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Wi-Fi e WiMAX II: Características do WiMAX

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O WiMax(Worldwide Interoperability for Microwave Access) foi formado em 2003 por empresas de equipamentos e componentes, como Microsoft, Intel, Motorola entre outros 230 membros. Deste modo criaram o WiMax Fórum, que é um importante fórum que cuida da “estratégia global” desta tecnologia (PRADO 2008).

 

WiMax Fórum é uma corporação sem fins lucrativos, com a intenção de promover e certificar a compatibilidade e a interoperabilidade entre os produtos sem fio de banda larga. O WiMax surgiu com a necessidade de se ter uma tecnologia sem fio, de banda larga, com longo alcance e alta taxa de transmissão.

 

Em redes em áreas metropolita­nas (WMAN), o WiMax propicia conectividade sem fio em banda larga interoperáv­el a diversos tipos de usuários (fixo, nômade e portátil), oferecendo uma interface de serviço de aproximadamente 50 quilômetros, permitindo que os usuários se conectem em banda larga sem a necessidade de uma linha de visada (Non Line-Of-Sight ou NLOS) com a estação base, além de oferecer taxas de transferência de dados de até 75 Mbit/s(INTEL 2004).

 

Tendo uma taxa de transferência de dados dessa magnitude, suportando assim vários clientes, sejam empresas ou residências, são ligadas por uma largura de banda suficiente em uma única estação base(FINNERAN 2008).

 

Segundo Amparoweb (2008) os principais benefícios do WiMax, são: QoS (Quality of Service) incluída, alto desempenho, baseado em padrões e suporte para antenas inteligentes, diminuição dos custos de infra-estrutura de banda larga para conexão com o usuário final, redução de custos de tecnologia, seguindo o exemplo do WiFi, altas taxas de transmissão de dados, criação de uma rede de cobertura de conexão de Internet similar à de cobertura celular, permitindo acesso à Internet mesmo em movimento, oferta de conexão internet banda larga em regiões onde não existe infra-estrutura de cabeamento telefônico ou de TV a cabo, amplo suporte do desenvolvimento e aprimoramento desta tecnologia por parte da indústria, criação de uma alternativa viável aos provedores tradicionais, total independência das redes das concessionárias de telefonia.

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As faixas e freqüências destinadas ao WiMax são determinadas pelo governo de cada país, que podes ser licenciadas ou isentas de licença. “No entanto, para impor algum controle sobre as soluções isentas de licença visando minimizar o potencial de interferências, alguns governos estipulam requisitos de potência para as operações de alta potência e baixa potência.” (INTEL 2005). Na tabela 1, é possível verificar como cada região geográfica regulamenta e define seu conjunto de faixas licenciada e isentas de licenças.

 

Tabela 1: Alocação mundial das faixas licenciadas e isentas de licença.
País/Área Geográfíca Faixas Utilizadas
América do Norte, México 2,5 GHz e 5,8 GHz
América Central e do Sul 2,5 6Hz, 3,5 6Hz e 5,8 6Hz
Europa Ocidental e Oriental 3,5 6Hz e 5,8 6Hz
Oriente Médio e África 3,5 6Hz e 5,8 6Hz
Ásia e Pacífico 3,5 6Hz e 5,8 6Hz
Fonte: INTEL 2005.

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Dentre as faixas apresentadas na tabela anterior, é possível verificar que a faixa 2,5 GHz foi alocada em boa parte do mundo, como na América do Norte, América Latina, Europa Ocidental e Oriental, e partes da Ásia e do Pacífico utilizando uma faixa licenciada. Tanto a solução licenciada quanto às isenta de licença, possuem suas vantagens, como é demonstrado a seguir:

  • Solução licenciada: o serviço possui uma melhor qualidade, melhor recepção sem linha de visada (NLOS), freqüências mais baixas e maior controle de acesso;
  • Solução isenta de licença: Ativação mais rápida, custos significativamente mais baixos e um maior nível de opções com relação a freqüências e faixas a serem utilizadas (INTEL 2005).

A tabela 2 apresenta a disponibilidade das freqüências para o WiMax.

 

Tabela 2: Faixas e freqüências disponíveis para o WiMax.
Faixa Freqüências Requer licença? Disponibilidade
2,5 GHz 2,5 a 2,69 GHz Sim Alocada no Brasil, México, alguns países do sudeste asiático e nos EUA (o WiMax Fórum também inclui 2.3 GHz nesta categoria de faixa, pois “se espera que o [2,3 GHz] seja coberto pelo rádio de 2,5 GHz".)
3,5 GHz 3,3 a 3,8 GHz, porém principalmente de 3,4 a 3,6 GHz Sim, em alguns países Na maioria dos países, a faixa de 3,4 GHz a 3,6 GHz é alocada para o wireless de banda larga.
5 GHz 5,25 a 5,85 GHz Não Na porção de 5, 725 GHz a 5,85 GHz, muitos países permitem uma potência maior (4 watts), o que pode melhorar a cobertura.
Fonte: INTEL 2005.

 

Multiplexação FDD e TDD

 

O WiMax suporta dois tipos de multiplexação: Time Division Duplexing (TDD) e Frequency Division Duplexing (FDD) (figura 2).

 

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Figura 2: Tráfego de Uplink e Downlink.
Fonte: INTEL 2005.

 

O padrão FDD (Frequency Division Duplexing) utiliza duas bandas separadas de freqüência, possibilitando o TM (TerminalMóvel) transmitir em uma freqüência (Link Direto - Donwlink) e receber em outra (Link Reverso - Uplink) (CONNIC 2008).

 

Para que seja possível utilizar duas bandas separadas de freqüência são necessários dois canais, sendo que estes precisam estar separados por uma freqüência de 50 a 100 MHz na tecnologia WiMax.

 

Na figura 3 é possível visualizar as duas faixas de freqüência separadamente.

 

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Figura 3: Faixa de freqüência FDD.
Fonte: CONNIC 2008.

 

No TDD (Time Division Duplex), é utilizada a mesma faixa de freqüência para a transmissão e recepção em tempos distintos, ou seja, separa fatias de tempo para as tarefas de envio e de recebimento.

 

Tem como principal característica à possibilidade de alocar dinamicamente largura de banda entre o link reverso (Uplink) e o link direto (Donwlink). Na figura 4 é possível notar a utilização de uma mesma faixa de freqüência (CONNIC 2008).

 

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Figura 4: Faixa de freqüência TDD.
Fonte: CONNIC 2008.

 

Na implementação do WiMax fixo (IEEE 802.16d), a tabela 3 seguinte lista os perfis definidos pelo WiMax Fórum, em FDD e TDD.

 

A principal freqüência licenciada é a 3,5 GHz, em semelhança à disponibilidade de produtos comerciais. A freqüência de 5,8 GHz é aberta (não licenciada), mas tem advertência de potência de transmissão. A exceção aos 3,5 GHz são os Estados Unidos, que utilizam 2,5 a 2,7. Já no Brasil o perfil 3,5 GHz tem mobilidade restrita.

 

Tabela 3: Implementação do WiMax Fixo.
Freqüência (MHz) Duplexing Canais (MHz)
3400-3600 TDD 3,5 e 7
3400-3600 FDD 3,5 e 7
5725-5850 TDD 10
Fonte: HEMSI 2007.

 

Implementando o WiMax móvel (IEEE 802.16e) os perfis definidos pelo WiMaxFórum são todos em TDD(tabela 4). As bandas de 2,3 GHz são utilizadas na Coréia. As de 2,5 GHz, nos Estados Unidos, Japão e Austrália.

 

Porém a Europa definiu 2,5 GHz para redes celulares WCDMA (Wideband CDMA). No Brasil para as operadoras de televisão (futuramente utilizando serviços de comunicação multimídia)(CONNIQ 2008).

 

Tabela 4: Implementação do WiMax Móvel.
Freqüência (MHz) Duplexing Canais (MHz)
3400-3800 TDD 5, 7 e 10
3300-3400 TDD 5, 7 e 10
2496-2690 TDD 5 e 10
2305-2320 e
2345-2360
TDD 5 e 10
2300-2400 TDD 5, 8, 75 e 10
Fonte: HEMSI 2007.

 

Na tabela 5 são comparados os dois tipos de multiplexação TDD e FDD:

 

Tabela 5: Comparação entre TDD e FDD.
  TDD FDD
Descrição Uma técnica de duplexação utilizada em soluções isentas de licença que utiliza um único canal tanto para uplink quanto para downlink. Uma técnica de duplexação utilizada em soluções licenciadas que utilizam um par de canais no espectro, um para uplink e outro para downlink.
Vantagens • Maior flexibilidade, pois não é necessário um par de espectros; 
• Maior facilidade de equiparação com tecnologias de antenas inteligentes; 
• Assimétrico.
• Tecnologa comprovada para voz;
• Projetado para tráfego simétrico;
• Não requer tempo de guarda.
Desvantagens • Não pode transmir e receber ao mesmo tempo. • Não pode ser implementado onde o espectro não for par;
• O espectro é geralmente licenciado;
• Custos mais elevados assodados à compra de espectro.
Utilização • Aplicações de dados que apresentam picos e são assimétricas; 
• Ambientes com padrões variados de tráfego;
• Onde a eficiência de RF for mais importante que o custo.
• Ambientes com padrões de tráfego previsíveis;
• Onde os custos do equipamento forem mais importantes do que a eficiênda de RF.
Fonte: INTEL 2004.

 

Tecnologia de Transmissão OFDM

 

OFDM (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing) é um método de modulação de dados projetada para sistemas sem visada direta (NLOS – Non Line Of Sight) e reduz a influência dos multipercursos, por exemplo, em ambientes montanhosos ou com edificações, é comum que o receptor receba reflexões do sinal com certo atraso.

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O conceito envolvido na utilização da modulação OFDM é o de fazer uma transmissão paralela de dados a baixas velocidades e com multiplexação por divisão de freqüência com subcanais sobrepostos, evitando o uso de equalização e explorando de maneira eficiente a largura de banda disponível.

 

OFDM pode ser visto tanto como uma técnica de modulação como uma técnica de multiplexação (figura 5). Uma das principais razões do uso do OFDM é o aumento da robustez em relação aos desvanecimentos seletivos em freqüência ou a interferência de banda estreita. Em um sistema de portadora única, um desvanecimento ou um sinal interferente pode fazer um enlace inteiro falhar, mas em um sistema com multiportadoras somente uma pequena porcentagem das subportadoras é afetada.

 

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Figura 5: Modulação OFDM.
Fonte: PRADO 2008.

 

Tecnicamente, o OFDM tem as seguintes vantagens:

  • O OFDM é uma maneira eficiente de lidar com os multipercursos, para um dado atraso de espalhamento a complexidade de implementação é significativamente menor que a de um sistema de portadora única com um equalizador;
  • O OFDM é robusto em relação a interferentes de banda estreita porque tal interferência afeta somente uma pequena parte das subportadoras;
  • Em canais variantes no tempo e lentos é possível aumentar o desempenho de modo significativo pela adaptação da taxa de dados por subportadora de acordo com a relação sinal ruído de cada subportadora;
  • O OFDM torna possível a construção de redes de freqüência única (SFN – Single Frequency Network), as quais são especialmente atrativas para aplicação de radio difusão.

Porém essas redes possuem também suas desvantagens, como:

  • Maior sensibilidade ao desvio de freqüência e ruído de fase;
  • Razão de potência de pico por potência média relativamente grande, o que reduz significativamente a eficiências dos amplificadores de potência de RF.

A Técnica OFDMA

 

A tecnologia Orthogonal Frequency Division Multiplexing tem sido usada em projetos de camada física para sistemas wireless de múltiplo acesso, e é conhecido como sistemas OFDMA, como no padrão IEEE802.16. O OFDMA herda, do OFDM, a restrição de ser sensível a freqüências inexatas (Augusto 2008).

 

Similar ao OFDM, a tecnologia OFDMA emprega múltiplas subportadoras sobrepostas, contudo a sua principal diferença pode ser encontrada na subdivisão das subportadoras em grupos, onde cada grupo é denominado de subcanal, estas não precisam ser adjacentes. No fluxo de transmissão descendente (downlink), os subcanais podem ser requisitados por diferentes receptores, já no fluxo de transmissão ascendente (uplink), um transmissor pode ser associado a um ou mais subcanais.

 

Os subcanais, que podem ser alocados às Estações dos Assinantes (Subscriber Stations - SSs) dependem das condições dos canais e de seus requisitos de transmissão. Com a utilização da subcanalização (figura 6), uma estação base WiMax pode alocar uma maior capacidade de transmissão, em um mesmo time-slot, para os dispositivos dos usuários, mesmo que os dispositivos tenham uma menor SNR (Signal to Noise Ratio - Relação Sinal ruído) e uma potência menor em relação aos dispositivos de usuários com grande relação sinal ruído.

 

Com a subcanalização, também é possível às BS’s (Base Station) alocar uma potência maior para os subcanais associados à SS’s (Subscrites Stations).

 

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Figura 6: Subcanalização.
Fonte: CONNIQ 2008.

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A subcanalização do tráfego ascendente (uplink) conserva a capacidade de transmissão dos dispositivos dos usuários, com a concentração de potência somente para os subcanais alocados (figura 7). Esta é uma característica útil, pois a conservação de energia é uma crítica em sistemas wireless.

 

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Figura 7: OFDM/OFDMA.
Fonte: CONNIQ 2008.

 

A subcanalização no uplink torna econômica a utilização de energia, pois a concentração de energia é mantida apenas em certos subcanais alocados para o mesmo.

 

As vantagens do OFDMA (Fonte: AUGUSTO 2008) relacionado à tecnologia de múltiplo acesso são:

  1. Não apresenta banda de guarda entre as portadoras.
  2. Possui uma elevada eficiência espectral.
  3. Fácil implementação por utilizar os algoritmos IFFT (Inverse Fast Fourier Transform) e FFT (Fast Fourier Transform), na modulação e demodulação respectivamente.
  4. Ortogonalidade dos sinais e robustez em relação à interferência e propagação multipercurso.
  5. Diminuição do desvanecimento seletivo em freqüência causada por multipercurso.
  6. Redução significativa do uso de equalizadores.
  7. Apresenta um melhor desempenho em ambientes NLOS (Non Line of Sight).
  8. Utilização do protocolo HARQ (Hybrid Automatic Repeat Request), que provê uma resistência adicional em situações de alta mobilidade.
  9. Escalabilidade da largura de banda dos canais, com isso é possível operar com os canais variando de 1,25 MHz até 20 MHz.
  10. Para que o usuário suporte uma aplicação de altas taxas, mais de uma portadora pode ser designada.
  11. Suporta vários tamanhos de quadros diferentes, tornando a utilização mais flexível.
  12. Utilização da técnica AMC (Adaptative Modulation and Coding) que utiliza determinado tipo de modulação, dependendo da distância do usuário a base.
  13. A técnica OFDMA também suporta o TDD (Time Division Duplex) como método de multiplexação.

Citado no item 5 acima, o desvanecimento é a oscilação na intensidade do sinal. Essas oscilações podem ser para mais (ganho) ou para menos (atenuação). Ele é chamado de seletivo em freqüência já que essas oscilações não são uniformes em todo espectro, sendo verificado apenas em certas freqüências. A conseqüência desse fenômeno é um aumento na taxa de BER (Bit Error Rate).

 

OFDMA – Camada Física

 

Segundo Esposito (2008): A camada OFDMA foi baseada em modulação OFDM. Desenvolvida para operação sem linha de visada e com freqüências inferiores a 11 GHz. O modelo emprega FTT com 2048 e 4096 portadoras. O símbolo no domínio do tempo é semelhante ao do padrão OFDM (figura 22). “Seu tempo útil é chamado de T b. Uma cópia do final do símbolo (T g) é posicionada no início, para coletagem caso o sinal tenha passado por múltiplos caminhos, mantendo assim sua ortogonalidade.”

 

No domínio de freqüência, a diferença é que as sub-portadoras são divididas em sub-canais. Nodownlink, cada sub-canal pode ser utilizado para a transmissão para grupo diferente de usuários. Nouplink, cada cliente pode utilizar um ou mais canais. Diversos clientes podem transmitir simultaneamente.

 

A divisão em sub-canais lógicos tem por objetivo a escalabilidade, acesso múltiplo e ao processamento de grupos de antenas. Não é necessário que as sub-portadoras que compõem um mesmo canal sejam adjacentes (figura 23). As modulações utilizadas são QPSK com mapeamento de Gray, 16-QAM e 64-QAM.

 

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Figura 8: Estrutura do símbolo OFDMA no tempo.
Fonte: ESPOSITO 2008.

 

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Figura 9: Propagação na faixa de 2 a 11 GHz.
Fonte: ESPOSITO 2008.

 

Através dos avanços tecnológicos (antenas, técnicas de multiplexação e técnicas de acesso e codificação adaptativa) utiliza-se a faixa de freqüência de 2 a 11 GHz em sistemas ponto multiponto, e mesmo ponto-área, com capacidade de transmissão dentro dos parâmetros de banda larga.

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Entre a faixa de 6 e 11 GHz, as características de propagação são adequadas a sistemas ponto a ponto e ponto multiponto, estacionários. Sistemas ponto a ponto podem ser projetados para suportar altas capacidades de transmissão. Comunicação ponto multiponto também é possível em toda a faixa, sendo que, no extremo superior, a comunicação deve ocorrer primordialmente em linha de visada (LOS) entre o cliente e a estação rádio-base.

 

Na porção mais baixa da faixa, é possível o uso de CPEs (Costumer Premises Equipmentsindoor, em situações específicas onde a cobertura em ambientes interiores for favorável. A partir de 8GHz, a atenuação devido à chuva passa a ser o fator principal na determinação da qualidade das comunicações ponto a ponto e ponto multiponto.

 

Os tópicos na Recomendação ITU-R P.530 referentes ao desempenho de enlaces em freqüências afetadas por chuva, bem como a Recomendação ITU-R P.383, ou metodologia alternativa à disposta nesta recomendação, devem ser considerados nos cálculos de desempenho(ESPOSITO 2008).


Wi-Fi e WiMAX II: Padrões IEEE 802.16

 

O padrão IEEE 802.16 desenvolvido pelo IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers), define uma camada física para sistemas em operação nas bandas entre 10 e 66GHz, foi completado o padrão em outubro de 2001 e relatado em abril de 2002, e tem como finalidade especificar uma interface sem fio para redes metropolitanas (WMAN).

 

O Comitê 802 do IEEE, (Institute of Electrical and Electronics Engineers) dos Estados Unidos, desenvolveu e publicou uma série de normas para redes locais (LANs) e Metropolitanas (MANs) que foram adotadas mundialmente inclusive pela ISO (International Organization for Standardization)(FIGUEIREDO 2008).

 

As desenvolvidas pelo IEEE para o padrão 802.16 é ilustrada na figura 10, conforme o padrão OSI.

 

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Figura 10: Pilha de protocolos.
Fonte: FIGUEIREDO 2008.

 

Protocolos 802.16

 

Os protocolos apresentados no padrão IEEE 802.16 podem ser classificados, no modelo OSI, nos níveis: Usuário, Controle e Gerência. Conforme a figura 11, é possível notar que existem 2 camadas, MAC (Medium Access Control – Controle de Acesso ao Meio) e PHY (Physical Layer – Camada Física), onde a camada MAC possui três sub-camadas, CS (Service-Specific Convergence Sublayer – Sub-camada de Convergência Específica), CPS (Common Part Sublayer – Sub-camada de Convergência Comum) e Sub-camada de Segurança (Security Sublayer).

 

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Figura 11: Pilha de protocolos do IEEE 802.16.

 

Essas camadas têm as seguintes funções:

  • Subcamada de convergência: Transformação ou mapeamento de dados da rede externa em SDU’s (Service Data Unit) MAC (Oferece suporte a ATM – Asynchronous Transfer Mode e protocolos baseados em pacotes);
  • Parte Comum da Subcamada MAC: Funcionalidade do núcleo MAC do sistema de acesso, alocação de largura de banda, estabelecimento e manutenção de conexão;
  • Subcamada de Privacidade: Troca de chaves seguras, criptografia e autenticação;
  • Camada Física (PHY): Apresenta diversas especificações, onde cada uma delas é apropriada a uma dada faixa de freqüência.

Na camada MAC, dependendo da demanda dos assinantes, é alocado pelas estações base à banda necessária nos canais de Uplink e Downlink, utilizando a camada física que se adapte a faixa de freqüência de uso (LIMA 2008).

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Camada Física

 

A camada física contém a região física que provê características mecânicas, elétricas, funcionais e procedimentais para ativar, manter e desativar conexões físicas para transmissão de bits entre entidades da camada de enlace.

 

Uma rede sem fio de banda larga necessita de mais espectro do que as bandas ISM (Industrial, Scientific and Medical) podem oferecer. Isso determinou a escolha da banda entre 10 e 66 GHz para a operação do padrão IEEE 802.16. As microondas nesta faixa de freqüências se difundem em linha reta, de maneira semelhante à luz, fazendo com que seja necessária à propagação com linha de visada (Line Of Sight ouLOS).

 

Foi projetado o padrão para alcançar até 50 km de cobertura, para padrões mais robustos na modulação e transmissão com linha visada. Diferente resultado disto é que as microondas podem ser reunidas em feixes direcionais, desta forma, uma mesma estação base pode direcionar várias antenas para diferentes setores com grande independência.

 

Em razão das grandes distâncias cobertas por uma rede metropolitana, a potência recebida na estação base pode mudar expressivamente de estação para estação, fazendo com que a relação sinal/ruído atenue. Por isso, são utilizados três esquemas de modulação diversos, dependendo da extensão entre o assinante e a estação base: o QAM-64 (6 bits/baud); o QAM-16 (4 bits/baud); e o QPSK (2 bits/baud).

 

A conseqüência da utilização de distintos esquemas de modulação é a extensão do alcance do serviço ao valor de uma taxa de dados mais baixa. A figura 12 mostra a faixa de atuação dos três esquemas.

 

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Figura 12: QAM-64, QAM-16, QPSK.

 

A multiplexação dos sinais emitidos da estação base para o assinante é realizada por TDM (Time Division Multiplexing) e o acesso dos assinantes à estação base é por TDMA (Time Division Multiple Access).

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Para que seja aceitável colocar a banda de modo flexível, são usados dois tipos de multiplexação: a FDD (Frequency Division Duplexing) e a TDD (Time Division Duplexing). Na inicial, o uplink e o downlink estão em canais separados, podendo operar simultaneamente, enquanto que, no segundo, o canal é dividido, não permitindo a transmissão simultânea(LIMA 2008).

 

Enquanto o TDD utiliza somente um canal de radiofreqüência, o FDD (Frequency Division Duplexing)utiliza dois canais, sendo utilizado o mesmo na multiplexação do sistema WiMax.

 

Na TDD, a estação base transmite quadros periodicamente. Os quadros são formados por slots de tempo, sendo que os primeiros destinam-se ao tráfego downstream. Antes dos slots para tráfegoupstream, a um tempo de proteção, durante o qual as estações comutam o sentido. A figura 13 mostra o quadro de slots TDD.

 

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Figura 13: Quadros e slots de tempo para TDD.
Fonte: VASQUES 2008.

 

Para uma transmissão de voz, o tráfego é simétrico, mas para a Internet o trafego downstream é maior que o upstream. Havendo uma maior eficiência e aplicação da transmissão, quanto ao número de slotsalterado dinamicamente.

 

Camada de Enlace

 

A camada de enlace tem como objetivo detectar e opcionalmente corrigir os erros que porventura ocorram no nível físico durante a transmissão de bits. Sendo responsável por implementar o método de acesso ao meio, delimitar a estrutura de quadro de enlace e reconhecer os endereços físicos MAC.

 

A camada de enlace de dados é analisada em três subcamadas. A subcamada de segurança é responsável pela autenticação, criptografia, decriptografia e gerenciamento de chaves. A subcamada MAC domina os principais protocolos, como o de controle de canais. A subcamada de convergência de serviços específicos define a interface para a camada de rede.

 

Subcamada MAC

 

A Camada de controle de acesso ao meio (MAC) encontra-se divida em três subcamadas no WiMax:

  • CPS (Common Part Sublayer): é a que promove a função de acesso do sistema. A manutenção e estabelecimento da conexão e a alocação de banda. Onde estão concentradas as principais funções do MAC como escalonamento de uplink, requisição e garantia de banda;
  • CS (Service – Specific Convergence Sublayer): estipula a transformação ou mapeamento dos dados de rede externos recebido pelo SAP (Service Access Point), na subcamada de parte comum(MAC Commom Part Sub-layer – MAC CPS);
  • Security Sublayer: onde acontece a autenticação. É a segurança pela troca de chaves e pela criptografia do mesmo, garantindo assim a segurança durante as transmissões do WiMax.

A camada foi projetada para aplicações ponto multiponto, com altas velocidades de download e upload. A forma como se dá o acesso e os algoritmos de alocação de largura de banda do WiMax admitindo-se que vários usuários comuniquem-se no mesmo canal de transmissão.

 

A subcamada de acesso ao meio do IEEE 802.16 adequou duas classes de permissões para requisições de banda.  Para se garantir uma conexão para toda a banda, há uma requisição, que é identificada pela conexão GPC (Grant Per Connection) e a segunda classe de permissão é pelo nó cliente GPSS (Grant Per Subscriber Station).

 

Há uma metodologia de inicialização designado para extinguir a necessidade de configuração manual.  Quando sincronizada a camada física, a estação base espera as transmissões recorrentes das mensagens UCD (Uplink Channel Descriptor) e DCD (Downlink Channel Descriptor) para assim aprender a modulação e os esquemas FEC (Forward Error Correction - Correção antecipada de erros) na portadora. Sendo assim não há necessidade de uma pré-configuração, para que um nó entre na rede WiMax (VASQUES 2008).

 

O WiMax suporta qualquer tipo de transmissão, seja vídeo, dados, VoIP (voz sobre IP), etc. Tem como finalidade suportar qualquer tipo de tráfego continuo ou em rajadas, garantido pelo (QoS) a qualidade da conexão.

 

Os padrões do WiMax

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Os padrões existentes do WiMax são apresentados a seguir.

 

IEEE 802.16

 

Foi primeira versão desenvolvida em 2002 e também conhecida como IEEE WirelessMAN ou ainda “Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access System”, criada com a intenção de padronizar redes de banda larga sem fio. Necessita de visada direta (LOS – Line Of Sight), operava em freqüências de 10 a 66 GHz, foi projetada para permitir implementações LMSD (Local Multipoint Distribution System) padronizada.

 

IEEE 802.16a

 

Este padrão foi projetado para competir com outras tecnologias que permitem o acesso à última milha, como xDSL (X Digital Subscriber Line) e cable modems, utilizando freqüências mais baixas de 2 a 11GHz e podendo obter taxas de transmissão de até 75 Mbit/s com um alcance de 50 km.

 

IEEE 802.16b

 

Foi criado para tratar aspectos relacionados à qualidade de serviço.

 

IEEE 802.16c

 

Foi criado para padronizar protocolos, interoperabilidade e especificação de testes de confirmação.

 

IEEE 802.16d

 

Publicado em 2004, foi criado com a intenção de substituir e consolidar os padrões 802.16a e 802.16c em um único padrão. Enfatiza-se as modificações na provisão de suporte para antenas MIMO (Multiple-Input Multiple-Output), que permite o aumento de confiabilidade e do alcance com multipercurso, além de permitir instalações com uso de antenas indoor.

 

IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) define o padrão de acesso sem fio ponto multiponto, designado suas freqüências de 10 - 66 GHz e abaixo de 11 GHz (basicamente, 2-11 GHz). Teve os primeiros equipamentos homologados em janeiro de 2006 e fornece taxa de transmissão de até 70 Mbit/s por estação rádio-base.

 

A norma para o “WiMax fixo”, foi delineada a camada MAC para um ambiente de acesso sem fio, suportando protocolos de transporte como Ethernet, ATM ou IP.

 

A camada MAC foi projetada para altas taxas de transmissão (até 268 Mbit/s em cada sentido) de uma autêntica camada física de banda larga, aceitando-se ainda QoS (Quality of Service) compatível comATM (Asynchronous Transfer Mode); nrtPS (Non-Real Time Polling Service), UGS (Unsolicited Grant Service), Best Effort (BE) ou rtPS (Real Time Polling Service).

 

Provêm QoS distinguido para suportar as diferentes necessidades das diversas aplicações, como voz e vídeo solicitam baixa latência, suportando assim alguma taxa de erro. Já aplicações de dados são bastante limitadas ao erro, mas a latência não costuma ser baixa. Essas características são mais eficientes do que prover tais características em camadas de controle acima da MAC.

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O padrão suporta uma modulação adaptativa com diversas taxas de transmissão. A modulação pode ser ajustada quase que instantaneamente para uma melhor transmissão, possibilitando melhor uso do espectro e diversificação da base de usuários. A estrutura de quadros aceita que sejam coligados dinamicamente, aos terminais de cliente, diferentes perfis de rajada, de acordo com as condições do enlace (figura 14).

 

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Figura 14: Topologia de rede WiMax.
Fonte: MEYER 2008.

 

Ainda na camada MAC o uso de PDUs (Protocol Data Unit) de tamanho variável que, em conjunto com outros conceitos desenvolvidos, aumenta significativamente a eficiência do padrão, múltiplos PDUs de camada MAC podem ser encadeados em uma rajada única, diminuindo em overhead da camada física (PHY).

 

Através de uma autocorreção de requisição e garantia de banda, a camada MAC elimina o overhead e o atraso em acknowledgements, enquanto que, ao mesmo tempo, permite melhor administração de QoS do que são adequados os esquemas tradicionais de acknowledgement.

 

IEEE 802.16e

 

Publicado em 2005, é o padrão de acesso sem fio de banda larga móvel do WiMax, o padrão IEEE802.16e é uma solução de banda larga sem fio que admite a convergência de redes banda larga, móveis e fixas, por uma tecnologia MAN (Metropolitan Area Network) de rádio acesso de arquitetura de rede flexível.

 

O padrão IEEE 802.16e utiliza o Acesso Múltiplo por Divisão Ortogonal da Freqüência (OFDMA), que é similar ao OFDM pelo fato de que ele divide as portadoras em várias sub-portadoras. No entanto, oOFDMA vai um passo além ao agrupar diversas sub-portadoras em sub-canais. Um único cliente ou estação de assinante poderá trans­mitir utilizando todas as sub-portadoras no espaço da portadora, ou múltiplos clientes poderão transmitir sendo que cada um utiliza uma parcela do número total de sub-canais simultaneamente.

 

A camada física adotando OFDMA é superior quanto à multipercursos em ambientes sem linha de visada(NLOS). OFDMA escalável (SOFDMA - Scalable OFDMA) é embutido no padrão para suportar larguras de banda escaláveis, de 1,25 a 20 MHz(INTEL 2008).

 

Tem como característica do padrão IEEE 802.16e, altas taxas de dados, a inclusão de técnicas MIMO (Multiple Input Multiple Output) de diversidade espacial de antenas, em conjunto com esquemas de sub-canalização, Codificação Avançada e Modulação permitem que o WiMax Móvel atinja taxas de pico dedownload de 63 Mbit/s por setor, e picos de uplink de 28 Mbit/s por setor, em canal de 10 MHz.

 

A mobilidade deste padrão homologado pelo IEEE suporta esquemas otimizados de handover com latências menores que 50 MS para garantir aplicações em tempo real, como VoIP, sem degradação de atuação.

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A qualidade de Serviço (QoS) define Service Flows, que permitem QoS baseado em IP, fim-a-fim. Adicionalmente, subcanalização e esquemas de sinalização provêem mecanismo flexível para agendamento ótimo de recursos de espaço, freqüência e tempo sobre a interface aérea, quadro a quadro.

 

O padrão adota diferentes possibilidades de faixas, de 1,25 a 20 MHz. Admitindo que o padrão se adapte às diferentes realidades mundiais de alocação de freqüências.

 

O padrão cria sistemas flexíveis e poderosos de segurança. Autenticação EAP, criptografia AES-CCM. Suporta diferentes grupos de credenciais de usuário, incluindo: SIM/USIM cards (GSM/UMTS - Global System for Mobile communication / Universal Mobile Telecommunications System), Smart Cards, DigitalCertificates e esquemas usuário/Senha. Há diversas aplicações para o WiMax móvel, mencionadas na tabela 05.

 

Tabela 5: Aplicações do WiMax.
Classe Aplicação Requisito estimado de banda Requisito estimado de latência Requisito estimado de jitter
1 Jogos interativos multiplayer Baixo 50 kbit/s Baixo < 25 ms N/D
2 VoIP & videoconferência Baixo 32 a 64 kbit/s Baixo < 160 ms Baixo < 50 ms
3 Streaming Baixo a alto 5 kbit/s a 2 Mbit/s N/D Baixo < 100 ms 3
4 Web & IM (Instant Messaging) Moderado 10 kbit/s a 2 Mbit/s N/D N/D
5 Downloads de mídia Alto > 2 Mbit/s N/D N/D
Fonte: Rodrigues 2008.

 

IEEE 802.16f

 

Foi criado para tratar dos MIBs (Management Information Bases) para protocolo SNMP (Simple Network Management Protocol), além de manter a possibilidade de tratar redes sem fio Mesh como nas versões anteriores 802.16d e 802.16e.

 

Resumo de Características

 

Algumas das principais características e comparações dos padrões IEEE 802.16 são apresentadas na tabela 06.

 

Tabela 6: Família de padrões IEEE 802.16.
Características IEEE 802.16 IEEE 802.16a/REVd IEEE 802.16e
Homologação Dezembro de 2001 802.16a: Janeiro de 2003
802.16 REVd: junho de 2004
A ser homologado em 2005
Freqüência 10-66GHz 2-11GHz 2-6GHz
Condições do Canal LOS
(Line of Sight)
NLOS
(Non Line of Sight)
NLOS
(Non Line of Sight)
Taxa de Transmissão Entre 32 e 134 Mbit/s
(canal de 28 MHz)
Até 75 Mbit/s
(canal de 20 MHz)
Até 15 Mbit/s
(canal de 5 Mhz)
Modulação QPSK, 16 QAM e 64 QAM OFDM 256 sub- portadoras, OFDMA 64 QAM, 16 QAM, QPSK, BIT/SK OFDM 256 subportadoras, OFDMA 64 QAM, 16 QAM, QPSK, BIT/SK
Mobilidade Fixa Fixa e portatil (nômade) Mobilidade, roaming regional
Largura de Banda 20, 25 e 28 MHz Entre 1,5 e 20 MHz, com até 16 sub-canais lógicos Entre 1,5 e 20 MHz, com até 16 sub-canais lógicos
Raio da Célula 2-5Km 5-10Km
Alcance máximo de 50 Kms dependendo do tamanho da antena, seu ganho e potência de transmissão (entre outros parâmetros)
2-5Km
Fonte: LIMA 2008.

Wi-FI e WiMAX II: Propagação e Segurança

 

Características do Meio de Propagação

 

Sem o pleno conhecimento dos meios de propagação não seria possível o desenvolvimento de uma tecnologia como o WiMax. Nos próximos itens, são apresentadas as características do meio de propagação.

 

Modelos de Propagação

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O dimensionamento de sistemas de comunicações sem fio depende basicamente da escolha do modelo de propagação. As três grandes categorias que podem ser citadas são: empíricos, semi-empíricos e teóricos.

  • Modelos empíricos: gerados com base no resultado de campanhas de medidas realizadas em determinados tipos de ambientes e para faixas específicas de valores de parâmetros (alturas de antenas, freqüências, etc.). Costumam apresentar relativa facilidade e rapidez de computação, porém geram resultados tão melhores quanto mais se aproxima a região de projeto da região de medições para obtenção do modelo.
  • Modelos semi-empíricos: gerados também com base em medidas de campo, porém suas equações guardam relação com modelos canônicos de propagação, obtidos da teoria. Como exemplo, há modelos semi-empíricos baseados na atenuação de espaço livre, em que a dependência com a freqüência e distância é da mesma forma, porém a constante aditiva é diferente, obtida por campanha de medições em determinada faixa de parâmetros;
  • Modelos teóricos: criados com base em fundamentos puramente teóricos. Muito usados nos cálculos de enlaces ponto a ponto, incluindo atenuação de espaço livre e formas de se considerar efeitos de difração, reflexão no terreno e rádio-clima.

Com o crescente aumento do interesse por sistemas fixos banda-larga em regiões densamente urbanizadas, com clientes residenciais e em escritórios, cresce o interesse por modelos empíricos que não dependam de descrições detalhadas dos ambientes de propagação e que forneçam resultados rápidos, para uma estimativa do dimensionamento da rede.

 

Antenas (Rádio Freqüência – WiMax)

 

O principal objetivo das antenas é transmitir ou receber ondas de rádio. Os sinais elétricos são convertidos em onda magnética, quando ligados a um transmissor como, por exemplo, um transmissor de TV, rádio, radar e entre outros. Já quando ligadas a um receptor, o processo contrário ocorre convertendo as ondas em sinais elétricos, sendo amplificados e decodificados pelo aparelho receptor.

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O transmissor produz o sinal na forma de corrente alternada, ou seja, com rápida oscilação, indo e vindo ao longo do seu condutor. A freqüência da oscilação pode ir desde milhares de vezes por segundo até bilhões de vezes por segundo, e é medida em Gigahertz (no caso do WiMax), ao oscilar na antena de transmissão, a corrente produz uma onda eletromagnética em sua volta, que se irradia pelo ar.

 

Quando atinge uma antena receptora, a onda eletromagnética induz nela uma pequena corrente elétrica que se alterna para frente e para trás ao longo da antena, acompanhando as oscilações da onda. Essa corrente é muito mais fraca do que a presente na antena transmissora, mas pode ser amplificada pelo aparelho receptor.

 

A atmosfera encontra-se repleta de ondas eletromagnéticas de várias freqüências, e todas elas atingem as antenas receptoras. Contudo, cada aparelho receptor possui um filtro próprio para captar uma faixa estreita de freqüência, podendo sintonizar um sinal em particular. Ao ser sintonizado na determinada faixa de freqüência o receptor só responde para sinais dessa faixa determinada, excluindo os demais (SILVA 2008).

 

Ocorre uma associação do comprimento de onda com cada freqüência utilizada, deste modo quanto menor o comprimento da onda, maior será a freqüência, e o produto das duas equivale à velocidade da luz. Para que seja eficiente a utilização de uma antena, deve haver uma relação correta entre o comprimento da onda do sinal (transmitido ou recebido) e o seu comprimento físico.

 

Quando se deseja uma maior diretividade da antena, são utilizados refletores parabólicos, que focalizam as ondas em feixes estreitos, permitindo assim a emissão de sinais de boa qualidade. Os refletores parabólicos são muito utilizados em transmissões de comunicações telefônicas, radares, receptação de satélites, entre outros (SILVA 2008).

 

Tipos de Antenas Usadas em WiMax

 

Há dois tipos de antenas que são utilizadas para as aplicações sem fio: omni-direcional e direcional. Omni-direcional são antenas que cobrem 360º no plano horizontal, trabalham bem em áreas amplas ou em aplicações multiponto. Normalmente, esse tipo de antena é utilizado em estações base.

 

Em contrapartida, as antenas direcionais concentram o sinal em uma única direção. Com relação ao sinal, o mesmo pode ser curto ou amplo (longo e estreito), quanto mais estreito for o sinal, maior será à distância. Normalmente, esse tipo de antena é utilizado em estações remotas.

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A tabela 7 apresenta os tipos de antenas usadas em WiMax.

 

Tabela 7: Tipos de antenas usadas em WiMax.
Tipo Ilustração
Antenas Simples / Standard (PS)

Antenas sem blindagem ou radome, usadas em regiões onde não é necessária alta supressão de níveis de irradiação lateral ou traseira.
1

Fonte: ALLCNET 2008.
Antenas de Alta Relação Frente-Costas

Antenas com blindagem reduzida e sem radome, indicadas para a grande maioria dos enlaces, pois apresentam alta discriminação de níveis de irradiação traseira a partir de 100 graus, referenciados à direção de apontamento da antena.
N.D.
Antenas de Alto Desempenho

Antenas com blindagem, com elementos supressores de RF no seu interior e com radome. São indicadas para enlaces de grande congestionamento, pois apresentam alta discriminação de níveis de irradiação lateral e traseira.
N.D.
Antenas de Ultra Alto Desempenho

Antenas com blindagem, com elementos supressores de RF no seu interior e com radome. Indicadas para enlaces críticos, principalmente entrada de grandes cidades, pois acrescentam alta discriminação de níveis de irradiação lateral, traseira e principalmente, próxima à direção de apontamento.
N.D.
Antena tipo Yagi

Este tipo de antena foi criado para resistir à ambientes com condições ambientais não favoráveis, como gelo, neve, tempestades e ventos fortes. Seu sinal pode chegar a 30 km, desde que haja condições eletricamente visuais e sua principal função é interligar 2 redes distantes (WIRELESSIP 2008).

As antenas do tipo Yagi são empregadas nos enlaces de rádio internos, pelas dimensões e facilidade de instalação e operação. É muito utilizada quando existe a necessidade de se instalar a antena dentro do próprio escritório, possibilitando que o link seja ativado através de uma das janelas do prédio (quando existem dificuldades técnicas para instalar no topo do prédio ou existe facilidade de visada pela janela).
2

Fonte: PIGNATTI 2008.
Antena tipo Patch Panel

As antenas Patch Panel podem ser instaladas em ambientes internos ou externos, possuindo a capacidade de atingir grandes distâncias. Este tipo de antena tem formato plano e amplo (MEUCCI 2008).
3

Fonte: NETWORK 2008.

 

Mecanismos de Propagação

 

Os mecanismos de propagação são os meios pelos quais os sinais são transmitidos, atingindo um determinado raio de propagação, dependendo da freqüência utilizada, do ambiente envolvido e da distância que se deseja atingir.

 

Apresentam-se a seguir algumas das características dos mecanismos de propagação.

 

Difração

 

A Difração ocorre quando uma onda é propagada em uma superfície, e nessa superfície há um obstáculo dotado de estreita abertura. A onda que passará por essa abertura não será afetada e se manterá em linha reta.

 

A difração pode ocorrer com qualquer onda, porém cada tipo de onda terá um sintoma diferente. Nas ondas sonoras, caso uma pessoa esteja atrás de algum obstáculo, que não seja uma porta anti-ruído ou alguma sala que possua o sistema que bloqueia a passagem de som, a voz será ouvida pela outra pessoa que a escuta do outro lado do obstáculo. Há difração também na luz, porém é difícil perceber, pois os obstáculos e aberturas em que a luz incide são normalmente maiores em relação ao seu comprimento de onda (figura 15).

 

4
Figura 15: Difração.
Fonte: LOURENÇO 2008.

 

É possível explicar a difração pelo princípio de Huygens. Nesse princípio, “quando os pontos de uma abertura ou de um obstáculo são atingidos pela frente de onda eles tornaram-se fontes de ondas secundárias que mudam a direção de propagação da onda principal, contornando o obstáculo” (KISELEV 2008).

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Reflexão

 

O fenômeno da reflexão consiste na mudança da direção de propagação da energia (desde que o ângulo de incidência não seja 0º). Consiste no retorno da energia incidente em direção à região de onde ela é oriunda, após entrar em contato com uma superfície refletora (SOARES 2008).

 

A energia pode tanto estar manifestada na forma de ondas como transmitida através de partículas . Por esse motivo, a reflexão é um fenômeno que pode se dar por um caráter eletromagnético, óptico ou sonoro.

 

Alguns conceitos de reflexão são:

  • Semi-reta: originada a partir da superfície refletora, situando-se perpendicularmente a esta.
  • Ângulo de incidência: é o ângulo que a direção de deslocamento da energia faz com a normal.
  • Ângulo de reflexão: é o ângulo que a direção que a energia que é refletida faz com a normal.

Interferências

 

Há dois campos em uma onda de rádio: o campo elétrico e o campo magnético. Esses dois campos estão em planos perpendiculares um ao outro. Campo elétrico-magnético é a soma dos dois campos e a energia é transferida continuamente entre os dois campos num processo conhecido como oscilação (figura 16). O plano paralelo ao elemento da antena é chamado Plano-E enquanto que o plano perpendicular ao elemento, chamado de Plano-H (FARIAS 2008).

 

5
Figura 15: Interferência.
Fonte: FARIAS 2008.

 

Segundo Farias (2008) a relação entre direção, posição e à superfície da terra é capaz de determinar a polarização da onda, que é a orientação do campo elétrico de uma onda de rádio com respeito a sua direção de propagação, e isso é determinado através da orientação e estrutura física da antena. “O campo elétrico, é paralelo ao elemento de radiação de forma que se a antena é vertical a polarização é vertical. Na polarização vertical o campo elétrico está perpendicular a terra e na polarização horizontal o campo elétrico está paralelo a terra.” (FARIAS 2008).

 

Nas WLAN’s utiliza-se a polarização vertical, pois essa técnica diminui as perdas de sinal. Para que isso ocorra, as antenas transmissoras e receptoras devem ser polarizadas da mesma forma, isto é ambas verticalmente ou ambas horizontalmente e normalmente é elíptica. Polarização elíptica ocorre quando a antena varia na polarização da onda de rádio que está transmitindo ao longo do tempo.

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Segurança

 

A subcamada de segurança está localizada abaixo da subcamada MAC, e tem a responsabilidade de fornecer a segurança das transmissões entre as estações dos clientes e a estação base.

 

Para que essa subcamada consiga controlar os acessos, a utilização de protocolo de gerência de chaves e métodos de autenticação baseado em certificados digitais e de criptografia se faz necessária.

 

Com a autenticação das estações dos clientes e utilizando a técnica de criptografia do tráfego entre as estações base, é possível evitar o roubo de serviços e evitar também o acesso não autorizado aos dados transmitidos.

 

Durante o processo de validação do acesso, caso ocorra alguma ameaça a estação base, o acesso poderá pular o processo de autenticação e criptografia e negar o solicitação de acesso à estação (ESPOSITO 2008).

 


 

Wi-Fi e WiMAX II: Considerações Finais

 

Esta série de tutoriais tem por objetivo apresentar um estudo de algumas das tecnologias de transmissão de dados através de sistemas de comunicação sem fio, wireless, utilizadas em redes, quais sejam: o WiFi (Padrão IEEE 802.11) e o WiMax (Padrão IEEE 802.16).

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Antenas Omni direcionais
Antenas Disco Parabola
Antenas Setoriais 2.4
e 5.8G
Antenas Slot /
WaveGuided
Link Wifi longo alcance
Enlace Microondas Licenciado
Antenas Yagi 2,4
Kit cliente Solução Cpe
Kit Provedor
Nano Station
caixas hermeticas
Provedor Mesh
Camera ip 4km
Licença Anatel
Provedor Mikrotik
Kit solar - repetidor wifi
Modem3g no Mikrotik
Omni UBIQUITI AMO-2G13 13DBI
 
ANTENAS MILITARES
Omni vhf 220-520mhz
tedap.eu
 
ANTENA TRÁFEGOAEREO
Omni 1090mhz
Radar aéreo
 
Antenas yagi
 
ANTENAS DIRECIONAIS
Rocket dish 34 dbi Mimo
Parabolica dish 5,8 30 dbi
Parabolica dish 5,8 25 dbi
Radio Enlace Digital
 
 

Rádios X/Zig-bee

Conector Sma e N
Caixas Herméticas
Torres autoportaveis
Torres triangulares
Zigbee X-bee.
Antena Omni Plana
Wimax para Provedores Internet
Ubiquity
Intelbras
Mikrotik
 

Fale com a Fabrica:
Tel 11 3494-1315

Cel 11 5770-3766 vivo

 
EQUIPAMENTOS
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TREINAMENTOS WIRE
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