Acesso residencial em banda larga - NCE/UFRJ · LMDS Local Multipoint Distribution System MAC Media Access Control MAN Metropolitan Area Network MDSL Medium speed data rate Digital

Universidade Federal do Rio de Janeiro Núcleo de Computação Eletrônica

Mestrado em Informática

Disciplina: MAB 735 Professor: Paulo Aguiar

Acesso residencial em banda larga

Agosto de 2000

Autor:

Edmundo Lopes Cecílio


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Glossário 2B1Q Two Binary One Quaternary AD/DA Analógico para Digital / Digital para Analógico ADSL Asymmetric Digital Subscriber Line AMI Alternate Mark Inversion ANSI American National Standards Institute AO/DI Always On / Dynamic ISDN ATM Asyncrhonous Transfer Mode CAP Carrierless Amplitude Phase CDMA Code Division Multiple Access CMTS Cable Modem Termination System CSMA/CD Carrier Sense Multiple Access / Colision Detection DAVIC Digital Audio Visual Council DBS Direct Broadcast Satellite DES Data Encryption System DMT Discrete Multi-Tone DOCSIS Data Over Cable Interface Specification DSLAM Digital Subscriber Line Access Multiplexer DVB Digital Vídeo Bropadcasting DVI Digital Video Óbice ERB Estação Rádio Base FDM Frequency Division Multiplexing FSAN Full Service Access Network HDSL High-speed data rate Digital Subscriber Line HFC Hybrid Fiber Coax IP Internet Protocol ISDL ISDN Digital Subscriber Line ISDN Integrated Service Digital Network LCDS Local Communication Distribution System LLC Logica Link Control LMDS Local Multipoint Distribution System MAC Media Access Control MAN Metropolitan Area Network MDSL Medium speed data rate Digital Subscriber Line MMDS Multichannel Multipoint Distribution System NAT Network Address Translator NT Network Terminator ONU Optical Network Unit PAM Pulse Amplitude Modulation PDU Protocol Data Unit POTS Plain Old Telephone System PSTN Public Switched Telephone Network QAM Qaudrature Amplitude Modulation QPSK Quadrature Phase Shift Keying RADSL Rate Adaptative Digital Subscriber Line RDSI Rede Digital de Serviços Integrados SDSL Symmetric Digitasl Subscriber Line SGBD Sistema Gerenciador de Banco de Dados SHDSL Symmetric High-speed data rate Digital Subscriber Line STM Synchronous Transfer Mode TDM Time Division Multiplexing TDMA Time Division Multiple Access UTP Unshielded Twisted Pair VDSL Very high-speed data rate Digital Subscriber Line


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Sumário

GLOSSÁRIO ......................................................................................................................................... 2

SUMÁRIO.............................................................................................................................................. 3

ÍNDICE DE FIGURAS......................................................................................................................... 4

ÍNDICE DE TABELAS ........................................................................................................................ 4

RESUMO ............................................................................................................................................... 5

1. INTRODUÇÃO ................................................................................................................................. 5

2. UM MODELO DE SERVIÇO RESIDENCIAL DE BANDA LARGA........................................ 6

3. OPÇÕES PARA A REDE DE ACESSO......................................................................................... 7 3.1. OPÇÕES BASEADAS EM INFRA-ESTRUTURA TELEFÔNICA............................................................. 8

3.1.1. IDSL: ISDN Digital Subscriber Loop................................................................................... 8 3.1.2. ADSL: Asymmetric Digital Subscriber Loop........................................................................ 9 3.1.3. SHDSL - Symetric High speed data rate DSL .................................................................... 12 3.1.4. VDSL: Very high-speed Digital Subscriber Loop............................................................... 14 3.1.5. Apreciação das soluções xDSL........................................................................................... 15

3.2. OPÇÃO BASEADA EM INFRA-ESTRUTURA DE TV A CABO .......................................................... 16 3.2.1. Utilização do espectro ........................................................................................................ 18 3.2.2. Controle de acesso ao meio................................................................................................ 19 3.2.3. Segurança da informação................................................................................................... 20

3.3. OPÇÃO BASEADA EM INFRA-ESTRUTURA DE DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA ................. 20 3.4. OPÇÕES BASEADAS EM REDES SEM FIO ...................................................................................... 20

3.4.1. DBS – Direct Broadcast Satellite ....................................................................................... 20 3.4.2. MMDS – Multi-chanel Multipoint Distribution Service ..................................................... 21 3.4.3. LMDS ou LCMS – Local Multipoint (Communications) Distribution Service................... 22

4. A REDE INTERNA......................................................................................................................... 23 4.1. REQUISITOS ................................................................................................................................ 24 4.2. COMPARTILHAMENTO DO ACESSO ............................................................................................. 24 4.3. CABEAMENTO E CONTROLE DE ACESSO AO MEIO ...................................................................... 25

5. ARQUITETURA DE PROTOCOLOS PARA A CONVERGÊNCIA DE SERVIÇOS ........... 26 5.1. CONVERGÊCIA VIA PLANTA DE CABOS TELEFÔNICOS................................................................ 26 5.2. CONVERGÊNCIA VIA PLANTA DE CABEAMENTO HFC................................................................ 27 5.3. INTEGRAÇÃO DE SERVIÇOS SOBRE ATM: TRABALHO DO FÓRUM ATM ................................... 28

6. QUESTÕES EM ABERTO ............................................................................................................ 28

7. CONCLUSÃO ................................................................................................................................. 29

REFERÊNCIAS .................................................................................................................................. 32


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Índice de figuras

Figura 1 – Um modelo de serviço residencial de banda larga................................................................. 6 Figura 2 - Arquitetura geral da solução IDSL......................................................................................... 9 Figura 3 - Arquitetura da solução ADSL .............................................................................................. 10 Figura 4 - Utilização do espectro da solução ADSL ............................................................................. 11 Figura 5 - Taxa de bits por baud na codificação DMT.......................................................................... 11 Figura 6 – A taxa de downstream e o alcance da linha do assinante..................................................... 12 Figura 7 - Arquitetura geral das soluções HDSL, HDSL-2, SDSL e SHDSL ...................................... 13 Figura 8 - Arquitetura geral da solução VDSL ..................................................................................... 15 Figura 9 - Comparação das soluções xDSL (exclui VDSL).................................................................. 16 Figura 10 - Planta de TV a cabo tradicional.......................................................................................... 16 Figura 11 - Planta de TV a cabo baseada em HFC................................................................................ 17 Figura 12 - Arquitetura para provimento de acesso via planta HFC ..................................................... 17 Figura 13 - Distribuição do espectro da planta HFC............................................................................. 18 Figura 14 - Arquitetura dos níveis físico e de enlace da especificação DOCSIS.................................. 19 Figura 15 - Arquitetura geral da solução via DBS ................................................................................ 21 Figura 16 - Ilustração da arquitetura da solução MMDS ...................................................................... 22 Figura 17 - Ilustração da organização do serviço LMDS...................................................................... 23 Figura 18 - Arquitetura geral da rede interna ........................................................................................ 24 Figura 19 - Arquitetura da especificação HomePNA............................................................................ 25 Figura 20 - Utilização do espectro da solução HomePNA.................................................................... 26 Figura 21 – Uma arquitetura de protocolos para integração de serviços.............................................. 27 Figura 22 - Arquitetura geral para a integração de serviços via planta HFC ........................................ 28 Figura 23 - Arquitetura de referência para a integração de serviços fim a fim via ATM ..................... 28 Figura 24 - Expectativa de penetração das soluções de acesso ............................................................. 30

Índice de Tabelas Tabela 1 - Principais diferenças entre ADSL e ADSL Lite .................................................................. 12 Tabela 2 - Taxas VDSL em função da distância ................................................................................... 15 Tabela 3 - Codificações de Nível Físico Utilizadas em Plantas HFC ................................................... 18 Tabela 4 - Evolução das tecnologias de acesso ..................................................................................... 29


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Resumo

Os dias atuais vêm sendo marcados por constantes citações ao acesso em banda larga. Este trabalho tem por objetivo apresentar, inicialmente, um modelo de arquitetura de redes que viabilize o acesso residencial em banda larga. A rede de acesso propriamente dita será então detalhada, tendo as principais características das soluções técnicas – xDSL, modem cabo, sem fio e rede elétrica – em implementação ou sendo consideradas, apresenta-das. Os problemas e requisitos das redes internas às residências são tam-bém comentados. Ao final, são apontadas as opções que estão sendo discuti-das em órgãos da área para a convergência de serviços fim a fim.

1. Introdução No início dos anos 90 grandes iniciativas foram tomadas pelas operadoras de redes públicas no sentido de que fosse viável o fornecimento de serviços de televisão interativa nas residências. Tecnologias fo-ram desenvolvidas e experimentos práticos foram implementados. No entanto, em meados da mesma década ficou claro que essa não era uma aplicação cuja demanda estimada justificasse os altos inves-timentos necessários a sua disponibilização. Houve então uma tendência ao abandono das pesquisas em curso. Em contrapartida, foi nesta mesma época que a demanda para acesso à Internet, em especial à WWW explodiu.

Foi percebido que a utilização da rede telefônica, tendo como base a comutação de circuitos, para o acesso à Internet não era, claramente, uma boa solução. A taxa obtida é pequena demais, em função da limitação que é imposta à banda passante pelos equipamentos utilizados na telefonia tradicional. Ain-da, o emprego da comutação de circuitos para o transporte do tráfego de acesso à Web, que é tipica-mente em rajadas, é ineficiente. Além disso, a rede telefônica foi planejada para conexões que duram, em média, poucos minutos, enquanto uma conexão à Internet pode levar horas. Na mesma época (me-ados dos anos 90) houve também grande popularização do uso da multimídia. Houve então um cla-mor, tanto de clientes quanto de provedores, pelo acesso residencial com maiores taxas e ao surgimen-to da necessidade, do ponto de vista das operadoras, de liberar a rede telefônica do uso para acesso às redes de dados, sejam a Internet (Web) ou redes corporativas.

As soluções que estão em uso ou ainda encontram-se em fase de pesquisa para o acesso residencial em banda larga podem ser organizadas em 4 categorias: baseadas no uso da planta de cabos telefônicos, baseadas na planta de TV a cabo, baseadas na planta de distribuição de eletricidade e baseadas em re-des sem fio.

Na Seção 2 será apresentado um modelo genérico de acesso residencial em banda larga. Nesse modelo são identificados os principais tipos de rede que devem existir. A rede de acesso, que é aquela que, e-fetivamente, viabiliza o acesso residencial em banda larga, é definida. Na seção seguinte são apresen-tadas as tecnologias referentes às principais soluções para implementação da rede de acesso. Caracte-rísticas relativas às codificações de nível físico, equipamentos necessários, protocolos de nível 2 utili-zados, taxas obtidas e compartilhamento, entre outras, são discutidas. Na Seção 4, os requisitos, pro-blemas e principais propostas de solução para a rede interna às residências são considerados. As ques-tões referentes à arquitetura de protocolos fim a fim, ou seja, entre os provedores de serviços e conteú-dos e os equipamentos nas residências, que estão sendo consideradas para a convergência1, serão dis-cutidas na Seção 5. Finalmente, na conclusão, são apresentadas algumas perspectivas. Cabe destacar que, para todas as tecnologias discutidas, serão ressaltados os detalhes referentes às iniciativas de pa-dronização das soluções já em uso ou em fase de concepção.

1 Integração dos tráfegos de dados oriundos de aplicações textuais, de áudio e de vídeo.


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Deve ser considerado que, além de aplicáveis ao acesso residencial, todas as opções discutidas nesse trabalho podem ser aplicadas também à viabilização do acesso em banda larga para empresas. Na rea-lidade, algumas das soluções, como poderá ser percebido em função das taxas possíveis de serem im-plementadas, se destinarão prioritariamente ao acesso empresarial, como é o caso da tecnologia VDSL, sem que, no entanto, sejam descartadas para o acesso residencial.

2. Um modelo de serviço residencial de banda larga O ITU-T define [19] serviços de banda larga como sendo aqueles que requeiram canais de transmissão capazes de oferecer o suporte à taxas maiores do que 2,048 Mbps2. Atualmente, no entanto, o termo banda larga tem sido empregado popularmente para significar o acesso a redes de dados com quais-quer taxas, desde que superiores àquelas dos modems analógicos, ou seja, maiores do que 33,6 Kbps para upstream (do usuário para o provedor) e 56 Kbps para downstream (do provedor para o usuário). Sendo assim, serão também apresentadas nesse trabalho soluções de acesso que, oficialmente, segundo o ITU-T, não seriam de banda larga, mas que, no entanto, são aderentes à classificação popular de banda larga.

Um modelo [1] para a arquitetura de serviço residencial de banda larga é apresentado na Figura 1.

Figura 1 – Um modelo de serviço residencial de banda larga

O tráfego existente entre um equipamento terminal (computador, set-top box3, telefone, etc) situado em uma residência e o provedor de um serviço passa por cinco redes diferentes:

1. A rede do provedor de serviços.

2. A rede regional de banda larga.

3. A rede do head-end ou central telefônica do provedor do serviço de acesso.

4. A rede de acesso ou de distribuição.

5. A rede interna à residência. 2 A definição formal especifica taxas maiores do que o acesso primário da ISDN, cujos detalhes serão apresentados na Seção 3. Nos EUA a taxa do acesso primário é 1,544 Mbps. 3 Set top box é o equipamento decodifcador de vídeo dos serviços de TV por assinatura.

InternetInternet

RedesRedesInternasInternas

Centro Centro OperacionalOperacionalRegionalRegional

Provedores Provedores de de ServiçosServiços

RedesRedesCorporativasCorporativas

ISP (POP)ISP (POP)Serviços DiversosServiços Diversos

Rede Rede dedeBandaBandaLargaLarga

RegionalRegional

Provedores Provedores dedeRede Rede de de AcessoAcesso

Rede Rede dedeAcessoAcesso

Head EndHead End

ServiçosServiçosLocaisLocais

Convergência ?Convergência ?Taxas ?Taxas ?QoS QoS ??Interoperabilidade ?Interoperabilidade ?CacheCache Web Web ??Segurança ?Segurança ?

InternetInternetInternetInternet

RedesRedesInternasInternas




Provedores Provedores de de ServiçosServiçosProvedores Provedores de de ServiçosServiços




ISP (POP)ISP (POP)ISP (POP)ISP (POP)ISP (POP)ISP (POP)Serviços DiversosServiços DiversosServiços DiversosServiços DiversosServiços DiversosServiços DiversosServiços DiversosServiços Diversos

Rede Rede dedeBandaBandaLargaLarga

RegionalRegional

Provedores Provedores dedeRede Rede de de AcessoAcessoProvedores Provedores dede

Rede Rede de de AcessoAcessoProvedores Provedores dede

Rede Rede de de AcessoAcesso

Rede Rede dedeAcessoAcesso

Head EndHead EndHead EndHead End



Convergência ?Convergência ?Taxas ?Taxas ?QoS QoS ??Interoperabilidade ?Interoperabilidade ?CacheCache Web Web ??Segurança ?Segurança ?


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A rede do provedor de serviços é formada, tipicamente, por uma ou mais redes locais de alta velocida-de interconectadas. Elas interligam equipamentos do tipo, servidores de vídeo e áudio, servidores WWW com conteúdo de banda larga, SGBD multimídia, etc. Esta rede pode estar conectada a redes legadas, como por exemplo, a rede telefônica tradicional, quando for o caso do provimento de serviços de voz sobre IP, ou às redes de distribuição de vídeo analógico.

A rede regional de banda larga é, normalmente, um backbone situado no interior de uma cidade ou de uma grande região metropolitana. Suas principais finalidades são interligar as redes dos provedores de serviços às redes dos head-end dos provedores de rede de acesso e interligar esses provedores a back-bones de níveis nacional e internacional.

A rede do head-end é utilizada para a interligação dos equipamentos que servem como concentradores, multiplexadores e roteadores para os acessos das residências aos servidores locais dos provedores de serviço de acesso. Esses servidores implementam funcionalidades do tipo autenticação, administração, gerenciamento, cache de conteúdo e firewall, entre outras. A principal finalidade da rede do head-end é realizar o roteamento tanto do tráfego entre usuários da sua rede de acesso, quanto do tráfego desses usuários para a rede regional de banda larga. No caso das soluções baseadas na rede telefônica, essa rede poderá estar situada nas centrais telefônicas de grande porte e/ou interligar equipamentos situados em centrais de pequeno porte. Conforme será citado posteriormente, alguns dos equipamentos dessa rede poderão estar instalados remotamente. Dependendo dos serviços disponibilizados pela rede de acesso, a rede do head-end pode também servir como gateway para redes legadas como, por exemplo, a rede telefônica tradicional.

A rede de acesso ou de distribuição é aquela que implementa o provimento da banda larga na chamada “última milha4”, ou seja, é a rede que chega às residências. Os equipamentos e as funcionalidades des-sa rede estão restritos, normalmente, àquelas dos níveis físico e de enlace. Dadas a extensão e a capila-ridade desta rede, é para as tecnologias de transmissão de dados, implementação e manutenção desta rede que são necessários os maiores investimentos para fornecimento de acesso residencial.

No interior das residências ou mesmo das empresas que se utilizem da rede de acesso é localizada a rede interna. Sua finalidade é interligar os diversos equipamentos terminais de serviços de banda larga ao equipamento terminador do provedor de serviço de acesso (proprietário da rede de acesso) escolhi-do pelo usuário. Exemplos destes equipamentos terminadores são modems cabo e modems ADSL, en-tre outros.

3. Opções para a rede de acesso As principais opções para a implementação da rede de acesso podem ser assim organizadas:

1. Baseadas em infra-estrutura telefônica:

• ISDN, ADSL, SHDSL e VDSL.

2. Baseadas em infra-estrutura de TV a cabo:

• Modem cabo.

3. Baseada em infra-estrutura de distribuição de energia elétrica:

• PowerLine.

4. Baseadas em redes sem fio:

• DBS, MMDS e LMDS (ou LCDS).

4 Última milha é o termo pelo qual a ligação entre o aparelho telefônico de um assinante e a central que o serve é conhecida.


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3.1. Opções baseadas em infra-estrutura telefônica A principal motivação que as empresas da área de telefonia tiveram para pesquisar soluções de acesso em banda larga foi o aproveitamento da extensa planta de cabeamento de cobre já instalada na última milha. Diversas soluções foram pesquisadas e implementadas, sendo algumas delas assimétricas, ofe-recendo taxa maior para downstream do que para upstream, e outras simétricas. Todas essas soluções envolvem a transmissão de sinais digitais ou analógicos sobre a linha do assinante, sendo conhecidas com o nome genérico de DSL (Digital Subscriber Loop). De acordo com as características da solução, como por exemplo, taxas possíveis de serem alcançadas (em bits por segundo) e a presença de simetria ou não, seu nome ganha uma nova letra, equivalente à abreviatura de um prefixo que precede DSL, como, por exemplo, Asymmetric DSL (ADSL) e Very high bit rate DSL (VDSL), entre outras. A di-versidade de opções, além dessas já citadas, levou ao surgimento do termo xDSL, que abrange todas as opções DSL.

Nessa categoria de opções, este trabalho apresentará com maior ênfase a tecnologia ADSL, onde os principais aspectos referentes à arquitetura, componentes e protocolos de nível físico e de enlace serão discutidos. As demais soluções, SDSL e VDSL, serão abordadas no que diz respeito às diferenças em relação à tecnologia ADSL.

Cabe destacar que nem todas as tecnologias DSL foram padronizadas, fato que originou muitas opções diferentes e proprietárias, como RADSL, SDSL e HDSL-2, entre outras. Serão abordadas neste traba-lho, prioritariamente, as soluções padronizadas. As soluções proprietárias serão citadas quando seu en-tendimento for relevante no contexto da tecnologia padronizada em questão.

3.1.1. IDSL: ISDN Digital Subscriber Loop Esta é a solução conhecida como ISDN (RDSI), que já se encontra em franca utilização em diversos países, incluindo o Brasil5. O objetivo da tecnologia, no que diz respeito ao acesso residencial, é pro-ver uma taxa de comunicação de dados de 128 Kbps, baseado na multiplexação no tempo síncrona (TDM) de duas linhas telefônicas operando a 64 Kbps cada (os chamados canais B), em um único par trançado de cabos telefônicos. Há também um canal de sinalização, chamado de canal D, normalmente de 16 Kbps6, que também é multiplexado no tempo juntamente com os canais de dados. Este é o servi-ço de acesso básico, conhecido como BRI (Basic Rate Interface). Uma outra opção de serviço é o a-cesso primário, ou PRI (Primary Rate Interface), constituído por 30 canais B e 1 canal D, além de um canal destinado à sincronização e alarmes de nível físico, perfazendo a taxa de 2,048 Mbps, equivalen-te ao sinal E-1. A arquitetura geral da solução ISDL pode ser observada na Figura 2.

É necessária a instalação de um equipamento terminador7 no site do usuário. Esse equipamento realiza a conversão entre os protocolos de nível físico utilizados no interior da residência e aquele utilizado no acesso à central ISDN. No interior da residência, quando do uso do acesso básico, pode ser utilizada uma barra formada por dois pares de cabo de par trançado para a conexão dos equipamentos terminais ao terminador. Caso o usuário deseje conectar um equipamento que não seja compatível com a ISDN, como um telefone ou um FAX tradicionais, um adaptador deve ser utilizado. Este adaptador tratará da conversão AD/DA necessária ao para/do equipamento se integrar à ISDN e implementará a sinaliza-ção necessária. O equipamento terminador de rede pode estar embutido no modem interno (ou exter-no) ou no próprio telefone ISDN, dependendo do tipo de serviço que for adquirido.

Para o acesso básico (BRI), a barra de fios ligada ao equipamento terminador pode receber a conexão de até 8 dispositivos ISDN. Apenas 2 deles poderão transmitir em paralelo, mas todos poderão estar conectados simultaneamente. A sinalização do canal D se encarrega da correta multiplexação entre os tráfegos desses equipamentos. No caso do acesso primário, não é possível a utilização de uma barra de fios. O próprio equipamento terminador recebe a ligação dos equipamentos ISDN. Equipamentos co-mo PABX, por exemplo, incorporam a implementação do terminador. 5 No Rio de Janeiro a tecnologia é comercializada pela Telemar em seu produto chamado DVI. 6 Também pode ser de 64 Kbps. 7 A padronização do ITU-T chama esse equipamento de NT-1 (Network Terminator).


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Figura 2 - Arquitetura geral da solução IDSL

A ISDN é a única solução que não implementa, a priori, um serviço de transmissão de dados do tipo “always on”, ou seja, permanentemente “conectado” (disponível para recepção e transmissão de da-dos). Em princípio, o usuário deve discar o número ISDN de um provedor de serviços de transmissão de dados, provavelmente baseado em IP, para que a rede ISDN estabeleça, via comutação de circuitos baseada em TDM síncrono, um canal dedicado para a comunicação. Se o usuário desejar estabelecer uma comunicação interativa de áudio, dependendo de se o destinatário estiver na ISDN ou na rede te-lefônica tradicional, as sinalizações ISDN e SS78 se encarregarão de estabelecer a conexão, realizando as conversões necessárias. Também é possível o acesso a serviços baseados em comunicação de paco-tes, via X.25.

Há uma opção chamada AO/DI [20] (Always On, Dynamic ISDN), ainda não padronizada, que viabi-liza a comunicação de pacotes via canal de sinalização (D), limitada a 9,2 Kbps. Esta comunicação pode ser suficiente para que aplicações do tipo correio eletrônico e telemetria fiquem permanentemen-te funcionando. Quando o usuário desejar acessar recursos que exigirão banda maior do que os 9,2 Kbps já disponíveis, a sinalização do canal D se encarrega de estabelecer conexões via canal B.

O acesso primário exige a presença de dois pares trançados de cabos telefônicos para o transporte de seus sinais entre a central e o terminador de rede. Em ambos os acessos, básico e primário, a codifica-ção de nível físico utilizada é a AMI, que implementa 1 bit por baud. No caso do acesso básico a ban-da utilizada é de 0 até cerca de 100 Khz, enquanto no acesso primário, é de 0 a cerca de 2 MHz em ca-da par. Sendo assim, não é possível a transmissão da telefonia tradicional, com banda necessária de 0 a 4 KHz, em paralelo com quaisquer dos dois acessos. Conforme foi apresentado na Figura 2, a distân-cia possível de ser alcançada em cabos de cobre com essa codificação de nível físico usada entre a central e o equipamento terminador é de aproximadamente 5,5 Km, no caso do acesso básico. Para o acesso primário, devido às altas freqüências presentes no sinal, são necessários repetidores aproxima-damente a cada 2 km.

3.1.2. ADSL: Asymmetric Digital Subscriber Loop Motivação e arquitetura geral

Além do aproveitamento da planta telefônica, uma motivação importante para o desenvolvimento des-sa solução de acesso, iniciada em fins da década de 80, foi a intenção de se prover acesso a serviços ti-picamente assimétricos como, por exemplo, vídeo sob demanda. Uma vez que, conforme já foi citado,

8 Esta é a sinalização utilizada na rede telefônica tradicional.

Site do Site do UsuárioUsuárioHead end Head end ou ou Central Central TelefônicaTelefônica

TelefoneDigital

UTP: 5 Km

ModemISDN

Redeinterna

CentralTelefônica

ISDN

TDMTDM

Terminador

MAN...

Rede Rede dedeComutaçãoComutação

do Headdo Head--endend

Rede dePacotes

Rede deCircuitos

TelefoneComum

Adaptador

NT-1

Site do Site do UsuárioUsuárioSite do Site do UsuárioUsuárioHead end Head end ou ou Central Central TelefônicaTelefônicaHead end Head end ou ou Central Central TelefônicaTelefônica

TelefoneDigital

UTP: 5 Km

ModemISDN

Redeinterna

CentralTelefônica

ISDN

TDMTDM

Terminador

MAN...



Rede dePacotes

Rede deCircuitos

TelefoneComum

Adaptador

NT-1


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essa aplicação acabou por não ser efetivamente implementada, a tecnologia acabou sendo aproveitada para, principalmente, acesso à WWW, já que a assimetria de banda também se aplica a essa aplicação.

A arquitetura geral da solução ADSL é apresentada na Figura 3.

Figura 3 - Arquitetura da solução ADSL

Esta solução caracteriza-se por utilizar apenas um par de cabos de par trançado, normalmente aquele já utilizado para ligação do aparelho telefônico do assinante à central, para a transmissão de voz e dados. Para isso, é utilizada a técnica de multiplexação com base na divisão da freqüência (FDM). A banda de 4 KHz necessária à transmissão da conversação telefônica tradicional é preservada, sendo possível a transmissão de dados em paralelo com conversações telefônicas. O splitter realiza a junção e separa-ção, implementando as devidas filtragens entre a faixa de freqüências da conversação de áudio e a fai-xa reservada para a transmissão de dados. A utilização do espectro de freqüências será discutida poste-riormente. Algumas implementações já incorporam o splitter do usuário nos modems internos ou ex-ternos.

O DSLAM (Digital Subscriber Line Access Multiplexer) é implementado na forma de um equipamen-to comutador de dados que interliga as linhas dos assinantes com a rede do head-end. Nessa solução, a rede do head-end pode estar junto a uma central telefônica. Os protocolos implementados nesses equi-pamentos englobam, normalmente, até o nível de rede. Dependendo do número de assinantes que se deseja atender e/ou das condições de propagação do sinal na linha, o DSLAM pode ser instalado fora da central telefônica, mais próximo ao site do usuário, e ser operado remotamente.

Nível físico

As codificações CAP (Carrierless Amplitude Phase) e DMT (Discrete multi-Tone) foram propostas e implementadas nas primeiras soluções ADSL. Após muitos testes e intensa argumentação entre os grupos desenvolvedores dessas codificações, a última (DMT) foi a escolhida. Tal decisão foi tomada sob a chancela do ITU-T [8] e com o apoio da comunidade de vendedores da área. Ainda assim, diver-sos fabricantes implementam ambas as soluções.

A codificação DMT pode ser considerada como modulação QAM em subcanais de freqüência (FDM) [2]. O espectro de freqüências é dividido em subcanais de 4 KHz de largura de banda, separados por uma banda de guarda de 150 Hz. Esses subcanais transportam bits modulados via QAM em 4 Kbaud, com até 15 bits por baud, dependendo das características da linha. A determinação de quais os subca-nais que podem ser utilizados e quantos bits por baud cada subcanal pode tolerar é obtida com a reali-zação de testes na linha do assinante.

A utilização do espectro de freqüências na tecnologia ADSL pode ser observada na Figura 4.

POTS

DSLAM

UTP: 5,5 Km

Splitters

Modem xDSL

Site do Site do usuáriousuárioHead end Head end ou ou Central Central TelefônicaTelefônica

Rede interna

MAN...



E1, E3...PSTNCentral

Telefônica

FDMFDM

POTS

DSLAM

UTP: 5,5 Km

Splitters

Modem xDSL

Site do Site do usuáriousuárioSite do Site do usuáriousuárioHead end Head end ou ou Central Central TelefônicaTelefônicaHead end Head end ou ou Central Central TelefônicaTelefônica

Rede interna

MAN...



E1, E3...PSTNCentral

Telefônica

FDMFDM


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A largura de banda utilizada é de aproximadamente 1,1 MHz. Essa banda é dividida em três canais, um reservado para a telefonia tradicional (de 0 a 4 KHz), conforme já foi citado, outro para a transmis-são upstream (24 a 136 KHz) e um terceiro para downstream (140 A 1.104 KHz). A solução que utili-za até 1.104 KHz para downstream é conhecida como ADSL Full Rate [8]. Há uma alternativa que uti-liza larguras de banda menores tanto para up como downstream, que é conhecida como ADSL Lite [9].

Figura 4 - Utilização do espectro da solução ADSL

Quando a prestadora do serviço optar por também disponibilizar o serviço ISDN no mesmo par tran-çado utilizado pelo serviço ADSL, as freqüências deste último devem iniciar-se em 140 KHz, respei-tando assim os cerca de 100 KHz da banda necessária a codificação utilizada pela ISDN.

A utilização da técnica de cancelamento de eco (assinalada na Figura 4 pela linha pontilhada), a exem-plo do que acontece nos modems analógicos atualmente em uso, viabiliza a utilização do espectro re-servado para a transmissão upstream também para downstream. Essa alternativa faz com que a fre-qüência máxima utilizada para downstream seja menor do que 1.104 KHz, fato que pode permitir a u-tilização de linhas de assinante de maior comprimento.

Levando-se em conta a relação sinal-ruído e largura de banda disponíveis, as taxas máximas teóricas, em bits por segundo, que podem ser obtidas são:

• Upstream: 25 subcanais de 4 Kbaud a 15 bits por baud: 1,5 Mbps.

• Downstream: 249 subcanais de 4 Kbaud a 15 bits por baud: 14,9 Mbps.

A codificação DMT permite que o serviço seja disponibilizado com granularidade de 32 Kbps, ou se-ja, podem ser vendidos acessos em taxas múltiplas de 32 Kbps.

A condição física dos cabos de par trançado ou a presença de interferências como, por exemplo, sinais de estações de rádio AM em determinada freqüência, podem levar à redução da taxa de bits transmiti-da em determinados subcanais, ou mesmo inviabilizar a utilização de alguns deles. Conforme já foi ci-tado, a linha do assinante deve ser testada para que o limite de bits por baud por subcanal seja deter-minado. Essa situação é ilustrada na Figura 5.

Figura 5 - Taxa de bits por baud na codificação DMT

UpstreamUpstream DownstreamDownstream

1.1041.1045505501401402424

44FreqüênciaFreqüência (kHz)(kHz)

POTSPOTS

136136

1,5 Mbps1,5 Mbps((LiteLite))

8 Mbps8 Mbps(Full Rate)(Full Rate)

UpstreamUpstream DownstreamDownstream

1.1041.1045505501401402424

44FreqüênciaFreqüência (kHz)(kHz)

POTSPOTS

136136

1,5 Mbps1,5 Mbps((LiteLite))

8 Mbps8 Mbps(Full Rate)(Full Rate)

Resposta em freqüência Resposta em freqüência do meio físico do meio físico Taxa em bits por Taxa em bits por subcanalsubcanal

Subcanais Subcanais de 4 KHz de 4 KHz

InterferênciaInterferência

ConsegueConsegue --se até 15 bits por se até 15 bits por subcanalsubcanal

Resposta em freqüência Resposta em freqüência do meio físico do meio físico

Resposta em freqüência Resposta em freqüência do meio físico do meio físico Taxa em bits por Taxa em bits por subcanalsubcanalTaxa em bits por Taxa em bits por subcanalsubcanal

Subcanais Subcanais de 4 KHz de 4 KHz

InterferênciaInterferência

ConsegueConsegue --se até 15 bits por se até 15 bits por subcanalsubcanal


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Quando o limite de taxa por subcanal é determinado previamente, a solução é conhecida como ADSL com taxa fixa. Há uma alternativa, cujo procedimento é padronizado pelo ITU-T [10], conhecida como RADSL (Rate Adaptative DSL), que determina a taxa por subcanal dinamicamente.

Testes de ADSL realizados em linhas com excelente condição física, ou seja, cabos novos, e sem a presença de interferências, apresentaram os resultados mostrados na Figura 6 [2].

Figura 6 – A taxa de downstream e o alcance da linha do assinante

ADSL Lite

ADSL Lite [9] é uma versão de ADSL que provê taxas menores. A principal motivação para o desen-volvimento dessa tecnologia foi o barateamento e a simplificação, tanto dos equipamentos necessários, quanto da instalação dos mesmos. As principais diferenças existentes entre as duas tecnologias estão apresentadas na Tabela 1.

Tabela 1 - Principais diferenças entre ADSL e ADSL Lite

Característica ADSL Full Rate ADSL Lite Taxa máxima de upstream (Mbps) 1,5 0,512 Taxa máxima de downstream (Mbps) 14,9 1,5 Utilização de splitter Sim Não Modo de transferência ATM e STM Só ATM Gerenciamento de consumo de energia elétrica Não Sim Retreinamento rápido Não Sim

ADSL Lite não utiliza o splitter para a separação do canal de 4 KHz destinado à telefonia tradicional, embora permita a transmissão dos sinais da mesma. A falta dessa isolação entre as duas bandas faz com que a rápida alteração na impedância da linha por ocasião da retirada do telefone do gancho cause interferência na transmissão de dados. Visando minimizar as conseqüências desse problema, foi defi-nida uma forma de que um rápido treinamento seja realizado pelas extremidades da comunicação para que novos limites por subcanal sejam definidos.

ADSL Lite faz o gerenciamento da utilização de energia elétrica de forma a minimizar o consumo por parte do modem, normalmente instalado no interior de um computador. Dessa forma, quando o com-putador entrar em modo stand-by, o modem também o faz.

3.1.3. SHDSL - Symetric High speed data rate DSL Esta solução tem como principal característica a implementação de taxas simétricas para down e ups-tream. Na realidade, SHDSL é a última, pelo menos até o momento, de quatro soluções para transmis-são simétrica em cabos de par trançado telefônico, sem que seja considerada a solução ISDN. A pri-

8,168,167,717,71

5,415,414,484,48

3,623,622,982,98 2,662,66 2,432,43

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

6,0

7,0

8,0

9,0

1 2 3 4 5 6 7 8Distância em Km

Taxa

de

dow

nstr

eam

em

Mbp

s 8,168,167,717,71

5,415,414,484,48

3,623,622,982,98 2,662,66 2,432,43

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

6,0

7,0

8,0

9,0

1 2 3 4 5 6 7 8Distância em Km

Taxa

de

dow

nstr

eam

em

Mbp

s


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meira é a HDSL (High data rate DSL), a segunda é a HDSL-2 e a terceira é SDSL (Symmetric DSL). A arquitetura genérica das quatro soluções citadas está apresentada na Figura 7.

Figura 7 - Arquitetura geral das soluções HDSL, HDSL-2, SDSL e SHDSL

A diferença entre as quatro soluções, conforme será discutido a seguir, reside principalmente na quan-tidade de pares trançados de cobre utilizados e nas codificações de nível físico. Essas diferenças influ-enciarão diretamente no relacionamento entre a taxa de transmissão e o alcance do cabeamento de co-bre.

HDSL – High speed data rate DSL

Esta foi a primeira das soluções simétricas da família DSL. A motivação para o seu desenvolvimento foi a substituição das soluções T1 e E1 das hierarquias digitais plessiócronas (PDH) americana e do ITU-T, respectivamente, por uma solução que dispensasse o uso de repetidores. Os sinais T1 e E1 tra-dicionais (ISDN) exigem repetidores a cada 2 Km, aproximadamente, em função da codificação de ní-vel físico utilizada, que é a AMI bipolar. AMI implementa 1 bit por baud, necessitando então de cerca de 1,544 (2,048) MHz de largura de banda em cada sentido. T1 e E1 usam dois pares de cabo de par trançado, um para cada sentido de transmissão. As altas freqüências presentes neste sinal exigem a uti-lização dos já citados repetidores.

HDSL utiliza a codificação de nível físico 2B1Q, que implementa 2 bits por baud, fato que reduz a banda necessária de 1,544 (2,048) MHz para 768 (1,024) KHz. Tal fator leva à dispensa de repetidores nas linhas entre central e site do usuário de até cerca de 4 Km de comprimento.

Essa tecnologia é amplamente utilizada atualmente na ligação de ERBs da rede de telefonia celular às redes fixas e no provimento de serviços de transmissão de dados simétrica em geral, baseados nos si-nais T1 e E1.

Uma desvantagem dessa tecnologia é que a codificação utilizada não permite a implementação de gra-nularidades no provimento do serviço, ou seja, a taxa é limitada a 1,544 ou 2,048 Mbps, dependendo da hierarquia adotada no país. Não há alternativas de menor taxa.

Por utilizar todo o espectro a partir de 0 Hz até cerca de 768 ou 1.024 KHz, HDSL não permite a transmissão da telefonia tradicional (0 a 4 KHz) ou ISDN (0 a 80 KHz) no mesmo par de cabos.

HDSL 2

Nos EUA, em cerca de aproximadamente 4 anos, (1991 a 1995) [21], o número de linhas T1 instaladas passou de 200 mil para 4 milhões. Essa demanda tornou difícil a continuação do uso de dois pares de

POTS

DSLAM

1, 2 ou 3 pares

Modem HDSL

Site do Site do usuáriousuárioHead end Head end ouou Central Central TelefônicaTelefônica

Rede interna

MAN...



CentralTelefônica

E1, E3...PSTN

FDMFDM

POTS

DSLAM

1, 2 ou 3 pares

Modem HDSL

Site do Site do usuáriousuárioSite do Site do usuáriousuárioHead end Head end ouou Central Central TelefônicaTelefônicaHead end Head end ouou Central Central TelefônicaTelefônica

Rede interna

MAN...



CentralTelefônica

E1, E3...PSTN

FDMFDM


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cabo para cada enlace T1 vendido. Houve então uma pressão por parte dos provedores de serviços de transmissão de dados por uma solução que só utilizasse um par de cabos de cobre.

Após o surgimento de soluções proprietárias como, por exemplo, MDSL (Medium speed data rate DSL), surgiu a tecnologia HDSL 2, que implementa o mesmo serviço simétrico que HDSL, mas em apenas um par, com pelo menos o mesmo alcance de utilização.

Essa tecnologia ainda está sendo desenvolvida pela ANSI, juntamente com algumas empresas. Duas codificações de nível físico estão sendo avaliadas: CAP e 2B1Q. No entanto, o surgimento de uma no-va tecnologia simétrica, cuja pesquisa é conduzida atualmente pelo ITU-T, a SHDSL, a ANSI reduziu o ritmo da pesquisa em HDSL-2. Esse fato não impediu que soluções HDSL proprietárias estejam sendo disponibilizadas pelos fabricantes de equipamentos de DSL.

SDSL – Symmetric DSL

Paralelamente ao esforço da ANSI na obtenção de uma solução simétrica que utilizasse apenas um par trançado de cobre para o oferecimento das taxas básicas da hierarquia PDH (1,544 Mbps), a ETSI conduziu uma pesquisa na Europa que produziu a tecnologia conhecida como SDSL.

SDSL utiliza codificação 2B1Q e avançadas técnicas de cancelamento de eco e equalização adaptativa para atingir o mesmo objetivo de HDSL-2, mas de forma que granularidades menores que 2,048 Mbps sejam possíveis de serem implementadas.

SHDSL – Symmetric High speed data rate DSL

O ITU-T conseguiu reunir os esforços da ANSI e ETSI em torno da utilização da codificação Trelis Coded PAM para a implementação de uma solução que oferecesse taxas simétricas, com granularida-des de 192 a 2.300 Kbps, a até 8 km, utilizando apenas um par trançado de cabos. É esperada para o início do ano de 2001 a conclusão da pesquisa, dos testes e a aprovação do padrão referente à tecnolo-gia, batizado de G.991.2 [11]. Caso sejam empregados repetidores em nível físico, essa solução poderá ser empregada em até cerca de 20 Km de cabeamento de cobre.

Da mesma forma que suas predecessoras (HDSL, HDSL-2 e SDSL), esta solução não prevê a trans-missão de telefonia tradicional ou RDSI em paralelo.

3.1.4. VDSL: Very high-speed Digital Subscriber Loop VDSL foi inicialmente pensada como a tecnologia de evolução do ADSL, ou seja, assimétrica. No en-tanto, dada a elevada taxa implementada, a sua utilização de forma simétrica foi considerada e, após pesquisas, foi tornada possível. A tecnologia ainda não foi padronizada e nem teve o seu desenvolvi-mento concluído.

A arquitetura geral da solução pode ser observada na Figura 8.

A versão assimétrica prevê até 6,4 Mbps de upstream e até 52 Mbps de downstream, enquanto a ver-são simétrica prevê até 26 Mbps em cada direção. Essas elevadas taxas exigem a instalação de fibra óptica até um ponto nas proximidades do site do usuário, o chamado nó óptico9. Nele é instalado um concentrador dos sinais VDSL que chegam às residências (empresas) via cabos de par trançado (1 par por assinante). Tal perfil faz da tecnologia uma boa candidata a ser utilizada em hospitais, hotéis, con-domínios, universidades e grandes prédios em geral. A Tabela 2 apresenta o relacionamento entre taxa (em bps) e o alcance dos cabos de cobre, ou seja, a distância entre o nó óptico e os assinantes.

O espectro de freqüências utilizado pela tecnologia VDSL vai de aproximadamente 1,1 MHz até cerca de 30 MHz, dependendo da taxa utilizada, ou seja, não se sobrepõe ao espectro de ADSL. As freqüên-cias dos canais de radioamadorismo se distribuem nesta parte do espectro, fato que leva à existência de uma grande expectativa a cerca de possíveis interferências.

9 O nó óptico é a extremidade do lado do usuário das soluções conhecidas como FTTC (Fiber To The Curb), FTTB (Fiber To The Buiding) ou FTTN (Fiber To The Neighborhood).


15

Figura 8 - Arquitetura geral da solução VDSL

A codificação a ser utilizada no meio físico ainda não foi definida. Dois fóruns de empresas, a VDSL Aliance e a VDSL Coalition promovem suas propostas, DMT e CAP, respectivamente, a exemplo do que ocorreu com ADSL. O ITU-T assumiu a liderança da pesquisa da tecnologia e já batizou o futuro padrão, interinamente, de G.VDSL. Outra organização importante no desenvolvimento dessa tecnolo-gia é a iniciativa FSAN (Full Services Access Network), que trabalha no desenvolvimento de uma so-lução para a integração de serviços fim a fim, desde o provedor de conteúdo até o equipamento termi-nal do usuário, e adotou a tecnologia VDSL como implementação do nível físico da rede de acesso. Essa iniciativa será novamente abordada na Seção 5.

Tabela 2 - Taxas VDSL em função da distância

Assimétrica Simétrica Up (Mbps) Down (Mbps) Dist (metros) Taxa (Mbps) Dist (metros)

6,4 52 300 34 300 4,3 38,2 300 26 300 3,2 26 1.000 19 1.000 2,3 19 1.000 13 1.000 1,6 13 1.500 6,5 1.500 1,6 6,5 2.000 4,3 1.500

2,3 1.500

3.1.5. Apreciação das soluções xDSL As diversas opções, até mesmo as proprietárias, já estão em franca utilização em muitos países, incluindo o Brasil. No entanto, apesar de todas preverem a utilização dos cabos de par trançado já existentes, está sendo necessária a seleção de cabos e, em alguns casos, o serviço não pode ser instalado. Diversos fatores ainda encontram-se sendo pesquisados visando a maior facilidade na implementação e utilização dos serviços. Alguns dos fatores mais importantes estão listados a seguir:

• Atenuação em função da distância;

• Presença de ruídos diversos e influência de ruídos impulsivos;

• Crosstalk, NEXT e FEXT;

POTS

DSLAM

UTP

Modem xDSL

Site do Site do usuáriousuárioHead end Head end ouou Central Central TelefônicaTelefônica

Rede interna

MAN...



CentralTelefônica

E1, E3...PSTN

Fibra

Nó Óptico (ONU)Nó Óptico (ONU)

FDMFDM

POTS

DSLAM

UTP

Modem xDSL

Site do Site do usuáriousuárioSite do Site do usuáriousuárioHead end Head end ouou Central Central TelefônicaTelefônicaHead end Head end ouou Central Central TelefônicaTelefônica

Rede interna

MAN...



CentralTelefônica

E1, E3...PSTN

Fibra

Nó Óptico (ONU)Nó Óptico (ONU)

FDMFDM


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• Ingresso e egresso de radiofreqüências; e

• Compatibilidade espectral em cabos multi-par com serviços diferentes presentes.

A Figura 9 apresenta um resumo das opções xDSL (exceto VDSL) e as suas taxas e distâncias de emprego.

Figura 9 - Comparação das soluções xDSL (exclui VDSL)

3.2. Opção baseada em infra-estrutura de TV a cabo A partir de meados dos anos 90, as operadoras de TV a cabo passaram a investir na pesquisa de como poderiam aproveitar a elevada banda passante disponível dos seus cabos para prover serviços de co-municação de dados bidirecionais aos seus assinantes. Os cabos coaxiais utilizados atualmente podem ter banda passante de até cerca de 750 MHz ou mais. O resultado foi o desenvolvimento do modem cabo, que permite a utilização de canais de parte da banda de freqüências disponível, de forma com-partilhada, para a transmissão de dados.

Figura 10 - Planta de TV a cabo tradicional

A migração de uma planta de cabeamento analógica unidirecional para uma planta digital bidirecional não é, no entanto, simples e nem barata. As plantas analógicas que não contam com cabos de fibra óp-tica, têm elevado número de assinantes por tronco de cabo coaxial e utilizam grande número de ampli-

Alcance deAlcance deutilizaçãoutilização

em pésem pés

Taxa em KbpsTaxa em Kbps

Alcance deAlcance deutilizaçãoutilização

em pésem pés

Taxa em KbpsTaxa em Kbps

Derivação (Derivação (dropdrop))Até 200 m de caboAté 200 m de cabo

coaxial flexívelcoaxial flexível

Cabo coaxial troncoCabo coaxial tronco(diferente do (diferente do feederfeeder))

MilharesMilhares dedecasas servidascasas servidas

HeadHead EndEnd

Até 25 KmAté 25 Km

Multiplexa osMultiplexa osprogramas nosprogramas nos

canais de freqüênciacanais de freqüência Mais de 30 Mais de 30 amplifiamplifi--cadorescadores por troncopor troncoProgramasProgramas

Alimentador (Alimentador (feederfeeder))Até 3 Km de caboAté 3 Km de cabo

coaxial rígidocoaxial rígido

AmplificadorAmplificador(2 ou 3 por (2 ou 3 por feederfeeder))

DivisorDivisor



Cabo coaxial troncoCabo coaxial tronco(diferente do (diferente do feederfeeder))

MilharesMilhares dedecasas servidascasas servidas

HeadHead EndEnd



canais de freqüênciacanais de freqüência Mais de 30 Mais de 30 amplifiamplifi--cadorescadores por troncopor troncoProgramasProgramas




DivisorDivisor


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ficadores no caminho do head-end até a casa do assinante. A Figura 10 apresenta a arquitetura da plan-ta de TV a cabo tradicional.

A digitalização e a transformação desse tipo de planta em bidirecional exige alto investimento na troca de amplificadores. Além disso, uma vez que há grande concentração de assinantes por cabo coaxial tronco, um grande compartilhamento desses troncos será necessário, fato que pode diminuir a taxa disponível por residência. É necessária a utilização da solução híbrida com cabos de fibra óptica e co-axiais – HFC, cuja arquitetura é apresentada na Figura 11.

Figura 11 - Planta de TV a cabo baseada em HFC

A utilização de troncos de fibra na ligação de nós ópticos (concentradores) ao head-end reduz o nível de compartilhamento do tráfego de dados, uma vez que, além da própria banda passante da fibra ser maior, os nós ópticos servem a uma quantidade menor de assinantes, cerca de 500 a 2.000, do que na planta com troncos de cabo coaxial. A necessidade de amplificadores também é bastante reduzida, li-mitada a apenas dois ou três por cabo alimentador.

Figura 12 - Arquitetura para provimento de acesso via planta HFC

A arquitetura da solução para provimento de serviço de acesso via planta de TV a cabo baseada em HFC é apresentada na Figura 12.



Nó ópticoNó ópticoFibra ópticaFibra óptica

500 a 2000500 a 2000casas servidascasas servidas

HeadHead EndEnd


ProgramasProgramase e ServiçosServiços

DivisorDivisor





canais de freqüênciacanais de freqüênciaDerivação (Derivação (dropdrop))

Até 200 m de caboAté 200 m de cabocoaxial flexívelcoaxial flexível

Nó ópticoNó ópticoFibra ópticaFibra óptica

500 a 2000500 a 2000casas servidascasas servidas

HeadHead EndEnd


ProgramasProgramase e ServiçosServiços

DivisorDivisor





canais de freqüênciacanais de freqüência

ServidoresServidores, DHCP,, DHCP,Cache, Cache, ProvedoresProvedores,,GerênciaGerência, etc, etc

Ethernet,Ethernet,USB, PCIUSB, PCI

CableCableModemModem

SetSet--toptopBoxBox

Cable ModemCable ModemTerminationTermination

SystemSystem(Cable(Cable RouterRouter))

RoteadorRoteador


Para aPara aRedeRede

RegionalRegionalde Bandade Banda

LargaLarga( E1, T1, STM )( E1, T1, STM )

Rede InternaRede InternaHeadHead--endend

RedeRedeTelefônicaTelefônica

RedeRedeHFCHFC SoftwareSoftware

de de loginlogin

Rede InternaRede Interna

ServidoresServidores, DHCP,, DHCP,Cache, Cache, ProvedoresProvedores,,GerênciaGerência, etc, etc

Ethernet,Ethernet,USB, PCIUSB, PCI


SetSet--toptopBoxBox

Cable ModemCable ModemTerminationTermination

SystemSystem(Cable(Cable RouterRouter))

RoteadorRoteador


Para aPara aRedeRede

RegionalRegionalde Bandade Banda

LargaLarga( E1, T1, STM )( E1, T1, STM )

Rede InternaRede InternaHeadHead--endend


RedeRedeHFCHFCRedeRedeHFCHFC SoftwareSoftware

de de loginlogin

Rede InternaRede Interna


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3.2.1. Utilização do espectro A distribuição típica dos sinais no espectro da planta HFC é apresentada na Figura 13. Conforme já foi citado, os cabos coaxiais instalados na maioria das plantas de TV a cabo atuais têm banda passante de até cerca de 750 MHz, no entanto, existem soluções com cabos de 900 MHz de banda..

Figura 13 - Distribuição do espectro da planta HFC

Quando os sinais de vídeo forem transmitidos de forma digitalizada, essa distribuição certamente será alterada, pois os canais não necessitarão de 6 (ou 8) Mhz de largura de banda.

O tráfego de dados no sentido downstream é transmitido em canais de 6 MHz10 de largura de banda, normalmente, na banda de 600 a 750 MHz. O modem cabo é capaz de receber apenas um canal de downstream por vez, mas pode ser comandado a partir do CMTS para trocar de canal. A banda de 5 até 42 MHz é utilizada para upstream, em canais de largura de banda menor, de cerca de 600 KHz, de-pendendo da padronização ou acordo de implementação utilizado. A figura apresenta a utilização do espectro de acordo com o que é praticado nos EUA. Na Europa, além dos canais analógicos terem 8 MHz de largura de banda, a faixa reservada para upstream vai de 5 a 65 MHz.

A taxa teórica que pode ser obtida nos canais de downstream de 6 Mhz de banda, de acordo do a Lei de Shannon e a relação sinal-ruído típica das plantas HFC, chega a 100 Mbps. Esse valor porém, na prática, ainda não foi alcançado. A Tabela 3 apresenta um resumo das codificações de nível físico usa-das em plantas HFC e suas respectivas taxas máximas em bits por segundo.

Tabela 3 - Codificações de Nível Físico Utilizadas em Plantas HFC

EUA Europa Downstream Upstream Downstream Upstream

Codificação 64 ou 256 QAM QPSK ou 16 QAM 64 ou 256 QAM QPSK Diferencial Taxa máxima 27 ou 42 Mbps 5,120 ou 10,24 Mbps 38 ou 52 Mbps 3,088 Mbps Canal 6 MHz Variável 8 MHz Variável

Nem sempre os canais de downstream têm a largura de banda citada na tabela. As implementações podem limitar a largura de banda (e, conseqüentemente, a taxa em bits por segundo) tanto no sentido de down quanto de upstream.

Há a implementação de uma característica conhecida como “frequency agility” entre o CMTS e mo-dems cabo (comandada pelo primeiro), que monitora tanto o ruído quanto o nível de compartilhamen-to dos canais e faz com que os modems cabo, caso seja necessário, troquem de freqüência tanto de up quanto de downstream. 10 Na Europa os canais são de 8 MHz.

900900600600550550404055 MHzMHz5050

UpUpstreamstream

CanaisCanaisde Vídeode Vídeo

AnalógicoAnalógicoDownDown

streamstream

ReservadoReservadoPara usoPara usoFuturoFuturo

750750

600 a 750 MHz600 a 750 MHz 5 a 40 MHz5 a 40 MHz

CMTSCMTS Cable modemsCable modems

900900600600550550404055 MHzMHz5050

UpUpstreamstream

CanaisCanaisde Vídeode Vídeo

AnalógicoAnalógicoDownDown

streamstream

ReservadoReservadoPara usoPara usoFuturoFuturo

750750

600 a 750 MHz600 a 750 MHz 5 a 40 MHz5 a 40 MHz

CMTSCMTS Cable modemsCable modems


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3.2.2. Controle de acesso ao meio Uma vez que, normalmente, entre 500 e 2.000 assinantes podem ser servidos pelo mesmo nó óptico e a largura de banda é limitada, há a necessidade de compartilhamento do acesso aos canais de down e upstream. No canal de downstream, o CMTS é a única fonte de transmissão e, portanto, não há a ne-cessidade de controle de acesso ao meio. O CMTS gera os pacotes já endereçados ao modem cabo de-sejado. Já no canal de upstream, uma vez que diversos modems cabo podem desejar transmitir simul-taneamente e a banda, apesar de grande, é limitada, há a necessidade de controle de acesso ao meio.

Inicialmente, houve uma grande proliferação de soluções proprietárias, que, obviamente, exigiam o emprego de CMTSs e modems cabo oriundos do mesmo fabricante. Algumas soluções comumente utilizadas envolviam a utilização de CSMA/CD em um canal de upstrem para transmissão e um canal de downstream que viabilizava a detecção de colisão ou a utilização de um esquema baseado em CD-MA síncrono, como é o caso da solução adotada pela Globo Cabo no Brasil.

A partir de 1994, o IEEE iniciou a pesquisa do protocolo de controle de acesso ao meio 802.14, a ser utilizado sob o já conhecido LLC (802.2). O padrão 802.14 utiliza-se de TDM no canal de downstre-am e TDMA no canal de upstream. Os modems cabo, após inicialização e registro junto ao CMTS, u-sam um canal (no tempo, em determinada freqüência), conhecido e compartilhado para o envio de re-quisições de transmissão. A detecção de colisão no envio dessa transmissão se dá por time-out. O CMTS, ao receber a requisição do modem cabo, envia resposta ao mesmo determinando qual o canal que deve ser usado para as transmissões. O modem cabo pode então enviar novas requisições, junta-mente com as suas transmissões nesse canal a ele alocado. Há a previsão de que serviços isócronos se-jam implementados nesse esquema.

O IEEE, no entanto, ainda não concluiu esse trabalho. Esse fato levou ao surgimento de acordos de implementação por parte de entidades formadas por empresas interessadas na área, como é o caso do CableLabs nos EUA e dos consórcios DAVIC e DVB, na Europa. Ambos os sistemas utilizam-se do mesmo esquema de TDM e TDMA para as transmissões down e upstream, respectivamente, mas suas arquiteturas de protocolo e detalhes do MAC os fazem incompatíveis entre si.

O CableLabs produz a especificação DOCSIS (Data Over Cable Service Interface Specification), cuja versão 1.2 encontra-se em fase de finalização. Já existem as versões 1.0 e 1.1, que são compatíveis en-tre si. DOCSIS prevê a utilização de controle de acesso ao meio baseado no padrão IEEE 802.3 sob uma camada baseada em IEEE 802.2. Abaixo do protocolo MAC 802.3 existem três camadas, conhe-cidas como DOCSIS Security, DOCSIS MAC e DOCSIS Convergence. A Figura 14 ilustra a arquite-tura dos níveis físico e de enlace da solução DOCSIS.

Figura 14 - Arquitetura dos níveis físico e de enlace da especificação DOCSIS

A camada DOCSIS MAC prevê diferentes classes de serviço, visando atender às necessidades de ga-rantia de QoS de diversos tipos de aplicação, incluindo desde interatividade em tempo real (latência mínima) até entrega por melhor esforço. É utilizado também o esquema baseado em TDM para downstream e TDMA para upstream.

ConvergenceConvergence

Nível físico Nível físico

Rede Interna Rede Interna Planta Planta HFCHFC

IPIP

Rede Rede do do Head Head - - end end

DOCSIS MACDOCSIS MAC

SecuritySecurity

802.3 / Ether802.3 / Ether

802.2 / Ether802.2 / Ether 802.2 / Ether 802.2 / Ether

Convergence Convergence DOCSIS MAC DOCSIS MAC

Security Security 802.3 / Ether 802.3 / Ether 802.2 / Ether 802.2 / Ether

Rede Rede do do

Head Head - - end end


IP IP


802.3 802.3 USB USB PCI PCI

HomePNA HomePNA … …


CMTS CMTS ( ( Roteador Roteador ) )

DOCSISDOCSIS

ConvergenceConvergence


Rede Interna Rede Interna Planta Planta HFCHFC

IPIP

Rede Rede do do Head Head - - end end

DOCSIS MACDOCSIS MAC

SecuritySecurity

802.3 / Ether802.3 / Ether

802.2 / Ether802.2 / Ether 802.2 / Ether 802.2 / Ether

Convergence Convergence DOCSIS MAC DOCSIS MAC

Security Security 802.3 / Ether 802.3 / Ether 802.2 / Ether 802.2 / Ether

Rede Rede do do

Head Head - - end end


IP IP


802.3 802.3 USB USB PCI PCI

HomePNA HomePNA … …


CMTS CMTS ( ( Roteador Roteador ) )

DOCSISDOCSIS


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Os consórcios DAVIC e DVB prevêm três tipos de controle de acesso para o canal de upstream. Um deles é baseado em conteção, podendo haver colisões. Os outros dois são livres de contenção. Em um o modem cabo pode receber uma quantidade finita de slots do TDMA para transmitir, enquanto no ou-tro, um determinado canal formado por slots ao longo do tempo é alocado ao modem cabo, de forma que este tenha disponível uma taxa constante garantida.

Conforme pode ser deduzido da figura Figura 14, qualquer comunicação entre modems cabo diferen-tes deve passar pelo CMTS, que funciona como roteador. O próprio modem cabo, por sua vez, traba-lha como uma ponte para o acesso da rede interna às residências à rede de acesso. Do ponto de vista do CMTS, a rede formada pelos modems cabo é uma rede 802.3 (Ethernet).

A diversidade de órgãos, acordos e implementações proprietárias dificulta a implantação em larga es-cala do serviço, mas esta solução ainda é a líder em número de pontos vendidos.

3.2.3. Segurança da informação Uma vez que o acesso ao meio é compartilhado, há a necessidade de se implementar esquemas de segurança nas informações que são trocadas entre o CMTS e o modem cabo de cada usuário. Todas as soluções, proprietárias ou não, prevêm a utilização de criptografia no payload transportado pelas PDU de nível MAC. O algoritmo DES é um dos mais utilizados. A manipulação de chaves é realizada automaticamente entre o CMTS e seus modems cabo.

3.3. Opção baseada em infra-estrutura de distribuição de energia elétrica As empresas de prestação de serviço de fornecimento de energia elétrica vêm tentando, nos últimos anos, produzir uma solução de baixo custo para a transmissão de dados bidirecionais em sua planta de cabeamento. As principais motivações são a alta capilaridade da rede, superior inclusive àquela da rede telefônica, e a relativamente alta banda de freqüências disponíveis nos cabos de energia elétrica.

Os principais obstáculos ao sucesso desta tecnologia são a transposição (pelos sinais de dados) dos transformadores de tensão e a filtragem necessária para a separação dos sinais de dados da energia elétrica propriamente dita, em 50 ou 60 Hz. Já existem técnicas para esses problemas, mas a custos ainda proibitivos para o acesso residencial. Outros fatores, como as interferências eletromagnéticas que podem ser geradas pelo egresso das freqüências utilizadas para a transmissão de dados via rede elétrica nas áreas urbanas, ainda não são plenamente conhecidas.

Os testes que já foram realizados demonstraram transmissões com taxas de até 25 Mbps via cabos da rede elétrica.

Um fórum da área, o PLC (PowerLine Communications), sugere [15] a utilização das bandas de 1 a 15 MHz para a transmissão de dados entre os medidores das residências e a subestação local (seria a rede de acesso) e de 15 a 30 MHz para a transmissão de dados no interior das residências (a rede interna).

Uma vez que a rede elétrica pode ser considerada um meio físico em barra, e, portanto, é compartilhado, há a necessidade da utilização de um protocolo de controle de acesso ao meio. Diversas soluções, incluindo aquelas de acesso baseado em contenção e ordenado estão sendo consideradas.

Já há testes de campo em andamento nos EUA, e, principalmente, na Europa, com algumas centenas de residências compartilhando o acesso de um provedor de serviços de comunicação de dados via rede elétrica. No entanto, os custos e a regulamentação permitem a visualização da existência de um longo caminho a ser trilhado para a disponibilização efetiva desta solução.

3.4. Opções baseadas em redes sem fio

3.4.1. DBS – Direct Broadcast Satellite Com a crescente proliferação dos sistemas de televisão por assinatura com transmissão via satélite na banda Ku (10 a 17 GHz), o baixo custo dos equipamentos do site do usuário e a facilidade na sua ins-


21

talação, a partir de 1998 começou a ser considerada a utilização desses sistemas para a transmissão de dados.

No entanto, há sérias limitações no emprego desses sistemas para a transmissão de dados. O comparti-lhamento da banda de freqüências pode ser considerada a maior delas. Não é raro as operadoras do serviço disporem de um único satélite para a cobertura de extensas áreas geográficas. Essas áreas po-dem até mesmo incluir continentes inteiros. No Brasil, por exemplo, há cerca de 1 milhão de assinan-tes [12], distribuídos por apenas 2 provedores do serviço de TV via satélite (na banda Ku). Em horá-rios de pico de utilização do serviço de transmissão de dados, poderiam haver centenas de milhares de assinantes tentando relizar downloads ou acessos à sites da Web. Outra limitação é a ausência de uma tecnologia de baixo custo para a implementação da bidirecionalidade da transmissão de dados, ou seja, ainda não há um transmissor barato para ser instalado no site do usuário.

No entanto, o serviço está disponível e é vendido em diversos países11, com o canal de upstream im-plementado via modem analógico e rede telefônica tradicional. A arquitetura geral do sistema está a-presentada na Figura 15.

Figura 15 - Arquitetura geral da solução via DBS

A utilização da rede telefônica para upstream implica no tunelamento das requisições à Internet, Web ou mesmo às redes corporativas que assim o permitirem, até um centro operacional do provedor do serviço via satélite. O usuário deve, inicialmente, conectar-se a um provedor de Internet ou serviço lo-cal equivalente de nível 3. Uma vez estabelecida a conexão, o programa instalado no equipamento do usuário deve realizar o encapsulamento das requisições em comunicações endereçadas ao centro ope-racional do provedor de serviços DBS. Este, por sua vez, busca a resposta às requisições do usuário nos provedores de conteúdo e, após recebe-las, direciona-as via satélite ao usuário. Obviamente, o re-tardo entre o envio de uma requisição pelo usuário e o recebimento da resposta em questão não poderá ser pequeno. Em termos de custo, o usuário necessitará de dois provedores, um do próprio serviço de DBS, e outro para o acesso telefônico para o canal de upstream.

Os serviços disponíveis atualmente permitem até cerca de 400 Kbps de downstream, enquanto o ups-tream está limitado aos 33,600 Kbps dos modems analógicos.

3.4.2. MMDS – Multi-chanel Multipoint Distribution Service Este é um serviço de transmissão de dados via microondas, na banda que vai de 2,5 a 2,68 GHz para downstream e de 2,17 a 2,182 GHz para upstream. MMDS é uma das mais antigas formas de distribu-ição de dados sem fio. O serviço, inicialmente utilizado apenas para transmissão de canais de TV ana-lógicos, começou a ser prestado em 1983 nos EUA e no ano seguinte no Brasil. Até 1998 (EUA) e

11 No Brasil a ANATEL ainda não regulamentou o serviço de transmissão de dados via banda Ku.

RedeTelefônica

( Provedor )

DownstreamDownstream

UpstreamUpstream

ResidênciaResidência Provedor Provedor DBSDBS

InternetInternet

RedeTelefônica

( Provedor )

DownstreamDownstream

UpstreamUpstream

ResidênciaResidência Provedor Provedor DBSDBS

InternetInternet


22

2000 (Brasil) o canal de upstream só podia ser implementado via modem analógico e rede telefônica tradicional. Dessa forma, apesar de não haver o grande retardo presente em um enlace de satélite geos-tacionário, o caminho percorrido pelo tráfego entre a requisição pelo usuário e o recebimento da res-posta via MMDS é grande, como no caso do DBS, e requer a presença de um segundo provedor de serviços de transmissão de dados.

A banda de freqüências utilizada pelo MMDS permite que células de até 80 Km de raio possam ser a-tendidas com apenas um transmissor. A transmissão de dados se dá via codificação 64 QAM para downstream e QPSK para upstream. É necessária linha de visada direta entre os transceivers para o correto funcionamento do serviço. Já foram obtidas taxas de 10 Mbps para downstream e 128 Kbps para upstream em canais com 2 MHz de largura de banda em células com 40 km de raio. As soluções já implementadas utilizam-se de esquemas baseados em TDM para downstream e TDMA para upstre-am. A Figura 16 apresenta, de forma ilustrativa, a organização da solução MMDS.

Figura 16 - Ilustração da arquitetura da solução MMDS

O grande alcance de transmissão e a pouca direcionalidade das freqüências traz como conseqüência um alto grau de compartilhamento da banda disponível, fato que pode implicar em congestionamentos e, conseqüentemente, a poucas garantias de qualidade de serviço. Esse serviço, quando bidirecional, é recomendável em regiões com baixa densidade populacional.

3.4.3. LMDS ou LCMS – Local Multipoint (Communications) Distribution Service Esta solução também é baseada em microondas, como MMDS, mas em faixa diferente. Nos EUA, cerca de 1 GHz de banda estão disponíveis para downstream e cerca de 500 MHz para upstream, a partir de 28 GHz. Por utilizar freqüências mais altas que MMDS, a célula coberta por um transmissor não deve exceder cerca de 5 Km de raio. A faixa de freqüências também permite uma maior direciona-lidade na transmissão e recepção, fator que viabiliza um bom grau de reuso de canais de freqüência dentro de uma mesma célula, em freqüências diferentes. Estes dois fatores fazem da solução uma boa alternativa para a implementação de serviços de transmissão de dados em áreas com grande densidade populacional e/ou topografia acidentada. Já foram instalados serviços com células de 800 metros de raio em áreas de centrais de capitais.

Uma visão ilustrativa da arquitetura do serviço é apresentada na Figura 17.

As codificações de nível físico QPSK ou 16 QAM são utilizadas os esquemas TDM e TDMA são usa-dos para down e upstream, respectivamente.

A ANATEL está prevendo a regulamentação do serviço no Brasil, para o final do ano de 2000.

TT

TTRR

RR

RR

T: TransmissoresT: TransmissoresR: RetransmissoresR: Retransmissores

HeadHead--endend

15 Km de raio15 Km de raio


CardióideCardióide


ParabólicaParabólica

FibraFibra

MicroondasMicroondas

TT

TTRR

RR

RR

T: TransmissoresT: TransmissoresR: RetransmissoresR: Retransmissores

HeadHead--endend





ParabólicaParabólica

FibraFibra

MicroondasMicroondas


23

Figura 17 - Ilustração da organização do serviço LMDS

4. A rede interna Entende-se como rede interna aquela que provê a interligação entre os equipamentos do assinante, como computadores e set-top boxes, e o equipamento de terminação da tecnologia de acesso escolhi-da, como modem cabo ou modem ADSL. Diversos problemas estão diretamente relacionados à rede interna. Alguns deles são:

• Compartilhamento do acesso: não serão poucas as residências que terão mais de um equi-pamento ligado à rede de acesso. Deverão fazer parte dessa rede mais de um aparelho tele-fônico, possivelmente mais de um computador e alguns set-top boxes para diversas televi-sões. Os usuários poderão ter mais de um endereço IP ? Os usuários poderão disponibili-zar serviços como servidores Web e de listas de discussão ?

• Compartilhamento de periféricos no interior da residência: dispositivos como impressoras, scanners e unidades de armazenamento deverão também ser compartilhados via rede in-terna.

• Repetidores e cabeamento: há uma natural busca por soluções de cabeamento que sejam o mais discretas possíveis, com um mínimo de equipamentos. Cabos grossos e coloridos de-vem ser evitados. Da mesma forma, hubs e/ou switches de grande tamanho não serão bem vindos. Qual a distância limite dos cabos a serem utilizados ?

• Controle de acesso ao meio e qualidade de serviço: uma vez que a rede interna existe para interligar os equipamentos da residência entre si e estes à rede de acesso, um mecanismo de controle de acesso eficiente deve ser utilizado de forma a viabilizar as garantias de QoS que venham a ser necessárias para determinadas aplicações, como, por exemplo, distribui-ção de vídeo digital, videoconferência e telefonia.

• Protocolos de nível superior: nem sempre apenas o protocolo IP será necessário. O acesso às redes corporativas pode exigir a utilização de outros protocolos como, por exemplo, o IPX ou a arquitetura SNA, entre outros.

• Taxa de transmissão disponível: o cabeamento e o controle de acesso ao meio devem via-bilizar as taxas necessárias às aplicações que podem ser possíveis de serem executadas ao mesmo tempo. Um fluxo de vídeo digital MPEG-1 a 1,5 Mbps, navegação na Web a 128 Kbps, uma conversação telefônica a 64 Kbps e um chat com vídeo a, por exemplo, 384 Kbps podem estar sendo executados em paralelo. Seriam necessários então cerca de 3 Mbps de tráfegos em VBR e CBR simultâneos.

• Complexidade de instalação e administração: a maioria dos usuários não disporá de co-nhecimentos técnicos necessários à complexas tarefas de instalação, gerência e adminis-tração dos equipamentos e programas relacionados à rede interna.

HeadHead--endendHeadHead--endend

Transmissores direcionaisTransmissores direcionais






24

4.1. Requisitos De acordo com o que foi citado no item anterior, os seguintes requisitos podem ser enumerados para a rede interna:

• Permitir o compartilhamento do acesso à rede do provedor de serviço de acesso.

• Permitir a utilização de múltiplos equipamentos.

• Ser de administração e gerência fáceis e simples.

• Isolar o tráfego interno à residência da rede de acesso.

• Oferecer suporte a diferentes protocolos de nível superior.

• Permitir o acesso a diferentes provedores de serviços de acesso.

• Implementar diferentes classes de qualidade de serviço.

4.2. Compartilhamento do acesso Nem todos os provedores de serviço de rede de acesso vão permitir o compartilhamento do acesso. Em países onde já há redes de acesso implementadas e em pleno funcionamento, pode-se encontrar servi-ços que disponibilizam apenas um endereço IP e serviços que cobram taxas extras por endereços IP adicionais no site do mesmo assinante.

Adicionalmente, a maioria dos dispositivos de terminação da rede de acesso (modems ADSL, modems cabo, etc) normalmente não operam como se fossem pontes. Isso significa que se o terminador for co-nectado diretamente a um equipamento do tipo hub, todo o tráfego da rede interna, incluindo aquele local à residência, será enviado para o multiplexador situado no head-end. Esse fato, além de divulgar o tráfego interno da residência do usuário, viabilizando possíveis quebras de sigilo, sobrecarrega a re-de de acesso com tráfego que deveria ser apenas interno às residências.

Uma forma de se resolver esses problemas é a utilização de um programa gateway em um computador diretamente conectado ao terminador de acesso e ligado à rede interna, conforme está apresentado na Figura 18. Esse programa também pode estar instalado em um equipamento específico, conhecido no mercado como Tradutor de Endereços de Rede (NAT).

Figura 18 - Arquitetura geral da rede interna

O programa gateway faz o roteamento para a rede de acesso apenas do tráfego que deve necessaria-mente ser para ela encaminhado. Funções de proxy podem estar implementadas nesse programa, de forma que mesmo que o usuário tenha adquirido apenas um acesso (ou um único endereço IP), outros computadores da rede interna comuniquem-se com a rede de acesso. Já existem produtos disponíveis no mercado que, além de implementarem esse serviço de proxy, disponibilizam outras funcionalidades como cache de web, firewall e DHCP (cliente para a rede de acesso e servidor para a rede interna), en-tre outras.

LANHub

LAN

GatewayGateway ModemModemcabo oucabo ou

xDSLxDSL

Rede Rede com acom aUtilizaçãoUtilização dedeum gatewayum gateway

LANHub

LAN

GatewayGateway ModemModemcabo oucabo ou

xDSLxDSL

Rede Rede com acom aUtilizaçãoUtilização dedeum gatewayum gateway


25

4.3. Cabeamento e controle de acesso ao meio Diversas são as soluções consideradas para a implementação física da rede interna do controle de a-cesso (MAC) à mesma. Desde simples redes baseadas em Ethernet (802.3) até a rede elétrica da resi-dência estão sendo consideradas, utilizadas e/ou testadas. Tecnologias como FireWire (IEEE 1394) a-presentam boas características no que diz respeito à QoS, mas o cabeamento é limitado em distância e indiscreto. As Ethernets (10/100/1.000 Mbps) são mais discretas em termos de cabeamento, mas re-querem repetidores (hubs ou switches) e não implementam mecanismos de controle de acesso ao meio que garantam QoS. A rede elétrica e as redes sem fio, além de exigirem equipamento caros, ainda dis-ponibilizam taxas relativamente baixas para as necessidades típicas dos compartilhamentos local de equipamentos e do acesso.

O problema ainda encontra-se sem uma solução que atenda todos os requisitos desejados. No entanto, as maiores empresas fabricantes de equipamentos dos níveis físico e de enlace, tais como 3Com, AT&T, Intel, IBM, Lucent e AMD, entre muitas outras, conseguiram obter uma solução que contem-pla, inicialmente, as exigências de discrição do cabeamento e taxas necessárias ao tráfego da rede in-terna. Elas criaram uma associação, a HomePNA (Home Phone Networking Alliance), que produziu a especificação de uma rede com controle de acesso ao meio 802.3 (CSMA/CD) sobre cabeamento tele-fônico tradicional (1 par trançado de cobre, de categoria 3 ou inferior). Uma visão da rede interna im-plementada com essa especificação pode ser observada na Figura 19.

Figura 19 - Arquitetura da especificação HomePNA

A especificação HomePNA 1.0 prevê a ligação em paralelo de dispositivos via um par de trançado de cabo telefônico comum e a transmissão de dados em 1 Mbps, via MAC 802.3. A especificação 2.0 já utiliza a taxa de 10 Mbps. Não há a necessidade de hubs ou switches e a ligação mais distante entre dois pontos da rede pode ter até 180 metros de extensão. A codificação de nível físico é a ?? e a utili-zação do espectro está apresentada na Figura 20. Já existem diversas interfaces de rede compatíveis com a tecnologia à venda.

Modem paraModem paraacesso aoacesso aoprovedor de serviçosprovedor de serviços

CâmeraCâmeradigitaldigital

NotebookNotebook

SetSet--top box top box eetelevisãotelevisão

TelefoneTelefonevia Webvia Web

ScannerScanner

PC multimídiaPC multimídia

ImpressoraImpressoracompartilhadacompartilhada

Cabeamento telefônicoCabeamento telefônico

CâmeraCâmera

Modem paraModem paraacesso aoacesso aoprovedor de serviçosprovedor de serviços

CâmeraCâmeradigitaldigital

NotebookNotebook

SetSet--top box top box eetelevisãotelevisão

TelefoneTelefonevia Webvia Web

ScannerScanner

PC multimídiaPC multimídia

ImpressoraImpressoracompartilhadacompartilhada

Cabeamento telefônicoCabeamento telefônico

CâmeraCâmera


26

Figura 20 - Utilização do espectro da solução HomePNA

5. Arquitetura de protocolos para a convergência de serviços Com a ampla disponibilização das tecnologias de acesso discutidas anteriormente, a largura de banda que estará disponível para as residências abrirá caminho para uma ampla variedade de serviços, como telefonia, vídeo, fax, acesso à Internet, a Extranets e a redes corporativas (baseadas em IP ou não), en-tre outros, a baixo custo. Atualmente, cada serviço é transportado em rede própria, que implementa os seus bem definidos protocolos. Haverá a necessidade, ou pelo menos já é a intenção dos provedores de rede de acesso, da integração dos serviços em uma única rede.

Ainda assim, durante muito tempo será necessária a convivência de diferentes tecnologias, como por exemplo a telefonia tradicional e os canais de vídeo analógico, com o acesso às redes de pacotes.

Serão abordadas a seguir as principais tendências, no que diz respeito à arquitetura de protocolos, para viabilizar a convergência de serviços via plantas de cabos telefônicos e de TV a cabo, que são as duas soluções de acesso mais difundidas. O trabalho do fórum ATM no eu diz respeito ao acesso residenci-al em banda larga sobre ATM também será citado.

5.1. Convergêcia via planta de cabos telefônicos A óbvia necessidade de padronização – ou pelo menos de acordos – entre os prestadores de serviços de telecomunicações baseados na infra-estrututra telefônica no que diz respeito à integração de servi-ços, ou convergência, fez surgir a iniciativa FSAN – Full Services Access Network [13]. Esta iniciati-va é liderada pelas grandes operadoras de telecomunicações do mundo, como, por exemplo, France Telecom, Alcatel, Italtel, British Telecom, Telefónica, Telstra, Bellcore, Swiss Telecom, Ericsson Te-lecom, Siemens, Bosch Telecom, CSELT, e Deutsche Telekom, entre outras.

O trabalho da FSAN foi dividido em fases que abordaram, inicialmente, os requisitos básicos de uma rede de acesso que viabilizasse a convergência de serviços, em seguida, a arquitetura geral12 da rede, incluindo os principais componentes, depois, as principais categorias de aplicações13 e, finalmente, os requisitos de performance da rede para as referidas aplicações.

No que diz respeito à arquitetura de protocolos, a iniciativa FSAN prevê a utilização do ATM de fim a fim, uma vez que esta é a tecnologia de rede com maior potencial para atendimento aos requisitos de QoS necessários. A Figura 21 ilustra uma possível arquitetura de protocolos baseada em ATM para a integração de serviços.

O ATM foi escolhido por já ser amplamente utilizado nos backbones das redes dos diferentes serviços, além de suas já conhecidas vantagens, como oferecimento de várias classes de serviço, garantir QoS por conexão virtual e fácil escalabilidade.

12 A iniciativa FSAN prevê a ampla utilização da tecnologia VDSL como nível físico para o acesso. 13 Tráfego simétrico ou assimétrico de dados sobre IP, vídeo sob demanda, distribuição de vídeo digital, telefonia tradicional e multimídia interativa.

POTSPOTS Up ADSLUp ADSL Downstream ADSLDownstream ADSL ffHomePNAHomePNA

4kH

z4k

Hz

20kH

z20

kHz

1.1M

Hz

1.1M

Hz

5.5M

Hz

5.5M

Hz

9.5M

Hz

9.5M

Hz

POTSPOTS Up ADSLUp ADSL Downstream ADSLDownstream ADSL ffHomePNAHomePNA

4kH

z4k

Hz

20kH

z20

kHz

1.1M

Hz

1.1M

Hz

5.5M

Hz

5.5M

Hz

9.5M

Hz

9.5M

Hz


27

Nessa proposta de arquitetura, a AAL 1 é utilizada para serviços interativos de áudio não comprimido e a AAL 2 para serviços interativos de áudio e vídeo comprimidos. A sinalização14 desses serviços, bem como os serviços de transmissão de dados, como acesso à Internet e acesso às redes corporativas, se utilizarão da AAL 5. Os serviços não interativos que incluam áudio e vídeo podem também se utilizar da AAL 5.

Figura 21 – Uma arquitetura de protocolos para integração de serviços

O PPP é adotado como protocolo a ser utilizado sobre o ATM para viabilizar o transporte de múltiplos protocolos de nível 3 sobre a AAL 5, no caso dos já citados serviços de transmissão de dados. O PPP também é orientado a conexão, sendo facilitado o mapeamento entre suas conexões e aquelas do ATM, além de permitir a negociação dos parâmetros necessários ao protocolo de nível 3 que se deseja utilizar. Outro fator importante na utilização do PPP é que este permite a multiplexação de PDUs de diferentes origens em uma mesma conexão, algo que a AAL 5 do ATM não permite.

Esta solução já está sendo utilizada diversas implementações operacionais. Inicialmente, apenas a AAL 5 vem sendo utilizada e, visando postergar a instalação de redes ATM nas residências, a ligação de equipamentos tradicionais como aparelhos telefônicos e faxes vem sendo feita diretamente no equi-pamento terminador da rede de acesso.

5.2. Convergência via planta de cabeamento HFC Quando se iniciaram15 os trabalhos de pesquisa na busca de uma solução para a implementação da comunicação bidirecional de dados via planta de cabeamento HFC, ATM foi a primeira tecnologia considerada. A arquitetura de protocolos fim a fim planejada era praticamente a mesma apresentada na Figura 21, exceto pelas trocas do multiplexador e terminador de acesso pelos CMTS e modem cabo, respectivamente, e também do acesso via xDSL pelo acesso via HFC. Deve-se destacar que entre a camada ATM e a codificação (e modulação) de nível físico há uma subcamada responsável pela reali-zação do controle de acesso ao meio, uma vez que o mesmo é compartilhado.

Esta solução, no entanto, não foi acatada pelos principais órgãos geradores de acordos de implementa-ção da área de TV a cabo, CableLabs nos EUA e DAVIC/DVB na Europa. Foi alegado que a presença do ATM imporia um processamento adicional injustificável. Estas entidades optaram então pela utili-zação do IP sobre LLC (IEEE 802.2) e este último sobre MAC 802.3 ou Ethernet DIX16. A distribui-ção de vídeo digital e o transporte de aplicações interativas ou não de áudio e vídeo, ou seja, a conver-gência, pode ter a necessária QoS garantida com a alocação de canais diferenciados de freqüência na

14 Esta sinalização não é aquela do plano de controle da tecnologia ATM, mas sim aquela das aplicações, como por exemplo o acesso a menus de serviços de vídeo sob demanda. 15 Em torno de 1994. 16 Digital, Intel, Xerox.

ATMATMAcesso Acesso ( ( xDSL xDSL ))

RedeRedeCorporativaCorporativa

ProvedorProvedorInternetInternet


TelefoneTelefone,,Fax, etcFax, etc

ComputadorComputador(gateway)(gateway)

Nível físicoNível físico

TerminadorTerminadorde de AcessoAcesso

Rede InternaRede InternaRede Rede de de AcessoAcessoRede Rede do Headdo Head--end eend eRedeRede regional de BLregional de BL

ATMATM ATMATM ATMATM

Eqp Eqp dedeVídeoVídeo

PPPPPPIPIPIPIP

PPPPPPPPPPPPIPIP XYXY

PPPPPPIPIPXYXY

ATMATMPPPPPPÁudioÁudio ÁudioÁudio

Mux Mux dedeAcessoAcesso

IPIP

Víde

oVí

deo

ATMATMAcesso Acesso ( ( xDSL xDSL ))

RedeRedeCorporativaCorporativa

ProvedorProvedorInternetInternet





TerminadorTerminadorde de AcessoAcesso

Rede InternaRede InternaRede Rede de de AcessoAcessoRede Rede do Headdo Head--end eend eRedeRede regional de BLregional de BL

ATMATM ATMATM ATMATM

Eqp Eqp dedeVídeoVídeo

PPPPPPIPIPIPIP

PPPPPPPPPPPPIPIP XYXY

PPPPPPIPIPXYXY

ATMATMPPPPPPÁudioÁudio ÁudioÁudio

Mux Mux dedeAcessoAcesso

IPIP

Víde

oVí

deo


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relativamente ampla banda disponível no cabo coaxial, juntamente com o emprego de serviços dife-renciados e/ou integrados em IP.

Sendo assim, a arquitetura de protocolos genérica para a integração de serviços via planta HFC é a que está apresentada na Figura 22.

Figura 22 - Arquitetura geral para a integração de serviços via planta HFC

A camada denominada apenas como MAC que encontra-se situada entre a camada 802.3 e o nível físi-co HFC é implementada de acordo com a padronização (ou acordo de implementação) escolhida pela operadora. Conforme já foi citado, há diversos acordos e soluções proprietárias em utilização nesta camada.

5.3. Integração de serviços sobre ATM: trabalho do Fórum ATM Visando servir de guia à implementação de serviços integrados, fim a fim, via tecnologia ATM, o fórum formado pelas empresas fabricantes de produtos desta tecnologia elaborou um framework [15] para acesso residencial via ATM. A arquitetura de referência deste framework está apresentada na Figura 23.

Figura 23 - Arquitetura de referência para a integração de serviços fim a fim via ATM

O framework citado descreve como devem ser implementados os serviços, o gerenciamento, a sinalização, os controles de tráfego e de congestionamento e até as interfaces de nível físico entre as diversas redes. É esperado pelo fórum ATM que a interoperabilidade de equipamentos seja facilitada com a obediência a este acordo.

6. Questões em aberto O desempenho das aplicações TCP em comunicações assimétricas pode ser bastante degradado, de-pendendo do grau de assimetria e do tamanho máximo de segmento e de janela a serem utilizados [18]. Adicionalmente, a maioria dos receptores de tráfego TCP devem enviar acknowledgements a ca-da pacote IP recebido. Esses fatores podem levar à ineficiência da utilização da banda disponível para downstream.

O desempenho da solução IP sobre ATM sobre quaisquer das codificações de nível físico é questiona-do em diversos testes de laboratório. A introdução do processamento adicional necessário à adaptação dos pacotes IP às células ATM e o próprio (grande) overhead de cabeçalho do ATM indicaram a perda

Rede ATMRede ATMPrincipalPrincipal

Rede ATMRede ATMde Acessode Acesso

Terminação daTerminação daRede de AcessoRede de Acesso

Rede ATMRede ATMInternaInterna

TerminalTerminalATM NativoATM Nativo

ANIANI UNIUNIww UNIUNIXX UNIUNIHH

Rede ATMRede ATMPrincipalPrincipal

Rede ATMRede ATMde Acessode Acesso

Terminação daTerminação daRede de AcessoRede de Acesso

Rede ATMRede ATMInternaInterna

TerminalTerminalATM NativoATM Nativo

ANIANI UNIUNIww UNIUNIXX UNIUNIHH

MACMACNível físicoNível físico

ISP e ISP e RedeRedeCorporativaCorporativa

VídeoVídeoDigitalDigital





Rede InternaRede InternaPlanta Planta HFCHFCRede Rede RegionalRegional

de Banda de Banda LargaLarga


IPIPÁudioÁudio

CMTSCMTS((RoteadorRoteador))

IPIP

MM802.3802.3802.2802.2 802.2802.2

MACMAC

IPIP802.2802.2

MACMACMPEGMPEG

802.2802.2

MACMAC

IPIP

.3.3

.2.2

MPEGMPEG

ÁudioÁudio

GatewayGatewayTelefoniaTelefonia

Rede Rede dodoHeadHead--endend

MACMACNível físicoNível físico

ISP e ISP e RedeRedeCorporativaCorporativa






Rede InternaRede InternaPlanta Planta HFCHFCRede Rede RegionalRegional

de Banda de Banda LargaLarga


IPIPÁudioÁudio

CMTSCMTS((RoteadorRoteador))

IPIP

MM802.3802.3802.2802.2 802.2802.2

MACMAC

IPIP802.2802.2

MACMACMPEGMPEG

802.2802.2

MACMAC

IPIP

.3.3

.2.2

MPEGMPEG

ÁudioÁudio

GatewayGatewayTelefoniaTelefonia

Rede Rede dodoHeadHead--endend


29

de cerca de 25 % na eficiência da transmissão de dados, enquanto soluções IP sobre quadros Ethernet indicaram perda de apenas 5 %, no caso das soluções xDSL [18]. Resta obter resposta à questão se é válido arcar com essa ineficiência em troca da integração do transporte de pacotes IP com outros ser-viços (como áudio e vídeo MPEG) diretamente sobre ATM.

Dada a possibilidade de uma abertura ainda sem precedentes na disponibilidade de serviços de comu-nicação de dados apreço acessível e com elevadas taxas, além destas questões de desempenho, algu-mas outras questões técnicas [18] em aberto requerem pesquisas e testes adicionais para que o poten-cial do acesso residencial em banda larga seja eficientemente aproveitado:

• A modelagem do tráfego. Ainda não se conhece qual é o perfil típico de fluxos de dados por usuário ou por residência.

• A interoperabilidade e interconexão de redes.

• A escalabilidade tem que ser viável e sua implementação deve ser simplificada, pois em áreas com grande densidade populacional a demanda pode ser muito grande em pequenos intervalos de tempo.

• A identificação das principais vulnerabilidades no que diz respeito à segurança para cada uma das soluções propostas.

• A localização, as funcionalidades e o desempenho no emprego de firewalls.

• O emprego de cache de web.

• O retardo fim a fim.

• O desenvolvimento de produtos que viabilizem simulações e experimentos para o projeto e provimento dos serviços.

7. Conclusão A evolução das tecnologias de acesso vem se dando a uma velocidade maior até mesmo que a conhe-cida “Lei de Moore17”. Foram necessários apenas cerca de 10 anos para que o acesso passasse, em termos comerciais e práticos, de 14,400 Kbps dos modems analógicos aos 8 Mbps da tecnologia ADSL, conforme pode ser observado na Tabela 4. Isso representa uma evolução no aumento da taxa de mais de 400 vezes.

O impacto que essa evolução dos meios de comunicação terá na maneira como as pessoas e empresas trocam informações é evidente, embora suas formas ainda estejam tomando corpo. As primeiras ini-ciativas de criação de conteúdo ainda trazem a carga cultural das mídias de origem de seus produtores, ou seja, jornal, rádio ou televisão. Mas novas experiências de linguagem estão sendo experimentadas. Já existe a produção de seriados especialmente para a Web e, no Brasil, a MTV criou o e-clip, video-clipe interativo montado online pelo usuário. Os sites de jogos e e-commerce também já oferecem to-do o tipo de iteratividade. Clássicos ou inovadores, esses conteúdos tem pelo menos uma coisa em comum: a necessidade de banda larga.

Tabela 4 - Evolução das tecnologias de acesso

Ano Acontecimento 1983 Surge o MMDS para transmissão de vídeo analógico. 1984 Comercialização das primeiras linhas digitais T1. 1987 Codificação de nível físico DMT é criada. 1989 Tecnologia desenvolvida pela Bellcore. 1990 Surgem os modems analógicos de 14,4 Kbps. 1992 Surgem os modems analógicos de 28,800 Kbps.

17 A capacidade dos processadores dobra e o custo cai à metade a cada 18 meses.


30

1993 Primeiros testes de ADSL em vídeo sob demanda. 1994 Criação do fórum ADSL. 1995 Início da comercialização do modem cabo. 1998 Padrão ADSL Full rate é aprovado. 1998 HDSL é padronizado pelo ITU-T. 1998 Transmissão bidirecional via MMDS é regulamentada. 1998 Início da comercialização de ADSL. 1999 Padrão ADSL Lite é aprovado. 1999 Oferecimento do serviço ADSL em larga escala. 2000 LMDS deverá ser regulamentado

Fonte: [2]

Surpreendentemente, backbone não é o problema. Em muitos países, como por exemplo o Brasil, há até sobra de capacidade nos backbones [24]. O gargalo é o acesso em banda larga. Este é, atualmente, o maior desafio que as operadoras de redes e de telecomunicações enfrentam, em função do alto custo ligado a qualquer atividade relativa à última milha. A infra-estrutura desta última milha, quando existente, está normalmente limitada aos cabos de par trançado que são utilizados pela rede telefônica tradicional. A planta das operadoras de TV a cabo ainda alcança, na maioria dos países do mundo, uma fração muito pequena das residências. No Brasil, por exemplo, não chega a 2 milhões de assinantes, ou seja, nem 2 % da população [12]. Nos países onde esta planta alcança parcela significativa da população, como, por exemplo, nos EUA, muitas vezes a planta é antiga e exige grandes investimentos na sua atualização para a prestação de serviços bidirecionais. A rede telefônica, que alcança praticamente 1 em cada 5 habitantes do planeta, [2], conta muitas vezes com cabos antigos que inviabilizam a implementação das soluções xDSL. Pesquisas já demonstraram que a atualização de ambas as plantas (telefônica e de TV a cabo) para a prestação de serviços bidirecionais muitas vezes pode custar mais do que foi necessário para a sua instalação [22]. A taxa de adesão aos serviços deve ser de cerca de 30 a 50% dos assinantes servidos para que o investimento em atualização de segmentos das plantas se tornem economicamente viável [22].

Atualmente, a solução via TV a cabo ocupa a liderança no provimento de acesso em banda larga. Esse fato se deve à rápida disponibilização do serviço, iniciada alguns anos antes das soluçoes xDSL. No entanto, dado o maior custo dos equipamentos e o compartilhamento da banda por vários usuários da tecnologia de modem cabo, xDSL tende a ocupar o primeiro lugar em pontos de acesso vendidos num futuro não muito distante, conforme pode ser observado no gráfico da Figura 24.

Figura 24 - Expectativa de penetração das soluções de acesso

Das demais tecnologias, pode-se prever um aumento significativo no oferecimento do acesso em banda larga sem fio, especialmente nas áreas densamente povoadas, com o uso da tecnologia MMDS.

0

2

4

6

8

10

12

14

1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004

Hou

seho

lds

(in M

illio

ns)

CableDSLWirelessOther


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Nesse caso, espera-se que a grande utilização justifique os custos iniciais da montagem de uma infra-estrutura básica de distribuição do serviço pelas operadoras.

É necessário ainda uma maior coordenação na padronização. A convergência de vídeo, áudio e dados fim a fim só será efetivamente alcançada, ou pelo menos será enormemente facilitada, quando um pa-dronização única for observada. Atualmente, há uma clara concentração em torno da produção de e-quipamentos aderentes à acordos de implementação aderentes a órgãos do tipo alianças e fórums cons-tituídos, normalmente, de forma rápida, por empresas interessadas na venda de seus equipamentos. Questões como interferências causadas pelo egresso ou ingresso de freqüências dessas soluções nem sempre são estudadas com a meticulosidade que seria desejável. Um exemplo dessa situação é o fato de o ITU-T estar divulgando em seus informativos que especial atenção deve ser prestada às interfe-rências que o esquema proposto pela aliança HomePNA, citado na seção sobre a rede interna, pode causar, em especial na telefonia tradicional. Esta aliança, que é formada por grandes e tradicionais empresas fabricantes de equipamentos de redes, orgulha-se justamente de ter produzido as primeiras especificações do seu acordo de implementação em tempo recorde.


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