WiMAX

1. WiMAX Lucas Augusto Scotta Merlo scotta@inf.ufes.br

2. Agenda • Conceito de Wimax. • Oportunidades de Negócio. • Suporte a 3G e 4G. • TV Digital. • Outros segmentos. • Arquitetura do Wimax. • Overview da Arquitetura da camada MAC. • Visão Geral do Wimax. • Caso de uso. • Comparação. • Desafios.

3. Redes sem Fio e Serviços

4. 1. O que é Wimax? • Worldwide Interoperability for Microwave Access. • “WiMAX é a coisa mais importante desde o advento da própria Internet”, Intel. • Baseada em padrão global, o IEEE 802.16. • Visa solucionar o problema da última milha. • Diminui o investimento em infra-estrutura de alto custo, comparada com a telefonia. • Modulação dinâmica adaptativa (QPSK e QAM), baseada na qualidade do link. • Topologia: Point-to-Multipoint (PMP) e Mesh.

5. 1. O que é Wimax? (cont.) • Espectro: de 2 a 11 Ghz ou de 10 – 66 GHz. • Opera similar ao Wi-Fi, porém com uma velocidade maior de transmissão, sobre uma distância maior e para um número maior de usuários. • 70 Mbps contra 54 Mbps do Wi-Fi. • A grande diferença está no alcance: • Aproximadamente 300m Wi-Fi X 50 Km WiMAX

6. 1.1 O padrão IEEE 802.16 • Define a comunicação sem fio entre a BS e uma ou mais SSs servindo a usuários domésticos ou comerciais. • Alternativa às tecnologias tradicionais como DSL e cabo: • Viabilidade técnica. • Custo de implantação. • PMPou Mesh. • TDD ou FDD. • 1ª versão: 2001

7. 1.2 O padrão IEEE 802.16e Wimax Móvel • O Wimax Móvel está sendo desenvolvido para ser uma solução de banda larga para a convergência das redes fixas e móveis, oferecendo: • Altas taxas de transmissão; • Escalabilidade; • Qualidade de Serviço; • Segurança; • Mobilidade.

8. 1.2 O padrão IEEE 802.16e Wimax Móvel • Tem como principais características técnicas: • Uso OFDMA; • MIMO (Multiple Input Multiple Output); • Tamanho de canal escalável; • Escalonamento seletivo de freqüência;

9. 2. Oportunidades de Negócio. • Novas demandas, novos serviços. • Acessar informações e serviços a qualquer momento e qualquer lugar. • Aumento na demanda de Internet banda larga. • Queda no custo das tecnologias wireless. • Potencial do padrão IEEE 802.16: • Especifica o que fazer; • Deixa em aberto como fazer;

10. 2.1 Suporte a 3G e 4G • 3G – voz + dados de até 2 Mpbs • Média de 144 Kbps a 384 Kbps em movimento. • 2 Ghz – freqüência saturada. • Prevê uma convergência das comunicações: • Múltiplos Serviços. • Múltiplas Células. • O sistema 3G são dotados de núcleo IP desenvolvido para transportar informações do tipo multimídia em altas velocidades e ainda prover QoS. • QoS: problema: taxas variadas com a grande variedade de tipos de serviços com requisitos diferentes. • 3,5G. O HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) é uma tecnologia 3,5G que permite taxas entre 8 e 10 Mbps por terminal de usuário.

11. 2.1 Suporte a 3G e 4G (cont.) • 4G – voz + Rede Móvel Multimídia; • Anytime, anywhere, anyone; • Provê suporte a uma plataforma multimídia com alta taxa (  100Mbps). • Suporte a mobilidade global. • Soluções integradas com wireless. • WiMAX: um dos pilares da 4G; • Suporte a QoS e mobilidade são fundamentais em redes móveis multimídia; • Maior área de cobertura; • Imunidade a Interferência com o OFDM; • Conectividade com o IP; • Interoperabilidade com outras tecnologias, através do IP;

12. 2.2 DTV • High Definition. • Multiprogramação. • Dados. • Interação com o usuário. • Middleware Ginga. • Como prover largura de banda, interação e QoS?

13. 2.2 DTV (cont.) • SBTVD – Sistema Brasileiro de Televisão Digital

14. 2.3 Outros Segmentos • Mobilidade Corporativa • “É quando uma empresa implanta uma estrutura WiMAX somente para ela, para poder fornecer acesso aos seus funcionários dentro da área de cobertura da antena“. • Campus Networking; • Building to Building Connection; • Backhaul de Wi-Fi e VoiP; ??? • Surveillance; ??? • Backhaul de Mesh Technology; ??? • Soluções de Atendimento Móveis; • Governo em geral (p. ex., Inclusão Digital); • Prefeituras e Comunidades: Cidades Digitais e Hotzones; • Serviços Especiais (p. ex., soluções de Wireless POS para o segmento financeiro); • Futuro com WiMAX Móvel: várias soluções explorando a mobilidade. • Aplicações Multimídia • Voz, Dados, MMS. Internet móvel pelas operadoras de telefonia movél.

15. 2.3 Mobilidade nos Processos Críticos das Corporações (cont.)

16. 2.3 EMBRATELlançaseuserviço de WiMAX !!!(cont.) A EMBRATEL anunciou sua rede WiMAX no início de Abril de 2008 para atender 12 capitais. As primeiras a terem a oferta dos novos serviços são Brasília, São Paulo, Rio de janeiro, Belém, Belo Horizonte, Curitiba, Fortaleza, Goiânia, Porto Alegre, Recife, Salvador e São Luis; O projeto prevê que, até o fim de 2008, a rede WiMAX chegue a 61 cidades no Brasil; Apenas nessa primeira etapa, a empresa investiu R$ 175 milhões em infra-estrutura. Escolha tecnológica: WiMAX Móvel (802.16e) com produtos Alvarion (ERB) e Motorola (CPE); A EMBRATEL vai oferecer 03 pacotes para as pequenas e médias empresas: (1) com duas linhas telefônicas e velocidade de conexão de 512 kbps, a R$ 129 por mês; (2) com quatro linhas e velocidade de 1 Mbps, a R$ 189 por mês; e (3) com quatro linhas e 2 Mbps de velocidade, a R$ 199 por mês.

17. 3. Arquitetura do Wimax • Camada física (PHY). • Camada de acesso ao meio (MAC). • A subcamada MAC encontra-se dividida em três subcamadas: • subcamada de Convergência de Serviços (CS), • subcamada de Parte Comum (CPS) • subcamada de Privacidade (PS).

18. 3.1 Camadas • Física: São especificados 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. • MAC: São especificadas as funções associadas aos serviços oferecidos aos usuários, que incluem a transmissão de dados em quadros e o controle do acesso ao meio sem fio compartilhado.

19. 3.2 Camada MAC • A camada MAC é orientada a conexão. • Define como e quando a estação base ou os assinantes podem iniciar a transmissão no canal. • A subcamada de Convergência de Serviços (CS) é responsável por mapear os dados provenientes da camada mais alta em fluxos de serviço e conexões na camada MAC. • Subcamadas específicas de serviço: convergência ATM e convergência de pacotes.

20. 3.2 Camada MAC (cont). • A subcamada de Parte Comum fornece funções de acesso ao sistema, de alocação de largura de banda, e de estabelecimento, manutenção e término da conexão. • Nessa subcamada estão presentes mecanismos para requisitar largura de banda, associar parâmetros de QoS e de tráfego, e encaminhar os dados para a subcamada de convergência apropriada.

21. 3.2 Camada MAC (cont). • A subcamada de Segurança é a responsável por garantir a privacidade dos dados através de criptografia, autenticidade dos dispositivos e gerenciamentos de chaves de tráfego.

22. 3.2 Camadas MAC (cont.).

23. 3.2 Camada MAC (cont). • O MAC PDU é a unidade de dados responsável pela troca de informações entre as camadas MAC da estação base e da estação cliente.

24. 3.3 Visão Geral

25. 3.3 Visão Geral (cont.) Legenda: • LOS – Linha de Visada • NLOS – Sem Linha de Visada • OFDM – Modulação por Divisão de Freqüência Ortogonal • QPSK – Modulação por Mudança de Fase • QAM – Modulação por Quadratura de Amplitude

26. 4. WiMAX & WiFi combined usage to extend coverage WiMAXBase Station WiMAXindoor coverage WiMAXoutdoor coverage WiMAX SSwith WiFi WiMAX SSwith WiFi Dedicated WiMAX SS WiFi for extending coverage

27. 5. Comparação: Peak Bit Rates Comparison Channel Bandwidth FDD/TDD Peak bit-rate DL Peak Bit-rate UL Standards compliant GSM/GPRS 3GPP FDD 160 kbps 160 kbps 200KHz EDGE FDD 480 kbps 480 kbps 3GPP WCDMA FDD/TDD 2 Mbps 2 Mbps 3GPP 5Mhz HSDPA FDD 14.4 Mbps 7.68 Mbps 3GPP CDMA2000 1x FDD 640 kbps 450 kbps 3GPP2 1xEV-DO 1.25 MHz FDD 3.1 Mbps 1.8 Mbps 3GPP2 1xEV-DV FDD 3.1 Mbps 1.8 Mbps 3GPP2 IEEE 802.16d -20 MHz FDD/TDD - 75 Mbps - 75 Mbps IEEE _ Flarion FDD 1.25 MHz 3.2 Mbps 900 kbps

28. 6. Desafios: • Transmissão da DTV sobre WiMAX? • Garantia de QoS em serviços interativos. • Segurança em Sistemas Embarcados: Middleware. • Rede Celular e WiMAX: • Negociações de QoS, handoff, segurança e mobilidade; • Convergência com outras tecnologias.

29. 6. Desafios (cont.) • Segurança: • Autenticação: Certificados X.509 • Criptografia: DES em CBC (Cipher Block Chaining) e a AES • Problemas: • SS não autentica BS. Necessidade de autenticação mútua. • SS não sabe se BS é falso ou não. • Quebra da chave DES CBC (64 bits) • Tempo de vida da TEK padrão = 12 horas. • A 6.36Mbps/s atinge-se um tempo de 12 horas. • Tempo de vida da chave vs. Taxa de transmissão. • Falta de definições explicitas pelo padrão. • Métodos de geração de chaves (AK e TEK). • Protocolo vulnerável a ataques de replay.

30. 6. Desafios (cont.) • Novos Serviços sobre Redes Mesh: • Telefonia IP. • Transmissão de Vídeo. • Necessita de QoS para garantir qualidade na transmissão de pacotes de voz e vídeo.

31. Referências • WiMAX Fórum. • Intel. • Mini-curso Redes WiMAX: Arquitetura, Protocolos,Segurança e QoS no 26º Simpósio Brasileiro de Redes de Computadores e Sistemas Distribuídos. RJ, maio de 2008. • www.gta.ufrj.br/grad/06_1/wimax/ - WiMAX, IEEE 802.16 - Camadas Física e MAC – UFRJ. Acesso junho de 2008. • Grupo de discussões de DTV na UFRJ e UNICAMP. • Grupo de Pesquisa Wimax – PPGEE – UFES.

32. Obrigado!

33. Evolução da Telefonia Móvel

34. OFDM: 1ª Contribuição do WiMAX Orthogonal Frequency-Division Multiplexing (OFDM) is based upon the idea of frequency-division multiplexing (FDM), sending multiple signals at different frequencies; An OFDM baseband signal is the sum of a number of orthogonal sub-carriers. OFDM spaces multiple carriers very close together (until they actually overlap). By finding frequencies that are orthogonal, or perpendicular in a mathematical sense, they can overlap without interfering with each other. By removing guard bands, more space is available for data. It is also able to overcome multipath and frequency-selective fading due to its parallel nature.

35. MIMO: 2ª Contribuição do WiMAX MIMO (multiple-input, multiple-output), is an advanced antenna technology that can carry 4 to 5 times more data traffic than today’s most advanced UMTS-HSDPA-ready (3G) networks; A network design incorporating MIMO technology provides the scalability needed to quickly deliver multimedia content to the mass market. With MIMO, for example, a ½ megabit picture can be downloaded in a half second or a 30-megabit video in half a minute; MIMO works by creating multiple parallel data streams between the multiple transmit and receive antennas; Using the multi-path phenomenon, it can differentiate the separate signal paths from each MIMO antenna.

36. 4G: Mobile Evolution

37. Rede de WiMAX

38. 1.1 O padrão IEEE 802.16 • Define diversas mensagens de controle: • Requisição de banda. • Alocação do quadro TDD. • Construção e transmissão de PDUs MAC: • Concatenação: PDUs em rajada. • Fragmentação: divisão das SDUs entre PDUs. • Empacotamento: várias SDUs ou fragmentos em uma única PDU.