Análise técnica e de custos de implantação de
rede WiMAX para provisão de serviços de
telefonia
Roberto Petry*, Carlos Henrique R. Oliveira, José Antonio Martins
Este artigo apresenta uma avaliação técnica e uma estimativa dos custos de implantação de uma rede
para prover o serviço de telefonia (voz) nas localidades que atualmente não possuem acesso ao Serviço
Telefônico Fixo Comutado (STFC), no Estado de Santa Catarina, utilizando como alternativas
tecnológicas dois tipos de arquitetura de instalação de redes WiMAX: modo mesh e modo pontomultiponto (com infra-estrutura). A tecnologia WiMAX, principalmente no modo de operação mesh,
apresenta-se como potencial candidata para o provimento de serviços de voz e dados em locais em que
as tecnologias tradicionais não se apresentam vantajosas, seja do ponto de vista técnico ou econômico.
Portanto, é interessante realizar um estudo de caso real de aplicação da tecnologia WiMAX. Para atingir
esse objetivo, foi desenvolvido um projeto, o mais detalhado possível, para atender ao cenário real
citado. Com os dados desse projeto, foi feita a contabilização de todos os equipamentos de rede
necessários e, finalmente, foi obtida uma estimativa dos custos de implantação dessa rede, para os dois
modos de operação citados.
Palavras-chave: WiMAX. Mesh. Ponto-multiponto. Custos.
1
Introdução
As tecnologias WiMAX e Wi-Fi, principalmente
no modo de operação mesh, são consideradas
atualmente importantes candidatas para o
provimento de serviços de voz e dados em locais
em que as tecnologias tradicionais não se
apresentam vantajosas, seja do ponto de vista
técnico ou econômico. Assim sendo, é
importante fazer um estudo de aplicação dessas
tecnologias num cenário real, para identificar
melhor suas vantagens, desvantagens e
limitações. Dessa forma, foi realizado um estudo
para a implantação de uma rede WiMAX para
fornecer serviços de telefonia (voz) em
localidades que não possuem acesso ao Serviço
Telefônico Fixo Comutado (STFC) no Estado de
Santa Catarina. Esse estudo envolveu a
contabilização de todos os equipamentos de rede
necessários e uma estimativa dos custos de
implantação dessa rede, para as duas
alternativas de operação do sistema WiMAX:
modo mesh e com infra-estrutura.
Neste trabalho são apresentados os resultados
desse estudo. Na Seção 2, é apresentada uma
análise de redes WiMAX, considerando a
topologia e o desempenho dessas redes. A
Seção 3 descreve o cenário de implantação da
rede WiMAX considerado nesse estudo. Na
Seção 4, é apresentada a análise técnicofinanceira de implantação da rede WiMAX. A
conclusão deste trabalho é apresentada na
Seção 5.
2
Análise da rede WiMAX
Neste item são apresentados detalhes técnicos
referentes a uma rede do tipo Wireless
Metropolitan Area Network (WMAN)/Fixed
Broadband Wireless Access (FBWA) baseada no
padrão IEEE 802.16. Esse padrão é comumente
chamado de WiMAX. Ainda que atualmente a
família do padrão IEEE 802.16 inclua a
possibilidade de mobilidade, esta análise
considera apenas terminais fixos.
Os sistemas FBWA geralmente empregam
arquiteturas multiponto, que incluem os modos
mesh e ponto-multiponto (PMP). O grupo de
trabalho IEEE 802.16, que trata de BWA,
desenvolveu uma família de padrões: IEEE
802.16-2001, IEEE 802.16c-2002, IEEE 802.16a
-2003 e IEEE 802.16-2004 (consulte referências),
que especificam a interface aérea para sistemas
PMP (2-66 GHz) e mesh (2-11 GHz).
Um dos objetivos do padrão IEEE 802.16 é
oferecer acesso banda larga sem fio na última
milha de redes metropolitanas (WMAN). O
escopo do padrão é focado nas camadas física e
Medium Access Control (MAC).
A camada MAC do padrão IEEE 802.16 possui
dois modos de operação: o modo pontomultiponto (PMP) e o modo multipoint-tomultipoint (mesh). No modo PMP, os nós são
organizados em uma estrutura celular que
consiste em uma estação-base (base station –
BS) e algumas estações do assinante
(subscriber stations – SS), também referenciadas
como Customer Premises Equipment (CPE). No
modo mesh, os nós são organizados em uma
estrutura ad hoc, em que não há uma topologia
*Autor a quem a correspondência deve ser dirigida: [email protected].
Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 2, n. 2, p. 39-50, jul./dez. 2006
Análise técnica e de custos de implantação de rede WiMAX para provisão de serviços de telefonia
predeterminada. O agendamento de pacotes
pode ser centralizado ou distribuído. Neste
trabalho se considera o modo distribuído.
2.1
Arquitetura da rede WiMAX
Os elementos básicos da arquitetura da rede
WiMAX são as BSs e as SSs. A Figura 1
apresenta uma arquitetura da rede WiMAX
(FIGUEIREDO & CARDIERI, 2005) tanto para
transmissão no modo PMP como para
transmissão no modo mesh.
SS
SOHO
SS
BS
Hot
Spots
SS
SS
Enterprise
IP
BS
Core
Network
SS
ATM
Figura 1 Arquitetura da rede WiMAX
2.2
WiMAX no modo PMP
Sistemas FBWA do tipo ponto-multiponto
tipicamente incluem estações-base, estações do
assinante, equipamento terminal (terminal
equipment – TE), enlaces entre as diversas
células, estações repetidoras (repeater station –
RS) e os equipamentos do núcleo da rede (core
network), tais como servidor Authentication,
Authorization, and Accounting (AAA), servidor
Simple Internet Protocol (SIP), switches,
gateways, roteadores de concentração, etc.
A Figura 2 ilustra a arquitetura de referência,
apresentada no padrão IEEE 802.16-2004, de
um sistema FBWA ponto-multiponto.
Esse diagrama ilustra a relação entre as várias
partes componentes do sistema FBWA. Podem
existir sistemas FBWA mais simples que esse,
contendo apenas alguns dos elementos de rede
mostrados na figura, como, por exemplo, um
sistema instalado para atender a um cenário do
tipo Serviço Limitado Privado (SLP), sem
conexão com redes externas. Um sistema FBWA
contém pelo menos uma BS e um certo número
de SSs.
As BSs usam antenas com aberturas
relativamente grandes, dividindo a sua área de
40
cobertura em um ou vários setores, com o uso
de uma ou mais antenas e estágios de RF. Para
assegurar cobertura completa numa área
geográfica grande, geralmente são necessárias
várias BSs. Esse é o caso do cenário analisado
no presente trabalho, ou seja, as localidades não
atendidas pelo STFC no Estado de Santa
Catarina.
Os enlaces entre as várias células (BSs) podem
ser implementados com equipamentos sem fio,
fibra óptica ou cabos de cobre. Em alguns casos,
os enlaces intercélulas podem utilizar rádios
ponto-a-ponto (PTP) da tecnologia WiMAX e
operar na mesma licença de freqüências do
sistema ponto-multiponto (PMP).
Em alguns cenários, também é necessário que o
sistema utilize repetidores (RS). Os repetidores
geralmente são utilizados para estender a
cobertura a locais não atendidos pela cobertura
normal das BSs. Também são utilizados para
levar os sinais de uma BS até uma SS ou até um
grupo de SSs isoladas. Uma estação repetidora
pode operar na mesma freqüência do enlace
direto com a qual ela se comunica com a BS ou
pode utilizar freqüências diferentes, isto é,
demodular e remodular o tráfego em diferentes
canais.
No caso da tecnologia WiMAX, as estações do
assinante são chamadas de Customer Premises
Equipment (CPE) e são constituídas pelo
agrupamento dos elementos SS e TE. As CPEs
utilizam antenas direcionais e compartilham um
mesmo canal de rádio, utilizando as técnicas
OFDM/TDMA e OFDMA.
A Figura 3 ilustra outro exemplo de arquitetura do
sistema WiMAX.
2.3
WiMAX no modo mesh
No modo mesh, todas as CPEs podem atuar
como roteadores transmitindo pacotes para seus
vizinhos, conforme Figura 3, e evitando pontos
de congestionamento. Algumas CPEs podem
prover funcionalidades de gateway, conectando a
rede mesh em seu backhaul (CAO et al., 2005).
O padrão IEEE 802.16 possui dois mecanismos
de agendamento para transmissão de dados no
modo mesh: o agendamento centralizado e o
agendamento distribuído. No agendamento
centralizado, a BS trabalha como o ponto central
das estações e determina como elas
compartilham o canal em diferentes time slots.
No agendamento distribuído não há necessidade
de BS. Cada CPE compete no acesso, usando
um algoritmo pseudo-aleatório baseado nas
informações de agendamento de estações
vizinhas dentro de dois saltos.
Neste trabalho se considera o agendamento
distribuído no modo mesh por não necessitar de
BS.
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Análise técnica e de custos de implantação de rede WiMAX para provisão de serviços de telefonia
para outras BS(s)
core
network
BS
intercell
link
TE
SS
TE
SS
TE
SS
TE
SS
TE
RS
antena
direcional
RS
antena
omni-direcional
ou setorizada
SS
intercell
link
core
network
TE
TE
Figura 2 Arquitetura de referência de um sistema FBWA ponto-multiponto
Base Station
Antena
CPE
Antena
IP
Radio
Radio
Modem
Modem
Router
Switch
Figura 3 Exemplo de arquitetura do sistema WiMAX
2.4
Capacidade e cobertura da rede WiMAX
A capacidade e a cobertura da rede WiMAX
estão relacionadas com o mecanismo de
modulação adaptativa utilizado. Esse mecanismo
permite ajustar a modulação de acordo com a
Relação Sinal/Ruído (SNR) do enlace de rádio.
Maior SNR implica a possibilidade de uso de
modulação espectralmente mais eficiente (maior
quantidade de bits/Hz), o que proporciona maior
capacidade do sistema em termos de taxa de
transmissão. Menor SNR implica o uso de
modulação espectralmente menos eficiente, mas
que, por proporcionar maior robustez contra
erros nos bits transmitidos com menor SNR,
propicia maior cobertura do sistema.
As taxas de codificação e as SNRs mínimas de
recepção de sinal para as quatro possíveis
modulações apresentadas no padrão IEEE
802.16-2004 são mostradas na Tabela 1.
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41
Análise técnica e de custos de implantação de rede WiMAX para provisão de serviços de telefonia
2.6
Tabela 1 Relação entre modulação, taxa de
codificação e SNR do sistema WiMAX
Modulação
Taxa de
codificação
SNR (dB)
BPSK
1/2
6,4
1/2
9,4
3/4
11,2
1/2
16,4
3/4
18,2
2/3
22,7
3/4
24,4
QPSK
16-QAM
64-QAM
No atual estágio da tecnologia WiMAX, os
principais fabricantes mundiais de equipamentos
e chipsets (Aperto, Proxim, Redline, Nextnet,
Sequans
e
Wavesat)
disponibilizam
comercialmente produtos para a faixa de
freqüência licenciada em 3,5 GHz nos modos
Time Division Duplexing (TDD) e Frequency
Division Duplexing (FDD). Neste trabalho será
considerada a operação em 3,5 GHz no modo
TDD.
2.7
A Figura 4 apresenta a cobertura do sistema
WiMAX em função da modulação adaptativa de
acordo com a SNR.
BPSK
SNR = 6 dB
QPSK
SNR = 9 dB
16 QAM
SNR = 16 dB
64 QAM
SNR = 22 dB
Figura 4 Cobertura em função da modulação
adaptativa e da SNR
2.5
Freqüência de operação
Link budget para a rede WiMAX
O link budget do canal de rádio determina a
cobertura de um sistema sem fio, tanto no enlace
direto (da base para o cliente) quanto no enlace
reverso (do cliente para a base).
O padrão WiMAX 802.16 especifica a camada
física para cobertura com linha de visada (Line of
Sight – LOS) e para cobertura sem linha de
visada (Non Line of Sight – NLOS), para
freqüências abaixo de 11 GHz. O modelo de
predição de cobertura proposto por Erceg et al.
(1999), para ambiente suburbano e adotado pelo
IEEE (2001), prevê a operação na condição
NLOS e foi adotado para a predição de cobertura
da rede WiMAX operando no modo mesh.
Análise de desempenho do sistema
WiMAX no modo PMP
A análise de desempenho do sistema WiMAX
apresentada a seguir considera a operação no
modo PMP, sem linha de visada (NLOS) e CPE
outdoor. Esta análise apresenta os possíveis
alcances e taxas de transmissão do sistema.
O modelo de propagação, usado para predição
de cobertura de sinal, adotado nesta análise, foi
proposto por Erceg et al. (1999). Esse modelo foi
desenvolvido considerando três tipos de terreno
classificados por categorias. A categoria A é
caracterizada por terreno montanhoso, com alta
densidade de árvores. A categoria B é
caracterizada por terreno montanhoso, com
moderada densidade de árvores e a categoria C
é caracterizada por terreno plano, com baixa
densidade de árvores. Considera-se, nesta
análise, um ambiente urbano caracterizado pela
categoria
A,
um
ambiente
suburbano
caracterizado pelo categoria B e um ambiente
rural caracterizado pelo categoria C. É importante
ressaltar que, na prática, cada ambiente deve ser
avaliado de acordo com suas características
específicas.
Os parâmetros e valores considerados, típicos de
equipamentos comerciais, são os seguintes:
• freqüência de operação de 3,5 GHz;
• largura de banda do sistema de 3,5 MHz;
• potência de transmissão da BS de 21 dBm;
• potência de transmissão da CPE de 21 dBm;
• ganho da antena da CPE de 18 dBi;
• taxa de erro de bit de 10-5;
• ganho da antena da BS de 18 dBi;
• perda em cabo e conectores de 2 dB.
A Tabela 2 apresenta valores típicos para a
mínima potência de sinal de RF necessária na
recepção (Prx), em função do tipo de modulação
e da taxa de codificação, para a taxa de erro de
bit assumida.
Tabela 2 Sensibilidades do receptor, ganhos de sistema, alcances e taxas do sistema WiMAX
Ganho de
sistema
(dB)
Alcance (km)
Taxas de
transmissão
(Mbit/s)
Modulação
Taxa de
codificação
BPSK
1/2
-97,1
152,10
1,98
2,63
4,63
1,5
QPSK
1/2
-95,0
150,00
1,79
2,36
4,11
2,9
42
Prx (dBm)
Ambiente
urbano
Ambiente
suburbano
Ambiente
rural
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Análise técnica e de custos de implantação de rede WiMAX para provisão de serviços de telefonia
Alcance (km)
Taxas de
transmissão
(Mbit/s)
Modulação
Taxa de
codificação
Prx (dBm)
Ganho de
sistema
(dB)
Ambiente
urbano
Ambiente
suburbano
Ambiente
rural
QPSK
3/4
-92,7
147,70
1,60
2,09
3,62
4,4
16-QAM
1/2
-89,7
144,70
1,38
1,78
3,06
5,8
16-QAM
3/4
-86,4
141,40
1,18
1,50
2,54
7,9
64-QAM
2/3
-82,3
137,70
0,97
1,21
2,02
11,6
64-QAM
3/4
-80,3
135,30
0,88
1,09
1,81
13,1
Em sistemas de comunicação sem fio,
denomina-se ganho de sistema o resultado em
dB da soma da potência efetivamente radiada
com o ganho da antena de recepção, subtraído
da potência mínima de recepção (Prx). Os
ganhos de sistema correspondentes aos valores
considerados nesta análise são dados na
Tabela 2.
Com os ganhos do sistema e o modelo de
predição de cobertura proposto por Erceg et al.
(1999), é possível calcular os alcances máximos
para os três tipos de ambiente de propagação.
Para esse cálculo, foram considerados os
seguintes parâmetros:
• altura da antena da BS de 30 m;
• altura da antena da CPE de 10 m;
• margem de desvanecimento lento de
12,74 dB, considerando 90% de cobertura e
desvio-padrão de 8,2 dB.
A Tabela 2 apresenta os alcances do sistema
WiMAX para os três ambientes de propagação
em função das modulações, das potências
mínimas de recepção e dos ganhos de sistema.
Apresenta ainda as taxas de transmissão típicas,
para um intervalo de guarda de 1/32.
Analisando-se a Tabela 2 verifica-se que:
• os maiores alcances são encontrados no
ambiente rural em razão das melhores
condições de propagação, por haver menos
obstrução do sinal na comunicação entre a
BS e as CPEs;
• os alcances são menores quando as
potências mínimas de recepção são maiores;
• as maiores taxas de transmissão ocorrem
para distâncias menores;
• a operação em distâncias menores permite
taxas de transmissão maiores.
Para o ambiente urbano, aproximar a BS da CPE
em 1 km significa a possibilidade de aumentar
aproximadamente nove vezes a taxa de
transmissão. Para o ambiente suburbano, o
mesmo aumento da taxa de transmissão ocorre
com uma aproximação em torno de 1,5 km. Para
o ambiente rural, o mesmo aumento da taxa de
transmissão ocorre com uma aproximação em
torno de 3 km.
O desempenho do sistema WiMAX operando no
modo PMP, sem linha de visada (NLOS), e CPE
outdoor varia de acordo com o ambiente de
propagação do sinal.
Do ponto de vista de máxima cobertura para o
ambiente urbano o alcance é de até 1,98 km,
para o ambiente suburbano o alcance é de até
2,63 km e para o ambiente rural o alcance é de
até 4,63 km. Nos três casos é possível uma
comunicação com taxa de 1,5 Mbit/s.
Do ponto de vista de taxa de transmissão, o valor
da taxa máxima é de 13,1 Mbit/s, porém os
alcances são os menores e variam de acordo
com o ambiente de propagação do sinal. Para o
ambiente urbano o alcance é de 0,88 km, para o
ambiente suburbano o alcance é de 1,09 km e
para o ambiente rural o alcance é de 1,81 km.
3
Descrição do cenário de implantação
O cenário de implantação, considerado na
análise técnica e de custos de implantação de
uma rede WiMAX, consiste no oferecimento do
serviço de telefonia (voz) em todas as
localidades que não possuem acesso ao STFC
no Estado de Santa Catarina.
3.1
Localidades não atendidas no Estado
de Santa Catarina
A lista das localidades não atendidas pelo STFC,
no Estado de Santa Catarina, foi obtida do site da
Anatel (ANATEL, 2005). Na data da consulta ao
site, havia no Estado de Santa Catarina um total
de 1.342 localidades sem acesso ao STFC. A
maior parte dessas localidades se situa em
regiões rurais.
A Figura 5 mostra um mapa de todo o estado.
Neste mapa cada um dos pontos representa uma
das localidades que não possuem acesso ao
STFC, sendo que essas localidades estão
espalhadas por todo o estado. Atender todas elas
com um sistema sem fio significa prover
cobertura de rádio em praticamente toda a área
do estado.
Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 2, n. 2, p. 39-50, jul./dez. 2006
43
Análise técnica e de custos de implantação de rede WiMAX para provisão de serviços de telefonia
Figura 5 Localidades de Santa Catarina não atendidas pelo STFC
3.2
Demanda de tráfego
Para as localidades não atendidas, considerouse que o mercado potencial para um serviço de
telefonia (voz) é, na média, de oito linhas de
assinantes e dois telefones de uso público (TUP)
por localidade.
Portanto, são considerados dois tipos de nós
distintos:
• Telefone de Uso Público (TUP): telefone de
uso coletivo instalado em local de fácil
acesso, disponível 24 horas por dia;
• terminal residencial: telefone de uso privado
instalado na residência do usuário final.
Para o TUP, são considerados dois aparelhos
por nó, e para o terminal residencial é
considerado um aparelho por nó, cada qual com
seu respectivo tráfego, descrito na Tabela 3 .
Tabela 3 Tráfego estimado por nó
Descrição
Aparelhos
por nó
Tráfego
por
aparelho
(Erl)
Tráfego
por nó (Erl)
TUP
2
0,25
0,50
Terminal
residencial
1
0,1
0,1
Considerando-se então, por localidade, dois
TUPs (o que representa um tráfego de 500 mErl)
e oito linhas de assinantes (o que representa um
tráfego de 800 mErl), o tráfego total por
44
localidade é de 1,3 Erl (OLIVEIRA & PETRY,
2006).
4
Análise técnico-financeira de
implantação de rede WiMAX
A análise técnico-financeira de implantação de
uma rede WiMAX foi realizada para o cenário
descrito na Seção 3, considerando os modos de
operação PMP e mesh.
4.1
Modo de operação mesh
4.1.1 Considerações relativas à atribuição de
custos da solução mesh
a) Distância de alcance dos equipamentos da
rede WiMAX no modo mesh para cobertura
sem linha de visada (NLOS): 1 km
(modulação QPSK, taxa de codificação de ¾,
taxa de erro de 10-5, antena da CPE outdoor,
90% de cobertura em ambiente suburbano
com modelos de predição de cobertura de
Erceg et al. (1999), categoria A, e Hata
(1980), usando parâmetros típicos de
equipamentos comerciais.
b) Demanda de tráfego total por localidade: 1,3
Erl, conforme apresentado no Item 3.2.
c) Pontos de acesso à rede WiMAX: para o
acesso no modo mesh considera-se o uso de
uma CPE transmitindo nas seguintes
condições: freqüência de operação, de acordo
Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 2, n. 2, p. 39-50, jul./dez. 2006
Análise técnica e de custos de implantação de rede WiMAX para provisão de serviços de telefonia
d)
e)
f)
g)
com a disponibilidade de equipamentos em
operação comercial, de 3,5 GHz, quadros de
5 ms de forma simétrica, intervalo de guarda
de 1/8 para ambiente outdoor, largura de
banda de 3,5 MHz, modulação QPSK, taxa de
codificação de ¾, taxa de dados de
1,08 Mbit/s
(em
cada
sentido
da
comunicação) e vazão efetiva de dados,
considerando 20% de perda de pacotes, de
800 kbit/s.
Capacidade de tráfego do ponto de acesso,
empregando codec G.729A (8 kbit/s):
utilizando a calculadora1 Erlangs and VoIP
Bandwidth Calculator (Calculadora VoIP) foi
possível encontrar uma oferta de tráfego de
22,9 Erl correspondente à vazão efetiva de
dados de 800 kbit/s. Dessa forma, do ponto
de vista de capacidade, é possível atender até
18 (22,9/1,3) localidades com o codec
G.729A.
Capacidade de tráfego do ponto de acesso,
empregando codec G.726 (32 kbit/s):
utilizando a calculadora Erlangs and VoIP
Bandwidth Calculator (Calculadora VoIP) foi
possível encontrar uma oferta de tráfego de
8,85 Erl correspondente à vazão efetiva de
dados de 800 kbit/s. Dessa forma, do ponto
de vista de capacidade, é possível atender até
7 (8,85 /1,3) localidades com o codec G.726.
Com raio de alcance de 1 km (apresentado no
Subitem a), as 1.342 localidades de Santa
Catarina são distribuídas em 114 localidades
agrupadas em 57 clusters (cluster de duas
localidades) e 1.228 localidades isoladas
conectadas por meio de 2.799 CPEs
repetidoras. Adotando-se o codec G.726,
dado que este é de utilização livre, para cobrir
as 1.342 localidades de Santa Catarina e
atender os oito assinantes e o TUP de cada
localidade, são necessários:
• 10.736 (1.342 x 8) CPEs para os
assinantes;
• 1.342 CPEs para os TUPs;
• 57 CPEs como ponto de acesso (uma
para cada cluster);
• 2.799 CPEs como repetidoras, para atingir
as localidades isoladas.
Interconexão com a rede pública de telefonia:
considerando-se que todo o tráfego gerado
pela rede mesh WiMAX é roteado para a rede
pública (STFC) e que o grau de ocupação dos
entroncamentos E1 é de 70%, calcula-se a
necessidade de troncos E1 entre a rede mesh
WiMAX e a rede pública. Como um E1
corresponde a 30 canais de voz, na máxima
ocupação, isso implica em 21 Erl (70% de 30
canais).
4.1.2 Investimentos fixos para a rede WiMAX
no modo mesh
Para a prestação de serviços com a utilização da
tecnologia WiMAX no modo mesh, supõe-se que
sejam utilizados o máximo possível dos recursos
já existentes de uma operadora STFC, como a
existência de infra-estrutura de rede, centros de
gerência e pessoal técnico qualificado.
Considera-se o uso de software livre e o uso de
equipamentos Soft Switch e Trunk Gateway já
existentes na operadora. Os itens necessários
para a rede WiMAX no modo mesh e seus
custos correspondentes, extraídos de Oliveira e
Petry (2006), são apresentados na Tabela 4.
Tabela 4 Investimento fixo da rede WiMAX nos
modos mesh e PMP
Site principal
Quant.
Unitário R$
Total R$
Servidores (em
cluster)
para
SIP Server e
AAA
2
50.000
100.000
Servidores para
gerência
1
50.000
50.000
Firewall
1
100.000
100.000
1
50.000
50.000
Software
gerência
para
Total
300.000
4.1.3 Investimentos modulares para a rede
WiMAX no modo mesh
Os investimentos pertencentes a essa categoria
cobrem equipamentos terminais por ponto de
acesso, por assinante e TUP, gateways de
acesso para a rede de dados, Trunk Gateway e
links E1 de acesso à rede TDM e as licenças de
software para telefonia, os quais serão
detalhados a seguir.
a) Equipamentos terminais de assinante e TUP:
considera-se que os investimentos nos
equipamentos terminais serão realizados pela
própria operadora da rede WiMAX:
• equipamento terminal por ponto de
acesso: é o equipamento utilizado para
comunicação com os gateways de acesso
para a rede de dados. Para esse
equipamento considera-se apenas o valor
de US$ 380,00 (WiMAX Forum 2005)/
R$ 836,00 (dólar a R$ 2,20) referente às
CPEs. São necessárias 2.856 CPEs (57
CPEs para os clusters e 2.799 CPEs para
repetidoras),
que
representam
um
investimento de R$ 2.387.616,00;
1 Como o help da calculadora informa que BW é a quantidade de dados em kbit/s para tráfego em uma rede baseada no protocolo
IP, levou-se em conta que a BW a ser convertida incluía todos os overheads da pilha completa de protocolos.
Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 2, n. 2, p. 39-50, jul./dez. 2006
45
Análise técnica e de custos de implantação de rede WiMAX para provisão de serviços de telefonia
•
•
equipamentos terminais por assinante:
considera-se que os custos de instalação
e do aparelho telefônico são de
responsabilidade do assinante. Para o
terminal de acesso por assinante,
considera-se
apenas
o
valor
de
US$ 380,00 (WiMAX Forum 2005)/R$
836,00 (dólar a R$ 2,20) referente à CPE.
Como foram considerados oito assinantes
para cada uma das 1.342 localidades, isso
representa
um
investimento
de
R$ 8.975.296,00;
TUP: consideram-se dois TUPs para cada
uma das 1.342 localidades. Os itens
necessários para o TUP e seus valores
correspondentes, extraídos de Oliveira e
Petry (2006), são apresentados na
Tabela 5.
Tabela 5 Terminal WiMAX no modo mesh para
TUP
•
queda da capacidade para cada CPE com
o número n de CPEs na razão 1/n (JUN,
2003). Dessa forma, existe a necessidade
de um gateway de acesso a cada três
saltos entre quatro CPEs (1 Mbit/s/4) para
atender à demanda de 240 kbit/s de taxa
de transmissão por localidade. Conforme
apresentado no Item 4.1.1, Subitem f, são
necessárias 2.799 CPEs como repetidoras
e 57 CPEs como gateways (pontos) de
acesso aos clusters. Portanto, são
necessários [57 + (2.799/4) ] = 757
gateways de acesso para escoamento do
tráfego VoIP para a rede de dados;
os itens necessários para os gateways de
acesso e seus valores correspondentes,
extraídos de Oliveira e Petry (2006), são
apresentados na Tabela 6.
Tabela 6 Gateways de acesso para a rede de
dados
Item
Quant.
Unitário R$
Total R$
CPE WiMAX c/
2 saídas de
voz
1.342
836
1.221.912
Roteador
WiMAX
Ethernet
Telefone
público
2.684
2.000
5.368.800
Material
instalação
No break
1.342
200
268.400
1.342
100
268.400
1.342
100
134.200
Material
instalação
de
Mão-de-obra
para instalação
Item
CPE
com
de
Mão-de-obra
para instalação
Unitário R$ Total R$
757
836
632.852
757
100
75.700
757
100
75.700
Total
Total 7.161.712
b) Gateways de acesso para a rede de dados:
considera-se que próximo de cada localidade
não atendida há uma localidade atendida
onde se possa instalar um gateway de
acesso, formado por uma CPE WiMAX
operando no modo mesh, para escoamento
de tráfego à rede convencional de dados.
Neste trabalho, entende-se como dados
apenas tráfego VoIP:
• cada localidade gera um tráfego de 1,3 Erl.
Utilizando a Calculadora VoIP foi possível
encontrar a necessidade de 240 kbit/s de
taxa de transmissão mínima (codec G726)
por localidade;
• com raio de cobertura de 1 km, a
capacidade de taxa de transmissão é de
1 Mbit/s
(em
cada
sentido
da
comunicação). Para a tecnologia WiMAX
operando no modo mesh de forma
distribuída, não se encontrou na literatura
nenhuma referência sobre o valor
resultante da capacidade do sistema em
função do aumento da quantidade de
saltos entre CPEs. Por este motivo,
adotou-se, como hipótese de pior caso, a
46
Quant.
784.252
c) Trunk Gateway e links E1 de acesso à rede
TDM: considera-se que o Trunk Gateway e os
links E1 para acesso da rede WiMAX mesh à
rede convencional de telefonia (TDM) estarão
localizados em um escritório central. A
quantidade desses itens dependerá do tráfego
total cursado:
• a cada 21 Erlangs, será necessário um
link E1 adicional no Trunk Gateway e na
central de comutação telefônica. Como
cada uma das 1.342 localidades geram
um tráfego de 1,3 Erl, são necessários 84
(1.342 x 1,3 / 21) links E1;
• os
itens necessários para esses
investimentos
e
seus
valores
correspondentes, extraídos de Oliveira
(2006), são apresentados na Tabela 7.
Tabela 7 Conexão à rede TDM
Item
Módulo
E1
central
comutação
Quant. Unitário R$
–
de
Módulo E1 – Trunk
Gateway
Total R$
84
3.000
252.000
84
5.000
420.000
Total
672.000
Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 2, n. 2, p. 39-50, jul./dez. 2006
Análise técnica e de custos de implantação de rede WiMAX para provisão de serviços de telefonia
d) Licenças de software para telefonia: para a
execução de VoIP é necessário o
gerenciamento de usuários na Soft Switch.
Considera-se a necessidade de uma licença a
cada grupo de mil usuários no valor de R$
120.000,00. Como são oito usuários e dois
TUPs para cada uma das 1.342 localidades,
são necessárias 14 licenças (1.342 x 10 /
1.000), totalizando um investimento de R$
1.680.000,00.
4.1.4 Investimento total para implantação do
sistema WiMAX no modo mesh
Para o cálculo do total do investimento para
cobertura das 1.342 localidades não atendidas
pelo STFC no Estado de Santa Catarina, com o
sistema WiMAX operando no modo mesh, foram
considerados os seguintes itens:
a) Investimento fixo de R$ 300.000,00.
b) Investimentos modulares:
• equipamentos terminais (CPE) para
desempenhar o papel de repetidores e
pontos de acesso;
• equipamentos terminais (CPE) para os
assinantes;
• telefone de uso público (TUP);
• gateways de acesso para a rede de dados
(backbone);
• Trunk Gateway e links E1 de acesso à
rede TDM;
• licenças de software para telefonia.
Os custos dos investimentos modulares são
apresentados na Tabela 8.
Tabela 8 Custos dos investimentos modulares
Elemento de rede
Custo (R$)
CPEs para repetidoras e
pontos de acesso
2.387.616
CPEs para assinantes
8.975.296
TUP
7.161.712
Gateway de acesso ao
backbone
784.252
Trunk Gateway/links E1
para acesso à rede TDM
672.000
Licenças de software
1.680.000
O total do investimento para cobertura das 1.342
localidades não atendidas pelo STFC no Estado
de Santa Catarina, com o sistema WiMAX
operando
no
modo
mesh,
é
de
R$ 21.960.876,00.
4.2
Modo de operação ponto-multiponto
4.2.1 Considerações relativas à atribuição de
custos da solução PMP
a) Distância de alcance da BS WiMAX para
cobertura com linha de visada (LOS): 27 km
(modulação
QPSK
e
99,95%
de
disponibilidade de serviço). Esse alcance,
apresentado
por
alguns
fabricantes,
representa uma situação de melhor caso e
supõe-se que as antenas da BS WiMAX
estejam montadas em torre e localizadas em
pontos elevados do terreno. Supõe-se
também a utilização de antenas de alto ganho
e montagem outdoor no lado do assinante.
b) Da mesma forma que no caso mesh,
pretende-se atender as 1.342 localidades não
atendidas pelo STFC no Estado de Santa
Catarina. Em cada localidade supõe-se:
• dois terminais de uso público para cada
localidade gerando 500 mErl de tráfego
telefônico;
• oito terminais de acesso individual
gerando 800 mErl de tráfego telefônico.
c) Demanda de tráfego total por localidade:
1,3 Erl, conforme apresentado no Item 3.2.
d) Interconexão com a rede pública de telefonia:
considerando-se que todo o tráfego gerado
pela rede WiMAX no modo PMP é roteado
para a rede pública (STFC) e que o grau de
ocupação dos entroncamentos é de 70%,
calcula-se a necessidade de troncos E1 entre
a rede WiMAX no modo PMP e a rede
pública. Como um E1 corresponde a 30
canais de voz, na máxima ocupação, isso
implica 21 Erl (70% de 30 canais).
4.2.2 Investimentos fixos para a rede WiMAX
no modo PMP
Neste item estão incluídos:
• os custos do transporte dos dados (de VoIP)
no backbone – o caso mais comum é o
transporte do tráfego IP por uma rede SDH,
cuja camada física é uma rede óptica, sendo
necessário
prever
principalmente
os
equipamentos de transmissão óptica, os
equipamentos para agregação do tráfego e os
Add/Drop Multiplexers;
• os custos do sistema de gerência da rede de
transporte;
• os custos do servidor SIP.
Para manter a coerência com as premissas
adotadas na análise do modo mesh, no modo
PMP também foi adotada a hipótese de utilizar o
máximo possível dos recursos já existentes de
uma operadora STFC, tais como a existência de
infra-estrutura de rede, centros de gerência,
Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 2, n. 2, p. 39-50, jul./dez. 2006
47
Análise técnica e de custos de implantação de rede WiMAX para provisão de serviços de telefonia
equipamentos Soft Switch e Trunk Gateway,
pessoal técnico qualificado e uso de software
livre, e, portanto, os custos associados com
Edge, Core e Central Office não foram
contabilizados na análise financeira do WiMAX
no modo PMP.
Os itens relativos ao investimento fixo para rede
WiMAX no modo PMP e seus valores
correspondentes, extraídos de Oliveira e Petry
(2006), são os mesmos atribuídos ao modo
mesh e apresentados na Tabela 4.
4.2.3 Investimentos modulares para a rede
WiMAX no modo PMP
a) Equipamentos terminais de assinante e TUP:
mesmas hipóteses elaboradas no caso mesh,
isto
é,
que
os
investimentos
nos
equipamentos terminais serão realizados pela
própria operadora da rede WiMAX, os custos
de instalação e do aparelho telefônico serão
de responsabilidade do assinante, o valor da
CPE será de R$ 836,00 e os valores dos
TUPs são dados na Tabela 5.
b) Base station WiMAX:
• o preço da BS WiMAX é composto por
R$ 15.400,00 do enlace ponto-a-ponto
entre a BS WiMAX e a core network
(também chamada de backhaul) e
R$ 30.800,00 da BS WiMAX propriamente
dita, equipada com dois canais de 3,5 MHz
para
transmissão
ponto-multiponto,
totalizando R$ 46.200,00;
• considera-se a freqüência de operação da
BS WiMAX,
de acordo com
a
disponibilidade
de
equipamentos
comerciais, de 3,5 GHz, transmitindo em
quadros de 5 ms de forma assimétrica,
intervalo de guarda de 1/8 para ambiente
outdoor, largura de banda de 7 MHz2,
modulação QPSK, taxa de codificação de
¾ e taxa de dados de 4,8 Mbit/s;
• considera-se que a BS WiMAX será
instalada em uma localidade atendida para
minimizar o investimento nos gateways
que fazem o escoamento do tráfego para
a rede convencional de dados;
• se for utilizado o codec G.729A (8 kbit/s),
com taxa de bloqueio de 2%, a taxa de
dados de 4,8 Mbit/s da BS resulta,
segundo a Calculadora VoIP, em um
tráfego total de 186,15 Erl. Considerando o
tráfego total de 1,3 Erl por localidade, a
quantidade
máxima
de
localidades
atendidas por uma BS é de 143
(186,15/1,3);
• se for utilizado o codec G.726 (32 kbit/s),
com taxa de bloqueio de 2%, a taxa de
dados de 4,8 Mbit/s da BS resulta,
segundo a Calculadora VoIP, em um
tráfego total de 87,95 Erl. Considerando o
tráfego total de 1,3 Erl por localidade, a
quantidade
máxima
de
localidades
atendidas por uma BS é de 67 (87,95/1,3);
• dado que o codec G.729A possui
necessidade de licença de utilização e o
codec G.726 é de utilização livre,
considera-se o uso do codec G.726 e,
portanto, cada BS WiMAX cobre no
máximo 67 localidades;
• considerando o raio de cobertura máximo
assumido (27 km) e o número máximo de
localidades atendidas (67), para as BS
WiMAX,
determina-se
que
são
necessárias 64 BSs WiMAX para cobrir
todas as 1.342 localidades não atendidas
pelo STFC no Estado de Santa Catarina,
sendo 14 BSs com raio de cobertura de 20
km (para não exceder a quantidade
máxima de 67 localidades por BS) e 50
BSs com raio de cobertura de 27 km,
conforme Figura 6.
c) Gateway de acesso para a rede de dados: os
itens necessários para o gateway de acesso
do sistema WiMAX no modo PMP e seus
valores correspondentes, extraídos de
Oliveira e Petry (2006) e de WiMAX Forum
(junho 2005), são apresentados na Tabela 9.
Tabela 9 Gateway de acesso para a rede de dados
Item
Quant.
BS WiMAX
Unitário R$
Total R$
64
46.200
2.956.800
64
1.500
96.000
Torres
64
30.000
1.920.000
Energia
64
1.100
70.400
Total
5.043.200
Serviço
instalação
de
d) Trunk Gateway e links E1 de acesso à rede
TDM: considera-se que o Trunk Gateway e os
links E1 para acesso da rede WiMAX PMP à
rede convencional de telefonia (TDM) estarão
localizados em um escritório central em que
fica o ponto de presença (PoP) do sistema. A
quantidade desses itens dependerá do tráfego
total cursado:
• a cada 21 Erlangs será necessário um link
E1 adicional no Trunk Gateway e na
central de comutação telefônica. Como
cada uma das 1.342 localidades gera um
tráfego de 1,3 Erl, são necessários 84
(1.342 x 1,3 / 21) links E1;
• os
itens
necessários para esses
investimentos
e
seus
valores
correspondentes, extraídos de Oliveira e
2 Considera-se essa largura de banda para aumentar a capacidade de atendimento da BS.
48
Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 2, n. 2, p. 39-50, jul./dez. 2006
Análise técnica e de custos de implantação de rede WiMAX para provisão de serviços de telefonia
Figura 6 Distribuição das BSs WiMAX no Estado de Santa Catarina
Petry (2006), são apresentados na
Tabela 10, para 84 links E1 na central de
comutação, 84 links E1 na BS e 168 links
E1 no Edge. A quantidade de links E1 no
Edge é duplicada porque se trata de um
elemento intermediário entre a BS e a
central de comutação.
Tabela 10 Conexão à rede TDM
Item
Quant.
Unitário R$
Módulo
E1
Central
de
comutação
84
3.000
252.000
Módulo E1 BS
WiMAX
84
5.000
420.000
Módulo
Edge
168
5.000
840.000
E1
Total R$
Total 1.512.000
e) Licenças de software para telefonia:
consideram-se as mesmas premissas e os
custos utilizados para o caso mesh, ou seja,
um investimento total de R$ 1.680.000,00.
4.2.4 Investimento total para implantação do
sistema WiMAX no modo PMP
O total do investimento para cobertura das 1.342
localidades não atendidas pelo STFC no Estado
de Santa Catarina, com o sistema WiMAX
operando no modo PMP, é formado por:
a) Investimento fixo de R$ 300.000.
b) Investimentos modulares:
• equipamentos terminais (CPE) para os
assinantes: R$ 8.975.296;
• TUP: R$ 7.161.712;
• gateways de acesso para a rede de dados:
R$ 5.043.200;
• Trunk Gateway e links E1 de acesso à
rede TDM: R$ 1.512.000;
• licenças de software para telefonia:
R$ 1.680.000.
O total do investimento com o sistema WiMAX
operando no modo PMP é de R$ 24.627.208,00.
5
Conclusão
Neste trabalho foi apresentada uma análise
técnica e de custos para implantação de uma
rede WiMAX para atendimento das localidades
sem STFC no Estado de Santa Catarina. Os
custos estimados para implantação da rede
WiMAX no modo mesh (aproximadamente
R$ 22 milhões) foram menores que os do caso
PMP (aproximadamente R$ 24,6 milhões), mas a
diferença é pequena. Um dos fatores que afeta
muito o custo da solução mesh no cenário
analisado é o isolamento e a dispersão das
localidades não atendidas por todo o estado, o
que demanda uma grande quantidade de
repetidoras (2.799) e de pontos de acesso (757)
Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 2, n. 2, p. 39-50, jul./dez. 2006
49
Análise técnica e de custos de implantação de rede WiMAX para provisão de serviços de telefonia
para a rede de dados. No modo de operação
com infra-estrutura (PMP), em razão também da
dispersão das localidades não atendidas por todo
o estado, a operação da rede WiMAX demanda
uma quantidade grande de BSs (64), o que
constitui um componente importante nos custos
de implantação. A implantação da rede WiMAX
no modo mesh apresenta custos mais baixos
que no modo com infra-estrutura pelo fato de
prescindir de alguns elementos onerosos na
infra-estrutura, tais como cell sites. Entretanto,
em determinados cenários, é possível que isso
não ocorra.
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WiMAX FORUM. WiMAX: The business case for
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Junho 2005. (Relatório técnico)
Abstract
This article addresses technical issues and the estimated deployment costs of a WiMAX network,
designed to provide basic telephony services (mainly voice – VoIP) in small villages (suburban or rural
areas), in Santa Catarina State, Brazil, that aren't connected to PSTN. The analysis considers two
different operation modes: mesh and infrastructure. WiMAX and Wi-Fi technologies, specially in mesh
operation modes, are now largely considered as good technological choices to provide voice and data
services in situations where conventional solutions show technical or economical drawbacks. In order to
identify the advantages, drawbacks and limitations of WiMAX technologies, a study of WiMAX deployment
in the above-mentioned cenarios was conducted. This study enumerates all the network elements needed
and the total network rollout cost was estimated, considering mesh and PMP topologies.
Key words: WiMAX. Mesh. Point-to-multipoint. Costs.
50
Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 2, n. 2, p. 39-50, jul./dez. 2006