHz 100 m − 10 m
Very High Frequency VHF 30MHz − 300 MHz 10 m − 1 m
Ultra High Frequency UHF 300 MHz − 3 GHz 1 m − 100 mm
Super High Frequency SHF 3 GHz − 30 GHz 100 mm − 10 mm
Extremely High Frequency EHF 30 GHz − 300 GHz 10 mm − 1 mm
Tabela 1.1 – Relação entre banda e freqüência com comprimento de onda correspondente (OLEXA, 2005)

Ondas portadoras são ondas eletromagnéticas que trafegam à velocidade da luz.
Estas ondas têm o formato de um gráfico senóide (figura 1.2) e podem ser utilizadas para
transportar mensagens digitais sobre longas distâncias. Ondas com diferentes freqüências
possuem propriedades diferentes. Por exemplo, ondas luminosas são visíveis a olho nu e não
atravessam paredes, já as ondas de rádio, especialmente as de baixa freqüência podem
atravessar paredes e são difratadas em estruturas de concreto. Entretanto, são absorvidas por
estruturas metálicas.

20

2. MODULAÇÃO

A Modulação é o processo através do qual uma onda portadora transmite uma
mensagem em forma de sinal digital (séries de zeros e uns). Existem, basicamente, três
métodos de modulação para sinais digitais:
Modulação por chaveamento de amplitude (ASK - Amplitude shift keying)
envolve o incremento da amplitude da onda com o sinal digital, ou seja: baixo=0 e alto 1, este
tipo de modulação é utilizado em transmissoras de rádio AM.
A modulação por chaveamento de freqüência (FSK - Frequency shift keying)
desloca a freqüência para transmissão do sinal. Os sistemas que utilizam este tipo de
modulação, como difusoras de rádio FM tendem a ser mais resilientes do que os sistemas q
utilizam AM.
A Modulação por chaveamento de fase (PSK – Phase shift keyin) troca a fase da
portadora de acordo com a mensagem digital q está sendo transportada.

Sinal digital

Portadora
analógica

Sinal ASK

Sinal FSK

Sinal PSK

Figura 1.3 – Gráfico da modulação de um sinal digital sobre uma portadora analógica com ASK, FSK e
PSK (SOARES, LEMOS, COLCHER 1995)

2.1 Modulação Complexa

21

As modulações AM, FM e PM provêem maneiras simples para converter o único
tipo de informação disponível na época de sua invenção: o áudio. Quando a informação
digital tornou-se disponível, estas técnicas de modulação tiveram que ser adaptadas para
transmitir também informação digital.
É importante lembrar que uma portadora de RF é uma senóide, portanto, um sinal
analógico por natureza. Para transmitir uma informação digital numa portadora de RF, é
necessário que esta informação seja convertida para analógica. Isso foi alcançado no início,
com a utilização do modem (de MOdulador DEModulador), cuja única função era converter a
informação digital para tons de freqüência de áudio que assim poderiam ser transmitidos e
recebidos em um canal de rádio ou uma portadora telefônica. Originalmente, os modems
geravam apenas duas freqüências de áudio distintas, cada tom associado a um binário distinto:
0 ou 1. Assim as informações binárias eram convertidas em tons e então transmitidas por
modems seriais (OLEXA, 2005).
A quantidade de dados a serem transmitidos, aumentou com o decorrer do tempo
e o modem simples de dois tons tornou-se incapaz de confrontar-se com as exigências
crescentes de throughput2. O desenvolvimento da lógica digital e o aumento no poder de
processamento responsável pela exigência crescente de largura de banda permitiram
manipular e modular a onda portadora de maneiras mais complexas. “Preferencialmente, as
portadoras devem ser moduladas de tal maneira que representem apenas bits e bytes”
(OLEXA, 2005, pg 47).
Existem várias técnicas de modulação, porém em qualquer uma manipula-se
algum dos seguintes elementos da portadora: tempo, amplitude, freqüência e fase. Estes
valores são regidos pelo princípio universal de TINSTAAFL existente em comunicações via
rádio. Qualquer técnica de modulação selecionada faz intercâmbios entre a ocupação
espectral, taxa máxima de informação, exigência de potência e a robustez do sinal.
O princípio de TINSTAAFL é conhecido atualmente como “Teoria de Informação
de Shannon”. Em um artigo entitulado “A Mathematical Theory of Communication”
publicado em 1948, encontrado em Olexa (2005), Shannon afirma que “Devido a entropia, a
incerteza é um fato da vida em um canal de comunicação”. Em outras palavras: a modulação
simples é bastante robusta, entretanto esta robustez trás severas limitações à capacidade de
transmissão, já que não há garantia de chegada do sinal no receptor. Sistemas complexos são

2
É a quantidade de dados transmitida na unidade de tempo. Quanto maior o thoughput, mais dados são
transmitidos.

22

menos robustos, portanto têm um potencial maior. Os receptores, todavia, necessitam de mais
potência a fim de garantir o recebimento da transmissão.
A transmissão de uma informação é regida por variáveis que determinam a
transação. Entre elas estão: largura de banda do sinal digital, taxa de transferência, capacidade
do canal de transmissão, ruído, interferência, complexidade da modulação, atraso de
propagação, confiabilidade do canal, potência de transmissão, sensibilidade do receptor e
algoritmos de verificação e correção de erros. Estas variáveis têm efeitos na precisão e taxa de
erros do sinal recebido. Uma das mais importantes aplicações da teoria de Shanon, é
determinar a negociação entre as variáveis envolvidas (Olexa, 2005). Isto permite que o
projetista faça o balanceamento do sistema para a situação ótima.
A comunicação digital moderna tem elevadas exigências de throughput, já que
devido a grande quantidade de informação a ser transmitida, os espectros ficam
sobrecarregados. Técnicas mais avançadas de modulação são necessárias a fim de obter o
throughput desejado nos canais disponíveis. Tais técnicas ainda utilizam características da
modulação em fase e amplitude, porém com implementações mais complexas a fim de
permitir o aumento do throughput no canal de dados.
As transmissões digitais necessitam transmitir simplesmente zeros e uns. Não se
faz necessário modular para suportar sinais analógicos. Isto é obtido simplesmente com dois
estados de fase e amplitude: um representando 0 (zero) e outro representando 1 (um). Esta
técnica é conhecida como chaveamento binário de fase (BPSK - binary phase shift keying),.
Nela cada símbolo pode indicar dois diferentes estados ou um bit por transição, em outras
palavras, 0º transmite o bit 0 180º transmite o bit 1.

90º
0º = 0
180º = 1

180º 0º

270º
Figura 1.4 – Modulação BPSK (OLEXA, 2005)

A fim de transmitir os dados mais rapidamente, são necessárias mais transições.
Teoricamente, o número de ângulos de fase discretos disponíveis chega a 360 (quantidade de

23

graus de um círculo completo), enquanto o número de estados de amplitude disponíveis é
teoricamente infinito (OLEXA, 2005), [sic] já que se trata de portadoras analógicas.
Modulações atuais permitem a codificação de mais bits por transição, fazendo com que no
mesmo intervalo de tempo mais informações sejam enviadas em um dado canal de dados.
De acordo com a teoria de Shannon, se houver mais potência disponível é possível
transmitir mais às mesmas distâncias.
Baseada nesta teoria, a modulação QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) utiliza
quatro fases distintas (adiciona 90 e 270 graus) à BPSK separadas 90º entre si. Assim podem
ser transmitidos dois bits por símbolo. Cada fase de símbolo e comparada relativamente ao
símbolo anterior. Caso não haja deslocamento de fase (0 graus) os bits 00 são representados.
Caso haja um deslocamento de fase de 180 graus, os bits 11 são representados.
Analogamente, é possível ainda utilizar 8 níveis de transição separados entre si
45º onde serão representados 3 bits por transição, a chamada modulação 8PSK.
Cada uma destas modulações é mais eficiente que a anterior, pois transmite mais
bits por segunto. Em contra-partida, segundo a teoria de Shannon, quanto mais bits
transmitidos mais susceptível será o sinal à perda de informação em um meio que não esteja
nas condições ideais para transmissão de sinais de rádio.

90º Fase Padrão
0º = 00
90º = 01
180º = 10
270º = 11
180º 0º

270º
Figura 1.5 – Modulação QPSK (OLEXA, 2005)

No caso da necessidade da correção de sinais transmitidos, é bem mais simples
corrigir apenas dois estados distintos entre si em 180º do que corrigir oito estados distintos
entre si apenas 45º. Na prática 8PSK é a modulação de taxa mais elevada em uso.
Mesmo com a utilização da 8PSK o espectro permanece congestionado, pois o
througput necessário para aplicações atuais ainda não foi alcançado (OLEXA, 2005). Para
superar estas limitações a amplitude da portadora volta a ser utilizada para transmitir bits
adicionais.

24

A técnica de modulação conhecida como QAM (Quadrature Amplitude
Modulation) além de modular a fase, modula conjuntamente a amplitude em um processo
bastante simples: se estão disponíveis dois estados de fase (BPSK) a modulação QAM
adiciona duas amplitudes distintas para cada fase, tendo então disponíveis 4 transições de
sinal, cada uma com dois bits, equivalendo portando à modulação QPSK Conforme ilustra a
figura 1.6.

90º Fase amplitude Padrão
0º 0 00
0º 1 01
180º 0 10
180º 1 11

180º 0º

270º

Amplitude 0

Amplitude 1
Figura 1.6 – Modulação QAM (OLEXA,2005)

Logicamente, adicionando duas amplitudes à modulação QPSK, é possível obter
uma taxa de transmissão de QAM 8 , equivalente a 8PSK. Na 16-QAM cada símbolo
representa quatro bits ao invés de dois bits representados com o QPSK. Na figura 1.7, cada
ponto indica uma única amplitude e fase da onda.

0110 3 1010
0010 1110

1
Amplitude

0011 0111 1111 1011
0
-3 -1 1 3

-1 1001
0001 0101 1101

-3
0000 0100 1100 1000

Fase
Figura 1.7 – Quadrature Amplitude Modulation 16-QAM (Intel [4])

A incerteza associada com a recepção, interpretação e correção de um único
estado acima de 256 é extremamente alta. Na verdade a portadora deve ter no mínimo 30 dB

25

ou ser 1000 vezes mais potente que o ruído no canal, para que o sinal seja recebido e
demodulado corretamente na recepção (OLEXA.2005), por isso, estas modulações complexas
somente devem operar em meios livres de ruídos e que necessitam de um incremento
significativo de potência em relação às modulações com menor grau de complexidade. Links
de microondas fixos e comunicações que utilizam cabos coaxiais como cable modems podem
utilizar este tipo de modulação por apresentarem ruído e atenuação muito baixos.
Transmissões utilizando BPSK necessitam somente de 6 dB ou quatro vezes maiores que o
ruído do meio. Por esta razão, para planejar sistemas móveis são preferíveis modelos mais
simples de modulação, uma vez que com eles é mais fácil garantir a recepção da informação.

Modulação BPSK QPSK 8PSK 16QAM 64QAM

Bits por transição 1 2 3 4 6

Tolerância à
atenuação alto
baixo
Exigência de
Interferência de
6dB 12dB 18dB 18dB 24+dB
portadora e
atenuação

Tolerância a ruídos e
interferências alto
baixo

Área de serviço

grande pequena
Figura 1.8 – Diagrama de comparação de modulações (OLEXA, 2005)

A ação de balanceamento é o equilíbrio entre a potência e o espectro de banda
para um dado throughput. Quanto mais simples a modulação envolvida, mais baixa é a
potência requerida para cobrir determinada área, sem esquecer que o limite do throughput
será reduzido.
Por outro lado, modulações complexas requerem mais potência para cobrir
determinada área, entretanto aumentam a capacidade de transmissão dentro do canal. Uma
modulação muito complexa pode exigir muita potência, o que é prejudicial para dispositivos
portáteis pois será muito curto o período de funcionamento do dispositivo fornecedor de

26

potência (bateria). Desta forma, ou o sistema terá severos limites de cobertura, ou no pior
caso, o sistema será frágil e haverá muitos erros, não admitidos em uma transmissão eficaz.

2.2 Modulação Adaptativa

Diferentemente de um sistema de comunicação de voz, um sistema de
comunicação de dados não pode tolerar erros. Caso o sinal transmitido não seja recebido
100% corretamente, a transmissão estará inutilizada e a informação deve ser retransmitida.
Como a incerteza está associada com qualquer recepção de sinal, todos os sistemas de
comunicação digital implementam algoritmos para checagem e correção de erros causados na
transferência do sinal. Eles provêem algum nível de tolerância a erros, além de ação corretiva.
Para que possam ter parâmetros de avaliação dos erros, estes algoritmos inserem overhead3 na
informação transmitida, fazendo com que a quantidade de informação transmitida seja, na
realidade, maior do que a informação útil.
Diferentes ordens de modulação permitem que sejam enviados mais bits por
símbolo, conseguindo assim throughputs mais elevados ou melhores eficiências espectrais.
Entretanto, deve-se notar que ao utilizar uma técnica de modulação como QAM 64, que
apresenta elevada taxa de transmissão, é necessário que a relação sinal/ruído seja bastante
favorável para superar toda a interferência e manter uma taxa aceitável de erros. Se a distância
aumenta, a relação sinal/ruído diminui, devido ao aumento de interferências, então o canal
fica impróprio para transmitir altas taxas de dados já que os erros recebidos irão muitas vezes
exigir retransmissão, o que faz com que todo o esforço de transmissão seja em vão. Para
situações onde a relação/sinal ruído é desfavorável à transmissão, é sempre mais adequado
utilizar esquemas de modulação com menor taxa de transmissão, como o BPSK. Assim, se a
distância aumenta, a taxa de transmissão deve ser diminuída para garantir a resiliência da
comunicação.
O Uso de modulação adaptativa permite que sistemas de comunicação sem fio
adotem a modulação mais adequada, dependendo das condições do canal de dados,
permitindo a maior ordem de comunicação possível em cada trecho.
Os sistemas de comunicação sem fio atuais tais como os baseados no IEEE 802.11
(Wi-Fi) e 802.16 (WiMAX) utilizam as técnicas de modulação QAM e PSK adaptáveis à
distância do ponto de origem do sinal.

3
Overhead é o acréscimo de informação numa mensagem.

27

3 DUPLEXAÇÃO

Tanto receptores quanto transmissores são dispositivos autônomos capazes de se
comunicar em um único sentido. Os sistemas de comunicação de dados wireless necessitam
comunicar-se em ambos os sentidos (sistemas duplex). Um canal duplex, é uma via de
comunicação “em mão dupla”, ou seja, em ambos os sentidos da transmissão, tornando o
sistmea de comunicação mais eficaz.
Chama-se duplexação às técnicas que permitem tornar um canal, uma via de
comunicação duplex. Existem dois tipos de duplexação:
TDD - Time Division Duplexing (duplexação por divisão de tempo)
FDD - Frequency Division Duplexing (duplexação por divisão de freqüência).

3.1 Duplexação por Divisão de Tempo.

A TDD permite o uso de uma única freqüência para acomodar todos os sinais
recebidos e transmitidos. Isto é realizado pela divisão do tempo de canal de forma rápida o
suficiente para que tanto transmissores quanto receptores vejam um fluxo contínuo de
informação. O canal é temporariamente dividido em slots4 de tempo para transmissão e slots
de tempo para recepção com um intervalo de tempo entre eles para guarda do tempo de troca
da sinalização.
TDD é uma técnica muito utilizada em sistemas que experimentam tráfego
assimétrico, porque os slots de tempo podem ser alocados assimetricamente, atendendo à
necessidade real de transmissão. Não obstante, devido ao método utilizado, tanto a estação
base quanto o usuário remoto deverão ter transmissores e receptores ou transceptores.
Equipamentos baseados no protocolo 802.11, 802.16 e alguns telefones sem fio,
por exemplo, utilizam TDD.

3.2 Duplexação por Divisão de Freqüência

A FDD aloca dois subcanais de mesma capacidade porém com freqüências
distintas e com uma separação entre eles para que não hajam interferências no canal de
comunicação. Uma das freqüências é transmitida da estação base para o ponto remoto e a
4
É um intervalo de tempo muito pequeno de tamanho padrão para as operações de transmissão de dados.

28

outra faz o caminho inverso, sendo transmitida da estação do usuário para a estação base.
Estes sistemas duplex tem a vantagem de compartilharem uma antena comum, já que a
separação entre as freqüências de 45 MHz, ou mais, assegura que não haverão interferências
entre transmissor e receptor.

4 MULTIPLEXAÇÃO

Multiplexação são técnicas que permitem a transmissão de em um mesmo meio
físico (SOARES, LEMOS, COLCHER, 1995). Analogamente à duplexação, a multiplexação
pode ser feita na divisão do tempo (TDM - Time Division Multiplexing) ou na divisão da
freqüência (FDM – Frequency Division Multiplexing).
Assim como acontece na duplexação na divisão do tempo (TDD), a TMD é feita
pela divisão de pequenos intervalos de tempo (slots) entre todos os canais que desejam
transmitir.
A multiplexação na divisão da freqüência é conseguida com os seguintes passos:
1. Os sinais que deverão ser multiplexados são filtrados, de maneira a preservar
somente a faixa necessária a cada um deles (figura 1.9)
2. As faixas de freqüências originais do segundo e terceiro sinais é deslocada de
maneira que todos ocupem faixas diferentes e sem sobreposições (figura 1.9).

C0

C1

C2

0
Hz

C0 C1 C2

Figura 1.9 – Multiplexação na freqüência (FDM) (SOARES, LEMOS, COLCHER, 1995)

Assim, todos os sinais poderão ser transmitidos simultaneamente no mesmo meio
físico, já que cada um deles ocupa agora um canal (banda) distinto com o tamanho específico
para sua sua transmissão, o que garante que não haverão interferências.

4.1 Multiplexação por Divisão Ortogonal de Freqüência (OFDM)

29

OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) é uma técnica de
transmissão baseada na idéia de multiplexação por divisão de frequencia (FDM). Porém, ao
invés de utilizar uma portadora única, a modulção OFDM utiliza um grande número de
pequenos canais sobrepostos para transmissão de dados. Cada um destes sub-canais (também
chamados “tons”) de forma que cada ton aparenta ser uma portadora independente. Há entre
eles uma sobreposição precisa de freqüências para prover ortogonalidade. O pico da portadora
modulada é alinhado com o vale das portadoras adjacentes(figura 1.9). Esta técnica faz com
que demoduladores distintos não vejam outros sinais que não sejam seu próprios. As
vantagens da OFDM são:
Alta eficiência de espectro;
Alta Flexibilidade para conformar a largura de banda disponível;
Baixa susceptibilidade para distorções de múltiplos canais.
Isto é útil porque num ambiente típico de propagação terrestre existem reflexões
perceptíveis, ou seja, o sinal enviado chega ao receptor por vários caminhos percorrendo
distâncias diferentes, o que causa distorção no sinal recebido.

Primeira subportadora
Segunda subportadora
Terceira subportadora

Figura 1.10 – Ilustração de um espectro de três portadoras OFDM (OLEXA, 2005)

A desvantagem é que a OFDM é mais susceptível a interferências, especialmente
em dispositivos de banda básica, o que requer osciladores extremamente estáveis e que
possam tolerar uma pequena variação de freqüência.
Em OFDM, cada uma das portadoras ortogonais pode ser modulada com um sinal
BPSK ou QAM, isto pode ser feito graças à característica dos canais funcionarem como
independentes, a modulação escolhida em cada canal pode ser relacionada de acordo com a

30

área de perda do sinal. A implementação desta flexibilidade aumenta a complexidade do
sistema, porém, em contra-partida permite o máximo throughput já que é capaz de alocar a
freqüência dinamicamente, de acordo com a área de queda do sinal. Assim, se uma certa
portadora ocupa uma freqüência com distorção, o sinal pode ser comutado para uma
freqüência mais baixa; se em contrapartida não houver queda do sinal da portadora, ela pode
operar no nível máximo de modulação.
A modulação por divisão ortogonal de freqüência oferece operações com meios
eficientes para superar as dificuldades da transmissão sem linha de visada. O formato da onda
utilizada na OFDM tem a vantagem de operar com maior atraso de propagação para o
ambiente NLOS. Em virtude do tempo de sinalização do FDM e o uso de um prefixo cíclico,
o formato da onda OFDM elimina a interferência entre sinais - ISI (inter-symbol
interference), problemas e complexidades da equalização adaptativa. Como o OFDM é
composto por múltiplas portadoras ortogonais de faixa estreita, a perda seletiva é localizada
em um subconjunto das portadoras que são relativamente fáceis de se equalizar.

Figura 1.11 – Sinal de portadora única e OFDM (WiMAX FORUM [3])

Numa comparação entre um sinal de OFDM e um sinal de portadora única. A
informação é enviada em série num sinal de portadora única e em paralelo para um sinal de
OFDM. (figura 1.11) (WiMAX FORUM [3])

31

A habilidade para superar o aumento de atraso para múltiplos caminhos e a ISI de
maneira eficiente, permite maior taxa de tráfego de dados. Como mostra a figura 1.12, é mais
fácil pois existem menos perdas, equalizar as portadoras de OFDM individuais que equalizar
um único sinal de banda larga.

Figura 1.12 – Sinais recebidos em portadora única e OFDM (WiMAX FORUM [3])

Por suas características de flexibilidade e eficiência espectral, o OFDM é
considerado a tecnologia para a quarta geração de sistemas de telefonia celular, e
equipamentos para comunicação de dados padronizados sendo cada vez mais utilizado pelos
fabricantes (OLEXA, 2005). Estas razões levaram orgãos como o IEEE 802.16, ETSI BRAN ,
e ETRI, a estabelecerem o padrão OFDM como a melhor tecnologia disponível (WiMAX
FORUM [3]).

4.2 Divisão Ortogonal de Freqüência para Múltiplos Acessos (OFDMA)

Como evolução à técnica OFDM, surge a OFDMA (Orthogonal Frequency
Division Multiple Access), que implementa vantagens em relação a primeira: Em OFDM os
dispositivos de usuário assumem slots de tempo para transmissão, mas somente um
dispositivo poderá transmitir durante determinado slot. Nesta técnica, todas as portadoras são
transmitidas em paralelo com a mesma amplitude (figrua 1.13). A OFDMA divide a portadora
em grupos (Ng), cada um com uma quantidade de portadoras Ne e Ne subcanais. Cada canal
com um piloto por grupo utilizando 2048 portadoras por instância, isto significa que Ne=32 e
Ng=48 em downlink e Ne=32 e Ng=53 em uplink. As portadoras remanescentes são usadas
para guardar as bandas (figura 1.14). Assim, codificação e modulação em amplitude são

32

configurados separadamente para cada sub-canal, de acordo com as condições do canal para
otimizar o uso dos recursos na rede, outra vantagem é que em OFDMA, a subcanalização
permite que vários dispositivos transmitam simultaneamente sobre os subcanais alocados.
(Figura 1.15)
Figura 1.13 – Canal com portadora OFDM: Todas as subportadoras possuem a mesma amplitude
(WiMAX FORUM, 2005)

OFDM

...
Portadora OFDM Freqüência (portadoras)

Figura 1.14 – Canal com portadora OFDMA: um piloto por grupo (WiMAX FORUM, 2005)

Grupo 1 Grupo 2 Grupo Ng

... ... ... ... ...
Freqüência (portadoras)
Ne Portadoras

Piloto
Subcanal 1 Portadoras
Subcanal 2 OFDMA
Subcanal 3

33

portadoras Figura 1.15 – Uplink em OFDM e OFDMA (WiMAX FORUM 2005)

Sub-canais
... ... Usuário 1
Usuário 2
Usuário 3
Usuário 4

Símbolo FFT tempo tempo

34

2 REDES SEM FIO

Neste capítulo será dada uma introdução aos aspectos gerais de redes redes de
comuniçãçao sem fio, mostrando conceitos e avaliando necessidades, bem como classificando
as redes sem fio para focar no escopo real deste trabalho.

1 O QUE SÃO REDES SEM FIO

As redes sem fio (do inglês wireless), como o prórpio nome indica, são
tecnologias que permitem a comunicação de equipamentos por meio de enlaces de
comunicação não cabeados, isto é, utilizando somente o ar como meio de transmissão, através
da emissão e recepção de ondas eletromagnéticas, em oposição à maioria das redes de
comunicação hoje utilizadas, que necessitam de cabeamento para efetivarem comunicação. A
tecnologia de comunicação sem fio já faz parte do cotidiano das pessoas em aparelhos como
controles-remotos e telefones celulares. A aplicação de canais sem fio para a comunicação de
dados apresenta-se hoje como uma tecnologia emergente (INTEL [1]).

2 PORQUE REDES SEM FIO

A utilização da tecnologia de redes não cabeadas (sem fio) é, à primeira vista, um
grande facilitador para provimento de comunição de dados, pois a instalação de um parque de
comunicação de dados baseado nesta tecnologia exime a necessidade de se transpassar cabos
de comunicação através dos pontos que deverão se comunicar. Esta característica em
particular é muito promissora em regiões como o estado do Pará, que possui extensa área
territorial onde, muitas vezes, a passagem de cabeação, seja metálica ou óptica, é um
complicador de grande complexidade, pois além da dá já citada distância, existem regiões
com matas fechadas e grande quantidades de rios e córregos, o que dificulta mais ainda a
utilização de enlaces cabeados.
Os padrões propostos para redes não cabeadas de longo alcance, visam permitir
fonecimento de um serviço de comunicação de qualidade a distâncias consideráveis e com
custos reduzidos, pois o custo de instalação inicial dos equipamentos será diluído ao longo do

35

tempo. Em OLIVEIRA (2005) os consultores estratégicos da Siemens, Marilson Soares e
Eduardo Lima colocam que “Se levarmos em conta que mais de 80% dos municípios
brasileiros possuem um raio médio de 15 quilômetros de extensão, sabemos que com uma
única antena WiMAX conseguirá cobrir toda a cidade. É realmente muito convidativo”.
Assim, o raio de alcance desta tecnologia conta como ponto a favor, pois vários dos pequenos
municípios paraenses serão perfeitamente atendidos com uma única estação-base.
O custo de instalação do sistema não é capaz de inviabilizar a sua aplicabilidade.
Segundo OLIVEIRA (2005) “Estima-se que, até o fim 2006, os preços começarão a se tornar
atraentes e as operadoras chegarão às residências que precisam de acesso em banda larga com
um modem ADSL e um WiMAX...”. A autora do artigo também afirma que “...projeções do
instituto de pesquisas Pyramid Research apontam que a tecnologia WiMAX dominará 60% do
mercado mundial de banda larga sem fio em 2008.”
Deve se ter em mente que uma vez substituída a tecnologia cabeada pela
tecnologia sem fio, a manutenção destes circuitos tem um valor bem abaixo do custo mensal
de linhas privativas de comunicação de dados, já que estas exigem investimento mensal com a
as concessionárias de telecomunicações, o que se torna desnecessário com utilização de redes
sem fio metropolitanas, principalmente se forem utilizadas freqüências não licenciadas.

3 CLASSIFICAÇÃO E PADRÕES

IEEE publicou os padrões para redes não cabeadas como subcategorias do padrão
802. nos subpadrões existentes são contemplados, basicamente, quatro classes de redes sem
fio segundo a abrangência demonstradas a seguir: (www.teleco.com.br/ em 14/11/2005 ).

3.1 Redes Pessoais Sem Fio

As redes pessoais sem fio (WPAN – Wireless Personal Area Network) tem
alcance de comunicação de até algumas dezenas de metros, o que sugere a abrangência em
torno do indivíduo, nestas redes a comunicação se dá entre dispositivos pessoais como
telefones celulares, notebooks, PDA’s ou fones de ouvido, equipamentos que mesmo estando
em locais diferentes como bolsos, pastas e etc, não necessitam de tanta velocidade de
comunicação e o alcance necessário para seu funcionamento é bastante limitado.

36

O Padrão mais conhecido de WPAN é o Bluetooth, definido pelo protocolo IEEE
802.15.1 – revisão de 2002 (IEEE [a]). Com alcance sugerido de 10m e velocidade
aproximada de 1Mbps.
Há também na classificação WPAN, a tecnologia de rede definida pelo padrão
IEEE 802.15 conhecida como UWB Ultra Wide Band (banda ultra larga). Uma tecnologia de
baixo consumo de energia (cerca de 1/10 000 a potência de um celular convencional), e com
alta taxa de transmissão, pois é capaz de alcançar 500 Mbps por até 4m de distância. Estas
características fazem com que 1) o sinal transmitido pelo UWB se misture com outros sinais
wireless, como um ruído e; 2) ele é tão poderoso que é capaz de transmitir filmes através das
paredes "Moving Through the Wall". Segundo PRADO[2], “Ele será "campeão" (ou killer
technology) na eliminação de cabos” pois será capaz de conectar equipamentos como
filmadoras e câmeras fotográficas sem a necessidade de cabo. PRADO [2] também afirma que
“O UWB é um forte candidato a aniquilar o Bluetooth por que a velocidade deste é muito
pequena (de apenas 1 Megabit por segundo - Mbps).”

3.2 Redes Locais Sem Fio

As redes WLAN (Wireless Local Area Network) sugerem a mesma abrangência
das LAN’s, ou seja distâncias limitadas por um prédio comercial, ou talvez um campus. A
normatização da WLAN é definida no padrão IEEE 802.11 conhecido comercialmente como
Wi-Fi. (Wireless Fidelity) Este padrão provê a comunicação entre estações a uma velocidade
de até 11 Mbps num raio de cobertura de 100m. Atualmente grande maioria das soluções sem
fio disponibilizadas no mercado são baseadas nesta tecnologia que foi projetada para
ambientes internos mas, na prática, está sendo utilizada muitas vezes como solução para
comunicação externa, especialmente na versão 802.11g deste protocolo.

3.3 Redes de Longo Acance Sem Fio

3.3.1 Padrão 802.16 (WiMAX)

Também conhecido como redes redes metropolitanas não cabeadas WMAN
(Wireless Metropolitan Area Network) estão limitadas à velocidade de 70 Mbps por um raio
de até 50 Km, o que sugere a área de uma cidade. O padrão que normatiza as WMAN’s é o
IEEE 802.16. As definições deste protocolo inserem características desejaveis para a

37

interligação de redes locais entre prédios localizados na mesma cidade ou em cidades
próximas. Um bom exemplo seria uma rede WiMAX atendendo à região metropolitana de
Belém.
Segundo PRADO [3], “o padrão IEEE 802.16 [sic] (inicial) utiliza um esquema de
modulação de portadora única e que opera numa faixa de rádio freqüência entre 10 e 66 GHz,
requerendo uma linha de visada entre as torres para a conexão funcionar”. Uma nova
extensão, definida no padrão IEEE 802.16a, que foi ratificada em janeiro de 2003 opera numa
faixa de freqüência menor, de 2 a 11 GHz e não precisa de visada direta para funcionar.
Outras versões para o padrão 802.16 estão disponíveis, e serão estudadas com
detalhes no capítulo 3 deste trabalho. Por se tratrar do enfoque desta pesquisa.

3.3.2 Padrão 802.20 (Mobile-fi)

O padrão 802.20, conhecido comercialmente como Mobile-Fi é especificado para
tráfego nativo de IP com acesso à banda larga de forma completamente móvel (até 250
Km/h). Este padrão foi estabelecido em fevereiro de 2002 , um pouco antes da ratificação do
802.16. Segundo PRADO[4], “...ele proporcionará taxas de transmissão simétricas de 1 Mbps
a 4 Mbps em espectros licenciados abaixo de 3,5 GHZ em distâncias de 15 km, utilizando
modulação OFDM”.
O grupo do 802.20 foi criado antes do início do 802.16e. entretanto conflitos no
comitê fizeram com que o desenvolvimento fosse relativamente lento. Por suas características,
este padrão pode vir a ser um concorrente direto das tecnologias de telefonia celular de
terceira geração (3G) como CDMA2000 (Code-Division Multiple Access – Múltiplos acessos
por divisão de código) e GMRS (General Mobile Radio Service – Serviço geral de rádio
móvel) (OLEXA, 2005). Mas, segundo PRADO[1], se este padrão vier a ser concorrente do
WiMAX, não deverá suplantá-lo, uma vez que o WiMAX já estará consolidado.

A figura a seguir ilustra a abrangêngia das redes não cabeadas:

38

Figura 2.1 – Abrangência dos padrões de redes sem fio (INTEL[3])

Algumas tecnologias sem fio permitem acesso móvel, como o WiMAX móvel
(802.16e) e o padrão 802.20, que por suas características são candidatos a padrões para
comunicação em telefonia celular. A figura a seguir ilustra os padrões de comunicação sem
fio em alcance, velocidade e mobilidade.

Figura 2.2 – Comparação alcance X velocidade X Mobilidade dos padrões de comunicação não cabeados.

39

3 O PADRÃO 802.16 E SUAS TECNOLOGIAS

Neste capítulo, será dado o enfoque especial à tecnologia WiMAX, baseada no
prococolo 802.16, com estudos de seus conceitos, características, variações, aplicações e
persprctivas para esta tecnologia de comunicação sem fio.

1 BREVE HISTÓRICO DO PADRÃO 802.16

Em agosto de 1998 o NIST (U.S. National Institute of Standards and Tecnhology
–Instituto americano de padronização e tecnologia ) da associação americana de normas
técnicas, promoveu uma reunião conhecida como N-WEST (National Wireless Eletronics
Systems Testbed) que deu início as atividades do comitê responsável por definir os padrões
802.16. Após quatro anos o grupo havia desenvolvido a base necessária para os padrões
subseqüentes.
O IEEE 802.16 WMANs (também chamado IEEE802.16-2001) “Air Interface for
Fixed Broadband Wireless Access Systems” foi aprovado em 6 de dezembro de 2001 (IEEE
Std 802.16-2001™ ) e publicado em 8 de abril de 2002. Este padrão especifica a interface
aérea para sistemas de banda larga do tipo ponto-multiponto, estacionárias operando no
intervalo de freqüência entre 10,0 e 66,0 GHz.
O IEEE 802.16.2, aprovado em 6 de julho de 2001 e publicado em 10 de setembro
de 2001, “Coexistence of Fixed Broadband Wireless Access Systems” (Coexistência para
Acesso de sistemas sem fio de banda larga) (IEEE Std 802.16.2-2001™) especifica práticas
recomendadas para minimizar a interferência em sistemas estacionários de banda larga para
acessos sem fio, conhecidos como BWA (Broadband Wireless Access – Acesso de banda
larga) no intervalo de freqüência de 10,0 e 66,0 GHz. Neste documento há um foco particular
para o intervalo de 23,5 a 43,5 GHz, analisando a coexistência entre os cenários e fornecendo
orientação para projeto, desenvolvimento e coordenação do sistema e freqüência de uso.
O padrão 802.16a “Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems.
Amendment 2: Medium Access Control Modifications and Additional Physical Layer
Specifications for 2 - 11 GHz” que foi aprovado em 29 de janeiro de 2003 e publicado em 1
de abril de 2003, é um aditivo ao 802.16-2001. Este novo padrão enfatiza a camada de acesso

40

ao meio e fornece novas especificações à camada física, o que resulta na possibilidade de
operação em banda larga no intervalo de freqüências licenciada e não licenciada entre 2 a 11
GHz utilizando instalações estacionárias para serviços múltiplos. A camada de enlace, é capaz
de suportar várias especificações da camada física otimizadas para as faixas de freqüência das
aplicações. Esse padrão inclui ainda especificações para camada física aplicáveis aos sistemas
que funcionam entre 2 e 66 GHz. (IEEE Std 802.16a™-2003)
Em março de 2003 foi acrescentado ao 802.16a, uma extensão para o acesso
NLOS (Non-Line of Sigh – sem linha de visada) em bandas de freqüência mais baixas de 2,0 a
10,0 GHz, algumas das quais não licenciadas5, com suporte para as tecnologias de PMP
(Point-to-Multipoint) e malha (Mesh), A nova extensão visa também ampliar o raio de
cobertura de 50 para 80 Km. Até então o padrão 802.16 suportava apenas o padrão LOS (Line
of Sight – com linha de visada) nas freqüências licenciadas da faixa de 10,0 a 66,0 GHz.
O IEEE 802.16c, “Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems -
Amendment 1: Detailed System Profiles for 10–66 GHz” aprovado em 11 dezembro de 2002,
e publicado em 15 de janeiro de 2003 visa prover a interoperabilidade através da
especificação de perfis de sistema no intervalo de bandas entre 10 e 66 GHz. Neste aditivo são
corrigidos erros e inconsistências existentes no 802.16-2001.
O IEEE 802.16d foi publicado em 29 de setembro de 2003, e teve sua extinção
publicada em 01 de outubro de 2004 (http://grouper.ieee.org/groups/802/16pubs
/P80216d.html). Substituído pelo 802.16-2004 que foi publicado na mesma data e teve sua
aprovação prévia em 24 de junho de 2004. Este é um dos padrões atualmente em vigor, ele
revisa e substitui as especificações 802.16-2001, 802.16a-2003 e 802.16c-2002. Neste padrão,
para as freqüências operacionais entre 10 e 11 GHz a camada física é baseada em modulação
por portadora única. Para freqüências abaixo de 11 GHz é viável prover transmissão de sinal
sem linha de visada com três tipos de modulação possíveis OFDM, OFDMA e modulação por
portadora única (IEEE Std 802.16 TM- 2004).
O IEEE 802.16e, também conhecido como IEEE 802.16-2005, foi aprovado em 7
de dezembro de 2005, e publicado em 28 de fevereiro de 2006 (http://grouper.ieee.org/groups/
802/16/pubs/P80216e.html em 06/03/2006). O padrão 802.16e facilitará o desenvolvimento
global para o acesso de banda larga sem fio. Ele repara e completa o padrão anterior que
contemplava o acesso MANs sem fio, mas suportava somente o acesso fixo e nomâdico. A
emenda ao padrão especifica um sistema para contemplar acesso BWA para assinantes fixos e

5
Consultar o item 7 capítulo 3: freqüências de uso em WiMAX

41

móveis inclusive com velocidades veiculares (até 100 Km/h) utilizando freqüências abaixo de
6 GHz.
Outras modificações básicas que ocorreram na mudança do 802.16d para o
802.16e são a) A Camada física utiliza um esquema de modulação S-OFDMA (Scalable
Orthogonal Frequency Division Multiple Access) cuja definição permite associar um
subconjunto de subportadoras para diferentes usuários possibilitando com isso que vários
usuários conectem-se simultaneamente com a mesma freqüência sem que hajam
interferências. Cada usuário será tratado isoladamente independendo de localização, distância
da EB, interferência e requisitos de potência. É importante ressaltar que a utilização desta
modulação, que altera a especificação original do padrão, o tornou incompatível com
WiMAX fixo e nomâdico, o que vai: a) impedir a interoperabilidade entre estes dois padrões;
e b) A camada de acesso ao meio introduz funcionalidades para permitir o intercâmbio
(handoff) entre as células garantindo a mobilidade.
O Padrão 802.16f foi aprovado em 22 de setembro de 2005 e publicado em
primeiro de dezembro de 2005. Este, padrão é uma emenda ao IEEE 802.16-2004. Ainda
estão em andamento nos pré-padrões o 802.16h e 802.16i, e em desenvolvimento o padrão
802.16g. (IEEE 802.16).
Em resumo, conforme informação da organização responsável pela especificação
dos padrões (IEEE) encontradas em (IEEE 802.16), a utilização dos documentos referentes à
padronização atual (06/03/2006),é a seguinte:
Padrões Aprovados Aguardando Publicação:
• IEEE Standard 802.16e aprovado em 7 de dezembro de 2005
• IEEE Standard 802.16-2004/Cor1
Padrões em vigor:
• IEEE Standard 802.16f
• IEEE Standard 802.16-2004
• IEEE Standard 802.16.2-2004
• IEEE Standard 802.16/Conformance01-2003
Padrões Obsoletos:
• IEEE Standard 802.16-2001

42

• IEEE Standard 802.16a-2003
• IEEE Standard 802.16c-2002
• IEEE Standard 802.16.2-2001
Padrões em desenvolvimento:
• Alta eficiência de espectro;
• IEEE Draft 802.16e
• IEEE Draft 802.16f
• IEEE Draft P802.16-2004/Cor1
• IEEE Draft P802.16/Conformance04
Projetos extintos:
• IEEE Draft P802.16d

2 A ARQUITETURA 802.16

A arquitetura sem fio para redes metropolitanas que, atualmente, utiliza os
padrões 802.16-2004 e 802.16e, comercialmente conhecida como WiMAX (Worldwide
Interoperability for Microwave Access - ou interoperabilidade mundial para acesso por
microondas), lembra a configuração de uma estrutura de comunicação tradicional para
telefonia celular (figura 3.1), com estações-base (EB) estrategicamente instaladas utilizando
conexões ponto-a-ponto entre sí e conexões ponto-multiponto entre as EB e os pontos de
acesso ao serviço.
Exatamente como na telefonia celular, a área de cobertura de uma antena é
chamada célula. Teoricamente, as células tem um acance de 75 Km porém, na prática, esse
alcance está limitado a cerca de 35 Km.
Os primeiros padrões definidos pelo comitê do 802.16 não ultrapassavam 10 Km
de alcance, isto porque a freqüência utilizada no padrão inicial (10 a 66 GHz) têm uma
dificuldade enorme em transpor obstáculos, como os encontrados em áreas urbanas.
Os padrões mais recentes (como o 802.16-2004 e 802.16 e) utilizam uma faixa de
freqüências mais baixas (entre 2 e 11GHz). Nesta faixa, as ondas de rádio conseguem penetrar
em prédios ou outros obstáculos, o que permite a comunicação mesmo que antenas dos
clientes não estejam necessariamente direcionadas para a estação base, tornando a transmissão
mais prática e condizente com o cenário envolvido.

43

O padrão 802.16 define que o serviço de comunicação deve persistir por um raio
de vários quilômetros. Obviamente, isto depende da freqüência e potência do transmissor e da
sensibilidade do receptor. Em áreas com elevada densidade populacional, o raio de alcance
pode ser reduzido para que haja a reutilização de freqüências exatamente da mesma forma que
acontece com a limitação no tamanho das células em telefonia celular. Isto é devido à
limitação do espectro disponível. Por conseguinte, se a quantidade de usuários inseridos no
alcance máximo do padrão ultrapassar a capacidade do espectro, o alcance do sinal será
reduzido para que não hajam interferêncaias nas EBs adjacentes adicionadas para prover a
reutilização das freqüências.

Nível de serviço T1
Nível de Serviço DSL Para SME’s
para pequenas empresas

Conexão da infra-
estrutura com a Internet

ResidencialCanal de
comunicação Internet

Figura 3.1 - Arquitetura 802.16 (INTEL [3])

Outra possibilidade das redes redes WiMax, é operar na tecnologia em mesh
(malha). Topologias em mesh estendem o alcance tradicional das WLANs e WMANs, pois
nesta topologia cada nó é conectado aos nodos adjacejntes, e os protocolos de comunicação
são compartilhados através deles. A topologia em mesh, também conhecida como “multi-hop”
provê uma arquitetura flexível capaz de transportar dados entre os nodos de maneira eficiente.
Em uma rede em mesh, pequenos nodos trabalham como roteadores simples.
Instalados através de uma grande área. Cada nodo transmite um sinal de baixa potência, capaz

44

de ser recebido por nodos subseqüentes, que tornam a restransmití-lo e assim sucessivamente
até que os dados cheguem ao seu destino. Uma vantagem desta topologia é a habilidade de se
transpor grandes obstáculos tais como florestas ou montanhas. Assim, usuários a principio
obstruídos, podem conectar-se as estações base através de outros nodos.
A topologia em mesh provê muitas vantagens sobre implementações com linha de
visada já que podem adaptar-se quando da adição ou remoção de nodos. Cada vez mais,
necessidades de mobilidade são requeridas e novas classes de dispositivos devem ser
incluídos no futuro para atender a esta demanda crescente.
Na topologia em mesh melhores modelos de antenas a preços mais baixos são
capazes de tratar, de forma eficaz, o efeito de interferências e força do sinal. Isso se deve a
utilização de quatro antenas na estação base ao invés de somente uma.
Na figura 3.2 cada uma das quatro antenas transmite e recebe o mesmo sinal em
momentos diferentes e muito próximos, onde depois de processados de forma inteligente, o
melhor sinal será extraído. Esta mesma performance utilizando-se apenas de uma antena
acarretaria problemas de custo, pois seria necessária a obtenção de aparelhos que
aumentassem a força do sinal e tornaria o planejamento da área de cobertura mais difícil, e
com a iminência de interferências na recepção do sinal.

Rede em mesh entre sistemas
Internet de assinantes

WLAN
hotspot Estações base e
Canal entre
antenas WiMAX
estações base

Usuários
Usuários móveis
Fixos

Figura 3.2 – Topologia em mesh (INTEL [1])

Outros benefícios da rede em mesh são:
• Balanceamento de tráfego: o balanceamento de tráfego pode ser conseguido
através da redundância inerente ao sistema em mesh. Em redes muito densas, como

45

em grandes centros comerciais ou industriais, cada dispositivo tem vários
dispositivos próximos, permitindo múltiplos caminhos entre os dispositivos de
comunicação. Assim, no caso de interferências uma rede “multi-hop” é configurada
utilizando caminhos alternativos.
• Mobilidade: a estação cliente pode estar localizada dentro de qualquer ponto da
rede. A estação base da estrutura em mesh que estiver mais apropriada no momento,
atenderá a solicitação do cliente.
• Disponibilidade: a redundância intrínseca da topologia também pode prover a
disponibilidade do serviço. Mesmo na existência de falha de alguma EB, o cliente
pode conectar-se com outra EB disponível.

3 INTERCONEXÃO DE SISTEMAS

O padrão 802.16 foi planejado desde o começo com a intenção de prover meios
para comunicação “até a última milha”, ou seja, permitir comunicação até o limite de alcance
da conexão, com qualidades iguais ou superiores ao modem DSL, ou circuitos dedicados E1/
T16 fornecidos pelas operadoras de comunicação.
As estações-base para comunicação de dados são normalmente acopladas às redes
locais através de canais de fibra óptica ou circuitos microondas não cabeados (figura 3.3).
Com este arranjo, é possível promover interconectividade com os sistemas existentes, como
por exemplo as redes ethernet, de forma transparente para o usuário.
O padrão 802.16-2004, que vem revisar e substituir os padrões IEEE 802.16a e
802.16d, caracteriza-se como uma solução sem fio fixa para acesso com banda larga à internet
que provê interoperabilidade com outros padrões como o ethernet, e solução de classe de
envio até a última milha.

6
Padrão norte-americano que define a linha digital de alta velocidade, com capacidade de
transmissão de 1,544 Mbps. Termo criado pela AT&T, T1 é amplamente utilizado em redes privadas e na
interconexão entre redes locais e redes públicas de telecomunicações

46

Figura 3.3 – Interconexção de sistemas com WiMAX (INTEL [1])

A solução WiMAX para acesso fixo sem fio opera em freqüências licenciadas de
2,5 GHz e 3,5 GHz e na faixa não-licenciada de 5,8 GHz. Esta tecnologia fornece uma
alternativa sem fio aos cables modens e aos circuitos ópticos de transmissão de dados.
O padrão 802.16-2004 define dois modelos para acesso fixo: um que utiliza
antenas externas instaladas nos clientes seguindo o modelo utilizado em antenas parabólicas
para TV por assinatura. E outro utilizado em instalações internas (indoor), ou seja dentro de
prédios que, obviamente, não são instalações tão robustas quanto as primeiras.
O Padrão 802.16e é uma emenda à especificação 802.16-2004 básica. Este padrão
contempla o mercado móvel provendo portabilidade e mobilidade. O 802.16-2004 utiliza
OFDMA que é similar ao OFDM pois divide a portadora em vários subcanais. O OFDMA,
entretanto, vai um pouco mais além, já que agrupa vários sinais transmitidos em um único
sub-canal, uma única estação cliente pode transmitir utilizando todos os subcanais na faixa da
portadora. Em outra situação vários clientes podem transmitir simultanemente, utilizando
cada um uma parte dos sub-canais disponíveis.

4 PILHA DE PROTOCOLOS 802.16

A pilha de protocolos 802.16 obedece à estrutura de outras redes padrão 802,
entretanto apresenta um número maior de subcamadas nas camadas um e dois do modelo de
referência OSI da ISO: a camada física é dividida em duas subcamadas, a subcamada inferior
refere-se à transmissão, é nesta subcamada que estão as técnicas de modulação aplicáveis ao
padrão. A segunda subcamanda da camada física trata da convergência, ou seja, é a
subcamada responsável por ocultar as diferentes tecnologias de transmissão da camada de
enlace.

47

A camada de enlace é composta por três subcamadas que, de baixo para cima tem
as seguintes funções:
• A primeira, subcamada de segurança, resolve problemas de segurança e
privacidade, uma função importante quando se tratam de redes externas. Nesta
camada são criptografados e descriptografados os dados além do gerenciamento das
chaves
• Acima desta, vem a subcamada MAC (Medium Access Control - Controle de
acesso ao meio). É nela que se localizam os principais protocolos tais como os de
gerenciamento de canais. O modelo IEEE 802.16 define que a estação-base controla
o os enlaces de comunicação gerenciando os canais de downstream (da estação-base
para o assinante) e upstream (do assinante para a estação-base). Uma característica
desta camada é que ela é totalmente orientada à conexão, recurso que permite
fornecer qualidade de serviço a aplicações como telefonia e vídeo-conferência,
aplicações que não admitem atrasos na comunicação. O recurso de orientação à
conexão não é comum nos outros padrões 802.
• E, finalmente, a subcamada de convergência de serviços que toma o lugar da
camada LLC (Logical Link Control – controle de enlace lógico) nas outras pilhas
802. Esta subcamada tem a função de definir a interface para comunicação com a
camada de rede.
A pilha de protocolos 802.16 é mostrada na figura abaixo:

Figura 3.4- Pilha de protocolos 802.16

4.1 A Camada Física

A primeira especificação do padrao IEEE 802.16 operava no intervalo de
freqüências de 10 a 66 GHz. A posteriori, uma nova especificação do 802.16 (o 802.16-2004)

48

estendeu uma faixa de freqüências para 2 a 11 GHz, passando o padrão a operar agora com
freqüências licenciadas e não licenciadas e, podendo utilizar canais sem linha de visada, pois
em frequêncais acima de 6 GHz, é mandatório que haja linha de visada (OLEXA, 2005) e em
freqüências mais baixas, a linha de visada não é exigida, muito embora a falta de linha de
visada force o sistema a buscar camininhos alternativos, causando perda de desempenho.
Considerando todos os subpadrões do 802.16, a faixa de freqüência está entre 2
66 GHz. As ondas produzidas nesta faixa têm comprimento milimétrico e a propriedade de
trafegarem em linha reta, diferente das ondas sonoras, porém muito semelhante às ondas
luminosas. Esta característica permite que as estações-base tenham várias antenas onde cada
uma aponta para uma área específica do terreno formando setores de circulos concêntricos à
antena (vide figura 3.5) cada setor delimitado é bastante independente dos setores adjacentes e
possui seus usuários bem definidos.
A atenuação na intensidade do sinal quando este se afasta da estação base provoca
a queda da relação sinal/ruído, ou seja, o sinal diminui e o ruído aumenta, o que significa
dizer que o sinal recebido pelo receptor será de baixa qualidade. Como esta relação é
influenciada pela distância da estação-base ao ponto de recepção do sinal, o padrão 802.16
utiliza três esquemas de modulação. Cada esquema de modulação é adotado para um intervalo
de distância em relação a EB.
• QAM-64, para assinantes próximos a ERB, com queda de 6 bits/ baud
• QAM-16, opera a uma queda de 4bits/baud para assinantes a uma distância média
• Para assinantes distantes, é usado o QPSK, com 2 bits/baud.
Os diferentes esquemas de modulação implicam em diferentes velocidades de
transmissão que variam inversamente com a distância, ou seja, quanto mais distante da ERB,
menor será a taxa de transmissão de dados. Para efeito de exemplo, em um espectro típico de
25 MHz o QAM-64 transmite a cerca de 150 Mbps, o QAM-16 a 100 Mbps e o QPSK a 50
Mbps. Contudo, será garantida a persistência do sinal.

Figura 3.5 - Divisão do espaço de transmissão no padrão 802.16 (INTEL)

49

4.1.1 Duplexação dos Canais de Dados

Quase sempre, a capacidade que um meio tem de transmitir (banda passante) é
bem maior do que a banda passante necessária para transmissão dos sinais de dados.O que
deixa ociosa a banda passante. Para evitar estes “desperdícios” de capacidade de transmissão,
é utilizada a multiplexação que, basicamente, é a transmissão “simultânea” de mais de um
sinal no mesmo meio físico, aproveitando assim a capacidade de transmissão.
Levando-se em consideração as restrições físicas da comunicação de dados sem
fio e os objetivos de criar um sistema de banda larga, era imperativo para o comitê do padrão
802.16 a utilização do espectro disponível de maneira eficiente. Fazia-se necessário, portanto,
um esquema adequado de duplexação.
A utilização dos esquemas de duplexação do tipo GSM (Global System for
Mobile Communications - Sistema Global para Comunicação Móvel) e D-AMPS (Digital-
Advanced Mobile Phone Service – Serviço digital avançado para telefonia móvel),
originalmente concebidos para telefonia, não foi bem sucedida para transmitir dados pois, no
caso de voz, o tráfego é praticamente simétrico e, apesar de ambos sistemas utilizarem
freqüências distintas, elas são equivalentes para os canais de upstream e downstream, já que
na comunicação telefônica a necessidade de trasmissão é similar em ambas as pontas. No caso
da comunicação de dados (como usuários conectados à Internet, por exemplo), a grande
maioria do tráfego é de downstream, não obstante há picos no tráfego de upstream. Por esta
característica, tornou-se necessária a utilização de um sistema capaz de alocar largura de
banda de uma forma mais flexível.
Para atender à demanda variável, são utilizados esquemas de duplexação. Os
esquemas adotados para a comunicação no 802.16 São: TDD - Time Division Duplexing e
FDD - Frequency Division Duplexing.
Na duplexação por divisão do tempo, utilizada na comunicação sem fio, a estação
base transmite quadros periodicamente. Cada quatro é formado por slots de tempo divididos
da seguinte forma: os primeiros, normalmente a maioria, são destinados ao tráfego de
downstream; logo a seguir, há um tempo de guarda, utilizado para proteção. Este tempo é
utilizado para que as estações comutem o sentido da transmissão; e, finalmente, os slots de
tempo utilizados para tráfego upstream (figura 3.6).
A quantidade de slots de tempo dedicados para cada sentido da transmissão pode
ser alterada dinamicamente, a fim de corresponder à largura de banda requerida em cada
sentido. Assim, mesmo sendo, via de regra, a transmissão de downstream bem maior que a de

50

upstream, em dado momento esta diferença pode diminuir ou até mesmo se inverter,
dependendo da necessidade de comunicação.
Figura 3.6 - Divisão dos quadros para duplexação por divisão de tempo

O downstream tem seu tráfego mapeado em slots pela estação base, que é a
responsável pelo controle do tráfego neste sentido. O controle do tráfego de upstream é mais
complexo, pois vai depender do nível de qualidade de serviço exigido pelos concorrentes que
desejam transmitir.
A duplexação por divisão de freqüência é feita para se alocar dois sinais iguais e
distintos com freqüências diferentes no mesmo canal de comunicação. Uma das freqüências é
transmitida pela estação-base e recebida pela estação remota, a outra faz ao contrário,
tornando-o um sistema de comunicação duplex. Considerando que este sistema duplo
compartilha antenas comuns, as freqüências utilizadas tem que ter uma separação entre elas
de, pelo menos, 45MHz para assegurar que a energia do transmissor possa ser facilmente ser
filtrada no receptor. A FDD é mais utilizada em sistemas onde o tráfego tende a ser simétrico,
pois ambos os canais possuem a mesma largura de banda (figura 3.7) (OLEXA, 2005).

Figura 3.7 - Duplexação por divisão de freqüência

51

4.1.2 Circuitos LOS X NLOS

Nas primeiras tentativas do 802.16, o alcance estava limitado entre 3e 10 Km, não
contemplando a determinação do padrão. Esta limitação se deve às freqüências utilizadas no
padrão inicial (10 a 66 GHz) incapazes de traspor obstáculos como tais estruturas de concreto,
o que obrigava a comunicação com linha de visada, ou seja, o sistema transmissor-receptor
precisa estar instalado em linha reta, e sem obstáculos entre os equipamentos de transmissão e
recepção.
A posteriori, a utilização de freqüências abaixo de 11 GHz, integrou ao padrão a
possibilidade de operar sem linha de visada, onde são permitidos obstáculos entre os
equipamentos transmissores e receptores.
Os canais para comunicação sem fio são, normalmente, descritos como sendo com
linha de visada LOS ou sem linha de visada NLOS.

4.1.2.1 Circuitos LOS

Em um circuito LOS, o sinal trafega sobre um caminho direto e desobstruído. Um
circuito LOS requer que o máximo da primeira zona de Fresnel7 esteja livre de qualquer
obstrução (WiMAX FORUM [3]). Se este critério não for obedecido há uma queda
significativa no sinal transmitido, dificultando sua recepção. A liberação necessária da zona
de Fresnel depende da freqüência operacional e da distância entre o transmissor e o receptor.

7
Ou Fresnelzone é o raio do campo eletromagnético entre duas antenas. A propagação das microondas forma um
campo elíptico envonvendo a linha de visada. O campo fica tão mais extenso quanto mais aumenta a distância
entre as antenas. (http://info.matik.com.br)

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