FACULDADE DE ENGENHARIA
CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
DISCIPLINA DE TRABALHO DE INTEGRAÇÃO
PROJETO DE ANTENAS PARA SISTEMAS WIMAX
AUTOR: LUIZ ARTHUR CARLIN
ORIENTADOR: EDGAR BORTOLINI
Porto Alegre, novembro de 2005.
Dedicatória
Dedico este trabalho às pessoas que de uma forma ou outra contribuíram para minha formação pessoal e acadêmica até o momento.
Agradecimentos
Agradeço à Deus, por ter me iluminado nesta jornada, à minha família, por todo o suporte e apoio, meus amigos e colegas, que muito me ajudaram para ter chegado até aqui.
Cito em especial, o professor engenheiro Edgar Bortolini, orientador deste trabalho, cito também Michelle Pozzati, Ricardo Becker, Noara Foiatto, Fabiana Yanaka Schafer e João Miguel La Roehe pelo apoio dado ao desenvolvimento deste trabalho.
Resumo
Este trabalho tem por objetivo apresentar, detalhar e exemplificar uma nova tecnologia. O WIMAX (Worldwide Interoperability of Microwave Access), padrão 802.16 do IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers).
A necessidade de redes sem fio já é sentida há muito tempo em vista das limitações impostas pelas redes cabeadas, principalmente quanto à crescente necessidade de flexibilidade que tem atingido os atuais projetos de rede. Aliada a essa necessidade de flexibilidade, observa-se também uma crescente demanda por transmissões que atendam os requisitos das atuais aplicações em multimídia, tais como maior largura de banda, restrições de atraso e atendimento de um grande número de usuários a longas distâncias. Neste contexto, as redes sem fio metropolitanas, são uma solução que aliam a flexibilidade, comum nas redes sem fio, com a possibilidade de atendimento de um grande número de usuários.
Este trabalho apresenta um padrão emergente em redes sem fio, o Padrão IEEE 802.16 para redes sem fio metropolitanas. Segundo este padrão, as redes sem fio metropolitanas atenderão a todas as expectativas dos atuais projetos de redes, aliado as garantias de qualidade de serviço. Será apresentado neste trabalho as características deste padrão, um estudo sobre as especificações da antena e algumas simulações desta e por algumas considerações para instalação de acesso WIMAX, simulando redes metropolitanas hipotéticas, avaliando os custos para a implantação da rede, permitindo a comparação de implementação desse tipo de rede com alternativas em relação às especificações e também alternativas referentes aos usuários, inclusive para o mercado brasileiro.
Sumário
1. Introdução...12
2. Revisão bibliogáfica ...15
2.1. Histórico do padrão IEEE 802.16...16
2.1.1. Norma IEEE 802.16-2004 ...18
2.2. . Caracteríticas técnicas do padrão 802.16 ...18
2.2.1. Arquitetura do protocolo. ...19
2.2.2. A camada física. ...20
2.2.3. A camada MAC. ...22
2.2.4. Qualidade de serviço (QoS)...22
2.2.5. Multiplexação ...24
2.2.6. Modulação ...31
2.3. Fatores de interferência ...34
2.3.1. Interferênca...34
2.3.2. Interferêncas causadas pelo meio de propagação ...34
2.3.3. Análise do efeito das microondas...35
2.3.4. Efeitos da falta de linha de visada ...36
2.3.5. Zona Fresnel ...38
3. Antena WIMAX ...42
3.1. Antena de microfita ...42
3.1.1. Tipos de excitação das antenas de microfita ...43
3.1.2. Antena de microfita retangular ...45
3.1.3. Arranjo planar de N Elementos ...53
3.2. Simulações, fabricantes e equipamentos existentes ...58
3.2.1. Fabricantes e antenas disponíveis no mercado ...58
3.2.2. Simulações...63
4. Considerações para instalação de acesso fixo WIMAX...66
4.1. Considerações para as faixas de 2,5 e 3,5 GHZ ...66
5. Mercado para a tecnologia WIMAX ...86
6. Conclusão ...98
7. Referências Bibliográficas...100
Lista de figuras
Figura 1: Figura 1: Padrões de acesso wireless, IEEE e ETSI (European
Telecommunications Standards Institute)...13
Figura 2: Pilha de protocolos do padrão 802.16...19
Figura 3: Modulação FDM e OFDM...25
Figura 4: Modulação OFDM implementada por meio de banco de filtros……...26
Figura 5: Sinais recebidos em sistemas de banda larga com portadora única e multiportadora....………...………....…………...27
Figura 6: Esquema OFDM na tecnologia WIMAX………....28
Figura 7: Esquema de subcanalização na tecnologia WIMAX………..29
Figura 8: Exemplo de Distribuição de 3 subportadoras utilizando OFDM……....29
Figura 9: Exemplo do espectro FDMA………...30
Figura 10: Esquema da modulação adaptiva na tecnologia WIMAX...31
Figura 11: Variação de fase em função da transição de bit do sinal...32
Figura 12: Diagrama de fase e quadratura (IQ) os 4 possíveis símbolos gerados pela modulação QPSK usando 2 bits por símbolo……...……...33
Figura 13: Constelações geradas pelos dois modos QAM………...33
Figura 14: Exemplo de trajeto direto e trajeto indireto ………...38
Figura 15: Zona Fresnel...39
Figura 16: Propagação LOS E NLOS...41
Figura 17: Antena de microfita retangular…..………....43
Figura 18: Alimentação por linha de microfita………...44
Figura 19: Alimentação por cabo coaxial...44
Figura 20: Sistema de coordenadas para antena de microfita retangular………....46
Figura 21: Geometria para um arranjo planar com M x N elementos ao longo
dos eixos x e y, respectivamente………...54
Figura 22: Exemplo de ligação da antena...59
Figura 23: Especificações do modelo HG2616P da Hyperlink Technologies...60
Figura 24: Especificações do modelo de CPE da família Horizon da NEX-G...61
Figura 25: Especificações do modelo de CPE da Pro-Cell...62
Figura 26: Exemplo de linha de visada, analisando o campus da PUCRS...64
Figura 27: Simulação realizada para as características de uma antena para CPE outdoor, numa freqüência de 3,5GHZ...65
Figura 28: Diagrama de irradiação da antena obtida para a simulação realizada para as características de uma antena para CPE outdoor, numa freqüência de 3,5 GHZ....65
Figura 29: Densidade típica de assinante para um sistema 3,5 GHz com instalação rural………...71
Figura 30: Capacidade de downlink de um canal único e para os 6 canais da Estação Base na faixa de 3,5GHz...71
Figura 31: Capacidade de downlink de um canal único e para os 6 canais da Estação Base na faixa de 2,5GHz………...72
Figura 32: Faixa e variação de capacidade com ganho do sistema na faixa de 3,5GHz………...72
Figura 33: Determinação dos requisitos de mercado...73
Figura 34: Densidade de dados de downlink da Estação Base para 4 e 8 canais numa configuração de Estação Base para um ambiente urbano………...75
Figura 35: Densidade de dados de downlink da Estação Base num ambiente suburbano e rural. Supondo 4 e 3 canais na configuração da Estação Base respectivamente...75
Figura 36: Exemplos de distribuição urbano………...77
Figura 37: Exemplos de instalação numa área suburbana………...78
Figura 38: Exemplo de distribuição na área rural………...78
Figura 39: Distribuição numa área rural com CPEs indoor para 3,5GHz. ……...79
Figura 40: Capacidade de canal de downlink da Estação Base com CPEs indoor na Faixa de 3,5GHz...80
Figura 41: Densidade de dados de downlink da Estação Base com CPEs indoor na Faixa de 3,5GHz………...81
Figura 42: Cenários de instalação em 3,5GHz com CPEs indoor………...83 Figura 43: Exemplo de uma instalação urbana………....84 Figura 44: Capacidade para adicionar canais numa expansão futura………..85 Figura 45: Espectro de freqüências utilizadas para a tecnologia WIMAX……….91 Figura 46: Tipos de aplicações de interesse dos vários setores do mercado……...92 Figura 47: Topologia e arquitetura de rede na tecnologia WIMAX………93 Figura 48: Empresas e aplicações de interesse do mercado………93 Figura 49: Taxa de penetração da tecnologia WIMAX pela previsão da
Maravedis Inc……….………..94 Figura 50: Taxa de penetração da tecnologia WIMAX pela previsão da
Pyramid Research……….94 Figura 51: Estimativa do mercado brasileiro de CPEs WIMAX, baseado na
Visant Strategies Inc...96 Figura 52: Estimativa do mercado brasileiro de ERBs (Estações base)
WIMAX, baseado na Visant Strategies Inc...96 Figura 53: Estimativa do mercado brasileiro de CPEs e ERBs WIMAX,
baseado em informações nacionais………...97 Figura 54: Estimativa para o mercado de acesso de rádio com banda larga……….97
Lista de tabelas
Tabela 1: Propriedades dos materiais dos substratos...45 Tabela 2: Parâmetros relevantes do rádio...69 Tabela 3: Requisitos de dados típicos para uma área metropolitana média……....74 Tabela 4: Exemplos demográficos de distribuição………..76 Tabela 5: Impacto das CPEs indoor na capacidade do canal...80 Tabela 6: Dados demográficos para distribuição com CPEs indoor...81
Lista de siglas
ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas ATM – Asynchronous Transfer Mode
BWA – Broadband Wireless Access BS – Base Station
CAPEX – Capital Expenditure
CPE – Customer Premises Equipament
DAMA-TDMA – Demand Assignment Multiple Access - Time Division MultipleAccess
DES – Data Encrypion Standart DSL – Digital Subscriber Line EHF – Extra High Frequency
ETSI – European Telecommunications Standards Institute FDMA – Frequency Division Multiple Access
FEC – Forward Error Corrector FDD – Frequency Division Duplexing
IEEE – Institute of Electrical and Electronics Engineers IP – Internet Protocol
IPv4 – Internet Protocol version 4 ISM – Industrial, Scientific, and Medical ISP – Internet Service Provider
ITU-T – International Telecommunications Union Telecommunication Standardization
LOS – Line of Sight
MAC – Media Access control MAN – Metropolitan Area Network MIMO – Multiple-Input Multiple-Output
N-WEST – National Wireless Electronics Systems Testbed
NIST – United States National Institute of Standarts and Techonoly
NLOS – Non Line of Sight
OFDM – Orthogonal Frequency Division Multiplexing OPEX – Operative Expenditure
PMP – Point to Multipoint
QAM – Quadrature Amplitude Modulation QoS – Qualidade de Serviço
QPSK – Quadrature Phase Shift Keying SHF – Super High Frequency
SME – Small to Medium Enterprise SS – Subscriber Station
TDD – Time Division Duplexing WI-FI – Wireless Fidelity
WIMAX – Worldwide Interoperability of Microwave Access WILAN – Wireless Local Area Network
UHF – Ultra High Frequency VoIP – Voz sobre IP
VSWR – Voltage Standing Wave Ratio
X.509 – ITU-T Standart for Public Key Infraestruture
1. Introdução
Recentemente novas tecnologias de redes sem fio têm sido desenvolvidas pelo IEEE, em conjunto com a indústria, com foco em interoperabilidade, suporte ao protocolo IP (Internet Protocol) e a altas taxas de transmissão.
Um exemplo é a tecnologia WI-FI (Wireless Fidelity), baseada no padrão IEEE 802.11 [1], que consiste em uma solução já amplamente difundida de redes locais sem fio, WLAN (Wireless Local Area Network). WI-FI suporta operação em bandas não licenciadas (2,4 e 5,8 GHz, no Brasil) com taxas de transmissão de até 54Mbps em uma área de centenas de metros quadrados [1].
Na mesma linha do WI-FI o IEEE está especificando as bases da tecnologia WIMAX, através do padrão IEEE 802.16 [2]. Trata-se de uma tecnologia de rede metropolitana sem fio, com suporte a cobertura na ordem de Kms e taxas de transmissão de até 75Mbps, que possui qualidade de serviço (QoS) e interfaces para redes IP, ATM (Asynchronous Transfer Mode ), E1/T1 e Ethernet [2].
O termo WIMAX (Word Interoperability for Microwave Access) refere-se ao WIMAX Fórum, que tem como missão garantir a interoperabilidade entre os equipamentos baseados no padrão IEEE 802.16.
O WIMAX Fórum é uma organização sem fins lucrativos formada por empresas fabricantes de equipamentos e componentes de comunicação, criada para impedir que os problemas de compatibilidade e interoperabilidade entre equipamentos encontrados no padrão IEEE 802.11 não aconteçam novamente no IEEE 802.16.
Esta padronização visa aumentar a competitividade em acesso à banda larga através do aumento da produção de componentes, diminuição do custo de produção de equipamentos e acessos à banda larga mais velozes e baratos para os usuários finais.
O WIMAX Fórum é constituído pelas indústrias líderes do setor, que estão comprometidas com as interfaces abertas e com a interoperabilidade entre os diversos produtos utilizados no Acesso Broadband Wireless [3].
Entre as mais de 220 empresas que fazem parte desta organização encontram-se a Intel, Analog Devices, Ericsson, Motorola, Nokia, Samsung, Siemens, AT&T, British Telecom, Deutsche Telekom, France Telecom, Fujitsu e Microsoft.
Por meio das funcionalidades suportadas pela tecnologia WIMAX, uma grande variedade de serviços de banda larga sem fio será viabilizada, como exemplo, VoIP (Voz sobre IP) [3].
O WIMAX pretende motivar um mercado de Acesso Broadband mais competitivo, através de um conjunto mínimo de especificações de desempenho da interface aérea entre os produtos dos diversos fabricantes, certificando os produtos que atendem a estas especificações.
Para os operadores de rede, esta interoperabilidade entre equipamentos significa a não dependência de um fornecedor para o desenvolvimento de sua rede [3].
Para os fabricantes de equipamentos significa menos tipos diferentes de produtos a desenvolver e a produzir.
Para os Fabricantes de componentes, significa uma escala de produção muito maior. Para o usuário final significa acessos Broadband mais velozes e mais baratos [3].
Figura 1: Padrões de acesso wireless, IEEE e ETSI (European Telecommunications Standards Institute) [29].
No segundo capítulo, é apresentada uma revisão teórica que engloba as características do padrão. Fazem-se uma revisão dos conceitos técnicos presentes na tecnologia para transmissão e recepção da informação e especialmente revisando o conceito da antena utilizada no padrão.
No terceiro capítulo, é demonstrado o projeto da antena além de mostrar o mercado de antenas WIMAX, fabricantes, produtos disponíveis até o momento e simulações.
No quarto capítulo, é apresentado um estudo sobre de como deverá ser uma rede WIMAX, seu custo, cobertura e eficiência, supondo um exemplo hipotético, comparando uma série de variações em que a rede pode ser baseada.
No quinto capítulo, é feita uma análise de mercado, demonstrando as vantagens da tecnologia e as previsões para um futuro muito próximo da mesma, inclusive no Brasil.
No sexto capítulo é feita uma conclusão do que se tem implementado até o momento e o que se pode esperar para o futuro na visão do autor.
No sétimo capítulo estão listadas todas as bibliografias referenciadas ao longo do texto.
2. Revisão bibliográfica
Muitos sistemas de comunicação fazem à transmissão dos dados utilizando fios de cobre, como par trançado, cabo coaxial, ou fibra ótica. Outros, entretanto, transmitem os dados pelo ar, como é o caso da transmissão por raios infravermelhos, laser, microondas e rádio. As redes que usam estas técnicas se chamam redes Wireless [32].
A rede sem fio é um sistema de transmissão de dados flexível que pode ser utilizada como alternativa para as redes cabeadas tradicionais, baseadas em par trançado, cabo coaxial e fibra ótica. As redes sem fio têm o mesmo propósito da rede cabeada: dispor informações a todos os dispositivos ligados à rede. Contudo, sem o cabeamento físico para amarrar a localização de um nodo (equipamento ligado à rede), a rede torna-se muito mais flexível: é fácil mover um nodo sem fio. As redes locais sem fio também são uma boa opção quando a arquitetura de um prédio torna difícil (ou impossível) a passagem de cabos de rede [32].
Este tipo de redes de computadores permite a separação do usuário dos ambientes computacionais, isso é, a possibilidade do usuário poder acessar os recursos do sistema (serviços, servidores, impressoras, etc.) a qualquer tempo, bastando estar localizado dentro dos limites de uma infra-estrutura de comunicações sem fio [32].
O princípio de funcionamento se baseia na transmissão de dados através da camada atmosférica utilizando a propagação das ondas eletromagnéticas, entretanto o wireless engloba o uso de raios de luz infravermelha, apesar das ondas de rádio ser o meio mais difundido. Nos últimos anos, esse tipo de rede tem crescido e tem ganhado popularidade nos diversos setores, principalmente no que diz respeito às redes locais sem fio WLANs [32].
As redes sem fio são soluções normalmente aplicadas onde uma infra-estrutura de cabeamento convencional não pode ser utilizada. Elas viabilizam, dessa forma, o atendimento de pontos de rede com a mesma eficiência e até mesmo uma melhor relação custo / benefício em relação ao sistema de cabeamento convencional, nesses casos [36].
2.1. Histórico do padrão IEEE 802.16
Historicamente as atividades do padrão foram iniciadas em agosto de 1988 em uma reunião chamada N-WEST (National Wireless Electronics Systems Testbed) da equivalente americana da ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas), o NIST (United States National Institute of Standarts and Techonoly). O encontro teve uma boa receptividade no Grupo 802 do IEEE que inaugurou um grupo de estudos para tratar do assunto. O Grupo de trabalho do 802.16 teve reuniões semanais com periodicidade bimestral a partir de julho de 1999 [32].
Cinco anos depois, envolvido nessa missão, o Grupo de Trabalho do Padrão IEEE 802.16 em Broadband Wireless tinha desenvolvido toda a base dos padrões subseqüentes, a saber:
IEEE 802.16 (“Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems”) foi a primeira versão do 802.16, aprovada em dezembro de 2001. Esse padrão é para WMAN operando na banda de freqüências de 10,0 – 66,0 GHz em linha de visada direta, o que significa que o receptor precisa ser visível para o emissor do sinal [32];
IEEE 802.16.2, publicado em 2001, (“Recommended Practice for Coexistence of Fixed Broadband Wireless Access Systems”) especifica uma prática recomendada para endereçar a operação de múltiplos sistemas de BWA no range de freqüência de 10,0 – 66,0 GHz [32];
A necessidade de operar em linha de visada representaria em uma limitação para a adoção da tecnologia, pois dificultaria sua implantação, principalmente em áreas urbanas. Com a finalidade de superar esta limitação, em janeiro de 2003, o IEEE aprovou um aditivo ao padrão 802.16, chamado IEEE 802.16a, que adiciona a possibilidade de operação do padrão original nas bandas de freqüência licenciada e não licenciada de 2,0 – 11,0 GHz, sem a necessidade de linha de visada [32].
O padrão IEEE 802.16a publicado em março de 2003, estende o padrão LOS (Line of Sight) IEEE 802.16 focado nas freqüências licenciadas da faixa de 10,0 - 66,0 GHz. Essa extensão proporciona um acesso NLOS (Non Line of Sight) em bandas de freqüência mais baixas de 2,0 - 11,0 GHz, algumas das quais não licenciadas e possibilitando a utilização de modulação OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing). Um grande avanço em relação ao padrão anterior, que, devido aos comprimentos de onda envolvidos, podia usar apenas portadora única (single carrier). Nesta nova faixa de freqüência são utilizadas também freqüências ISM (Industrial, Scientific, and Medical). O WIMAX baseia-se no IEEE 802.16 a partir deste padrão.
O IEEE 802.16c, que foi aprovado em dezembro de 2002 e publicado em 2003, que especifica um conjunto de perfis para a operação do sistema na faixa de 10,0 – 66,0 GHz veio ajudar na interoperabilidade entre os fabricantes.
O padrão 802.16d opera em faixa de freqüências de 2 a 11GHz [opera em bandas de freqüências não licenciadas (2,4 e 5,8GHZ) e em bandas licenciadas (3,5 e 10,5GHZ)].
O padrão 802.16d é uma evolução do padrão anterior 802.16a homologado em janeiro de 2003 e já permite um menor consumo de energia e menores CPEs (Customer Premises Equipament) como também inova na incorporação do conceito de Antena MIMO (Multiple-Input Multiple-Output), pode atingir um alcance de até 50Kms, com taxas de dados compartilhadas aproximando-se de 75Mbps. A performance NLOS é assegurada mais fortemente quando se está mais próximo da Estação Base. No alcance máximo de 50 Kms espera-se apenas uma performance LOS. Um raio típico de BWA (Broadband Wireless Access) em NLOS varia de 5 a 8 Kms. O WIMAX é uma solução de BWA completa para voz, dados e vídeo com QoS (Quality of Service) e segurança intrínsicas. A segurança do WIMAX suporta a autenticação com certificados X.509 (ITU-T Standart for Public Key Infraestruture) e criptografia de dados utilizando DES (Data Encrypion Standart) [36].
A versão 802.16e é a versão móvel do WIMAX, que passa a suportar mobilidade entre células e deverá viabilizar o desenvolvimento dos primeiros processadores para PC’s com WIMAX embutido, estabelecendo taxa de 15Mbps em canalização de 5MHz, com alcance de 1,5 a 4,5 Km com espectro de 2 a 6GHz. A previsão é que a padronização desta versão ocorra em 2006 e a previsão para chegar ao mercado no início de 2007.
O padrão atual é o IEEE 802.16-2004, que reúne os padrões 802.16, 802.16a e 802.16c, revisando-os, especifica as regras de interoperabilidade nas freqüências até 66 GHz (com foco nas freqüências até 11 GHz) e que está sendo adotada para o desenvolvimento dos equipamentos WIMAX. O padrão IEEE 802.16e irá permitir deslocamento entre áreas de serviço WIMAX, aumentando a mobilidade e permitindo novas aplicações [32].
2.1.1. Norma IEEE 802.16-2004
Como foi citado anteriormente, a Norma IEEE 802.16-2004 (Air Interface for Fixed Broadband Wirelles Access) é a norma padrão para o sistema WIMAX fixo.
Esta norma especifica os sistemas BWA fixos que suportam múltiplos serviços. A camada MAC (Media Access control) suporta primeiramente uma arquitetura PMP (Point to Multipoint), com uma topologia MESH opcional. O MAC é estruturado para suportar múltiplas especificações da camada física (PHY), cada uma destinada a um ambiente operacional particular. Para freqüências de 10-66 GHz, a camada física é baseada numa modulação de portadora única (single carrier). Para freqüências abaixo de 11 GHz, onde a propagação NLOS pode ser usada, três alternativas são consideradas: OFDM, OFDMA e Single Carrier.
Esta norma revisa e consolida as normas IEEE 802.16-2001, IEEE 802.16a-2003 e IEEE 802.16c-2002 [2].
2.2. Características técnicas do padrão
802.16
O padrão 802.16 da IEEE é caracterizado por suas altas taxas de transferência de dados, transmitindo no máximo a 75Mbps com canalização de 20MHz em NLOS [3].
Suporta uma topologia ponto-multiponto em que cada estação base comunica-se com até centenas de estações estacionárias de usuários [3].
A camada MAC do padrão 802.16 suporta uma variedade de exigências de tráfego, incluindo a tecnologia ATM e os protocolos baseados em pacotes, transmitindo de forma eficiente qualquer tipo do tráfego [3].
Um ponto diferencial do padrão IEEE 802.16 é que a interface aérea foi projetada para transmitir dados ou tráfego multimídia que necessitam de alto suporte de qualidade de serviço (QoS). O padrão 802.16 é completamente orientado a conexões a fim de garantir qualidade de serviço para a comunicação de telefonia e de multimídia, as quais não admitem atrasos.
Ao contrário do 802.11b (padrão para redes sem fio locais) o padrão 802.16 utiliza um espectro variável, utilizando as faixas de freqüências entre 10 e 60 GHz, com um padrão alternativo que utiliza freqüências entre 2 e 11 GHz. Isto permite atingir altas taxas de transferência a distâncias de vários kms [3].
O mecanismo de requisição e de concessão de largura de banda do padrão é projetado para ser escalonável, eficiente e autocorretivo. Mesmo quando submetido a uma situação de múltiplas conexões por terminal, múltiplos níveis de QoS por terminal e um grande número de usuários, o padrão 802.16 não perde a eficiência [3] [4].
Devido a todas essas características resumidas aqui, o padrão 802.16 tem grande possibilidade de aceitação e de expansão, devido principalmente a necessidade cada vez maior de transmissões em banda larga e a necessidade de suporte a transmissões multimídia [3] [4].
2.2.1. Arquitetura do protocolo
A pilha de protocolos do padrão IEEE 802.16 é semelhante à das outras redes 802, com a característica de possuir um número maior de subcamadas. A Figura 2 mostra a pilha de protocolos do padrão IEEE 802.16 formada pela camada física e pela camada de acesso ao meio (MAC).
Figura 2: Pilha de protocolos do padrão 802.16 [3].
A camada física especifica o espectro de freqüência, o esquema de modulação, as técnicas de correção de erros, a sincronização entre transmissor e receptor, a taxa de dados e a estrutura de multiplexação. A camada física define vários esquemas de modulação, dependendo das distâncias envolvidas e conseqüente relação sinal/ruído [3].
Acima da camada física estão as funções associadas aos serviços oferecidos aos usuários. Estas funções incluem a transmissão de dados em frames e o controle do acesso no meio sem fio compartilhado, sendo estes agrupados dentro da camada de acesso ao meio (MAC). A camada MAC define como e quando a estação base ou os assinantes podem iniciar a transmissão no canal. Como algumas camadas acima da MAC, como a ATM, precisam de qualidade de serviço, o protocolo MAC é capaz de alocar uma capacidade suficientemente grande do canal de radio para satisfazer as necessidades do serviço [3].
Na transmissão da estação base para o usuário (downlink), só existe um transmissor, e o protocolo MAC é relativamente simples. Já no caminho inverso, do usuário para a estação bases (uplink), existem múltiplos assinantes competindo pelo aceso, resultando num protocolo mais complexo. De acordo com este modelo, a estação base controla o sistema [3].
A camada MAC possui três subcamadas, a subcamada de segurança, a subcamada da parte comum e a subcamada de convergência específica ao serviço. A subcamada de segurança lida com privacidade e segurança. Na parte comum da subcamada MAC estão localizados os principais protocolos como o de gerenciamento de canais. A subcamada de convergência de serviços específicos provê funções especificas para o serviço a ser oferecido, sua função é definir a interface para a camada de rede. Para o padrão IEEE 802.16, os serviços a serem oferecidos incluem multicast de áudio/vídeo digitais, telefonia digital, suporte à ATM, ao TCP/IP e Frame Relay [3].
2.2.2. A camada física
A primeira versão do padrão 802.16 foi destinada para ambientes com visada direta, operando em bandas de freqüência elevadas abrangendo a faixa de 10-66Ghz. Já a variação 802.16-2004 NLOS foi projetada para sistemas operando em bandas entre 2Ghz e 11Ghz. A principal diferença entre essas duas bandas de freqüência está na capacidade de suportar a falta de visada direta nas freqüências mais baixas (2-10Ghz), algo que não é possível nas bandas de freqüências mais elevadas (10-66Ghz) [6].
O projeto da especificação da camada física para a faixa de 10-66GHz utiliza modulação de portadora única (Single Carrier) com uma taxa de transmissão de até 134,4Mbps. Para permitir o uso flexível do espectro são suportadas tanto configurações TDD (duplexação por divisão de tempo), onde o uplink e o downlink dividem o canal, mas não transmitem simultaneamente, quanto configurações FDD (duplexação por divisão de freqüência), onde o uplink e o downlink
estão em canais separados e podem operar concorrentemente. Ambas as configurações suportam um perfil adaptável de tráfego, no qual parâmetros de transmissão, incluindo os esquemas de modulação e codificação, podem ser ajustados individualmente para cada estação assinante. Essa característica é adequada para os diversos tipos de tráfegos que o padrão suporta. No caso de voz, o tráfego provavelmente é simétrico em sua maior parte, porém, para acesso à Internet, em geral existe maior tráfego no downlink do que no uplink [3].
O FDD suporta estações assinantes full-duplex, que podem receber e transmitir simultaneamente, assim como estações subscritoras half-duplex, as quais podem receber e transmitir dados, mas não simultaneamente.
O tráfego de downlink é mapeado em slots de tempo pela estação base. A estação base tem o controle completo para esse sentido. O tráfego uplink é mais complexo e depende da qualidade de serviço exigida. Para transmissões da estação base para o assinante, o padrão especifica dois modos de operação, um buscando suportar a transmissão de um fluxo contínuo de dados, como áudio e vídeo, e outro buscando suportar a transmissão em rajadas, como tráfego baseado em IP. Em ambos os esquemas os dados para os assinantes são multiplexados através de TDM [6].
Para a transmissão no sentido do assinante para a estação base, o padrão utiliza a técnica DAMA-TDMA (Demand Assignment Multiple Access - Time Division MultipleAccess). DAMA é uma técnica de atribuição da capacidade do link, que se adapta quando necessário para responder a mudanças na demanda entre múltiplas estações. O TDMA opera com divisão da banda em vários intervalos de tempo, denominados de slots, cada um dos quais corresponde a um canal de comunicação [5]. O número de slots associados para vários usos é controlado pela camada MAC na estação base e varia dinamicamente no tempo para uma melhor performance.
O padrão utiliza um recurso para correção de erros conhecido como FEC (Forward Error Corrector), que é destinada à correção de erros sem retroação, ou seja, sem a necessidade de retransmissão da mensagem. O FEC utiliza códigos que contêm redundância suficiente para permitir a detecção e correção de erros no receptor, sem requerer a retransmissão da mensagem. A técnica de correção de erros utilizada é o Reed-Solomon GF (256). O Reed-Solomon adiciona bits extras a um bloco de dados antes da transmissão com o objetivo de recuperar o sinal de possíveis erros introduzidos na transmissão. Após a transmissão o Reed-Solomon processa o bloco de dados e restaura os dados originais [6].
2.2.3. A camada MAC
A camada de controle de acesso ao meio ou media access control (MAC) corresponde à camada imediatamente acima da camada física. A esta camada estão associadas às funções de fornecimento de serviços para os usuários da rede.
A MAC é composta de três subcamadas: subcamada de convergência, subcamada da parte comum e subcamada de privacidade. A subcamada de convergência realiza a interface com as camadas superiores. Tal subcamada está localizada acima da camada da parte comum, que realiza as funções-chave da MAC. Abaixo da subcamada da parte comum, está localiza a subcamada de privacidade [7].
A camada de acesso, como o nome sugere, determina o caminho na qual as estações assinantes acessam a rede e como os recursos da rede serão atribuídos a elas. A MAC é responsável por exercer funções relacionadas ao controle de acesso e transmissão dos dados.
O protocolo MAC IEEE 802.16 foi projetado primeiramente para suportar arquiteturas de rede ponto-multiponto, apesar dele também suportar arquiteturas ponto a ponto. As bandas de freqüências mais baixas também suportam topologias em malha (Mesh). O protocolo MAC lida com a necessidade de altas taxas de bits, tanto no uplink, como no downlink. Algoritmos de acesso e de alocação de banda devem acomodar centenas de terminais por canal, sendo que cada terminal pode ser compartilhado por múltiplos usuários finais. Os serviços que tais usuários finais exigem são diferentes em sua natureza, e incluem dados e voz, conectividade IP e Voz sobre IP (VoIP). Para dar suporte a esta ampla gama de serviços, o MAC 802.16 acomoda tanto o tráfego contínuo quanto o tráfego em rajadas [3].
2.2.4. Qualidade de serviço (QoS)
Uma característica importante que difere o padrão 802.16 de outros padrões para redes sem fio, é que ele inclui mecanismos para oferecer QoS diferenciado para suportar as necessidades de diferentes aplicações. Por exemplo, aplicações de voz e vídeo requerem latência baixa, mas toleram alguma taxa de erro [12]. Em contrapartida, as aplicações genéricas de dados não podem tolerar erros, mas a latência não é algo crítico [12]. Dessa forma, o padrão acomoda a voz, vídeo, e outras transmissões de dados usando características apropriadas no MAC.
O padrão IEEE 802.16 possui quatro classes de serviços: 1. Serviço de taxa de bits constante.
2. Serviço de taxa de bits variável de tempo real. 3. Serviço de taxa de bits variável não de tempo real. 4. Serviço de melhor esforço.
Cada conexão no sentido do uplink é mapeada para um desses serviços. O serviço é associado a cada conexão no tempo de setup da conexão.
Serviço de taxa de bits constante
O serviço de taxa de bits constante (Unsolicited Grant Service - UGS) foi definido para suportar serviços que geram unidades fixas de dados periodicamente, tal como E1/T1 ou o serviço de taxa de bits constante (CBR) do ATM. Conexões estabelecidas com o serviço de taxa de bits constante não emitem pedidos de largura de banda para dados, em vez disso, a estação base concederá certos slots de tempo para transmitir uma quantidade predeterminada de dados em intervalos regulares. Uma vez que a largura de banda é alocada, os slots de tempo ficam disponíveis automaticamente, sem que seja necessário solicitá-los. Isso elimina o overhead e a latência de pedidos de largura de banda, de forma a atender o atraso e o jitter de atraso pedidos pelos serviços essenciais. Se for necessário atender a restrições ainda mais severas de jitter, um esquema de buferização na saída é utilizado [12].
Serviço de taxa de bits variável de tempo real
O serviço de taxa de bits variável de tempo real (Real-Time Polling Service - rtPS) se destina a aplicações de multimídia compactada (MPEG vídeo) e a outras aplicações de software de tempo real em que a quantidade de largura de banda necessária em cada instante pode variar, tais como voz sobre IP. Neste tipo de serviço a estação base consulta os assinantes, a intervalos fixos, sobre a quantidade de largura de banda necessária em cada momento. Tendo em vista que os assinantes emitem pedidos explícitos, o overhead e a latência do protocolo são aumentados [12].
Este serviço se destina a atender as necessidades dos serviços que são dinâmicos por natureza, mas oferece oportunidades dedicadas de requisição para atender necessidades de tempo real.
Serviço de taxa de bits variável não de tempo real
O serviço de taxa de bits variável não de tempo real (Non-Real-Time Polling Service - nrtPS) se destina a transmissões pesadas que não são de tempo real, como aquelas relacionadas a transferência de grandes arquivos. Este serviço é praticamente idêntico ao serviço de tempo real, exceto pelo fato de que as conexões devem utilizar oportunidades de acesso randômico para enviar pedidos de largura de banda. Tipicamente, serviços carregados sobre essas conexões conseguem tolerar atrasos mais longos e são mais sensíveis ao jitter de atraso. O serviço de taxa de bits variável não de tempo real é aplicável para acesso a Internet com taxas de garantias mínimas e para conexões ATM GFR [12].
Serviço de melhor esforço
O serviço de melhor esforço (Best Effort - BE) não fornece nenhuma garantia que uma conexão consiga o acesso ao link. O assinante deve disputar a largura de banda com outros assinantes do serviço de melhor esforço. As solicitações de largura de banda são feitas em slots de tempo marcados no mapa do uplink como disponíveis para disputa. Se uma solicitação for bem sucedida, seu sucesso será notado no próximo mapa do downlink. Se ela tiver sucesso, os assinantes mal sucedidos terão de tentar de novo mais tarde. Nem garantias de vazão nem de atraso são prometidas. Os assinantes enviam pedidos por largura de banda nos slots de acesso randômico ou pelas oportunidades dedicadas de transmissão. A ocorrência de oportunidades dedicadas está sujeita à carga da rede e os assinantes não podem se basear na presença da mesma [12].
2.2.5. Multiplexação
O processo que possibilita que vários sinais possam ser enviados ao mesmo tempo em um mesmo canal é chamado de multiplexação. Existem diferentes técnicas de multiplexação sendo as mais importantes a multiplexação por divisão em freqüência, por divisão no tempo e por divisão em códigos [15].
Na divisão por freqüência, se cada um dos sinais a serem transmitidos tem uma largura de banda B, eles serão transmitidos em "envelopes" de freqüências que diferem entre si por uma quantidade maior ou igual a 2B. Este tipo de multiplexação é chamado de FDM (Frequency Division Multiplexing). Neste caso, o número de sinais que podem ser transmitidos
simultaneamente usando FDM depende da freqüência, da portadora e da largura de banda do canal [15].
Com a evolução das tecnologias, a demanda por bandas de transmissão cresceu bastante e a largura dos canais disponíveis deve ser aproveitada ao máximo. Pode-se notar que com a técnica FDM isto não ocorre, pois se tem que esperar que um sinal seja totalmente transmitido para que o outro possa ser enviado em seguida. Foi este dilema que levou ao estudo aprofundado de meios de modulação que permitissem superposições de sinais consecutivos sem que estes interferissem uns com os outros [15].
OFDM
Em meados da década de 1960, foi introduzido o conceito inicial da multiplexação ortogonal. A OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) é uma variação da multiplexação por divisão de freqüência (FDM) usada nos sistemas de telefonia e nas tecnologias de redes de acesso como o ADSL e VDSL, e mais recentemente nas redes wireless. A idéia básica é dividir um fluxo digital de alta taxa de bits em um esquema de baixa taxa e a transmissão paralela usando subportadoras [13].
Em um sistema FDM normal, por exemplo, as portadoras estão suficientemente espaçadas de modo a poderem ser recebidas utilizando filtros convencionais. Entretanto, para tornar a filtragem possível, bandas de guarda têm que ser introduzidas entre essas portadoras, o que resulta em uma diminuição da eficiência espectral. No OFDM, ao invés de se utilizar uma banda de guarda entre subportadoras para poder separá-las na recepção, emprega-se uma sobreposição das mesmas, resultando em um ganho espectral de até de 50% em relação à técnica FDM [13].
Figura 3: Modulação FDM e OFDM [13].
Em um sinal OFDM é possível organizar as portadoras de forma que as suas bandas laterais se sobreponham sem que haja interferência entre elas. Para que isso ocorra, as portadoras devem ser matematicamente ortogonais (linearmente independentes), ou seja, no domínio do
tempo, o sinal em cada portadora precisa ter um número inteiro de ciclos no período de símbolo, resultando em zero o processo de integração do produto de todos os sinais no tempo [13].
A OFDM representa um elemento fundamental para suportar operação sem linha de visada na tecnologia WIMAX, em razão do alto desempenho alcançado na transfer6encia de dados [13].
Trata-se de uma técnica de multiplexação de informações em um conjunto de subcanais modulados por subportadoras de banda estreita ortogonais entre si. Esse esquema de modulação pode ser implementado como um banco de filtros. Nesse caso, uma seqüência de bits transmitida a uma taxa de R bits/s é multiplexada em N subcanais, resultando na transmissão de R/N bits/s sobre cada subportadora.
Figura 4: Modulação OFDM implementada por meio de banco de filtros [13].
Essa estratégia tem como benefício imediato a possibilidade de utilização de equalizadores simplificados nos receptores. A Figura 5a ilustra a distorção imposta pelo canal de rádio a um sinal transmitido por um sistema de banda larga de portadora única, que requer um equalizador de alta complexidade para a recomposição do sinal original. Já no caso da Figura 5b,
o canal de rádio distorce uniformemente cada subcanal, de modo que a operação de equalização de cada subportadora se resume a uma simples amplificação [13].
Outro importante benefício é o aumento da eficácia na utilização de técnicas de codificação e correção de erros, possibilitado pela transmissão a taxas reduzidas em cada subportadora.
Alternativamente, é possível implementar a modulação OFDM por meio de transformadas discretas de Fourier, viabilizando a utilização de processadores digitais de sinais (Digital Signal Processor – DSP) de alto desempenho, resultando em um sistema mais estável, flexível e de custo reduzido. Com a rápida evolução dos DSPs, a modulação OFDM tem sido crescentemente adotada nas soluções modernas de redes locais sem fio de banda larga [6] [7].
Figura 5: Sinais recebidos em sistemas de banda larga com portadora única (a) e multiportadora (b) [13].
Na tecnologia WIMAX, o esquema OFDM é o seguinte: A informação é mapeada em um símbolo de duração Ts, que compreende um intervalo de guarda Tg e o símbolo efetivo, de duração Tb. O tempo de guarda Tg tem a função de aumentar a robustez ao desvanecimento por multipercurso. A porção final de cada símbolo é ciclicamente copiada sobre porção reservada ao intervalo de guarda, originando um prefixo cíclico (Cyclic Prefix), que contribui para manter a ortogonalidade entre as subportadoras. Os tipos de subportadoras são definidos na camada física OFDM da tecnologia WIMAX. As subportadoras piloto são utilizadas nos mecanismos de controle de potência, ao passo que as subportadoras DC podem ser utilizadas como banda de guarda dentro de um canal de banda larga.
Figura 6: Esquema OFDM na tecnologia WIMAX [13].
Um problema bastante comum em redes sem fio baseadas em topologia Ponto-Multiponto é o desbalanceamento de cobertura entre os enlaces direto (downlink) e reverso (uplink). De fato, em vários cenários práticos, as estações clientes sofrem restrições quanto ao consumo de potência e à potência máxima de transmissão, resultando em uma tendência natural para que a cobertura seja limitada pelo enlace reverso.
As propriedades de transmissão do uplink ou do downlink são associadas a cada frame, permitindo que os esquemas de modulação e codificação sejam ajustados dinamicamente para se adaptar às mudanças nas condições do link. O método de modulação pode ser ajustado quase instantaneamente para a melhor transferência de dados. Essa modulação adaptável permite o uso eficiente da largura de banda [13].
Para minimizar o problema do desbalanceamento de cobertura entre os enlaces, o padrão 802.16 adota a técnica de subcanalização, que consiste em um cenário hipotético onde a potência máxima de transmissão da SS (Subscriber Station) corresponde a 25% da potência máxima da BS (Base Station). Para compensar este desequilíbrio, a técnica de subcanalização é adotada, de modo
que a informação é transmitida em apenas 25% das subportadoras disponíveis, o que permite elevar a potência efetiva em um fator de quatro vezes nas subportadoras selecionadas. O preço a ser pago pelo aumento de cobertura por meio da subcanalização é a redução na vazão máxima suportada pelo enlace [13].
Figura 7: Esquema de subcanalização na tecnologia WIMAX [13].
OFDM e FDMA
A OFDM é uma técnica de transmissão multi-portadoras que divide o espectro em várias sub-bandas. Neste tipo de modulação pode-se transmitir digitalmente, a altas taxas de bits, para receptores móveis, portáteis e fixos, especialmente em ambientes multi-percurso [13].
Antes da transmissão a informação é dividida em um grande número de canais com baixa taxa de bits cada um. Estes são usados para modular as portadoras ortogonais individuais de tal maneira que a duração do símbolo correspondente se torne maior do que o atraso de propagação dos canais de transmissão. As subportadoras são posicionadas de tal forma que os zeros de cada uma coincida com os das outras [13].
Figura 8: Exemplo de Distribuição de 3 subportadoras utilizando OFDM [15].
Inserindo um intervalo de tempo de guarda entre os símbolos sucessivos, a seletividade do canal e a propagação multi-percurso não causam interferências intersimbólicas Essa técnica se assemelha ao FDMA (Frequency Division Multiple Access), no que diz respeito à divisão do espectro em várias portadoras.
Figura 9: Exemplo do espectro FDMA [15].
A principal diferença entre OFDM e FDMA é que o espaçamento entre as portadoras na OFDM é menor, devido ao fato das portadoras serem ortogonais entre si. Geralmente os sinais OFDM têm largura de banda de cada portadora na faixa de 1KHz, enquanto que no FDMA eles atingem 3KHz. Assim, a grande vantagem do sistema OFDM é o fato das portadoras serem ortogonais entre si, podendo então ser transmitido uma quantidade maior de informação em uma mesma largura de banda [15].
Vantagens e desvantagens do OFDM
A OFDM é uma técnica que apresenta vantagens frente aos problemas de interferências entre freqüências e de ruído impulsivo. Um sistema baseado em OFDM além de proporcionar uma maior taxa de transmissão, apresenta uma alta robustez aos ambientes com desvanecimento seletivo em freqüência [13].
Entretanto, algumas desvantagens também existem, tais como: dificuldade de sincronismo das portadoras, sensibilidade aos desvios de freqüência e necessidade de amplificação decorrente do fato de o sinal transmitido não exibir uma natureza constante em sua envoltória [13].
2.2.6. Modulação
Na tecnologia WIMAX, além do esquema de multiplexação OFDM, adota-se um esquema de modulação adaptativa. Trata-se da seleção da modulação a ser utilizada na camada física {QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) e QAM (Quadrature Amplitude Modulation)} a partir do nível da relação sinal-ruído percebida no receptor. A partir da negociação entre as estações base e cliente, a modulação a ser adotada é dinamicamente adaptada às condições do enlace de rádio. Esta técnica confere maior robustez e flexibilidade ao sistema, já tendo sido adotada na tecnologia WI-FI [1].
O padrão IEEE 802.16 emprega um sistema de modulação adaptativa, com a utilização de três esquemas de modulação diferentes, quais sejam, QAM-64, QAM-16 e QPSK. Nesse sistema, o esquema de modulação do sinal é ajustado dependendo da condição do link. Quando o link de rádio é de alta qualidade, é usado o esquema de modulação mais elevado (QAM-64). Quando ocorre a atenuação do sinal, o padrão pode alterar o esquema de modulação para QAM-16 ou QPSK a fim de manter a qualidade da conexão e a estabilidade do link. Uma vez que a intensidade do sinal na banda milimétrica cai com o aumento da distância da estação base, o esquema de modulação é modificado dependendo da distância que a estação do assinante se encontra em relação à estação base. Para assinantes próximos é usado o QAM-64, com 6 bits/baud, no caso de assinantes situados a uma distância média é usado o QAM-16 com 4 bits/baud, e para assinantes distantes é usado o QPSK com 2 bits/baud . Os esquemas QAM-16 e QPSK permitem um aumento no alcance do sinal, mas trazem como conseqüência a redução da vazão [13].
Figura 10: Esquema da modulação adaptativa na tecnologia WIMAX [28].
Modulação em fase
PSK (Phase Shift Keying)
O PSK é uma forma de modulação em que a informação do sinal digital é embutida nos parâmetros de fase da portadora. Neste sistema de modulação, quando há uma transição de um bit 0 para um bit 1 ou de um bit 1 para um bit 0, a onda portadora sofre uma alteração de fase de 180 graus. Esta forma de particular do PSK é chamada de BPSK (Binary Phase Shift Keying). Quando não há nenhuma destas transições, ou seja, quando bits subseqüentes são iguais, a portadora continua a ser transmitida com a mesma fase [14].
Figura 11: Variação de fase em função da transição de bit do sinal [14].
QPSK (Quadrature Phase Shift Keying)
A modulação QPSK é uma técnica de modulação derivada do PSK, porém neste caso, são utilizados parâmetros de fase e quadratura da onda portadora para modular o sinal de informação. Como agora são utilizados dois parâmetros, existem mais tipos possíveis de símbolos nesta constelação, o que permite que sejam transmitidos mais bits por símbolo. Por exemplo, se quisermos transmitir 2 bits por símbolo, ao invés de 1 bit por símbolo como no caso PSK acima, neste caso, como teremos 4 tipos de símbolos possíveis, a portadora pode assumir 4 valores de fase diferentes, cada um deles correspondendo a um dibit, como por exemplo 45o, 135o, 225o e 315o [14].
Figura 12: Diagrama de fase e quadratura (IQ) os 4 possíveis símbolos gerados pela modulação QPSK usando 2 bits por símbolo [14].
Modulação em amplitude
QAM (Quadrature Amplitude Modulation)
Nesta forma de modulação, os símbolos são mapeados em um diagrama de fase e quadratura, sendo que cada símbolo apresenta uma distância específica da origem do diagrama que representa a sua amplitude, diferentemente da modulação PSK, na qual todos os símbolos estão a igual distância da origem. Isto significa que as informações são inseridas nos parâmetros de amplitude e quadratura da onda portadora [14].
No caso do 16 QAM, a constelação apresenta 16 símbolos, sendo 4 em cada quadrante do diagrama, o que significa que cada símbolo representa 4 bits. Podemos ter também, por exemplo, o modo 64 QAM, cuja constelação apresenta 64 símbolos, cada um deles representando 6 bits.
Figura 13: Constelações geradas pelos dois modos QAM mencionados acima [14].
Pode-se notar que no modo 16 QAM alcança-se uma taxa de transmissão menor do que no modo 64 QAM, uma vez que cada símbolo transporta um número menor de bits. No entanto, no modo 16 QAM, a distância euclidiana entre os símbolos é maior do que no caso do modo 64 QAM. Isto permite que o modo 16 QAM possibilite um QoS, pois a maior distância entre os símbolos dificulta erros de interpretação no receptor quando este detecta um símbolo [14].
2.3. Fatores de interferência
2.3.1. Interferência
A interferência ocorre quando dois ou mais sinais viajando em direções diferentes podem passar um através do outro, e conseqüentemente, serem selecionados na mesma freqüência, nesse caso o receptor não tem como distinguir um do outro. O sinal indesejado é chamado de interferência e pode limitar seriamente a eficiência do sinal de rádio [5].
As interferências podem ser destrutivas ou construtivas dependendo de como os seus ciclos estiverem alinhados no momento em que ocorrer a sobreposição dos sinais. A interferência construtiva ocorre quando os sinais chegam ao mesmo tempo no ponto máximo e no mínimo, criando um sinal mais forte. A interferência destrutiva ocorre quando os sinais cancelam inteiramente um ao outro devido ao fato de um sinal estar no ponto máximo e o outro no mínimo [5].
O receptor deve saber a exata freqüência do sinal para poder reconhecê-lo, caso ele não esteja sintonizado na freqüência certa, o sinal é escutado como uma interferência. Para assegurar que os sinais de rádio permaneçam livres de interferência, as freqüências precisam ser planejadas e controladas cuidadosamente [5]. No Brasil o órgão que regulamenta e restringe a operação das faixas de freqüência para que a interferência seja minimizada é a ANATEL (Agência Nacional de Telecomunicações) [8].
2.3.2. Interferências causadas pelo meio de propagação
As redes sem fio têm como principal característica a utilização do meio aéreo para a transmissão de dados. Portanto, é de fundamental importância para quem esteja planejando a
construção de uma rede sem fio, estudar todas as características próprias desse peculiar meio de transmissão.
O padrão IEEE 802.16 utiliza ondas de rádio para a transmissão de dados. Os sinais de rádio são um tipo de radiação eletromagnética e as suas características dependem da freqüência em que se encontram.
A área completa de alcance da radiação eletromagnética é conhecida como espectro. O espectro é dividido em várias regiões conhecidas como bandas ou faixas de freqüência.
O padrão 802.16 utiliza as bandas UHF (Ultra High Frequency), SHF (Super High
Frequency) e EHF (Extra High Frequency) que são conhecidas coletivamente como microondas, por causa de seus pequenos comprimentos de onda. A alta largura de banda e a faixa curta fazem com que as microondas sejam úteis para o uso em comunicações, entretanto, têm a desvantagem de serem facilmente bloqueadas por obstáculos como paredes e morros e enfraquecidas pela chuva e pelas nuvens [5].
2.3.3. Análise do efeito das microondas
Como as microondas viajam em linha reta, corre-se o risco de obstáculos atravessarem o caminho das ondas, portanto, as antenas devem estar bem localizadas a fim de se obter uma visão desobstruída. Devido a essa necessidade de visão desobstruída, as redes que utilizam microondas geralmente necessitam de repetidores [9].
As microondas estão sujeitas à interferências por fenômenos atmosféricos e tempestades. Um dos maiores problemas da transmissão de microondas é o efeito do desvanecimento por múltiplos percursos (multipath fading), ou seja, uma onda pode ser refratada pelas camadas mais baixas da atmosfera e pode demorar uma fração a mais para chegar ao receptor. Este sinal atrasado pode entrar em fase com o sinal direto e anulá-lo. As microondas são também absorvidas pela chuva. Neste caso, a única solução é desviar os sinais para uma rota alternativa, contornando a chuva [9].
O padrão 802.16a utiliza as microondas das bandas UHF e SHF. A UHF se estende de 300MHz a 3GHz, já a SHF utiliza o espectro entre 3GHz e 30GHz [12].
As transmissões que ocorrem de 3GHz a aproximadamente 10GHz são vulneráveis ao efeito que é conhecido como distorção por múltiplos caminhos (multipath). A distorção consiste numa alteração da forma do sinal durante a sua propagação desde o emissor até ao receptor.
Distorção multipath é uma condição onde o sinal sofre interferência dele mesmo por causa de reflexões fora da fronteira física convergindo com a direção do sinal, causando crescimento do nível de sinal do receptor ou enfraquecimento [10]. A distorção multipath causa erros nos bits recebidos pelo receptor.
As bandas SHF possuem como problema o bloqueio pelas paredes. Acima de 2.5GHz as transmissões através das paredes ficam altamente dificultadas. Acima de 3GHz o problema fica ainda mais acentuado, e as antenas internas tornam-se impraticáveis para receber transmissões nessa freqüência [12].
2.3.4. Efeitos da falta de linha de visada
Quando uma onda de rádio encontra um objeto físico em seu percurso, ela pode comportar-se de uma dessas três formas: pode fornecer alguma de sua energia ao objeto na forma de calor, um processo denominado absorção; pode curvar-se em torno do objeto, um processo denominado difração; ou pode ricochetear do objeto, um processo denominado reflexão. Estes três processos, não são mutuamente exclusivos, ou seja, um sinal refletido pode imediatamente ser difratado enquanto encontra um contorno diferente do objeto que o reflete, e em cada caso onde a reflexão ou a difração ocorre, alguma energia estará sendo absorvida também [10].
Absorção
A absorção não muda o sentido da onda de rádio, mas retira sua energia. Tendo em vista que o sinal perde energia simplesmente por ser propagado pelo espaço livre, o efeito da absorção da energia por estruturas físicas, tais como paredes ou árvores, favorece a redução da distância que uma conexão de confiança pode ser mantida [10].
As perdas pela absorção podem ser significativamente severas a ponto de interromper inteiramente o sinal. Um exemplo disto é fornecido por um parque repleto de árvores elevadas onde qualquer um que tente através das árvores, com um sinal de microondas, alcançar os edifícios no outro lado será completamente incapaz de estabelecer um link aéreo devido ao efeito da absorção do sinal pelas folhagens [10].
Reflexão
Reflexão se refere à modificação da direção de propagação de uma onda que incide sobre uma interface que separa dois meios diferentes, e retorna para o meio inicial. A reflexão ocorre quando as ondas eletromagnéticas se deparam com obstáculos de dimensões muito maiores do que seus comprimentos de onda, sendo que parte da onda atravessa o objeto e a outra parte é refletida [10].
Uma onda refletida causa um fenômeno conhecido como multipath. Multipath significa que o sinal de rádio pode viajar através de múltiplos trajetos para alcançar o receptor [10].
A energia refletida pode alcançar o receptor em um nível suficiente para fornecer um sinal utilizável, embora mais fraco do que seria um o sinal direto. O problema aqui, entretanto, é mais significativo do que uma simples redução no nível do sinal porque agora o receptor está operando inteiramente no ambiente multipath, e é provável que ele seja sujeito não a uma, mas a múltiplas reflexões, cada uma das quais interferirá severamente com a outra, podendo causar o cancelamento do sinal se chegarem em fases diferentes [10].
Difração
A difração ocorre quando existe um objeto obstruindo a passagem entre o transmissor e o receptor e as ondas de rádio se dobram em torno das bordas desse objeto, resultando em uma transmissão do feixe de luz que fica fora do eixo em relação à antena do receptor. Cabe salientar que o sinal difratado não é necessariamente inútil, mas é certamente menos útil do que um sinal direto [10].
Rádios que operam na região acima de 2Ghz, região que é atribuída geralmente aos serviços sem fio de banda larga, são obstruídos facilmente. O grau a que tais transmissões de alta freqüência são obstruídas exerce uma grande influência na capacidade do operador da rede em registrar clientes, limitando o tamanho do mercado de assinantes.
Devido a esta limitação de assinantes causada pelas obstruções, a indústria procurou tecnologias que contornam ou mesmo atravessam tais obstruções, sendo essa tecnologia conhecida como NLOS [11]. NLOS refere-se a toda a técnica para diminuir os efeitos de obstruções físicas, uma vez que nenhuma técnica ou equipamento de NLOS pode inteiramente eliminar efeitos do bloqueio.
Em uma ligação de NLOS, um sinal alcança o receptor com reflexões, dispersões e difrações. Os sinais que chegam ao receptor consistem em componentes do trajeto direto, dos trajetos com múltiplas reflexões, dos trajetos difratados na propagação e da energia dispersada.
Estes sinais possuem diferentes atrasos de propagações e atenuação em relação ao trajeto direto [10].
Figura 14: Exemplo de trajeto direto e trajeto indireto [15].
2.3.5. Zona Fresnel
O processo de tentar estabelecer uma linha de visada desobstruída da posição do assinante à Estação Base é bem direto. Se for possível enxergar com os olhos ou binóculos a antena remota a partir da antena local, então existe uma linha imaginária entre duas antenas, podendo-se então supor que as condições prévias de visada direta foram encontradas e o operador tem boas chances de poder estabelecer um link de rádio.
Se as obstruções cruzarem completamente essa linha imaginária, então obviamente há uma falta linha de visada direta. Se as obstruções cruzarem essa linha sem completamente chocarem-se em cima dela, então uma deve prosseguir à fase seguinte: o cálculo do que é conhecido como zona Fresnel [15].
Zona Fresnel consiste em uma série infinita de anéis concêntricos que cercam o ponto nodal da transmissão, com cada anel definido pelo relacionamento da fase entre o feixe principal
do transmissor e os dois lóbulos laterais dominantes. Dito de uma outra forma, a propagação das microondas forma um campo elíptico envolvendo a linha de visada, sendo tal campo denominado de zona Fresnel. O campo fica mais extenso com o aumento da distância entre as antenas [15].
Uma ligação com linha de visada requer que a maior parte da primeira zona de Fresnel esteja livre de qualquer obstrução. Os primeiros seis décimos da primeira zona de Fresnel devem estar livres das obstruções para assegurar uma ligação de rádio de confiança. Dessa forma, no projeto de construção de redes a regra geral é que as antenas devem estar localizadas de forma a assegurar 60% da primeira zona de Fresnel livre de qualquer obstrução [15]. Se estes critérios não forem obedecidos então há uma redução significativa na força do sinal.
Figura 15: Zona Fresnel [15].
A operação em freqüências abaixo de 11GHz implica a transmissão em enlaces de radiofreqüência com comprimentos de onda suficientemente longos para tornar desnecessária a condição de visada direta para a operação. Adicionalmente, a recepção de sinais em multipercurso é possível nessa faixa de freqüências, o que pode ser aproveitado para aumentar ainda mais o desempenho na recepção [15].
Deve-se salientar que nem todas as obstruções são equivalentes e que diferenças consideráveis podem existir entre obstruções do mesmo tipo. Uma única árvore pode impor em
torno de 15dB a 20dB de perda do sinal dependendo do tipo e do tamanho dela. Um bosque pode elevar essa perda a 30dB. Um edifício pode representar uma perda total de 30dB enquanto um monte baixo poderia exceder 40dB. Uma situação interessante ocorre quando as árvores balançam no vento, as variações momentâneas na perda podem exceder 10dB [10].
As distâncias envolvidas nas zonas Fresnel dependem da freqüência na qual o sistema está operando, da distância entre as posições do transmissor e do receptor e são também uma função do modelo de radiação da antena utilizada. A melhor forma de determinar a Zona Fresnel é consultar o fabricante dos equipamentos do terminal do assinante e da estação base para determinar a extensão da área acima e abaixo da linha de visada que deve estar livre de obstruções.
Se as obstruções estiverem entre a estação base e um local valioso de usuários, tal como um edifício de escritórios ou uma residência com múltiplos assinantes, uma solução pode ser simplesmente levantar a antena da estação base a uma elevação onde esteja bem acima de todas as obstruções. Entretanto, tal tática não deve ser considerada como uma solução perfeita porque uma antena que seja demasiado elevada não poderá alcançar assinantes na área próxima da antena [10] [11].
A transmissão NLOS utilizada no WIMAX resolve os problemas da propagação do sinal por utilizar características como:
• Tecnologia OFDM.
• Subcanalização.
• Antenas direcionais.
• Diversidade na transmissão e recepção.
• Modulação adaptável.
• Técnicas de correção de erros
• Controle de potência.
Figura 16: Propagação LOS e NLOS [15].
3. Antena WIMAX
Pode-se definir uma antena como um dispositivo capaz de irradiar ou receber ondas eletromagnéticas que se propagam em um determinado meio. A distribuição dos campos elétrico e magnético, as dimensões e suas características de irradiação são propriedades inerentes para cada tipo de antena. O conhecimento destas características é de fundamental importância tanto para os estudantes de Engenharia Elétrica como para profissionais projetistas destas estruturas.
A impedância característica de uma linha de transmissão é puramente real, enquanto que a antena apresenta uma impedância complexa. A variação dessas impedâncias em função da freqüência não são iguais. Assim, eficientes sistemas de casamento ou circuitos de acoplamento devem ser projetados. O objetivo desses sistemas é eliminar a parte reativa da impedância de entrada complexa da antena, igualando sua parte real com a impedância característica da linha de transmissão para que haja maior transferência de energia possível entre o transmissor e o receptor [16].
3.1. Antena de microfita
O conceito de microfita surgiu na década de 50 paralelamente nos EUA e na França. Somente no início da década de 70 que foi estudada a fita irradiadora separada por um substrato dielétrico do plano de terra. Algum tempo depois teve-se a notícia de publicações de estudo de antenas de microfita retangulares e circulares [17] e [18].
O desenvolvimento das antenas de microfitas de baixo perfil utilizadas freqüentemente em veículos de alta velocidade, tais como aviões, mísseis, espaçonaves entre outros, teve grande aceitação, devido a seu baixo peso, custo e tamanho reduzidos, possuindo alta performance e facilidade na instalação. As maiores desvantagens são quanto a eficiência, que é baixa, e a estreita largura de banda [16].
Uma antena de microfita consiste basicamente de duas placas condutoras, paralelas, separadas por um substrato dielétrico. Em uma das placas é implementado o elemento irradiante e
na outra o plano de terra, conforme mostra a figura 17. A placa irradiante pode assumir qualquer formato, mas normalmente são utilizadas formas convencionais para simplificar a análise de suas características de irradiação [17] e [18]. O elemento irradiante da antena de microfita consiste de uma placa metálica patch de espessura muito menor que o comprimento de onda (t << λ ), espaçado a uma pequena fração de um comprimento de onda (h << λ ) acima de um plano de terra, onde a espessura (t) é muito menor que a altura (h). Os elementos de microfita e suas linhas de alimentação são impressos monoliticamente, ou seja, tanto os elementos quanto as linhas de alimentação são impressos na microfita com substrato dielétrico do material. Há várias formas de se alimentar uma antena de microfita porém, as mais utilizadas são as fitas condutoras de pequena largura e os cabos coaxiais. Os arranjos de elementos de microfitas podem ser utilizados para se obter maior diretividade.
Os materiais condutores geralmente utilizados são o cobre e o ouro, enquanto que os materiais mais usados como substrato dielétrico são a alumina e as fibras texturizadas com Teflon [19].
Figura 17: Antena de microfita retangular [17]. 3.1.1. Tipos de excitação das antenas de microfita
As antenas de microfita possuem seus elementos irradiantes em um dos lados do substrato dielétrico e assim podem ser alimentadas por linhas de microfita, cabos coaxiais, ou por acoplamento eletromagnético. O casamento entre a alimentação e o elemento irradiante, uma vez que estes não possuem a impedância desejada para que haja a máxima transferência de potência entre o transmissor e o receptor (antena), pode ser obtido selecionando-se a localização do ponto de alimentação na estrutura irradiante [17] [18].
Figura 18: Alimentação por linha de microfita [16].
Figura 19: Alimentação por cabo coaxial [16].
A excitação das antenas de microfita por linhas de microfita apresenta como principal vantagem o fato de poder ser impressa monoliticamente no mesmo plano da antena. A desvantagem deste método diz respeito a alta impedância de irradiação nas bordas da antena [20].
Pode-se alimentar uma antena de microfita através de um cabo coaxial conectado a um ponto escolhido da antena. Para se fazer o casamento do sistema, liga-se a malha condutora ao plano de terra e o condutor central no elemento irradiante da antena. Apesar da facilidade da conexão para um único circuito impresso, este método apresenta dificuldades na sua fabricação e instalação quando têm-se mais de um elemento irradiador [19].
