Rede em malha sem fios de banda larga

Descrição

A conetividade da rede em malha sem fios de banda larga (B-WMN) tornou-se um dos aspectos essenciais da infraestrutura das cidades inteligentes. Apesar da abundância de fibra disponível em ambientes urbanos, fornecer uma infraestrutura com fios para qualquer serviço digital é um esforço dispendioso que exige um planeamento cuidadoso e resulta frequentemente em estruturas estáticas inflexíveis. A implantação de soluções rápidas e flexíveis causa perturbações significativas na vida civil e acarreta custos. As B-WMN visam ultrapassar estes problemas minimizando e/ou eliminando a necessidade de infra-estruturas com fios e utilizando as infra-estruturas urbanas existentes como plataformas para a sua implantação (Egners et al., 2013).

As B-WMN têm baixos custos de instalação e manutenção e facilitam a ligação a todos os locais possíveis em ambientes urbanos ou rurais, independentemente da complexidade do alcance. Existem várias aplicações das B-WMN, como a casa digital, o acesso à Internet de banda larga, a automatização de edifícios, os sistemas médicos e de saúde e as redes de emergência e de catástrofe (Salah & Salleh, 2013). Os funcionários das obras públicas podem utilizar as B-WMN para monitorizar o abastecimento de água e energia, instalando uma rede em malha sem fios nos esgotos, nas instalações de tratamento de água ou nos geradores. Os trabalhadores da segurança pública podem utilizar redes virtuais seguras para se manterem em contacto. Os nós em malha também podem ser montados em postes de iluminação pública, semáforos e outros objectos móveis, 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 de gigabit (semelhantes às da fibra ótica). Consiste em nós de rádio que não precisam de ser ligados a uma porta com fios, como os pontos de acesso sem fios convencionais (Parvin, 2019). As B-WMN têm ganho cada vez mais atenção como um meio atrativo de fornecer conetividade generalizada em complemento do acesso oferecido pelos fornecedores de serviços Internet (FSI) normais. A topologia em malha das B-WMN proporciona uma elevada flexibilidade, até 99,999% de fiabilidade e menos de 2 ms de latência, ideal para aplicações em tempo real com elevada largura de banda, conduzindo assim a uma infraestrutura física que permite ligações flexíveis de encaminhamento e transporte (Matos et al., 2011).

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

Problemas a resolver

Modelo de Valor

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

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

Contexto da Cidade

Em particular, uma cidade inteligente pode ser modelada como uma união de muitas "sub-redes", cada uma delas dedicada a lidar com um aspeto particular da monitorização global da cidade e contando com a utilização de vários sistemas de comunicação com tecnologias heterogéneas (Cilfone et al., 2019).

Através de uma rede Mesh sem fios de banda larga, cada nó comunica com todos os outros nós e cada nó recebe dados de um nó e encaminha-os para o nó seguinte. Os factores a considerar pelas cidades antes da implantação de B-WMNs incluem:

• Mobiliário urbano: A existência de mobiliário urbano facilita a implantação de B-WMNs, por exemplo, postes de iluminação pública e semáforos.
• Linha de visão: As redes em malha de banda larga que funcionam na gama mmWave (incluindo 60 GHz) requerem um meio de transmissão com linha de vista, o que significa que as extremidades de transmissão e receção da ligação devem ter visibilidade mútua para garantir a transmissão. Árvores, edifícios e outras obstruções entre as extremidades de transmissão e receção reduzirão a fiabilidade ou eliminarão completamente a conetividade da ligação. Assim, o planeamento avançado da linha de vista entre locais é essencial em qualquer construção(Perrin, 2020).
• Condições climatéricas: Variam de região para região e as topografias variam de rota para rota. Por conseguinte, deve ser efectuado 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 organismos reguladores aplicáveis devem ser revistas para garantir o seu cumprimento.

Factores de Suporte

Os factores de apoio às B-WMN incluem:

• Facilidade de implantação: Com acesso a energia eléctrica e postes, a instalação e a ativação do local podem ser feitas em menos de 30 minutos, em comparação com os meses de tempo de instalação para a execução de novas redes de fibra ou outras formas de redes cabladas
• Acesso melhorado aos dados: Rede de dados escalável que permite WiFi, LTE/5G privado e acesso fixo sem fios
• Melhor deteção: Câmaras, sensores para a saúde e o ambiente, gestão do tráfego, etc.
• Melhor transporte de dados: Redes de transporte acima do solo
• Aplicações num futuro próximo: Veículos autónomos e redes de drones para cuidados preditivos

Iniciativas do Governo

As iniciativas governamentais que apoiam a implantação de tecnologias que permitem a conetividade 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 objectivos fundamentais para garantir que as soluções digitais ajudem a Europa a seguir o seu próprio caminho rumo a uma transformação digital que funcione em benefício das pessoas. Estes objectivos incluem: 1) Desenvolver e implantar tecnologia que funcione para as pessoas 2) Uma economia justa e competitiva - um mercado único sem atritos, onde empresas de todas as dimensões e em qualquer sector possam competir em igualdade de condições 3) Uma sociedade aberta, democrática e sustentável - um ambiente de confiança em que os cidadãos tenham poder sobre a forma como agem e interagem, e sobre os dados que fornecem tanto em linha como fora de linha(Comissão Europeia).
• Programa Europa Digital: o novo programa de financiamento da UE centrado em levar a tecnologia digital às empresas, aos cidadãos e às administrações públicas. O seu objetivo é 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. No âmbito deste programa, são apoiados projectos 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 Polos de Inovação Digital(Comissão Europeia).
• Iniciativa Internet da Próxima Geração (NGI): Uma iniciativa europeia que visa moldar a Internet do futuro como um ecossistema de plataformas interoperáveis que incorpora os valores que a Europa preza: abertura, inclusividade, transparência, privacidade, cooperação e proteção de dados(Comissão Europeia). A NGI impulsionará a revolução tecnológica e assegurará a adoção progressiva de conceitos e metodologias avançados que abrangem os domínios da inteligência artificial, da Internet das coisas, das tecnologias interactivas e outros, contribuindo simultaneamente para tornar a futura Internet mais centrada no ser humano.
• A estratégia de banda larga da UE: A Comissão Europeia está a apoiar as empresas, os gestores de projectos e as autoridades da UE no aumento da cobertura das redes para atingir os objectivos da sociedade a gigabits da UE. A Broadband Europe promove a estratégia da Comissão em matéria de conetividade para uma sociedade europeia a gigabits até 2025, bem como a visão definida pela Década Digital para a transformação digital da Europa até 2030, com o objetivo de ligar os cidadãos e as empresas europeias a redes de capacidade muito elevada, que permitirão o acesso de todos os cidadãos e empresas da UE a produtos, serviços e aplicações inovadores(Comissão Europeia).

Mapeamento de Stakeholders

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

Potencial de Mercado

O Global Smart Cities Market foi avaliado em 392,9 mil milhões de USD em 2019 e prevê-se que atinja 1380,21 mil milhões de USD em 2030, com uma CAGR de 12,1% entre 2020-2030 (NMSC, 2022). As cidades e os cidadãos exigem uma melhor conetividade. A WMN, enquanto solução para cidades inteligentes, que consiste numa rede de comunicações distribuída por vários nós de malha sem fios, responde a esta procura. Estas tecnologias de rede oferecem uma vantagem significativa em relação às redes sem fios tradicionais, uma vez que não necessitam de cabos ethernet ou de qualquer forma de cablagem física, exceto para o nó de origem. A rede em malha sem fios é auto-configurável, permitindo a integração de novos nós em malha automaticamente, 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 taxa de crescimento anual superior a 15% entre 2020 e 2026. O crescimento do mercado é atribuído à crescente aceitação das redes de 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 por BABLE.

Estrutura de Custos

De acordo com a Heavy Reading(Perrin, 2020), a frequência de 60 GHz compara-se favoravelmente com as opções de espetro de fibra até ao local (FTTP) e de ondas milimétricas licenciadas - embora o custo do equipamento em si não seja o fator principal em nenhum dos casos. No caso das construções FTTP, a Ovum calcula que, em países com mão de obra barata, os custos de construção da rede podem representar 80% ou mais dos custos totais da rede FTTP. Por exemplo, os dados da Comissão Federal de Comunicações (FCC) dos EUA sobre os custos de construção de fibra por milha variam muito, de US$ 20.000 a US$ 100.000 ou mais, dependendo de a fibra ser aérea, de dutos existentes ou de construções completamente novas. Ainda assim, a Heavy Reading acredita que a maioria das decisões sobre fibra versus mmWave não se baseará na análise de custos.

Em vez disso, os operadores escolherão o mmWave quando a fibra simplesmente não for uma opção ou quando o rápido tempo de colocação no mercado for uma consideração fundamental. Como já foi referido, os projectos de construção de fibra podem durar vários meses ou mesmo anos, tendo em conta os prazos de licenciamento e de aprovação municipal. Comparando as bandas de 60 GHz não licenciadas com as bandas de espetro mmWave licenciadas, as comparações de custos de equipamento são ofuscadas pelo maior fator de custo na utilização de espetro licenciado - os custos das próprias licenças. Os leilões do espetro de 24 GHz e 28 GHz nos EUA geraram receitas de 2,7 mil milhões de dólares, principalmente dos operadores móveis de nível 1(Perrin, 2020).

A estrutura de custos associada à implantação de uma rede mesh 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 B-WMNs (Egners, 2014).

Requisitos Legais

• Diretiva 2013/752/UE: O principal objetivo do documento político é restringir os níveis de potência de transmissão para garantir que não interferem 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 radiada equivalente (EIRP) e a densidades de EIRP de 13 dBm/MHz. As instalações fixas exteriores estão excluídas do cumprimento destas restrições. Além disso, garantirá que estes equipamentos de curto alcance não se tornem uma fonte séria de interferências nas ligações de retorno na banda dos 57 GHz aos 64 GHz.
• ECC/REC/(09)01: O Comité das Comunicações Electrónicas (ECC) da Conferência Europeia das Administrações Postais e de Telecomunicações (CEPT) fornece algumas recomendações sobre a utilização da banda de frequências 57-64 GHz para sistemas fixos sem fios ponto-a-ponto. Também fornece requisitos de potência isotrópica radiada equivalente (EIRP) para sistemas fixos ponto-a-ponto que funcionam 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 operando nas faixas de frequência de 1,3 GHz a 86 GHz; e normas harmonizadas que cobrem os requisitos essenciais do artigo 3.2 da Diretiva 2014/53/UE.
• Reino Unido: Em 2010, o Gabinete de Comunicações do Reino Unido (OFCOM) aprovou a utilização não licenciada do espetro de 57-64 GHz. Embora a atribuição do espetro siga a norma da Federal Communications Commission (EIRP máxima de +55 dBm), a potência máxima de condução de +10 dBm e o ganho mínimo de antena de +30 dBi são modelados segundo a norma europeia ETSI.

Dados e Normas

• Norma WiGig: É alternativamente conhecida como Wi-Fi de 60 GHz e refere-se a um conjunto de protocolos de rede sem fios 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 multi-gigabit. Permite aplicações de dados, visualização e áudio sem fios de elevado desempenho que complementam as capacidades dos anteriores dispositivos LAN sem fios.
• Norma WirelessHD: Também conhecida como UltraGig, é uma norma proprietária da Silicon Image (originalmente SiBeam) para transmissão sem fios de conteúdos de vídeo de alta definição para produtos electrónicos de consumo. Baseia-se num canal de 7 GHz na banda de rádio de 60 GHz de frequência extremamente alta. Permite a transmissão digital ligeiramente comprimida (codec proprietário sem fios com reconhecimento de ligação) ou não comprimida de sinais de vídeo, áudio e dados de alta definição, tornando-o essencialmente equivalente a um HDMI sem fios.
• IEEE 802.15.3c: A primeira norma sem fios do IEEE na banda de 60 GHz (onda mm). Fornece três modos de camada física (PHY) para segmentos de mercado específicos, com taxas de dados obrigatórias superiores a 1 Gb/s. Durante o período de desenvolvimento da norma, foram também feitas novas contribuições para a tecnologia de comunicações sem fios, incluindo um novo modelo de canal, um esquema de formação de feixes baseado em livros de códigos e um método de agregação de baixa latência.
• Especificações ETSI ISG para a transmissão de ondas mm (MWT): O Instituto Europeu de Normas de Telecomunicações publicou vários livros brancos e especificações de grupo e analisou a regulamentação mundial para a banda V (57 a 66 GHz) e a banda E (71 a 86 GHz), a maturidade da tecnologia, as aplicações e os casos de utilização da transmissão por ondas milimétricas.