WiMAX Worldwide Interoperability for Microwave Access

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ELE2614 - Planejamento de Sistemas de Comunicações Celulares e de Rádio Acesso

Fábio Dias Alves Fernando José de Almeida Andrade

Guilherme Marques Mattos José Afonso Cosmo Júnior

Prof. Luiz A. R. da Silva Mello

2004

WiMAX

Worldwide Interoperability for Microwave Access

WiMAX Forum

Associação formada por operadoras e empresas fabricantes de equipamentos e componentes.

http://www.wimaxforum.org O que é WiMAX ?

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Facilitar o desenvolvimento de redes sem fio em banda larga baseadas no padrão IEEE 802.16 ajudando a garantir a compatibilidade e interoperabilidade dos equipamentos.

Objetivo

CETUC

CETUC--PUCPUC--RioRio 33

- Airspan - Advantech - Alcatel - Alvarion - Analog Devices - Andrew Corporation - Aperto Networks - Atheros Communications, Inc. - China Motion Telecom - Compliance Certification Services - Comtech AHA - Engim - Ensemble Communications - Filtronics - Fujitsu Microelectronics America - Intel - L3 PrimeWave - LCC - Motorola - MTI - M-Web - NEWS IQ - OFDM Forum - Powerwave Technologies - Proxim Wireless Networks - Raytheon RF Components - Redline Communications Inc. - RF Integration Inc. - RF Magic - SiWave - SiWorks Inc. - SR Telecom - Stratex Networks - Towerstream - The Telnecity Group - TurboConcept - Vcom

- Wavesat Wireless Inc. - WiLan

- Winova Wireless - Yahoo! Membros do WiMAX Forum

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Histórico IEEE 802.16 – Abril de 2002 Projeto Completado 10 a 66 GHz LOS Modulação adaptativa

Suporta IPv4, IPv6, ATM, Ethernet...

IEEE 802.16c – Janeiro de 2003

Interoperabilidade

IEEE 802.16a – Abril de 2003

2 a 11 GHz

Frequências licenciadas e não licenciadas

Modulação adaptativa NLOS

Até 75 Mbps

Canalização de 1,5 a 20 MHz QoS (voz e vídeo)

IEEE 802.16d – 2004 Modificações na 802.16a Interoperabilidade IEEE 802.16e – 2005/2006 Mobilidade 802.11/16 IEEE 802.16 – 1998/1999

Início do desenvolvimento do projeto

CETUC

Características:

• Conecta residências e empresas às redes de telecomunicações em banda larga

• Centenas de usuários por canal, grande largura de banda, tráfego contínuo a taxas constantes

– Vantagem para certas aplicações como VoIP sensíveis ao retardo

• Solução para operadoras que precisam estender a infra-estrutura de rede em áreas onde a instalação de cabo metálico ou de fibra óptica é inviável

• Backhaul - conexão de tráfego até os hotspots Wi-Fi

• Adicional à telefonia celular 3G/4G, por oferecer altas taxas para o tráfego de dados • Usuário pode trafegar entre hotspots Wi-Fi e redes Wi-Max de forma totalmente transparente, sem perder a conexão e a aplicação em uso

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Introdução

CETUC

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Introdução

CETUC

Fases de adoção mundial:

Início de 2005 - os primeiros produtos começarão a chegar ao mercado e este passará por uma evolução gradual, deixando de adquirir equipamentos proprietários para comprar produtos Wi-Max.

Fim de 2005 - os preços começariam a se tornar atraentes e as operadoras chegariam às residências que precisam de acesso em banda larga com o Wi-Max onde não houver alcance para o ADSL por exemplo.

Fim de 2005 e início de 2006 - com a aprovação do padrão 802.16e, o Wi-Max se tornará móvel de forma completa, o que significa na prática que os dispositivos sem fio, como PDAs, laptops e até celulares, também terão chips Wi-Max.

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Fonte: Intel - 2002 Introdução

Pesquisas apontam que a tecnologia Wi-Max dominará 60% do mercado mundial de banda larga sem fio em 2008.

CETUC

CETUC--PUCPUC--RioRio 1111

WiMAX

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CETUC

Tecnologias de comunicação sem fio

PDAs, telefones celulares Acesso ponto-multiponto Última milha Redes locais privadas e corporativas Par a par Dispositivo a dispositivo Aplicações Área urbana, suburbana, rural Área urbana 50-100 m 10 m Alcance 3G 802.20 (Mobile-Fi) MMDS LMDS 802.16 BWA Hyperlan Hyperlan2 802.11 (Wi-Fi) Infrared Bluetooth 802.15 (WiMedia) Padrões WWAN Wireless Wide Area Network WMAN Wireless Metropolitan Area Network WLAN Wireless Local Area Network WPAN Wireless Personal Area Network

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CETUC

Comparação entre tecnologias

Wi-Fi (802.11)

- em operação

WiMAX (802.16)

* 802.16 (10 a 66 GHz) - publicado pelo IEEE em Abr/2002 * 802.16a (2 a 11 GHz) - publicado pelo IEEE em Jan/2003 * 802.16c (complemento ao 802.16) - publicado pelo IEEE em Abr/2003

Obs. : Até o final de Jul/2004 – publicação do padrão 802.16 incluindo as versões anteriores

* 802.16e (inclui mobilidade) – em desenvolvimento. Previsão de publicação : Mar/2005

Mobile-Fi (802.20)

Iniciado o desenvolvimento em Dez/2002

Wi-Fi x WiMAX Outdoor (com ou sem visibilidade) Indoor Cobertura Até 5 bps / hz Até 2,7 bps / hz Eficiência no uso do espectro 10; 20 MHz 1,75; 3,5; 7; 14 MHz 3; 6 MHz 20 MHz Largura de canais 50 km 100 m Alcance WiMAX (802.16) Wi-Fi (802.11)

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CETUC

Wi-Fi x WiMAX (2) centenas de usuários dezenas de usuários Escala 2 a 11 GHz (802.16a) 10 a 66 GHz (802.16) < 11 GHz Frequência de operação sim não QoS Até > 120 Mbps Até 54 Mbps Taxas de comunicação WiMAX (802.16) Wi-Fi (802.11)

Comparação WiMAX / Wi-Fi

WiMAX (802.16) x Wi-Fi (802.11)

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CETUC

Integração WiMAX / Wi-Fi

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CETUC

WiMAX x Mobile-Fi

global com

handoff e roaming

local / regional com

handoff e roaming Características da mobilidade < 3,5 GHz 2 a 6 GHz Frequência de operação 1,25; 5 MHz 10; 20 MHz 1,75; 3,5; 7; 14 MHz 3; 6 MHz Largura de canais Até 250 km/h 20 a 100 km/h Mobilidade Mobile-Fi (802.20) WiMAX (802.16e) WiMAX x Mobile-Fi (2) 3,2 Mbps (UL / 1,25 MHz) 16 Mbps (DL / 5 MHz) Até > 120 Mbps Taxas de pico de comunicação Até 3,2 bps / hz Até 5 bps / hz Eficiência no uso do espectro Mobile-Fi (802.20) WiMAX (802.16e)

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CETUC

Comparação WiMAX / Mobile-Fi

WiMAX (802.16) x Mobile-Fi (802.20)

WiMAX (802.16)

_X

Mobile-Fi (802.20)

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IEEE 802.16-2001

Interface Aérea para Sistemas de Acesso Fixo Sem Fio Faixa Larga

Padrão IEEE para Redes Locais e Metropolitanas

CETUC

Este padrão especifica a interface aérea de sistemas fixos de acesso sem fio ponto-multiponto faixa larga para provimento de múltiplos serviços.

O padrão inclui a especificação da camada de controle de acesso ao meio (Medium Access Control - MAC) e da camada física (PHY).

A camada MAC está estruturada para suportar múltiplas especificacões de camadas PHY otimizadas de acordo com a faixa de freqüências e com a aplicação/serviço.

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Relação entre as Normas da Família 802

CETUC

Faixas de Freqüências ¾10 GHz a 66 GHz

- Necessidade de LOS (Line-of-Sight) - Multipercurso é desprezível

- Largura de faixa de canais grande

- Taxa bruta de dados maior do que 120 Mbit/s

- Aplicações ponto-multiponto para aplicações em SOHO (Small Office / Home Office), até escritórios médios e grandes ¾ 2 GHz a 11 GHz

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Modelo de referência e escopo da norma

CETUC

Definições úteis

Faixa Larga: largura de faixa maior que 1 MHz, suportando taxas de dados maior do que 1,5 Mbit/s.

PDU (Protocol Data Unit): unidade de dados trocada entre entidades iguais da mesma camada do protocolo.

SAP (Service Access Point): ponto, na pilha do protocolo, onde os serviços de uma camada inferior estão disponíveis para a próxima camada superior.

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Definições úteis

SDU (Service Data Unit): unidade de dados trocada entre duas Camadas do protocolo adjacentes.

SF (Service Flow): fluxo unidirecional de SDU MAC em uma conexão fornecida com uma qualidade de serviço (QoS) particular.

CETUC

Subcamadas MAC

¾Subcamada CS (Service Specific Convergence Sublayer)

Sua função básica é classificar os dados recebidos da camada superior para as conexões apropriadas.

Atualmente possui duas especificações :

- Subcamada de convergência ATM : definida para serviços ATM - Subcamada de convergência para pacotes : definida para serviços como IPv4, IPv6, Ethernet e redes locais virtuais.

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Subcamadas MAC

Realiza as seguintes funções: - aceita PDU de camadas superiores

- realiza a classificação de PDU de camadas superiores

- processa, se necessário, PDU de camadas superiores, baseada na classificação

- entrega CS PDU ao MAC SAP apropriado - recebe CS PDU de entidades equivalentes

CETUC

Especificações subcamada CS ¾ATM

A subcamada de convergência ATM é uma interface lógica que associa diferentes serviços ATM com a MAC CPS SAP. A ATM CS aceita células ATM da camada ATM, realiza a classificação e PHS (Payload Header

Suppression), se programado para isto, e entrega CS PDU ao MAC SAP

apropriado ¾ Pacotes

- classificação do PDU de protocolo superior em uma conexão apropriada - supressão (opcional) da informação do cabeçalho do payload

- entrega do CS PDU resultante ao MAC SAP associado com o fluxo de serviço para transporte para o MAC SAP equivalente

- recebimento do CS PDU do MAC SAP equivalente

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Subcamadas MAC

¾CPS (Common Part Sublayer)

Provê as funcionalidades principais de acesso do sistema garantindo mecanismos eficientes de compartilhamento de recursos, alocação de largura de faixa (dependendo do nível de QoS), estabelecimento e manutenção de conexão.

A camada MAC é orientada a conexão. Com propósitos de mapeamento para os serviços em estações assinantes e associação de níveis

variáveis de qualidade de serviços, todas as comunicações de dados são realizadas no contexto de uma conexão.

CETUC

Subcamadas MAC ¾Privacidade

- realiza autenticação, troca de chave segura e criptografia

- a BS protege contra acesso não autorizado aos serviços de transporte de dados pela criptografia do fluxo de serviços associados pela rede - emprega um protocolo de gerenciamento de chave autenticada

cliente/servidor, na qual a BS (servidor) controla a distribuição das chaves - o mecanismo básico de privacidade é reforçado pela adição de

certificação digital (Formato X.509 [IETF RFC 2459], Versão 3), baseada na autenticação da estação do assinante pelo seu protocolo de gerência

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Protocolos componentes para a privacidade

¾Protocolo de encapsulamento, para criptografar o pacote de dados na rede. Este protocolo define um conjunto de processos criptográficos suportados, isto é, algoritmos de criptografia e autenticação, e regras de aplicação destes algoritmos ao payload MAC PDU.

¾ Protocolo de gerenciamento de chaves, PKM (Privacy Key Management), que realiza a distribuição segura dos dados das chaves da BS para a SS. Por meio deste protocolo, a SS e a BS sincronizam os dados das chaves, em adição, a BS utiliza este protocolo para garantir o acesso condicional aos serviços de rede.

CETUC

Camada PHY

Subcamadas de Protocolo:

¾ Subcamada de convergência da transmissão

(Transmission Convergence Sublayer - TC)

¾ Subcamada dependente do meio físico

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Camada PHY na faixa de 10 GHz a 66 GHz

- alto grau de flexibilidade de utilização do espectro - suporta as configurações de duplexação TDD e

FDD (Full-Duplex e Half-Duplex)

- suporta rajadas adaptativas, incluindo os esquemas de modulação e codificação ajustados quadro-a-quadro

CETUC

Camada PHY na faixa de 10 GHz a 66 GHz

- uplink: - combinação TDMA e DAMA (Demand Assigned Multiple Access)

- canal dividido em time slots

- QPSK, 16-QAM e, opcionalmente, 64-QAM - downlink: - multiplexação TDM

- a informação de cada SS é multiplexada em um único

fluxo de dados e recebida por todas as estações no mesmo setor

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Operação FDD

CETUC

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Taxas e larguras de canais

Obs.:fator de roll-off de 0,25

CETUC

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Máscara Espectral 16-QAM (Tipo B)

CETUC

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IEEE 802.16.2

Coexistência dos Sistemas de Acesso Fixo Sem Fio Faixa Larga

CETUC

Padrão IEEE para Redes Locais e Metropolitanas

Este padrão recomenda práticas e diretrizes para minimizar a interferência nos sistemas BWA operando na faixa de

freqüências entre 10 GHz e 66 GHz, com foco particular na faixa de 23,5 GHz a 43,5 GHz.

O padrão analisa a coexistência de cenários e recomenda práticas de engenharia para o projeto de sistemas, coordenação e utilização de freqüências.

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IEEE 802.16.2

¾resumo das recomendações e diretrizes para coexistência de sistemas BWA ¾ visão geral dos sistemas BWA, incluindo arquitetura e meio de transmissão ¾ parâmetros de projeto de equipamentos, incluindo potência radiada, máscaras

espectrais, diagrama de antenas e limites de emissão

¾ níveis de tolerância de parâmetros do receptor, incluindo degradação por ruído e performance de bloqueio para interferência recebida de outros sistemas

¾ metodologia para coordenação de sistemas BWA, incluindo o planejamento de freqüências, distância de coordenação e limites de PFD

¾ avaliação de exemplos de propagação e de interferência, e de coexistência em ambientes ponto-multiponto, indicando modelos, simulações e análises

¾ técnicas de mitigação para interferência co-canal entre sistemas operando em áreas adjacentes ou sinais indesejados causados por fenômenos naturais ou outras fontes não intencionais.

CETUC

Diretrizes para espaçamento geográfico ou de freqüência

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Componentes do Sistema

CETUC

Fontes de Interferência em Sistemas BWA

A: BS-BS; B: SS-BS;

C: SS-BS com chuva; D: Mesmo caso C para lóbulos laterais; E: BS-BS para lóbulos principal em laterais; F: BS-BS para lóbulos laterais;

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26 GHz 4-QAM Figura de Ruído: 6 dB Polarização: H C/N: 13 dB Raio: 3,6 km 26 GHz 4-QAM Figura de Ruído: 6 dB Polarização: H C/N: 13 dB Disponibilidade: 99,995% CETUC

IEEE 802.16-Conformance01

PICS (Protocol Implementation Conformance Statement) para a interface

Padrão IEEE para Redes Locais e Metropolitanas

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Este padrão estabelece um conjunto de práticas especificando os métodos de testes para demonstrar a conformidade de BS e SS com a norma IEEE 802.16 (ISO/IEC 9646-7 e ITU-T X.296) na faixa de 10 GHz a 66 GHz.

Este conjunto é chamado padrão IEEE 802.16/ConformanceXX.

CETUC

Padrão IEEE 802.16/ConformanceXX

¾Parte 1: PICS para a faixa de 10 GHz a 66 GHz

¾ Parte 2: Conjunto de estruturas de testes e especificação dos resultados ¾ Parte 3: Especificação de testes de conformidade rádio

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IEEE 802.16a

Modificações na camada MAC e especificações adicionais na camada PHY para a faixa de 2 GHz a 11 GHz

CETUC

Padrão IEEE para Redes Locais e Metropolitanas

A característica mais marcante desta alteração da norma foi a inclusão de trajetos sem visada (NLOS) devido à introdução de faixas de freqüências a partir de 2 GHz.

Consequentemente ocorreu a modificação nas camadas MAC e PHY para taxas inferiores às anteriormente mencionadas, a partir de 1,5 Mbit/s.

Foi incluida também a técnica OFDMA e a seleção dinâmica de freqüências (DFS).

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Faixas de freqüências de interesse

CETUC

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IEEE 802.16c

Perfis de sistemas BWA detalhados para a faixa de 10 GHz a 66 GHz

CETUC

Padrão IEEE para Redes Locais e Metropolitanas

Atualização da norma IEEE 802.16-2001 quanto aos perfis de sistemas que estabelecem conjuntos de características e funções a serem utilizadas em casos típicos de implementação de sistemas BWA.

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http://standards.ieee.org/reading/ieee

CETUC

WiMAX

Aplicações

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• British Telecom • Ultravisión (México) • VeriLAN • AOL Canadá • TowerStream • Bolívia • China

• Portland State University e the Oregon Health & Science University em Oregon

CETUC

Aplicações

British Telecom

• Tecnologia: Alvarion (empresa israelense do mercado de banda larga sem fio – parceira da Intel)

• Áreas rurais (foi uma das primeiras a apostar na tecnologia BWA (Broadband Wireless Access) do WiMAX. Eles querem WiMAX para fornecer serviços de banda larga para áreas rurais no seu país)

• Os projetos pilotos da BT foram feitos com sucesso no início deste ano nas regiões de Ballingry (Escócia), Pwllheli (País de Gales), Porthleven (Inglaterra) e Campsie (Irlanda do Norte) com 105 usuários que tiveram acesso BWA durante três meses.

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CETUC

Ultravisión (México)

• Tecnologia – Packetwave da Aperto Networks (empresa americana que surpreendeu o mercado mexicano anunciando uma oferta de serviço de internet de alta velocidade nas localidades de Puebla e Cidade do México para o Ultravisión um grande operador MMDS - Multichannel Multipoint Distribution Service ou serviço de distribuição multiponto e multicanal -no México)

• Fornecer acesso Wireless para o mercado corporativo

VeriLAN

• Equipamento – produto Libra 5800 da WiLAN (empresa canadense parceira da Fujitsu e futuramente da China Sat )

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CETUC

AOL Canadá

• Tecnologia – NextNet Wireless (Ela tem uma tecnologia ainda não aderente ao padrão de WiMAX, mas tem se comprometido publicamente com a migração para este padrão)

• A tecnologia da NextNet não é “full compliant”com o padrão WiMAX

• Tecnologia – Aperto Networks

• Acesso a internet de alta velocidade, suporte a VoIP, Controle de Demanda de Banda, Redundância Wireless, VPNs, Disaster Recovery, e serviços de vídeo

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• Tecnologia – Alvarion

• Solução de banda larga (A Cooperativa de Telecommunicaciones Santa Cruz Ltda - COTAS - a segunda maior cooperativa de telefonia na Bolívia, assinou um contrato com a Alvarion de US$ 7 milhões para fornecimento da solução de banda larga da empresa israelense Alvarion)

CETUC

Bolívia

• A Intel, através de parceria com a Alvarion e com a China Unicom (segunda operadora chinesa), está implantando serviços de banda larga wireless em sete cidades utilizando a tecnologia WiMAX.

• A Intel está fazendo um forte lobby na China para tornar o IEEE 802.16a o padrão nacional de BWA daquele país.

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• Tecnologia: Produto ASWipLL da Airspan na banda não licenciada de 5,8 GHZ (empresa localizada em Uxbridge, Londres)

• Rede que combina WiMAX com Wi-Fi (Colocaram quatro rádios WiMAX nos tetos de seus prédios para proporcionar acesso sem fio aos notebooks, dentro do alcance do sinal, e para outras antenas Wi-Fi na cidade. Os equipamentos, que podem manipular voz e vídeo, serão testados durante seis meses pelas Universidades e pelo corpo de bombeiros local)

CETUC

Portland State University e the Oregon Health & Science University em Oregon

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CETUC

Europa Oriental

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CETUC

América Latina

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Os três principais fabricantes:

• Intel - tem parcerias com as fabricantes de equipamentos Airspan do Reino Unido, Alcatel (França), Alvarion (empresa israelense do mercado de banda larga sem fio), Aperto Networkse Siemens(gigante alemã).

• Fujitsu Microeletronics America - fornecerá o seu chipset para a Wi-LAN do Canadá

• Wavesat Wireless – fornecimento do seu chipset para ZTE (China) e Atmel (EUA)

CETUC

Fabricantes dos Chips da tecnologia WiMAX

WiMAX

Conclusão

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Os custos e a complexidade associados às tradicionais infra-estruturas cabeadas não permitem a completa cobertura de serviços a todas as regiões.

Com o tempo, tentativas em se usar a tecnologia wireless para preencher este espaço vem ganhando terreno. Primeiro de forma pessoal com o uso de celulares, PDAs e dispositivos Bluetooth. Em seguida com o recente surgimento das soluções Wi-Fi estando em fase inicial de implantação no Brasil e bastante difundida mundialmente.

A tecnologia Wi-Max baseada no padrão IEEE 802.16 promete abrir novas oportunidades econômicas às operadoras, provedores e fabricantes. A flexibilidade da tecnologia combinada com altas taxas, escalabilidade, longo alcance e QoS ajudarão ao atendimento da demanda ainda existente mundialmente.

Conclusão

CETUC