O presente trabalho tem por objetivo o estudo de tecnologias de redes sem fio para sua implementação em áreas metropolitanas (WMANs - Wireless Metropolitan Area Networks). As tecnologias envolvidas tornar-se-ão de grande utilização nos próximos anos e o estudo tem como foco uma das vertentes mais promissoras para a padronização e desenvolvimento de WMANs, que é o padrão 802.16, do IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers).

O avanço da tecnologia, que possibilitou trafegar serviços de comunicação de grandes volumes e a altas taxas, em conjunto com a facilidade e rapidez de implantação de redes sem fio a baixo custo em comparação com as redes baseadas em cabos, são os principais atrativos deste tipo de rede. Suas aplicações incluem, entre outras coisas, a interconexão de redes WLAN - basicamente, redes padrão IEEE 802.11 - com a Internet e a implementação do acesso na "última milha" (ou "primeira milha", mantendo foco na ponta do cliente final).

É previsto que a implementação de redes deste tipo passe por uma fase de crescimento acelerado em curto prazo. A expectativa de crescimento é confirmada pelos volumosos investimentos que vêm sendo realizados por mais de 100 empresas que atuam na área de comunicações, quer como fabricantes de equipamentos, quer como provedores de serviços. Entre as empresas, pode-se citar Intel, Motorola, Siemens, AT&T, entre outras, que se uniram na formação de um grupo - WiMax Forum - visando garantir padronização para equipamentos e software, de forma a garantir interoperabilidade. De fato, a perfeita interoperabilidade é uma das características mais aguardadas para essas novas tecnologias.

No trabalho, são estudados os principais padrões IEEE 802.16 desenvolvidos e especificados até o momento: IEEE 802.16 rev 2004 e IEEE 802.16e. São abordadas suas características técnicas, esquemas de modulação, arquiteturas de rede e tipos de equipamentos existentes atualmente.

Estudam-se os aspectos de propagação na faixa de 2 a 11 GHz e fundamentos importantes para o planejamento dos sistemas, como minimização de interferência intra-sistêmica e inter-sistêmica, planejamento de freqüências e capacidade de tráfego.

Motivações para novos padrões de redes sem fio

O grupo WiMAX Forum apresenta um sumário interessante com motivações para o estabelecimento de um padrão. [1]

Para fabricantes de equipamentos

• A adoção de plataforma comum, baseada em padrões, promove rápida inovação e a adição de novos componentes e serviços;
• Concentram-se na especialização (ou seja, estações rádio-base e terminais de usuário) - é desnecessária a criação da solução inteira, fim a fim, como em um modelo proprietário;

Para consumidores

• Recebe serviço em regiões até então fora do atendimento de banda larga - nações em desenvolvimento, com pequena infra-estrutura ou mesmo áreas rurais e de difícil acesso;
• Maiores participantes no mercado significa maiores opções de escolha de serviços banda larga;
• Relacionado ao segundo item, a existência de muitos fornecedores de serviço padronizado tende a reduzir bruscamente preços, resultando em relativamente baixas mensalidades para acesso à banda larga;

Para provedores de serviço

• A adoção de plataforma comum leva os custos para baixo, fomenta competição saudável e encoraja a inovação;
• Propicia investimento inicial relativamente baixo de CAPEX (Capital Expenditure), e gastos adicionais conforme o crescimento do negócio;
• Fim do comprometimento com um único fornecedor, comum em modelos de tecnologia proprietária;
• Sistemas sem fio, natural e tradicionalmente, reduzem o risco de investimento do operador;

Para outros participantes do mercado

• Padronização cria volume de oportunidades para fornecedores de chipset e pastilhas de silício de forma geral.

Aspectos Sistêmicos

Nesta Seção, são apresentados conceitos relacionados às tecnologias abordadas e, ao final, aspectos sistêmicos da tecnologia WiMAX são abordados.

 Banda Larga

Do ponto de vista da taxa de transmissão, não há uma definição precisa e definitiva a respeito de banda larga. Na literatura técnica, encontra-se, por exemplo, o termo "banda larga" empregado para caracterizar sistemas de comunicação com taxas nominais speriores a 56 kbps ou 128 kbps; porém, segundo a ITU, taxas de transmissão são consideradas como banda larga apenas para velocidades superiores a 2 Mbps.

Sob o aspecto do estudo e modelagem a rádio-propagação, a introdução de sistemas sem fio operando em banda larga traz novos desafios. Até o advento das comunicações sem fio banda larga, os sistemas, ditos banda estreita (ou faixa estreita), eram bem caracterizados pela atenuação mediana do nível de sinal calculada para a freqüência central (ou para a maior freqüência, sem muita alteração nos resultados) e por uma estatística que rpresentasse a característica de desvanecimento do sinal (desvio padrão da atenuação mediana é dos parâmetros fundamentais), importante na determinação da margem do sistema. Em sistemas banda larga, essa caracterização não é suficiente.

Devido aos distintos efeitos de propagação presentes nos extremos da faixa e pelo fato de se considerar potenciais problemas antes inexistentes, como interferência inter-simbólica (SI - Inter-Symbol Interference) e deslocamentos em freqüência por efeito Doppler (em sistemas móveis), é necessário o conhecimento da função de transferência do canal.

Há na literatura algumas formas distintas de se classificar um canal de rádio-propagação como sendo banda larga. Uma definição possível é: canais onde a faixa (range) de freqüências é maior que 0,1% do valor da freqüência central. Entretanto, definição mais razoável é aquela segundo a qual um canal é considerado banda larga se sua banda excede a banda de coerência do canal, definida por Bc 1/(50), para função de correlação entre freqüências acima de 0,9 (é o espalhamento temporal rms do sinal) [8].

Modelos que descrevem o canal banda larga em variados níveis de detalhe, mas idealmente incluindo o perfil de retardos - conhecido como assinatura temporal do canal - e a correspondente assinatura em freqüência (tomando a transformada de Fourier do perfil de retardos), são conhecidos por modelos de canal (channel models). Uma descrição detalhada sobre o tema é encontrada em [7].

OFDM

A seguir é apresentado um sumário da tecnologia OFDM (Orthogonal FrequencyDivision Multiplex) e como suas características a tornam um dos mais importantes atrativos de sistemas IEEE 802.16. [5]

OFDM não é uma técnica nova; o Bell Labs o patenteou originalmente em 1970, sendo a tecnologia então incorporada a vários sistemas DSL (Digital Subscriber Line), assim como no padrão de WLAN IEEE 802.11a.

O OFDM é baseado em um processo matemático denominado FFT (Fast Fourier Transform), que permite que vários canais sobreponham grande parte de sua energia sem perder suas características individuais (ortogonalidade), ou seja, sem interferirem entre si.

A técnica é especialmente popular em aplicações de sistemas sem fio, devido à sua resistência a interferência e degradação. De fato, o OFDM permite que sistemas 802.16 operem com os grandes espalhamentos temporais (delay spread) de sinal, típicos dos ambientes NLOS onde se espera que tais sistemas sejam implementados. Pelo fato de o OFDM ser composto de múltiplas portadoras de faixa estreita (baixa taxa de transmissão, longo período), desvanecimento seletivo está localizado em um subconjunto de portadoras, fácil de equalizar. Interferência inter-simbólica é reduzida significativamente, pois a taxa completa de transmissão (em portadora simples) é quebrada em taxas menores, com símbolos de maior duração.

A Figura 1 apresenta uma comparação simples, que ilustra o conceito [10].