Rede em malha sem fios de banda larga

Descrição

A conectividade através de redes em malha sem fios de banda larga (B-WMN) tornou-se um dos aspetos essenciais da infraestrutura das cidades inteligentes. Apesar da abundância de fibra disponível em ambientes urbanos, a implementação de uma infraestrutura com fios para qualquer serviço digital constitui um empreendimento dispendioso que requer um planeamento cuidadoso e que, frequentemente, resulta em estruturas estáticas e inflexíveis. A implementação rápida e flexível de soluções provoca perturbações significativas na vida civil e acarreta custos elevados. As B-WMN visam superar estes problemas, minimizando e/ou eliminando a necessidade de infraestruturas com fios e utilizando as infraestruturas urbanas existentes como plataformas para a sua implementação (Egners et al., 2013).

As B-WMNs apresentam baixos custos de instalação e manutenção e facilitam a ligação a todos os locais possíveis em ambientes urbanos ou rurais, independentemente da complexidade do acesso. Existem várias aplicações das B-WMNs, tais como a casa digital, o acesso à Internet de banda larga, a automação de edifícios, os sistemas de saúde e médicos, e as redes de emergência e de resposta a catástrofes (Salah & Salleh, 2013). Os responsáveis pelas obras públicas podem utilizar as B-WMNs para monitorizar os seus abastecimentos de água e energia, instalando uma rede em malha sem fios em esgotos, estações de tratamento de água ou geradores. Os profissionais de segurança pública podem utilizar redes virtuais seguras para se manterem em contacto. Os nós de malha também podem ser montados em postes de iluminação, semáforos e outros objetos em movimento; o que cria uma oportunidade para que vários dispositivos sejam ligados à rede em malha em caso de emergência (BasuMallick, 2022).

A B-WMN é uma infraestrutura que consiste numa rede de routers que comunicam entre si sem fios a velocidades da ordem dos gigabits (semelhantes às da fibra ótica). É constituída por nós de rádio que não necessitam de ser ligados por cabo a uma porta com fios, ao contrário dos pontos de acesso sem fios convencionais (Parvin, 2019). As B-WMN têm vindo a ganhar cada vez mais atenção como um meio atraente para proporcionar conectividade generalizada, em complemento ao acesso oferecido pelos fornecedores de serviços de Internet (ISP) habituais. A topologia em malha das B-WMNs proporciona elevada flexibilidade, fiabilidade até 99,999% e latência inferior a 2 ms, sendo ideal para aplicações em tempo real que exigem elevada largura de banda, conduzindo assim a uma infraestrutura física que permite ligações flexíveis de encaminhamento e transporte (Matos et al., 2011).

Infraestrutura de B-WMN em áreas urbanas (Cilfone et al., 2019)

Problemas a resolver

Modelo de Valor

Vantagens de uma rede em malha sem fios de banda larga (BABLE, 2022)

Custos de uma rede sem fios em malha de banda larga (BABLE, 2022)

Contexto da Cidade

Em particular, uma cidade inteligente pode ser modelada como uma união de várias «sub-redes», cada uma delas dedicada a gerir um aspeto específico da monitorização global da cidade e que recorre à utilização de vários sistemas de comunicação com tecnologias heterogéneas (Cilfone et al., 2019).

Através de uma Rede em Malha Sem Fios de Banda Larga (B-WMN), cada nó comunica com todos os outros nós, e cada nó recebe dados de um nó enquanto os reencaminha para o nó seguinte. Os fatores a ter em conta pelas cidades antes da implantação de B-WMNs incluem:

• Equipamento urbano: A existência de equipamento urbano facilita a implantação de redes B-WMN, por exemplo, postes de iluminação e semáforos.
• Linha de visão: As redes em malhade banda larga que operam na gama de ondas milimétricas (incluindo 60 GHz) requerem um meio de transmissão com linha de visão, o que significa que as extremidades de transmissão e receção da ligação devem ter visibilidade mútua para garantir a transmissão. Árvores, edifícios e outros obstáculos entre as extremidades de transmissão e receção reduzirão a fiabilidade ou eliminarão por completo a conectividade da ligação. Assim, um planeamento avançado da linha de visão entre locais é essencial em qualquer projeto de construção (Perrin, 2020).
• Condições climáticas: Estas variam de região para região e as topografias variam de percurso para percurso. Deve, por conseguinte, ser realizado um planeamento cuidadoso do local para compreender quaisquer limitações existentes com base no contexto local.
• Normas e regulamentos: As normas estabelecidas pelas autoridades centrais e pelos organismos reguladores competentes devem ser analisadas para garantir a conformidade.

Factores de Suporte

Entre os fatores que favorecem as B-WMNs contam-se:

• Facilidade de implementação: Com acesso a energia elétrica e postes, a instalação no local e a ativação podem ser realizadas em menos de 30 minutos, em comparação com meses de tempo de instalação necessários para a implantação de novas redes de fibra ótica ou outras formas de redes com fios
• Melhor acesso aos dados: rede de dados escalável que permite Wi-Fi, LTE/5G privado e acesso sem fios fixo
• Melhor deteção: câmaras, sensores para a saúde e o ambiente, gestão do tráfego, etc.
• Melhor transporte de dados: redes de transporte à superfície
• Aplicações num futuro próximo: veículos autónomos e redes de drones para cuidados de saúde preditivos

Iniciativas do Governo

As iniciativas governamentais que apoiam a implantação de tecnologias que permitem a conectividade de alta velocidade e o acesso digital incluem:

• A Estratégia Digital da UE: a estratégia da Comissão Europeia para moldar o futuro digital da Europa. Nos próximos cinco anos, a Comissão centrar-se-á em três objetivos-chave para garantir que as soluções digitais ajudem a Europa a trilhar o seu próprio caminho rumo a uma transformação digital que beneficie as pessoas. Estes incluem: 1) Desenvolver e implementar tecnologias que sirvam as pessoas 2) Uma economia justa e competitiva — um mercado único sem barreiras, onde empresas de todas as dimensões e de qualquer setor possam competir em igualdade de condições; 3) Uma sociedade aberta, democrática e sustentável — um ambiente de confiança no qual os cidadãos tenham autonomia sobre a forma como agem e interagem, bem como sobre os dados que fornecem, tanto online como offline (Comissão Europeia).
• Programa «Europa Digital»: o novo programa de financiamento da UE centrado na disponibilização de tecnologia digital às empresas, aos cidadãos e às administrações públicas. Tem como objetivo acelerar a recuperação económica e moldar a transformação digital da sociedade e da economia europeias, trazendo benefícios para todos, mas em particular para as pequenas e médias empresas. Este programa apoia projetos em cinco áreas-chave de capacidade: supercomputação, inteligência artificial, cibersegurança, competências digitais avançadas e garantia de uma ampla utilização das tecnologias digitais em toda a economia e sociedade, nomeadamente através dos Centros de Inovação Digital (Comissão Europeia).
• Iniciativa «Internet de Próxima Geração» (NGI): Uma iniciativa europeia que visa moldar a Internet do futuro como um ecossistema de plataformas interoperáveis que incorpore os valores que a Europa preza: abertura, inclusão, transparência, privacidade, cooperação e proteção de dados (Comissão Europeia). A NGI impulsionará a revolução tecnológica e garantirá a adoção progressiva de conceitos e metodologias avançados que abrangem os domínios da inteligência artificial, da Internet das Coisas, das tecnologias interativas e muito mais, contribuindo simultaneamente para tornar a Internet do futuro mais centrada no ser humano.
• A Estratégia da UE para a Banda Larga: A Comissão Europeia está a apoiar as empresas, os gestores de projetos e as autoridades da UE no aumento da cobertura das redes, a fim de alcançar os objetivos da «Sociedade Gigabit» da UE. A iniciativa «Banda Larga na Europa» promove a estratégia da Comissão sobre «Conectividade para uma Sociedade Gigabit Europeia» até 2025, bem como a visão definida pela «Década Digital para a Europa» para a transformação digital até 2030, com o objetivo de ligar os cidadãos e as empresas europeias a redes de capacidade muito elevada, o que permitirá o acesso a produtos, serviços e aplicações a todos os cidadãos e empresas em toda a UE (Comissão Europeia).

Mapeamento de Stakeholders

Mapa das partes interessadas de um sistema B-WMN (BABLE, 2022)

Potencial de Mercado

O mercado global das cidades inteligentes foi avaliado em 392,9 mil milhões de dólares em 2019 e prevê-se que atinja 1380,21 mil milhões de dólares até 2030, com uma taxa de crescimento anual composta (CAGR) de 12,1% entre 2020 e 2030 (NMSC, 2022). As cidades e os cidadãos exigem uma melhor conectividade. A WMN, enquanto solução para cidades inteligentes, composta por uma rede de comunicação distribuída por vários nós de malha sem fios, satisfaz esta exigência. Estas tecnologias de rede oferecem uma vantagem significativa em relação às redes sem fios tradicionais, uma vez que não necessitam de cabos Ethernet nem de qualquer tipo de cablagem física, exceto no nó de origem. A rede em malha sem fios é autoconfigurável, permitindo a integração automática de novos nós de malha sem necessidade de administração da rede. (Global Market Insights, 2019).

A dimensão do mercado das redes em malha sem fios ultrapassou os 2 mil milhões de dólares em 2019 e deverá crescer a uma TAEG superior a 15% entre 2020 e 2026. O crescimento do mercado deve-se à crescente adoção de redes em malha sem fios, devido às suas capacidades de rede fiáveis, incluindo uma transmissão de dados mais rápida e uma implementação de rede mais fácil (Global Market Insights, 2019).

Potencial de mercado (Global Market Insights, 2019). Imagem modificada pela BABLE.

Estrutura de Custos

De acordo com a Heavy Reading (Perrin, 2020), a banda de 60 GHz apresenta vantagens em comparação tanto com a fibra até às instalações (FTTP) como com as opções de espectro de ondas milimétricas (mmWave) licenciadas — embora o custo do próprio equipamento não seja o fator principal em nenhum dos casos. No que diz respeito às instalações de FTTP, a Ovum estima que, em países com custos de mão de obra elevados, os custos de construção da rede possam representar 80 % ou mais dos custos totais da rede FTTP. Por exemplo, os dados da Comissão Federal de Comunicações dos EUA (FCC) relativos aos custos de construção de fibra por milha variam amplamente entre 20 000 e mais de 100 000 dólares, dependendo de se tratar de fibra aérea, de condutas existentes ou de construções totalmente novas. Ainda assim, a Heavy Reading acredita que a maioria das decisões entre fibra e mmWave não se baseará numa análise de custos.

Em vez disso, as operadoras optarão pelas ondas milimétricas quando a fibra simplesmente não for uma opção ou quando a rapidez na entrada no mercado for uma consideração fundamental. Conforme referido anteriormente, os projetos de construção de fibra ótica podem demorar desde vários meses até mesmo anos, tendo em conta os prazos para a obtenção de licenças e aprovações municipais. Ao comparar as bandas de espectro não licenciadas de 60 GHz com as bandas de mmWave licenciadas, as comparações de custos de equipamento são ofuscadas pelo maior fator de custo na utilização do espectro licenciado — os custos das próprias licenças. Os leilões do espectro de 24 GHz e 28 GHz nos EUA geraram 2,7 mil milhões de dólares em receitas, provenientes principalmente de operadoras móveis de nível 1 (Perrin, 2020).

A estrutura de custos associada à implantação de uma rede em malha sem fios de banda larga é apresentada na figura abaixo:

Estrutura de Custos para a Implantação de B-WMN (BABLE, 2022)

Modelos de Funcionamento

Modelos operacionais para as B-WMNs (Egners, 2014).

Requisitos Legais

• Diretiva 2013/752/UE: O principal objetivo do documento de orientação consiste em limitar os níveis de potência de transmissão, de modo a garantir que não interfiram com outros equipamentos sem fios. No caso dos dispositivos de curto alcance que operam na banda de 57 GHz a 66 GHz, estes estão limitados a 40 dBm de Potência Isotrópica Equivalente Radiada (EIRP) e a densidades de EIRP de 13 dBm/MHz. As instalações fixas no exterior estão isentas do cumprimento destas restrições. Além disso, garantirá que estes dispositivos de curto alcance não se tornem uma fonte grave de interferência para as ligações de backhaul na banda de 57 GHz a 64 GHz.
• ECC/REC/(09)01: O Comité de Comunicações Eletrónicas (ECC) no âmbito da Conferência Europeia das Administrações Postais e de Telecomunicações (CEPT) apresenta algumas recomendações relativas à utilização da banda de frequências de 57-64 GHz para sistemas sem fios fixos ponto a ponto. Estabelece igualmente requisitos relativos à Potência Equivalente de Radiação Isotrópica (EIRP) para sistemas fixos ponto a ponto que operam nesta gama de frequências.
• ETSI EN 302 217-2: Norma europeia harmonizada para sistemas de rádio fixos; características e requisitos para equipamentos e antenas ponto a ponto; sistemas digitais que operam nas bandas de frequência de 1,3 GHz a 86 GHz; e normas harmonizadas que abrangem os requisitos essenciais do artigo 3.º, n.º 2, da Diretiva 2014/53/UE.
• Reino Unido: Em 2010, o Gabinete de Comunicações do Reino Unido (OFCOM) aprovou a utilização sem licença do espectro de 57 a 64 GHz. Embora a atribuição do espectro siga a norma da Comissão Federal de Comunicações (EIRP máxima de +55 dBm), a potência conduzida máxima de +10 dBm e o ganho mínimo da antena de +30 dBi seguem o modelo da norma europeia do ETSI.

Dados e Normas

• Norma WiGig: É também conhecida como Wi-Fi de 60 GHz e refere-se a um conjunto de protocolos de rede sem fios na banda de 60 GHz. Inclui a norma IEEE 802.11ad e a norma IEEE 802.11ay. A especificação WiGig permite que os dispositivos comuniquem sem fios a velocidades de vários gigabits. Permite aplicações sem fios de dados, vídeo e áudio de alto desempenho que complementam as capacidades dos dispositivos LAN sem fios anteriores.
• Padrão WirelessHD: Também é conhecido como UltraGig e constitui um padrão proprietário da Silicon Image (originalmente SiBeam) para a transmissão sem fios de conteúdos de vídeo de alta definição destinados a produtos de eletrónica de consumo. Baseia-se num canal de 7 GHz na banda de rádio de frequência extremamente elevada (EHF) de 60 GHz. Permite a transmissão digital ligeiramente comprimida (codec proprietário sensível à ligação sem fios) ou não comprimida de sinais de vídeo, áudio e dados de alta definição, tornando-a, essencialmente, equivalente a uma ligação HDMI sem fios.
• IEEE 802.15.3c: O primeiro padrão sem fios do IEEE na banda de 60 GHz (ondas milimétricas). Oferece três modos de camada física (PHY) para segmentos de mercado específicos, com velocidades de transmissão de dados obrigatórias superiores a 1 Gb/s. Durante o período de desenvolvimento da norma, foram também feitas novas contribuições para a tecnologia de comunicação sem fios, incluindo um novo modelo de canal, um esquema de formação de feixes baseado em livro de códigos e um método de agregação de baixa latência.
• Especificações do ETSI ISG para a transmissão por ondas milimétricas (MWT): O Instituto Europeu de Normalização das Telecomunicações publicou vários livros brancos e especificações de grupo e analisou a regulamentação mundial relativa às bandas V (57 a 66 GHz) e E (71 a 86 GHz), bem como a maturidade tecnológica, as aplicações e os casos de utilização da transmissão por ondas milimétricas.