Cadernos CPqD Tecnologia - Vol 2 Nº 2

CadernosCadernosTecnologiaTecnologia

Vol. 2 • n. 2 • julho/dezembro 2006

Cadernos CPqD TecnologiaEditores-Chefes

João Marcos Travassos RomanoClaudio A. Violato

Editores ExecutivosAntonio Carlos Gravato Bordeaux Rego

Claudio de Almeida LouralCleida A. Queiroz CunhaMarco Antonio Ongarelli

Mario Tosi Furtado

Comitê Editorial(Fórum de P&D do CPqD)

João Marcos Travassos Romano (Sociedade Brasileira de Telecomunicações – SBrT)Adonias Costa da Silveira (Instituto Nacional de Telecomunicações – Inatel)

Denise Consoni (Sociedade Brasileira de Microondas e Optoeletrônica – SBMO)Flávio Rech Wagner (Sociedade Brasileira de Computação – SBC)

José Mauro Pedro Fortes (Sociedade Brasileira de Telecomunicações – SBrT)Paulo Roberto Freire Cunha (Sociedade Brasileira de Computação – SBC)Virgílio Augusto Almeida (Universidade Federal de Minas Gerais – UFMG)

Assistentes EditoriaisAdriana Maria Antonietta Bevilacqua

Maria Fernanda Simonetti Ribeiro de Castilhos

Jornalista ResponsávelRenata Della Volpe – MTB 41058

Preparação de Originais e RevisãoElisabete da Fonseca

Evanir BrunelliMárcia I. O. Andrade Bozzi

Marco Antonio StoraniMaria Paula Gonzaga Duarte Rocha

Sergio Ricardo Mazzolani

Projeto Gráfico, Capa e Diagramação Gerência de Documentação e Localização – GDL

Tiragem800 exemplares

Correspondência e Pedidos de AssinaturaAssessoria de Comunicação e Inteligência de Mercado – ACIM

Rodovia Campinas–Mogi-Mirim, km 118,5CEP 13086-902 – Campinas, SP – Brasil

DDG: 0800.7022773e-mail: [email protected]

Diretoria do CPqDPresidente: Hélio Marcos M. Graciosa

Vice-Presidente de Tecnologia: Claudio A. ViolatoVice-Presidente Comercial: Luiz Del Fiorentino

Vice-Presidente Financeiro: Cesar Cardoso

Cadernos CPqD Tecnologia. Fundação CPqD – Centro de Pesquisa e Desenvolvimento

em Telecomunicações. Campinas, SP, v. 1, n. 1 (jan./dez. 2005 -) v.il.; 30 cm.

v.2, n.2, jul./dez. 2006SemestralResumos em português e inglêsISSN 1809-1946

1. Tecnologia. 2. Telecomunicações. I. Fundação CPqD

CDD 621.38

A revista Cadernos CPqD Tecnologia é uma publicação da Fundação CPqD – Centro de Pesquisa e Desenvolvimento emTelecomunicações, dedicada à divulgação das pesquisas desenvolvidas pela instituição. A revista é distribuída gratuitamente.

Esta revista foi impressa pela Mundo Digital Gráfica e Editora com miolo em papel Offset 75g/m2 e capa em papel Triplex250g/m2 para o CPqD em dezembro de 2006.

Cadernos CPqD TecnologiaVol. 2, n. 2, jul./dez. 2006

ApresentaçãoClaudio A. Violato..................................................................................................................................... 3

Prefácio

João Marcos Travassos Romano........................................................................................ 5

Provas de conceito de aplicações para TV digital interativa com o propósito de promover ainclusão digital no Brasil

Sônia Mayumi Kutiishi, Lara Schibelsky Godoy Piccolo.......................................................................... 7

Avaliação de projetos e soluções inovadoras em inclusão digitalCláudia de Andrade Tambascia, Marcos de Carvalho Marques, Luciano Maia Lemos, José ManuelMartin Rios, Daniel Moutinho Pataca, Romulo Angelo Zanco Neto, Giovanni Moura de Holanda,Juliano Castilho Dall'Antonia ................................................................................................................. 19

Redes sociais e disseminação de inovações tecnológicas: uma modelagem por agentes aplicadaao caso da TV digital brasileira

Ismael Mattos Andrade Ávila, José Carlos Lima Pinto, Luciano Maia Lemos, Giovanni Moura deHolanda ....................................................................................................................... 27

Análise técnica e de custos de implantação de rede WiMAX para provisão de serviços de telefoniaRoberto Petry, Carlos Henrique R. Oliveira, José Antonio Martins....................................................... 39

Avaliação da dinâmica de comportamento de redes Ad Hoc através de simulações

Heloísa Peixoto de Barros Pimentel, Fabrício Lira Figueiredo, José Antonio Martins .................... 51

Análise de desempenho de protocolos de roteamento para redes Ad Hoc sem fioFabrício Lira Figueiredo, Marcel Cavalcanti de Castro, Marcos Antônio de Siqueira, Heloísa Peixoto deBarros Pimentel, Aníbal César Aguiar de Carvalho, José Antonio Martins........................................... 61

Multiplexador Óptico Deriva/Insere Reconfigurável (ROADM) para redes WDMJúlio César Rodrigues F. de Oliveira, Luis Renato Monte, Juliano Rodrigues F. de Oliveira, RobertoArradi, Giovanni Curiel dos Santos, Alberto Paradisi............................................................................ 71

Protocolo de controle de acesso do anel de rede de comutação óptica de pacotesMarcos Rogério Salvador, Eduardo Mobilon, Rodrigo Bernardo, Luis Renato Monte, Vinicius Garcia deOliveira................................................................................................................................................... 77

Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 2, n. 2, p. 1-84, jul./dez. 2006

ISSN 1809-1946

Apresentação

Com esta edição, os Cadernos CPqD Tecnologia completam seu primeiro ano de circulação. Arepercussão alcançada pelos Cadernos nesse período mostra que a publicação, concebida para sermecanismo de disseminação dos resultados dos projetos de pesquisa e desenvolvimento conduzidospelo CPqD, está no caminho de sua consolidação como veículo de difusão tecnológica, cumprindo amissão para a qual foi criada.

Este segundo número dos Cadernos, que agora oferecemos aos nossos leitores, reflete o resultado daexperiência desse primeiro ano de atividades e o nível de maturidade alcançado no processo deelaboração e de seleção dos trabalhos apresentados. Esperamos que os artigos aqui publicados, queestão focados em temas tecnológicos atuais e na realidade brasileira, contribuam para odesenvolvimento dos profissionais do setor.

Queremos expressar nossos agradecimentos aos membros do Comitê Editorial pelas contribuições epela análise, avaliação e seleção dos trabalhos publicados. Essa participação é sempre valiosa e conferemaior valor e qualidade aos Cadernos. Registramos nosso reconhecimento, em particular ao Prof. LuísAfonso Bermúdez, que incentivou a criação dos Cadernos, ajudando a superar as dificuldades iniciaiscom entusiasmo e equilibrada orientação, e conduzindo os trabalhos do Comitê até meados deste ano,quando se encerrou seu mandato no Conselho Curador do CPqD. A existência desta publicação muito sedeve a seu estímulo.

Claudio A. ViolatoVice-Presidente de Tecnologia


Prefácio

Já no seu segundo ano de implantação, os Cadernos atingem uma regularidade que deixa patente a suaboa aceitação junto à comunidade de pesquisadores do CPqD. Seu sucesso deve-se em muito aotrabalho do Professor Luís Afonso Bermúdez, primeiro presidente do Fórum de P&D, a quem tenho ahonra e a responsabilidade de suceder. Bermúdez foi um dos idealizadores dos Cadernos e sua atuaçãono Fórum, com competência e simpatia, foi decisiva para aproximar ainda mais o CPqD e a comunidadeacadêmica. A ele agradecemos e dedicamos este número que contém oito artigos resultantes de umadifícil seleção.

O primeiro, assinado por Sônia Kutiishi e Lara Piccolo, trata do instigante tema de relação entre TV digitale inclusão social. Partindo das premissas do decreto que instituiu o Sistema Brasileiro de TV Digital, asautoras discutem as especificidades do caso brasileiro, entre elas os requisitos de interatividade.

O segundo artigo, por Claudia Tambascia e colaboradores, também está voltado para o importante temada inclusão digital. Avalia projetos inovadores partindo de um mapeamento das iniciativas nacionais, comênfase em soluções voltadas a pessoas com necessidades especiais.

No terceiro artigo, Ismael Ávila e colaboradores descrevem um processo de modelagem da dinâmica queas redes sociais exercem sobre a disseminação de uma nova tecnologia na sociedade.

O uso da rede WiMAX para prover serviços de telefonia é o tema do quarto artigo, por Roberto Petry,Carlos Oliveira e José Martins. São apresentadas uma avaliação técnica e uma estimativa de custos,comparando-se dois modos de operação: mesh e multiponto.

O quinto artigo trata um tema de grande atualidade: as redes Ad Hoc. Os autores, Heloísa Pimentel,Fabrício Figueiredo e José Martins, apresentam os passos necessários para a especificação e aconfiguração de uma rede Ad Hoc, avaliando o desempenho por meio de simulação.

No sexto artigo, também assinado por Fabrício Figueiredo, em parceria com diversos colaboradores, otema das redes Ad Hoc é tratado, fornecendo uma análise de desempenho de diversos protocolos. Oobjetivo é atender sistemas de baixo custo focado em serviços de telefonia rural.

O sétimo artigo, de Júlio César de Oliveira e colaboradores, é voltado para as redes WDM, em particularpara o uso de um multiplexador ótico do tipo ROADM. Os autores mostram como tal dispositivo podemelhorar a capacidade de transmissão e o nível de reconfigurabilidade de uma rede óptica.

O oitavo e último artigo, por Marcos Salvador e colaboradores, também voltado para as redes ópticas,descreve e analisa o desempenho de um protocolo de controle de acesso para redes em anel.

A diversidade e a atualidade dos temas tratados nesses oito artigos nos dão uma idéia, ainda queincompleta, das atividades da Fundação CPqD e do excelente nível de seus pesquisadores. Na condiçãode “editor recém-chegado”, embora membro do Fórum de P&D desde sua fundação, agradeço aosautores por suas contribuições e aos demais membros do Fórum, responsáveis pelo processo de revisãoe seleção.

João Marcos Travassos RomanoPresidente do Fórum de P&D do CPqD


Provas de conceito de aplicações para TV digitalinterativa com o propósito de promover a

inclusão digital no Brasil*

Sônia Mayumi Kutiishi**, Lara Schibelsky Godoy Piccolo

A TV digital já é realidade em outros países do mundo. No Brasil, a transmissão digital da programaçãotelevisiva está se consolidando nas redes de TV por assinatura (por satélite e cabo). No entanto, a TVpaga atinge apenas 7% da população, essencialmente formada pelas classes econômicas de maiorpoder aquisitivo. A TV terrestre, que atinge grande parte da população, está passando por um processode digitalização que representa um grande desafio ao governo e à comunidade científica em razão dasproporções dos impactos que essa mídia causa na sociedade. Por causa da cobertura em todo oterritório nacional e da alta penetração nos lares brasileiros, a TV aberta atinge todas as camadassociais, sendo fonte de entretenimento e de informação para todo cidadão que possui um aparelho detelevisão. Por esses motivos, o Projeto SBTVD objetiva utilizar esse meio de comunicação como uminstrumento de inclusão digital para diminuir o abismo social que atinge a população brasileira. E, paraatender a esse requisito do governo, a digitalização da TV terrestre no Brasil apresenta desafiospeculiares, se comparada com as experiências de outros países que já implantaram essa tecnologia.Este artigo tem por objetivo analisar os requisitos do governo, partindo das premissas do decreto queinstituiu o Projeto SBTVD, analisar suas derivações em especificação de requisitos para aplicaçõesinterativas para TV digital, abordar o desenvolvimento dessas aplicações e apresentar as aplicaçõesdesenvolvidas como provas de conceito.

Palavras-chave: TV digital interativa. Inclusão social. SBTVD.

1 Introdução

Segundo dados do IBGE (2003a), 90% dosdomicílios brasileiros possuem pelo menos umaTV, sendo essa a principal fonte de informação eentretenimento da população, com coberturadisponível em quase todas as regiões do País.Para tratar da digitalização dessa mídia tãoabrangente, o governo instituiu o Decreto n.4.091, de 26 de novembro de 2003 (BRASIL,2003) que definiu e estruturou o Projeto SistemaBrasileiro de Televisão Digital (SBTVD). Essedecreto estabeleceu as diretrizes para aimplantação de uma plataforma de TV digital quetem, entre outros, o objetivo de prover o acesso àinformação digitalizada a todas as camadas dasociedade, sobretudo às menos favorecidas. Por meio do oferecimento de aplicaçõesinterativas, a televisão digital no Brasil poderá serconsiderada não só uma fonte deentretenimento, mas também um instrumentopara a promoção da inclusão digital e social noPaís, democratizando a informação e oferecendoaplicações interativas que propiciem a melhoriada qualidade de vida da população e o plenoexercício da cidadania.A inclusão social permeia o oferecimento deserviços como educação, saúde e prestação deserviços públicos governamentais. Tais serviços

são direitos do cidadão e, portanto, seuoferecimento à população deve ser alvo deestudos e melhorias, com o fim de torná-los, deforma eficiente, acessíveis a todos. Como a TVInterativa possui um grande potencial a serexplorado, este artigo pretende apresentar suasaplicações focadas na inclusão digital: algumasespecificadas e desenvolvidas como provas deconceito pelo CPqD e outras concebidas edesenvolvidas por consórcios de pesquisa noescopo do Projeto SBTVD.

2 Cenário da televisão no Brasil

A televisão assume um papel de destaque nocenário sociocultural do Brasil, evidenciado pelaquantidade de horas assistidas ou pelo númerode pessoas que assistem aos programastelevisivos. Essa mídia também representa ummeio de comunicação de massa com grandeinfluência sobre os hábitos da população (TOMEet al., 2001).Os fatos descritos a seguir ilustram algumaspeculiaridades da relação entre a sociedadebrasileira e a televisão:• 90% dos domicílios brasileiros possuem ao

menos um televisor (IBGE, 2003a) e ele é aprincipal fonte de informação e entretenimentodo País;

* Este artigo é uma evolução do Interactive TV services and applications for digital inclusion in Brazil, apresentado na conferênciaEuroITV 2006, em 25 e 26 de maio, em Atenas, Grécia. **Autor a quem a correspondência deve ser dirigida: [email protected].


Provas de conceito de aplicações para TV digital interativa

• quase 90% da população recebe os sinaistelevisivos através da transmissão aberta(MINASSIAN, 2005);

• 7% da população dispõe de TV por assinatura(MINASSIAN, 2005);

• mais de 75% da população possui umrendimento mensal menor que dois saláriosmínimos (IBGE, 2003b);

• o público que assiste à televisão éheterogêneo, com telespectadores dediversos graus de instrução, faixas etárias,camadas sociais, níveis de alfabetizaçãodigital e identidades regionais característicasde cada localidade do País. Também fazemparte desse público pessoas comdiferenciados níveis de dificuldades visuais,auditivas e motoras;

• 11% da população acima de 15 anos éconsiderada analfabeta (IBGE, 2006a) equase um quarto da população com mais de15 anos é considerada analfabeta funcional(IBGE, 2006b). Portanto, são pessoas quenão conseguem redigir ou interpretarcorretamente um texto, embora saibam ler eescrever formalmente.

Tais fatos demonstram a importância datelevisão no País e o grande desafio proposto aogoverno e à comunidade científica com relação àdigitalização da TV terrestre como ferramenta deinclusão digital.

3 Conceitos de uma plataforma de TVdigital terrestre

As seguintes subseções pretendem apresentaros conceitos gerais relacionados a um sistemade TV digital interativa terrestre.

3.1 Arquitetura funcional

Os papéis que compõem a arquitetura funcionalde uma plataforma de TV digital terrestre sãorepresentados conforme Figura 1, a seguir(CPqD, 2006b).A figura apresenta três papéis principais naarquitetura funcional: o produtor de conteúdo, aemissora ou provedor de serviços e o usuário.O produtor de conteúdo atua na fase de

produção de programas televisivos, capturandoos sinais de áudio e vídeo e desenvolvendoaplicações interativas.Na fase subseqüente, os programas e asaplicações são armazenados de maneiraorganizada em um repositório de dados em queé possível realizar buscas e recuperar umagrande quantidade de material. Nessa fase, éelaborada a grade de programação da emissora,ou seja, é estabelecida a seqüência e o horáriode exibição de cada programa a ser transmitidopara o usuário.Na fase de entrega, o programa e as aplicaçõessão enviados por uma torre de transmissão. Nafase de recepção, os sinais são captados poruma antena conectada a um terminal de acesso,que converte os sinais digitais em analógicospara que possam ser exibidos no televisor dousuário. Assim, o usuário poderá assistir aoprograma e interagir com as aplicações por meiode um controle remoto. No caso da existência deum canal de retorno, o usuário poderáestabelecer uma comunicação com a emissoraou o provedor de serviços.

3.2 Categorização de aplicações

As pesquisas em aplicações e serviços para TV,realizadas pelo CPqD antes da criação doProjeto SBTVD, apontaram quatro categorias deaplicações para TV digital. São elas:comunicação, transação, entretenimento einformação (CPqD, 2002b). Essa categorizaçãose baseou em uma metodologia que consideravaa percepção do usuário com relação à aplicação.Assim, aplicações de comunicação são aquelasque se caracterizam pela troca de informaçõesentre usuários ou entre usuários e a emissora,unidirecional ou bidirecionalmente. Essa troca deinformações pode ocorrer em tempo real(comunicação síncrona) ou não (comunicaçãoassíncrona). Correio eletrônico, envio demensagens curtas (Short Message Service),bate-papos e videoconferências são exemplosdessa categoria de aplicação. A existência de umcanal de retorno no terminal de acesso para essacategoria de aplicação é um fator importantepara que a comunicação seja mais efetiva.

8 Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 2, n. 2, p. 7-17, jul./dez. 2006

Figura 1 Arquitetura funcional de uma plataforma de TV digital terrestre


As aplicações de transação caracterizam-se pelanecessidade de um ambiente seguro para atransmissão e o armazenamento de dadossigilosos. Esse ambiente deve oferecermecanismos para garantir a confidencialidade, aintegridade e a autenticidade das informações. Arobustez dessas aplicações é fundamental paraque o usuário se sinta confortável e seguro nouso de tais aplicações. Exemplos dessacategoria são: comércio eletrônico, consulta acontas bancárias, envio da declaração doImposto de Renda e acesso a prontuáriosmédicos.As aplicações de informação consultaminformações de um repositório de dados e asexibem ao usuário. Comparativamente com ascategorias anteriores, são de implementaçãomais simples, pois se baseiam na apresentaçãode texto e na navegação na interface. O GuiaEletrônico de Programação é um típico exemplodessa categoria de aplicação, assim como asaplicações que exibem a previsão do tempo enotícias on-line. As aplicações de entretenimento apresentamsimilaridades com as aplicações de informação,porém são caracterizadas por seu aspectolúdico, como jogos eletrônicos e programas deperguntas e respostas (quiz show).

3.3 Usabilidade das aplicações interativaspara TV digital

Segundo Gawlinski (2003), a televisão interativapode ser definida como algo que permite oestabelecimento de um diálogo entre o usuário(ou telespectador) com um canal de TV,programa ou serviço. Dessa forma, otelespectador que até então assistia à TV deforma passiva passa a ter um comportamentoativo, fazendo escolhas e executando ações. Para proporcionar a interação do usuário com aTV, utilizam-se das aplicações interativas –sistemas de software executados no terminal deacesso que apresentam recursos efuncionalidades para atender às necessidades dousuário em uma dada situação.Apesar das diferenças existentes entre atelevisão e o computador, tais como a distânciado monitor e a resolução da tela, outros fatorespodem restringir de forma considerável aquantidade de informação a ser exibida na telada TV. O surgimento de menus na tela da TV,por exemplo, mostra que elementosanteriormente comuns apenas ao ambiente dasinterfaces computacionais agora são tambémaplicáveis ao ambiente televisivo.No que diz respeito às aplicações interativas, hádiferenças conceituais entre as aplicaçõesdesenvolvidas para os computadores e aquelasdesenvolvidas para serem executadas em umambiente de TV. Apesar de estar cada vez maispresente nos domicílios brasileiros, o computador

ainda tem pouca ou nenhuma capilaridade secomparado com a televisão. A análise de Nielsen (1997) dispõe as principaisdiferenças entre o ambiente de computador e oambiente de TV, conforme Tabela 1.

Tabela 1 Diferenças da interação entre a TVconvencional e o computador

TVconvencional Computador

Tipo de interaçãocom o equipamento Passiva Ativa

Fluxo de informação Contínua Por demanda

Tipo da necessidadede interação Eventual Freqüente

Distância física entreusuário e

equipamentoMédia Pequena

Dispositivo deinteração Controle remoto Teclado e

mouse

Expectativa dousuário Entretenimento Trabalho/Entrete

nimento

Tipo da atividade Coletiva Individual

Pela tabela anterior, conclui-se que o advento daTV digital interativa apresenta uma forte rupturano atual paradigma de assistir à TV. Portanto, aacessibilidade, usabilidade e ergonomia dasaplicações interativas e do controle remoto,dispositivo utilizado para a interação com ousuário, são temas essenciais para que a novatecnologia continue sendo uma fonte deinformação e entretenimento, e, ao mesmo, umaferramenta de inclusão digital, principalmentepara a população menos favorecida e com baixaalfabetização digital.Assim, o foco da TV interativa é atingir umpúblico com baixa alfabetização digital, fato quedetermina que a usabilidade das interfaces sejauma questão de grande importância para mantera televisão como fonte de informação eentretenimento, favorecer a adesão da populaçãoa essa nova tecnologia e usar a televisão comouma ferramenta de inclusão digital.

3.4 Tipos de interatividade

As aplicações podem oferecer diversos níveis deinteratividade baseados no uso do canal deretorno e no tipo de comunicação estabelecido.Entende-se por canal de retorno um meio paraenvio de informações do terminal de acesso paraa emissora/provedor de serviços. Para isso,podem ser utilizadas redes STFC, celular,WiMAX, ADSL ou qualquer outra tecnologia detelecomunicação (CPqD, 2006a).São caracterizadas como aplicações deinteratividade local as que não fazem a utilizaçãodo canal de retorno, ou seja, todo dado quepossa ser solicitado pelo usuário durante a

Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 2, n. 2, p. 7-17, jul./dez. 2006 9


execução da aplicação é transmitido ao terminalpor radiodifusão. Não há envio de informaçõesdo usuário para a emissora/provedor de serviços.Aplicações com canal de retorno intermitentecaracterizam-se por estabelecer a conexão doterminal de acesso em horáriospreestabelecidos, durante a madrugada porexemplo. Dessa forma, os dados não sãoenviados on-line (comunicação assíncrona),ficando armazenados no terminal de acesso atéo momento da conexão e do envio. Nesse nível,a comunicação exigida pela aplicação nãonecessita ocorrer em tempo real (máximo deinstantaneidade) nem apresentar requisitos delatência mínima, pois ela se baseia eminformações que podem ser processadasposteriormente, sem prejuízo ao desempenho daaplicação. As aplicações com canal de retorno permanentesão caracterizadas pela disponibilidade emtempo integral do canal de retorno. Essacaracterística constitui uma comunicação emtempo real (comunicação síncrona), pois osdados devem ser enviados a emissora/provedorde serviços sempre que houver uma solicitação.Nesse nível, a comunicação exigida pelo serviçoocorre com o máximo de instantaneidade e deveapresentar requisitos de latência mínima, pois sebaseia em informações que não podem serprocessadas posteriormente, sob pena deinviabilizar a aplicação.

4 O Projeto SBTVD

O Projeto SBTVD, criado pelo Decreto n. 4.091,de 26 de novembro de 2003, tem como objetivodesenvolver a transição da TV terrestre analógicapara a digital, estabelecendo ações e modelosadequados às realidades econômica eempresarial do País, estimulando a pesquisa, aexpansão de tecnologias brasileiras, do setortelevisivo e dos serviços digitais. Para isso, foi estruturado da seguinte forma:• Comitê de Desenvolvimento: vinculado à

Presidência da República e formado porintegrantes de nove ministérios. Éresponsável por estabelecer diretrizes eestratégias para a implementação datecnologia digital no serviço de radiodifusãode sons e imagens;

• Comitê Consultivo: formado porrepresentantes da Sociedade Civil, emissorasde TV e indústrias. Tem por finalidade proporações e diretrizes fundamentais no escopo doSBTVD.

O Comitê de Desenvolvimento conta com acoordenação do Grupo Gestor, responsável pelaoperacionalização do projeto, que, por sua vez,conta com o apoio técnico e administrativo doCPqD e da Financiadora de Estudos e Projetos(Finep), respectivamente. Na fase de apoio à

decisão, concluída em dezembro de 2005, oSBTVD mobilizou mais de 1.200 pesquisadoresde norte a sul do País, organizados emconsórcios formados por universidades públicase privadas, empresas e centros de pesquisa.Coube ao CPqD a coordenação das pesquisasdesenvolvidas por esses consórcios e a posteriorintegração dos resultados obtidos nos maisvariados temas que compõem um sistema de TVdigital: codificação de sinais-fonte, multiplexação,modulação, middleware, canal de retorno,terminais de acesso e aplicações interativas.

5 Concepção das aplicações interativaspara TV digital no Brasil

Pesquisas sobre variadas tecnologias aplicadasà TV digital realizadas pelo CPqD, em fase pré-SBTVD, possibilitaram sua capacitação para acoordenação técnica do projeto. Assim, coube aoCPqD estabelecer, logo no início do projeto, asdiretrizes das pesquisas a serem realizadas,representadas na forma de requisitos dasRequisições Formais de Proposta (RFP). EssasRFPs, por sua vez, foram disponibilizadas pelaFinep à comunidade científica através de cartas-convite.No que tange às aplicações interativas, foirealizada uma categorização e definiu-se quaisaplicações seriam pesquisadas e desenvolvidaspara que a viabilidade técnica de conceitos atéentão teóricos fosse avaliada e, em algunscasos, comprovada.As escolhas das aplicações e dos serviços paraTV digital foram baseadas nas premissas doDecreto 4.091. Algumas aplicações e serviçosforam explicitamente solicitados nas RFPs eoutros tiveram diretrizes para que a concepçãofosse realizada pelos consórcios com o mesmoembasamento: promover “a inclusão social, adiversidade cultural do País e a língua pátria pormeio do acesso à tecnologia digital, visando àdemocratização da informação” (BRASIL, 2003).Assim, foram solicitadas as implementações deprovas de conceito de aplicações e serviços queapresentassem forte apelo social e, ao mesmotempo, desafios tecnológicos como usabilidade,uso do canal de interatividade, segurança dainformação, interoperabilidade das aplicações emterminais de acesso oriundos de váriosfabricantes, processamento e carga deaplicações.

5.1 Requisitos para as aplicações e osserviços para TV digital no Brasil

Combinando conceitos técnicos com anecessidade de prover aos usuários aplicaçõesque permitam a inserção na Sociedade daInformação e o exercício da cidadania, foramsolicitadas as implementações de aplicaçõescom as seguintes características:



a) pela predominância da população com poucaou nenhuma experiência em tecnologiasdigitais, as aplicações interativas devem serde simples utilização para atender usuários debaixa alfabetização digital;

b) as aplicações devem ser desenvolvidas demodo que se estimule seu uso. Para tanto,devem agregar valor à cidadania e àqualidade de vida do usuário;

c) as aplicações devem ter interfaces gráficasauto-explicativas, com elementos facilmentereconhecíveis, de fácil navegação ememorização, além de um aspecto agradável.Dessa forma, seu uso será estimulado econtribuirá para a alfabetização digital dousuário;

d) as aplicações devem ser concebidas de modoque se estimule a interatividade com ousuário, que será exercida através do controleremoto do terminal de acesso. Por essarazão, o tempo de resposta de uma aplicaçãodeve ser compatível com o tempo máximo deespera que o usuário estará disposto asuportar;

e) no desenvolvimento das aplicações, deve-selevar em conta que, pelo menos no início daimplantação da TV digital no Brasil, a maioriados terminais de acesso não contará com umcanal de retorno;

f) as aplicações devem ser concebidas de modoque possam ser executadas em diversos tiposde terminais de acesso, que podem variar emmodelo, preço e fabricante, masespecialmente os de baixo custo para atendera população mais carente;

g) algumas aplicações, especialmente aquelasque se enquadram na categoria de transação,

devem oferecer um ambiente seguro para atroca de informações, de modo que o usuáriosinta segurança ao realizar operações queenvolvam dados sigilosos (por exemplo umatransação bancária ou comércio eletrônico);

h) foram solicitadas algumas aplicaçõesespecíficas: na categoria de comunicação,que funcionasse com ou sem canal deretorno, e um guia de programação, nacategoria de informação, por ser a aplicaçãomais difundida nos atuais sistemas de TVdigital.

Embasadas nessas características, para oProjeto SBTVD foram solicitadas asimplementações de:• um serviço de saúde;• uma aplicação de governo eletrônico;• uma aplicação para a comunicação entre

usuários (t-mail);• um guia eletrônico de programação.Essas aplicações serviram como provas deconceito, não só dos aspectos tecnológicos, mastambém da potencialidade das aplicações comoinstrumento de promoção social.

6 Provas de conceito

Durante a fase de apoio à decisão do ProjetoSBTVD, foram desenvolvidos protótipos deserviços e de aplicações interativas como provasde conceito. A Tabela 2 apresenta alguns dosprotótipos desenvolvidos, em diversas categoriasde aplicações, pelos consórcios participantes doSBTVD ou pelo CPqD. Algumas aplicaçõesforam concebidas de forma que não fizessemuso do canal de retorno. Em alguns casos, asaplicações que necessitam do canal de retornopossuem funcionalidades simplificadas quepermitem seu funcionamento parcial, mesmocom a indisponibilidade desse meio.

Tabela 2 Protótipos de aplicações interativas do SBTVD

Aplicação Descrição Canal deretorno Categoria Consórcio

SAPSA

(CPqD, 2004a)Serviço de educação baseado em

vídeo sob demanda Sim/Não Informação(educação) CPqD/Unisinos

Museu Virtual

(SILVA, 2005)

Aplicação para visualização deobjetos em 3D, simulando a visita a

um museuNão Entretenimento Consórcio

RFP7DFPRSP1

DAI

(RFP7DFPRSP, 2005b)Declaração Anual de Isento Sim Transação

(Governo)Consórcio

RFP7DFPRSP

T-Voto

(AIMCOR, 2005b)

Aplicação para acompanhamento eparticipação em votações no

Congresso ou SenadoSim/Não Informação/

transação/ (governo) Consórcio AIMCOR2

1 Consórcio RFP7DFPRSP formado por Brisa, Lactec, UFPR, UnB, PUC-PR e TVA.

2 Consórcio AIMCOR formado por UFC, Instituto Atlântico, Unifor, Cefet-CE, OMNI3 e Samsung.



Aplicação Descrição Canal deretorno Categoria Consórcio

T-mail (residente e não-residente no terminal de

acesso)

(AIMCOR, 2005a) (FlexTV,2005)

(MRSBTVD, 2005)

Aplicação para envio de mensagens Sim Comunicação

ConsórciosAIMCOR,

MRSBTVD3 eFlexTV4

TV-Grama

(RFP7DFPRSP, 2005a)Aplicação para recebimento de

mensagens Não Comunicação ConsórcioRFP7DFPRSP

Guia Eletrônico deProgramação e Portal de

Acesso

(AIMCOR, 2005c)

(RFP7DFPRSP, 2005c)

(MRSBTVD, 2005)

Grade de programação de uma oumais emissoras e portal de

aplicações disponíveisNão Informação

ConsórciosAIMCOR,

RFP7DFPRSP,MRSBTVD e FlexTV

Jangada

(ARAÚJO, 2005)Navegador para acesso à Internet Sim Entretenimento/com

unicaçãoConsórcioMRSBTVD

BLNet

(LEMOS, 2004)Conexão com a Internet Sim Comunicação CPqD/UFRN

Serviço de Saúde

(IDSTV, 2005)

Dicas de saúde: aplicação paratestes relacionados à saúde Não Informação

(saúde)

Marcação de consulta: aplicaçãopara marcar consulta em um posto

de saúdeSim Transação

(saúde)

Consórcio IDSTV5

Algumas das aplicações citadas na tabela acima,bem como os conceitos provados a partir dasrespectivas implementações, serão detalhadosnas seções subseqüentes por apresentarem nãosó aspectos técnicos a serem pesquisados, mastambém por suas abrangências do ponto de vistasocial e de governo. Esses serviços e aplicaçõestêm como fator comum melhorar a qualidade devida e promover o exercício da cidadania de seususuários. Partindo-se dessas premissas, serãodetalhados: os serviços de educação e saúde,por serem de responsabilidade pública e por seencontrarem atualmente deficitários peloatendimento inadequado à população; umaaplicação de governo eletrônico, DeclaraçãoAnual de Isento, que pode beneficiar um grandenúmero de usuários obrigados a declarar suaisenção à Fazenda, para fins de declaração deImposto de Renda; uma aplicação de governoeletrônico, T-Voto, que estimula a participação do

usuário na vida política do País; e uma aplicaçãode envio de mensagens concebidaespecialmente para os usuários que nãodispuserem de canal de retorno no seu terminalde acesso.

6.1 Educação: Serviço de Apoio ao Professorem Sala de Aula (SAPSA)

O SAPSA (CPqD, 2004a) é um serviço baseadoem vídeo sob demanda, concebido pelo CPqDpara radiodifusão terrestre e desenvolvido pelaUniversidade do Vale dos Sinos (Unisinos) emum momento anterior à constituição do ProjetoSBTVD. A essência desse serviço é tirar proveitoda forte penetração da TV na sociedadebrasileira para difundir conteúdos educativos quepossam ser usados, principalmente, nos ensinosbásico e fundamental.O SAPSA é acessado pelo professor por meio da

3 Consórcio MRSBTVD formado por Funcamp, FEEC, Iecom, UEL, Fitec e RCASOFT.

4 Consórcio FlexTv formado por UFPB, Cesar, PUC-Rio, DIMAP-UFRN, Universidade Mackenzie, INF-UFG, LSI-Epusp, LARC-Epusp, CIN-UFPE, Sidia-AM, Itautec-Philco-SP.

5 Consórcio IDSTV formado por IPDE, UFSC, UFPB, Hospital Sírio-Libanês, Nutes, RNP, Cesar, Edumed, CIN-UFPE e FCD.



televisão, conforme Figura 2, na qual seráapresentado um guia de conteúdo educacionalcom temas como Matemática, História, etc. Esseguia permite ao professor escolher um conteúdopara apresentá-lo em tempo real ou fazeragendamentos para gravação de conteúdos porhorário e por local (por exemplo, umadeterminada sala de aula).

Esse serviço tem como objetivo enriquecer asmatérias ensinadas pelo professor por meio deprogramas de TV de curta duração relacionadoscom a matéria lecionada e exibidos durante asaulas. O professor poderá criar uma dinâmica deinteração e colaboração entre os alunos,possibilitando melhor assimilação do conteúdoensinado através de imagens televisivas, umalinguagem a que o aluno já está acostumado noseu dia-a-dia. Além disso, esse serviço contribuipara a alfabetização digital e a capacitaçãotecnológica dos professores e, por utilizar atelevisão como um meio de transmissão deconhecimento, poderá melhorar os índiceseducacionais do País.

6.2 Saúde: dicas de saúde, testes, marcaçãode consultas e treinamento de agentes desaúde

A TV é considerada por grande parte dapopulação a principal fonte de informação. Combase nesse fato, o Serviço de Saúde foiconcebido e implementado pelo consórcioliderado pela Universidade Federal de SantaCatarina, com base na RFP Serviço de Saúde(CPqD, 2004b). A RFP definiu o público-alvo(Centro de Saúde de Barão Geraldo), bem comoalguns requisitos técnicos e funcionais para esseserviço. O resultado desse trabalho foi um conjunto deaplicações organizadas em três canais, ougrupos de programas, conforme Figura 3. OCanal A é baseado em um programa de auditórioque sugere o acesso às aplicações interativasrelacionadas à saúde, como testes de depressãoe obesidade, dicas de saúde, entre outras. O

Canal B apresenta um portal de saúde, que levaàs demais aplicações. O Canal C serve paratreinamento de agentes de saúde, constituindoum serviço confinado a um público restrito.

Figura 3 Tela do Serviço de Saúde

O desenvolvimento desse serviço (IDSTV, 2005)permitiu a validação de conceitos relacionadosao formato da linguagem televisiva como, porexemplo, o uso da figura de um apresentador deprograma de auditório que, conquistando aconfiança do telespectador, convida-o a interagircom a TV, conforme Figura 4. Tecnicamente, odesenvolvimento desse serviço também permitiuprovar conceitos de sincronismo entre áudio,vídeo e aplicação, usabilidade e comparações dodesenvolvimento de aplicações em middlewareprocedural e declarativo.

Do ponto de vista do ganho social provido poresse serviço, podem-se citar os seguintesaspectos:• uso de aplicações para marcação de consulta:

permite ao usuário de um posto de saúdemarcar uma consulta de sua residência,melhorando a prestação de serviços com aredução de filas para atendimento. O usuáriopoderá, de sua casa, escolher a especialidadedesejada, consultar os horários disponíveis eagendar sua consulta pelo número de seucartão do SUS;


Figura 2 Tela do SAPSA, uma aplicação deeducação

Figura 4 Programa de auditório do Serviço deSaúde


• alfabetização digital: ao usar uma linguagemtelevisiva baseada em programas deauditório, que é uma linguagem conhecida eaceita pela maioria da população brasileira, oServiço de Saúde procura mitigar umapossível barreira subliminar por parte dousuário no uso de aplicações interativas. Aomesmo tempo, estimula o uso dainteratividade de maneira progressiva edidática e, com isso, contribui para aalfabetização digital da população,principalmente do público de baixa renda, queaprecia esse tipo de programa;

• conscientização de problemas de saúde quefazem parte do dia-a-dia da população: aoaplicar testes sobre temas corriqueiros comoestresse, depressão e obesidade, esseserviço possibilita conscientizar os usuáriosou mesmo alertá-los sobre seu estado desaúde, indicando a necessidade de procurarum médico.

6.3 Governo eletrônico: Declaração Anual deIsento

A RFP Aplicações em TV digital (CPqD, 2004c)colocou como um dos resultados esperados umaaplicação de governo eletrônico, dada aimportância desse tipo de aplicação no contextosocial brasileiro. Dessa forma, o consórcioliderado pela empresa Brisa propôs a aplicaçãoDeclaração Anual de Isento (Figura 5)(MAUTONI, S. et al., 2005), para que todocidadão brasileiro isento do pagamento doImposto de Renda possa, de sua casa, enviarsua declaração pela TV digital.

O desenvolvimento dessa aplicação validouconceitos de usabilidade e segurança, comotransmissão segura de informação pelo canal deinteratividade usando conexão HTTPS,mecanismo concebido pelo consórcio GSAC,composto pelo Instituto Genius, Cesar eFitec-BH. Para o usuário, essa aplicação provê uma

melhoria de qualidade de vida ao permitir que eleutilize um aparelho eletrônico familiar para enviarinformações de sua Declaração de Isento e,assim, cumprir suas obrigações fazendárias sema necessidade de acesso à Internet – atualmenteo meio mais difundido para a entrega dadeclaração do imposto de renda, ou dedeslocamento por parte do usuário a um postooficial de entrega da declaração.Da mesma forma que no serviço de saúde, essaaplicação contribui para a elevação do nível dealfabetização digital do usuário por ser de fácilmanuseio e por não exigir demasiadashabilidades para sua operação.

6.4 Comunicação: canal entre sociedade egoverno

As aplicações categorizadas como comunicaçãoencontram-se a seguir.

6.4.1 T-Voto

A aplicação T-Voto (AIMCOR, 2005b),desenvolvida pelo consórcio liderado pelaUniversidade Federal do Ceará, constitui umcanal de comunicação entre os cidadãos e ogoverno, podendo ser classificada como umaaplicação de governo eletrônico e comunicação.São exibidas enquetes vinculadas àprogramação televisiva do governo, como TVSenado ou TV Câmara, que dizem respeito àsvotações em trâmite nas casas legislativas, taiscomo projetos de lei, orçamento, etc. Paragarantir a segurança, o usuário deve seridentificado por um número de documento.Dessa forma, um cidadão pode participar umaúnica vez em uma mesma enquete. O voto ésigiloso, isto é, não será disponibilizada nenhumainformação que identifique a escolha do usuário.Essa aplicação é ilustrada na Figura 6.

O uso dessa aplicação pode conscientizar ousuário da importância de sua participação comocidadão nas questões políticas. As aplicaçõesinterativas, relacionadas com o conteúdo


Figura 6 Tela da aplicação T-Voto

Figura 5 Aplicação Declaração Anual de Isento


televisivo, estimulam a participação do usuárionas enquetes. Através dessa aplicação, o usuáriopoderá expressar sua opinião, que poderá serlevada ao conhecimento dos seusrepresentantes políticos nas casas legislativas e,ao mesmo tempo, elevar o nível decomprometimento entre esses representantes eseu eleitorado.

6.4.2 TV-Grama

O TV-Grama (RFP7DFPRSP, 2005a) é umaaplicação para recebimento de mensagens porradiodifusão, sem necessidade de um canal deretorno, que pode ser aplicada como um canal decomunicação entre governo e cidadão, oumesmo entre usuários. O envio de mensagenspode ser feito em uma agência dos Correios(similar ao envio de um telegrama). A distribuiçãoe a entrega da mensagem pela plataforma de TVterrestre é baseada no CEP em que ocorre arecepção do sinal. Por meio dessa aplicação, mesmo o usuário debaixa renda e sem acesso à Internet podereceber mensagens eletrônicas, ainda que nãopossua um canal de retorno em seu terminal deacesso.

7 Conclusão

Os protótipos das aplicações foramimplementados de acordo com as diretrizes doDecreto n. 4.091, de 26 de novembro de 2003(BRASIL, 2003), que institui, como um de seusobjetivos, a promoção da inclusão social visandoà democratização da informação.Para atingir esse objetivo, as aplicaçõesdesenvolvidas tinham como premissas fatoressociais e visavam à melhoria da qualidade devida do usuário e ao exercício de sua cidadania.Partindo-se dessas premissas, foram elaboradosos requisitos técnicos e sociais que nortearam odesenvolvimento das aplicações pelasinstituições de pesquisa de todo o País. Foramsolicitadas as implementações de aplicaçõesrelacionadas às áreas de saúde, educação,governo eletrônico e comunicação, a fim decomprovar conceitos técnicos e o potencialdessas aplicações para a inclusão social.As provas de conceito realizadas pelosconsórcios de pesquisa foram demonstradas aopúblico em geral em eventos do Projeto SBTVD.Apesar de fazer parte da especificação detrabalho, a validação dessas aplicações com umpúblico-alvo real foi prejudicada pela falta de umaestação experimental para a transmissão deaplicações e programas de TV para algumasregiões. No início do Projeto SBTVD, eraesperado que as aplicações desenvolvidaspudessem ser validadas em campo, comusuários reais, e, por conseqüência, a validaçãodesses protótipos como ferramentas adequadas

à promoção da inclusão social também foiprejudicada.No caso do Serviço de Saúde, foi determinadoque houvesse teste em campo, com usuáriosreais do Posto de Saúde do Distrito de BarãoGeraldo, em Campinas, SP. Dessa forma, teriasido possível, além de testar conceitostecnológicos, como a transmissão e o uso deaplicações, avaliar, em certa escala, o impactoque tais aplicações provocariam na sociedade noque diz respeito à interação com a TV digital,entendimento da aplicação, alfabetização digital eganho social.Ainda que as provas de conceito não tenhamsido validadas em ambientes reais e compotenciais usuários finais, durante o andamentodo projeto foi evidenciado que: as aplicaçõesdisponibilizadas na TV digital devem ter apelopara que o usuário tenha interesse em usá-las;as aplicações devem ser fáceis de entender oumanusear; o programa de TV que contém aaplicação deve ter uma linguagem adequada aopúblico-alvo; as aplicações devem ser robustaspara que sua credibilidade não seja abalada eseu uso desestimulado; as aplicações devemrespeitar o nível de alfabetização do usuário,tanto funcional como digital; e, principalmente, ouso das aplicações deve agregar valor aocotidiano do usuário e estimulá-lo a interagir cadavez mais com os novos serviços proporcionadospela televisão. Tais fatores deverão serconsiderados na concepção e no oferecimentode aplicações interativas à população. Se taisaplicações tiverem como objetivo propiciarbenefícios sociais ao usuário, acredita-se queserá possível utilizar a TV digital como um meiopara propiciar sua inserção na Sociedade daInformação e que o SBTVD, portanto, atingirá oobjetivo de promover a tão sonhada inclusãodigital no Brasil.

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Abstract

Digital television is a reality in many countries of the world. In Brazil, CATV networks are the maintransmission way of digital TV content distribution, and nevertheless such solution reaches only 7% of theoverall population, and restricted to higher economic strata. On the other hand, extending this coverage tolower income segments of the society through the use of digital terrestrial technology is a major challengefor the Brazilian government and for the scientific community due to the social impact caused by suchmedia. The national coverage ensures that such free content distribution constitutes the major source ofinformation and entertainment of every citizen that owns a TV set. For all these reasons, the SBTVDproject aims to use digital TV technology as a tool to break the digital boundary, therefore contributing todiminish the Brazilian social differences. To comply with such ambitious government requirements, thedeployment of digital terrestrial television has peculiar challenges to be overcome, which takes us apartfrom other countries where this technology is a reality.This paper aims to discuss the service requirements starting from the boundary conditions established bythe Brazilian government for the SBTVD project and to analyze its impacts on the interactive applicationsdeveloped for digital television. Furthermore, this paper also investigates application development issuesand presents the results of the R&D efforts on this matter.

Key words: Interactive digital TV. SBTVD. Social inclusion.


Avaliação de projetos e soluções inovadoras eminclusão digital

Cláudia de Andrade Tambascia*, Marcos de Carvalho Marques, Luciano Maia Lemos, JoséManuel Martin Rios, Daniel Moutinho Pataca, Romulo Angelo Zanco Neto, Giovanni Moura de

Holanda, Juliano Castilho Dall'Antonia

Este artigo tem o objetivo de apresentar a avaliação de projetos inovadores em inclusão digital,considerando soluções de acesso, de educação e capacitação, de produção de conteúdocontextualizado, de usabilidade e de apoio aos programas existentes. Para tanto, parte-se de ummapeamento de iniciativas nacionais, da aplicação de critérios para análise e classificação de soluçõesquanto ao estado-da-arte, e da validação da análise com visitas in loco a iniciativas selecionadas. Aanálise está centrada em soluções voltadas a pessoas com necessidades especiais e os resultadosestão sendo usados como insumo para a proposição de novos desenvolvimentos. Esse processo deavaliação corresponde a um conjunto de atividades da primeira fase do Projeto Soluções deTelecomunicações para Inclusão Digital (STID), que está sendo conduzido pela Fundação CPqD.

Palavras-chave: Inclusão digital. Inclusão social. Inovação. Avaliação de projetos.

1 Introdução

Os avanços tecnológicos e a proliferação dainformação em formato eletrônico, inclusive eminiciativas de serviços públicos, estão suscitandonovas formas de estratificação social. A plenaparticipação dos indivíduos nesse novo contextocomunicacional só é possível com adisponibilização de todas as condições que oscapacitem a fazer uso das tecnologias deinformação e comunicação (TICs). Em termosmais específicos, o ingresso na sociedade dainformação – ou, como aqui designada,sociedade informacional – só é integralmenteefetivado à medida que os indivíduos tenhamacesso eletrônico a serviços públicos (e-gov), decapacitação (e-learning) e a redes de dados e deinformação, como a Internet. Nos últimos anos, observa-se, mundialmente,uma grande preocupação com essatransformação tecnológica e social, notadamentena vasta quantidade de iniciativas voltadas àinclusão dos indivíduos na sociedadeinformacional. No Brasil, grande parte dapopulação pode ser considerada digitalmenteexcluída e, por essa razão, as ações pararedução de tal hiato ganham importância edevem ser sistematicamente concebidas eplanejadas. De maneira geral, as ações de inclusão digitaltêm como foco a oferta de acesso à Internet,tanto coletivo quanto individualizado. Essasações estão sendo, em sua maioria,implementadas em abrangência local,configurando a necessidade de exploraralternativas de serviços e redes detelecomunicações que possam suportá-las deforma integrada.

Além disso, a população brasileira é compostapor uma parcela significativa de analfabetosfuncionais e de pessoas com algum tipo dedeficiência física, sensorial ou motora (ÁVILA etal., 2006). Normalmente, os indivíduos que seencontram nessas condições enfrentamdificuldades para se inserir em suas esferassocial e cultural, de forma que não participar dasociedade informacional significa tornar-seduplamente excluído.Nesse contexto, o Projeto Soluções deTelecomunicações para Inclusão Digital (STID)foi concebido com o objetivo de produzirresultados que permitam atenuar esse tipo debarreira de acesso às TICs e reduzir o hiatodigital e social no país.O planejamento de tais soluções para o contextobrasileiro parte da análise das alternativas deserviços e tecnologias de telecomunicaçõesexistentes, cujo primeiro passo foi omapeamento minucioso, porém não-exaustivo,de experiências nacionais voltadas à inclusãodigital. Em seguida, selecionou-se um conjuntode experiências que apresentam soluçõesinovadoras em alguns aspectos que contribuempara a inclusão. Para o levantamento e acaracterização das soluções no estado-da-arte,foram empregados critérios que permitiramavaliar o tipo e o grau de uma inovação eminclusão digital e, assim, identificar as soluçõesque possam orientar a proposição de novosdesenvolvimentos. As características dessassoluções estão sendo verificadas com dadosprimários, obtidos em visitas in loco àsrespectivas experiências.É importante destacar que o caráter daclassificação das experiências em estado-da-artenão tem o propósito de julgar o mérito, a utilidade

*Autor a quem a correspondência deve ser dirigida: [email protected].


Avaliação de projetos e soluções inovadoras em inclusão digital

ou a eficiência das experiências, mas deconcentrar o foco da análise nas lacunas eoportunidades para novas soluções de inclusãodigital.O objetivo deste artigo é apresentar esseprocesso de avaliação das soluções, o qualconstitui a primeira fase do STID. Para tanto,está estruturado da seguinte forma: a Seção 2apresenta os conceitos fundamentais quenortearam as análises, a Seção 3 descreve ametodologia de análise e classificação dassoluções, a Seção 4 apresenta a classificaçãodas experiências quanto ao estado-da-arte e, porfim, a Seção 5 descreve os resultados obtidoscom esse processo de avaliação.

2 Conceitos e definiçõesO tema da inclusão digital vem sendoexaustivamente estudado sem, contudo, conduzirà superação das dicotomias em torno danatureza desse processo. Neste sentido, aprecisão dos conceitos associados à inclusãodigital é um passo importante nacontextualização e identificação do verdadeiropotencial representado para diminuição daexclusão social. Conforme discutido em Tambascia et al. (2006),a plena compreensão da exclusão digital não éalgo simples, pois, ao contrário do que umaanálise superficial pode sugerir, ela não se referea uma condição binária, que separa incluídos deexcluídos, mas sim a um estado relativo edinâmico, sujeito a inúmeras gradações eafetado por diversos fatores. O foco de análise,sobretudo em países com questões sociaisurgentes, tem sido naturalmente direcionadopara o grupo dos indivíduos privados das novastecnologias, os chamados excluídos digitais, oque justifica o termo “exclusão digital”, maisfreqüentemente utilizado. Por esse prisma, a inclusão digital é entendidacomo forma de inserir a população na sociedadeinformacional e, assim, combater a desigualdadeeconômica, social, política e cultural, oferecendomaior oportunidade de acesso e produção deconhecimento, participação política,aperfeiçoamento profissional, impulso paramelhoria das condições de vida individual, deorganização comunitária e de desenvolvimentolocal. Há de se considerar também todas asdimensões de restrição de acesso às novasTICs, quais sejam, alfabetização e letramentoinsuficientes, dificuldades cognitivas ou motorase barreiras lingüísticas, econômicas oupsicológicas. Esses aspectos são discutidos emHolanda e Dall'Antonia (2006) e descritos emapeados em Ávila et al. (2006).

2.1 Definição dos níveis de inclusão

Com base no conteúdo exposto, e diante da

necessidade de classificar as soluções eexperiências mapeadas para identificação dasalternativas que melhor atendem aos objetivos doprojeto, foi definida em Tambascia et al. (2006)uma taxonomia para os diferentes níveis deinclusão digital, conforme Figura 1.

Figura 1 Tipologia da inclusão digital

Nessa taxonomia, são hierarquizados os níveisde acesso à sociedade informacional. O trêsprimeiros níveis representam as barreiras aserem suplantadas para que a inclusão digitalseja plena, correspondendo a requisitos deacesso físico, de acessibilidade e usabilidade dainterface e de inteligibilidade dos conteúdos. O Nível 1, conforme Figura 2, refere-se àdisponibilidade de acesso aos meios físicos,infra-estruturais, computacionais e de rede,necessários à consecução do objetivo dainclusão digital. No Nível 2, devem ser providosrecursos e ferramentas de acessibilidade, porexemplo síntese e reconhecimento de fala, assimcomo considerados os aspectos de usabilidade,de forma que se torne mais amigável a interaçãohumano-computador. No Nível 3, os aspectosdevem ser empregados para adequar conteúdose interfaces às características culturais e ao nívelde letramento dos usuários.

Soluções de apoio e gestão à inclusão digital

Nível 4b Sociedade informacional: produção de conteúdo multicultural

Nível 4a Sociedade informacional: fruição de conteúdo

Nível 3 Inteligibilidade: decodificação e cognição, adequando conteúdose interfaces ao perfil cultural e lingüístico dos usuários

Nível 2 Usabilidade e acessibilidade: focando limitações cognitivas,físicas, motoras e psicológicas dos usuários

Nível 1 Disponibilidade de acesso: acesso a equipamentos e redes

Figura 2 Caracterização dos níveis paraclassificação das soluções

Finalmente, o Nível 4 diz respeito à participaçãona sociedade informacional, de forma que osprogramas e iniciativas de inclusão que seenquadrarem nessa condição possibilitem aindadois níveis de participação: a fruição plena dosconteúdos já culturalmente contextualizados(Nível 4a) e, em alguns casos, a produção deconteúdo inclusive sob a perspectiva domulticulturalismo (Nível 4b).


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Sociedadeinformacional

Produção de conteúdomulticultural

Fruição de conteúdo

Inteligibilidade

Usabilidade e acessibilidade

Disponibilidade de acesso


Além dos quatro níveis da tipologia aqui descrita,foi definida uma instância em que é possívelclassificar as iniciativas de apoio e gestão dasações voltadas ao processo de inclusão. Assoluções assim categorizadas comportam-secomo catalisadores das demais iniciativas,independente do nível de inclusão a que estejamassociadas.

2.2 Conceito de inovação em inclusão digital

A consideração de inovações em soluções parainclusão digital requer um enfoque diferenciado,principalmente porque os resultados almejadoscom a introdução de uma inovação nessecontexto são traduzidos em termos não apenasde desempenho econômico, mas também dosavanços sociais.Portanto, o conceito de inovação aqui adotado éfruto de uma adequação de conceitos edefinições largamente encontrados na literatura,e que ao longo do tempo vêm sofrendo ajustes eaperfeiçoamentos, conforme abordado emMarques et al. (2006).Para Schumpeter (1982), as inovaçõescaracterizam-se pela introdução de novascombinações produtivas ou mudanças nasfunções de produção, e levam à reorganizaçãoda atividade econômica. Essas combinações oumudanças se classificam em cinco tipos: • introdução de um novo bem ou de uma nova

qualidade de um bem; • introdução de um novo método de produção

que não decorre necessariamente de qualquerdescoberta científica, mas que podesimplesmente consistir em um novo método detratar comercialmente uma mercadoria;

• abertura de um novo mercado, ou seja, de ummercado em que o ramo particular da indústriade transformação do país em questão nãotenha ainda entrado, quer tenha esse mercadoexistido antes ou não;

• conquista de uma nova fonte de oferta dematérias-primas ou de benssemimanufaturados, independentemente deessa fonte já existir ou não;

• estabelecimento de uma nova organização dequalquer indústria, como a criação ou a rupturade uma posição de monopólio.

Mais recentemente, a Comissão Européiaapresentou, no Livro Verde Sobre Inovação, osseguintes aspectos em torno do termo“inovação”:• uma renovação da gama de produtos e

serviços e dos mercados associados;• uma criação de novos métodos de produção,

de aprovisionamento e de distribuição;• uma introdução de alterações na gestão, na

organização do trabalho, bem como nasqualificações dos trabalhadores.

Segundo Mitchell (2001), as tecnologias estãoem constante alteração e evolução, pressionadas

pelas forças da competição no mercado ou danecessidade de atender às carências dasociedade. Esse processo também édenominado inovação. Em linha com essas perspectivas conceituais ebuscando contextualizá-las à análise declassificação das soluções de inclusão digital quese encontram no estado-da-arte, adotou-se aseguinte taxonomia:• inovação em produtos: é a utilização de novos

insumos que geram um novo produto ou umamelhor qualidade de um produto, visandoatender às necessidades dos usuários de umainiciativa;

• inovação em métodos ou processos: é umanova combinação de recursos eprocedimentos que levam a um novo métodoou um novo processo interno à iniciativa;

• inovação em gestão: mudanças deprocedimentos ou rotinas (conjunto deprocedimentos) gerenciais, da estruturaorganizacional ou da orientação estratégica.

Além de incorporar novos insumos ou rotinas, oumesmo uma nova combinação de recursos, umaexperiência só é caracterizada como inovadoraquando reúne condições para atender a umadeterminada necessidade de inclusão, ou seja,transformar, em alguma medida, a realidadeeconômica ou social do maior número depessoas, por meio de barateamento, facilitação eflexibilização do uso das TICs pela sociedade.Coube identificar, essencialmente, em cadaexperiência, se há um arranjo original deelementos tecnológicos ou organizacionais quecompõem uma solução e se há elementos oucaracterísticas originais capazes de produzirresultados diferenciais quando comparadas comas demais experiências.Desse modo, as experiências são classificadascomo estado-da-arte em função do grau deinovação que incorporam ao promover resultadosdiferenciais, conforme detalhado a seguir (Seção3). Na presente análise, o grau de inovação foiavaliado para cada nível da tipologia de inclusãodigital apresentado na Subseção 2.1, ou seja,disponibilidade de acesso, acessibilidade eusabilidade, inteligibilidade, participação nasociedade informacional, além dos aspectos deapoio e gestão.

2.3 Graus de inovação em inclusão digital

As soluções inovadoras foram classificadas deacordo com três graus de inovação:• incremental: é aquela em que ocorre o

aprimoramento de características observadasem relação à parte expressiva dasexperiências existentes, em pelo menos umdos níveis de inclusão digital, sem acréscimode novas características;

• distintiva: caracteriza-se pelo fato de a



experiência, ainda que possua um conjunto decaracterísticas idênticas às de parteexpressiva das experiências correntes,apresentar uma série de atributos queintroduzem novas características ou funções;

• ruptura: caracteriza-se por uma diferenciaçãocompleta com relação a característicasobservadas em parte expressiva dasexperiências existentes, para a satisfação deuma dada necessidade.

3 Metodologia para classificação dasexperiências

Conforme detalhado em Marques et al. (2006), oprocesso de classificação das experiências,quanto à apresentação de soluções em estado-da-arte, transcorre em duas etapas. Na primeira etapa, a partir de um conjunto de 46experiências, foram destacados os objetivos, otipo de serviço oferecido e a infra-estruturautilizada de tecnologia de informação e detelecomunicações. A partir de suas principaiscaracterísticas, as iniciativas mapeadas foramclassificadas de acordo com uma taxonomia deníveis de inclusão digital apresentadapreviamente na Seção 2. Foi selecionado umconjunto representativo de experiências deinclusão digital, a partir do levantamentosupracitado, destacando-as de acordo com o tipode solução de telecomunicações queapresentam. Essa filtragem, realizada por meio de indicadoresde avaliações apresentados na Tabela 1, visacentrar o foco em algumas experiências cujascaracterísticas estão mais próximas dosobjetivos do público-alvo estabelecidos para oProjeto STID.

Tabela 1 Indicadores para avaliação deexperiências de inclusão digital

Participação na sociedade informacional

• Produção de conteúdo• Divulgação de conteúdo• Existência de treinamento que aprimore habilidades específicas

Inteligibilidade

• Alfabetização digital• Existência de treinamento para necessidades especiais (parciais ou

totais)• Existência de recursos que atendam usuários não alfabetizados• Disponibilização de monitores que auxiliam usuários• Disponibilização de ferramentas e material didático lingüisticamente

adequado

Usabilidade/Acessibilidade

• Existência de recursos que atendam as necessidades (parciais outotais)

• Existência de características que facilitam o uso das tecnologiasdigitais

• Disponibilização de recursos para adequação quanto à ergonomia

Meios de acesso

Redes Terminal

• Cobertura• Taxa de transmissão• Custo de implementação

• Custo do modem

Apoio e gestão de iniciativas

• Divulgação de informações que contribuam para a implantação,difusão e gestão de experiências de inclusão digital

Uma vez estabelecidos os indicadores deavaliação das iniciativas, foi necessário definir asregras de pontuação, cuja gradação éapresentada na Tabela 2.

Tabela 2 Pontuação dos indicadoresGrau de atendimento Valor quantificado

SC (satisfaz completamente) 2

S (satisfaz parcialmente) 1

NS (não satisfaz) 0

NA (não se aplica), ND (não disponível) 0

Essas experiências foram analisadas, a partir dedados secundários, quanto ao tipo e grau deinovação que apresentam em cada um dosníveis da tipologia de inclusão e nos aspectos deapoio e gestão mencionados. Com relação aesses aspectos, foram consideradas ações ecaracterísticas inovadoras em termos desustentabilidade e difusão da experiência, porexemplo fomentar parcerias e promoverintercâmbio entre iniciativas. As ações quecontribuem para a difusão são aquelas quepermitem ampliar o número de localidades, deentidades e de usuários participantes daexperiência. Nessa primeira avaliação, foramselecionadas 26 experiências.Na segunda etapa, as análises de cadaexperiência foram agrupadas em um quadrosinóptico, conforme Tabela 3, com o intuito declassificá-las em função do estado-da-arte. Asexperiências que se enquadraram nessacondição são as dotadas de alguma inovaçãoclassificada como sendo de ruptura em pelomenos um nível da tipologia de inclusão ou dealguma inovação distintiva em um dos níveis deacessibilidade e usabilidade e de inteligibilidade.Esses dois níveis de inclusão mencionadosenglobam barreiras e necessidades típicas dopúblico-alvo deste projeto, ou seja, pessoas combaixo nível de letramento (analfabetos plenos efuncionais) e pessoas com algum tipo dedeficiência física, sensorial ou motora. Com isso, busca-se cobrir um leque maior deinovações referentes sobretudo a esses níveis,mesmo que não sejam de ruptura, e ampliar oprocesso de aprendizagem do projeto no tocanteà concepção e ao desenvolvimento de soluçõespara inclusão digital, em especial desse público-alvo.A título de exemplo, as experiências genéricas,designadas como Experiência 1 e Experiência 2,



cujas análises são sintetizadas na Tabela 3, sãoconsideradas no estado-da-arte porapresentarem uma inovação de ruptura (R) empelo menos um dos níveis de inclusão digital. Por sua vez, a Experiência 3 também éconsiderada no estado-da-arte, pois possui umainovação distintiva (D) no nível de usabilidade eacessibilidade. Já a Experiência 4 é considerada no estado-da-arte por apresentar duas inovações distintivas nonível inteligibilidade, embora apenas umainovação distintiva nesse nível fosse suficientepara classificá-la como tal. Por fim, a Experiência N não é considerada noestado-da-arte, pois não apresenta nenhumainovação radical e nenhuma inovação distintivanos níveis de usabilidade e acessibilidade e deinteligibilidade.

Tabela 3 Atributos da análise utilizados paraidentificar as inovações

Expe

riênc

ias

Dis

poni

bilid

ade

de a

cess

o

Usa

bilid

ade

eac

essi

bilid

ade

Inte

ligib

ilida

de

Soci

edad

ein

form

acio

nal

Apo

io e

ges

tão

Experiência 1 R I

Experiência 2 R, D, I D, I R, I

Experiência 3 D, I D, I D

Experiência 4 D, D I

Experiência N D I D, D

Algumas experiências foram classificadas quantoao que apresentam em estado-da-arte, conformeTabela 4. As experiências que ilustram aaplicação da metodologia de análise são: OuroPreto: Cidade Digital, Piraí Digital, TelecentroInstituto Efort, Tiradentes Digital e Todos Nós.Trata-se daquelas cujas visitas em campo jáforam empreendidas e, portanto, os dadosprimários coletados permitiram validar e ampliaras informações obtidas de fontes secundárias. É importante ressaltar que o caráter daclassificação das experiências não tem opropósito de julgar o mérito, a utilidade ou aeficiência das experiências.

Tabela 4 Experiências consideradas no estado-da-arte

Expe

riênc

ias

Dis

poni

bilid

ade

de a

cess

o

Usa

bilid

ade

eac

essi

bilid

ade

Inte

ligib

ilida

de

Soci

edad

ein

form

acio

nal

Apo

io e

ges

tão

Ouro Preto: Cidade Digital R D

Piraí Digital D, R

Telecentro Instituto Efort D, D R D

Tiradentes Digital R I

Todos Nós D, D

4 Síntese dos resultados

Todo esse processo de classificação e análiseleva a um aprendizado em termos de iniciativas esoluções de inclusão digital. Uma síntese desseaprendizado é apresentada na Tabela 4.

4.1 Visitas e características das soluções emestado-da-arte

Ouro Preto: Cidade DigitalDurante a visita à cidade de Ouro Preto,verificou-se que a experiência utiliza umaestação radiobase WiMAX para a cobertura daregião urbana do município, provendo acesso àInternet aos laboratórios de informática de cincoescolas públicas municipais e do Núcleo deTecnologia Educacional da Prefeitura Municipal.Outra antena está sendo utilizada para realizarestudos relacionados à transmissão WiMAXponto-a-ponto, provendo acesso remoto à cidadede Mariana em um link de aproximadamente13 km.Uma das razões do uso da tecnologia sem fioWiMAX, verificada na visita in loco, é anecessidade de preservação do patrimôniohistórico e da identidade visual do município. Defato, as características técnicas da tecnologiaWiMAX favoreceram o provimento de acesso àInternet em condições de topografia irregular,como é o caso de Ouro Preto, afetando de formareduzida a infra-estrutura da cidade. Verificou-setambém que a experiência vem realizandodiversos estudos, de forma pioneira, explorando-se a variedade possível de configurações da redeWiMAX, característica que classifica adisponibilidade de acesso da experiência comoinovação de ruptura.Com relação aos aspectos de apoio e gestão,verificou-se, durante a visita, que as parceriaspúblico-privadas entre a Universidade Federal deOuro Preto (UFOP), a Prefeitura de Ouro Preto, oMinistério da Educação, a Intel e outrasinstituições foram fundamentais para a garantiada implantação e da sustentabilidade daexperiência, o que a caracterizou como inovaçãodistintiva. Verificou-se que a experiência estuda aviabilidade de um modelo de negócios, baseadoem parcerias público-privadas, que combine aexploração comercial de parte da banda providapela infra-estrutura instalada e o provimento deacesso às escolas e outros órgãos públicos domunicípio.Outra inovação, observada apenas in loco, foi autilização das TICs na educação, permitindo quealunos dos ensinos médio e fundamental dasescolas públicas tenham acesso à Internet e àsnovas tecnologias de ensino, criando modelos emetodologias replicáveis, bem como aplicandoum programa de treinamento e capacitação deprofessores em informática.



Piraí DigitalA visita à Piraí Digital permitiu constatar que aimplantação do projeto foi estruturada segundotrês aspectos principais: arquitetura de rede,modelo de gestão e controle social pelacomunidade. Quanto à arquitetura de rede, foiconfirmada a adoção de uma tecnologia híbrida,classificada como inovação de ruptura emacesso. A rede também é aproveitada parafacilitar o acesso do cidadão à administraçãopública local. Foram implementados terminaispúblicos de VoIP, que permitem a comunicaçãocom diversos órgãos e com a ouvidoria dacidade, também confirmando a inovaçãodistintiva em acesso. No nível de acessibilidade, foi observado que nasinstalações da APAE existem equipamentos paraadaptar o uso de computadores a pessoas comnecessidades especiais. Esses aspectos nãohaviam sido levantados com informaçõessecundárias.No nível de inteligibilidade, encontra-se emandamento um programa de treinamento deprofessores para utilização de TICs em sala deaula. Há também um programa para treinamentoem língua inglesa para professores da redepública de ensino.Quanto ao nível de promoção da sociedade, há adisponibilização de conteúdos digitais paraensino a distância, de forma que os alunospossam acessá-los a partir de laboratórios deacesso ou telecentros da cidade. Em termos demodelo de gestão, a iniciativa é conduzida pormeio de um conselho gestor.

Telecentro Instituto Efort A visita ao Telecentro Instituto Efort confirmou ainovação distintiva em usabilidade eacessibilidade, por meio da padronização deambientes para deficientes físicos e sensoriais eidosos, com a utilização de rampas de acesso,corrimão para locomoção, mouses e tecladosespeciais, impressoras em braile, leitores detelas, lupas eletrônicas e mesas especialmenteprojetadas, facilitando o acesso do público aoTelecentro.Quanto ao nível de inteligibilidade, o centro utilizaprogramas de software e mecanismos quefacilitam o uso, tais como os programas Jaws,Virtual Vision e Dosvox, confirmando a inovaçãode ruptura para esse nível de inclusão digital.Em termos de participação na sociedadeinformacional, foram observadas atividadescomo orientação para o trabalho, arteterapia,capoeira, educação ambiental, jardinagem,conservação de energia elétrica e dança. Uma inovação, não elencada anteriormente eque foi constatada em campo, é ocompartilhamento de software livre e proprietáriono mesmo sistema, com o objetivo de abrangerum público maior de usuários. Essa

característica contribui para o nível de apoio egestão.

Tiradentes DigitalDurante a visita à iniciativa Tiradentes Digital,constatou-se que a cidade conta atualmente comquatro pontos de acesso Wi-Mesh, que cobremcerca de 70% da área urbana do município, ouseja, em um raio de aproximadamente 4 km. Arede de acesso contém nodos interligados empadrão Wi-Fi 802.11a, com o gateway paraacesso à Internet em um deles (prefeitura). Emcada nodo é utilizado o padrão 802.11 b/g (2,4GHz) para provimento de acesso aos usuários.Assim como em Ouro Preto, uma das razõespara se utilizar acesso à Internet sem fio é anecessidade de preservação do patrimôniohistórico da cidade, afetando de forma reduzida ainfra-estrutura urbana. Constatou-se, durante avisita, que uma das vantagens da tecnologia Wi-Mesh é a facilidade de configuração e operaçãoda rede. Essa característica é obtida peloroteamento dinâmico que ocorre em cada nododa rede, permitindo a simplificação nasoperações de introdução e remoção de pontosde acesso. Na visita, soube-se que a instalaçãoocorreu em duas semanas, que o suporte éremoto, com a necessidade de poucas visitastécnicas, e que a topologia mesh proporcionagrande flexibilidade para expansão da rede.Trata-se, portanto, de uma inovação de rupturano nível de disponibilidade de acesso.Com relação aos aspectos de gestão, não seconstatou o uso da arquitetura Cliente/Servidor(thin-client) nos laboratórios de informática dasescolas visitadas, motivo anteriormente utilizadopara a classificação como inovação incrementalno nível de apoio e gestão. Observou-se,entretanto, que existe uma parceria entre aprefeitura da cidade, empresas privadas eprogramas do governo federal para equipar asescolas com computadores e outros recursos.Outras inovações, observadas apenas in loco,foram a utilização de telefonia sobre IP, queconecta os órgãos públicos por meio de PABX, ea utilização, ainda incipiente, de câmeras devigilância sem fio em quatro pontos da cidade.Há a possibilidade de disponibilização dasimagens capturadas a qualquer pessoa queacesse o site da prefeitura, podendo inclusive serutilizadas para promover o turismo.

Todos NósA visita à iniciativa Todos Nós, localizada noprédio da Biblioteca Central da Unicamp emCampinas, SP, confirmou a inovação de formadistintiva na concepção e disponibilização deuma infra-estrutura assistiva de facilitação do usoe acesso às TICs por usuários portadores denecessidades especiais. Pôde-se constatar queessa iniciativa se diferencia de outras por ser um



serviço de apoio provido por uma bibliotecauniversitária e por possuir, como usuários,deficientes visuais com um nível maior deinstrução e de renda, quando comparado com onível médio da população brasileira, e que jádominam o uso das ferramentas deacessibilidade e usabilidade. Outros aspectos observados, em termos deapoio às atividades acadêmicas dos alunos comdeficiência visual, foram a transliteração detextos para o braile e a disponibilização de meiospara o desenvolvimento das atividades doscursos de música.

4.2 Contribuição do aprendizado

Com base nessa metodologia, foi examinado umconjunto inicial de 49 experiências nacionais,buscando-se identificar as inovações presentesem cada nível de inclusão digital. A partir darelação de experiências que apresentaraminovações, foram selecionadas aquelas queapresentaram grau de ruptura em pelo menosum dos níveis de inclusão digital, ou algumainovação de grau distintivo nos níveis deinteligibilidade ou acessibilidade e usabilidade. Ao final desse processo de seleção com dadossecundários, foram identificadas as experiênciasque apresentam características no estado-da-arte, a saber: Casa Brasil, Centro de EnsinoComplementar Cícero Dias, EducaRedeTelefônica, GESAC, Ouro Preto: Cidade Digital,Piraí Digital, Rede Floresta Topawa'ka, RedeSACI, Telecentro Instituto Efort, Telecentro paraDeficientes Físicos (Curitiba), Tiradentes Digital eTodos Nós.Esse método de seleção foi comprovado com osdados primários obtidos nas visitas em campodas soluções em estado-da-arte. Além disso,essas visitas também contribuíram para aidentificação de outras inovações que ainda nãotinham sido verificadas, enriquecendo olevantamento de dados de cada experiência.Com a consolidação e o aprofundamento dasinformações colhidas de fontes secundárias,espera-se enriquecer a última atividade analíticada primeira fase do projeto, identificando-senecessidades reais e prementes que podemresultar na proposição de desenvolvimento denovas soluções.Por último, foi possível extrair algumasconclusões a partir do que foi observado duranteo processo de avaliação:• uma predominância de inovações nos níveis

de apoio e gestão e sociedade informacional.Esse aspecto parece indicar uma tendênciade concentração de esforços em busca denovos modelos de sustentabilidade e difusãodas experiências, e de atenção relativamentemenor na garantia de acesso e uso porpessoas com necessidades especiais erelativamente maior na oferta de recursos

para fruição de conteúdos por parte de gruposjá capacitados;

• o menor número de inovações ocorre no nívelde inteligibilidade, indicando que, atualmente,não há um foco no desenvolvimento e naoferta de soluções para superação dasbarreiras cognitivas;

• as experiências apresentam um númerosignificativamente maior de inovações nonível de usabilidade e acessibilidade.

Quanto ao grau de inovação:• a maior incidência ocorre para inovações com

grau distintivo;• há uma ocorrência significativamente maior

de inovações de ruptura no nível de apoio egestão.

5 Conclusão

Este trabalho catalogou, comparou e conceituoudiversas experiências de inclusão digitalnacionais, empreendidas por vários atoressociais, como governo, empresas e organizaçõesnão-governamentais voltadas à inclusão digital. As experiências foram analisadas quanto ao queapresentam em termos de soluções no estado-da-arte. O processo de identificação dessassoluções foi conduzido com base nos conceitosde inovação e critérios de análise,contextualizados ao escopo das experiênciasavaliadas e tendo como foco o público-alvo doProjeto STID, ou seja, pessoas com baixo nívelde alfabetização e com deficiências física,sensorial ou motora. Para tanto, considerou-se a ocorrência deinovação em produtos, processos e gestão daexperiência de inclusão digital. A caracterizaçãode inovação foi vinculada à reunião de recursos ecaracterísticas para atender a uma determinadanecessidade de inclusão. Já os graus deinovação foram instanciados em três níveis(incremental, distintivo e ruptura), tendo-se comoreferencial comparativo as característicaspredominantes de parte expressiva dasexperiências existentes.Embora existam projetos que consideremaspectos de usabilidade, acessibilidade, deestímulos sociais e institucionais e de produçãode conteúdo adequado, a maioria deles ainda serefere a soluções de acesso, sociedadeinformacional e apoio e gestão.Apesar de as visitas em campo não terem sidoconcluídas, já é possível consolidar asinformações obtidas de fontes secundárias eidentificar as necessidades reais e prementesque podem ser atendidas com odesenvolvimento de novas soluções, conformeabordado na Subseção 4.2. Ao término dasavaliações em campo, será conduzida a últimaetapa da primeira fase do projeto, a qualapontará proposições de desenvolvimento, entreelas aquelas voltadas a novas linguagens de



comunicação e modelos de interação (HOLANDA& DALL'ANTONIA, 2006).Além disso, pôde-se perceber, até aqui, o quantoos benefícios do acesso à tecnologia dainformação podem contribuir para a elevação daqualidade de vida de uma população,principalmente das mais carentes. As diversassoluções digitais alcançam, em último aspecto,elementos de inclusão social. Isso se dá pelosimples fato de a inclusão digital já ser umelemento de inclusão social, ou pelo fato de ainclusão digital poder ser usada como uminstrumento para alcançar pontos de exclusãosocial, tais como lazer e cultura.

6 Agradecimentos

A todos os pesquisadores que de alguma formacontribuíram para esse projeto, em especial aGraziella Cardoso Bonadia, Ismael MattosAndrade Ávila, José Carlos Lima Pinto eCristiane Midouri Ogushi.Esse projeto está inserido no contexto de umapesquisa financiada com recursos do Fundo parao Desenvolvimento Tecnológico dasTelecomunicações (FUNTTEL).

Referências

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BAPTISTA, P. Inovação nos produtos,

processos e organizações. Porto: Editora daSociedade Portuguesa de Inovação, 1999.

HOLANDA, G. M.; DALL'ANTONIA, J. C. Anapproach for e-inclusion: bringing illiterates anddisabled people into play. Journal ofTechnology Management & Innovation, vol. 1,n. 3, 2006. Disponível em:http://jotmi.org/index.php/GT/article/view/art8/20.Acesso em: 30 ago.2006.

Livro Verde sobre Inovação, COMM (95) 688,dezembro 1995. Disponível em:<http://ec.europa.eu/comm/off/pdf/COMM(95)688.pdf>. Acesso em: 22 mai. 2006.

MARQUES, M. C. et al. Mapeamento deexperiências – Projeto Soluções deTelecomunicações para Inclusão Digital.PD.30.12.36A.0004A/RT-01-AA. Campinas:CPqD-FUNTTEL, 2006a. (Relatório técnico)

MITCHELL, R. Radical innovation. BT Technol,vol. 19, n. 4, pp. 60-64, out. 2001.

SCHUMPETER, J. A. Teoria dodesenvolvimento econômico. Tradução deMaria Sílvia Possas. São Paulo: Editora Abril,1982. (Coleção Os Pensadores)

TAMBASCIA, C. A. et al. Mapeamento desoluções – Projeto Soluções deTelecomunicações para Inclusão Digital.(PD.30.12.36A.0003A/RT-01-AA) Campinas:CPqD-FUNTTEL, 2006a. (Relatório técnico)

Abstract

This article aims at presenting the evaluation of innovative projects in digital inclusion, consideringaspects such as access, education and qualification, local content production, usability, and support tocurrent inclusion programs. For that, the approach starts by mapping national initiatives for bridging digitaldivide, and is followed by the application of criteria for analyzing and classifying state-of-art solutions, andvalidating this analysis by means of data gathered from visitations to selected initiatives. The analysis isfocused on solutions for people with special needs and the results are being used to specify thedevelopment of new solutions for including these potential users in the digital world. This evaluationprocess corresponds to activities of a research project entitled Telecommunications Solutions for DigitalInclusion (TSDI), which is being carried out by Fundação CPqD.

Key words: Digital inclusion. Social inclusion. Innovation. Project evaluation.


Redes sociais e disseminação de inovaçõestecnológicas: uma modelagem por agentes

aplicada ao caso da TV digital brasileiraIsmael M. A. Ávila*, José Carlos L. Pinto, Luciano M. Lemos, Giovanni M. de Holanda

Este artigo descreve um processo de modelagem da dinâmica que as redes sociais exercem sobre adisseminação de uma nova tecnologia na sociedade, sendo incorporado ao estudo ex anti da difusão datelevisão digital terrestre no Brasil. Emprega-se, para tanto, a modelagem e a simulação baseadas emagentes (ABMS), cujo potencial analítico tem se mostrado útil ao entendimento dos processos queocorrem no âmbito individual, tais como decisões de adoção baseadas no perfil de propensão àinovação, próprio de cada agente, e os efeitos decorrentes da vizinhança e da comunicação boca a boca.Outros aspectos também foram considerados, como as diferenças socioeconômicas e de distribuiçãoespacial dos agentes. As simulações mostraram que a ABMS é apropriada à identificação de fenômenosde âmbito individual (microscópico) e à avaliação de suas repercussões coletivas (macroscópicas). Aimplementação permitiu testar os efeitos no processo de difusão de fatores, como renda disponível, e apresença de propagandas e políticas de incentivo.

Palavras-chave: Modelagem baseada em agentes. Redes sociais. Televisão digital. Inovaçãotecnológica.

1 Introdução

O Brasil discute, atualmente, o modelo de TVdigital terrestre a ser adotado no País, incluindoos serviços, as formas de utilização e asparticularidades técnicas. Uma questãoimportante nessa discussão diz respeito àvelocidade da difusão da nova tecnologia nasociedade e à conseqüente definição do temponecessário para a completa substituição dosistema analógico pelo digital. Como emqualquer processo inovador, em particularaqueles que envolvem a adesão voluntária dosusuários, o processo de difusão da inovaçãodependerá de fatores como o preço dosequipamentos, os efeitos de divulgação boca aboca, a propaganda e a atratividade dos serviçosoferecidos. Em geral, alguns fatores que agemsobre esse cenário complexo não sãoconsiderados nos métodos tradicionais depredição da difusão. A falta de previsibilidade é conseqüência dascomplexas relações de causa e efeito,predominantemente não-lineares, quecaracterizam as redes sociais e, em primeirainstância, da dificuldade de se predizer asatitudes dos indivíduos quanto a suas decisões.Para contornar essa limitação, dois estudosprospectivos foram empreendidos acerca docomportamento dos usuários brasileiros ante anova tecnologia: a análise por dinâmica desistemas e a modelagem baseada em agentes(ABMS). Essa modelagem, de que trata opresente artigo, é motivada pelas abordagensque partem do comportamento dos adquirentes

de um produto ou serviço e que tendem a revelaraspectos encobertos por outras abordagens,como aquelas com potencial para tratar ocomportamento agregado. Um exemplo disso é adinâmica de sistemas. A abordagem baseada emagentes representa uma estratégia relativamentenova para o estudo de difusão de produtos einovações na população, podendo serempregada de forma complementar à dinâmicade sistemas. Ela tem o atrativo de levar em contacaracterísticas de cada indivíduo (agente), cujocomportamento coletivo é o resultado queemerge das interações entre os diversosagentes. Assim, o objetivo deste artigo é apresentar umadas etapas do processo de modelagem esimulação baseadas em agentes, que possibilitaestimar a difusão da TV digital terrestre no Brasil,e complementar a descrição geral já feita emHolanda, Ávila & Martins (2006), com detalhesatinentes à dinâmica das redes sociais. Oambiente em que ocorrerá tal difusão émodelado a partir do tratamento individualizadodos potenciais usuários da TV digital, levando emconta suas especificidades, tais como redes derelacionamento social, perfis psicológicos depropensão perante a inovações e, também,renda disponível em função de sua posição nosdiversos estratos da sociedade brasileira.Para tanto, o artigo foi dividido em seções: naSeção 2, são apresentados aspectos conceituaisatinentes às relações sociais e seus efeitos noprocesso de difusão de inovações. Na seçãoseguinte, o uso da modelagem de relaçõessociais por meio de agentes é abordado e a



Redes sociais e disseminação de inovações tecnológicas

implementação é descrita com ênfase nasconfigurações de vizinhança e na caracterizaçãodos diversos perfis de agentes. A Seção 4 reúnealguns resultados de simulações, gerados com opropósito de avaliar a aplicabilidade do modelo, eseus resultados são discutidos na Seção 5. Porfim, as conclusões são tecidas na Seção 6.Esse processo de modelagem integra uma dasatividades conduzidas pelo CPqD no âmbito dosestudos analíticos para apoiar a decisão domodelo de exploração e implantação da TVdigital terrestre no Brasil (MARTINS &HOLANDA, 2005). Além disso, essa abordagemse insere em um contexto metodológico deanálise estratégica e de viabilidade de projetosque vem sendo construído e consolidado nessaorganização há cerca de uma década, comaplicações em consultorias para apoio à decisãoe em vários projetos de pesquisa edesenvolvimento nas áreas de telecomunicaçõese tecnologia da informação.

2 As relações sociais e a difusão deinovações

A difusão e a apropriação de uma inovação pelasociedade decorrem de um processo decomunicação entre os indivíduos de um sistemasocial. Comunicação admitida como cimentosocial (MAFFESOLI, 2003) e inovação entendidatanto como um apparatus tecnológico, conformeas práticas típicas da sociedade industrial,quanto como um processo organizacional, umserviço ou uma nova mídia, de acordo com aspráticas culturais a que se convencionou chamarde sociedade pós-industrial (BELL, 1999) ousociedade pós-moderna (LYOTARD, 2002).O entendimento desse processo de comunicaçãoé facilitado pelos modelos de difusão, os quaispermitem avaliar, inclusive ex ante, ocomportamento dos indivíduos diante do adventode uma inovação tecnológica. De uma maneirageral, o processo de difusão é consideradopossuidor de uma evolução que se assemelha aoformato de uma curva-S, ou seja, apresentainicialmente um crescimento exponencial (devidoa um efeito de retroalimentação positiva,associado ao frisson ou a rumores causados porum novo produto ou serviço), posteriormentelimitado pela própria saturação do mercado, queproduz um efeito de retroalimentação negativa(STERMAN, 2000). Para predizer talcomportamento, têm-se adotadotradicionalmente modelos como o da curvalogística (aprendizagem) e o de Bass (1969),abordagens de natureza top-down. Como a curva logística não contempla o fator“novidade” que uma inovação traz em seu bojo, omodelo de Bass foi proposto para abordar opapel dos inovadores, aqueles que primeiro

aderem à novidade. Na difusão descrita pelomodelo de Bass, assume-se que os indivíduoscom potencial para aderir a um produto, serviçoou política tomam inicialmente conhecimento dainovação a partir de eventos externos – como ascampanhas de divulgação – e a difusão émotivada por dois fatores: (i) a “inovação”inerente ao que se está introduzindo nasociedade, e (ii) a “imitação” entre os indivíduos.Todavia, essa abordagem considera um sistemasocial constituído por uma estrutura uniforme, oque, de certa forma, oblitera característicasdecorrentes da heterogeneidade de grupos eindivíduos.Nesse aspecto, uma abordagem bottom-up,como a modelagem por agentes, oferece umaperspectiva complementar de análise dosfenômenos pertencentes a um processo dedifusão ou contaminação1, para usar umaterminologia que remonta às origens dos estudossobre a emergência dos eventos e sobre osautômatos em geral, mas que se aplicaadequadamente ao universo cambiante dastecnologias de comunicação. De fato, segundoDouglas e Isherwood (1996), a difusão datelevisão analógica oferece um bom exemplo demodelo epidemiológico de difusão de umainovação: cada domicílio que adquire umaparelho torna-se imune, mas a presença da TVprovavelmente contaminará outros domicílios,pois as pessoas tendem a comprar aquilo quevêem seus amigos usando e desfrutando. Nãoestá claro se, no caso da TV digital, o padrão deinfecção/difusão repetirá em linhas gerais ocomportamento observado para a TV analógica.Se, por um lado, a atratividade dos serviçosinterativos é inegável para consumidoresfamiliarizados com as novas tecnologias deinformação e comunicação (TICs), essesrecursos podem não ser suficientes para produzira percepção de que a TV digital é um novo bem,essencial ao dinâmico ambiente cultural em queos consumidores estão inseridos. Além disso, ofato de que a fruição da TV analógica continuarágarantida no período de transição (simulcasting)pode, em um primeiro momento, enfraquecer apercepção da TV digital como algo indispensávelpara a plena interação social.Em contrapartida, a difusão das TICs no Brasiltem se mostrado fortemente influenciada pelosaspectos socioeconômicos do país, que ostentauma das maiores concentrações de renda emtodo o mundo. Adicionalmente, a sociedadebrasileira apresenta formas de interação socialmuito características, nas quais indivíduospertencentes a classes sociais distantes, adespeito das grandes diferenças de renda,podem estar ligados por vínculos sociais quesurgem em contextos profissionais ou de


1 Alguns ganhos advindos da complementaridade de abordagens (top-down e bottom-up) na avaliação ex ante da difusão de inovações em telecomunicações são apresentados em Holanda et al. (2003).

1 Alguns ganhos advindos da complementaridade de abordagens (top-down e bottom-up) na avaliação ex ante da difusão de inovações em telecomunicações são apresentados em Holanda et al. (2003).


prestação de serviços e, dentro da dinâmica dasredes de relacionamentos, adicionam apossibilidade de que inovações adotadas nasclasses mais altas influenciem as decisões decompra nas classes mais baixas.Assim, na tentativa de observar taisparticularidades, mesmo antes de a inovação serdisponibilizada para a sociedade, um modelo desimulação baseada em agentes (HOLANDA,ÁVILA & MARTINS, 2006) foi adotado com opropósito de lançar luzes sobre o processo deanálise e suporte à decisão quanto ao modelo deTV digital a ser adotado no Brasil (MARTINS &HOLANDA, 2005). Tal simulação se insere nasatividades de mapeamento do uso e de análisede viabilidade do referido processo analítico, aqual também faz uso de uma modelagem top-down, calcada na dinâmica de sistemas e cujasprincipais características são descritas emMenezes et al. (2005).

3 Uma modelagem de relações sociaisbaseada em agentes

No modelo descrito neste artigo, cada usuáriopotencial é representado por um agente comcaracterísticas próprias, como renda disponívelem função da classe social a que pertence e umdado perfil psicológico de propensão à adoção deinovações. Os agentes, em um total de dez mil2,formam um mundo e nele interagem, segundoregras de vizinhança, de influência mútua e deestratificação por classes socioeconômicas,constituindo as redes sociais da complexasociedade brasileira.Nas redes sociais, conforme discutido emGerolamo, Franco & Holanda (2004a), asrelações entre os agentes podem variar notempo, como uma conseqüência docomportamento de outros agentes. Tais redessociais oferecem uma base média para estudaros vínculos entre atores que são responsáveisprimários por suas escolhas. Isso implica que oestudo de uma mudança tecnológica, sob aperspectiva das redes sociais, deve focalizarmais as relações do que atributos oucaracterísticas de unidades individuaisautônomas. De acordo com Agapitova (2003), asredes sociais podem tanto proporcionar efeitosbenéficos para a sociedade, gerando confiança eencorajando a cooperação, como causar perdasao encerrar a sociedade em redes rígidas deconvivência. No Modelo de Influência Social(SIM), as atitudes frente à tecnologia são maiscondicionadas por interações sociais e poraspectos psicológicos do que por fatoresobjetivos3.

3.1 Efeitos de redes sociais

As redes sociais se enquadram no âmbito dasredes complexas, cuja teoria foi iniciada porEuler e Bernoulli e desenvolvida por Erdös eRényi (1960), com posterior contribuição deMilgram (1967), que conduziu um dos primeirosestudos empíricos sobre a estrutura de redesocial, lançando a hipótese do “mundo pequeno”(small world). Ela sugere que as pessoas sãoligadas por pequenas cadeias de elos sociais, emmédia com seis graus de separação. Tal teoriafoi validada por Watts (1999) em experimentosbaseados na Internet. O fenômeno do “mundopequeno” provê uma referência razoável parasimular o fluxo de informação entre indivíduosem um sistema social, podendo ser usado paraestabelecer ligações quando a estrutura exata deuma rede social é desconhecida.Recentemente, observou-se que a conectividadeem algumas redes complexas obedece a uma“lei de potência”, em que a distribuição dos grausdos nós pode ser escrita como uma potência dosvalores dos graus (COSTA, 2005). Nessas redes,também denominadas “livres de escala”, nãoexiste um grau médio típico para os nós, comoocorre nas redes aleatórias. Em diversos tipos deredes naturais, a probabilidade de existência denós com muitas conexões, os chamados hubs, émaior, o que sugere que essas redes são livresde escala. O primeiro modelo matemático bem-sucedido desse tipo de rede foi proposto porBarabási & Bonabeau (2003). Sua idéia básica éde que o processo de formação da rede privilegiaa criação de novas conexões com nós que játenham muitas conexões (idem). Enquanto nasredes aleatórias, no que se refere à difusão deinovações e propagação de epidemias, admite-se a existência de um limiar abaixo do qual oprocesso infeccioso ou de influência não sepropaga por toda a rede, para as redes livres deescala, esse limiar é zero porque, com aexistência dos hubs conectados a muitíssimosnós, ao menos um hub tenderá a infectar-se porqualquer nó afetado (COSTA, 2005). Em relação à formação das redes livres deescala, Barabási & Bonabeau sustentam queessa se dá por dois mecanismos: o crescimentoe a vinculação preferencial. No primeiro caso, osnós mais velhos têm mais oportunidades deadquirir novas ligações e, no segundo caso, osnós com mais ligações tendem a atrair maisconexões, dando origem a hubs. No presentemodelo, a implementação da rede social ocorreusem que esses dois mecanismos influenciassema definição das relações de vizinhança: osagentes são criados ao mesmo tempo e osrelacionamentos internodais são estabelecidos


2 Número máximo de agentes que o ambiente de simulação utilizado neste trabalho é capaz de tratar; o uso do número máximo visa a maximizar a acuidade do modelo.3 Cf Lee et al. (2003).


por sorteio, sem favorecer nós mais conectados.Trata-se, portanto, de uma rede complexa,porém não livre de escala.

3.2 Modelo multiagentes

O processo de modelagem aqui tratado obedeceaos fundamentos apresentados em Holanda etal. (2006), os quais, em resumo, compreendem:(i) relacionamentos sociais são baseados nasredes complexas, no “mundo pequeno” e navizinhança de Moore; (ii) divisão da populaçãoem perfis de propensão ante a inovação, deacordo com os níveis propostos por Rogers.Além disso, adota-se o conceito de autômatocelular e, como dados de entrada referentes aopotencial de interesse dos usuários, foramutilizadas as curvas de sensibilidade a preçoobtidas em pesquisas de mercado, nas quais osrespondentes foram estimulados a seposicionarem ante a possibilidade de compra doequipamento decodificador e receptor, dados ospreços estimados e as funcionalidades previstaspara a TV digital. Esses dados são inteiramentereportados em Gerolamo et al. (2004b) e,resumidamente, em Holanda et al. (2006).A implementação do modelo foi feita no ambienteShell for Simulated Agent Systems (SeSAm)4,uma ferramenta para simulações multiagentesdesenvolvida na Universidade de Würzburg,Alemanha. Na construção do modelo descritoneste artigo, os agentes foram posicionadossobre uma grade bidimensional de tamanhoconfigurável, cujas dimensões foram fixadas emseu valor máximo, 100 x 100, totalizando dez milagentes. As caracterizações dos agentes e doambiente foram feitas de forma independente.Foram definidas variáveis globais com validadeno “mundo” e, portanto, acessíveis a todos osagentes indistintamente, assim como variáveisindividuais para cada instância de agente. Ocomportamento de cada agente foi modelado porum algoritmo interno. Dentro da máquina deestados, ao percorrer uma trajetória determinadapelas variáveis globais ou locais, o agente lê eescreve nelas. É por meio dessas escritas eleituras que se estabelecem os relacionamentosentre os diversos agentes que habitam o mundo,à semelhança dos processos sociais de difusãode informação. Em razão dos efeitos de rede, asalterações individuais de cada agente afetam osdemais com os quais ele mantémrelacionamento.Uma outra característica da distribuição dosagentes na grade de simulação refere-se ao fatode que as cinco classes sociais que compõem o

mundo virtual foram dispostas de forma que sereproduzisse a distribuição espacial e relacionalque essas classes apresentam na sociedadebrasileira, conforme descrito em Holanda et al.(2006). Dessa forma, aglomerações cujasinterfaces são estabelecidas pelas classessocioeconômicas, em uma seqüência que vai daclasse A à E. Em razão disso, um agente situadona fronteira da classe A terá três agentes daclasse B entre seus vizinhos imediatos. Assim, nesse modelo, o posicionamento de cadaagente na grade é função de sua classe social eisso surte efeito sobre sua vizinhança, que, porsua vez, influi em sua rede de relacionamentos.A composição da grade assume então umaforma toroidal, conforme Figura 1, e adistribuição dos agentes na grade segue aproporção de cada classe na populaçãobrasileira5. Os agentes foram distribuídosconforme a proporção de cada classe napopulação brasileira6:

Figura 1 Distribuição espacial das classessociais: efeito toróide

3.3 A vizinhança no micromundo

A definição das redes de relacionamento dosdiversos agentes para o processo de difusãobaseou-se na definição de Moore paravizinhança em uma rede de autômatos. Ela éusada para definir um conjunto de células quecercam uma dada célula (x0, y0), que pode afetara evolução de um autômato bidimensional emuma grade quadrada. Segundo Weisstein (2005),para uma abrangência r, essa vizinhança deMoore (NM) é definida por:

NM(x0,y0) = {(x,y) : |x – x0| < r, |y – y0| < r} em queNM = número de vizinhos.

No presente artigo, foi adotada uma vizinhançade Moore com abrangência r = 1, totalizando oitocélulas vizinhas em torno de cada célula


4 O SeSAm é um ambiente genérico para a modelagem ABMS. Ele permite a criação de um mundo virtual habitado por uma população de agentes.5 Esses percentuais são os mais usuais no Brasil, pois se baseiam nos estudos feitos pelo Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística (IBGE) a respeito dos domicílios brasileiros. 6 Esses percentuais são 4,6; 17,7; 30,6; 34,4 e 12,7, respectivamente, para as classes de A a E. São baseados em estudos feitos pelo Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística (IBGE) a respeito dos domicílios brasileiros.


(agente), a partir das quais são representados osrelacionamentos entre indivíduos.

3.4 Relações de vizinhança “remota”

Com o intuito de representar outra particularidadeda população brasileira (a existência derelacionamentos entre pessoas pertencentes aclasses sociais distantes), o modelo passou acontar também com uma variação das relaçõesde “vizinhança remota”, de forma que seacomodasse relacionamentos sociais menosintensos que os da vizinhança imediata, porexemplo, entre indivíduos pertencentes a classesdistantes. Nesse aspecto de modelagem, osagentes apresentam comportamentoheterogêneo e o conhecimento é local.Por outro lado, assume-se no modelo que asinfluências entre agentes pertencentes a classesdistantes são sempre unidirecionais e que oagente mais rico influencia o mais pobre, semser por este influenciado. Essa diferenciação temuma justificativa empírica: a vivência dasociedade sugere que as influências recíprocas(bidirecionais) ocorram, sobretudo, entre agentesde uma mesma classe social, ou de classessociais adjacentes, enquanto que em interaçõesentre agentes de classes sociais distantes ainfluência predominante é unidirecional, do maisrico para o mais pobre. Em outras palavras,assume-se como plausível que um agente dasclasses A ou B influencie as decisões deconsumo de agentes das classes D ou E, masnão seja influenciado por eles. Para simular essas assimetrias derelacionamentos sociais entre indivíduos declasses socioeconômicas diferentes, restriçõesadicionais foram impostas à rede: cada agenteestabelece dois tipos de relacionamento:bidirecional, com seus oito agentes adjacentes,que possuem perfil socioeconômico semelhante;e unidirecional, com um ou dois outros agentesremotos (não-adjacentes), aleatoriamenteescolhidos entre aqueles que atendam a umcritério socioeconômico específico para cadaclasse, conforme descrito a seguir. Assim, onúmero de influenciadores de cada agente variaentre nove e dez, ao passo que o número deagentes que ele pode influenciar éestatisticamente maior se ele pertencer àsclasses mais ricas e menor para as mais pobres.Isso porque um agente da classe A pode sersorteado como influenciador de agentes dequalquer classe – ao passo que um agente daclasse E só pode ser sorteado influenciador deoutro agente da classe E.Para refletir essa assimetria nas relações, omodelo incorporou quatro diferentesconfigurações de vizinhança remota, definidasem função da classe do agente, conformeFigura 2, com as seguintes distinções:• um agente da classe A sorteia seu(s)

vizinho(s) remoto(s) entre aqueles contidosem um vetor horizontal de comprimento 10,representado pelas células vazias à direita doagente em questão, e desconsiderados osvizinhos imediatos (indicados pelas letras VI).Isso assegura que praticamente todos osvizinhos remotos de membros da classe Atambém pertencerão àquela classe;

• para cada agente pertencente às classes B eC, os vizinhos remotos são escolhidosaleatoriamente entre os 48 agentes maispróximos em seu entorno, desconsiderando-se aqueles oito que já fazem parte davizinhança imediata. Essa configuração vicinalgarante que todas as relações de vizinhançade agentes nas classes B e C estejamcircunscritas a essas classes (ou a parte daclasse A, caso o agente da classe B estejalocalizado junto à fronteira entre essasclasses, ou D, caso o agente da classe Cesteja na fronteira entre essas duas classes).Assim, não haverá grandes diferenças derenda nessas relações de vizinhança;

• para os agentes das classes D e E, osvizinhos remotos são escolhidosaleatoriamente dentro de um vetor verticalacima (cf. Figura 2) ou abaixo do agente emquestão (quando esses estão localizados naparte inferior da grade) e com comprimentos30 e 45, respectivamente. Isso significa queos vizinhos remotos de E podem estarsituados em qualquer das demais classes, eos de D em qualquer classe, exceto na E.

Já a influência do número de vizinhos noprocesso da difusão é analisado em Holanda etal. (2003). A adição de agentes na forma devizinhos remotos cria o efeito “mundo pequeno”,aumenta a informação no sistema, mas não deforma que se suscite uma condição deconhecimento global, como acontece nasabordagens top-down. No modelo descrito, onúmero de relacionamentos remotos que um


Figura 2 Vizinhanças remotas: acima, classe A;abaixo, à esquerda, classes B/C e, à direita,

classe D e classe E

VI VI VI

VI AG VI

VI VI VI

VI VI VI

VI AG VI

VI VI VI

· · ·

VI VI VI

VI AG VI

VI VI VI

· · ·

VI VI VI

VI AG VI

VI VI VI

Classes B e C

Classe A

Classe D Classe E

10

30 45


dado agente estabelece varia aleatoriamenteentre um e dois. Entretanto, como cada agentetambém possui oito vizinhos imediatos, o númerototal de vizinhos de um dado agente pode variarentre nove e dez. Com isso. espera-se manter osefeitos de vizinhança de Moore e acrescentar aeles o efeito “mundo pequeno”.

3.5 Caracterização dos perfis deconsumidor

Para a caracterização dos perfis deconsumidores ante as inovações, utilizou-senesta implementação o modelo de Rogers(1983), conforme Figura 3. Além disso, essemodelo foi replicado em cada uma das cincoclasses socioeconômicas, isto é, 2,5% dosmembros de cada classe possuem perfilinovador, 13,5% são potencialmente adotantesprecoces, etc. As implicações e afundamentação dessa premissa, sob aperspectiva social, são discutidas em Holanda etal. (2006). Do ponto de vista matemático, essahipótese também é aceitável, pois a distribuiçãono modelo segue uma curva normal (gaussiana)e a soma das curvas das cinco classes resultatambém numa normal7, respeitando, portanto, omodelo.

3.6 Dinâmica de iteração dos agentesUma vez estabelecida a rede de relacionamentosde cada agente, o que inclui seu perfil deadotante e sua classe socioeconômica, tem inícioa seqüência de iterações da máquina de estadocorrespondente a cada agente. Essas máquinassão compostas por três estados distintos queinfluenciam o processo decisório do agente.Apenas o primeiro deles é tratado nestedocumento: os estados restantes – asensibilidade a preço e a renda disponível – sãodescritos em Holanda et al. (2006). A rede de relacionamentos do agente éestabelecida em função de sua configuração devizinhança (número de influenciadores que jáadotaram a inovação) e de seu perfil depropensão à adoção (categorias de Rogers).Para os cinco perfis, foram estabelecidos cincopatamares mínimos de quantidade de

influenciadores, conforme Tabela. No modelodescrito, esses patamares correspondem àsporcentagens iniciais de cada categoria deadotantes ilustrada na Figura 3 (0%, 2,5%, 16%,etc.). Isso equivale a dizer que os primeiros“adotantes precoces” só adotarão quando todosos inovadores (2,5% da população total) játiverem adotado, e assim por diante. Como onúmero de vizinhos varia entre nove e dez, bastaum vizinho adotante para influenciar os adotantesprecoces. Já os de perfil inovador não dependemde outros modelos para optarem pela adoção,sendo desnecessária para eles a rede derelacionamentos.

Tabela 1 Percentuais de infecção paracontaminação

Categoria do agente Limiar para contaminação

Inovadores 0 %Adotantes precoces 2,5 %

Maioria inicial 16 %Maioria tardia 50 %Resistentes 84 %

No exemplo da Figura 4, em um determinadoestado da máquina, três vizinhos (indicados porbordas mais grossas) – sendo dois imediatos (VI)e um remoto (VR) –, de um agente (AG) com dezvizinhos ao todo (oito imediatos e dois remotos),estão infectados (isto é, adotaram a inovação).Com isso, caso AG pertença à categoria dos“adotantes precoces” ou à “maioria inicial”, seulimiar de influência já terá sido alcançado, e eleestará propenso a também adotar a inovação,assim que as demais condições no processo dedecisão de compra forem satisfeitas. Se o perfilde AG for de “maioria tardia”, ainda serãonecessários outros dois agentes infectados emsua vizinhança para se tornar propenso àadoção. Ele necessitará que nove de seus dezvizinhos estejam infectados para se tornarpropenso, caso seja “resistente”.

Além da máquina de estados correspondenteaos agentes, foi também implementada umamáquina para disparar os eventos que têm lugarno mundo em que os agentes interagem. Ela éresponsável pela criação do mundo, isto é, pelacriação de cada um dos dez mil agentes, comseu perfil próprio de consumidor e sua inserção


Figura 4 Exemplo de infecção – o agente (AG)tem dois vizinhos imediatos e um remoto

infectados

VI VI VI

VI AG VI VR VR

VI VI VI

Figura 3 Categorias de adotantes segundo Rogers

7 Combinações lineares de distribuições também são distribuições. Ver, por exemplo, Butkov (1978).


na grade, na posição que corresponde à suaclasse social, com uma renda disponívelaleatória dentro da faixa de renda de sua classe.É também responsabilidade da máquina deestados do mundo estabelecer as redes derelacionamentos remotos de cada agente (umavez que os relacionamentos próximos sãodeterminados por sua localização na grade). Deresto, as iterações da máquina de estados domundo varrem toda a grade, testando cada umadas dez mil instâncias de agentes. Cabe ainda àmáquina de estados do mundo iniciar e alterar asvariáveis globais, como aquela que define opreço de venda dos equipamentos.Nessa implementação, optou-se por utilizar acurva de aprendizagem da tecnologia paraestabelecer uma referência temporal para adifusão da TV digital, partindo-se do princípio deque a difusão é fortemente determinada pelopreço dos equipamentos. Assim, o preço caianualmente e a curva de interesse de cadaagente é testada também uma vez a cada ano.Como a decisão de compra depende das curvasde interesse e estas representam umaprobabilidade de adoção em função do preço, adepreciação com freqüência anual8 atribuiu umareferência temporal ao modelo. Para tentarrepresentar esse cenário, o preço doequipamento, que é uma das variáveis domundo, varia decrescentemente, em razão dacurva de aprendizagem da tecnologia9, por umperíodo de dez anos, entre 2006 e 2015, após oque se estabiliza em um patamar que representaaqueles que seriam os custos mínimos deprodução dos equipamentos.

3.7 Análise de sensibilidade de algunsfatores avaliados no estudo

Com o intuito de testar a modelagem das redessociais e contextualizá-la nos estudos doprocesso de difusão da TV digital no mercadobrasileiro, foram considerados alguns fatoresexógenos, descritos detalhadamente em Holandaet al. (2006), entre outros. São eles: modalidadesde pagamento (à vista ou a prazo) e presença ouausência de propaganda ou de incentivos. Essesfatores são agrupados em quatro cenários desimulação, cujas características sãoapresentadas na Seção 4.O efeito da propaganda foi simulado pelaredução do número de influenciadores que cadaagente precisa ter entre seus vizinhos para setornar propenso à adoção. Os limiares foramreduzidos em 10%, conforme Tabela 2, o queequivale à redução de um vizinho. O efeito da

propaganda é o de aumentar, na rede social, acomunicação a respeito da inovação.

Tabela 2 Percentuais de infecção paracontaminação, com propaganda

Categoria do agente Limiar para contaminação

Inovadores 0 %Adotantes precoces 0 %

Maioria inicial 6 %Maioria tardia 40 %Resistentes 74 %

4 Resultados das simulações

As Figuras de 5 a 9 ilustram os quatro diferentescenários simulados, cada um representado porduas grades: uma referente ao primeiro e outraao décimo ano do processo de difusão. Trata-sede um exercício analítico cujos resultadosservem como indicadores da sensibilidade dasvariáveis em questão, ou seja, do impacto quedeterminadas políticas podem causar na difusãoda TV digital. Portanto, o interesse está nastendências observadas e não nos valoresabsolutos obtidos com a simulação. As faixashorizontais em cada grade indicam as cincoclasses socioeconômicas, começando pelaclasse A no centro e seguindo até a E, no topo ena base da grade, passando pelas classes B, C eD. Os pontos cinza-claros que permeiam ascinco classes indicam agentes já propensos àadoção. Os pontos pretos mostram agentes quejá adotaram.No cenário ilustrado na Figura 5, observa-se queo processo de difusão evolui razoavelmente nosdez primeiros anos, mas fica restrito às classesA, B e C. Isso ocorre porque as classes D e Etêm renda disponível negativa. A adoção só nãofoi possível por falta de renda, pois a grandepresença de agentes propensos à adoçãonaquelas classes (pontos cinza-claros) indica queo processo infeccioso ocorreu e a informaçãosobre a inovação chegou a muitos dos agentesdaquelas classes. Como não houve propaganda,essa informação foi transmitida pela rede social,num processo do tipo boca a boca.No cenário ilustrado na Figura 6, observa-se queo processo de difusão evolui mais rapidamentenos dez primeiros anos do que no cenárioanterior (Figura 5), mas ainda ficou restrito àsclasses A, B e C. Isso ocorre porque, ainda que apropaganda tenha elevado a taxa decontaminação em razão do aumento dacomunicação, as classes D e E continuaram semrenda disponível para a adoção. Uma vez mais, a


8 A variação adotada é anual, pois essa foi a freqüência de depreciação dos equipamentos no mercado mundial utilizada como referência neste trabalho.9 A taxa de depreciação (CAGR = -10,8%) estimada para o período entre 2001 e 2007 foi extrapolada para abranger um período de dez anos, compreendido entre 2006 e 2015, considerado o mais decisivo para o processo de difusão da TV digital no mercado brasileiro.


grande presença de agentes propensos àadoção naquelas classes (pontos cinza-claros)indica que o processo infeccioso ocorreu, mas aadoção não foi consumada.No cenário ilustrado na Figura 7, observa-se que,nas classes A, B e C, o processo de difusão nosdez primeiros anos evolui com a mesmavelocidade do primeiro cenário (Figura 5), mas,diferentemente daquele, agora a difusão se deutambém nas classes D e E. Isso ocorre porqueuma política de incentivos (na forma decomplementação de renda) fez com que asclasses D e E passassem a ter renda disponívelpara a adoção. O aumento da difusão nasclasses mais pobres não influencia a difusão nasmais ricas, uma vez que no modelo asinfluências nesses casos são unidirecionais, dosmais ricos para os mais pobres, como discutidoanteriormente.No cenário ilustrado na Figura 8, observa-se uma

rápida difusão nos dez primeiros anos em todasas classes, como resultado da combinação doefeito propaganda e das políticas de incentivo.Ao final do período, todos os agentes nas classesA e B e quase todos na C já haviam adotado aTV digital. Nas classes D e E, o processo estavabastante adiantado, com poucos não-adotantesremanescentes. Esses casos têm duasexplicações principais: agentes cuja rendadisponível ainda é negativa, apesar domecanismo de incentivo, e agentes com baixapropensão às inovações (isto é, resistentes).Para esses, a configuração de vizinhanças podecriar algumas situações de lock-in, nas quais umconjunto de agentes com perfis maisconservadores (resistentes ou da maioria tardia)estejam posicionados de forma que se produzaminfluências negativas recíprocas.Os resultados dos quatro cenários sãosintetizados na Figura 9.

Figura 5 Dez anos de difusão com parcelamento, sem propaganda e sem incentivos

Figura 6 Dez anos de difusão com parcelamento, com propaganda e sem incentivos



Figura 7 Dez anos de difusão com parcelamento, sem propaganda e com incentivos

Figura 8 Dez anos de difusão com parcelamento, com propaganda e com incentivos

Figura 9 Gráfico comparativo da difusão nos quatro cenários (F = parcelamento; P = propaganda; I = incentivos)



5 Análise dos resultados

Foi constatado que os autômatos celularespermitiram simular com razoável flexibilidadefenômenos próprios das redes sociais (inclusivefatores microscópicos), tais como influências devizinhanças no processo de difusão deinformação (infecção) em função do tempo,diferenças no perfil de cada indivíduo (agente) eos efeitos de “mundo pequeno”, decorrentes dapresença de relações de vizinhança distantes.Estas, de resto, procuraram reproduzircaracterísticas observáveis na sociedadebrasileira, a qual foi o objeto da simulação.Embora o modelo ABMS seja particularmentepropício para simulações de fenômenos queocorram no âmbito individual dos agentes(bottom-up), fenômenos de abrangência coletivatambém podem ser emulados. No caso do fatorpropaganda no modelo descrito, tem-se umexemplo de influência macroscópica que permeiatodas as classes sociais, porém com gradaçõespara os diferentes agentes, em função de seuperfil como consumidores. Nesse sentido, assimulações permitiram observar que esse fatorpossui um peso muito determinante navelocidade da difusão, uma vez que seu efeito semanifesta essencialmente no aumento do fluxode informação (comunicação) por intermédio darede social. Entretanto, sua influência no númerofinal de adotantes é bastante tênue, por nãointerferir nos inibidores da adoção, em particularna ausência de renda disponível, não sendo,portanto, suficiente para garantir o êxito dadifusão.Uma outra dimensão avaliada no modelo foi a deefeitos macroscópicos de incidência maislocalizada, os quais, embora atingindo inúmerosagentes simultaneamente, restringiram-se a umsubconjunto da população. Esse subconjunto foirepresentado pelas classes de menor poderaquisitivo (D e E), no caso específico do fator“presença de incentivos”. Também nesse caso, anatureza macroscópica do efeito de elevação darenda média não eliminou as diferenças deâmbito individual, em razão de que, mesmo quea renda média de toda uma classe tenha sidofixada em um valor único pela complementaçãode renda, o desvio-padrão das rendas em cadaclasse, definido na criação da população, garantea cada agente ter uma renda disponívelespecífica, preservando, em certa medida, suaindividualidade. Nesse caso, por não haver umainfluência direta nos mecanismos decomunicação social, os incentivos surtiram umefeito discreto na aceleração da difusão, masmostraram-se decisivos no aumento do númerofinal de adotantes, uma vez que permitiram ainclusão das classes D e E no mercado. Por fim, as evidentes diferenças dos cenáriossintetizados na Figura 9 sugerem que, por meioda simulação ABMS, foi possível distinguir os

efeitos dos três fatores testados sobre adinâmica da difusão. O uso combinado demecanismos de propaganda e incentivosproduziu os melhores resultados porque, aopasso que o primeiro fator acelerou acomunicação (taxa de infecção) no âmbito darede social, o segundo possibilitou que a difusãoalcançasse um maior número de agentes(classes D e E).

6 Conclusão

O emprego da abordagem ABMS mostrou-se útilà observação de dinâmicas sociais em queprevalecem condições relacionais e devizinhança que ensejem o fenômeno do “mundopequeno” (small world) e efeitos comunicativosbaseados em divulgação boca a boca. No casoespecífico aqui descrito, as simulações foramusadas para avaliar processos infecciosos nadifusão da informação inovadora representadapela TV digital terrestre. A atribuição decaracterísticas a cada agente, tais como umdado perfil psicológico, uma determinadavizinhança e uma certa renda disponível,possibilitou a percepção, em última análise, defenômenos de natureza social e a antecipação dequatro possíveis cenários futuros. Foi possíveldestacar em cada um deles o peso dos efeitosde rede, tais como a formação de aglomerações(clusters) e lock-in, e constatar os diferentesefeitos das variáveis testadas, com o fim deevidenciar sua sinergia latente quando usadas deforma combinada. As simulações feitaspermitiram avaliar efeitos decorrentes doprocesso de difusão boca a boca e dasconfigurações de vizinhança. A premissaadotada, segundo a qual o processo decisóriopara a adoção (compra) é composto por trêsetapas não-excludentes, bem como aconseqüente demarcação dos casos em que aconsumação da adoção foi impedida por falta deuma precondição (renda disponível), salientouque a difusão às vezes falha em atingir toda asociedade, não por conta de uma comunicaçãodeficiente, mas por força das disparidades darenda disponível. O modelo discutido pode seradaptado para estudar a difusão da TV digital– ou de outras TICs – em regiões maiscircunscritas, bastando adaptar os percentuaisdas respectivas classes sociais presentes naregião ou localidade em questão e, senecessário, fazer novas sondagens desensibilidade, de acordo com os preços daquelemercado em particular.

Agradecimentos

Os autores agradecem as valiosas contribuiçõesde Gustavo Gerolamo e João Henrique Franco.



Referências

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Abstract

This paper describes a modeling process related to the social network effects on the dissemination of atechnological innovation, with the purpose of being incorporated in the ex ante study about the diffusion ofthe digital terrestrial television in the Brazilian market. The agent-based modeling and simulation (ABMS)approach is used, whose advantage lies in its suitability to understand the processes that occur in theindividual level, such as the adoption decisions based on the innovativeness of every agent, as well as theeffects of neighborhood and word-of-mouth factors. Issues such as the socioeconomic differences andthe spatial distribution of the agents have also been considered. The simulations have shown that theABMS is appropriate for the identification of phenomena in the individual (microscopic) level and for theevaluation of their collective (macroscopic) effects. The implementation allowed to test the effects on thediffusion process of factors such as the disposable income and the presence of advertising and incentivepolicies.

Key words: Agent-based modeling. Social networks. Digital television. Technological innovation.


Análise técnica e de custos de implantação derede WiMAX para provisão de serviços de

telefoniaRoberto Petry*, Carlos Henrique R. Oliveira, José Antonio Martins

Este artigo apresenta uma avaliação técnica e uma estimativa dos custos de implantação de uma redepara prover o serviço de telefonia (voz) nas localidades que atualmente não possuem acesso ao ServiçoTelefônico Fixo Comutado (STFC), no Estado de Santa Catarina, utilizando como alternativastecnológicas dois tipos de arquitetura de instalação de redes WiMAX: modo mesh e modo ponto-multiponto (com infra-estrutura). A tecnologia WiMAX, principalmente no modo de operação mesh,apresenta-se como potencial candidata para o provimento de serviços de voz e dados em locais em queas tecnologias tradicionais não se apresentam vantajosas, seja do ponto de vista técnico ou econômico.Portanto, é interessante realizar um estudo de caso real de aplicação da tecnologia WiMAX. Para atingiresse objetivo, foi desenvolvido um projeto, o mais detalhado possível, para atender ao cenário realcitado. Com os dados desse projeto, foi feita a contabilização de todos os equipamentos de redenecessários e, finalmente, foi obtida uma estimativa dos custos de implantação dessa rede, para os doismodos de operação citados.

Palavras-chave: WiMAX. Mesh. Ponto-multiponto. Custos.

1 Introdução

As tecnologias WiMAX e Wi-Fi, principalmenteno modo de operação mesh, são consideradasatualmente importantes candidatas para oprovimento de serviços de voz e dados em locaisem que as tecnologias tradicionais não seapresentam vantajosas, seja do ponto de vistatécnico ou econômico. Assim sendo, éimportante fazer um estudo de aplicação dessastecnologias num cenário real, para identificarmelhor suas vantagens, desvantagens elimitações. Dessa forma, foi realizado um estudopara a implantação de uma rede WiMAX parafornecer serviços de telefonia (voz) emlocalidades que não possuem acesso ao ServiçoTelefônico Fixo Comutado (STFC) no Estado deSanta Catarina. Esse estudo envolveu acontabilização de todos os equipamentos de redenecessários e uma estimativa dos custos deimplantação dessa rede, para as duasalternativas de operação do sistema WiMAX:modo mesh e com infra-estrutura.Neste trabalho são apresentados os resultadosdesse estudo. Na Seção 2, é apresentada umaanálise de redes WiMAX, considerando atopologia e o desempenho dessas redes. ASeção 3 descreve o cenário de implantação darede WiMAX considerado nesse estudo. NaSeção 4, é apresentada a análise técnico-financeira de implantação da rede WiMAX. Aconclusão deste trabalho é apresentada naSeção 5.

2 Análise da rede WiMAX

Neste item são apresentados detalhes técnicosreferentes a uma rede do tipo WirelessMetropolitan Area Network (WMAN)/FixedBroadband Wireless Access (FBWA) baseada nopadrão IEEE 802.16. Esse padrão é comumentechamado de WiMAX. Ainda que atualmente afamília do padrão IEEE 802.16 inclua apossibilidade de mobilidade, esta análiseconsidera apenas terminais fixos.Os sistemas FBWA geralmente empregamarquiteturas multiponto, que incluem os modosmesh e ponto-multiponto (PMP). O grupo detrabalho IEEE 802.16, que trata de BWA,desenvolveu uma família de padrões: IEEE802.16-2001, IEEE 802.16c-2002, IEEE 802.16a-2003 e IEEE 802.16-2004 (consulte referências),que especificam a interface aérea para sistemasPMP (2-66 GHz) e mesh (2-11 GHz).Um dos objetivos do padrão IEEE 802.16 éoferecer acesso banda larga sem fio na últimamilha de redes metropolitanas (WMAN). Oescopo do padrão é focado nas camadas física eMedium Access Control (MAC). A camada MAC do padrão IEEE 802.16 possuidois modos de operação: o modo ponto-multiponto (PMP) e o modo multipoint-to-multipoint (mesh). No modo PMP, os nós sãoorganizados em uma estrutura celular queconsiste em uma estação-base (base station –BS) e algumas estações do assinante(subscriber stations – SS), também referenciadascomo Customer Premises Equipment (CPE). Nomodo mesh, os nós são organizados em umaestrutura ad hoc, em que não há uma topologia



Análise técnica e de custos de implantação de rede WiMAX para provisão de serviços de telefonia

predeterminada. O agendamento de pacotespode ser centralizado ou distribuído. Nestetrabalho se considera o modo distribuído.

2.1 Arquitetura da rede WiMAX

Os elementos básicos da arquitetura da redeWiMAX são as BSs e as SSs. A Figura 1apresenta uma arquitetura da rede WiMAX(FIGUEIREDO & CARDIERI, 2005) tanto paratransmissão no modo PMP como paratransmissão no modo mesh.

2.2 WiMAX no modo PMP

Sistemas FBWA do tipo ponto-multipontotipicamente incluem estações-base, estações doassinante, equipamento terminal (terminalequipment – TE), enlaces entre as diversascélulas, estações repetidoras (repeater station –RS) e os equipamentos do núcleo da rede (corenetwork), tais como servidor Authentication,Authorization, and Accounting (AAA), servidorSimple Internet Protocol (SIP), switches,gateways, roteadores de concentração, etc.A Figura 2 ilustra a arquitetura de referência,apresentada no padrão IEEE 802.16-2004, deum sistema FBWA ponto-multiponto.Esse diagrama ilustra a relação entre as váriaspartes componentes do sistema FBWA. Podemexistir sistemas FBWA mais simples que esse,contendo apenas alguns dos elementos de redemostrados na figura, como, por exemplo, umsistema instalado para atender a um cenário dotipo Serviço Limitado Privado (SLP), semconexão com redes externas. Um sistema FBWAcontém pelo menos uma BS e um certo númerode SSs.As BSs usam antenas com aberturasrelativamente grandes, dividindo a sua área de

cobertura em um ou vários setores, com o usode uma ou mais antenas e estágios de RF. Paraassegurar cobertura completa numa áreageográfica grande, geralmente são necessáriasvárias BSs. Esse é o caso do cenário analisadono presente trabalho, ou seja, as localidades nãoatendidas pelo STFC no Estado de SantaCatarina.Os enlaces entre as várias células (BSs) podemser implementados com equipamentos sem fio,fibra óptica ou cabos de cobre. Em alguns casos,os enlaces intercélulas podem utilizar rádiosponto-a-ponto (PTP) da tecnologia WiMAX eoperar na mesma licença de freqüências dosistema ponto-multiponto (PMP).Em alguns cenários, também é necessário que osistema utilize repetidores (RS). Os repetidoresgeralmente são utilizados para estender acobertura a locais não atendidos pela coberturanormal das BSs. Também são utilizados paralevar os sinais de uma BS até uma SS ou até umgrupo de SSs isoladas. Uma estação repetidorapode operar na mesma freqüência do enlacedireto com a qual ela se comunica com a BS oupode utilizar freqüências diferentes, isto é,demodular e remodular o tráfego em diferentescanais.No caso da tecnologia WiMAX, as estações doassinante são chamadas de Customer PremisesEquipment (CPE) e são constituídas peloagrupamento dos elementos SS e TE. As CPEsutilizam antenas direcionais e compartilham ummesmo canal de rádio, utilizando as técnicasOFDM/TDMA e OFDMA.A Figura 3 ilustra outro exemplo de arquitetura dosistema WiMAX.

2.3 WiMAX no modo mesh

No modo mesh, todas as CPEs podem atuarcomo roteadores transmitindo pacotes para seusvizinhos, conforme Figura 3, e evitando pontosde congestionamento. Algumas CPEs podemprover funcionalidades de gateway, conectando arede mesh em seu backhaul (CAO et al., 2005).O padrão IEEE 802.16 possui dois mecanismosde agendamento para transmissão de dados nomodo mesh: o agendamento centralizado e oagendamento distribuído. No agendamentocentralizado, a BS trabalha como o ponto centraldas estações e determina como elascompartilham o canal em diferentes time slots.No agendamento distribuído não há necessidadede BS. Cada CPE compete no acesso, usandoum algoritmo pseudo-aleatório baseado nasinformações de agendamento de estaçõesvizinhas dentro de dois saltos.Neste trabalho se considera o agendamentodistribuído no modo mesh por não necessitar deBS.


Figura 1 Arquitetura da rede WiMAX

CoreNetwork

SS SS

SS

SS

BS

ATM

IP

HotSpots

SOHO

Enterprise

BS

SS


2.4 Capacidade e cobertura da rede WiMAX

A capacidade e a cobertura da rede WiMAXestão relacionadas com o mecanismo demodulação adaptativa utilizado. Esse mecanismopermite ajustar a modulação de acordo com aRelação Sinal/Ruído (SNR) do enlace de rádio.Maior SNR implica a possibilidade de uso demodulação espectralmente mais eficiente (maiorquantidade de bits/Hz), o que proporciona maiorcapacidade do sistema em termos de taxa de

transmissão. Menor SNR implica o uso demodulação espectralmente menos eficiente, masque, por proporcionar maior robustez contraerros nos bits transmitidos com menor SNR,propicia maior cobertura do sistema.As taxas de codificação e as SNRs mínimas derecepção de sinal para as quatro possíveismodulações apresentadas no padrão IEEE802.16-2004 são mostradas na Tabela 1.


Figura 3 Exemplo de arquitetura do sistema WiMAX

Modem

Switch

Radio

Modem

Router

IP

CPE

Base StationAntena

Antena

Radio

Figura 2 Arquitetura de referência de um sistema FBWA ponto-multiponto

BS

intercelllink

corenetwork

SS

SS

SS

SS

SS

TE

TE

TE

TE

TERS

RS

intercelllink

para outras BS(s)

TE TEcorenetwork

antenadirecional

antenaomni-direcionalou setorizada


Tabela 1 Relação entre modulação, taxa decodificação e SNR do sistema WiMAX

Modulação Taxa decodificação SNR (dB)

BPSK 1/2 6,4

QPSK1/2 9,4

3/4 11,2

16-QAM1/2 16,4

3/4 18,2

64-QAM2/3 22,7

3/4 24,4

A Figura 4 apresenta a cobertura do sistemaWiMAX em função da modulação adaptativa deacordo com a SNR.

2.5 Link budget para a rede WiMAX

O link budget do canal de rádio determina acobertura de um sistema sem fio, tanto no enlacedireto (da base para o cliente) quanto no enlacereverso (do cliente para a base).O padrão WiMAX 802.16 especifica a camadafísica para cobertura com linha de visada (Line ofSight – LOS) e para cobertura sem linha devisada (Non Line of Sight – NLOS), parafreqüências abaixo de 11 GHz. O modelo depredição de cobertura proposto por Erceg et al.(1999), para ambiente suburbano e adotado peloIEEE (2001), prevê a operação na condiçãoNLOS e foi adotado para a predição de coberturada rede WiMAX operando no modo mesh.

2.6 Freqüência de operação

No atual estágio da tecnologia WiMAX, osprincipais fabricantes mundiais de equipamentose chipsets (Aperto, Proxim, Redline, Nextnet,Sequans e Wavesat) disponibilizamcomercialmente produtos para a faixa defreqüência licenciada em 3,5 GHz nos modosTime Division Duplexing (TDD) e FrequencyDivision Duplexing (FDD). Neste trabalho seráconsiderada a operação em 3,5 GHz no modoTDD.

2.7 Análise de desempenho do sistemaWiMAX no modo PMP

A análise de desempenho do sistema WiMAXapresentada a seguir considera a operação nomodo PMP, sem linha de visada (NLOS) e CPEoutdoor. Esta análise apresenta os possíveisalcances e taxas de transmissão do sistema.O modelo de propagação, usado para prediçãode cobertura de sinal, adotado nesta análise, foiproposto por Erceg et al. (1999). Esse modelo foidesenvolvido considerando três tipos de terrenoclassificados por categorias. A categoria A écaracterizada por terreno montanhoso, com altadensidade de árvores. A categoria B écaracterizada por terreno montanhoso, commoderada densidade de árvores e a categoria Cé caracterizada por terreno plano, com baixadensidade de árvores. Considera-se, nestaanálise, um ambiente urbano caracterizado pelacategoria A, um ambiente suburbanocaracterizado pelo categoria B e um ambienterural caracterizado pelo categoria C. É importanteressaltar que, na prática, cada ambiente deve seravaliado de acordo com suas característicasespecíficas.Os parâmetros e valores considerados, típicos deequipamentos comerciais, são os seguintes:• freqüência de operação de 3,5 GHz;• largura de banda do sistema de 3,5 MHz;• potência de transmissão da BS de 21 dBm;• potência de transmissão da CPE de 21 dBm;• ganho da antena da CPE de 18 dBi;• taxa de erro de bit de 10-5;• ganho da antena da BS de 18 dBi;• perda em cabo e conectores de 2 dB.A Tabela 2 apresenta valores típicos para amínima potência de sinal de RF necessária narecepção (Prx), em função do tipo de modulaçãoe da taxa de codificação, para a taxa de erro debit assumida.

Tabela 2 Sensibilidades do receptor, ganhos de sistema, alcances e taxas do sistema WiMAX

Modulação Taxa decodificação Prx (dBm)

Ganho desistema

(dB)

Alcance (km)

Ambienteurbano

Ambientesuburbano

Ambienterural

Taxas detransmissão

(Mbit/s)

BPSK 1/2 -97,1 152,10 1,98 2,63 4,63 1,5

QPSK 1/2 -95,0 150,00 1,79 2,36 4,11 2,9


Figura 4 Cobertura em função da modulaçãoadaptativa e da SNR

BPSKSNR = 6 dB

QPSKSNR = 9 dB

16 QAMSNR = 16 dB

64 QAMSNR = 22 dB


Modulação Taxa decodificação Prx (dBm)

Ganho desistema

(dB)

Alcance (km)

Ambienteurbano

Ambientesuburbano

Ambienterural

Taxas detransmissão

(Mbit/s)

QPSK 3/4 -92,7 147,70 1,60 2,09 3,62 4,4

16-QAM 1/2 -89,7 144,70 1,38 1,78 3,06 5,8

16-QAM 3/4 -86,4 141,40 1,18 1,50 2,54 7,9

64-QAM 2/3 -82,3 137,70 0,97 1,21 2,02 11,6

64-QAM 3/4 -80,3 135,30 0,88 1,09 1,81 13,1

Em sistemas de comunicação sem fio,denomina-se ganho de sistema o resultado emdB da soma da potência efetivamente radiadacom o ganho da antena de recepção, subtraídoda potência mínima de recepção (Prx). Osganhos de sistema correspondentes aos valoresconsiderados nesta análise são dados naTabela 2.Com os ganhos do sistema e o modelo depredição de cobertura proposto por Erceg et al.(1999), é possível calcular os alcances máximospara os três tipos de ambiente de propagação.Para esse cálculo, foram considerados osseguintes parâmetros:• altura da antena da BS de 30 m;• altura da antena da CPE de 10 m;• margem de desvanecimento lento de

12,74 dB, considerando 90% de cobertura edesvio-padrão de 8,2 dB.

A Tabela 2 apresenta os alcances do sistemaWiMAX para os três ambientes de propagaçãoem função das modulações, das potênciasmínimas de recepção e dos ganhos de sistema.Apresenta ainda as taxas de transmissão típicas,para um intervalo de guarda de 1/32.Analisando-se a Tabela 2 verifica-se que:• os maiores alcances são encontrados no

ambiente rural em razão das melhorescondições de propagação, por haver menosobstrução do sinal na comunicação entre aBS e as CPEs;

• os alcances são menores quando aspotências mínimas de recepção são maiores;

• as maiores taxas de transmissão ocorrempara distâncias menores;

• a operação em distâncias menores permitetaxas de transmissão maiores.

Para o ambiente urbano, aproximar a BS da CPEem 1 km significa a possibilidade de aumentaraproximadamente nove vezes a taxa detransmissão. Para o ambiente suburbano, omesmo aumento da taxa de transmissão ocorrecom uma aproximação em torno de 1,5 km. Parao ambiente rural, o mesmo aumento da taxa detransmissão ocorre com uma aproximação emtorno de 3 km.

O desempenho do sistema WiMAX operando nomodo PMP, sem linha de visada (NLOS), e CPEoutdoor varia de acordo com o ambiente depropagação do sinal.Do ponto de vista de máxima cobertura para oambiente urbano o alcance é de até 1,98 km,para o ambiente suburbano o alcance é de até2,63 km e para o ambiente rural o alcance é deaté 4,63 km. Nos três casos é possível umacomunicação com taxa de 1,5 Mbit/s.Do ponto de vista de taxa de transmissão, o valorda taxa máxima é de 13,1 Mbit/s, porém osalcances são os menores e variam de acordocom o ambiente de propagação do sinal. Para oambiente urbano o alcance é de 0,88 km, para oambiente suburbano o alcance é de 1,09 km epara o ambiente rural o alcance é de 1,81 km.

3 Descrição do cenário de implantação

O cenário de implantação, considerado naanálise técnica e de custos de implantação deuma rede WiMAX, consiste no oferecimento doserviço de telefonia (voz) em todas aslocalidades que não possuem acesso ao STFCno Estado de Santa Catarina.

3.1 Localidades não atendidas no Estadode Santa Catarina

A lista das localidades não atendidas pelo STFC,no Estado de Santa Catarina, foi obtida do site daAnatel (ANATEL, 2005). Na data da consulta aosite, havia no Estado de Santa Catarina um totalde 1.342 localidades sem acesso ao STFC. Amaior parte dessas localidades se situa emregiões rurais.A Figura 5 mostra um mapa de todo o estado.Neste mapa cada um dos pontos representa umadas localidades que não possuem acesso aoSTFC, sendo que essas localidades estãoespalhadas por todo o estado. Atender todas elascom um sistema sem fio significa provercobertura de rádio em praticamente toda a áreado estado.



Figura 5 Localidades de Santa Catarina não atendidas pelo STFC

3.2 Demanda de tráfego

Para as localidades não atendidas, considerou-se que o mercado potencial para um serviço detelefonia (voz) é, na média, de oito linhas deassinantes e dois telefones de uso público (TUP)por localidade.Portanto, são considerados dois tipos de nósdistintos:• Telefone de Uso Público (TUP): telefone de

uso coletivo instalado em local de fácilacesso, disponível 24 horas por dia;

• terminal residencial: telefone de uso privadoinstalado na residência do usuário final.

Para o TUP, são considerados dois aparelhospor nó, e para o terminal residencial éconsiderado um aparelho por nó, cada qual comseu respectivo tráfego, descrito na Tabela 3 .

Tabela 3 Tráfego estimado por nó

Descrição Aparelhospor nó

Tráfegopor

aparelho(Erl)

Tráfegopor nó (Erl)

TUP 2 0,25 0,50

Terminalresidencial 1 0,1 0,1

Considerando-se então, por localidade, doisTUPs (o que representa um tráfego de 500 mErl)e oito linhas de assinantes (o que representa umtráfego de 800 mErl), o tráfego total por

localidade é de 1,3 Erl (OLIVEIRA & PETRY,2006).

4 Análise técnico-financeira deimplantação de rede WiMAX

A análise técnico-financeira de implantação deuma rede WiMAX foi realizada para o cenáriodescrito na Seção 3, considerando os modos deoperação PMP e mesh.

4.1 Modo de operação mesh

4.1.1 Considerações relativas à atribuição decustos da solução mesh

a) Distância de alcance dos equipamentos darede WiMAX no modo mesh para coberturasem linha de visada (NLOS): 1 km(modulação QPSK, taxa de codificação de ¾,taxa de erro de 10-5, antena da CPE outdoor,90% de cobertura em ambiente suburbanocom modelos de predição de cobertura deErceg et al. (1999), categoria A, e Hata(1980), usando parâmetros típicos deequipamentos comerciais.

b) Demanda de tráfego total por localidade: 1,3Erl, conforme apresentado no Item 3.2.

c) Pontos de acesso à rede WiMAX: para oacesso no modo mesh considera-se o uso deuma CPE transmitindo nas seguintescondições: freqüência de operação, de acordo



com a disponibilidade de equipamentos emoperação comercial, de 3,5 GHz, quadros de5 ms de forma simétrica, intervalo de guardade 1/8 para ambiente outdoor, largura debanda de 3,5 MHz, modulação QPSK, taxa decodificação de ¾, taxa de dados de1,08 Mbit/s (em cada sentido dacomunicação) e vazão efetiva de dados,considerando 20% de perda de pacotes, de800 kbit/s.

d) Capacidade de tráfego do ponto de acesso,empregando codec G.729A (8 kbit/s):utilizando a calculadora1 Erlangs and VoIPBandwidth Calculator (Calculadora VoIP) foipossível encontrar uma oferta de tráfego de22,9 Erl correspondente à vazão efetiva dedados de 800 kbit/s. Dessa forma, do pontode vista de capacidade, é possível atender até18 (22,9/1,3) localidades com o codecG.729A.

e) Capacidade de tráfego do ponto de acesso,empregando codec G.726 (32 kbit/s):utilizando a calculadora Erlangs and VoIPBandwidth Calculator (Calculadora VoIP) foipossível encontrar uma oferta de tráfego de8,85 Erl correspondente à vazão efetiva dedados de 800 kbit/s. Dessa forma, do pontode vista de capacidade, é possível atender até7 (8,85 /1,3) localidades com o codec G.726.

f) Com raio de alcance de 1 km (apresentado noSubitem a), as 1.342 localidades de SantaCatarina são distribuídas em 114 localidadesagrupadas em 57 clusters (cluster de duaslocalidades) e 1.228 localidades isoladasconectadas por meio de 2.799 CPEsrepetidoras. Adotando-se o codec G.726,dado que este é de utilização livre, para cobriras 1.342 localidades de Santa Catarina eatender os oito assinantes e o TUP de cadalocalidade, são necessários:• 10.736 (1.342 x 8) CPEs para os

assinantes;• 1.342 CPEs para os TUPs;• 57 CPEs como ponto de acesso (uma

para cada cluster);• 2.799 CPEs como repetidoras, para atingir

as localidades isoladas.g) Interconexão com a rede pública de telefonia:

considerando-se que todo o tráfego geradopela rede mesh WiMAX é roteado para a redepública (STFC) e que o grau de ocupação dosentroncamentos E1 é de 70%, calcula-se anecessidade de troncos E1 entre a rede meshWiMAX e a rede pública. Como um E1corresponde a 30 canais de voz, na máximaocupação, isso implica em 21 Erl (70% de 30canais).

4.1.2 Investimentos fixos para a rede WiMAXno modo mesh

Para a prestação de serviços com a utilização datecnologia WiMAX no modo mesh, supõe-se quesejam utilizados o máximo possível dos recursosjá existentes de uma operadora STFC, como aexistência de infra-estrutura de rede, centros degerência e pessoal técnico qualificado.Considera-se o uso de software livre e o uso deequipamentos Soft Switch e Trunk Gateway jáexistentes na operadora. Os itens necessáriospara a rede WiMAX no modo mesh e seuscustos correspondentes, extraídos de Oliveira ePetry (2006), são apresentados na Tabela 4.

Tabela 4 Investimento fixo da rede WiMAX nosmodos mesh e PMP

Site principal Quant. Unitário R$ Total R$

Servidores (emcluster) paraSIP Server eAAA

2 50.000 100.000

Servidores paragerência 1 50.000 50.000

Firewall 1 100.000 100.000

Software paragerência 1 50.000 50.000

Total 300.000

4.1.3 Investimentos modulares para a redeWiMAX no modo mesh

Os investimentos pertencentes a essa categoriacobrem equipamentos terminais por ponto deacesso, por assinante e TUP, gateways deacesso para a rede de dados, Trunk Gateway elinks E1 de acesso à rede TDM e as licenças desoftware para telefonia, os quais serãodetalhados a seguir.a) Equipamentos terminais de assinante e TUP:

considera-se que os investimentos nosequipamentos terminais serão realizados pelaprópria operadora da rede WiMAX:• equipamento terminal por ponto de

acesso: é o equipamento utilizado paracomunicação com os gateways de acessopara a rede de dados. Para esseequipamento considera-se apenas o valorde US$ 380,00 (WiMAX Forum 2005)/R$ 836,00 (dólar a R$ 2,20) referente àsCPEs. São necessárias 2.856 CPEs (57CPEs para os clusters e 2.799 CPEs pararepetidoras), que representam uminvestimento de R$ 2.387.616,00;


1 Como o help da calculadora informa que BW é a quantidade de dados em kbit/s para tráfego em uma rede baseada no protocolo IP, levou-se em conta que a BW a ser convertida incluía todos os overheads da pilha completa de protocolos.


• equipamentos terminais por assinante:considera-se que os custos de instalaçãoe do aparelho telefônico são deresponsabilidade do assinante. Para oterminal de acesso por assinante,considera-se apenas o valor deUS$ 380,00 (WiMAX Forum 2005)/R$836,00 (dólar a R$ 2,20) referente à CPE.Como foram considerados oito assinantespara cada uma das 1.342 localidades, issorepresenta um investimento deR$ 8.975.296,00;

• TUP: consideram-se dois TUPs para cadauma das 1.342 localidades. Os itensnecessários para o TUP e seus valorescorrespondentes, extraídos de Oliveira ePetry (2006), são apresentados naTabela 5.

Tabela 5 Terminal WiMAX no modo mesh paraTUP

Item Quant. Unitário R$ Total R$

CPE WiMAX c/2 saídas devoz

1.342 836 1.221.912

Telefonepúblico 2.684 2.000 5.368.800

No break 1.342 200 268.400

Material deinstalação 1.342 100 268.400

Mão-de-obrapara instalação 1.342 100 134.200

Total 7.161.712

b) Gateways de acesso para a rede de dados:considera-se que próximo de cada localidadenão atendida há uma localidade atendidaonde se possa instalar um gateway deacesso, formado por uma CPE WiMAXoperando no modo mesh, para escoamentode tráfego à rede convencional de dados.Neste trabalho, entende-se como dadosapenas tráfego VoIP:• cada localidade gera um tráfego de 1,3 Erl.

Utilizando a Calculadora VoIP foi possívelencontrar a necessidade de 240 kbit/s detaxa de transmissão mínima (codec G726)por localidade;

• com raio de cobertura de 1 km, acapacidade de taxa de transmissão é de1 Mbit/s (em cada sentido dacomunicação). Para a tecnologia WiMAXoperando no modo mesh de formadistribuída, não se encontrou na literaturanenhuma referência sobre o valorresultante da capacidade do sistema emfunção do aumento da quantidade desaltos entre CPEs. Por este motivo,adotou-se, como hipótese de pior caso, a

queda da capacidade para cada CPE como número n de CPEs na razão 1/n (JUN,2003). Dessa forma, existe a necessidadede um gateway de acesso a cada trêssaltos entre quatro CPEs (1 Mbit/s/4) paraatender à demanda de 240 kbit/s de taxade transmissão por localidade. Conformeapresentado no Item 4.1.1, Subitem f, sãonecessárias 2.799 CPEs como repetidorase 57 CPEs como gateways (pontos) deacesso aos clusters. Portanto, sãonecessários [57 + (2.799/4) ] = 757gateways de acesso para escoamento dotráfego VoIP para a rede de dados;

• os itens necessários para os gateways deacesso e seus valores correspondentes,extraídos de Oliveira e Petry (2006), sãoapresentados na Tabela 6.

Tabela 6 Gateways de acesso para a rede dedados


Roteador CPEWiMAX comEthernet

757 836 632.852

Material deinstalação 757 100 75.700

Mão-de-obrapara instalação 757 100 75.700

Total 784.252

c) Trunk Gateway e links E1 de acesso à redeTDM: considera-se que o Trunk Gateway e oslinks E1 para acesso da rede WiMAX mesh àrede convencional de telefonia (TDM) estarãolocalizados em um escritório central. Aquantidade desses itens dependerá do tráfegototal cursado:• a cada 21 Erlangs, será necessário um

link E1 adicional no Trunk Gateway e nacentral de comutação telefônica. Comocada uma das 1.342 localidades geramum tráfego de 1,3 Erl, são necessários 84(1.342 x 1,3 / 21) links E1;

• os itens necessários para essesinvestimentos e seus valorescorrespondentes, extraídos de Oliveira(2006), são apresentados na Tabela 7.

Tabela 7 Conexão à rede TDM


Módulo E1 –central decomutação

84 3.000 252.000

Módulo E1 – TrunkGateway 84 5.000 420.000

Total 672.000



d) Licenças de software para telefonia: para aexecução de VoIP é necessário ogerenciamento de usuários na Soft Switch.Considera-se a necessidade de uma licença acada grupo de mil usuários no valor de R$120.000,00. Como são oito usuários e doisTUPs para cada uma das 1.342 localidades,são necessárias 14 licenças (1.342 x 10 /1.000), totalizando um investimento de R$1.680.000,00.

4.1.4 Investimento total para implantação dosistema WiMAX no modo mesh

Para o cálculo do total do investimento paracobertura das 1.342 localidades não atendidaspelo STFC no Estado de Santa Catarina, com osistema WiMAX operando no modo mesh, foramconsiderados os seguintes itens:a) Investimento fixo de R$ 300.000,00.

b) Investimentos modulares:• equipamentos terminais (CPE) para

desempenhar o papel de repetidores epontos de acesso;

• equipamentos terminais (CPE) para osassinantes;

• telefone de uso público (TUP);• gateways de acesso para a rede de dados

(backbone);• Trunk Gateway e links E1 de acesso à

rede TDM;• licenças de software para telefonia.

Os custos dos investimentos modulares sãoapresentados na Tabela 8.

Tabela 8 Custos dos investimentos modulares

Elemento de rede Custo (R$)

CPEs para repetidoras epontos de acesso 2.387.616

CPEs para assinantes 8.975.296

TUP 7.161.712

Gateway de acesso aobackbone 784.252

Trunk Gateway/links E1para acesso à rede TDM 672.000

Licenças de software 1.680.000

O total do investimento para cobertura das 1.342localidades não atendidas pelo STFC no Estadode Santa Catarina, com o sistema WiMAXoperando no modo mesh, é deR$ 21.960.876,00.

4.2 Modo de operação ponto-multiponto

4.2.1 Considerações relativas à atribuição decustos da solução PMP

a) Distância de alcance da BS WiMAX paracobertura com linha de visada (LOS): 27 km(modulação QPSK e 99,95% dedisponibilidade de serviço). Esse alcance,apresentado por alguns fabricantes,representa uma situação de melhor caso esupõe-se que as antenas da BS WiMAXestejam montadas em torre e localizadas empontos elevados do terreno. Supõe-setambém a utilização de antenas de alto ganhoe montagem outdoor no lado do assinante.

b) Da mesma forma que no caso mesh,pretende-se atender as 1.342 localidades nãoatendidas pelo STFC no Estado de SantaCatarina. Em cada localidade supõe-se:• dois terminais de uso público para cada

localidade gerando 500 mErl de tráfegotelefônico;

• oito terminais de acesso individualgerando 800 mErl de tráfego telefônico.

c) Demanda de tráfego total por localidade:1,3 Erl, conforme apresentado no Item 3.2.

d) Interconexão com a rede pública de telefonia:considerando-se que todo o tráfego geradopela rede WiMAX no modo PMP é roteadopara a rede pública (STFC) e que o grau deocupação dos entroncamentos é de 70%,calcula-se a necessidade de troncos E1 entrea rede WiMAX no modo PMP e a redepública. Como um E1 corresponde a 30canais de voz, na máxima ocupação, issoimplica 21 Erl (70% de 30 canais).

4.2.2 Investimentos fixos para a rede WiMAXno modo PMP

Neste item estão incluídos:• os custos do transporte dos dados (de VoIP)

no backbone – o caso mais comum é otransporte do tráfego IP por uma rede SDH,cuja camada física é uma rede óptica, sendonecessário prever principalmente osequipamentos de transmissão óptica, osequipamentos para agregação do tráfego e osAdd/Drop Multiplexers;

• os custos do sistema de gerência da rede detransporte;

• os custos do servidor SIP.Para manter a coerência com as premissasadotadas na análise do modo mesh, no modoPMP também foi adotada a hipótese de utilizar omáximo possível dos recursos já existentes deuma operadora STFC, tais como a existência deinfra-estrutura de rede, centros de gerência,



equipamentos Soft Switch e Trunk Gateway,pessoal técnico qualificado e uso de softwarelivre, e, portanto, os custos associados comEdge, Core e Central Office não foramcontabilizados na análise financeira do WiMAXno modo PMP.Os itens relativos ao investimento fixo para redeWiMAX no modo PMP e seus valorescorrespondentes, extraídos de Oliveira e Petry(2006), são os mesmos atribuídos ao modomesh e apresentados na Tabela 4.

4.2.3 Investimentos modulares para a redeWiMAX no modo PMP

a) Equipamentos terminais de assinante e TUP:mesmas hipóteses elaboradas no caso mesh,isto é, que os investimentos nosequipamentos terminais serão realizados pelaprópria operadora da rede WiMAX, os custosde instalação e do aparelho telefônico serãode responsabilidade do assinante, o valor daCPE será de R$ 836,00 e os valores dosTUPs são dados na Tabela 5.

b) Base station WiMAX:• o preço da BS WiMAX é composto por

R$ 15.400,00 do enlace ponto-a-pontoentre a BS WiMAX e a core network(também chamada de backhaul) eR$ 30.800,00 da BS WiMAX propriamentedita, equipada com dois canais de 3,5 MHzpara transmissão ponto-multiponto,totalizando R$ 46.200,00;

• considera-se a freqüência de operação daBS WiMAX, de acordo com adisponibilidade de equipamentoscomerciais, de 3,5 GHz, transmitindo emquadros de 5 ms de forma assimétrica,intervalo de guarda de 1/8 para ambienteoutdoor, largura de banda de 7 MHz2,modulação QPSK, taxa de codificação de¾ e taxa de dados de 4,8 Mbit/s;

• considera-se que a BS WiMAX seráinstalada em uma localidade atendida paraminimizar o investimento nos gatewaysque fazem o escoamento do tráfego paraa rede convencional de dados;

• se for utilizado o codec G.729A (8 kbit/s),com taxa de bloqueio de 2%, a taxa dedados de 4,8 Mbit/s da BS resulta,segundo a Calculadora VoIP, em umtráfego total de 186,15 Erl. Considerando otráfego total de 1,3 Erl por localidade, aquantidade máxima de localidadesatendidas por uma BS é de 143(186,15/1,3);

• se for utilizado o codec G.726 (32 kbit/s),com taxa de bloqueio de 2%, a taxa dedados de 4,8 Mbit/s da BS resulta,

segundo a Calculadora VoIP, em umtráfego total de 87,95 Erl. Considerando otráfego total de 1,3 Erl por localidade, aquantidade máxima de localidadesatendidas por uma BS é de 67 (87,95/1,3);

• dado que o codec G.729A possuinecessidade de licença de utilização e ocodec G.726 é de utilização livre,considera-se o uso do codec G.726 e,portanto, cada BS WiMAX cobre nomáximo 67 localidades;

• considerando o raio de cobertura máximoassumido (27 km) e o número máximo delocalidades atendidas (67), para as BSWiMAX, determina-se que sãonecessárias 64 BSs WiMAX para cobrirtodas as 1.342 localidades não atendidaspelo STFC no Estado de Santa Catarina,sendo 14 BSs com raio de cobertura de 20km (para não exceder a quantidademáxima de 67 localidades por BS) e 50BSs com raio de cobertura de 27 km,conforme Figura 6.

c) Gateway de acesso para a rede de dados: ositens necessários para o gateway de acessodo sistema WiMAX no modo PMP e seusvalores correspondentes, extraídos deOliveira e Petry (2006) e de WiMAX Forum(junho 2005), são apresentados na Tabela 9.

Tabela 9 Gateway de acesso para a rede de dados


BS WiMAX 64 46.200 2.956.800

Serviço deinstalação 64 1.500 96.000

Torres 64 30.000 1.920.000

Energia 64 1.100 70.400

Total 5.043.200

d) Trunk Gateway e links E1 de acesso à redeTDM: considera-se que o Trunk Gateway e oslinks E1 para acesso da rede WiMAX PMP àrede convencional de telefonia (TDM) estarãolocalizados em um escritório central em quefica o ponto de presença (PoP) do sistema. Aquantidade desses itens dependerá do tráfegototal cursado:• a cada 21 Erlangs será necessário um link

E1 adicional no Trunk Gateway e nacentral de comutação telefônica. Comocada uma das 1.342 localidades gera umtráfego de 1,3 Erl, são necessários 84(1.342 x 1,3 / 21) links E1;

• os itens necessários para essesinvestimentos e seus valorescorrespondentes, extraídos de Oliveira e


2 Considera-se essa largura de banda para aumentar a capacidade de atendimento da BS.


Petry (2006), são apresentados naTabela 10, para 84 links E1 na central decomutação, 84 links E1 na BS e 168 linksE1 no Edge. A quantidade de links E1 noEdge é duplicada porque se trata de umelemento intermediário entre a BS e acentral de comutação.

Tabela 10 Conexão à rede TDM


Módulo E1Central decomutação

84 3.000 252.000

Módulo E1 BSWiMAX 84 5.000 420.000

Módulo E1Edge 168 5.000 840.000

Total 1.512.000

e) Licenças de software para telefonia:consideram-se as mesmas premissas e oscustos utilizados para o caso mesh, ou seja,um investimento total de R$ 1.680.000,00.

4.2.4 Investimento total para implantação dosistema WiMAX no modo PMP

O total do investimento para cobertura das 1.342localidades não atendidas pelo STFC no Estadode Santa Catarina, com o sistema WiMAX

operando no modo PMP, é formado por:a) Investimento fixo de R$ 300.000.

b) Investimentos modulares:• equipamentos terminais (CPE) para os

assinantes: R$ 8.975.296;• TUP: R$ 7.161.712;• gateways de acesso para a rede de dados:

R$ 5.043.200;• Trunk Gateway e links E1 de acesso à

rede TDM: R$ 1.512.000;• licenças de software para telefonia:

R$ 1.680.000.O total do investimento com o sistema WiMAXoperando no modo PMP é de R$ 24.627.208,00.

5 Conclusão

Neste trabalho foi apresentada uma análisetécnica e de custos para implantação de umarede WiMAX para atendimento das localidadessem STFC no Estado de Santa Catarina. Oscustos estimados para implantação da redeWiMAX no modo mesh (aproximadamenteR$ 22 milhões) foram menores que os do casoPMP (aproximadamente R$ 24,6 milhões), mas adiferença é pequena. Um dos fatores que afetamuito o custo da solução mesh no cenárioanalisado é o isolamento e a dispersão daslocalidades não atendidas por todo o estado, oque demanda uma grande quantidade derepetidoras (2.799) e de pontos de acesso (757)


Figura 6 Distribuição das BSs WiMAX no Estado de Santa Catarina


para a rede de dados. No modo de operaçãocom infra-estrutura (PMP), em razão também dadispersão das localidades não atendidas por todoo estado, a operação da rede WiMAX demandauma quantidade grande de BSs (64), o queconstitui um componente importante nos custosde implantação. A implantação da rede WiMAXno modo mesh apresenta custos mais baixosque no modo com infra-estrutura pelo fato deprescindir de alguns elementos onerosos nainfra-estrutura, tais como cell sites. Entretanto,em determinados cenários, é possível que issonão ocorra.

Referências

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WiMAX FORUM. WiMAX: The business case forfixed wireless access in emerging markets.Junho 2005. (Relatório técnico)

Abstract

This article addresses technical issues and the estimated deployment costs of a WiMAX network,designed to provide basic telephony services (mainly voice – VoIP) in small villages (suburban or ruralareas), in Santa Catarina State, Brazil, that aren't connected to PSTN. The analysis considers twodifferent operation modes: mesh and infrastructure. WiMAX and Wi-Fi technologies, specially in meshoperation modes, are now largely considered as good technological choices to provide voice and dataservices in situations where conventional solutions show technical or economical drawbacks. In order toidentify the advantages, drawbacks and limitations of WiMAX technologies, a study of WiMAX deploymentin the above-mentioned cenarios was conducted. This study enumerates all the network elements neededand the total network rollout cost was estimated, considering mesh and PMP topologies.

Key words: WiMAX. Mesh. Point-to-multipoint. Costs.


Avaliação da dinâmica de comportamento deredes Ad Hoc através de simulações

Heloísa Peixoto de Barros Pimentel, Fabrício Lira Figueiredo, José Antonio Martins*

Nas redes de telecomunicações, bem como em outras áreas de tecnologia, a adoção de simulação porcomputadores desempenha um papel-chave na pesquisa de redes, sendo um recurso utilizado na maiorparte dos estudos sobre redes Ad Hoc móveis para analisar os dispositivos e protocolos. Este trabalho,executado no âmbito do Projeto de Redes Ad Hoc realizado no CPqD, apresenta os passos para aespecificação de uma rede e como pode ser configurada para que se obtenham, por meio de simulação,respostas a respeito do desempenho a ser obtido. Uma vez que a rede é especificada e preparada parasimulação, verifica-se a coerência das mudanças de desempenho quando essa rede é submetida aalterações de topologia, arquitetura, perfil de tráfego, etc. Variando-se o número e a localização dosgateways usados para escoar o tráfego dessa rede, pode-se chegar a uma técnica que defina o númerode gateways necessários, de forma que resulte em uma rede de máxima vazão. A validação dessa etapatambém foi feita através de simulações usando Network Simulator (NS-2) sobre sistema operacionalLinux.

Palavras-chave: Planejamento de redes. Redes Ad Hoc sem fio. Métrica. Capacidade.

1 Introdução

A principal questão a ser respondida noplanejamento de uma rede de comunicaçãoenvolve determinar seu custo e se ela atenderáaos requisitos necessários para a obtenção dodesempenho desejado. Devido às suascaracterísticas, as redes Ad Hoc sem fioapresentam vários obstáculos em sua etapa deplanejamento (GUPTA, 2000) (LI-1, 2001)(GUPTA, 2001) (LI-2, 2002) (JUN-1, 2003) (JUN-2, 2003). Como as redes Ad Hoc sem fio nãopossuem um número predeterminado deusuários, de roteadores, ou um perfil exato detráfego que nelas irá fluir, seu estudo é baseadoou em casos gerais (quando se definemlimitantes e se obtêm respostas para um casogeral) ou em casos mais específicos – em que seestabelecem condições de contorno a partir dasquais o comportamento da rede poderá seranalisado de forma mais objetiva, com respostasmais precisas. Nesse caso, é fundamental queas condições de contorno sejam cuidadosamenteescolhidas de forma que os resultados obtidossejam os mais próximos possíveis do caso real. Vários trabalhos apresentam métodos para aestimativa da capacidade final de uma rede esobre como se pode dimensioná-la. Gupta (2000)mostra os limitantes superiores de um cálculoanalítico; LI-1 (2001) afirma que a capacidadepossível de ser conseguida depende do tamanhoda rede, dos padrões de tráfego e do detalhe dasinterações do rádio local, apresentando umatécnica na qual uma treliça regular (que define aposição dos nós) é analisada para o cálculo dacapacidade. LI-2 (2002) analisa o desempenhode uma rede Ad Hoc de múltiplos canais e

múltiplos saltos (hops) usando o canal único daCamada de Acesso ao Meio (MAC) da normaIEEE 802.11 para diferentes topologias,fornecendo vazões para diferentes tamanhos derede. Gupta (2001) desenvolve uma técnicaempírica para determinar a capacidade de umarede Ad Hoc móvel, supondo que a rede usaprotocolo de roteamento sob demanda eprotocolos de acesso ao meio do tipo CarrierSense Multiple Access (CSMA), ou seja, o nóque vai transmitir informação verifica, antes defazê-lo, se o meio está livre de outra portadora. Nas redes de telecomunicações, bem como emoutras áreas de ciência e engenharia, aproliferação de computadores como ferramentasde pesquisa resultou na adoção da simulação porcomputadores como o paradigma maiscomumente usado da investigação científica.Portanto, as simulações têm um papel-chave napesquisa de redes, sendo um recurso utilizado namaior parte dos estudos sobre redes Ad Hocmóveis para analisar os dispositivos e protocolos.A experiência com redes cabeadas proporcionoudiretrizes do nível de detalhes que seriaapropriado para o estudo de protocolos baseadoem simulações. Quando se trata de sistemassem fio, acrescentam-se muitas outras questõessobre o nível apropriado de detalhes dosmodelos de simulação para retratar fenômenoscomo radiopropagação e consumo de energia.No trabalho (HEIDEMANN et al., 2001),descreveram-se as relações de compromisso doacréscimo de detalhes adicionais nos modelosde simulação, avaliando-se os efeitos dodetalhamento em cinco estudos de caso desimulações sem fio para projeto de protocolos.No final, caberá ao pesquisador julgar qual nível




de detalhes é necessário para responder a cadaquestão. Os pesquisadores da área de redes devem testaros protocolos sob várias condições paradeterminar o quão robustos e confiáveis elessão. Em Vint Project (2000), é apresentado oprojeto do simulador NS-2, aperfeiçoado paraproporcionar inovações que ampliassem ascondições sob as quais os pesquisadores podemavaliar seus protocolos. Como vantagens do usode simuladores, citam-se: validar ocomportamento de protocolos existentes;disponibilizar a infra-estrutura de teste paradesenvolver novos protocolos; fornecer aoportunidade para estudar interação deprotocolos em larga escala em um ambientecontrolado; comparação facilitada dos resultados.Em seu artigo, Takai et al. (2001) afirma que,tipicamente, as simulações focam nos protocolosespecíficos das camadas mais altas que estãosendo propostos, muitas vezes ignorandodetalhes dos modelos em outras camadas,particularmente as interações com modelos decamada física. Por isso, é apresentado umconjunto de fatores da camada física que sãorelevantes para a análise de desempenho dosprotocolos das camadas mais altas (que incluemrecepção de sinais, perda de percurso,desvanecimento, influência da interferência e doruído, e comprimento do preâmbulo). Em Cavin et al. (2002), afirma-se que, quandousadas isoladamente, as simulações nãodescrevem a situação real com fidelidade, pois omodelamento varia. Para que os resultadospossam ter um significado prático, é importanteque o modelo sobre o qual está baseado osimulador seja o mais próximo possível darealidade a ser implementada. Foramcomparados resultados de simulação usandovários simuladores populares (OPNET, NS-2,GloMoSim). Os resultados mostraram queexistem diferenças significativas entre ossimuladores, o que pode ser explicado, em parte,pelas divergências entre os modelamentos decada simulador, e também pelos diferentes níveisde detalhes fornecidos para implementar econfigurar os cenários simulados. Para que osresultados sejam confiáveis, deve-se levar emconta que, apesar de haver divergências entre osresultados obtidos em cada simulador, para queconclusões sejam válidas, devem sercomparados, no mesmo simulador, os resultadosobtidos nas camadas mais baixas (MAC e física)e o modelo de mobilidade. Com a finalidade de prever o comportamento darede que será obtido, utilizou-se largamente orecurso de simulação. LI-1 usa NS-2 para validaros modelos propostos, enquanto LI-2 usaOPNET. A principal contribuição de JUN-1 (2003) é aapresentação de fórmulas para a vazão teóricamáxima de redes usando o protocolo IEEE

802.11, na ausência de erros de transmissão epara várias alternativas de camada física, taxasde dados e tamanho de pacotes. Tanto as redes móveis Ad Hoc quanto as redesmesh sem fio são capazes de auto-reorganização, ainda que seja possívelconsiderar as primeiras um subconjunto dasúltimas. JUN-2 (2003) define que as diferençasprincipais entre os dois conjuntos de rede estãonos padrões de tráfego. Em redes mesh sem fio,praticamente todo o tráfego vem ou vai para umgateway, enquanto que nas redes Ad Hoc háfluxo de dados entre pares arbitrários de nós.Como a abordagem usada por JUN-2 não estácondicionada ao uso de um esquema de acessoao meio específico, pode-se calcular de formaprecisa a capacidade de redes mesh sem fiopara qualquer implementação de Camada deAcesso ao Meio, incluindo-se assim as redes AdHoc.O trabalho de JUN-2 lida com o problema deestimar a capacidade exata de uma rede meshsem fio (WMN), destacando a importância dadeterminação do domínio de colisão-gargalo,entendido como uma área geográfica da redeque define o limite superior da quantidade dedados que pode ser transmitida por essa rede.Mostra-se que os gargalos da rede mesh sem fiosão causados pela existência de gateways, o quefaz com que a capacidade disponível para cadanó seja reduzida para C = O(1/n), em que C é acapacidade disponível para cada nó e O(1/n) énotação de Knuth (1973), que indica que C/(1/n)é menor ou igual a uma constantesuficientemente grande, para um número deusuários de um gateway também grande osuficiente. Outras características da rede fixadaspor JUN-2 (2003) são a existência de apenas umgateway na rede, supondo-se que, se houveroutros, cada um terá sua própria área deinfluência; as vazões de um nó da rede são asmesmas de qualquer outro nó para qualquercarga oferecida (fairness, ou equilíbrio nadistribuição de cargas); o tráfego é unidirecionaldos nós para o gateway; e os nós não semovimentam (estáticos). No entanto, oacréscimo de outros gateways resulta nocrescimento da capacidade da rede e também dasua confiabilidade. Em uma redecuidadosamente planejada com um númerosuficiente de gateways colocados em pontos-chave, pode ser assegurado que cada usuárioterá a largura de faixa necessária dentro doatraso aceitável (ao menos na rede de acesso). Neste trabalho, partiu-se dos resultadosapresentados por JUN-2 para verificar ainfluência da disponibilidade de mais gatewaysdentro da mesma rede sem fio, de forma que seconseguisse uma rede com os parâmetros dedesempenho desejados.



Uma vez estabelecidos os parâmetros básicosda rede, foram realizadas simulações para seobter informações referentes a métricas de QoSadicionais (tais como fração de entrega depacotes, atraso e jitter). Essas simulaçõesincluíram variações da topologia dos nós, donúmero de gateways, do número de fluxossimultâneos na mesma rede e do número médiode hops necessários para o estabelecimento dofluxo.Este artigo está organizado como se segue: aSeção 2 apresenta uma metodologia deplanejamento de redes Ad Hoc, indicando que sedeve levar em consideração as características darede desejada, tais como o tamanho da rede, osparâmetros sistêmicos, a demanda de tráfego edimensionamento da quantidade eposicionamento dos gateways. A seguir, escolhe-se o cenário de simulação a ser implementado,que inclui escolha do número de nós e suaconfiguração e avaliam-se quais os resultadosesperados quando as caracterísitcas da rede sãoalteradas. Após a apresentação dos parâmetrosde simulação utilizados, a Seção 3 mostra osresultados obtidos. Finalmente, a Seção 4apresenta a conclusão do trabalho.

2 Levantamento das condições decontorno da rede Ad Hoc a serimplementada

O procedimento descrito neste trabalho tem oobjetivo de estabelecer uma rede em umambiente de simulação para verificar seucomportamento, com o fim de facilitar oplanejamento de redes Ad Hoc sem fio, em quea capacidade disponível aos usuários finais sejaotimizada (maior vazão, menor atraso, maioreficiência).Embora inicialmente restrita a redes fixas sem fiocom protocolo de acesso ao meio CSMA/CA(Exemplo: padrão IEEE 802.11b) e protocolos deroteamento baseados no critério de atrasomínimo, a mobilidade poderá ser modeladaposteriormente através do uso de protocolos deroteamento em cenários de mobilidade. Assubseções a seguir descrevem o procedimentoindicado:

2.1 Modelo de rede

Uma vez que é necessário fixar algumascondições de contorno para a rede a serestudada, e para que isso não impeça aaplicação dos resultados para várias redes aserem implementadas, optou-se por definirparâmetros de rede que pudessem serconsiderados gerais.

2.1.1 Tamanho da rede

Uma rede de apenas alguns nós resulta em um

sistema bastante específico. Muitos nósdificultam a análise e, para o exemplo aquiapresentado, foram analisadas redes de 50 nós. O local a ser coberto pela rede será modeladocomo uma área retangular cujas dimensões sãodados de entrada do simulador. As coordenadasdos nós deverão ser relativas ao ponto de origemcorrespondente ao canto inferior esquerdo dagrade. Para que não fosse particularizada uma topologiafixa, o estudo abrangeu cinco distribuiçõesdiferentes dos 50 nós na mesma área. A posiçãodesses nós foi definida de maneira aleatória (àmedida que se aumenta o número de redesanalisadas, os valores de vazão tendem a umvalor mais estável). O estabelecimento dessas condições iniciaisfornece outras informações sobre a rede, taiscomo a densidade de nós e a cobertura médianecessária para suprir as regiões de interesse. Outro item a ser determinado é qual o modelo depropagação a ser utilizado. Foram consideradasduas opções: TwoRayGround ou FreeSpace.

2.1.2 Levantamento dos parâmetrossistêmicos

A seguir, estabelecem-se os parâmetros quecaracterizam a solução tecnológica a seradotada, correspondentes às entradasnecessárias para o modelo de simulação decapacidade. Os parâmetros necessários são: • sensibilidade do receptor, em dBm;• raio de cobertura, em metros;• freqüência de operação, em Hz;• potência de transmissão, em W;• ganho da antena de transmissão (linear);• ganho da antena de recepção (linear);• perda do sistema (linear);• altura da antena transmissora e receptora, em

metros.Os modelos de propagação adotados são osdisponíveis no Network Simulator (NS-2),TwoRayGround ou FreeSpace. Porém, podem-se criar modelos de propagação, analíticos ouempíricos. Nesse caso, a realização de umapesquisa de condições de propagação no localde implantação pode proporcionar informaçõesmais precisas para a determinação da coberturaesperada para os nós da rede Ad Hoc.

2.1.3 Levantamento da demanda de tráfego

Para essa etapa, deve-se considerar a demandadesejada de cada nó da rede e a caracterizaçãode cada tipo de tráfego. Para isso, deve-seestabelecer:

a) aplicações e serviços que trafegarão pelarede, bem como os respectivos requisitosmínimos de desempenho;



b) requisito de banda mínima da rede: suporcenário de pior caso, assumindo que todos osnós da rede precisam ter acesso a umabanda mínima Bmin, necessária para asaplicações e serviços com maiores requisitosde banda;

c) parâmetros do modelo de tráfego:considerando que o modelo de capacidadeproposto se baseia em tráfego do tipo CBR, énecessário determinar o comprimento médiodos pacotes de tráfego de cada aplicação ouserviço;

d) perfil dos usuários: o grau de utilização darede deve ser estimado, o que permite umaestimativa realista do nível de carregamentoesperado nos domínios de colisão. No modeloproposto, esse aspecto é representado pelofator de utilização, que corresponde aopercentual de usuários acessandosimultaneamente a rede.

Estatisticamente, existe uma probabilidade deque apenas um subconjunto dos usuários deuma rede esteja simultaneamente conectado eos recursos da rede não são totalmente usadosna maior parte do tempo. O fator de utilização está relacionado ao perfil decomportamento dos usuários e serve paraestimar a demanda de tráfego que a rede deveser capaz de comportar, sendo um númerodecimal entre 0 (nenhuma utilização) e 1 (100%dos usuários da rede têm sessões de tráfego).

2.1.4 Dimensionamento da quantidade eposicionamento dos gateways

Os cenários de operação característicos deredes Ad Hoc sem fio baseiam-se na utilizaçãodos terminais dos usuários como roteadores semfio. A expansão da rede deve ocorrer sobdemanda, não sendo possível realizar umplanejamento prévio da rede. Portanto, odimensionamento da quantidade de nósgateways deve procurar garantir duas condiçõesprincipais: capacidade e cobertura.• capacidade: ainda que não haja reserva de

banda, a rede deve poder processar a vazãomínima necessária para transportar osserviços de interesse com qualidadeaceitável;

• cobertura: a implantação de gateways podeser necessária para garantir cobertura a todosos usuários ou para acrescentar redundânciapara minimizar as chances departicionamento da rede.

2.2 O cenário de simulação

A área a ser utilizada para a implantação da redeé fixada em 5 km X 5 km. Serão 50 nósaleatoriamente distribuídos, e cincoconfigurações diferentes serão utilizadas paraque se possa comprovar que os resultadosobtidos tendem a valores médios das métricasobservadas.

2.2.1 Configuração 1 adotada

A Figura 1 mostra a disposição dos nós naConfiguração 1. O Nó 1 encontra-se próximo aoeixo Y e o Nó 28 está fora do alcance dosdemais. Para simulação com um único gateway,o nó escolhido é o número 19 (coordenadas: X =2805 e Y = 1510); para dois gateways, os nóssão 44 e 39; para três gateways, 3, 22 e 47;quatro gateways, 3, 22, 34 e 47; e, para cincogateways, 7, 18, 22, 33 e 34. Mais de 40 fluxossimultâneos são inseridos na rede paraverificação do comportamento das diversasmétricas.

2.2.2 Configuração 2 adotada

A Figura 2 mostra a disposição dos nós naConfiguração 2. São usados os seguintes nóscomo gateways: para um gateway, o nó é onúmero 28 (coordenadas: X = 2925 e Y = 2347);para dois gateways, os nós são 5 e 29; para trêsgateways, 5, 27 e 41; quatro gateways, 16, 19,28 e 41; e, para cinco gateways, 16, 27, 28, 29 e40. Também nesse caso, mais de 40 fluxossimultâneos são inseridos na rede paraverificação do comportamento das diversasmétricas.

2.2.3 Outras configurações

Foram criadas ainda mais três configurações de50 nós, a exemplo das apresentadas nasSubseções 2.2.1 e 2.2.2: analogamente a essas,os 50 nós foram distribuídos aleatoriamente, eforam escolhidos nós para funcionar comogateways. Cinco casos foram estudados, com 1,2, 3, 4 e cinco gateways em cada configuração, oque resulta em 25 cenários de rede distintos.Cada uma dessas redes receberá mais de 40fluxos simultâneos para verificação docomportamento das diversas métricas.



Figura 1 Configuração 1 de rede avaliada

2.3 Impacto das alterações nascaracterísticas da rede

Em uma rede Ad Hoc, o aumento da quantidadede fluxos simultâneos conduz a rede a situaçõesde congestionamento e formação de gargalos,conseqüentemente com pacotes descartados ouperdidos, além de maiores atrasos. Esses efeitospodem ser observados por intermédio desimulações de uma rede em que se incluemfluxos adicionais, o que foi executado através desimulações com o software Network Simulator(NS-2). Com simulações feitas em cincoconfigurações de rede de 50 nós distintas, emque os respectivos nós tiveram sua posiçãodeterminada de forma aleatória, espera-se queos resultados obtidos tendam a valores médiossemelhantes nos diversos casos. Em cada umadelas, faz-se a introdução de vários fluxos deinformações simultâneos, bem como adeterminação dos gateways (cujo número emcada configuração varia de 1 a 5). Observam-se

as diferenças de desempenho de algumasmétricas, como número médio de hops noestabelecimento do fluxo e porcentagem deentrega de pacotes para cada um dos casos.

Portanto, as características alteradas na redenas diversas simulações foram: • uso de cinco topologias de 50 nós distintas;• iniciada a simulação com um fluxo, aumenta-

se gradativamente o número de enlacestransportando informação para verificar ascondições de gargalo e congestionamento;

• variou-se o número de gateways da redeentre 1 e 5, com o propósito de diminuir oefeito dos congestionamentos;

• protocolo de roteamento utilizado: AODV.Os resultados foram observados através dasmétricas obtidas, tais como o número de hopsnecessários para estabelecer um enlace dedados, ou a porcentagem de entrega de pacotesem cada caso.



Figura 2 Configuração 2 de rede avaliada

2.4 Parâmetros de simulação utilizados

A Tabela 1 mostra os parâmetros adotados nasimulação com o Network Simulator NS-2(versão 2.26)

Tabela 1 Cenário do modelo de simulação

Cenários de simulação

Número de nós 50 (5 topologias)

Número de gateways 1, 2, 3, 4, 5

Área física da rede 5 km X 5 km

Modelo de propagação Two Ray Ground

Área de cobertura 750 m

Potência de transmissão 20 dBm

Protocolo/roteamento AODV

Protocolo MAC IEEE 802.11b

Modelo de tráfego – CBR Constant Bit Rate

Taxa de Transmissão 11 Mbit/s

Freqüência 2,4 GHz

Comprimento do pacote 160 B

Ganho de antena 2/2 (TX/ RX)

Altura da antena (m) 2/2 (TX/RX)

À medida que cresce o número de enlacessimultâneos na rede, começam a aparecer osefeitos do congestionamento dos enlaces,originando os gargalos. Cresce também onúmero de pacotes perdidos e descartados,assim como o atraso de transmissão. O descartedeliberado de pacotes ocorre comoconseqüência de congestionamento, falta derecursos de processamento, falta dedisponibilidade no canal de rádio ou devido a umnó da rota necessária estar desativado. Odescarte de pacotes é um evento registrado pelosistema, sendo o número deles considerado paraobter estatísticas do desempenho da rede. Já ospacotes perdidos são os que são transmitidos,mas não atingem o destino, e dos quais não seconhece a razão do insucesso de transmissão.

3 Resultados de simulação

As simulações foram realizadas para refletir osefeitos na rede das situações de operaçãoquando esta estiver implementada. Duassituações são analisadas detalhadamente: oaumento do número de fluxos (e conseqüenteaumento do congestionamento) e o acréscimo degateways (que facilita o fluxo na rede, reduzindoo congestionamento).



3.1 Impacto do tráfego de vários fluxossimultâneos – Diferentes configurações

A seguir, são apresentados os resultados desimulação de várias métricas obtidas em cadauma das diferentes configurações de nós de redeAd Hoc apresentadas na Seção 2, para ilustrar oefeito da mudança de configuração e do númerode gateways utilizados no desempenho da redeavaliada. Todas as medidas foram tomadas paravários fluxos de comunicação simultâneostrafegando através dessa rede.

3.2 Efeito do aumento do número de fluxosna rede: congestionamento

O aumento do número de fluxos simultâneos narede faz com que os recursos disponíveis sejamrealocados para acomodar o novo tráfego. Parailustrar a adaptação da rede à medida que maisfluxos são introduzidos, foram feitas simulaçõessupondo-se que os nós estão distribuídos emposições correspondentes à Configuração 1(conforme Figura 1) e fazendo variar o númerode fluxos de tráfego de 1 a 10, com apenas umgateway disponível (Nó 19).

3.2.1 Efeito do número de fluxos sobre afração de entrega de pacotes

Confirmando o menor recurso disponível a cadanovo fluxo iniciado, observa-se a diminuição dafração de entrega de pacotes, conforme o gráficoda Figura 3:

Figura 3 Fração de entrega de pacotes X númerode fluxos simultâneos

3.2.2 Efeito do número de fluxos sobre oatraso médio fim-a-fim

O aumento do atraso médio fim-a-fim é tambémcaracterístico da diminuição dos recursos médiosdisponíveis da rede com o acréscimo de novos

fluxos, conforme o gráfico da Figura 4 –igualmente para redes com nós distribuídossegundo a Configuração 1, com apenas 1gateway no Nó 19:

Figura 4 Atraso médio fim-a-fim X número defluxos simultâneos

3.2.3 Efeito do número de fluxos sobre acarga de roteamento normalizada

Outra métrica interessante a ser observada é acarga de roteamento normalizada (NormalizedRouting Load – NRL), definida como a taxa entreo número de pacotes de controle propagados porcada nó da rede e o número de pacotes dedados recebidos pelos nós de destino (LEE &GERLA, 2001). O gráfico da Figura 5 mostra adiminuição da carga de roteamento normalizadaquando o número de fluxos simultâneos da redevaria de um a dez fluxos, sempre para rede de50 nós (Configuração 1) com um gateway no Nó19:

Figura 5 Carga de roteamento normalizada Xnúmero de fluxos simultâneos

3.2.4 Efeito do número de fluxos sobre onúmero de pacotes descartados

O aumento da quantidade de fluxos da rede


1 2 3 4 5 6 7 8 9 100,00000,00100,00200,00300,00400,00500,00600,00700,00800,00900,01000,01100,01200,01300,01400,01500,01600,0170

Número de fluxos simultâneos

NR

L- C

arga

de

rote

amen

to n

orm

aliz

ada

1 2 3 4 5 6 7 8 9 100,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

0,40

0,45

0,50

0,55

0,60

0,65


Atra

so m

édio

fim

-a-fi

m (s

)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 100,0

10,0

20,0

30,0

40,0

50,0

60,0

70,0

80,0

90,0

100,0


% P

DF (F

raçã

o de

pac

otes

ent

regu

es)


resulta em mais pacotes descartados, uma vezque ocorre compartilhamento de um recursoconstante por um número crescente de usuários,conforme Figura 6.

Figura 6 Número de pacotes descartados Xnúmero de fluxos simultâneos

3.2.5 Efeito do número de fluxos no jittermédio

O jitter é a variação entre o tempo esperado paraa chegada de um pacote de dados e o tempo emque o pacote efetivamente chega. Isso ocorre emrazão do congestionamento da rede,deslocamento de tempo ou mudanças de rota, efica mais acentuado com o aumento do númerode fluxos simultâneos, que reduz os recursosdisponíveis na rede. O jitter tende a se estabilizarquando a rede entra em equilíbrio. A Figura 7mostra a variação do jitter obtido, que chega aum pico com seis fluxos simultâneos e, a partirdesse número de fluxos, o jitter torna-se quaseconstante.

Figura 7 Jitter médio X número de fluxossimultâneos

Efeito do número de fluxos no número médio dehops do enlaceO número médio de hops para comunicaçãoentre dois nós da rede também tende a um valorestável, uma vez que essas simulações foramrealizadas para rede de 50 nós, na qual todos os

nós enviam dados para um mesmo destino,conforme Figura 8.

Figura 8 Número médio de hops X número defluxos simultâneos

3.3 Efeito do acréscimo de mais gateways narede: equilíbrio

O aumento do número de gateways reflete-se nadiminuição do congestionamento observado nosnós usados para escoar o tráfego total da rede.

3.3.1 Variação do número médio de hopscomo função do número de gateways

A Figura 9 mostra o número médio de hops, pararedes nas cinco diferentes configurações, comvários fluxos simultâneos: a média de hopsquando a rede dispõe de um único gateway ficaentre 2,75 e 4,0, diminuindo e estabilizando entre2,10 e 3,20 para cinco gateways – observar quea Configuração 1 é a única que apresenta umpequeno aumento na média de número de hopsnecessários (22%), passando de 2,36, comquatro gateways, para 2,90, com cinco gateways.A diminuição da média geral, à medida que maisgateways estão disponíveis, é resultado damelhor distribuição do escoamento do tráfego.

Figura 9 Número médio de hops X número degateways


1 2 3 4 50,000

1,000

2,000

3,000

4,000

5,000

Núm.médio de hops X núm.gateways

Configuração 1Configuração 2Configuração 3Configuração 4Configuração 5

Número de gateways

Núm

ero

méd

io d

e ho

ps

1 2 3 4 5 6 7 8 9 100,00E+00

1,00E+04

2,00E+04

3,00E+04

4,00E+04

5,00E+04

6,00E+04


Núm

ero

de p

acot

es d

esca

rtado

s

1 2 3 4 5 6 7 8 9 100,00

0,03

0,05

0,08

0,10

0,13

0,15

0,18

0,20

0,23

0,25

0,28

0,30


Jitte

r méd

io (s

)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 100,00

0,50

1,00

1,50

2,00

2,50

3,00

3,50

4,00

4,50

5,00

5,50

6,00


Núm

ero

méd

io d

e ho

ps


3.3.2 Efeito da variação da fração de entregade pacotes como função do número degateways

A fração da entrega de pacotes tambémapresenta regularidade de resultados nasdiversas configurações testadas. Na Figura 10,observa-se que o menor valor é obtido pararedes com apenas um gateway, aumentandoprogressivamente para mais pacotes entregues àmedida que mais gateways estiverem disponíveisna rede.

Figura 10 Fração de entrega de pacotes X númerode gateways

4 Conclusão

As redes Ad Hoc sem fio apresentam diversosobstáculos para o dimensionamento decapacidade, pois, além de toda a complexidadeintrínseca para modelar capacidade em redessem fio, torna-se necessário tratar sistemasdistribuídos em que inexistem elementosresponsáveis pela coordenação do acesso dosnós. Assim, as metodologias tradicionais dedimensionamento baseadas em topologia ponto-multiponto não são aplicáveis na maioria doscenários.Este trabalho apresentou um procedimento paraplanejamento de redes Ad Hoc sem fio, a serrealizado com uso do simulador NS-2 (NetworkSimulator). Em princípio, faz-se um levantamentotopológico inicial, com a determinação dos nósfixos da rede e da área total a ser coberta. Aseguir, verificam-se os padrões sistêmicos, taiscomo modelo de propagação, sensibilidade doreceptor, raio de cobertura, freqüência detransmissão, potência, ganhos de antena, etc. Afase seguinte é o levantamento da demanda detráfego, para a qual são levados em conta osserviços que irão trafegar na rede, os requisitosde banda, parâmetros do modelo de tráfego e operfil de usuários. O protocolo de roteamentousado foi o AODV.

Uma vez escolhidos os parâmetros da rede,definiu-se o modelo de simulação: como cenáriosbásicos, foram escolhidas cinco redes de 50 nóscom 1, 2, 3, 4 ou 5 gateways (lembrar queregiões com maior densidade de nós devemconcentrar a maior parte dos gatewaysdisponíveis). Os resultados de simulação apresentam ocomportamento dinâmico de uma rede Ad Hoccom 50 nós. Observou-se que o aumento donúmero de fluxos simultâneos reduz odesempenho médio da rede, fazendo diminuir onúmero de entrega de pacotes e a carga deroteamento normalizada. Por outro lado, maisfluxos causam aumento do atraso médio fim-a-fim e do número de pacotes descartados. Já oacréscimo de mais gateways tende a equilibrar arede, diminuindo o número médio de hopsnecessários para estabelecer o enlace eaumentar a fração de entrega de pacotes.

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1 2 3 4 50,00

10,00

20,00

30,00

40,00

50,00

60,00

70,00

Configuração 1Configuração 2Configuração 3Configuração 4Configuração 5

Número de Gateways

% P

DF (F

raçã

o de

ent

rega

de

paco

tes)


GUPTA, N. A capacity and utilization study ofmobile Ad Hoc networks. 26th Annual IEEEConference on Local Computer Networks,Tampa, USA, novembro de 2001.

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VINT PROJECT (L. Breslau et al.), Advances innetwork simulation, IEEE Computer, v. 33, n. 5,pp. 59-67, maio de 2000.

Abstract

In telecommunication networks, as well as in other technological areas, computer simulation plays a keyrole in network research, and it is used in most studies about mobile Ad Hoc networks in order to analyzedevices and protocols. As a part of CPqD Ad Hoc Network Project, this work presents the required stepsto achieve the specification of wireless Ad Hoc networks and how they can be configured to be simulatedand to preview the performance to be obtained. Once the network is specified and set to simulation, onecan verify how the performance changes as the conditions of the network are altered (topology,architecture, traffic characteristics, etc.). If either number or location of the gateways varies, the flow oftraffic will change as well, giving a hint on how one could search for an optimum number of gateways formaximum throughput. Validation was done using NS-2 (Network Simulator) on Linux Operational System.

Key words: Network planning. Wireless Ad Hoc network. Metrics. Capacity.


Análise de desempenho de protocolos deroteamento para redes Ad Hoc sem fio

Fabrício Lira Figueiredo*, Marcel Cavalcanti de Castro, Marcos Antônio de Siqueira, HeloísaPeixoto de Barros Pimentel, Aníbal César Aguiar de Carvalho, José Antonio Martins

Este artigo apresenta uma análise comparativa do desempenho de protocolos de roteamento para redesAd Hoc sem fio. Uma vez descritos os protocolos AODV, DSR, DSDV, AOMDV, OLSR e ABR,simulações que permitem a comparação de desempenho entre eles, segundo um conjunto específico demétricas de Qualidade de Serviços (QoS), são realizadas. Os resultados encontrados permitemidentificar e quantificar os pontos fortes e fracos de cada protocolo, gerando subsídios inclusive para aconcepção de um novo protocolo de roteamento otimizado para o provimento de serviços de voz àsredes Ad Hoc sem fio. O sistema resultante será de baixo custo e focado em serviços de telefonia emregiões rurais do Brasil.

Palavras-chave: Protocolos de roteamento. Redes Ad Hoc sem fio. Serviços de voz. Análise quantitativa.

1 Introdução

Redes Ad Hoc sem fio caracterizam-se peladinâmica topológica e pelas limitações datransmissão impostas pelo canal de rádio. Nessecaso, protocolos apropriados devem seradotados para o estabelecimento e amanutenção de rotas entre dois nós de uma redeAd Hoc (origem e destino), permitindo oencaminhamento de pacotes por meio de nósintermediários quando não houver conectividadedireta entre eles. Os protocolos proativos, ou table driven,mantêm em cada nó da rede uma ou maistabelas com informações sobre rotas para todosos outros nós da rede. Quando ocorremalterações na rede, os nós as propagam pelarede de forma que todos os nós possam alterarsuas tabelas automaticamente. A troca deinformações para a atualização das tabelas geraum tráfego (de controle) adicional na rede(overhead ou cabeçalho), que aumentasignificativamente com a quantidade e com amobilidade dos nós (HAAS & TABRIZI, 1998). Outro ponto negativo no roteamento proativorefere-se aos elevados níveis de armazenamentoe processamento. Alguns exemplos deprotocolos proativos são: Wireless RoutingProtocol (WRP) (MURTHY & GARCIA-LUN-ACEVES, 1996) e Destination SequencedDistance Vector (DSDV) (PERKINS &BHAGWAT, 1994).Na classe de protocolos reativos, as rotas sãocriadas apenas quando um pacote precisa serenviado de um nó-origem para um nó-destino,através de um procedimento de descoberta derotas. As rotas estabelecidas, quandointerrompidas, são reconstruídas por meio de umprocedimento de manutenção de rota. Em geral,

protocolos desse tipo utilizam os recursos darede mais eficientemente, pois o overhead égerado apenas na descoberta e na manutençãodas rotas efetivamente necessárias. No entanto,o fato de nem sempre haver uma rota disponívelimplica um atraso maior no início da transmissão.Alguns exemplos de protocolos reativos são oDynamic Source Routing (DSR) (JOHNSON,MALTZ & HU, 2003) e o Ad Hoc On-DemandDistance Vector (AODV) (PERKINS, BELDING-ROYER & DAS, 2003).Os protocolos de roteamento Ad Hoc podemainda ser classificados segundo o tipo deestrutura (hierárquicos ou planos), a quantidadede rotas estabelecidas (rota única ou múltiplasrotas) ou o posicionamento geográfico (baseadose não baseados em localização) (CÂMARA,2000) (MURTHY & MANOJ, 2004). Em aplicações de tempo real, algumas funçõesdevem ser suportadas por um protocolo deroteamento Ad Hoc:• responder rapidamente às variações da

topologia da rede, provocadas, por exemplo,pela mobilidade dos nós;

• ser “escalável”, ou seja, ter desempenhopouco afetado pelo aumento do número denós e do tráfego na rede;

• minimizar o atraso fim-a-fim e jitter;• prover múltiplas rotas para evitar

congestionamentos;• utilizar eficientemente os recursos da rede,

incluindo capacidade de processamento earmazenamento.

Na literatura, diversos protocolos de roteamentostêm sido propostos, mas poucas comparaçõesquantitativas mais abrangentes e baseadas emum conjunto de métricas e cenários orientados aserviços de tempo real têm sido publicadas.Visando gerar subsídios para a concepção de um



Análise de desempenho de protocolos de roteamento para redes Ad Hoc sem fio

protocolo de roteamento apropriado para osuporte de serviços de tempo real, realizou-se,neste trabalho, uma análise de desempenhoquantitativa de um conjunto de protocolos deroteamento convencionais para redes Ad Hocsem fio. Foi avaliada a escalabilidade em relaçãoao número de nós e à taxa de tráfego, emcenários outdoor e com topologia fixa, de acordocom o contexto do projeto em desenvolvimentono CPqD. As demais seções são organizadas da seguinteforma: a Seção 2 apresenta o funcionamento dosprotocolos de roteamento selecionados, comênfase nos mecanismos de descoberta ereconstrução de rotas. A Seção 3 traz osresultados de simulação para os cenárioutilizados. Na Seção 4, são apresentadas asconclusões do trabalho, em que são sugeridaspossíveis abordagens para pesquisas futuras.

2 Protocolos de roteamento para redes AdHoc

Neste trabalho, foi selecionado um conjunto deprotocolos de roteamento para redes Ad Hocsem fio para a realização da análise quantitativa.Estão incluídos tanto protocolos clássicos(DSDV, DSR e AODV) como protocolos maisavançados (AOMDV, ABR e OLSR), quesuportam algumas funcionalidades estratégicaspara serviços de tempo real, como o suporte amúltiplas rotas e mecanismos otimizados depropagação de mensagens em toda a rede(flooding). Esses protocolos são descritosresumidamente a seguir.

2.1 Destination Sequenced Distance Vector(DSDV)

Trata-se de um protocolo proativo baseado noalgoritmo de Bellman-Ford ou vetor dedistâncias, mas com alguns melhoramentos paraprevenir a ocorrência de loops nas rotas(PERKINS & BHAGWAT, 1994). Como em umtípico algoritmo baseado em vetor de distâncias,cada nó mantém tabelas de roteamento paratodos os possíveis destinos, para prevenir aocorrência de loops, cada entrada da tabela deroteamento em um nó é marcada com umnúmero de seqüência (sequence number)atribuído pelo nó-destino. Tais números deseqüência permitem que os nós distingam rotasantigas de rotas novas, evitando assim aformação de loops nas rotas. O protocolo DSDV requer que cada nó anuncie,para seus atuais vizinhos, sua própria tabela deroteamento. Alterações na topologia podemocorrer dinamicamente, então o anúncio deve serrealizado com freqüência, assegurando que cadanó da rede possa localizar outro nó. Cadaanúncio realizado deverá conter um novo númerode seqüência, informações de endereço de

destino, número de saltos (hops) para alcançaresse destino, e o número de seqüência deinformações recebidas do nó-destino. Em decorrência do movimento dos nós ou dascondições de propagação do canal de RF,quebras de enlace deverão ocorrer com certafreqüência na rede. A quebra de enlace pode serdetectada pelo protocolo de camada de enlace,ou a partir do não-recebimento de mensagens debroadcast dos nós vizinhos durante um intervalode tempo pré-configurado. Quando um enlacepara um próximo salto (next hop) é interrompido,os números de seqüência das rotas que contêmtal enlace também são atualizados. Essainformação de alteração de rota é imediatamenteenviada por meio de broadcasts de pacotes deinformações de roteamento. Quando um nó recebe uma nova informação deroteamento, ela é comparada com a informaçãojá disponível de um pacote recebidoanteriormente. Qualquer rota com número deseqüência recente é usada, enquanto aquelascom números de seqüência antigos sãodescartadas. Por sua vez, uma rota com númerode seqüência igual a uma já existente é escolhidase apresentar uma métrica melhor. A aplicação do protocolo DSDV é limitada apequenas redes Ad Hoc pois ele é baseado emtrocas periódicas de informações entre os nóspara a atualização das tabelas de roteamento.Além disso, o protocolo DSDV requer que astabelas de roteamento nos nós tenham entradaspara todos os destinos possíveis.

2.2 Ad Hoc On-Demand Distance Vector(AODV)

Trata-se de um protocolo reativo (on-demand)puro, pois não é baseado na manutenção deinformações sobre rotas pelos nós, tampouco natroca de informações de roteamento entre os nós(PERKINS, BELDING-ROYER & DAS, 2003).O protocolo AODV pode ser entendido como umaperfeiçoamento do protocolo DSDV, por meioda diminuição do número de mensagens de trocade informações entre os nós para a manutençãodas tabelas de roteamento. Alémdisso, as rotas no AODV são criadas apenasquando necessárias, evitando-se assim amanutenção de tabelas de roteamentocompletas.Na operação do AODV, quando um nó (origem)deseja comunicar-se com outro nó (destino), ele(nó-origem) envia uma mensagem do tipo RouteRequest (RREQ) para seus nós vizinhos. Essamensagem contém informações de endereço deorigem e destino, número de seqüência, númerode saltos da rota e um número identificando amensagem de broadcast (broadcast_id). Ao receber um RREQ, um nó pode responder aonó-origem ou retransmitir a mensagem RREQpara seus vizinhos. Quando um nó intermediário



recebe uma mensagem RREQ e não possuinenhuma informação sobre uma rota até odestino indicado na mensagem, esse nóretransmite a mensagem RREQ para seus nósvizinhos, antes incrementando o campo donúmero de saltos. Além disso, o nó armazenainformações referentes ao RREQ, como osendereços da origem e do destino e obroadcast_id, que serão utilizadas no eventualestabelecimento da rota desejada.Se a mensagem RREQ eventualmente chegar aum nó (intermediário) que já possui uma rotaválida até o destino desejado – ou que é opróprio nó-destino –, o nó responde àquele queencaminhou o RREQ com uma mensagem dotipo Route Reply Packet (RREP). Essamensagem é encaminhada até o nó-origem,criando assim um caminho reverso para que seestabeleça a comunicação bidirecional entre osnós-origem e destino. É importante ressaltar que o protocolo AODV foiprojetado para reduzir a disseminação de tráfegode controle, eliminando parcialmente o overheadno tráfego de dados, com o objetivo de aumentara escalabilidade e o desempenho. Emcontrapartida, por ser um protocolo reativo, existea ocorrência de latências na transmissão dotráfego de dados para rotas novas na rede.

2.3 Dynamic Source Routing (DSR)

O DSR é um protocolo reativo que usa o conceitode roteamento baseado na origem. Ele éformado por dois componentes principais: adescoberta e a manutenção de rotas(JOHNSON, MALTZ & HU, 2003). Como o DSR opera totalmente sob demanda,tanto na descoberta como na manutenção dasrotas, ele não requer nenhum tipo de trocaperiódica de pacotes de sinalização. Dessaforma, não há transmissão de mensagens do tipolink status sensing e detecção de vizinhos.Conseqüentemente, não há necessidade demecanismos de detecção do estado dos links noprotocolo da camada de enlace.Esse comportamento totalmente sob demandapermite que, quando a rede estiver estacionária,o overhead de roteamento tenda a zero a partirdo momento em que todas as rotas necessáriaspara comunicação já tenham sido descobertas. Àmedida que os nós se movimentam ou ospadrões de comunicação mudam, o overhead depacotes de roteamento passa a ocorrer somentena atualização de rotas em uso no instante dasmudanças. Tais características tornam o protocolo soft state,ou seja, a sessão pode ser interrompida porcausa das alterações ocorridas na rede. Asconexões estabelecidas são dinâmicas e seusfluxos atravessam roteadores intermediários pormeio de caminhos alocados para eles por tempolimitado. Portanto, a perda de qualquer estado

não interfere na correta operação do protocolo, jáque o estado pode não mais ser necessário ou,em caso contrário, pode ser redescobertorapidamente. A operação do protocolo DSR pode ser descritasupondo um cenário em que um nó A desejacomunicar-se com um nó B. Nesse instante,inicia-se a etapa da descoberta da rota com oenvio, pelo nó-origem A, de um pacote do tipoRoute Request (RREQ) a todos os seus vizinhos.Esse pacote RREQ contém os endereços dodestino (nó B) e da origem (nó A). Cada nóintermediário que recebe o pacote RREQ poderárealizar duas ações: se o nó intermediário nãopossuir em sua memória de rotas uma rota válida(não expirada) até o destino desejado B, entãotal nó intermediário adicionará seu endereço aopacote RREQ, retransmitindo-o a seus nósvizinhos. Eventualmente, o pacote RREQchegará ao nó-destino B, tendo em seu conteúdoa seqüência de nós da rota empregada entre A eB. O nó-destino, então, envia ao nó-origem umpacote do tipo Route Reply (RREP), empregandoo reverso da rota descoberta. Em contrapartida, o pacote RREQ pode serrecebido por um nó intermediário que possui emseu cache uma rota até o nó-destino. Nessecaso, o nó intermediário responderá ao nó-origem A com um pacote Route Replyinformando a rota descoberta. Essa rota écomposta pelas rotas parciais entre o nó-origemA e o nó intermediário, bem como entre o nóintermediário e o nó-destino B.Uma vantagem do protocolo DSR é apossibilidade de não manter tabelas deroteamento nos nós, diminuindo assim a cargade processamento de pacotes nos nós, bemcomo o espaço de armazenamento necessário.

2.4 Associativity-Based Routing (ABR)

O Associativity-Based Long-Lived Routing (TOH,1999) é um protocolo do tipo on-demand, que sebaseia na premissa de que mecanismos deroteamento fundamentados no critério shortestpath nem sempre podem ser apropriadamenteaplicados a redes Ad Hoc sem fio.O protocolo ABR define uma métrica para oestabelecimento de rotas diferentes daquelasencontradas nos protocolos anteriores. Paratanto, introduz o conceito de “grau deassociatividade”, que expressa a estabilidade dosenlaces de um nó, que está relacionada com suamobilidade em relação a seus vizinhos. A partirda avaliação da estabilidade local dos enlaces,obtém-se a estimativa de longevidade de umarota, que corresponde à estabilidade da conexãoponto-a-ponto. O grau de associatividade é estimado através datransmissão periódica por parte de cada nó desinais do tipo beacon (broadcast). O objetivocentral do protocolo ABR é escolher uma rota



cujos nós intermediários possuam alto grau deassociatividade, pois estatisticamente tais nósterão baixo grau de mobilidade e os enlacesassociados serão mais estáveis. Dessa forma,minimiza-se o número de atualizações dastabelas de roteamento durante a transmissão. No processo de descoberta de rotas, assimcomo ocorre em outros protocolos, o nó-origemenvia a seus vizinhos um pacote do tipoBroadcast Query (BQ), contendo o endereço donó-destino, entre outras informações. Ao recebero pacote BQ, um nó deverá executar osseguintes procedimentos: verificar se jáprocessou a requisição e descartá-la em casoafirmativo. Caso contrário, verificar se é o nó-destino e, se não for, acrescentar seu endereço erespectivas métricas (incluindo o grau deassociatividade de seus vizinhos) ao pacote BQ,realizando um novo broadcast para os vizinhos. Ao receber um BQ, o nó vizinho mantém apenasas informações de conectividade referentes aosenlaces com os nós vizinhos que não sãovizinhos do nó anterior. Desse modo, quando opacote BQ finalmente atingir o nó-destino,conterá o caminho percorrido pelo pacote, alémdos graus de associatividade relativos aos nósque compõem aquele caminho. Ao receber vários pacotes BQ do mesmo nó-origem, por meio de rotas distintas, o nó-destinoseleciona a melhor rota (rota com maior grau deassociatividade, menor número de hops ou umaseleção aleatória entre as rotas recebidas) eencaminha um pacote do tipo Reply, usando ocaminho reverso descoberto pelo pacote BQrecebido. Ao receber os pacotes Reply, os nósintermediários assinalam a rota selecionadacomo válida e desativam todas as demais rotaspara o nó-destino.

2.5 Ad Hoc On-Demand Multipath DistanceVector Routing (AOMDV)

Protocolos On-demand Multipath descobremmúltiplos caminhos entre a origem e o destinoem uma simples descoberta de rota. Portanto, adescoberta de uma nova rota é necessáriasomente quando todos os caminhos existentesfalharem. Já os protocolos de “caminho único”(single path) necessitam descobrir uma nova rotatoda vez que o único caminho existente falha.Logo, protocolos On-Demand Multipath são maiseficientes, pois reduzem as interrupções notráfego de aplicações de dados e o overhead deroteamento. O AOMDV (MARINA & DAS, 2001) é umaextensão do protocolo AODV. A grande diferençaestá no número de rotas encontradas para cadadescoberta de rota. O protocolo garante tambémprevenção de loops e a criação de múltiploscaminhos disjuntos. No AOMDV, a mensagem Route Request(RREQ) é propagada da origem em direção ao

destino, estabelecendo múltiplos caminhosreversos em nós intermediários e nó-destino.Múltiplas mensagens Route Reply (RREPs)trafegam de volta nesses caminhos reversos,formando múltiplos caminhos em direção aodestino, a partir dos nós intermediários e deorigem. Para isso, o AOMDV estende asinformações de roteamento já disponíveis noprotocolo AODV, permitindo o gerenciamento demúltiplos caminhos. No AOMDV, condições necessárias para amanutenção de múltiplos caminhos sãoempregadas, como a regra do número deseqüência, em que há manutenção de rotassomente para o mais alto número de seqüênciado destino; a regra do anúncio de rotas, em quenunca se anuncia uma rota mais curta que umajá anunciada; e a regra de aceitação de rotas, emque nunca se aceita uma rota mais longa queuma já anunciada.Nos procedimentos de descoberta emanutenção, o AOMDV procura estabelecerrotas com enlaces ou nós disjuntos, isto é,caminhos que possuem independência comrelação a falhas. O protocolo garante que osenlaces sejam disjuntos por meio de ummecanismo que mantém informação do últimohop (além do next hop) para cada caminho. Paracumprir essa funcionalidade, o protocolo precisaconter informação do último hop para cadacaminho na tabela de roteamento. Asmensagens RREQs e RREPs do AOMDV devemcarregar essa informação. Com o uso de múltiplas rotas pelo AOMDV,existem duas opções para o encaminhamentodos pacotes através das múltiplas rotas: usar umcaminho por vez ou usar todos simultaneamente.Para o protocolo AOMDV, foi escolhido o uso deum caminho por vez, na ordem em que foramestabelecidos. A segunda opção é interessantepara o balanceamento de carga, sendonecessário resolver questões como quantidadede tráfego em cada caminho e reordenação depacotes no destino.

2.6 Optimized Link State Routing Protocol(OLSR)

O Optimized Link State Routing Protocol (OLSR)é um protocolo de roteamento desenvolvido paraoperar em redes móveis Ad Hoc. É um protocolodo tipo proativo, no qual os nós trocaminformações de topologia periodicamente. Oprotocolo OLSR adota o esquema deencaminhamento de pacotes baseado em tabelade rotas (CLAUSEN & JACQUET, 2003). Para diminuir a intensidade de inundação(flooding) da rede com mensagens desinalização, cada nó seleciona um MultipointRelay (MPR) para propagar suas mensagens. NoOLSR, somente os nós eleitos como MPRs sãoresponsáveis por encaminhar o tráfego de



controle, permitindo a diminuição no númerodessas mensagens na rede. Os nósselecionados como MPRs anunciam para a redeinformações de alcançabilidade a respeito dosnós que os selecionaram como MPR. Os nós darede selecionam seus MPRs entre seus vizinhosde um salto. Além das funcionalidades clássicasdos protocolos de roteamento Ad Hoc, o OLSRsuporta funcionalidades complementares deextensões, como a redistribuição de rotas deoutras redes e a redundância de MPRs. Naoperação do protocolo, cada nó escolhe umconjunto de vizinhos para retransmitir suasmensagens (denominados MPRs). Nós “não-MPRs” recebem as mensagens de vizinhos deum hop e não as encaminham. Desse modo, osMPRs devem ser escolhidos de forma que, emtermos de alcance, todos os nós a dois saltosrecebam as mensagens de atualização. Aseleção de MPRs pode ser descrita por diversosalgoritmos, como exemplificado em Qayyum(2000). O mecanismo de escolha e notificação deMPRs é implementado por meio da troca demensagens HELLO, em que cada nó possui emantém informações de um conjunto de MPRs(MPR Set), para armazenamento dos MPRs donó, e de quais nós estão usando o roteador localcomo MPR, respectivamente.

3 Resultados de simulação

A análise de desempenho realizada nestetrabalho visa estudar o comportamento dosprotocolos de roteamento para cenários de redesAd Hoc outdoor sem mobilidade, com variaçõesna densidade de nós da rede.Essa análise apresenta simulações com geraçãode tráfego Constant Bit Rate (CBR) em diferentestaxas de envio de pacotes, com o intuito deanalisar o desempenho dos protocolos deroteamento Ad Hoc para valores diferentes dedensidade de nós. Os parâmetros e seusrespectivos valores utilizados na simulação sãoapresentados na Tabela 1. Na análise, foramsimulados cinco protocolos de roteamento (ABR,AODV, AOMDV, DSDV, DSR, OLSR), todosdisponíveis no simulador NS-2 (NetworkSimulator – NS-2).Tabela 1 Parâmetros usados pela simulação dos

protocolos de redes Ad Hoc

Cenário de simulação

Simulador NS-2

Número de nós 25, 50, 100, 200

Topologia simuladaNós posicionadosaleatoriamente (área:1.000 x 1.000 m)

Modelo de propagação Modelo do terrenoplano

Cenário de simulação

Área de cobertura 200 m

Taxa de transmissão 11 Mbit/s

Taxa de transmissão dedados 8, 16, 32, 64, 128 kbit/s

Modelo de tráfego Constant Bit Rate(CBR)

Protocolo MAC IEEE 802.11 DCF

Comprimento dospacotes de dados 64 bytes

Foram adotadas as seguintes métricas para aavaliação de desempenho dos protocolos:• percentual de entrega de pacotes: definida

como a razão entre o número de pacotesrecebidos nos nós-destino e o número depacotes gerados pelos nós-origem,correspondente a uma medida de vazãoefetiva;

• atraso fim-a-fim médio: consiste na diferençaentre tempo de geração de pacotes na origeme o tempo de seu recebimento no destino.Resulta do somatório dos atrasos na rede,atrasos de processamento, atrasos debufferização, tempos de transmissão epropagação de pacotes;

• jitter médio: no escopo de transmissão dedados, é a variação média no atraso depacotes de dados causada por fatores comocongestionamento da rede, pequenosdeslocamentos no tempo previsto derecepção (timing drift) ou mudanças de rota;

• carga de roteamento normalizada: definidacomo a relação entre o número de pacotes decontrole de roteamento transmitidos pelonúmero total de pacotes (dados e roteamento)transmitidos na rede.

Os cenários analisados correspondem a umtempo de simulação de 100 segundos, comintervalo de confiança de 90%. O tráfego étransmitido sobre um único fluxo de dados entredois nós Ad Hoc localizados nas extremidades datopologia da rede. O impacto da variação donúmero de nós (25, 50, 100 e 200 nós) e da taxade geração de tráfego (8, 16, 32 e 128 kbit/s) éanalisado. O tamanho de pacotes gerados éfixado em 64 bytes e a análise do impacto davariação da taxa de tráfego é realizada nocenário de 200 nós. A Tabela 1 apresenta os resultados obtidos parao percentual de entrega de pacotes em funçãodo número de nós para os diferentes protocolosde roteamento simulados (ABR, AODV, AOMDV,DSDV, DSR, OLSR). Verifica-se que osprotocolos DSR e AOMDV apresentam o melhordesempenho, com percentual estável em tornode 100%. Os demais protocolos apresentam umaredução na taxa efetiva de entrega de pacotes,



com o aumento do número de nós. O protocoloOLSR apresenta uma degradação dedesempenho em topologias de 25 e 50 nós, quese deve à redução da eficácia dos mecanismosde seleção de MPRs em cenários de baixadensidade de nós. Tabela 2 Razão de entrega de pacotes em funçãodo número de nós para cada protocolo analisado

ProtocoloNúmero de nós

25 50 100 200

OLSR 75,60 91,92 100,00 97,12

AODV 99,96 99,96 99,96 88,44

AOMDV 99,88 99,84 99,96 99,92

DSR 99,96 99,96 99,96 99,96

DSDV 99,88 99,96 97,64 85,92

ABR 99,96 99,80 99,84 83,13

O atraso fim-a-fim médio dos pacotes de dados,em virtude do aumento do número de nós narede, pode ser visualizado na Figura 1. Entretodos os protocolos simulados, o AOMDVapresentou o menor atraso fim-a-fim,permanecendo estável em torno de 10 ms.Verifica-se que os atrasos para os demaisprotocolos oscilam entre 15 e 35 ms. Observa-seainda, para a maioria dos protocolos, uma leve

tendência de redução do nível de atraso, porcausa do aumento da densidade de nós na rede,que possibilita a construção de rotas mais curtas.A Figura 2 ilustra o comportamento do jittermédio em relação ao aumento do número denós. Pode-se verificar que a variação dadensidade dos nós afeta significativamente onível de jitter proporcionado pelos protocolosOLSR, DSDV e ABR, chegando a 20 ms natopologia de 50 nós, com o protocolo OLSR. Osprotocolos AOMDV, AODV e DSR apresentamdesempenhos semelhantes, com nível de jitterestável, em valores abaixo de 5 ms.A variação da carga de roteamento normalizada,em função do número de nós da rede, é ilustradana Figura 3. Observa-se que os protocolosproativos (DSDV e OLSR) de fato geram maiorcarga de roteamento na rede. Os protocolosAODV e DSR, por sua vez, geram o menor nívelde overhead de sinalização, mantendo-se abaixode 10% em todos os casos. As Figuras 4 e 5 apresentam os resultados depercentual de entrega de pacotes e atraso fim-a-fim, em função de diferentes taxas de tráfego. NaFigura 4, verifica-se que, com o aumento da taxade tráfego, ocorre redução da razão de entregade pacotes para os protocolos ABR, AODV,DSDV, DSR e OLSR. No caso do protocoloAOMDV, no entanto, a razão de entrega depacotes permanece estável e próxima de 100%.

Figura 1 Desempenho em termos do atraso fim-a-fim, em função do número de nós


Atraso fim-a-fim médio (CBR – 100 kbit/s)

Número de nós


Figura 2 Desempenho em termos de jitter, em função do número de nós

Figura 3 Desempenho em termos de carga de roteamento normalizada, em função do número de nós


Jitter médio (CBR – 100 kbit/s)

Carga de roteamento normalizada (CBR – 100 kbit/s)Carga de roteamento normalizada (CBR – 100 kbit/s)

Número de nós

Carga de roteamento normalizada (CBR – 100 kbit/s)

Número de nósNúmero de nósNúmero de nós


Figura 4 Desempenho em termos do percentual de entrega de pacotes, em função das taxasde tráfego

Figura 5 Desempenho em termos do atraso fim-a-fim, em função das taxas de tráfego

A Figura 5 ilustra os resultados de atraso fim-a-fim em função da taxa de tráfego. Constata-seque o protocolo AOMDV permaneceu com osmenores valores de atraso fim-a-fim, ao passoque os demais protocolos apresentaramsignificativa elevação do atraso para a taxa de128 kbit/s. Nesse cenário, o protocolo DSDVapresenta o pior desempenho, com nível de

atraso em torno de 800 ms.Analisando os resultados dos gráficos e dastabelas apresentados, observa-se que osprotocolos reativos apresentam desempenhosuperior em relação aos proativos, na grandemaioria dos cenários. Esse fato indica que asfuncionalidades implementadas nos protocolosreativos são mais eficazes em minimizar o


Razão de entrega de pacotes (200 nós)

Atraso fim-a-fim médio (200 nós)


impacto do aumento do número de nós e dastaxas de transmissão sobre tais métricas.Com relação às métricas de QoS maisrelevantes (atraso fim-a-fim, jitter e vazãoefetiva), os protocolos AOMDV, AODV e DSRproporcionaram melhor desempenho noscenários avaliados, como menor nível deoverhead de sinalização. Deve-se, portanto,considerar o suporte à multiplicidade de rotas eaos mecanismos eficientes de descoberta emanutenção as funcionalidades recomendáveispara um protocolo de roteamento orientado aQoS.

4 ConclusãoEste trabalho apresenta uma ampla análisequantitativa do desempenho dos seguintesprotocolos de roteamento para redes Ad Hocsem fio: AODV, AOMDV, DSR, DSDV, OLSR eABR. A partir das observações dos resultados, conclui-se que os protocolos reativos AOMDV, AODV eDSR são mais eficientes, no conjunto dasmétricas de QoS consideradas. Portanto, elessão mais indicados como referência na definiçãode funcionalidades estratégicas para umprotocolo de roteamento orientado a QoS. Valesalientar que os resultados foram obtidos combase em cenários de topologia estática eoutdoor.Os trabalhos futuros incluem a concepção e avalidação de um novo protocolo de roteamentoorientado a QoS, visando suportar serviços devoz sobre IP. Também pretende-se avaliarsoluções do tipo cross-layer, obtidas a partir daintegração de funcionalidades de protocolos deroteamento com a camada MAC e frameworksde QoS.

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QAYYUM, A.; VIENNOT, L.; LAOUITI, A.Multipoint relaying: An efficient technique forflooding in mobile wireless networks.Research Report RR-3898, fevereiro de 2000.Disponível em: <http://citeseer.ist.psu.edu/cs>.Acesso em: 23 jan. 2004.

TOH, C. K. Long-lived Ad Hoc routing basedon the concept of associativity. IETF InternetDraft, março de 1999. Disponível em:<www.ietf.org>. Acesso em: 20 jan. 2004.

NETWORK SIMULATOR – NS-2. Disponívelem: <http://www.isi.edu/nsnam/ns/>.



Abstract

This work shows a comparative analysis of the performance of wireless networks Ad Hoc routingprotocols. AODV, DSR, DSDV, AOMDV, OLSR and ABR are presented and network simulation showsthe performance of each one according to a specific Quality of Services (QoS) metric set. The resultsalow to identify and quantify both strong and weak features of each protocol, which leads to the definitionof an entirely new, optimized routing protocol for voice service provisioning in wireless Ad Hoc networks.The resulting product to be implemented shall provide a low cost system for telephone services inBrazilian rural regions, to be developed by CPqD.

Key words: Routing protocols. Wireless Ad Hoc networks. Voice services. Quantitative analysis.


Multiplexador Óptico Deriva/InsereReconfigurável (ROADM) para redes WDM

Júlio César R. F. de Oliveira*, Luis Renato Monte, Juliano R. F. de Oliveira, Roberto Arradi, Giovanni C. dos Santos, Alberto Paradisi

Este artigo apresenta as funcionalidades, o desenvolvimento e as aplicações de um Multiplexador ÓpticoDeriva/Insere Reconfigurável (ROADM). A construção do ROADM tem como base um módulo dechaveamento e demultiplexação com tecnologia Planar Lightwave Circuit (PLC), que permite a inserção eretirada de canais ópticos em um sistema WDM. Além da inserção e derivação de canais de formatransparente, o ROADM oferece mecanismo de proteção rápida, interfaces de gerência (proprietária –serial e Ethernet – e SNMP), além de empacotamento mecânico compacto. A utilização de ROADMseleva substancialmente o nível de reconfigurabilidade das redes ópticas, pois aumenta (otimiza) acapacidade de transmissão e permite a reconfiguração ou até mesmo a ativação de novos “circuitosópticos” por meio de comandos remotos, ocasionando uma redução significativa nos custos demanutenção e de operação das redes ópticas WDM.

Palavras-chave: ROADM. DWDM. Reconfigurabilidade. Proteção óptica. Redes WDM.

1 Introdução

Redes ópticas com roteamento de comprimentode onda (canais) proporcionam aos sistemas decomunicações um grande aumento em suacapacidade de transmissão por meio daotimização da utilização das fibras ópticasdisponíveis nos backbones. Nesse tipo de rede, oprovisionamento, a proteção e a restauração decaminhos ópticos são processos dinâmicos eautomáticos. Essas funções são realizadas pormeio de elementos capazes de promover ainserção e a remoção de sinais em determinadospontos da rede, proporcionando um elevado graude reconfigurabilidade (OLIVEIRA et al., 2005).Na implementação de uma rede óptica commultiplexação de comprimentos de onda (redesWDM), o provisionamento e a reconfiguraçãodas rotas que a compõem representam umanecessidade fundamental, principalmente nocaso das redes metropolitanas, cujos serviços detransporte de alta capacidade voltados para asgrandes áreas de negócios apresentam custosexcessivos que, em sua maior parte, devem-se àconfiguração manual da rede. As operadoras dacamada óptica necessitam do provisionamentode comprimentos de onda em seus anéisDWDM metropolitanos a um custo bem menorque o oferecido pela tecnologia atualmentedisponível.Com base nessas considerações, algumasempresas fornecedoras de sistemas WDMtrabalham no desenvolvimento deMultiplexadores Ópticos Deriva/InsereReconfiguráveis (Reconfigurable OpticalAdd/Drop Multiplexer – ROADMs), queapresentem preços acessíveis e um sistema deprodução atrativo (em escala).

Muitas empresas e especialistas não consideramalto o valor de mercado de um ROADM quandoconsiderados os benefícios resultantes de suaimplementação na rede e a possibilidade deamortização total em alguns meses. O ROADMpermite que os servidores de serviços abramuma janela em um computador e provisionemuma conexão fim-a-fim de maneira simples eremota. Exemplos: uma conexão GigabitEthernet ou qualquer outra aplicação de altavelocidade de longa distância ou na áreametropolitana. Semelhantemente à Virtual PrivateNetwork (VPN), a conexão é rapidamenteestabelecida quando selecionamos a origem e odestino, sendo que, no caso do ROADM, aconexão é feita na camada óptica.Com a tecnologia DWDM instalada atualmente,que se baseia em sistemas ponto-a-ponto comMultiplexadores Ópticos Deriva/Insere Fixos(OADMs) entre os terminais, o cenário é bemdiferente do descrito. Há a necessidade deconfiguração manual para cada serviço de novaconexão (mesmo inter-office), não só nosextremos do enlace, como em cada um dosOADMs. Para adequar as redes ópticas à dinâmica dossistemas metropolitanos (metro ou regional), cujotráfego é imprevisível, a reconfigurabilidade éimprescindível, uma vez que o tráfego previstoapresenta grande variabilidade em relação aoque realmente é utilizado. Essareconfigurabilidade será o primeiro grandeimpacto (e mais imediato) causado pelautilização dos ROADMs.Na Seção 2, um subsistema contendo umROADM é apresentado e são discutidas asdiferentes tecnologias de fabricação. Na Seção 3,são abordadas as novas funcionalidades



Multiplexador Óptico Deriva/Insere Reconfigurável (ROADM) para redes WDM

apresentadas no cenário das redes ópticaságeis. Em seguida, a Seção 4 apresenta odesenvolvimento da solução ROADM e asfuncionalidades do módulo adquirido, assimcomo o plano de comunicação utilizado, agerência e o mecanismo de proteção óptica. Porfim, é apresentada a conclusão.

2 Evolução das redes ópticas

Os ROADMs são considerados um avançotecnológico e não uma opção de substituição dossistemas Sonet/SDH. Por meio dosmultiplexadores, o método de organização doSonet/SDH é modificado, ou seja, em apenas umpar de fibra é possível, de forma transparente,utilizar 32 ou 40 canais entre quaisquer pontosde acesso do anel, sem a predefinição de canaisou qualquer reconfiguração manual.A Figura 1 ilustra o elemento ROADM inseridoem um sistema óptico de nova geração,composto por Canal de Supervisão (OSC),Módulo Compensador de Dispersão (DCM),transponders, ROADM e amplificadores ópticosna entrada e saída do nó (METCONNEX, 2006).O ROADM realiza as funções de inserção eretirada dos canais, assim como o controle deatenuação por canal (equalização).

Fonte: Metconnex 2006.

Figura 1 ROADM em um nó de uma rede óptica

Os benefícios resultantes da utilização dosROADMs serão apresentados em etapas. Acontribuição mais imediata está relacionada àequalização das perdas entre os comprimentosde onda do anel, reduzindo assim a necessidadede equipamentos capazes de elevar a potênciade saída (amplificadores ou transponders) doscanais do sistema. Em um segundo momento,com o aumento da demanda por serviços parasuporte de redes de armazenamento (StorageArea Networks – SANs) e outras aplicações(office-to-office), a reconfigurabilidade torna-seimprescindível.As diferentes tecnologias utilizadas na fabricaçãodos ROADMs – Planar Lightwave Circuit (PLC-

based), Integrated Wavelength Selectable Switch(IWSS), entre outras – apresentam certaflexibilidade, tornando possível a utilização dosROADMs nas mais diversas configurações deuma rede óptica. As topologias, como rede emanel, em barramento ou rede em malha, sãosuportadas pelos ROADMs sem a necessidadede conversão óptica-elétrica-óptica.A tecnologia necessária para a implementaçãode ROADMs baseia-se em componentesdiscretos conhecidos como atenuadores ópticosvariáveis, splitters, chaves ópticas,multiplexadores e demultiplexadores, existentesno mercado há algum tempo. No entanto, adificuldade de integração desses componentes aum produto compacto e com a possibilidade deprodução em escala eleva substancialmente ocusto dos ROADMs, tornando-os inicialmenteinviáveis para muitas operadoras.Em poucos anos, a tecnologia de fabricaçãoevoluirá significativamente, e o problema decompactação e produção em escala terámelhorado substancialmente em razão detecnologias como a PLC (ELADA et al, 2006).Por meio dessa tecnologia, todos oscomponentes ópticos necessários de uma placa(wafer) de silício são integrados e interligados,possibilitando a manufatura confiável e emgrande escala.Outras tecnologias, como as que se baseiam emMEMs (Micro-Electro-Mechanical Systems) ebloqueadores de comprimento de onda,encontram sérias barreiras relacionadas àconfiabilidade e ao processo de manufatura.

3 Redes ópticas ágeis (AONs)

O cenário atual no mundo das comunicaçõesópticas apresenta cada vez mais a tendência dereconfigurabilidade das redes. O conceito dereconfigurabilidade não se refere somente aROADMs, mas abrange a idéia de uma redeinteiramente reconfigurável, composta portransponders sintonizáveis, amplificadores comcontrole de ganho e supressão de transientes,entre outros. Esse tipo de rede permite reduzir custos pormeio da otimização do desempenho das redes eda utilização da infra-estrutura de fibras ópticasexistente. Nesse contexto, o termo “redes ópticas ágeis”(Agile Optical Networks – AONs) compreendeuma rede (D)WDM reconfiguráveldinamicamente, projetada para acelerar osserviços triple play e habilitar aplicaçõesavançadas na camada óptica (comprimento deonda) com significativa redução de custos. De acordo com relatórios de mercado (OVUM,2006), o mercado para os ROADMs – principaiselementos das AONs – superará o mercado dosOADMs ainda neste ano e alcançará umcrescimento de mais de 40% ao ano.



Figura 2 Aprovisionamento de um novo comprimento de onda: rede fixa e AON

A natureza da reconfiguração dinâmica dasAONs oferece vantagens de custo ecompetitividade únicas, pois possibilita aosprovedores de serviços de comunicações usar demaneira mais eficiente e com maiorescalabilidade a capacidade da rede, por meio deum mecanismo rápido e fácil de provisionamentoe da possibilidade de modificação da topologiada rede com o uso de simples comandos no seusistema de gerenciamento.A Figura 2 ilustra uma comparação entre oprovisionamento em uma rede fixa convencionale em uma AON. Na rede fixa, é necessárioseguir os diversos passos e realizarmanualmente os procedimentos em diferenteslocalidades. Nas redes AONs, baseadas emtransponders sintonizáveis e ROADMs, areconfiguração é realizada remotamente e emsua totalidade, de modo que todas as etapasmanuais da reconfiguração em rede fixa podemser eliminadas. A reconfiguração remota érealizada por meio do aplicativo de gerência, quedeve ser instalado em um computador conectadoà rede TCP/IP (DCN) da operadora detentora dosistema óptico utilizado. A reconfiguração em si érealizada por meio da gerência, que se comunicacom os módulos de inserção e retirada de canaispor meio de um canal de comunicação Ethernet(até o ROADM) e I2C (internamente ao ROADM).Na interface disponibilizada com o usuário, agerência executa qualquer reconfiguração detráfego ou mudança de topologia da rede ópticaem qualquer ROADM conectado.Grandes empresas têm adequado seu portfóliode produtos às necessidades das AONs,permitindo que os serviços em comprimento deonda se adaptem à demanda de tráfego deforma remota e eficiente, suportando, a um custocompatível, o desenvolvimento de novosserviços.Neste sentido, o primeiro passo para promover amigração de redes fixas para redes

reconfiguráveis é a inserção de ROADMs nasredes fixas existentes. Os benefícios de reconfigurabilidade e proteçãoproporcionados pelo ROADM continuarãoválidos, mesmo se utilizados na infra-estruturadas redes fixas tradicionais. Dessa maneira, oROADM pode ser utilizado tanto como upgradedas redes fixas existentes quanto naimplementação das AONs.

4 Solução ROADM em desenvolvimento

Como resposta à demanda crescente porreconfigurabilidade na camada óptica, algunsfabricantes de sistemas e componentesapresentam soluções que viabilizam aconstrução de ROADMs. Essas soluçõesencontradas no mercado se baseiam, em suamaioria, nos módulos capazes de realizar ainserção e retirada dos canais, com variaçõesnas funcionalidades de equalização,possibilidade de proteção e a otimização paracada tipo de topologia de rede.Entretanto, as etapas da construção do “produto”ROADM, como firmware de controle, placa decircuito impresso com suporte a controle eequalização, mecanismo de proteção, gerência eempacotamento mecânico, são realizadas porquem os adquire. Dessa maneira, a construçãodo produto ROADM é de responsabilidade dasáreas de desenvolvimento das operadoras ouempresas de sistemas.Para posicionar e atender as operadoras e omercado nacional de sistemas WDM, o CPqDdesenvolve uma solução ROADM, que provê,além da inserção e retirada de canais, ummecanismo de proteção rápida (< 50 ms),gerência SNMP, gerência proprietária cominterfaces serial e Ethernet, além de topologiaotimizada para operação em redes do tipo anel(2-D leste e oeste), que constitui a maior parte darede, mas também com suporte para redes em


AONRede fixa

• Ajuste OADM fixo• Instalação de transponder• Ajuste ganho do amplificador • Caracterização do enlace• Ajustes finais e teste do enlace

ReconfiguraçãoReconfiguração

“Clique”

AONRede fixa



ReconfiguraçãoReconfiguração

“Clique”


barramento (linha reta).Quanto ao módulo responsável pela inserção eretirada de canais, optamos pela tecnologia PLCem virtude da alta densidade de componentesque proporcionam um compactoempacotamento, confiabilidade e da manufaturaeficiente que já está provocando uma sensívelqueda nos preços dos módulos.Nas próximas subseções, o módulo escolhido, oplano de comunicação entre hardware/firmware egerência, a própria gerência e o mecanismo deproteção em desenvolvimento são apresentados.

4.1 Módulo ROADM e suas funcionalidades

O módulo ROADM é composto por duasunidades básicas: o Reconfigurable Optical AddMultiplexer (ROAM) – responsável pela inserçãode até 40 canais e pelo controle da perda porcomprimento de onda (equalização) – e oDemultiplexer (Demux) – responsável pelaretirada dos canais. Em ambos os módulos, sãorealizadas as monitorações de potências, porcanal e total, e o controle por meio da utilizaçãode atenuadores ópticos variáveis, tanto por canalcomo na potência total. Como comentado anteriormente, os módulospossuem as funcionalidades básicas para aconstrução de um ROADM. No entanto, toda a“inteligência” necessária (firmware de controle eoperação) e as demais etapas já citadasnecessitam ser desenvolvidas com base nosmódulos.A Figura 3 ilustra a arquitetura 2-D (leste e oeste)adequada para redes com topologia em anel ouem barramento, adotada pelo CPqD para odesenvolvimento do ROADM.Há duas funções básicas, uma para cadasentido, executadas no ROAM. A primeira delas,em um dos sentidos, é a divisão do sinal (canaistransmitidos) e seu envio ao Demux e a outroROAM. No Demux, para retirada dos canais quetêm esse nó como ponto final, e no ROAM, parapassagem dos canais que não possuem esse nócomo destino final. A segunda função do ROAMé promover a inserção dos canais por meio dechaves ópticas 2x1 alocadas para cada canal,possibilitando assim, de acordo com oposicionamento da chave, a inserção de um novocanal ou a passagem expressa de um canal.No Demux, em ambos os sentidos, é realizada ademultiplexação do sinal, assim como amonitoração por canal da potência óptica que sepropaga na rede. Dadas as funcionalidades dos módulos, oproduto necessita, primeiramente, de uma infra-estrutura básica capaz de energizar o módulo,comunicar-se com a gerência da rede, ler etomar decisões com base na análise dos alarmesgerados pelo módulo, para só então poderinicializar a operação.

Fonte: JDS Uniphase Corporation (Integrated PLC Reconfigurable Optical AddModule - Product Especification)

Figura 3 Diagrama de blocos do ROADM emdesenvolvimento

4.2 Plano de comunicação (hardware/firmware/gerência)

A definição do plano de comunicação entre ohardware, o firmware e a gerência é uma fasefundamental no processo de desenvolvimento doROADM. Nessa fase de desenvolvimento, sãodefinidos os padrões de comunicação entre asunidades de processamento e os módulos,levando em consideração a inteligência de rededesenvolvida para o ROADM.A Figura 4 apresenta um esquema dascomunicações existentes no ROADM emdesenvolvimento. Os módulos comunicam-secom as unidades de processamento e asunidades de processamento comunicam-se entresi e com a gerência da rede.No ROADM, são utilizados diversos padrões decomunicações, como Ethernet, serial, SPI, entreoutros. Entretanto, parâmetros como velocidade,sincronismo e segurança definem a utilização decada um dos padrões de acordo com a funçãoque a comunicação desempenhará no ROADM.

UP Módulo I

Ethernet/Serial

Ethern et/S

erial

UP Módulo II

UP Módulo I

Ethernet/Serial

Ethern et/S

erial

UP Módulo II

Figura 4 Plano de comunicação interno doROADM

4.3 GerênciaO princípio que define as AONs é a possibilidadede reconfiguração remota da rede óptica,reduzindo drasticamente os custos demanutenção da rede e acelerando suareconfiguração. Nesse contexto, a gerência darede exerce um papel fundamental, uma vez queé por meio dela que se dará todo o processo dereconfiguração. Há uma grande necessidade de



que a gerência “visualize” e atue no ROADM deforma simples e rápida, sendo capaz de obter ostatus dos alarmes e de configurar novas rotas.Para que tais funcionalidades sejam efetivadas, éimportante que o ROADM possua uma rápidainterface de comunicação com a gerência(padronizada ou proprietária). No ROADM emdesenvolvimento no CPqD, tanto uma gerênciapadronizada como uma proprietária estão sendoconstruídas. A gerência padronizada baseia-seno protocolo Simple Network ManagementProtocol (SNMP) e é utilizada tanto paraaquisição ou escrita de qualquer objeto daManagement Information Base (MIB) definidacomo para a geração de traps (avisos), queinformam uma máquina predefinida pelo gerenteda rede sobre qualquer anormalidade naoperação. A gerência proprietária é responsávelpela configuração e reconfiguração da rede(realizada por meio de uma interface gráfica) etambém é capaz de ler e escrever em qualquerobjeto da MIB do ROADM.

4.4 Proteção na camada ópticaNas redes fixas já instaladas, a proteção nacamada óptica representa um custo muitosignificativo, tanto na implantação como namanutenção da rede. Usualmente, são utilizadaschaves eletroópticas na recepção de cada canal.Algumas operadoras constroem um outrosistema para proteção, idêntico ao que está emoperação. Dessa maneira, a proteção nas redesfixas atuais é substancialmente elevada,podendo inclusive aumentar em 100% o custocom a implantação.Utilizando ROADMs e conceitos de engenhariade tráfego e proteção em redes ópticas, épossível projetar um algoritmo de proteção ópticarápido e eficiente, baseado apenas nas chavesópticas e nos pontos de monitoração de potênciapresentes no ROADM. Um algoritmo com essascaracterísticas está em desenvolvimento noCPqD para ser utilizado no ROADM.

5 ConclusãoO cenário atual das comunicações ópticasrevela a necessidade de maior agilidade e

otimização da infra-estrutura, assim como deuma redução dos custos de manutenção dasredes ópticas. Dessa maneira, areconfigurabilidade das redes surge como umadas soluções mais promissoras. De transponderssintonizáveis, passando por amplificadoresinteligentes até ROADMs, a migração das redesfixas para as reconfiguráveis tornou-se umatendência cada vez mais forte, principalmenteapós os avanços tecnológicos que possibilitarama fabricação em escala de módulos ROADMs apreços viáveis.O ROADM em desenvolvimento tem comofinalidade não só a redução dos custos e aobtenção de um alto grau de reconfigurabilidaderesultante de sua implantação, mas também oposicionamento das operadoras e do mercadobrasileiro de sistemas WDM em um estado devanguarda no que diz respeito a subsistemasópticos. As patentes referentes às fases dedesenvolvimento do ROADM e ao subsistemaROADM de 40 canais baseados em PLC,descritas neste artigo, estão sendo elaboradaspara prover proteção intelectual aos resultadosobtidos.

Referências

ELADA, L. et. al. 40-channel ultra-low-powercompact PLC-based ROADM subsystem. In:OFC (OPTICAL FIBER COMMUNICATIONCONFERENCE AND EXPOSITION), Anaheim,EUA, 2006. METCONNEX. ROADM Architectures andImplementations. Disponível em:<http://www.metconnex.com/Products-page/roadm.htm>. Acesso em: 12 set. 2006.

OLIVEIRA, J. C. R. F. et al. EDFA com controleautomático de ganho eletrônico para aplicaçõesem redes WDM. In: SIMPÓSIO BRASILEIRO DETELECOMUNICAÇÕES, Campinas, Brasil, 2005.

OVUM. Transition to Agile Optical Networksdrives ROADM and related modules growth.Disponível em: <www.jdsu.com/aon/insight_agile_modules_oc_global_2.8.06.pdf>. Acesso em: 12set. 2006.

Abstract

This paper introduces the detailed analysis of a Reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexer (ROADM)functions, development and applications. The ROADM is built on an optical module composed by opticalswitches and demultiplexers based on PLC technology (Planar Lightwave Circuit), which provides theadd/drop functions to optical channels of WDM systems. Besides transparent channel add/drop, theROADM provides a fast protection mechanism, proprietary (Serial and Ethernet) and SNMP managementinterfaces, and a compact package. ROADMs improve substantially the optical network reconfigurabilitylevel, increasing and optimizing the transmission capacity and enabling remote reconfigurations of newoptical circuits, in addition to reducing significantly the installation and operational costs of WDMnetworks.

Key words: ROADM. DWDM. Reconfigurability. Optical protection. WDM networks.


Protocolo de controle de acesso do anel de redede comutação óptica de pacotes

Marcos Rogério Salvador*, Eduardo Mobilon, Rodrigo Bernardo, Luis Renato Monte, ViniciusGarcia de Oliveira

Este artigo apresenta um protocolo de controle de acesso ao meio bastante simples e eficiente, que foidesenvolvido para regular transmissões no anel de rede com comutação óptica de pacotes que estásendo prototipado nos laboratórios do CPqD. O artigo descreve o protocolo em detalhes e analisaresultados de desempenho obtidos em experimentos de simulação computacional.

Palavras-chave: MAC. Controle de acesso. Protocolo. Comutação de pacotes. Rede óptica.

1 Introdução

Redes de pacotes com topologia em anel exigemprotocolos de controle de acesso ao meio,conhecidos como protocolos Medium AccessControl (MAC), para organizar as transmissõesentre os nós que estão geograficamentedistribuídos no anel. Entre os vários objetivos queum protocolo MAC deve alcançar, destacam-sealta vazão, baixo atraso e oportunidades justasde acesso ao anel. Em Salvador et al. (2005), é descrito umprotocolo MAC para a BlasteRing (SALVADOR etal., 2005) (SALVADOR et al., 2006) (MOBILONet al., 2006), uma tecnologia de anel de rede depacotes com comutação óptica que está emdesenvolvimento nos laboratórios do CPqD.Concebido para a arquitetura LightRing (CAI &FUMAGALLI, 2001), esse protocolo se baseiaem um pacote de controle denominado token,que circula no anel informando quais enlacesestão disponíveis para transmissão. Nesseprotocolo, a transmissão ocorre somente se osenlaces no caminho até o destinatário datransmissão estiverem ociosos, conformeindicado no token. Para garantir que os nós darede tenham as mesmas oportunidades detransmissão, um nó de rede que tenha alocadoenlaces para uma dada transmissão é obrigado aliberar esses enlaces quando o token retornar, detal forma que esse recurso possa ser usado porum dos nós subseqüentes da rede.Apesar da simplicidade de implementação desseprotocolo, resultados obtidos em modelagemanalítica (Salvador et al., 2005) mostraram queele não apresenta um desempenho adequado,mesmo em condições de tráfego pouco realistas.Embora o desempenho simulado seja limitadopor simplificações da modelagem analítica, éevidente que, em condições de tráfego maisrealistas, o protocolo será bastante ineficiente.Há vários protocolos MAC para anéis de rede depacotes mais eficientes disponíveis na literatura.No que diz respeito a anéis de redes com

comutação óptica de pacotes, esses protocolosse baseiam majoritariamente na técnica demultiplexação no tempo com acesso estatístico,conhecida por slotted ring (VAN AS, 1994).Nessa técnica, divide-se a capacidade total doanel em fatias de tempo (time slots) com duraçãofixa, que circulam o anel indefinidamente,oferecendo oportunidades de transmissão depacotes aos nós do anel (conforme Figura 1).

Cada slot tem um cabeçalho associado para queum nó possa se sincronizar a ele e, assim,transmitir, receber ou encaminhar um pacote.Um slot pode estar no estado vazio ou ocupado(por pacotes), conforme indicado no seucabeçalho. A transmissão é possível somentemediante a chegada de um slot vazio.Tipicamente, os pacotes contidos em um slot sãoremovidos ao chegarem no seu nó destino, deforma que aquele slot possa ser reutilizado poresse nó ou por outros subsequentes. A reutilização espacial resulta em altodesempenho na rede, porém a capacidade extraobtida com este recurso, se não controlada, podegerar sensíveis injustiças de acesso entre os nós



Figura 1 Anel de rede de pacotes comcontrole de acesso do tipo time-slotted

N0

N7 N1

N5

N6 N2

N4

N3

Slots

N0

N7 N1

N5

N6 N2

N4

N3

Slots

Protocolo de controle de acesso do anel de rede de comutação óptica de pacotes

da rede – alguns nós da rede podem ter maisoportunidades de acesso que a média e outros,menos oportunidades que a média. Essasinjustiças, mesmo quando mínimas, podemafetar as camadas superiores e, portanto, devemser evitadas.Este artigo apresenta um protocolo MACbaseado na técnica slotted ring para o protótipoda rede BlasteRing. A Seção 2 descrevesucintamente a arquitetura da rede BlasteRing. ASeção 3 descreve o protocolo MAC em detalhes.A Seção 4 analisa o desempenho da redeBlasteRing com o protocolo MAC descrito, apartir de resultados obtidos em experimentos desimulação computacional. A Seção 5 fazalgumas considerações finais.

2 BlasteRing

A arquitetura da rede BlasteRing consiste de N ≥3 nós conectados por R ≥ 1 par de anéis de fibraóptica de igual comprimento, sempre com adireção de transmissão de um anel oposta àdireção do outro anel. Cada anel suporta C ≥ 2lambdas ou comprimentos de onda habilitadospela tecnologia Wavelength Division Multiplexing(WDM), sendo que um desses lambdas édedicado ao transporte de informações decontrole da rede, tal como o cabeçalho do slot.

A arquitetura do nó de rede, conforme Figura 2,consiste em quatro unidades básicas:

• Unidade de Plano de Controle (UPC):responsável pela oferta de serviços às redes-clientes e pela reserva dos recursos da redepara atender às solicitações de serviços. Essaunidade será implementada na linguagemC/C++ sobre a plataforma Linux PC;

• Unidade de Montagem de Rajada (UMR):responsável pela montagem de pacotesópticos a partir de quadros Ethernet naentrada da rede e pela segregação do pacoteóptico nos quadros Ethernet originais na saídada rede. Essa unidade foi implementada em

VHDL sobre um dispositivo de lógicaprogramável denominado FieldProgrammable Gate Array (FPGA);

• Unidade de Controle de Acesso ao meio(UCAM): responsável por encaminhamento,recepção e transmissão de pacotes ópticos.Essa unidade está sendo implementada nalinguagem C, sem sistema operacional nomodo de emulação de microprocessadorembarcado disponível na FPGA;

• Unidade de Comutação Óptica (UCO):responsável pela remoção ou inserção físicade pacotes ópticos do anel. Essa unidade foiimplementada com multiplexadores ecombinadores WDM e com SemiconductorOptical Amplifiers (SOAs), ou amplificadoresópticos baseados em semicondutores, nafunção de chaves ópticas rápidas do tipo ligae desliga.

O modo de funcionamento básico da rede,considerando-se apenas um anel de fibra e umcomprimento de onda de dados, para facilitar oentendimento, é descrito a seguir.

Na entrada de um nó, o lambda de sinalização éseparado do lambda de dados.Conseqüentemente, o cabeçalho do slot éenviado à UMR e o pacote óptico correspondenteé enviado a uma Fiber Delay Line (FDL), ou linhade atraso baseada em fibra. Esse atraso énecessário para garantir que a UCO estejaconfigurada adequadamente, conformedeterminação da UCAM, após o processamentodo cabeçalho do slot, quando o pacote ópticochegar à UCO. Saindo da FDL, o pacote ópticopassa pelo demultiplexador WDM e chega àUCO correspondente. Nesse ponto, o pacoteóptico é derivado (removido da fibra e recebido),encaminhado ou derivado e encaminhado (nocaso de multicast ou broadcast). Nesse pontotambém pode ser inserido um novo pacote ópticono anel, segundo determinação da UCAM. O tempo estimado para o processamento docabeçalho é de 1 microssegundo, o que nonosso projeto resulta em uma FDL com 200metros de comprimento. Esse tempo é bastanteconservador e pode ser facilmente reduzido a500 nanossegundos.Na saída do nó, o pacote óptico encaminhado ouinserido é multiplexado, juntamente com seucabeçalho correspondente, seguindo em direçãoao nó seguinte.

3 Protocolo MAC

Vários protocolos MAC foram estudados econcebidos neste trabalho (SALVADOR,UESONO & FONSECA, 2005a, 2005b, 2005c)(UESONO, SALVADOR & FONSECA, 2005)(UESONO, FONSECA & SALVADOR, 2006)


Figura 2 Arquitetura do nó da rede BlasteRing

Dados de usuários

UMR + UCAM(VHDL/FPGA)

RX TX RXTX

NMS

RX TX

RXTX

TXRX

TXRX

UPC(C/Linux PC)

RXTX

TX RX

Informações de controle

Nó da rede óptica de pacotes

Ethernet

RX TX

TX RX

RX TX

SDH

TX RX

TXRX

RX TX

UCO (SOA)

RX TX

TXRX

Dados de usuários

UMR + UCAM(VHDL/FPGA)

RX TX RXTX

NMS

RX TX

RXTX

TXRX

TXRX

UPC(C/Linux PC)

RXTX

TX RX

Informações de controle

Nó da rede óptica de pacotes

Ethernet

RX TX

TX RX

RX TX

SDH

TX RX

TXRX

RX TX

UCO (SOA)

RX TX

TXRX


(SALVADOR et al., 2006). O protocolo que serádescrito a seguir foi escolhido para ser integradoao protótipo da rede BlasteRing por seucompromisso com alto desempenho e facilidadede implementação.O protocolo consiste em dois algoritmos, umresponsável pelo controle de acessopropriamente dito e outro responsável pelajustiça de acesso.O algoritmo de controle de acesso é uma versãomodificada do algoritmo do protocolo PacketAggregate Transport (PAT) (SALVADOR, 2003).Nesse algoritmo, a capacidade total do anel édividida em fatias de tempo com duração fixa, talcomo qualquer protocolo do tipo slotted ring.Cada slot pode transportar um único pacoteóptico, que, por sua vez, pode transportar um oumais pacotes de dados (quadros Ethernet). Umpacote óptico nada mais é do que uma rajada nodomínio óptico, após ter sido transmitida.Cada slot possui um cabeçalho, que é convertidopara o domínio eletrônico e processado em cadanó da rede para que este possa determinar se oslot está vazio ou, caso esteja ocupado, em quelambda está o pacote correspondente e o quefazer com esse pacote. A Figura 3 ilustra aorganização entre cabeçalhos, slots e pacotes.

A Figura 4 apresenta a estrutura de um pacoteóptico. O campo Preâmbulo contém umaseqüência de palavras especiais para permitir asincronização do receptor com o pacote óptico. Ocampo Carga útil subdivide-se em váriossegmentos de tamanho fixo, cada um contendoum ou mais quadros Ethernet. A segmentaçãopermite que os recursos do buffer de recepçãosejam alocados e liberados a cada segmento, aoinvés de a cada rajada, reduzindo os custos etornando o projeto aplicável a qualquer tamanhode rajada. Todo segmento contém um campocom bytes de preenchimento (Bytes of Padding –BP), um campo definindo o tamanho do campoBP (Padding Size – PS) e um último campo deverificação de integridade do quadro (CyclicRedundancy Check – CRC). O campo Cabeçalhocontém um campo que indica o número de

segmentos (Number of Segments – NOS)presentes no campo Carga útil e um campo CRCpara verificação de integridade do campo NOS.

A transmissão de uma rajada é possível somentemediante a chegada de um slot vazio.Diferentemente de PAT, em que um slot pode seralocado para transmitir um pacote óptico quecontenha um único pacote de dados,independentemente de seu tamanho, nessealgoritmo, a alocação de um slot vazio ocorrerásomente se houver uma rajada pronta paratransmissão. Em função das decisões deengenharia de tráfego ou de roteamento tomadaspela UPC, uma rajada pronta para transmissãopoderá ser enviada em um slot vazio somente seo slot e o lambda em que a rajada está para sertransmitida forem aceitáveis do ponto de vista deengenharia de tráfego ou de roteamento.O pacote óptico contido em um slot é removidoao chegar ao destino para que esse slot possaser reutilizado por aquele nó ou por outrossubseqüentes. A desmontagem da rajada ocorreconforme explicado anteriormente.

A Figura 5 apresenta o fluxograma que descreveo algoritmo de controle de acesso.

O segundo algoritmo é responsável por evitarque alguns nós da rede tenham maisoportunidades de acesso que outros. Nessealgoritmo, que é uma versão modificada doalgoritmo do protocolo SAT (CIDON & OFEK,1993), um sinal de controle denominado Satisfied(SAT), implementado por um bit no cabeçalhodos slots (1-SAT presente; 0-SAT ausente),circula pelos nós do anel, atribuindo cotas detransmissão (em unidade slot) predeterminadas.Se o nó que recebe o SAT possuir pelo menos


Figura 3 Slot, pacote óptico, pacotes declientes e cabeçalhos de slot

∆t Cabeçalhos

L1

L2

Li

LC-1

Lh

Pacote óptico

Pacote de cliente

Slots

Figura 4 Estrutura do pacote óptico

Carga útil

CR

CQuadrosEthernet

CR

C...

Preâmbulo

NO

S

CR

C

PS

PS

...Segmento 1 Segmento n

BP Quadros

Ethernet

BP

Cabeçalho Carga útil

CR

CQuadrosEthernet

CR

C...

Preâmbulo

NO

S

CR

C

PS

PS

...Segmento 1 Segmento n

BP Quadros

Ethernet

BP

Cabeçalho

Figura 5 Algoritmo de controle de acesso

tem crédito?

Transmite cabeçalho

Transmite pacote óptico

SimNão

Não

Sim

Atualiza cabeçalho

Atualiza crédito

Seleciona pacote óptico

Deriva pacote óptico

Sou o destinatário?

Slotvazio?

Slot chega

Atualiza cabeçalho


SimNão

tem crédito?


Transmite pacote óptico

SimNão

Não

Sim

Atualiza cabeçalho

Atualiza crédito

Seleciona pacote óptico

Deriva pacote óptico

Sou o destinatário?

Slotvazio?

Slot chega

Atualiza cabeçalho


SimNão


uma rajada para transmitir e ainda não tivertransmitido L rajadas, então esse nó reterá oSAT (atualizando em 0 o bit apropriado docabeçalho do slot que trouxe o SAT), até que nãohaja mais rajadas para transmitir ou que tenhamsido transmitidas L rajadas. A não-liberação doSAT impede que os outros nós tenham suascotas renovadas, fazendo com que, em algummomento, parem de transmitir. Permitem que onó que possui o SAT tenha oportunidades parautilizar sua cota. Uma vez satisfeito, o nó libera oSAT (atualizando em 1 o bit apropriado docabeçalho do primeiro slot que aparecer).

A Figura 6 apresenta o fluxograma que descreveo algoritmo de justiça de acesso.

A estrutura do cabeçalho do slot, que na versãoem prototipagem ocupa 32 B, contém osseguintes campos:

• S (Status): campo que indica se o slot estávazio (0) ou ocupado (1). Um slot vaziocontém os campos S, TTL, DA, SA eReservado preenchidos com zeros;

• F (Fairness): campo que indica se o sinal SATestá presente (1) ou ausente (0);

• TTL (Time-to-Live): campo que indica onúmero máximo de hops (nós) que a rajadacontida no slot pode atravessar no anel. Cadanó da rede decrementa esse campo em um,toda vez que encaminha o slot para o próximonó. No entanto, se o valor for zero, o nódescartará a rajada contida no slot e marcaráo slot como vazio;

• DA (Destination Address): campo que indica odestinatário daquele slot. Se DA for igual aoendereço do nó que está processando o slot,então a rajada será recebida e o slot serámarcado como vazio, podendo ser reutilizadopelo próprio nó para a transmissão de umanova rajada ou por nós subseqüentes;

• SA (Source Address): campo que indica oremetente daquele slot. Se SA for igual aoendereço do nó que está processando o slot,

então a rajada será descartada e o slot serámarcado como vazio, podendo ser reutilizadopelo próprio nó para a transmissão de umanova rajada ou por nós subseqüentes;

• Reservado: reservado para uso futuro. Estecampo não é processado;

• CRC (Cyclic Redundancy Check): calculadosobre o conteúdo de todos os outros campos,permite a cada nó determinar se o cabeçalhoestá integro. Ao receber o cabeçalho, todo nócalcula um CRC sobre o conteúdo docabeçalho, excluindo o campo CRC, e ocompara com o CRC contido no cabeçalho.Se forem diferentes, o que indica um erro deintegridade, então a rajada (se houver uma)será descartada e o slot será marcado comovazio. O campo F também será marcado comzero, independentemente do seu valoranterior. Cabe ao nó mestre detectar aausência do SAT e reinseri-lo na rede. Antesde enviar o slot para o próximo nó, o nócalcula o CRC sobre o novo cabeçalho eatualiza o campo CRC do cabeçalho comesse novo CRC.

Os tamanhos dos campos estão reduzidosvisando ao processamento do cabeçalho do slote à execução das ações correspondentes em 1microssegundo. Esses campos podem serfacilmente aumentados para os tamanhosadotados na indústria, com o uso de umprocessador de cabeçalho de maiordesempenho.Os dois algoritmos estão sendo implementadosem C (sem sistema operacional), no modo deprocessador embarcado disponível na FPGA(denominado NIOS-II), o que traz altodesempenho e simplifica enormemente odesenvolvimento dos protocolos.

4 Análise de desempenho

Os resultados de desempenho da rede,apresentados nesta seção, foram obtidos em umsimulador computacional de eventos discretosdesenvolvido na linguagem Java. Seguindo asrecomendações de Pawlikowski, Joshua-Jeong eRuth-Lee (2002), o simulador usa intervalo deconfiança como critério de parada e o gerador denúmeros pseudo-aleatórios Mersenne Twister(MATSUMOTO & NISHIMURA, 1998), contido nabiblioteca Colt-lib, desenvolvida pela OrganizaçãoEuropéia para Estudos Nucleares (CERN).Nos experimentos, foi considerada uma redecom 16 nós ligados por um anel de 100 km deextensão, com uma única fibra óptica e um únicocomprimento de onda para o transporte de dados(numa única direção). Resultados deexperimentos realizados com mais comprimentosde onda de dados, seja com uma única fibraóptica ou com duas fibras ópticas transmitindo


Figura 6 Algoritmo de justiça de acesso

Renova crédito e encaminha SAT

Há pacote óptico a

transmitir?

Exauriu crédito de

transmissão?

Retém SAT

Sim

Não

Sim

Não

Chega slot

SAT está presente?

Sim

Não

Possui SAT?

Não

SimRenova crédito e encaminha SAT

Há pacote óptico a

transmitir?

Exauriu crédito de

transmissão?

Retém SAT

Sim

Não

Sim

Não

Chega slot

SAT está presente?

Sim

Não

Possui SAT?

Não

Sim


em direções opostas, com roteamento pelomenor caminho, não apresentados nestetrabalho, confirmaram que o desempenho darede aumenta linearmente com o aumento donúmero de comprimentos de onda de dados. A taxa de transmissão e o tamanho dos slotsadotados nos experimentos é de 10 Gbit/s e 64kB de tamanho equivalente. O tamanho do slot ésuficiente para compensar o tempo deprocessamento de cabeçalho, equivalente a 10kbit por slot, resultando numa ineficiência detransporte de 13,5%.Foram considerados dois cenários de tráfego:simétrico e assimétrico. No primeiro, todos osnós geram a mesma carga de tráfego para todosos outros nós da rede. No segundo, o nó 16 geraa mesma carga de tráfego para os outros nós,enquanto os nós de 1 a 15 geram 50% do tráfegopara o nó 16 e o restante para os outros nós deforma balanceada. Nos dois cenários, a chegada de pacotes segueo modelo de Poisson e os tamanhos dos pacotesderivam-se da distribuição apresentada emClaffy, Miller e Thompson (1998), porémconsiderando IPv6: 64 B (60%); 596 B (15%);700 B (5%); 800B (5%); 1.100 B (7%); 1.500 B(8%). Foram assumidos quatro tamanhos derajada: 64 B (nesse caso um único pacote emuma fila já constitui uma rajada), 16 kB, 32 kB e64 kB. Todos os resultados estão dentro dointervalo de confiança de 90%.A Figura 7 apresenta a vazão total da rede emfunção da carga total injetada na rede no cenáriosimétrico. A vazão total consiste na soma davazão de cada nó, que é determinada pela razãoentre o total de bytes de dados transmitidos e acapacidade (em bytes) disponibilizada paraaquele nó durante o experimento.

As curvas mostram que o tamanho de rajada nãoinfluenciou a vazão da rede e que em todos oscasos foram obtidas vazões bastante altas. Nota-se que as vazões estão ligeiramente abaixo dacarga injetada. Isso ocorre por causa do tamanhodos slots, do baixo número resultante de slots

(apenas 9) disponíveis na rede e do tamanho dasrajadas, o que dificulta o acesso e gera um certoacúmulo de pacotes nas filas, nos nós da rede.Esse acúmulo tem reflexos nos atrasos médiossofridos pelos pacotes, conforme Tabela 1.Atraso médio consiste na média dos atrasossofridos por todos os pacotes, do momento emque entram na fila até o momento em que sãocompletamente transmitidos. Também reflete nataxa de descarte de pacotes, embora a 150% decarga não ocorra uma perda de pacotes sequer.

Tabela 1 Atraso total médio sofrido por cadapacote-cliente sob tráfego simétrico

Tamanhoda rajada

Carga

50% 100% 150%

64 B 3,8 ms 3,8 ms 4,2 ms

16 kB 3,7 ms 3,8 ms 4 ms

32 kB 7 ms 3,6 ms 4 ms

64 kB 13 ms 6,5 ms 4,5 ms

Pelos números contidos na Tabela 1, percebe-seque, a baixas cargas, as rajadas menores levama atrasos mais baixos, o que é compreensíveluma vez que, apesar de os slots trafegaremsubutilizados, ainda não ocorre uma competiçãotão grande por eles. A situação começa a seinverter a partir de 100% de carga, quando acompetição por slots torna-se acirrada. Nessacondição, a espera pela montagem de rajadasmaiores, resultando no uso mais eficiente dosslots, mostra-se vantajosa.A Figura 8 apresenta o grau de justiça da redeem função da carga total injetada na rede nocenário simétrico. O grau de justiça nessecenário é determinado pela razão entre a vazãodo nó com maior vazão e a vazão do nó commenor vazão. Quanto mais próximo de 1, melhoré a justiça de acesso da rede.

As curvas mostram que, apesar das pequenasvariações, o tamanho da rajada não influencioude forma considerável o grau de justiça da rede,


Figura 8 Grau de justiça de acesso sob tráfegosimétrico

99,65%

99,70%

99,75%

99,80%

99,85%

99,90%

99,95%

25% 50% 75% 100% 125% 150% 175% 200%

Carga

Gra

u de

just

iça

64 B 16 kB 32 kB 64 kB

Figura 7 Vazão total da rede sob tráfegosimétrico

0%

20%

40%

60%

80%

100%

120%

140%

160%

180%

25% 50% 75% 100% 125% 150% 175% 200%

Carga

Vazã

o to

tal d

a re

de

64 B 16 kB 32 kB 64 kB


que em todos os casos foi próximo do ótimo. A Figura 9 apresenta a vazão total da rede emfunção da carga total injetada na rede no cenárioassimétrico. As curvas mostram a influência dotamanho da rajada na vazão total da rede.Quanto maior a rajada, maior é a vazãoalcançada. Isso ocorre porque no cenárioassimétrico a competição pelos slots é bastanteacirrada, mesmo a baixas cargas. Portanto,quanto maior a rajada transmitida em um slot,mais eficiente é a sua utilização e,conseqüentemente, melhor são os parâmetrosde desempenho.

Assim como no cenário simétrico, e pelo mesmomotivo, a vazão não aumenta na mesmaproporção que a carga. O acúmulo de pacotesnas filas ocorre já a baixas cargas, sendo que ataxa de descarte de pacotes é maior para rajadasde tamanhos menores. Por exemplo, para otamanho de rajada de 64 B, descartes depacotes já ocorrem em algumas filas de algunsnós a uma carga de apenas 25%, sendo quepara o tamanho de rajada de 64 kB, isso ocorresomente quando a carga está próxima de 75%.Portanto, no cenário assimétrico, fica ainda maisevidente a necessidade do uso eficiente dosslots.A Figura 10 apresenta o grau de justiça da redeem função da carga total injetada na rede nocenário assimétrico – apesar da diferença nadistribuição do tráfego, o total de tráfego geradoem cada nó da rede é o mesmo e, portanto,aplica-se o mesmo cálculo de grau de justiça docenário simétrico.As curvas apresentadas na Figura 10 são umreflexo das curvas apresentadas na Figura 9 edas explicações daquelas curvas. Nota-se que,quanto menor o tamanho da rajada, maior é adegradação do grau de justiça em função dacarga da rede. Isso ocorre em virtude do usomais eficiente dos escassos recursos de rede(slot) com rajadas de tamanho maior e por causada limitação de SAT+ (e outros derivados deSAT) em lidar com distribuições assimétricas detráfego (SALVADOR, 2003).

5 Conclusão

Vários protocolos MAC têm sido concebidos eestudados neste projeto, que busca odesenvolvimento de uma arquitetura inovadorade rede fundamentada na comutação óptica depacotes, culminando em um protótipo de redepara prova de conceito. O protocolo MAC descrito neste trabalho foiselecionado para ser implementado e integradonesse protótipo de rede, cuja arquitetura édenominada BlasteRing. A seleção desseprotocolo em detrimento de outros se deve a seubom compromisso entre desempenho ecomplexidade de implementação. Acomplexidade de implementação é um itemfundamental em redes com comutação óptica depacotes, afinal, nessas redes o grande gargalo éo processamento eletrônico, não a transmissão.As figuras de desempenho apresentadas nestetrabalho consideram slots de 64 kB em função dotempo de processamento de cabeçalho de 1microssegundo. Esse tempo pode ser facilmentereduzido para 500 nanossegundos, o queresultaria em slots de 32 kB e,conseqüentemente, no dobro do número deslots. Conforme comprovado em Salvador(2003), o número de slots disponíveis no anelafeta consideravelmente o desempenho do anel,principalmente em condições acirradas decompetição por slots, como em cenários detráfego com distribuição assimétrica.Patentes estão sendo solicitadas para essesdesenvolvimentos.

Referências

CAI, J., FUMAGALLI, A. LightRing: A distributedand contention-free bandwidth on-demandarchitecture. In: IFIP WORKING CONFERENCEON NETWORK DESIGN AND MODELING,2001, Viena, Áustria.


Figura 9 Vazão total da rede sob tráfegoassimétrico

0%

20%

40%

60%

80%

100%

120%

140%

160%

25% 50% 75% 100% 125% 150% 175% 200%

Carga

Vazã

o to

tal d

a re

de

64 B 16 kB 32 kB 64 kB

Figura 10 Grau de justiça de acesso sob tráfegoassimétrico

0%

20%

40%

60%

80%

100%

120%

25% 50% 75% 100% 125% 150% 175% 200%

Carga

Gra

u de

just

iça

(%)

64 B 16 kB 32 kB 64 kB


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Abstract

This paper presents a simple and yet efficient medium access control protocol designed to regulateaccess in the optical packet switching ring network that is being prototyped at CPqD labs. The paperdescribes the protocol in details and analyzes performance numbers collected in computer simulationsexperiments.

Key words: MAC. Access Control. Protocol. Packet Switching. Optical Network.


ISSN 1809-1946

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Cláudia de Andrade Tambascia, Marcos de Carvalho Marques, Luciano Maia Lemos, JoséManuel Martin Rios, Daniel Moutinho Pataca, Romulo Angelo Zanco Neto, Giovanni Moura deHolanda, Juliano Castilho Dall'Antonia

Ismael Mattos Andrade Ávila, José Carlos Lima Pinto, Luciano Maia Lemos, Giovanni Moura deHolanda

Roberto Petry, Carlos Henrique R. Oliveira, José Antonio Martins

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Cadernos CPqD Tecnologia - Vol 2 Nº 2