Cadernos CPqD Tecnologia V3 Nº 1 by CPqD

Cadernos Tecnologia Vol. 3 â&#x20AC;˘ n. 1 â&#x20AC;˘ janeiro/junho 2007

Cadernos CPqD Tecnologia Editores-Chefes João Marcos Travassos Romano Claudio A. Violato Editores Executivos Antonio Carlos Gravato Bordeaux Rego Claudio de Almeida Loural Cleida A. Queiroz Cunha Marco Antonio Ongarelli Mario Tosi Furtado Comitê Editorial (Fórum de P&D do CPqD) João Marcos Travassos Romano (Universidade Estadual de Campinas – Unicamp) Adonias Costa da Silveira (Instituto Nacional de Telecomunicações – Inatel) Denise Consonni (Sociedade Brasileira de Microondas e Optoeletrônica – SBMO) Hugo Luís Fragnito (Universidade Estadual de Campinas – Unicamp) José Augusto Suruagy Monteiro (Sociedade Brasileira de Computação – SBC) Paulo Roberto Freire Cunha (Sociedade Brasileira de Computação – SBC) Rui Seara (Sociedade Brasileira de Telecomunicações – SBrT) Weiler Alves Finamore (Sociedade Brasileira de Telecomunicações – SBrT)

Assistentes Editoriais Adriana Maria Antonietta Bevilacqua Maria Fernanda Simonetti Ribeiro de Castilhos Preparação de Originais e Revisão Elisabete da Fonseca Evanir Brunelli Márcia I. O. Andrade Bozzi Marco Antonio Storani Maria Paula Gonzaga Duarte Rocha Sergio Ricardo Mazzolani Projeto Gráfico, Capa e Diagramação Gerência de Documentação e Localização – GDL Tiragem 800 exemplares Correspondência e Pedidos de Assinatura Assessoria de Comunicação e Inteligência de Mercado – ACIM Rodovia Campinas–Mogi-Mirim, km 118,5 CEP 13086-902 – Campinas, SP – Brasil DDG: 0800.7022773 e-mail: marketing@cpqd.com.br Diretoria do CPqD Presidente: Hélio Marcos M. Graciosa Vice-Presidente de Tecnologia: Claudio A. Violato Vice-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.3, n.1, jan./jun. 2007 Semestral Resumos em português e inglês ISSN 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 em Telecomunicações, dedicada à divulgação das pesquisas desenvolvidas pela instituição. A revista é distribuída gratuitamente. Esta revista foi impressa pela IGIL – Indústria Gráfica Itu Ltda., com miolo em papel Offset 75g/m2 e capa em papel Triplex 250g/m2 para o CPqD em julho de 2007.

ISSN 1809-1946

Cadernos CPqD Tecnologia Vol. 3, n. 1, janeiro/junho 2007

Apresentação Claudio A. Violato..................................................................................................................................... 3 Em memória de Ricardo Benetton Martins.............................................................................................. 4 Prefácio João Marcos Travassos Romano........................................................................................ 5 Analisador de Diagrama de Olho: Desenvolvimento e protótipo de um equipamento de baixo custo para monitoração da qualidade do sinal óptico no Projeto GIGA Eduardo Mobilon, Miriam Regina Xavier de Barros, Fábio Donati Simões, Amauri Lopes......................7 VDSL2: Uma nova tendência para redes de acesso em banda larga Tania Regina Tronco, José Manoel Duarte Mendes..............................................................................17 Transmissão de voz em redes Ad Hoc sem fio Paulo Henrique Marques Santos, Márcia Vicentini de Carvalho, José Antonio Martins........................27 A dinâmica de sistemas aplicada à análise de difusão de TICs no mercado brasileiro Graziella Cardoso Bonadia, Giovanni Moura de Holanda, Ricardo Benetton Martins............................39 Heurística de auto-tuning para escalonadores dedicados a aplicações bag-of-task em grades computacionais Domingos Creado, Roseli Carniello Lopes.............................................................................................51 Metodologia para segmentação de clientes, identificação de grupos e conhecimento de mercado Claudia Sciortino de Reina, Adriana Petrielli, Eduardo de Rezende Francisco .....................................59 Propriedade intelectual do CPqD.............................................................................................................73

Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 3, n. 1, p. 1-82, jan./jun. 2007

Apresentação

Estamos apresentando o terceiro volume dos Cadernos CPqD Tecnologia. A experiência de editar esta publicação desde o segundo semestre de 2005 reflete-se já na maior maturidade dos processos de elaboração dos artigos pela Comunidade do CPqD e de sua aprovação e seleção pelo Comitê Editorial, cujas deliberações e recomendações têm proporcionado freqüentes oportunidades de aprimoramento desses processos, conferindo-lhes maior agilidade, e promovido uma evolução nos padrões de qualidade dos artigos publicados. A partir deste número, os Cadernos CPqD Tecnologia passam a contar com uma nova seção, voltada à divulgação da propriedade intelectual gerada pelo CPqD. A cada semestre serão publicados nessa seção os pedidos de registro de patentes depositados durante o semestre anterior, bem como as patentes concedidas ao CPqD no mesmo período. Neste número, essa seção abrange o ano de 2006 e o primeiro semestre de 2007. Trata-se de uma ampliação do escopo de difusão tecnológica, dentro da missão de contribuir para o desenvolvimento das tecnologias de informação e comunicação no Brasil através da difusão dos resultados alcançados nos projetos de pesquisa e desenvolvimento realizados pelo CPqD. Neste primeiro semestre de 2007 ocorreram mudanças na composição do nosso Conselho Editorial. Devido ao encerramento de seus mandatos no Fórum de P&D do CPqD, deixaram de fazer parte do Conselho Editorial dos Cadernos CPqD Tecnologia os professores Flávio Rech Wagner, da SBC, José Mauro Pedro Fortes, da SBrT, e Virgílio Augusto Almeida, da UFMG. Gostaria de registrar nosso agradecimento pelas contribuições para a publicação dos Cadernos, cujo nível de qualidade é resultado direto de muitas de suas sugestões e julgamentos. A partir deste semestre, passaram a compor o Fórum de P&D e o Conselho Editorial dos Cadernos os professores Hugo Luís Fragnito, da Unicamp, José Augusto Suruagy Monteiro, da SBC, e Rui Seara e Weiler Alves Finamore, da SBrT. Agradecemos aos novos membros por sua disposição de colaborar com os Cadernos, o que já se manifesta nesta edição. Iniciando uma nova fase de consolidação dos Cadernos, esperamos atingir um público leitor cada vez maior e assim contribuir para o desenvolvimento das tecnologias de informação e comunicação brasileiras.

Claudio A. Violato Vice-Presidente de Tecnologia

Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 3, n. 1, p. 3-4, jan./jun. 2007

Em memória de Ricardo Benetton Martins (1958 – 2007)

Qualquer assunto relacionado a TV Digital é hoje associado ao Benetton, tanto no Brasil quanto na América Latina. Ele foi o articulador e coordenador das ações que resultaram no Modelo de Implantação da TV Digital, feito sob encomenda da Anatel em 2002, e no Modelo de Referência do Sistema Brasileiro de TV Digital (SBTVD), de 2003 a 2006. Bacharel e mestre em Física pela Unicamp e doutor em Ciências dos Materiais pela Universidade de Paris, chegou ao CPqD em 1985 para atuar nas áreas de P&D em optoeletrônica e materiais semicondutores. Nesse período, muito contribuiu para o desenvolvimento da microscopia eletrônica aplicada à confiabilidade de dispositivos, fundamental para o domínio tecnológico brasileiro em lasers semicondutores. A partir de 1996, atuou em diversas áreas de desenvolvimento tecnológico do CPqD, de

comunicações ópticas a planejamento de serviços de telecomunicações e, em 2004, assumiu a Diretoria de TV Digital. Sob sua direção, dezenas de pesquisadores do CPqD desenvolveram pesquisas, análises e estudos visando a construção das melhores soluções para o País, e contribuíram para a consolidação dos trabalhos realizados pelos consórcios universitários contratados via FINEP. Ultimamente, além de coordenar o projeto SBTVD no CPqD, já em sua segunda fase, era responsável por um projeto voltado à inclusão digital. Um de seus grandes sonhos: desenvolver tecnologias e soluções que permitissem integrar e incluir todo tipo de pessoa à sociedade, possibilitando o pleno usufruto da cidadania. Benetton deixa a esposa Marcia e os filhos Alexandre e Rafaela.

Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 3, n. 1, p. 3-4, jan./jun. 2007

Prefácio

Apresentam-se, neste terceiro volume da revista Cadernos CPqD Tecnologia, seis novos artigos envolvendo avanços tecnológicos e projetos recentes ou ainda em andamento no CPqD. A diversidade e a relevância dos temas tratados permitem ao leitor adquirir uma visão abrangente das atividades de pesquisa e desenvolvimento no âmbito do CPqD. O primeiro artigo, de Mobilon e colaboradores, descreve a implementação em hardware de um método para reconstrução de diagramas de olho baseado em técnicas de processamento digital de sinais. A solução proposta resultou em um equipamento de baixo custo para monitoração da qualidade de sinais em redes de comunicações ópticas. No segundo artigo, Tronco e Mendes analisam a evolução da tecnologia ADSL2+, apontada hoje como líder de mercado para soluções de banda larga, residenciais e corporativas, e adequada para serviços do tipo triple play, considerando as perspectivas técnica e mercadológica. O terceiro artigo, de Santos e colaboradores, fornece uma análise da qualidade da transmissão de voz em redes Ad Hoc sem fio, considerando fatores como o codificador de voz utilizado, atraso, variação do atraso (jitter) e perda de pacotes. Apresentam-se, ainda, os resultados de testes de desempenho de um conjunto de algoritmos estudados. No quarto artigo, Bonadia e colaboradores apresentam um estudo sobre a difusão de Tecnologias de Informação e Comunicação (TICs) no mercado brasileiro, almejando adquirir conhecimento sobre o mercado e o comportamento do consumidor diante de um novo produto ou serviço. No quinto artigo, Creado e Lopes propõem uma heurística que fornece funcionalidades de auto-tuning para escalonadores de tarefas existentes em grades computacionais, clusters ou implementados em sistemas. O sexto artigo, de Reina e colaboradores, apresenta os resultados de uma metodologia de segmentação de clientes, desenvolvida em parceria com a AES Eletropaulo. A proposta propicia a geração de novos conhecimentos e estimativas de mercado, com a definição de soluções, produtos e serviços adequados a diferentes segmentos. Podemos observar um crescente interesse, por parte da Comunidade CPqD, pela submissão de trabalhos aos Cadernos. Isso torna nossa tarefa de avaliação e seleção mais cuidadosa e também mais estimulante. Agradeço, então, aos diversos membros do Fórum, pelo apoio no processo de revisão de artigos e de consolidação da qualidade e do interesse de nossa revista para a comunidade de tecnologia da informação.

João Marcos Travassos Romano Presidente do Fórum de P&D do CPqD

Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 3, n. 1, p. 5-6, jan./jun. 2007

Analisador de Diagrama de Olho: Desenvolvimento e protótipo de um equipamento de baixo custo para monitoração da qualidade do sinal óptico no Projeto GIGA Eduardo Mobilon*, Miriam Regina Xavier de Barros, Fábio Donati Simões, Amauri Lopes** Este artigo descreve o desenvolvimento de um equipamento de baixo custo para monitoração da qualidade de sinais em redes de comunicações ópticas. Trata-se da primeira implementação em hardware, de que temos conhecimento, de um método para reconstrução de diagramas de olho baseado em técnicas de processamento digital de sinais. O Analisador de Diagrama de Olho desenvolvido permite a monitoração do desempenho das redes de comunicação por meio da estimação da taxa de erro de bit (BER) através de métodos estatísticos e cálculo do Fator-Q. Uma análise morfológica do diagrama de olho reconstruído também é proposta, a qual permite uma investigação qualitativa de efeitos que penalizam o sistema de comunicação, tais como ruído de fase e de amplitude, além de distorções causadas por efeitos de propagação lineares e não-lineares. Um protótipo completo do equipamento foi desenvolvido e construído para análise de desempenho dos sinais ópticos da Rede Experimental de Alta Velocidade do Projeto GIGA. Palavras-chave: Diagrama de olho. DSP. Comunicações ópticas. Sistemas WDM. Monitoração. Introdução A área temática de redes ópticas do Projeto GIGA (SCARABUCCI et alli, 2004) tem por objetivo o desenvolvimento de soluções que possibilitem a evolução dos sistemas ópticos em direção a um aumento das capacidades de tráfego, de configuração dinâmica e do alcance geográfico, de tal forma que as demandas de serviços possam ser atendidas de maneira mais eficiente e econômica. A estratégia utilizada para se elevar a capacidade de tráfego dos sistemas ópticos é o aumento da taxa de modulação e do número de canais WDM – tecnologia que permite a transmissão simultânea de diferentes comprimentos de onda em uma mesma fibra óptica. Porém, isso requer maior atenção às potenciais falhas na rede de comunicação, o que implicaria um grande número de usuários sem conexão e, conseqüentemente, uma grande perda na receita financeira da operadora da rede. O aumento do alcance geográfico é obtido através de várias técnicas, como o uso de amplificadores ópticos, de compensadores de dispersão, de formatos de modulação especiais e de códigos corretores de erros. Isso permite que os sinais se propaguem por longas distâncias sem conversão para o domínio elétrico, o que contribui para a redução do custo e a complexidade dos sistemas de transmissão. Em contrapartida, com o maior alcance geográfico dos sistemas ópticos, o sinal não é processado nos nós intermediários, o que dificulta a

identificação de degradações ou falhas do sinal e a manutenção da qualidade dos serviços para o usuário final. A capacidade de configuração dinâmica das redes ópticas permite o atendimento rápido da demanda de tráfego e possibilita a recuperação do sinal ante as possíveis falhas na rede. Entretanto, como a configuração está baseada em roteamento dos canais WDM por diferentes caminhos, a rede pode apresentar condições de operação desfavoráveis para a qualidade de propagação do sinal óptico, causando interrupções na transmissão. A evolução dos sistemas ópticos torna essencial o desenvolvimento de soluções para a monitoração da qualidade do sinal no domínio óptico. Através dessa monitoração, é possível prever potenciais falhas decorrentes de degradações na qualidade do sinal e evitar suas conseqüências danosas. Existem três tipos principais de limitações ópticas que causam degradações na qualidade do sinal e, eventualmente, falhas na rede: ruído, distorção e flutuações temporais. Essas limitações podem ser causadas por falha de equipamentos ou por efeitos na propagação pelo canal óptico. As falhas nos equipamentos incluem flutuações ou quedas do nível de potência do transmissor, da potência de bombeio dos amplificadores ópticos, variações do comprimento de onda do transmissor, entre outras. Os efeitos de propagação incluem ruído óptico do amplificador, dispersão cromática, dispersão do modo de polarização, distorções e interferências causadas

*Autor a quem a correspondência deve ser dirigida: mobilon@cpqd.com.br **Universidade Estadual de Campinas (Unicamp), Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação (FEEC). Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 3, n. 1, p. 7-15, jan./jun. 2007

Analisador de Diagrama de Olho: Desenvolvimento e protótipo de um equipamento de baixo custo para monitoração da qualidade do sinal óptico no Projeto GIGA

por efeitos ópticos não-lineares, atraso no tempo de chegada dos bits (jitter), entre outros. As técnicas de monitoração óptica que visam identificar a causa e localizar as limitações ópticas mencionadas foram organizadas em três camadas (KILPER et alli, 2004). A primeira delas lida com a monitoração dos canais WDM, incluindo técnicas para a identificação da presença dos canais, seus comprimentos de onda, níveis de potência e relação sinal-ruído óptica. A camada 2 trata da monitoração da qualidade do canal óptico, incluindo técnicas para estatística de diagrama de olho, Fator-Q, relação sinal-ruído elétrica e distorções. A camada 3 é responsável pela monitoração de informações de protocolos de dados, incluindo medidas digitais como taxa de erro de bit (BER). Recentemente, uma solução para estimativa da BER foi proposta (ANDRÉ et alli, 2001) (HANIK et alli, 1999). Essa técnica de monitoração consiste na construção e análise de um histograma de amplitude do sinal óptico, obtido através do uso de um fotodetector PIN e de um osciloscópio digital. Neste trabalho, apresentamos a primeira implementação em hardware, de que temos conhecimento, de uma técnica de monitoração de camada 2 baseada em processamento digital de sinais (MOUSTAKIDES et alli, 2002) (NOIRIE et alli., 2002) para reconstruir diagramas de olho de um sinal, a partir de amostras obtidas por um processo de subamostragem assíncrona. A técnica permite a identificação de ruído, distorções e flutuações temporais dos pulsos do sinal analisado. Essa implementação resultou no desenvolvimento e protótipo de um Analisador de Diagrama de Olho – um equipamento de baixo custo destinado à monitoração de redes de comunicações ópticas (MOBILON, BARROS & LOPES 2006). O desempenho desse equipamento foi analisado para diferentes condições de relação sinal-ruído óptica, através da comparação dos resultados das estimativas da taxa de erro dos diagramas de olho reconstruídos e dos obtidos de forma síncrona, isto é, utilizando um osciloscópio digital de amostragem em operação convencional. Esses resultados foram, ainda, comparados com as taxas de erro efetivamente medidas por um equipamento medidor de BER comercial. A Seção 1 descreve o método matemático de reconstrução do diagrama de olho. O protótipo e o desenvolvimento do hardware são apresentados na Seção 2. A Seção 3 trata da validação experimental dos algoritmos e do protótipo do equipamento. 1

Técnica de reconstrução do diagrama de olho

Um diagrama de olho de um sinal digital de alta

freqüência pode ser obtido através da técnica de amostragem de tempo equivalente, utilizada nos osciloscópios digitais de amostragem. Ela é baseada no fato de que, em razão da periodicidade do sinal analisado, um formato de pulso e um diagrama de olho podem ser criados com amostras capturadas em diferentes períodos do sinal analisado, dentro de uma dada janela de tempo. Essa arquitetura pressupõe a existência de um circuito de base de tempo de alta precisão para gerar atrasos de duração progressiva da ordem de picossegundos e com baixíssimo atraso no tempo de chegada dos pulsos de clock (jitter) para controlar as aquisições do conversor analógico-digital. Além disso, um circuito de disparo (trigger) de alta freqüência é necessário para detectar as transições do sinal quando o osciloscópio é “rearmado” após o término de cada conversão. O Analisador de Diagrama de Olho (ADO) desenvolvido é baseado em técnicas de processamento digital de sinais (Digital Signal Processing – DSP) que são aplicadas a um conjunto de dados para a reconstrução de um diagrama de olho. Amostras de um sinal digital óptico de alta freqüência são capturadas utilizando uma freqüência de amostragem muito baixa e totalmente descorrelacionada com a taxa de bit do sinal analisado. O conjunto de dados resultante desse processo de amostragem assíncrona, conforme Figura 1a, parece não conter nenhuma informação útil. Na verdade, seu conteúdo espectral contém informações de freqüências que podem ser utilizadas em um processo de sincronização e correção de fase de cada ponto (amostra), o que leva à reconstrução de um período completo de um diagrama de olho, conforme Figura 1b. O processo de amostragem assíncrona é uma solução de baixo custo, quando comparada com os osciloscópios digitais de amostragem, e ainda apresenta o benefício da transparência à taxa de bit do sinal analisado. Essa transparência decorre da falta de necessidade de uma recuperação de relógio, o que, em muitos casos, exigiria a operação em uma dada taxa de bit fixa. Assim, é possível a monitoração do desempenho de uma rede óptica de comunicação sem nenhum conhecimento prévio do protocolo ou da taxa de bit dos sinais transmitidos. A componente de freqüência utilizada para a correção de fase das amostras é obtida através do cálculo de um periodograma – um método de estimação espectral aplicado ao conjunto de dados obtidos por subamostragem assíncrona. Porém, o conjunto original de amostras precisa ser primeiramente modificado de tal forma que uma componente de freqüência intensa possa ser identificada no espectro obtido. Esta será a freqüência escolhida para o algoritmo de sincronização (correção de fase) e reconstrução

Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 3, n. 1, p. 7-15, jan./jun. 2007

Analisador de Diagrama de Olho: Desenvolvimento e protótipo de um equipamento de baixo custo para monitoração da qualidade do sinal óptico no Projeto GIGA

do diagrama de olho.

uma dada seqüência. O periodograma de y[n] é apresentado na Figura 2. Após a modificação do conjunto original de amostras (obtidas de forma assíncrona), componentes de freqüência podem ser claramente observadas e a mais intensa é escolhida para ser utilizada no processo de sincronização e reconstrução do diagrama de olho.

(a)

Figura 2 Periodograma da seqüência modificada y[n] com componentes espectrais de freqüência claramente visíveis

(b) Figura 1 (a) Conjunto de dados obtidos por subamostragem assíncrona de um sinal digital óptico de alta freqüência e (b) seu correspondente diagrama de olho reconstruído

Basicamente, a remoção do nível DC e a aplicação de uma função não-linear foram as modificações utilizadas para este propósito. O periodograma, que é essencialmente uma média do quadrado do módulo da transformada de Fourier discreta (Discrete Fourier Transform – DFT), é então calculado utilizando as seguintes expressões:

P (ω ) =

1 M

M −1

∑ Y (ω ) k =1

(1)

e L −1

Yk (ω ) = ∑ y[kL + m] ⋅ e − jω m

(2)

Para a reconstrução do diagrama de olho, uma correção da posição de cada amostra na seqüência x[n] deve ser realizada. Isso pode ser feito por meio de um processo de sincronização com relação à informação de freqüência obtida pelo cálculo do periodograma, que corresponde a uma versão da freqüência de bit com sobreposição espectral (alias), em decorrência da violação do teorema de Nyquist no processo de subamostragem (MOUSTAKIDES et alli, 2002). A idéia é baseada no fato de que, para qualquer período T e qualquer instante de tempo t, sua razão é dada por: j

Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 3, n. 1, p. 7-15, jan./jun. 2007

(3)

Desvios de fase acumulam-se com o tempo. No entanto, considerando-se que eles são pequenos localmente, um período do diagrama de olho pode ser reconstruído a partir da seguinte seqüência, calculada utilizando uma janela de tempo suficientemente pequena de 2K+1 pontos:

m=0

em que y[n] representa a seqüência de amostras modificada. Considerando-se que apenas a informação de freqüência é necessária, fatores de normalização não foram aplicados na estimação do espectro de potência obtido pelo periodograma, calculado para cada um dos M blocos de L amostras de

2π

t arg(e T ) = T 2π

Yn(ω ) =

∑

y[n + k ] ⋅ e

− jkωb

(4)

k =− K

em que ωb representa a freqüência de bit com sobreposição espectral obtida pelo método do periodograma. Agora, a partir de (3) e (4), as amostras da seqüência x[n] podem ter sua posição no tempo

Analisador de Diagrama de Olho: Desenvolvimento e protótipo de um equipamento de baixo custo para monitoração da qualidade do sinal óptico no Projeto GIGA

corrigida de acordo com os seguintes pares:

{t[n], x[n]}

com

t[ n ] =

arg(Yn[ω ]) 2π

(5)

Em nossa implementação, um algoritmo eficiente do tipo quicksort foi utilizado para organizar a seqüência t[n] em ordem ascendente. Cada troca de posição efetuada em t[n] teve uma contrapartida em x[n], levando à reconstrução de um período completo do diagrama de olho. 2

Protótipo e desenvolvimento do hardware do Analisador de Diagrama de Olho

O equipamento ADO, baseado na técnica descrita para a reconstrução do diagrama de olho, foi desenvolvido para uso em um sistema de monitoração do desempenho de uma rede óptica de comunicação. Algoritmos dedicados são utilizados para a análise morfológica do sinal e estimação da taxa de erro de bit através de métodos estatísticos e cálculo do Fator-Q, aplicados sobre o diagrama de olho recuperado (reconstruído), gerando parâmetros para a qualificação do desempenho da rede de comunicação. A Figura 3 mostra um diagrama de blocos do ADO. Sampling

DSP

Network Management Interface

para amostragem de sinais de microondas (até 25 GHz) foi utilizado em nosso projeto para capturar amostras do sinal digital de alta velocidade para a reconstrução do diagrama de olho. Esse dispositivo, cujo diagrama de blocos é apresentado na Figura 5, utiliza uma arquitetura especial de linha de transmissão não-linear que gera um pulso de alta velocidade para polarizar um diodo de amostragem. Então, um amplificador de carga cria uma forma de onda na saída com formato de impulso Full Width at Half Maximum (FWHM) com duração de 4 ns, cuja amplitude diferencial é diretamente proporcional ao sinal de RF amostrado.

Figura 4 Foto do módulo optical interface board do Analisador de Diagrama de Olho desenvolvido Microwave Sampler

Figura 3 Diagrama de blocos do Analisador de Diagrama de Olho desenvolvido

O primeiro bloco realiza uma conversão optoelétrica do sinal analisado e constitui a entrada de sinal óptico do equipamento. Um fotodetector de avalanche (Avalanche Photo Detector – APD), juntamente com um amplificador de ganho variável (Variable Gain Amplifier – VGA) de 10 GHz é utilizado para essa função. O VGA escolhido incorpora detectores de RF que foram aproveitados para a implementação de um circuito de controle automático de ganho (Automatic Gain Control – AGC), que assegura uma tensão de saída constante dentro de uma faixa dinâmica de 15 dB para a entrada óptica. A Figura 4 mostra uma foto da placa de interface óptica desenvolvida (optical interface board). O segundo bloco é o módulo de amostragem, responsável pela aquisição assíncrona de amostras do sinal digital de alta freqüência. Esse é o bloco mais crítico do equipamento. Conversores analógico-digitais comuns apresentam uma “janela de amostragem” com duração muito maior do que as transições de alta freqüência (tempos de subida e descida) do sinal analisado. Em 10 Gbit/s, por exemplo, as transições duram 25 ps. Um módulo específico

Fonte: Folha de dados do módulo de amostragem da Picosecond Pulse Labs

Figura 5 Diagrama de blocos do módulo de amostragem

A entrada de disparo do módulo de amostragem deve ser excitada por pulsos diferenciais ECL ou PECL com transições não maiores que 100 ps, para garantir baixo jitter. Adicionalmente, a saída FWHM com forma de onda impulsiva deve ser digitalizada exatamente 7,2 ns após a aplicação do pulso de disparo, por um conversor analógicodigital rápido com abertura de 500 ps, ou menos, para garantir baixo erro de amplitude. Um circuito especial de base de tempo foi desenvolvido utilizando uma linha de atraso integrada para gerar o pulso de disparo para o módulo de amostragem e, 7,2 ns mais tarde, o pulso de captura para o conversor analógicodigital. Para garantir as transições com duração menor que 100 ps, um driver de silício-germânico (SiGe) foi utilizado para formatar os pulsos de clock enviados ao módulo de amostragem.

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Analisador de Diagrama de Olho: Desenvolvimento e protótipo de um equipamento de baixo custo para monitoração da qualidade do sinal óptico no Projeto GIGA

Nesse estágio, técnicas especiais de layout foram utilizadas para evitar a filtragem de alta freqüência e distorções que aumentariam os tempos de transição. A Figura 6 mostra um detalhe da placa de disparo (strobe board) com o driver de SiGe e as linhas de transmissão com geometria microstrip, que vão até o local onde conectores especiais de RF do tipo SMP seriam soldados. Esta é uma placa de quatro camadas construída em FR-4. Figura 8 Foto do módulo DSP board do Analisador de Diagrama de Olho desenvolvido

Figura 6 Detalhe do layout do módulo strobe board desenvolvido – no estágio de excitação do módulo de amostragem

A Figura 9 mostra a placa de processamento digital de sinais montada sobre a placa de aquisição e o módulo de amostragem já soldado e conectado na placa de disparo. Esse conjunto corresponde aos dois blocos principais do equipamento – os módulos de amostragem e de processamento digital de sinais.

Um conversor analógico-digital rápido (105 MSPS) com resolução de 12 bits foi utilizado para digitalizar o pulso de saída do módulo de amostragem. Ele é montado na placa de aquisição, que também incorpora uma memória First In First Out (FIFO) capaz de armazenar mais de 200 mil amostras. A Figura 7 mostra fotos das placas de disparo do módulo de amostragem (strobe board) no lado direito (acima) e de aquisição (acquisition board) no lado esquerdo (abaixo). O módulo de amostragem é montado no meio das placas.

Figura 7 Foto dos módulos strobe board (direita e acima) e acquisition board (esquerda e abaixo) do Analisador de Diagrama de Olho desenvolvido

O terceiro bloco principal do ADO, a placa de processamento digital de sinais (DSP board), é responsável pela reconstrução do diagrama de olho, pela análise morfológica e pela estimação da taxa de erro de bit do sinal analisado através de algoritmos especiais implementados em um software (firmware) executado em um processador digital de sinais de alto desempenho da Texas Instruments – TMS320F2812. A Figura 8 apresenta uma foto da placa de processamento digital de sinais, que é montada sobre a placa de aquisição. Ela foi desenvolvida utilizando uma estrutura de seis camadas em FR-4.

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Figura 9 Foto do conjunto dos blocos principais do Analisador de Diagrama de Olho desenvolvido – os módulos de amostragem e de processamento digital de sinais

Finalmente, o último bloco conecta o equipamento a um sistema de gerência de rede por meio de uma interface padrão Ethernet. Existe, ainda, uma opção de conexão local, através de uma interface RS-232C. Um microcontrolador com arquitetura padrão 8051 foi utilizado, juntamente com um processador de protocolo com pilha TCP/IP, no projeto e na construção da placa de interface de gerência (management interface board), conforme Figura 10.

Analisador de Diagrama de Olho: Desenvolvimento e protótipo de um equipamento de baixo custo para monitoração da qualidade do sinal óptico no Projeto GIGA

Figura 10 Foto do módulo management interface board do Analisador de Diagrama de Olho desenvolvido

A Figura 11 mostra fotos do protótipo completo

do ADO, já acondicionado em uma caixa para armário de 19 polegadas. Um software de visualização foi desenvolvido em C++ Builder, criando uma interface gráfica de usuário (Graphical User Interface – GUI) que permite operações de gerência e supervisão da rede utilizando o ADO. A tela principal do software é apresentada na Figura 12. Pode-se observar um diagrama de olho reconstruído, juntamente com informações sobre a estatística do sinal analisado, como o Fator-Q, a taxa de erro de bit (BER) e a potência óptica de entrada. Há duas barras de rolagem que permitem a alteração da amplitude do diagrama, bem como um deslocamento horizontal para observação de seu ponto de cruzamento.

Figura 11 Fotos do protótipo completo do Analisador de Diagrama de Olho acondicionado em uma caixa para armário de 19 polegadas

Figura 12 Tela principal do software de visualização que opera em conjunto com o Analisador de Diagrama de Olho

Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 3, n. 1, p. 7-15, jan./jun. 2007

Analisador de Diagrama de Olho: Desenvolvimento e protótipo de um equipamento de baixo custo para monitoração da qualidade do sinal óptico no Projeto GIGA

Validação experimental dos algoritmos e do protótipo do Analisador de Diagrama de Olho

O desempenho do ADO foi verificado através do arranjo experimental mostrado na Figura 13. Um analisador SDH gerando um sinal óptico PRBS de 2,488 Gbit/s foi utilizado como medidor da taxa de erro. O amplificador óptico número 1 compensa as perdas de inserção dos componentes ópticos passivos. O número 2 é responsável pela geração de ruído de emissão espontânea amplificada (Amplified Spontaneous Emission – ASE), que é somado ao sinal de saída do primeiro amplificador. Controlando-se a potência de saída do amplificador 2, é possível obter a variação da relação sinal-ruído óptica e, dessa forma, a geração de diagramas de olho com e sem ruído. Dois atenuadores ópticos, A1 e A2, garantem um nível de potência óptica constante nas entradas do medidor da taxa de erro, de um osciloscópio digital de amostragem (DCA) e do Analisador de Diagrama de Olho. A freqüência de amostragem utilizada no ADO foi determinada empiricamente e situa-se ao redor de 2 MHz, apesar de que valores ainda menores como 20 kHz poderiam ser utilizados (MOBILON, BARROS & LOPES 2005). -5 dBm

10%

30%

OSA

BER Meter

70%

90%

BER =

 −Q2     2 

e , Q 2π

(7)

A Figura 14 apresenta os valores da BER estimada pelo ADO e pelo osciloscópio digital de amostragem, juntamente com valores efetivamente medidos pelo medidor da taxa de erro, em função da relação sinal-ruído óptica. 4

Measured BER Synchronous Eye Reconstructed Eye

8 10 12

Synchronous

Reconstructed

14 -15 dBm

50%

DCA EDA

50%

Eye Diagram Analyzer

Figura 13 Arranjo experimental utilizado para a validação dos algoritmos e do protótipo do Analisador de Diagrama de Olho

O conjunto de dados obtido foi inicialmente processado em um computador. Então, os algoritmos desenvolvidos em Matlab foram reescritos em ANSI-C e programados no DSP. O tempo de aquisição e processamento do ADO é da ordem de 4 segundos, sendo que 75% desse tempo é consumido pelo algoritmo de ordenação, que rearranja as seqüências t[n] e x[n] para corrigir a posição das amostras obtidas e, assim, reconstruir um período do diagrama de olho. A taxa de erro de bit (BER) é estimada pelo ADO (e também pelo osciloscópio digital de amostragem) através do cálculo do Fator-Q, de acordo com a seguinte equação:

µ1 − µ0 , σ1+ σ 0

18 20

0 dBm

em que µi e σi correspondem à média e ao desvio padrão das distribuições de bits 1 (i=1) e bits 0 (i=0), considerando-se uma janela de mil amostras no meio do diagrama de olho (correspondendo idealmente ao melhor instante de amostragem do circuito de decisão de um receptor digital). Essa janela de mil pontos é obtida a partir do diagrama de olho síncrono (capturado pelo osciloscópio digital de amostragem) e do diagrama de olho reconstruído pelo ADO. Então, a BER pode ser obtida a partir da seguinte expressão:

-log (BER)

(6)

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OSNR (dB)

Figura 14 Taxas de erro estimadas e medidas para diferentes diagramas de olho, em função da relação sinal-ruído óptica

Os resultados mostram uma excelente correspondência entre os valores de BER estimados pelo ADO (a partir de diagramas de olho reconstruídos) em relação aos obtidos pelo osciloscópio digital de amostragem (a partir de diagramas de olho obtidos de forma síncrona, utilizando a técnica de amostragem de tempo equivalente). O gráfico mostra uma ligeira discrepância entre os valores de BER estimados e os efetivamente medidos pelo medidor da taxa de erro. Isso pode ser explicado considerando-se o fato de que o medidor de BER utilizado apresenta um limiar de decisão fixo, estabelecido no valor médio da amplitude do bit, ao passo que a estimativa de BER através do cálculo do FatorQ utiliza um limiar de decisão ótimo que, neste caso, estará ligeiramente abaixo do anterior, em função da presença de ruído óptico (que predomina sobre o bit 1). É por essa razão que o

Analisador de Diagrama de Olho: Desenvolvimento e protótipo de um equipamento de baixo custo para monitoração da qualidade do sinal óptico no Projeto GIGA

instrumento indica uma BER um pouco maior que a estimada pelo ADO e pelo osciloscópio digital de amostragem. A estimação da taxa de erro de bit pode ser ainda mais aprimorada através de um ajuste de curvas que utiliza uma mistura de gaussianas, por meio de um algoritmo específico de maximização, como recentemente reportado (MOUSTAKIDES et alli, 2002) (NOIRIE et alli, 2002). Um trabalho em andamento concentra-se no estudo e na implementação de uma análise morfológica do diagrama de olho recuperado (reconstruído), com o objetivo de inferir possíveis causas para a degradação de um dado sistema de comunicação (MOBILON, BARROS & LOPES, 2006a). Dessa forma, o ADO seria capaz de detectar, por exemplo, distorções geradas por algum efeito óptico linear ou não-linear, ruído ASE acumulado por amplificações ópticas sucessivas, desvios nos tempos de chegada dos pulsos (jitter) e outros efeitos prejudiciais relacionados à forma de onda (morfologia) do pulso. Isso é possível porque o diagrama de olho reconstruído mantém a mesma forma de onda do pulso do sinal amostrado. Simulações computacionais foram realizadas para verificar as distorções morfológicas de um diagrama de olho penalizado por alguns efeitos ópticos lineares e não-lineares, além do próprio ruído elétrico do receptor, conforme Figura 15. O primeiro (a) corresponde ao diagrama de olho de referência, que é transmitido por um enlace de comunicação óptica simulado. O segundo (b) apresenta os efeitos da atenuação excessiva e a conseqüente baixa relação sinal-ruído elétrica no receptor óptico. O terceiro diagrama (c) apresenta mais ruído nos traços correspondentes ao bit 1, o que evidencia uma baixa relação sinalruído óptica (resultante, por exemplo, do acúmulo de ruído ASE nas amplificações ópticas sucessivas). O quarto (d) é distorcido pela dispersão cromática, enquanto o quinto (e) resulta da dispersão do modo de polarização (Polarization Mode Dispersion – PMD). Finalmente, o último diagrama (f) é um exemplo de distorção causada por efeitos não-lineares, como a automodulação de fase (Self Phase Modulation – SPM). Uma primeira abordagem para o ADO realizar uma análise morfológica dos diagramas de olho é seu tratamento na forma de imagens, as quais seriam então comparadas com padrões previamente armazenados, cada qual correspondendo a um diagrama de olho distorcido por um efeito conhecido. No entanto, não é possível o estabelecimento de uma relação biunívoca entre a forma de um diagrama de olho e um dado efeito de propagação. Essa questão ainda está sob investigação.

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

Figura 15 Diagramas de olho de um mesmo sinal (a), sob efeito de (b) baixa SNR, (c) baixa OSNR, (d) dispersão cromática, (e) PMD e (f) efeitos nãolineares, gerados por simulação computacional

Conclusão Este artigo apresentou o desenvolvimento e os detalhes de construção do protótipo de um equipamento Analisador de Diagrama de Olho de baixo custo. Trata-se da primeira implementação em hardware, de que temos conhecimento, de um método para a reconstrução de diagramas de olho baseado em técnicas de processamento digital de sinais. Ele pode ser uma poderosa ferramenta para monitoração óptica, qualificando o desempenho da rede de comunicação através da estimação da taxa de erro de bit (BER) e da análise morfológica dos pulsos transmitidos. Seu desempenho foi verificado comparando-se as taxas de erro estimadas e diretamente medidas para diferentes valores de relação sinal-ruído óptica. O protótipo foi construído para análise de desempenho da Rede Experimental de Alta Velocidade do Projeto GIGA. Referências ANDRÉ, P. S. B. et alli. Optical performance monitor based on asynchronous detection. In:

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Analisador de Diagrama de Olho: Desenvolvimento e protótipo de um equipamento de baixo custo para monitoração da qualidade do sinal óptico no Projeto GIGA

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MOBILON, E.; BARROS, M. R. X.; LOPES, A. Low cost eye diagram reconstruction and morphological analysis for optical network performance monitoring using digital signal processing techniques. In: IEEE INTERNATIONAL TELECOMMUNICATIONS SYMPOSIUM – ITS, 2006a. MOUSTAKIDES, G. et alli. Eye diagram reconstruction using asynchronous imperfect sampling, application to BER estimation for fiberoptic communication systems. In: EUROPEAN SIGNAL PROCESSING CONFERENCE – EUSIPCO, 2002. NOIRIE, L. et alli. New transparent optical monitoring of the eye and BER using asynchronous under-sampling of the signal. In: EUROPEAN CONFERENCE ON OPTICAL COMMUNICATIONS – ECOC, 2002. SCARABUCCI, R. R. et alli. GIGA Project: A Brazilian high-speed optical network testbed. In: EUROPEAN CONFERENCE ON OPTICAL COMMUNICATIONS – ECOC, 2004.

Abstract This paper describes the development of low cost equipment for signal quality monitoring in optical communication networks. To our knowledge, it is the first hardware implementation of a method for eye diagram reconstruction based on digital signal processing techniques. This eye diagram analyzer equipment allows the performance monitoring of the communication networks by means of bit error rate (BER) estimation through statistical methods and Q-Factor calculation. A morphological analysis of the reconstructed eye diagram is also proposed, which allows a qualitative investigation of impairing effects that degrade the communication system, such as phase and amplitude noise, besides distortions caused by linear and non-linear propagating effects. A complete prototype was developed and assembled for optical signal performance analysis in the experimental high-speed network testbed of the Brazilian GIGA Project. Key words: Eye diagram. DSP. Optical communications. WDM systems. Performance monitoring.

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VDSL2: Uma nova tendência para redes de acesso em banda larga Tania Regina Tronco*, José Manoel Duarte Mendes Atualmente, a tecnologia ADSL2+, adequada para serviços do tipo triple play, lidera o mercado de soluções em banda larga residenciais e corporativas. Entretanto, os fabricantes já estão desenvolvendo a tecnologia VDSL2, compatível com todo o legado DSL, cujas altas taxas possibilitam o aprovisionamento de serviços avançados tais como múltiplos canais de TV de alta definição (HDTV) sobre a infra-estrutura de cobre existente. Embora o acesso baseado em fibra na casa do assinante ofereça taxa e custo de manutenção mais atrativos, essa solução ainda não é viável economicamente, pois algumas operadoras possuem uma ampla infra-estrutura de cobre instalada. Palavras-chave: xDSL. ADSL2/2+. VDSL2. Acesso à Internet. Acesso em banda larga. Introdução Atualmente, os fabricantes de equipamentos e provedores de serviços de telecomunicações estão testando soluções para redes de acesso que atendam à demanda de serviços do tipo triple play, ou seja, serviço de voz, dados e vídeo simultaneamente. A demanda por banda no acesso vem aumentando de forma significativa. A Figura 1 ilustra a necessidade de banda para vários tipos de aplicações.

Fonte: Light Reading, 2006

Figura 2 Instalações residenciais do futuro

Tabela 1 Demanda futura de tráfego Aplicação

Fonte: Light Reading, 2006

Nesse tipo de instalação, tudo é digital, integrado e baseado em tecnologia de pacotes. Além disso, por meio de uma única entrada (um único provedor), todos os tipos de serviço podem ser ofertados. A Tabela 1 ilustra a demanda de tráfego em Mbit/s prevista para serviços do tipo multiplay.

Navegação Web

5 Mbit/s

Telefones

0,1 Mbit/s

Jogos

1 bit

Controle eletrodomésticos

2 Mbit/s

2 canais de vídeo digital MPEG

10 Mbit/s

2 canais de videoconferência

2 Mbit/s

TV de alta definição (HDTV)

19,2 Mbit/s

Total

39,3 Mbit/s

Figura 1 Demanda de tráfego por aplicação

A Figura 2 ilustra as instalações de acesso previstas para atender à crescente demanda de tráfego dos usuários residenciais.

Taxa requerida

Para atender a essa demanda, diversas tecnologias de acesso estão sendo propostas, tais como: VDSL2, PON e Ethernet. As tecnologias de acesso mais relevantes atualmente são: ADSL2/2+, VDSL2, Passive Optical Network (PON), Cabo, Wi-Fi/WiMAX e Ethernet. A escolha por uma delas depende de vários fatores, como, por exemplo, rede de cobre instalada, possibilidade de instalação de fibras, etc. A tecnologia xDSL ainda é bastante atrativa para empresas operadoras que possuem uma ampla planta de cobre instalada e será descrita a seguir em termos de funcionamento, tipos,

*Autor a quem a correspondência deve ser dirigida: tania@cpdq.com.br Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 3, n. 1, p. 17-26, jan./jun. 2007

VDSL2: Uma nova tendência para redes de acesso em banda larga

padronização, 1

vantagens

desvantagens.

xDSL

As redes de acesso baseadas em pares de cobre começaram a ser instaladas há mais de um século e têm se prestado muito bem para atender às necessidades da rede de telefonia. Entretanto, com o crescimento da Internet, essas redes têm evoluído para suportar a comunicação de dados. Nesse novo cenário, nasceu a tecnologia Digital Subscriber Line (DSL) para transportar dados em alta velocidade e telefonia sobre pares de cobre. Isso é feito inserindo-se a parte de dados no espectro de freqüências que não é utilizado para voz, ou seja, freqüências maiores que 4 kHz, conforme Figura 3.

possibilitava o transporte de 144 kbit/s (2 canais de 64 kbit/s e um canal de 16 kbit/s, simultaneamente). O HDSL ou DSL de alta taxa surgiu em 1994 oferecendo até 2 Mbit/s simétrico, uma alternativa ao E1 do padrão de multiplexação europeu com taxa de 2 Mbit/s. Várias outras formas de DSL foram desenvolvidas para tornar os serviços competitivos nessa tecnologia. Em 1999, o ITU-T (ITU Telecommunication Standardization Sector) padronizou o ADSL. Os padrões ITU-T para ADSL mais conhecidos são o G.Lite (G.992.2) e o G.DMT (G.992.1). O ADSL provê até 8 Mbit/s de taxa downstream e 1 Mbit/s de upstream. Em 2002, o ITU-T padronizou o ADSL2+ e o VDSL e, atualmente, o ADSL2+ possibilita taxas downstream de até 24 Mbit/s e upstream de até 3,5 Mbit/s. O ADSL2++ provê 50 Mbit/s downstream e o VDSL2 até 100 Mbit/s simétrico. 1.1 DSL simétrico

Fonte: Aware, 2004

Figura 3 Espectro de freqüências do ADSL

No entanto, essa tecnologia não permite atingir longas distâncias. A distância típica entre a residência e a operadora é de 2 km. Quando o sinal chega à primeira central de comutação, a parte de voz é separada dos dados e enviada para a rede de telefonia, ao passo que os dados são enviados para a rede de dados Internet. Atualmente, há três tipos de DSL: o simétrico, que transmite a mesma taxa de bits tanto no sentido usuário-rede (upstream) quanto no sentido rede-usuário (downstream); o assimétrico, que transmite a taxa downstream maior que a taxa upstream; e o simétrico e assimétrico, que pode transmitir nos modos simétrico e assimétrico. Exemplos desses tipos de DSL são: DSL simétrico: • High Data Rate Digital Subscriber Line (HDSL); • Symmetric Digital Subscriber Line (SDSL); • Symmetric High Bit Rate Digital Subscriber Line (SHDSL). DSL assimétrico: • Asymmetric Digital Subscriber Line (ADSL); • Asymmetric Digital Subscriber Line 2 (ADSL2); • Asymmetric Digital Subscriber Line 2+ (ADSL2+); • Asymmetric Digital Subscriber Line 2++ (ADSL2++). DSL simétrico e assimétrico: • Very High Bit Rate Digital Subscriber Line (VDSL). O primeiro tipo de DSL surgiu em 1984 e

O HDSL possibilita comunicação simétrica à taxa de 1,544 Mbit/s, utilizando dois pares de cobre e à taxa de 2,048 Mbit/s, com três pares de cobre. Atinge distâncias de até 4 km. O SDSL é uma versão do HDSL que opera nas mesmas taxas, mas requer apenas um par metálico, atingindo distâncias máximas de 3,4 km. O G.SHDSL é a mais nova versão da tecnologia SDSL e suporta taxas upstream e downstream de até 2,3 Mbit/s, podendo atingir distâncias de até 6,6 km. 1.2 DSL assimétrico A tecnologia DSL somente cresceu e se expandiu com o desenvolvimento do ADSL, que atende às necessidades dos usuários tanto em termos de custo quanto em termos de banda para Web browsing. A popularidade e a padronização do ADSL têm contribuído para a queda dos custos e o conseqüente aumento do número de usuários: de 18 milhões em 2001 para 110 milhões em 2004 (83% de crescimento ao ano). A Figura 4 ilustra a evolução dos sistemas DSL.

Fonte: EFM, 2006

Figura 4 Evolução do DSL

O ADSL utiliza duas faixas de freqüência separadas, uma para comunicação upstream e outra para comunicação downstream. No ADSLpadrão, a faixa de 25,875 kHz até 138 kHz é

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VDSL2: Uma nova tendência para redes de acesso em banda larga

usada para comunicação upstream, ao passo que a faixa de 138 kHz até 1,104 kHz é usada para comunicação downstream. O sinal de voz na Public Switched Telephony Network (PSTN) fica na faixa de 0 a 4 kHz e é separado da parte de dados por meio de um dispositivo denominado splitter. A Figura 5 ilustra a distribuição de freqüências. Cada faixa de freqüência é subdividida em canais com freqüência de 4,3125 kHz. Durante a fase de inicialização, o modem ADSL executa seqüências de testes para verificar e selecionar os canais que possuem relação sinal/ruído adequada. A utilização de um número reduzido de canais, caso haja muito ruído na linha, resulta na redução da vazão (throughput) da conexão ADSL. O modem ADSL agrega e multiplexa os canais upstream, downstream e voz em blocos e insere um código corretor de erro em cada bloco. A capacidade de cada canal depende do método de modulação utilizado: Carrier-less Amplitude/Phase (CAP) ou Discrete MultiTone (DMT). A modulação DMT é uma técnica de modulação multiportadoras, na qual os dados são coletados e distribuídos sobre uma grande quantidade de portadoras, cada uma utilizando um tipo de modulação analógica Quadrature Amplitude Modulation (QAM). Os canais são criados utilizando técnicas digitais conhecidas como Discrete Fast-Fourier Transform (DFT).

Fonte: Aware, 2004

Figura 5 Plano de freqüências do ADSL

A modulação CAP é um outro tipo de modulação, na qual os dados modulam somente uma portadora, que depois é transmitida na linha telefônica. Antes da transmissão, a portadora é suprimida e reconstruída na recepção. A Figura 6 ilustra o esquema de modulação DMT para ADSL2 e ADSL2+.

Fonte: Aware, 2004

Figura 6 Evolução do DSL

No ADSL2, são utilizados 256 tons de modulação

DMT, sendo a máxima freqüência downstream 1,1 MHz. No ADSL2+, são utilizados 512 tons e a máxima freqüência downstream é 2,2 MHz. A Tabela 2 ilustra os padrões ADSL: a) ADSL (G.DMT) – opera com transmissões assimétricas, com velocidade downstream que varia de 32 kbit/s até 8 Mbit/s (em múltiplos de 32 kbit/s) e upstream de 32 kbit/s até 1 Mbit/s (em múltiplos de 32 kbit/s) para o backbone da rede, atingindo distâncias de até 6 km. Utiliza a modulação DMT. b) ADSL (G.Lite) – é uma variação lite do ADSL, oferece capacidade máxima de download de 1,536 Mbit/s, muito menor que o full rate ADSL e taxa máxima de upstream de 512 kbit/s (em múltiplos inteiros de 32 kbit/s). Esse padrão é out of the box, sem splitter – o padrão apropriado para PCs, ou seja, de fácil instalação na casa do usuário. c) ADSL2 (G.DMT.bis e G.Lite.bis) – este padrão quase dobra (bis) a taxa downstream e melhora o alcance do ADSLpadrão em até 200 metros. Esse resultado é obtido por meio de modulação mais eficiente, redução do overhead do quadro, alto ganho de codificação, algoritmos de processamento de sinal sofisticados e melhorias na inicialização. Além disso, possui as funções de power-saving standby, que reduz o consumo de energia e adaptação dinâmica de taxa. Os Anexos J e M deslocam a freqüência divisória das bandas upstream/downstream de 138 kHz para 276 kHz a fim de aumentar a taxa upstream. Além disso, a taxa upstream pode ser aumentada em mais 256 kbit/s se a banda usada para voz for alocada para o ADSL. O Anexo L é também conhecido como RE-ADSL2, em que RE indica Reach Extended, ou seja, o alcance estendido. Nesse caso, a potência das freqüências baixas é aumentada para ampliar o alcance do sinal em até 7 km. A máxima freqüência superior é reduzida para 552 kHz a fim de manter a potência total equivalente à do ADSL-padrão. Para utilização dessa funcionalidade são necessários testes das linhas, pois a potência adicional nas baixas freqüências pode causar o efeito indesejável de linha cruzada. d) ADSL2+ – é compatível com o ADSL e o ADSL2, e eleva a taxa downstream para 24 Mbit/s. e) ADSL2++ – um modo opcional que quadruplica a taxa do ADSL para 50 Mbit/s (ainda em padronização) e aumenta a máxima freqüência downstream para 3,75 MHz.

Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 3, n. 1, p. 17-26, jan./jun. 2007

VDSL2: Uma nova tendência para redes de acesso em banda larga

Tabela 2 Padrões ADSL Padrão

Família

Taxa upstream

8 Mbit/s

1,0 Mbit/s

ADSL

ANSI T1.413-1998 Issue2

ADSL (G.DMT)

ITU G.992.1

8 Mbit/s

1,0 Mbit/s

ADSL Lite (G.Lite)

ITU G.992.2

1,5 Mbit/s

0,5 Mbit/s

ADSL2

ITU G.992.3/4

12 Mbit/s

1,0 Mbit/s

ADSL2

ITU G.992.3/4 Anexo J

12 Mbit/s

3,5 Mbit/s

RE-ADSL2

ITU G.992.3/4 Anexo L

5 Mbit/s

0,8 Mbit/s

ADSL2+

ITU G.992.5

24 Mbit/s

1,0 Mbit/s

RE-ADSL2+

ITU G.992.5 Anexo L

24 Mbit/s

1,0 Mbit/s

ADSL2+

ITU G.992.5 Anexo M

24 Mbit/s

3,5 Mbit/s

ADSL2++

Em padronização

50 Mbit/s

[

A Figura 7 compara o desempenho do ADSLpadrão com o RE-ADSL2.

Fonte: Aware, 2004

Figura 7 Desempenho do RE-ADSL2

Nesse caso de teste, o RE-ADSL2 estende o alcance de um serviço de 768 kbit/s de 1 km (3.000 pés) para 6 km (19.000 pés). Isso resulta em um aumento da área de cobertura de aproximadamente 37%. A Figura 8 ilustra o desempenho dos padrões ADSL, ADSL2 e anexos para vários comprimentos de loop. O ADSL2, ADSL2+ e READSL2, quando comparados com o ADSLpadrão, propiciam um aumento significativo de taxa e alcance.

Fonte: Aware, 2004

Figura 8 Desempenho dos padrões ADSL

Taxa downstream

1.3 DSL simétrico e assimétrico A tecnologia VDSL (atualmente denominada VDSL1) é considerada uma versão mais rápida do ADSL, operando com transmissões assimétricas ou simétricas com taxas downstream de até 52 Mbit/s e upstream de até 6 Mbit/s para conexões assimétricas, e até 26 Mbit/s para conexões simétricas, dependendo das distâncias (300 m a 1,5 km). O VDSL pode ser visto, de forma simplificada, como uma evolução da tecnologia ADSL, sendo a que apresenta a mais alta taxa de transmissão entre as tecnologias da família xDSL. Como outras tecnologias xDSL existentes, a VDSL oferece acesso de alta velocidade à Internet, bem como serviço de voz. Entretanto, como a tecnologia VDSL fornece bandas muito maiores que as tecnologias xDSL estabelecidas, ela pode prover acesso à Internet com velocidades ainda mais altas, mais canais de voz simultâneos e também vídeo digital codificado. O serviço de vídeo consiste tipicamente de múltiplos canais codificados em MPEG, requerendo taxas de 6 a 8 Mbit/s para seqüências com movimentos rápidos e boa qualidade de imagem. Pelo menos dois canais de vídeo simultâneos são necessários para competir com os serviços de vídeo sob demanda, oferecidos pelas operadoras de TV a cabo. Esse pacote de serviços requer banda para VDSL assimétrico de 13 Mbit/s downstream, no mínimo, e 1 Mbit/s upstream. A tecnologia VDSL pode ser simétrica ou assimétrica. Para aplicações assimétricas, a máxima taxa downstream considerada é em torno de 51 a 55 Mbit/s sobre linhas de até 300 m. Taxas em torno de 13 Mbit/s podem ser atingidas para linhas de até 1.500 m. Para taxas upstream, valores típicos estão em torno de 1,6 a 2,3 Mbit/s. Ambos os canais downstream e upstream são separados em freqüência das faixas utilizadas para telefonia, permitindo aos provedores de serviços sobreporem VDSL aos

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VDSL2: Uma nova tendência para redes de acesso em banda larga

serviços já existentes. Os serviços assimétricos incluem TV digital, vídeo sob demanda, acesso à Internet de alta velocidade, ensino a distância, telemedicina e outros. Esses serviços têm por característica uma alta taxa downstream e uma taxa upstream menor, caracterizando a assimetria. Por exemplo, HDTV requer 18 Mbit/s para a transmissão do conteúdo de vídeo pelo canal downstream, ao passo que, no sentido upstream, é da ordem de kbit/s, caracterizado basicamente pela sinalização, como mudança de canal, escolha de programa, etc. A tecnologia VDSL simétrica oferece acesso para pequenas e médias empresas a aplicações de dados de alta velocidade, videoconferência, teleconsultoria, etc. Pode ser utilizada para conectar redes corporativas ou mesmo substituir acessos T1 (E1), a taxas NxT1. Os esforços de padronização do VDSL1 tiveram início em 1995 e, em 1997, quando um grupo de operadoras pertencentes à organização FullService Access Network especificou os requisitos fim-a-fim do VDSL. Entretanto, esse processo foi dificultado pela discordância na escolha de duas tecnologias de modulação concorrentes: • a modulação CAP, que utiliza somente uma portadora; • a modulação DMT, que utiliza múltiplas portadoras. Dessa maneira, muitos esforços foram direcionados para a padronização do ADSL2 e do ADSL2+, e o VDSL1 permaneceu em segundo plano. Com isso, implementações proprietárias do VDSL-CAP e VDSL-DMT foram desenvolvidas e vendidas em volumes limitados a pequenos nichos de mercado. Em 2003, os grandes fornecedores de ADSL já suportavam DMT, que facilitava a interoperabilidade e a compatibilidade com o ADSL existente. Nesse período, o IEEE também iniciou o processo de padronização da Ethernet sobre VDSL como Ethernet in the First Mile (EFM), definida no padrão IEEE 802.3ah. Vários testes foram executados para selecionar uma modulação para o padrão (CAP ou DMT). Os resultados dos testes indicaram a modulação DMT como a de melhor desempenho. Também foi decidido que toda evolução do VDSL1 deveria ser baseada em DMT, sendo que um novo padrão, o VDSL2 deveria ser definido. O escopo do VDSL2 é mais

amplo e engloba a melhoria no desempenho a fim de atingir maiores distâncias, como uma evolução do ADSL2+, e também em curtas distâncias, como uma evolução do VDSL1. O espectro de freqüências do VDSL1 é de 138 kHz até 12 Mhz, ao passo que o do VDSL2 é de 25 kHz até 30 MHz. A utilização de um range maior em baixas freqüências possibilita a melhoria no desempenho em longas distâncias (semelhante ao ADSL), ao passo que a utilização de um range maior em freqüências altas (12 MHz a 30 MHz) possibilita a melhoria de desempenho em curtas distâncias. A primeira versão do padrão ITU-T de VDSL2 surgiu em janeiro de 2004 na recomendação G.993.2. Esse padrão é baseado em VDSL1-DMT e em ADSL2/ADSL2+, ou seja, é compatível em termos de espectro com o legado ADSL e VDSL. O espectro da tecnologia VDSL utiliza múltiplas faixas de freqüência para transmissão downstream e upstream, conforme Figura 9. Nessa figura, o plano de freqüências 997 refere-se ao VDSL1 simétrico e o 998 refere-se ao VDSL1 assimétrico. As operadoras devem selecionar um deles, pois as bandas upstream e downstream se superpõem. A capacidade de transmissão depende da escolha do plano de freqüências, conforme Tabela 3. Tabela 3 Taxas do VDSL1 Alcance

200 m

500 m

1 km

Plano 997

Downstream

35 Mbit/s

30 Mbit/s 20 Mbit/s

Upstream

35 Mbit/s

25 Mbit/s 8 Mbit/s

Plano 998

Downstream

45 Mbit/s

40 Mbit/s 25 Mbit/s

Upstream

20 Mbit/s

15 Mbit/s 4 Mbit/s

O novo padrão VDSL2 oferece taxas de até 100 Mbit/s para o espectro de 12 MHz e até 200 Mbit/s usando freqüências acima de 12 MHz. De acordo com o padrão ITU-T, freqüências até 30 MHz podem ser utilizadas. A Figura 10 ilustra uma comparação de desempenho entre VDSL2, VDSL1 e ADSL2+ para taxas downstream. O VDSL2 utiliza modulação DMT e 4.096 tons espaçados de 4 kHz e 8 kHz. Cada tom pode ser utilizado para upstream ou downstream. Entretanto, o padrão define oito diferentes perfis, conforme Tabela 4.

Tabela 4 Perfis do VDSL2

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VDSL2: Uma nova tendência para redes de acesso em banda larga

Fonte: Ericsson Review, 2006

Figura 9 Plano de freqüências para o VDSL1 e o VDSL2

Figura 10 Comparação entre VDSL2, VDSL1 e ADSL2+

A Figura 11 ilustra o perfil 30a (30 MHz de faixa e 8,625 kHz de espaçamento entre tons). O perfil 8x é adequado para serviços triple play residenciais, pois tem longo alcance (até 2.400 m); o perfil 12x é adequado ao setor corporativo (negócios) para serviços com simetria de taxa, altas taxas upstream e multiplay (games, vídeo, dados e voz). Já o perfil 17a oferece taxas de 80/20 Mbit/s em distâncias de 150 a 300 metros. Finalmente, o perfil 30a possibilita 100 Mbit/s simétricos em curtas distâncias (menores que 150 metros). É

adequado para aplicações dentro de edifícios. A Figura 12 ilustra as múltiplas aplicações. Uma abordagem híbrida que leva a fibra até próximo do assinante tem grande tendência a prevalecer. É denominada FTTx (Fiber to the x), em que x pode ser: • Ex para Exchange (FTTEx): o VDSL2 é instalado na estação (Central Office – CO); •

Cab para Cabinets (FTTCab): o VDSL2 é instalado em armários próximos das instalações dos usuários finais;

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VDSL2: Uma nova tendência para redes de acesso em banda larga

B para Building (FTTB): o VDSL2 é colocado diretamente nos prédios. Os perfis 8x e 12x se aplicam ao cenário FTTEx, o perfil 17a se aplica ao cenário FTTCab e o perfil 30a se aplica ao cenário FTTB. A instalação dos equipamentos VDSL2 em armários ou mesmo em prédios requer novos desafios tecnológicos, tais como controles de temperatura de um range maior e alimentação local (diferente do usual -48V) ou remota, via cobre. Além disso, atualmente, os concentradores DSL são otimizados para um grande número de assinantes (mais de 1.000), que é uma arquitetura inadequada para armários de rua. A tecnologia VDSL2 oferece muito mais banda que outras tecnologias xDSL e é suficiente para suprir as necessidades atuais e futuras. Essa arquitetura híbrida fibra-cobre satisfaz as necessidades de serviços de altas taxas e também minimiza os altos custos de implantação de novas redes. Várias aplicações comerciais também são possíveis, sendo que uma das aplicações com bom potencial é a utilização da tecnologia VDSL2 em edifícios, centros comerciais e campi universitários, nos quais a rede de cobre existente alimentaria pipes de alta •

velocidade. Outra aplicação bastante significativa é a extensão de redes Ethernet corporativas, sendo indicado para esse caso o uso de VDSL simétrico com taxa de, no mínimo, 10 Mbit/s. Um aspecto bastante significativo do padrão VDSL2 é a possibilidade de utilizar a Ethernet como tecnologia de rede, em vez de Asynchronous Transfer Mode (ATM). Para isso, o ITU-T padronizou o modo Packet Transfer Mode (PTM), que encapsula a informação em quadros Ethernet, facilitando o aprovisionamento de serviços Ethernet fim-a-fim e reduzindo o overhead. A eliminação das conexões ATM e a possibilidade de configuração de Virtual LANs (VLANs) em Ethernet reduzem de forma significativa o custo operacional da rede. A VLAN é um mecanismo para criar domínios de broadcast e definir as estações que pertencem a cada domínio, independentemente da localização física, ou seja, é virtual. As VLANs são utilizadas para controlar o tráfego e oferecer segurança, uma vez que somente as estações autorizadas podem se comunicar dentro de cada domínio. Além disso, por serem virtuais, facilitam as alterações de localidade dos usuários. Cada porta do switch pode ser dividida virtualmente em diversas VLANs, reduzindo de forma significativa o custo do serviço por usuário.

Fonte: Infineon, 2005

Figura 11 Perfil 30a do VDSL2

Fonte: Infineon, 2005

Figura 12 Aplicações do VDSL2

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Atualmente, o padrão Ethernet está se consolidando como líder nas redes locais e metropolitanas em função de sua simplicidade, compatibilidade com IP, baixo custo operacional, facilidade de implantação e expansão da planta. Com a crescente demanda por serviços Ethernet, as tecnologias para levar esse serviço até o usuário final estão se desenvolvendo. Até pouco tempo, a fibra era o único meio da entrega de serviços Ethernet de alta velocidade. Do ponto de vista da largura de banda oferecida, a fibra oferece banda virtualmente ilimitada, porém, os custos de instalação favorecem o reuso da planta de cobre existente. No médio prazo, uma abordagem híbrida que leva a fibra até próximo do assinante tem grande tendência a prevalecer. Em contrapartida, a planta de cobre instalada é muito grande e domina a primeira milha. Prover serviços Ethernet sobre os pares de cobre das linhas telefônicas tradicionais é uma excelente maneira de explorar a infra-estrutura existente e reduzir o custo de implantação do serviço. O fórum de padronização Ethernet in the First Mile (EFMA, 2006) tem fixado metas para o Ethernet First Mile over Copper (EFMC) de 10 Mbit/s para um alcance de 750 metros e 2 Mbit/s para 2.700 metros. O EFMC padroniza técnicas de modulação DSL para a camada física e a tecnologia Ethernet para a camada 2. Um estudo recente do Yankee Group indica que os custos de um modem ADSL baseado em ATM ou SONET é significativamente maior que o baseado somente em Ethernet, conforme Tabela 5.

Tabela 5 Custos do ADSL Tecnologia

Aquisição Gerência Atualização equipamentos por anual por $/Mbit/s usuário usuário

IP/ATM/SDH

8-40

$5.000

$750-3.750

IP/SDH

6-35

$5.000

$750-3.750

1-3

$1.000

$150-450

8:1-13:1

5:1

5:1-8:1

IP/Ethernet Vantagem Ethernet

As soluções de hardware baseadas somente em Ethernet têm baixo custo de aquisição, instalação, operação e manutenção. De forma resumida, a nova solução VDSL2 possui as seguintes características: • Altas taxas: espectro de freqüências até 30 MHz resulta em uma taxa de 100 Mbit/s simétrica (o VDSL1 possibilita uma taxa máxima de 70/30 Mbit/s). • Long Reach (LR) VDSL2: similar ao ADSL2+, possibilita 1-4 Mbit/s (downstream) sobre distâncias de 4 a 5 km, aumentando a taxa até 100 Mbit/s com a redução da distância (ou seja, não está limitado a short loops). • Backward Compatibility: em razão da utilização da modulação DMT e da presença de funcionalidades semelhantes às do ADSL, o VDSL2 é compatível com todo o legado ADSL/2/2+, o que permite a migração e a transição gradual para VDSL2, preservando os investimentos e todas as aplicações xDSL. • Definição de perfis: com base em máxima banda para diversas aplicações. A Figura 13 ilustra o plano de freqüências para ADSL/2/2+, VDSL1 e VDSL2.

Fonte: Ericsson Review, 2006

Figura 13 Plano de freqüências para o xDSL

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Conforme a figura, o espectro de freqüências do ADSL vai de 25 kHz a 1,1 MHz e possibilita taxas de até 8 Mbit/s; o espectro do ADSL2+ vai de 25 k a 2,2 MHz com taxas de até 24 Mbit/s e capacidades avançadas de diagnóstico de linha; o VDSL1 possibilita taxas de até 50 Mbit/s, espectro variando de 138 kHz a 12 MHz. Por fim, o espectro do VDSL2 é superior a todos os espectros das demais tecnologias xDSL (25 kHz até 30 MHz) e possibilita taxas de bit simétricas de até 100 Mbit/s, incluindo as capacidades avançadas de diagnóstico de linha do ADSL2+. Conclusão É possível concluir que a tecnologia ADSL2+ é líder de mercado hoje para soluções em banda larga residenciais e corporativas, e é adequada para serviços do tipo triple play. Mas, atualmente, os fabricantes já estão desenvolvendo a tecnologia VDSL2. As altas taxas do VDSL2 possibilitam o aprovisionamento de serviços avançados tais como múltiplos canais de TV de alta definição (HDTV) sobre a infra-estrutura de cobre existente. Além disso, a tecnologia é compatível com todo o legado DSL. O VDSL1 oferece banda suficiente para aplicações de vídeo, mas não é compatível com o legado ADSL. Atualmente, os sistemas VDSL2 estão em desenvolvimento e diversos testes de interoperabilidade estão sendo executados, pois são pré-requisitos dessa tecnologia. O DSL Forum está padronizando os testes de homologação de equipamentos no documento “WT-115, VDSL2 Functionality Tests Plan”, e os objetivos de desempenho no documento “WT114, VDSL2 Performance Test Plan”. Essa tecnologia deverá dominar o mercado nos próximos anos, especialmente nas operadoras que possuem um grande legado de pares de cobre. Atualmente, o número de linhas ADSL no Brasil é de aproximadamente 3,5 milhões e a taxa de crescimento de 2006 foi de 8%. A solução híbrida que utiliza fibra até próximo da casa do assinante e cobre até a casa do assinante também é uma tendência bastante forte no mercado brasileiro. Nesse caso, uma solução interessante é utilizar um concentrador VDSL2 (DSLAM) para agregar as taxas de vários modems (de diversas tecnologias ADSL/2/2+ e VDSL2) de determinada região à taxa de Gigabit Ethernet e a tecnologia PON para levar o Gigabit Ethernet até a central da operadora. As redes do tipo PON utilizam fibras ópticas em vez de pares metálicos para o transporte dos serviços e são também classificadas como FTTx (GIRARD, 2004). Atualmente, a demanda por essa tecnologia advém da capacidade de prover altas taxas (até 2,4 Gbit/s). Além disso, essa

tecnologia não possui as limitações de distância como as tecnologias xDSL e pode chegar a 20 km sem amplificação. Apesar do alto custo inicial de implantação da fibra, seu custo operacional é baixo em razão de a taxa de manutenção das fibras ser menor que a dos cabos. Além disso, ela requer menos espaço nos armários e não necessita de fonte de alimentação externa entre a Central Office (CO) e o Customer Premise Equipment (CPE), sendo, por essa razão, denominada passiva. De acordo com a Infonetics Research de outubro de 2005, o número de portas PON crescerá de 1,7 milhão em 2005 para 8 milhões em 2008. Grande parte do mercado de PON é asiática. O Japão atingiu quatro milhões de usuários no final de 2005. O objetivo da NTT é atingir 30 milhões no final de 2010. Agradecimentos Este trabalho foi realizado com o apoio do Projeto GIGA, financiado pela FINEP/FUNTTEL no âmbito da Coordenação de Redes Ópticas – Área de Acesso. Referências AWARE. ADSL2 and ADSL2+ – The new ADSL standards. Revision 3, jan. 2004. Disponível em: <http://www.aware.com/dsl/whitepapers/index.ht m>. Acesso em: abr. 2006. ERIKSSON, P.; ODENHAMMAR, B. VDSL2: Next important broadband technology., Ericsson Review, No 1, 2006. Ethernet in the First Mile (EFM). Disponível em: <http://www.ethernetinthefirstmile.com/>. Acesso em: abr. 2006. Ethernet in the First Mile Alliance (EFMA). Disponível em: <http://www.metroethernetforum.org/EFMA.htm>. Acesso em: set. 2006. GIRARD, A.. Demystifying PONs, EXFO 2004. Disponível em <http://www.exfo.com/en/support/WaveReview/2 004-November/WRarticle6.asp>. Acesso em: set. 2006. LIGHT READING. Disponível em: <http://www.lightreading.com>. Acesso em: abr. 2006. WIMOESTERER, S. Future proof telecommunications networks with VDSL2. Infineon Technologies, jul. 2005. Disponível em: <http://www.infineon.com/upload/Document/VDS L2_WP_072005_v1.1_1.pdf>. Acesso em: abr. 2006.

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VDSL2: Uma nova tendĂŞncia para redes de acesso em banda larga

Abstract Nowadays, the ADSL2+ triple play services technology leads the market of residential and corporate broadband solutions. However, the industry is gearing up for the next step of DSL evolution: the VDSL2. The VDSL2 enables advanced services such as multiple streams of interactive standard and highdefinition TV over existing copper plant. Although fiber to the home is the best solution in terms of bandwidth and maintenance costs, it is not yet an economically feasible solution for telecom service providers, whose copper plant legacy is a reality. Key words: xDSL. ADSL2/2+. VDSL2. Broadband access. Internet access.

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Transmissão de voz em redes Ad Hoc sem fio Paulo Henrique Marques Santos*, Márcia Vicentini de Carvalho, José Antonio Martins Este artigo apresenta uma análise da transmissão de voz em redes Ad Hoc sem fio. O uso de redes de transmissão por pacotes, como a rede Ad Hoc sem fio para a transmissão de voz, apresenta algumas implicações que influenciam a qualidade da voz transmitida. Tais implicações estão relacionadas a fatores como tipo de codificador de voz utilizado, atraso, variação do atraso (jitter) e perda de pacotes. Esses fatores são apresentados em um contexto geral de redes de transmissão por pacotes e estão relacionados a características de desempenho de uma rede Ad Hoc sem fio. Também são apresentados os resultados de testes de desempenho de um conjunto de algoritmos para transmissão de voz em redes Ad Hoc sem fio. Palavras-chave: Codificadores de voz. Redes Ad Hoc sem fio. Qualidade de serviço. VoIP. Introdução Uma rede Ad Hoc sem fio é formada por terminais de usuários, móveis ou não, que podem comunicar-se entre si sem a necessidade de uma unidade de controle central. Essa rede pode operar de forma isolada ou com o uso de gateways para interconexão com outras redes. Os terminais Ad Hoc possuem transmissores e receptores de rádio, que se comunicam pelo ar. Essas redes podem ser usadas para prover serviços de transmissão de voz e dados em diferentes situações, principalmente quando é necessária a instalação rápida de uma rede de comunicação. As redes Ad Hoc sem fio aplicamse à provisão de serviços de telecomunicações para populações residentes em áreas rurais, provisão de serviços de comunicação para situações de emergência durante catástrofes naturais e utilização militar, e provisão de serviços de comunicação em eventos temporários (conferências, eventos esportivos, etc.). As redes Ad Hoc são redes de transmissão por pacotes e podem empregar o protocolo IP. Dessa forma, podem utilizar a tecnologia de voz sobre IP (VoIP) para prover serviços de voz. Considerando que o serviço de transmissão de voz é uma aplicação em tempo real, é necessário que as redes Ad Hoc possibilitem a garantia de qualidade de serviço (QoS) exigida por esse serviço. Assim, para um bom desempenho dos serviços de voz em redes Ad Hoc sem fio é importante analisar fatores que influenciam a qualidade desses serviços. Entre esses fatores, destacamse o tipo de codificador de voz, o atraso, a variação do atraso (jitter) e a taxa de perda de pacotes. Além disso, o desempenho de uma rede Ad Hoc sem fio depende de características típicas da comunicação sem fio, como interferência, fading de multipercurso e ruído, os quais podem ocasionar altas taxas de erros. As

redes sem fio também se caracterizam pela utilização de faixas limitadas de freqüência e necessidade de atendimento do maior número de usuários possível. Dessa forma, é importante que apenas as informações relevantes sejam transmitidas. Isso é feito empregando-se um mecanismo denominado transmissão descontínua, o qual também influencia a qualidade de voz na rede. Este trabalho apresenta uma análise da transmissão de voz por pacotes (VoIP) em redes Ad Hoc sem fio, considerando os vários fatores que podem influenciar o desempenho de serviços de voz nessas redes, e os resultados de testes de desempenho de um conjunto de algoritmos implementados para a transmissão de voz em redes Ad Hoc sem fio. Esse conjunto de algoritmos compreende: codificadores de voz, mecanismo para minimizar o efeito do jitter (buffer de jitter), mecanismo para minimizar o efeito da perda de pacotes e transmissão descontínua. A Seção 1 apresenta características importantes a serem analisadas para a escolha do codificador de voz mais adequado. É apresentada uma visão geral dos principais codificadores de voz existentes, principalmente os utilizados em redes de transmissão por pacotes. São examinadas suas características, como taxa de bit, atraso, complexidade do algoritmo e qualidade de voz. Na Seção 2, são discutidos o atraso e o jitter em redes Ad Hoc sem fio. A Seção 3 apresenta uma descrição sobre técnicas para minimizar os efeitos causados pela perda de pacotes na qualidade de voz. Na Seção 4, é descrito o mecanismo de transmissão descontínua. Na Seção 5, são apresentados os algoritmos implementados para utilização na rede Ad Hoc sem fio. Os resultados dos testes são apresentados na Seção 6. 1

Codificadores de voz

*Autor a quem a correspondência deve ser dirigida: psantos@cpqd.com.br. Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 3, n. 1, p. 27-38, jan./jun. 2007

pesquisas

desenvolvimento

Transmissão de voz em redes Ad Hoc sem fio

codificadores de voz com baixas taxas de bit e boa qualidade de voz foram impulsionados, principalmente, pelo desenvolvimento de sistemas de comunicação sem fio. Esses sistemas utilizam faixas limitadas de freqüência e necessitam atender ao maior número de usuários possível. Para isso, torna-se necessário o uso de codificadores de voz que utilizem baixas taxas de bit para transmissão. A escolha do codificador de voz a ser utilizado por uma rede Ad Hoc sem fio depende da largura de banda disponível e dos requisitos de qualidade de serviço. Os codificadores de voz têm por objetivo alcançar a melhor qualidade possível utilizando a menor taxa de bit para transmissão. Em geral, quanto maior a eficiência do codificador (alta qualidade e baixa taxa de bit), maior a complexidade de seu algoritmo. A implementação de algoritmos complexos apresenta alto custo de processamento e, assim, causa maior atraso na transmissão da voz. Portanto, a escolha de um determinado codificador deve levar em conta todos esses fatores. Considerando o método utilizado para a compressão do sinal de voz, os codificadores podem ser divididos em dois grupos: codificadores de forma de onda e codificadores paramétricos. Os codificadores de forma de onda reproduzem a forma de onda o mais próximo possível da forma de onda do sinal original, apresentando características como boa qualidade de voz, médias e altas taxas de bit e baixa complexidade de algoritmos. Os codificadores paramétricos fazem uma modelagem do sistema que gerou o sinal de voz e transmitem parâmetros desse sistema. Esses codificadores utilizam algoritmos mais complexos e conseguem obter uma maior compressão do sinal de voz (baixas taxas de bit). Para a implementação dos codificadores de voz, são utilizados processadores específicos denominados Digital Signal Processors (DSP). A escolha do processador adequado depende de fatores como complexidade do algoritmo, velocidade do processador e quantidade de memória necessária. 1.1 Principais codificadores de voz Entre os codificadores de voz existentes, alguns são especificados por organismos de padronização como o International Telecommunication Union – Telecommunication Standardization Sector (ITU-T), 3rd Generation Partnership Project (3GPP), 3rd Generation Partnership Project 2 (3GPP2) e outros que utilizam algoritmos proprietários de seus fabricantes e, portanto, não são abertos. Entre os codificadores de voz padronizados pelo ITU-T estão:

a) G.711 (ITU-T, 1988): codificador de forma de onda que utiliza a técnica de codificação Pulse Code Modulation (PCM) e emprega sinal com freqüência de amostragem de 8 kHz. Para a quantização das amostras, são utilizadas curvas logarítmicas, que diminuem o erro de quantização das amostras com menor amplitude. Apresenta algoritmo de baixa complexidade e baixo atraso de codificação. Dependendo da curva logarítmica empregada, é denominado PCM Lei-A ou PCM Lei-µ. A taxa é de 64 kbit/s. b) G.722 (ITU-T, 1988a): codificador de forma de onda que emprega freqüência de amostragem de 16 kHz e utiliza a técnica de codificação Sub-Band Adaptive Differential Pulse Code Modulation (SB-ADPCM). Opera nas taxas de 64, 56 e 48 kbit/s. c) G.723.1 (ITU-T, 1996): codificador de voz que emprega freqüência de amostragem de 8 kHz, apresenta boa qualidade de voz e média complexidade. Utiliza o princípio Algebraic Code Excited Linear Prediction (ACELP) para codificação em 5,3 kbit/s e emprega a técnica Multi Pulse-Maximum Likelihood Quantization (MP-MLQ) para codificação em 6,3 kbit/s. O codificador trabalha com quadros de 30 ms (240 amostras). Além disso, há uma análise de 7,5 ms do quadro seguinte (60 amostras), de tal forma que o atraso de buffering do codificador é de 37,5 ms. d) G.726 (ITU-T, 1990): codificador de forma de onda que utiliza técnica de codificação Adaptive Differential Pulse Code Modulation (ADPCM). Emprega sinal com freqüência de amostragem de 8 kHz e trabalha em quatro taxas: 16, 24, 32 e 40 kbit/s. e) G.728 (ITU-T, 1992): utiliza freqüência de amostragem de 8 kHz e técnica de codificação Low-Delay Code Excited Linear Prediction (LD-CELP). Utiliza blocos de 0,625 ms (5 amostras), sendo esse o valor de atraso de buffering. A taxa desse codificador é de 16 kbit/s. f) G.729 (ITU-T, 1996a): codificador de voz que utiliza técnica de codificação ConjugateStructure Algebraic Code Excited LinearPrediction (CS-ACELP). Utiliza freqüência de amostragem de 8 kHz e quadros de 10 ms (80 amostras). Para o cálculo dos parâmetros do codificador são utilizados 15 ms do quadro anterior (120 amostras) e 5 ms do quadro seguinte (40 amostras), resultando em um atraso de buffering de 15 ms. A taxa é de 8 kbit/s. Uma versão simplificada do codificador G.729 é o codificador G.729-A, com qualidade de voz inferior à do G.729. As duas versões são interoperáveis.

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Entre os codificadores padronizados pelo 3GPP destacam-se: a) GSM-AMR (Global System for Mobile Communications – Adaptive Multi-Rate) (3GPP, 2002): é formado por codificador de voz multitaxa, detector de atividade de voz (3GPP, 2002a), gerador de ruído de conforto (3GPP, 2002b) e mecanismo para combater os efeitos da perda de pacotes e erros de transmissão (3GPP, 2002c). Utiliza freqüência de amostragem de 8 kHz e opera em oito taxas de bit, sendo possível alterar essa taxa a cada 20 ms. O esquema de codificação empregado é o ACELP. O codificador trabalha com quadros de 20 ms (160 amostras), sendo esse o valor de atraso de buffering. As taxas desse codificador são de: 12,2, 10,2, 7,95, 7,46, 6,7, 5,9, 5,15 e 4,75 kbit/s. b) GSM-FR (Global System for Mobile Communications – Full Rate) (3GPP, 2002d): utiliza freqüência de amostragem de 8 kHz e emprega o esquema de codificação Regular Pulse Excitation – Long Term Prediction (RPE-LTP). O processo de codificação utiliza quadros de 20 ms (160 amostras). Esse codificador suporta transmissão descontínua (DTX) (3GPP, 2002e) e utiliza algoritmos de detecção de atividade de voz (VAD) (3GPP, 2002f) e de geração de ruído de conforto (CNG) (3GPP, 2002g) para reduzir a taxa média de bits. Opera na taxa de 13 kbit/s. c) GSM-EFR (Global System for Mobile Communications – Enhanced Full Rate) (3GPP, 2002h): emprega o esquema de codificação ACELP e freqüência de amostragem de 8 kHz. Trabalha com quadros de 20 ms (160 amostras), suporta transmissão descontínua (DTX) (3GPP, 2002i) e utiliza algoritmos de detecção de atividade de voz (VAD) (3GPP, 2002j) e de geração de ruído de conforto (CNG) (3GPP, 2002k) para reduzir a taxa média de bits. Opera na taxa de 12,2 kbit/s. d) GSM-HR (Global System for Mobile Communications – Half Rate) (3GPP, 2002l): utiliza o esquema Vector-Sum Excited Linear Prediction (VSELP) e freqüência de amostragem de 8 kHz. Trabalha com quadros de 20 ms (160 amostras), suporta transmissão descontínua (DTX) (3GPP, 2002m) e utiliza algoritmos de detecção de atividade de voz (VAD) (3GPP, 2002n) e de geração de ruído de conforto (CNG) (3GPP, 2002o). Opera na taxa de 5,6 kbit/s. e) GSM-AMR-WB (Global System for Mobile Communications – AMR Wideband) (3GPP, 2002p): é formado por codificador de

voz multitaxa, detector de atividade de voz (3GPP, 2001), gerador de ruído de conforto (3GPP, 2001a) e mecanismo para combater os efeitos da perda de pacotes e erros de transmissão (3GPP, 2002q). Utiliza freqüência de amostragem de 16 kHz e tem nove taxas de bit, sendo possível alterar a taxa a cada 20 ms. O esquema de codificação empregado por esse codificador é o ACELP. Trabalha com quadros de 20 ms (320 amostras) e são utilizados 5 ms (80 amostras) dos quadros adjacentes para cálculo dos parâmetros. Dessa forma, o atraso de buffering é de 25 ms. Esse codificador foi padronizado pelo ITU-T e tem como referência o código G.722.2 (Wideband coding of speech at around 16kbit/s using Adaptive Multi-rate Wideband – AMR-WB). As taxas são: 23,85, 23,05, 19,85, 18,25, 15,85, 14,25, 12,65, 8,85 e 6,6 kbit/s. Entre os codificadores padronizados pelo 3GPP2 estão: a) VRC (Variable Rate Speech Coding) (IS-96) (3GPP2, 1999/12): utiliza freqüência de amostragem de 8 kHz e emprega a técnica Code Excited Linear Predictive Coding (CELP). O codificador trabalha com quadros de 20 ms (160 amostras) e são utilizados 7,5 ms (60 amostras) do quadro seguinte para cálculo dos parâmetros. Assim, o atraso de buffering é de 27,5 ms. As taxas do codificador são: 8, 4, 2 e 0,8 kbit/s. b) VRC (Variable Rate Speech Coding) (IS-733) (3GPP2, 1999/12a): também conhecido como Qualcomm Code Excited Linear Predictive Coding (QCELP), utiliza freqüência de amostragem de 8 kHz e é baseado na técnica CELP. Trabalha com quadros de 20 ms (160 amostras), sendo necessária uma análise de 7,5 ms do quadro seguinte (60 amostras) para cálculo dos parâmetros. Dessa forma, o atraso de buffering é de 27,5 ms. Opera nas seguintes taxas: 13,2, 6,2, 2,6 e 0,8 kbit/s. c) EVRC (Enhanced Variable Rate Codec) (IS127-1) (3GPP2, 1999/12b): utiliza freqüência de amostragem de 8 kHz e é baseado no algoritmo Relaxed Code Excited Linear Predictive Coding (RCELP), que é uma generalização do algoritmo CELP. O codificador trabalha com quadros de 20 ms (160 amostras), e são utilizados 10 ms (80 amostras) de cada quadro adjacente para cálculo dos parâmetros. Assim, o atraso de buffering é de 30 ms. As taxas do codificador são: 8,5, 4 e 0,8 kbit/s. d) SMV (Selectable Mode Vocoder) (3GPP2, 2001/06): utiliza freqüência de amostragem de 8 kHz e trabalha com quadros de 20 ms (160 amostras), sendo necessários 10 ms (80

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Transmissão de voz em redes Ad Hoc sem fio

amostras) do quadro seguinte para cálculo dos parâmetros. O atraso de buffering do codificador depende do algoritmo de supressão de ruído utilizado. São especificadas duas opções: A e B. Caso seja usada a opção A de supressão de ruído, é necessária uma análise de mais 3 ms (24 amostras) do quadro seguinte, resultando em um atraso de buffering de 33 ms. Se a opção B de supressão de ruído for empregada, não é necessária uma análise de outras amostras do quadro seguinte e, nesse caso, o atraso de buffering é de 30 ms. Apresenta as seguintes taxas: 8,55, 4, 2, e 0,8 kbit/s. A seguir são apresentados um codificador proprietário e dois outros com código aberto: a) AMBE+2TM (DIGITAL VOICE SYSTEMS, 2005): utiliza o esquema de codificação Multiband Excitation (MBE) e opera em taxas que variam de 2,0 a 9,6 kbit/s. b) Speex (SPEEX, 2005): é baseado na técnica CELP e utilizado na solução do Gnomemeeting (EKIGA, 2005). O Speex é adaptado para aplicações da Internet e faz parte do Projeto GNU (GNU PROJECT, 2005). As taxas desse codificador variam de 2 a 44 kbit/s. c) iLBC (internet Low Bitrate Codec) (iLBC FREEWARE, 2005): utiliza como técnica de codificação um algoritmo Linear Prediction Coding (LPC) independente de bloco (IETF, 2005). Apresenta boa qualidade de voz mesmo na ocorrência de perda de pacotes (superior ao codificador G.729-A) e sua complexidade computacional é similar à do G.729-A. Faz parte da solução do Gnomemeeting e do Skype (SKYPE, 2005). Apresenta as seguintes taxas: 13,33 e 15,2 kbit/s. As Tabelas 1, 2 e 3 mostram as taxas de bit e técnicas de codificação dos codificadores apresentados. Tabela 1 Taxa de bits dos codecs padronizados pelo ITU-T

Codec

Taxa (kbit/s)

Técnica

G.711

PCM

G.722

64, 56 e 48

SB-PCM

G.723.1

5,3 e 6,3

ACELP e MPMLQ

G.726

40, 32, 24 e 16

ADPCM

G.728

LD-CELP

G.729

CS-ACELP

Tabela 2 Taxa de bits dos codecs padronizados pelo 3GPP e 3GPP2 Codec

Taxa (kbit/s)

Técnica

GSM-AMR

12,2, 10,2, 7,95, 7,4, 6,7, 5,9, 5,15 e 4,75

ACELP

GSM-FR

RPE-LTP

GSM-EFR

12,2

ACELP

GSM-HR

5,6

VSELP

GSM-AMR-WB

23,85, 23,05, 19,85, 18,25, 15,85, 14,25

ACELP

12,65, 8,85 e 6,6 VRC (IS-96)

8, 4, 2 ou 0,8

CELP

VRC (IS-733)

13,2, 6,2, 2,6 e 0,8

CELP

EVRC (IS-127)

8,5, 4 ou 0,8

RCELP

SMV

8,55, 4, 2 e 0,8

CELP

Tabela 3 Taxa de bits e técnicas de outros codificadores Codec

Taxa (kbit/s)

Técnica

AMBE+2TM

2 a 9,6

MBE

Speex

2 a 44

CELP

iLBC

13,33 ou 15,2

LPC

Analisando os valores apresentados nas Tabelas 1, 2 e 3, observa-se que as taxas de bit dos codificadores existentes atualmente variam bastante, e a maior parte deles opera em taxas entre 5 e 16 kbit/s. 1.2 Atraso ocorrido em decorrência processo de codificação

O atraso em decorrência do processo de codificação do sinal de voz é uma característica importante dos codificadores de voz, sendo composto por dois fatores: atraso de buffering e atraso de codificação (tempo de processamento necessário para as operações de codificação). O atraso de codificação depende do processador utilizado para a implementação do codificador, e o atraso de buffering depende do algoritmo utilizado para a codificação. A Tabela 4 apresenta os atrasos de buffering e de codificação para alguns codificadores. O atraso máximo de codificação foi estimado como sendo o atraso de buffering mais o tamanho do quadro utilizado pelo codificador.

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Tabela 5 Complexidade do algoritmo e memória requerida

Tabela 4 Atraso dos codecs Atraso de Atraso máximo de buffering (ms) codificação (ms)

Codec

Complexidade

Memória

G.711

< 0,125

G.711 Lei-A

0,329 MIPS

0,304 kWords

G.722

< 0,125

G.722

8,22 MIPS

1,708 kWords

G.723.1

37,5

67,5

G.723.1

42,496 kBytes

G.726

< 0,125

10,78 MIPS (6,3 kbit/s)

G.728

0,625

1,25

G.729

G.726

10,54 MIPS

4,138 kWords

G.729-A

G.728

32,07 MIPS

GSM-AMR

11,138 kWord s

GSM-FR

GSM-AMR

18,51 MIPS (12,2 kbit/s)

93,182 kBytes

GSM-EFR

GSM-AMRWB

29,35 MIPS (19,85 kbit/s)

176,31 kBytes

GSM-HR GXM-AMR-WB

VRC (IS-733)

9,82 MCPS

103,57 kBytes

VRC (IS-96)

27,5

47,5

EVRC (IS127)

14,7 MCPS

170,04 kBytes

VRC (IS-733)

27,5

47,5

SMV

24,31 MCPS

424,84 kBytes

EVRC (IS-127)

SMV

30 ou 33

50 ou 53

~52

Speex

30 ou 34

50 ou 54

iLBC

30 ou 20

60 ou 40

AMBE+2

11,02 MIPS (5,3 kbit/s)

Analisando a Tabela 5, pode-se observar que os codificadores G.711, G.722 e G.726 são os que apresentam menor complexidade computacional, enquanto os codificadores AMR e SMV são os mais complexos. 1.4 Qualidade de voz

Os codificadores G.711, G.722 e G.726 apresentam os menores atrasos, pois são codificadores de forma de onda. A maior parte dos codificadores apresenta atraso de buffering entre 20 e 30 ms. 1.3 Complexidade do algoritmo de codificação de voz Outra característica importante a ser observada é a complexidade do algoritmo. Uma forma de avaliar a complexidade do algoritmo de um codificador de voz é analisar os recursos necessários para a implementação do algoritmo em DSPs, principalmente em termos de quantidade de memória (em kWords ou kBytes) e de capacidade de processamento em Million Instructions Per Second (MIPS) ou Million Cycles Per Second (MCPS). A Tabela 5 apresenta os recursos necessários para a implementação de codificadores em processadores da Texas Instruments. As informações relacionadas à complexidade do algoritmo e à memória requerida foram extraídas do site da Encore Software (ENCORE SOFTWARE, 2005).

A qualidade de voz fornecida por um codificador depende do algoritmo utilizado para a codificação do sinal, que provoca degradação no sinal de voz recebido e apresenta desempenho dependente de erros na transmissão, perda de pacotes, ruído de fundo e outros. O uso de codificadores em cascata também degrada a qualidade de voz. Uma das medidas utilizadas para avaliar a qualidade de voz é o Mean Opinion Score (MOS), cuja escala de valores varia de 1 a 5, em que 1 representa um entendimento ruim do sinal e 5 uma distorção imperceptível. Um codificador com valor de MOS maior ou igual a 4 é considerado de ótima qualidade, igual à qualidade da voz ouvida em uma linha telefônica fixa. A Tabela 6 apresenta valores de MOS, sendo que esses valores foram medidos em condições livres de erro (ITU-T, 1997) (MARKOPOULOU, TOBAGI & KARAM, 2003). Deve-se ressaltar que esses valores foram obtidos em diferentes testes subjetivos e devem ser usados apenas para fornecer uma idéia do desempenho dos codificadores em relação à qualidade de voz.

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Tabela 6 Qualidade de voz

Codec

MOS

G.711 Lei-A

4,43

G.722 (64 kbit/s)

4,1

G.723.1 (6,3 kbit/s)

4,0

G.723.1 (5,3 kbit/s)

3,83

G.726 (32 kbit/s)

3,85 – 4,1

G.728

4,0

G.729

3,92 – 4,18

G.729-A

3,8

GSM-FR

3,6 - 3,8

GSM-HR

3,5 - 3,7

GSM-EFR

4,1

VRC (IS-96) (8 kbit/s)

3,3

EVRC (IS-127) (8,5 kbit/s)

4,1

SMV (8,55 kbit/s)

4,1

Atraso e jitter em redes de transmissão por pacotes

A qualidade de voz obtida em um serviço de voz sobre IP está diretamente ligada ao desempenho da rede, sendo mais diretamente afetada por atraso, jitter e taxa de perda de pacotes. O atraso é o que mais impacta a qualidade do serviço para voz em redes de pacotes. Corresponde ao tempo necessário para transmitir os pacotes de dados da origem ao destino. É o parâmetro que mais contribui para a perda da interatividade da conversação, a qual acontece quando o atraso atinge valores acima de 400 ms (ITU-T, 1993). Nessas condições, a conversação é considerada inaceitável. De forma geral, o atraso pode ser entendido como a somatória dos atrasos impostos pela rede e pelos equipamentos utilizados na comunicação. O atraso que ocorre nas redes Ad Hoc está associado a fatores como compressão e descompressão (codificação e decodificação), tamanho do pacote, tamanho do buffer de jitter, tempo gasto para o empacotamento dos quadros, congestionamentos, entre outros. O jitter é outro parâmetro importante para a qualidade de serviço. É definido como a diferença entre o maior e o menor atraso sofrido pelos pacotes na conexão (KANSAL & KARANDIKAR, 2003). O jitter pode acontecer mesmo que a rede não esteja fortemente congestionada, uma vez que ele é originado a partir dos diferentes atrasos nas filas, aos quais

os pacotes são submetidos durante a transmissão. A utilização de buffers na recepção, para agrupamento dos pacotes recebidos, é a solução mais comum para minimizar o efeito do jitter, compensando a variação de atraso entre os pacotes e fazendo a entrega a uma taxa constante. Os pacotes que enfrentaram um atraso maior na rede permanecerão por menos tempo no buffer de jitter e, em contrapartida, pacotes com atraso menor na rede permanecerão por mais tempo no buffer de jitter. A informação de timestamp fornecida pelo RealTime Protocol (RTP) é utilizada para que os pacotes sejam armazenados e, conseqüentemente, colados na ordem correta. Existem dois tipos principais de buffers de jitter, um com comprimento fixo (estático) e outro com comprimento variável (adaptativo). O comprimento do buffer de jitter deve ser definido de forma a minimizar o atraso causado por ele e, ao mesmo tempo, minimizar o impacto do jitter, pois a utilização de buffer de jitter causa um aumento no atraso do pacote. Caso um pacote chegue após o momento de sua reprodução, ele é automaticamente descartado. Por esse motivo, na definição do comprimento do buffer de jitter, existe um compromisso entre o atraso causado pelo buffer e a taxa de descarte de pacotes. Se o buffer de jitter for muito pequeno em relação à média da variação do atraso, muitos pacotes serão descartados. Em contrapartida, quanto maior for o comprimento do buffer de jitter, a fim de minimizar o descarte de pacotes, maior será o atraso do pacote. Deve ser ressaltado que o valor da perda de pacotes tolerável depende bastante do codificador utilizado. A utilização de buffers de jitter estáticos pode não ser uma solução ótima quando as condições da rede não forem estáveis. A recomendação TR 101 329-7 do European Telecommunications Standards Institute (2002) cita valores de 10 ms até 200 ms de atraso para utilização de buffers de jitter estáticos. A recomendação G.1020 (ITUT, 2003) apresenta um algoritmo para controle de buffer de jitter estático no qual será descartado todo pacote que apresentar atraso: • maior que (atraso mínimo de transferência do fluxo de pacotes) + (comprimento do buffer de jitter fixo); • menor que o atraso mínimo estabelecido. Na implementação de buffers de jitter adaptativos, são utilizados algoritmos para redimensionar dinamicamente o comprimento do buffer de jitter. Normalmente, esses algoritmos levam em consideração informações relacionadas ao atraso, taxa de perda de pacotes e jitter. Na recomendação G.1020 do ITU-T é apresentado um exemplo de algoritmo para buffer de jitter adaptativo.

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Mecanismos para minimizar efeito de perda de pacotes

As perdas de pacotes em redes Ad Hoc sem fio ocorrem, principalmente, em função de fatores como: • descarte de pacotes nos terminais; • colisão devido ao mecanismo de acesso ao meio; • qualidade do enlace. A perda de pacotes causa uma degradação da qualidade de voz e, assim, é importante a utilização de algoritmos que minimizem o seu efeito, tornando-a imperceptível (ou menos perceptível) para o usuário. No caso de serviços de voz, a perda de pacotes consecutivos (em rajadas) é bem mais prejudicial do que a perda esporádica de pacotes. Existem várias técnicas para suavizar os efeitos da perda de pacotes, as quais apresentam a grande vantagem de não acrescentar sobrecarga à rede (VELLOSO, 2003). Entre essas técnicas, destacam-se: • substituição dos pacotes perdidos por silêncio: essa técnica pode causar cortes na voz, principalmente quando o tamanho dos pacotes é grande ou quando há uma alta taxa de perda; • repetição do último pacote recebido: o último pacote recebido corretamente substitui o pacote perdido; • interpolação de pacotes vizinhos: nessa técnica, a informação dos pacotes vizinhos ao pacote perdido é utilizada para reconstruí-lo, tomando-se por base a característica quaseestacionária do sinal de voz (SANTOS, 2004). As recomendações G.711 Anexo I do ITU-T (ITU-T, 1999) e TS 06.11 do 3GPP (3GPP, 1999) contemplam algoritmos para implementação de soluções para recuperação de pacotes perdidos. 4

Transmissão descontínua (DTX)

Os sistemas de comunicação sem fio utilizam faixas limitadas de freqüência e necessitam atender ao maior número de usuários possível. Assim, é importante que apenas as informações relevantes sejam transmitidas. No caso de serviços de voz, apenas o sinal de voz deve ser transmitido (enquanto a pessoa estiver falando). Nos períodos de silêncio, a taxa de transmissão deve ser reduzida ou o transmissor deve ser desligado. Para isso, é necessária a utilização de um mecanismo que detecte a presença do sinal de voz, distinguindoo de períodos de silêncio ou ruído. Esse mecanismo é denominado detector de atividade de voz. Durante o período em que o transmissor estiver desligado ou transmitindo em taxas baixas, é necessário que seja gerado, no receptor, um ruído similar ao ruído ambiente, para conforto do

usuário. Esse ruído é denominado ruído de conforto. Esse processo de transmitir apenas as informações relevantes é denominado transmissão descontínua e é constituído pelas seguintes funções: • detecção de atividade de voz (no transmissor); • geração de ruído de conforto, durante os períodos em que o transmissor não estiver transmitindo nenhuma informação (no receptor). 4.1 Detecção de atividade de voz A função desse módulo é detectar a presença do sinal de voz. De forma geral, os algoritmos de detecção de atividade de voz utilizam os seguintes parâmetros: energia do sinal, taxa de cruzamentos de zero e periodicidade. Esses parâmetros são comparados com limiares, que podem ser adaptados em intervalos regulares de tempo para acompanhar as mudanças do ruído ambiente. Existem vários algoritmos para implementação de detectores de atividade de voz, como os descritos nas especificações TS 46.032 (3GPP, 2002f) e TS 46.082 (3GPP, 2002j). Alguns codificadores de voz, como G.729, GSM-AMR e GSM-AMR-WB, apresentam algoritmos próprios para a detecção de atividade de voz. 4.2 Geração de ruído de conforto O gerador de ruído de conforto é responsável pela geração de ruído ambiente, no decodificador, nos períodos em que não há transmissão de sinal. Esse ruído é representado por parâmetros como energia e conteúdo espectral. A fim de evitar mudanças abruptas no ruído de conforto, é importante que esses parâmetros sejam estimados sobre um determinado período de tempo. Um algoritmo para geração de ruído de conforto está descrito no Anexo II da recomendação G.711 do ITU-T (2000). 5

Algoritmos implementados no terminal Ad Hoc

Na escolha dos algoritmos de processamento de voz para redes Ad Hoc sem fio, deve-se levar em conta a largura de banda disponível e os requisitos de qualidade de serviço dos serviços da rede. Devem ser utilizados mecanismos para minimizar os efeitos da perda de pacotes, buffer de jitter e transmissão descontínua. Levando-se em conta a complexidade do algoritmo, qualidade de voz, baixo custo (não pagamento de royalties) e utilização em equipamentos comerciais, os seguintes algoritmos foram selecionados para

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implementação no terminal Ad Hoc sem fio: • codificadores de voz: G.711 Lei-A e G.726; • transmissão descontínua: TS 46.081 (3GPP, 2002i); • detecção de atividade de voz: TS 46.082 (3GPP, 2002j); • geração de ruído de conforto: G.711 Anexo II (ITU-T, 2000); • buffer de jitter: G.1020 Anexo II (ITU-T, 2003a); • mecanismo para minimizar efeito de perda de pacotes: TS 06.11 (3GPP, 1999). Os codificadores de voz selecionados, G.711 e G.726, não apresentam em suas especificações algoritmos para a implementação de todas as funções para a transmissão de voz. Dessa forma, foi necessário selecionar e alterar algoritmos existentes para que fosse possível a operação conjunta com os codificadores escolhidos. Assim, foram escolhidos algoritmos que fazem parte do conjunto relativo ao codificador de voz GSM-EFR (3GPP, 2002h) e que não estão protegidos por patentes. Para a geração de ruído de conforto, optou-se pelo algoritmo especificado na recomendação G.711 Anexo II. É importante salientar que esse algoritmo é genérico e, portanto, pode ser usado com outros codificadores de voz que não apresentem algoritmos específicos para a transmissão descontínua, como é o caso do codificador de forma de onda G.726. Deve-se ressaltar que essa combinação de algoritmos para a transmissão de voz em redes Ad Hoc sem fio é uma inovação, pois os algoritmos selecionados não fazem parte da mesma especificação. O buffer de jitter implementado apresenta comprimento de 40 ms e é estático. 6

Avaliação dos algoritmos implementados para a transmissão de voz

A implementação da transmissão de voz do terminal Ad Hoc sem fio foi avaliada considerando cenários envolvendo perda de pacotes e jitter. O módulo de transmissão de voz avaliado era composto por codificador de voz, transmissão descontínua, mecanismo para minimizar o efeito de perda de pacotes e buffer de jitter. O ambiente montado para esses testes era composto por dois terminais Ad Hoc ligados a um simulador de rede e a um equipamento para medir a qualidade do sinal de voz, conforme Figura 1. Os testes consistiram na avaliação objetiva da qualidade de voz, medindo-se o valor de Mean Opinion Score for Listening Quality Objective

Figura 1 Cenário para o teste de avaliação de qualidade de voz.

(MOS-LQO) obtido a partir do valor de MOS estimado pelo algoritmo Perceptual Evaluation of Speech Quality (PESQ) (ITU-T, 2001), utilizando uma função de mapeamento uniforme de terceira ordem, especificada na recomendação P.862.1 (Mapping function for transforming P.862 raw result scores to MOS-LQ) do ITU-T (2003b). O algoritmo PESQ é padronizado pelo ITU-T por meio da recomendação P.862 (Perceptual Evaluation of Speech Quality – PESQ, an objective method for end-to-end speech quality assessment of narrow-band telephone networks and speech codecs), e faz uma comparação entre o sinal de voz original e o sinal de voz recebido, atribuindo um valor que varia de -0,5 (qualidade ruim) a 4,5 (qualidade ótima). Para a realização dos testes, foram utilizados os seguintes equipamentos: • terminais Ad Hoc; • simulador de rede Cloud 10 Mbit/s V2.0, da Shunra (SHUNRA, 2005), utilizado para simular a perda de pacotes e jitter da rede; • Telegra R – VQT J1981A, da Agilent Technologies (AGILENT, 2005); • sinal de voz para avaliação da qualidade de voz – adquirido junto à base de dados da Fundação CPqD. Trata-se de uma sentença com voz masculina falada em português do Brasil. Emprega sinal com freqüência de amostragem de 8 kHz, e cada amostra foi codificada com 16 bits linear. Nos testes, o equipamento Telegra gerava o sinal de voz para o terminal Ad Hoc 2, que transmitia para o terminal Ad Hoc 1, passando pelo simulador de rede Cloud. O terminal Ad Hoc 1 transmitia o sinal de voz para o Telegra, que utilizava o algoritmo PESQ para avaliar a qualidade de voz. A conversão do valor obtido, utilizando o PESQ, para um valor de MOS-LQO, foi realizada de acordo com a recomendação P.862.1. A Tabela 7 apresenta os resultados das medidas de MOS-LQO para os codificadores G.711 Lei-A e G.726, sem perda de pacotes e sem jitter.

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Tabela 7 Resultado do teste de avaliação de qualidade de voz – sem perda de pacotes e sem jitter Codificador

MOS-LQO

G.711 Lei-A

4,62

G.711 Lei-A com detecção automática de voz, buffer de jitter e mecanismo para minimizar perda de pacotes

4,49

G.726 – 32 kbit/s

4,47

G.726 – 32 kbit/s com detecção automática de voz, buffer de jitter e mecanismo para minimizar perda de pacotes

Observa-se que com a utilização do mecanismo para minimizar o efeito da perda de pacotes, obteve-se melhores resultados em termos de qualidade de voz. É importante observar o diferencial entre os valores considerando-se cada cenário separadamente, uma vez que o cenário com transmissão descontínua apresenta valores inferiores. A Tabela 9 apresenta os resultados das medidas de MOS-LQO para os codificadores G.711 Lei-A e G.726, sem perda de pacotes e com jitter.

Tabela 9 Resultados do teste de avaliação de qualidade de voz sem perda de pacotes e com jitter

4,38

Tabela 8 Resultado do teste de avaliação de qualidade de voz com perda de pacotes e sem jitter

G.711 Lei-A

G.726 – 32 kbit/s

10%

4,42 4,42 4,34 4,28 4,03

G.711 Lei-A com detecção automática de voz, buffer de jitter 4,4 e mecanismo para minimizar efeito de perda de pacotes

90 ms

4,18 3,37 2,63

2,14

G.711 Lei-A com detecção automática de voz, buffer de jitter e 4,39 4,23 3,36 mecanismo para minimizar efeito de perda de pacotes

3,3

G.711 Lei-A

Pode-se observar que ocorre uma degradação da qualidade de voz quando é utilizada a transmissão descontínua. Tal degradação pode ser percebida porque o método utilizado para a avaliação do sinal de voz faz uma comparação amostra a amostra de todo o sinal transmitido. Isso significa que, no momento em que a transmissão descontínua está sendo executada, e que a recepção está somente gerando o ruído de conforto, o algoritmo de avaliação constata uma pequena diferença entre as amostras analisadas, diferença esta que pode ser observada nos valores medidos na Tabela 7. A Tabela 8 apresenta os resultados das medidas de MOS-LQO para os codificadores G.711 Lei-A e G.726, com perda de pacotes e sem jitter.

Codificador\Perda

75 ms

Codificador\Jitter

4,39 4,37 4,24 4,1

4,37 4,25 4,17 3,95 3,34

G.726 – 32 kbit/s com detecção automática de voz, buffer de jitter 4,28 4,28 4,25 4,05 3,59 e mecanismo para minimizar efeito de perda de pacotes

G.726 – 32 kbit/s

20 ms

40 ms

3,18 1,83 1,52

G.726 – 32 kbit/s com detecção automática de voz, buffer de jitter e 4,29 4,06 3,24 mecanismo para minimizar efeito de perda de pacotes

2,98

Analisando-se os resultados apresentados na Tabela 9, observa-se que a utilização de buffer de jitter melhora a qualidade do sinal de voz de forma significativa. No caso do codificador G.711, a qualidade do sinal de voz foi mantida acima do valor considerado aceitável. Observando-se os resultados relacionados ao codificador G.726 sem buffer de jitter, verifica-se que com 90 ms de jitter médio, o equipamento nem mesmo consegue terminar a medição da qualidade do sinal de voz transmitido. Analisando-se ainda a Tabela 9, constata-se que dentro da faixa de operação em que o buffer de jitter foi projetado para atuar (40 ms), a qualidade do sinal de voz se manteve dentro da região classificada como boa, onde a qualidade é semelhante à da telefonia fixa convencional. A Tabela 10 apresenta os resultados das medidas de MOS-LQO para os codificadores G.711 Lei-A e G.726 para as simulações com perda de pacotes e jitter.

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Transmissão de voz em redes Ad Hoc sem fio

<http://www.home.agilent.com>. Acesso em: 2 mai. 2005.

Tabela 10 Resultados do teste de avaliação de qualidade de voz com perda de pacotes e com jitter Codificador G.711 Lei-A

1% +20 ms 4,3

2% + 40 ms 3,59

3% + 75 ms

5% + 90 ms

2,5

2,17

DIGITAL VOICE SYSTEMS, INC. Press Release de abril de 2001. Disponível em: <http://www.dvsinc.com/press/PR20012.htm>. Acesso em: 2 mai. 2005. EKIGA. Disponível em: <http://www.gnomemeeting.org>. Acesso em: 2 mai. 2005.

G.711 Lei-A com detecção automática de voz, buffer de jitter e 4,3 mecanismo para minimizar efeito de perda de pacotes

4,25

3,66

3,06

G.726 – 32 kbit/s 3,84

1,88

G.726 – 32 kbit/s com detecção automática de voz, buffer de jitter e 4,24 mecanismo para minimizar efeito de perda de pacotes

4,03

2,82

2,51

ENCORE SOFTWARE. Disponível em: <http://www.ncoretech.com/speech/index.html>. Acesso em: 2 mai. 2005. EUROPEAN TELECOMMUNICATIONS STANDARDS INSTITUTE (ETSI). TR 101 329-7 Standard/V2.1.1: Design guide for elements of a TIPHON connection from an end-to-end speech transmission performance point of view. 2002. 3rd GENERATION PARTNERSHIP PROJECT (3GPP). Specification TS 26.090: AMR speech codec; Transcoding functions. 2002.

Observa-se novamente que, dentro da faixa de operação do buffer de jitter (40 ms), a qualidade do sinal de voz continua ótima, e que, de um modo geral, o mecanismo para minimizar o efeito da perda de pacotes e o buffer de jitter trouxeram uma melhoria para a qualidade do sinal de voz. O equipamento não conseguiu concluir as duas últimas medidas (jitter médio = 75 ms e 90 ms) com o codificador G.726. Conclusão Uma série de fatores influenciam a qualidade da voz transmitida em redes Ad Hoc sem fio. Entre esses fatores estão o codificador de voz utilizado, atraso, jitter, taxa de perda de pacotes e transmissão descontínua. Dado o compromisso existente entre eles, torna-se necessária uma análise conjunta para que uma solução aceitável, em termos de qualidade de voz, possa ser concebida. O codificador de voz, por exemplo, influencia a qualidade de voz tanto pela degradação causada pela codificação quanto pelo atraso de buffering que ele insere no sistema. A combinação de algoritmos proposta neste trabalho apresentou um resultado muito bom, mostrando-se uma boa solução para a transmissão de voz em redes Ad Hoc sem fio. Referências AGILENT

TECHNOLOGIES.

Disponível

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3rd GENERATION PARTNERSHIP PROJECT (3GPP). Specification TS 46.060: Enhanced Full Rate (EFR) speech transcoding. 2002h. 3rd GENERATION PARTNERSHIP PROJECT (3GPP). Specification TS 46.081: Discontinuous Transmission (DTX) for Enhanced Full Rate (EFR) speech traffic channels. 2002i. 3rd GENERATION PARTNERSHIP PROJECT (3GPP). Specification TS 46.082: “Voice Activity Detection (VAD) for Enhanced Full Rate (EFR) speech traffic channels. 2002j. 3rd GENERATION PARTNERSHIP PROJECT (3GPP). Specification TS 46.062: Comfort noise aspects for Enhanced Full Rate (EFR) speech traffic channels. 2002k. rd

3 GENERATION PARTNERSHIP PROJECT (3GPP). Specification TS 46.020: Half rate speech; Half rate speech transcoding. 2002l. 3rd GENERATION PARTNERSHIP PROJECT (3GPP). Specification TS 46.041: “Half rate speech; Discontinuous Transmission (DTX) for half rate speech traffic channels. 2002m. 3rd GENERATION PARTNERSHIP PROJECT (3GPP). Specification TS 46.021: Half rate speech; Substitution and muting of lost frames for half rate speech traffic channels. 2002n. 3rd GENERATION PARTNERSHIP PROJECT (3GPP). Specification TS 46.022: Half rate speech; Comfort noise aspects for half rate speech traffic channels. 2002o. 3rd GENERATION PARTNERSHIP PROJECT (3GPP). Specification TS 26.190: Speech codec speech processing functions; Adaptative MultiRate – Wideband (AMR-WD) speech codec; Transcoding functions. 2002p. 3rd GENERATION PARTNERSHIP PROJECT (3GPP). Specification TS 26.194: Speech codec speech processing functions; Adaptative MultiRate – Wideband (AMR-WD) speech codec; Voice Activity Detector (VAD). 2001. 3rd GENERATION PARTNERSHIP PROJECT (3GPP). Specification TS 26.192: Speech codec speech processing functions; Adaptative MultiRate – Wideband (AMR-WD) speech codec; Comfort noise aspects. 2001a. 3rd GENERATION PARTNERSHIP PROJECT (3GPP). Specification TS 26.191: Speech codec speech processing functions; Adaptative MultiRate – Wideband (AMR-WD) speech codec; Error concealment of erroneous or lost frames.

2002q. 3rd GENERATION PARTNERSHIP PROJECT (3GPP). Specification TS 06.11: Substitution and muting of lost frames for full rate speech channels. 1999. 3rd GENERATION PARTNERSHIP PROJECT 2 (3GPP2). Specification C.S0009-0 v1.0/TIA/EIA/IS-96-C: Speech service option for wideband spread spectrum systems.1999/12. 3rd GENERATION PARTNERSHIP PROJECT 2 (3GPP2). Specification C. S0020-0/TIA/EIA/IS733: High rate speech service option 17 for wideband spread spectrum communication systems.1999/12a. 3rd GENERATION PARTNERSHIP PROJECT 2 (3GPP2). Specification C.S0014-0-2/TIA/EIA/IS127-1: Enhanced variable rate codec, Speech service option 3 for wideband spread spectrum digital systems. 1999/12b. 3rd GENERATION PARTNERSHIP PROJECT 2 (3GPP2) Specification C.S0030-0 v 1.0: Selectable mode vocoder service option for wideband spread spectrum communication system. 2001/06. GNU PROJECT. Disponível em: <http://www.gnu.org>. Acesso em: 2 mai. 2005. iLBC FREEWARE. Disponível em: <http://www.ilbcfreeware.org>. Acesso em: 2 mai. 2005. INTERNET ENGINEERING TASK FORCE (IETF). Disponível em: <http://www.ietf.org/rfc/rfc3951.txt >. Acesso em: 2 mai. 2005. ITU TELECOMMUNICATION STANDARDIZATION SECTOR (ITU-T). Recommendation G.711: Pulse Code Modulation (PCM) of voice frequencies. 1988. ITU TELECOMMUNICATION STANDARDIZATION SECTOR (ITU-T). Recommendation G.722: 7 kHz audio-coding within 64 kbit/s. 1988a. ITU TELECOMMUNICATION STANDARDIZATION SECTOR (ITU-T). Recommendation G.723.1: Dual rate speech coder for multimedia communications transmitting at 5.3 and 6.3 kbit/s. 1996. ITU TELECOMMUNICATION STANDARDIZATION SECTOR (ITU-T). Recommendation G.726: 40, 32, 24, 16 kbit/s

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Transmissão de voz em redes Ad Hoc sem fio

Adaptive Differential Pulse Code Modulation (ADPCM). 1990.

speech and other voiceband applications utilizing IP networks. 2003a.

ITU TELECOMMUNICATION STANDARDIZATION SECTOR (ITU-T). Recommendation G.728: Coding of speech at 16 kbit/s using low-delay code excited linear prediction. 1992.

ITU TELECOMMUNICATION STANDARDIZATION SECTOR (ITU-T). Recommendation P.862: Perceptual Evaluation of Speech Quality (PESQ), an objective method for end-to-end speech quality assessment of narrow-band telephone networks and speech codecs. 2001.

ITU TELECOMMUNICATION STANDARDIZATION SECTOR (ITU-T). Recommendation G.729: Coding of speech at 8 kbit/s using Conjugate-Structure Algebraic Code Excited Linear Prediction (CSACELP). 1996a. ITU TELECOMMUNICATION STANDARDIZATION SECTOR (ITU-T). Recommendation M.1309: Digitally coded speech in the land mobile service. 1997. ITU TELECOMMUNICATION STANDARDIZATION SECTOR (ITU-T). Recommendation G.114: One-way transmission time. 1993. ITU TELECOMMUNICATION STANDARDIZATION SECTOR (ITU-T). Recommendation G.1020: Performance parameter definitions for quality of speech and other voiceband applications utilizing IP networks. 2003. ITU TELECOMMUNICATION STANDARDIZATION SECTOR (ITU-T). Recommendation G.711 Appendix I: A high quality low complexity algorithm for packet loss concealment with G.711. 1999. ITU TELECOMMUNICATION STANDARDIZATION SECTOR (ITU-T). Recommendation G.711 Appendix II: A comfort noise payload definition for ITU-T G.711 use in packet-based multimedia communication systems. 2000. ITU TELECOMMUNICATION STANDARDIZATION SECTOR (ITU-T). Recommendation G.1020 Appendix II: Performance parameter definitions for quality of

ITU TELECOMMUNICATION STANDARDIZATION SECTOR (ITU-T). Recommendation P.862.1: Mapping function for transforming P.862 raw result scores to MOSLQO. 2003b. KANSAL A.; KARANDIKAR A. An Overview of Delay Jitter Control for Packet Audio in IP Telephony. IETE Technical Review, v. 20, n. 4, jul./ago. 2003. MARKOPOULOU A. P.; TOBAGI F. A.; KARAM M. J. Assessing the quality of Voice Communications over Internet Backbones. IEEE Transactions on Networking, v. 11 n. 5, out. 2003. SANTOS, P. H. M. Melhoria da Qualidade de Fala Através da Interpolação de Parâmetros do Codec GSM-AMR em Redes de Pacotes. 2004. Tese (Mestrado) – Universidade Estadual de Campinas (Unicamp), Campinas. SHUNRA. Disponível em: <http://www.shunra.com/>. Acesso em: 2 mai. 2005. SKYPE. Disponível em: <http://www.skype.com>. Acesso em: 2 mai. 2005. SPEEX. Disponível em: <http://www.speex.org>. Acesso em: 2 mai. 2005. VELLOSO, P. B. Transmissão de voz em redes Ad Hoc. 2003. Tese (Mestrado em Redes de Computadores) – Universidade Federal do Rio de Janeiro (COPPE/PEE/UFRJ), Rio de Janeiro.

Abstract This article presents a state-of-the-art analysis on voice transmission through wireless Ad Hoc networks. The use of packet transmission networks in voice transmission presents some implications that affect the quality of transmitted voice. Such implications are related to parameters such as the type of voice coder used, delay, time-varying delay (jitter) and lost packets. These parameters are presented in the general context of packet transmission networks, and are related to performance characteristics of an Ad Hoc network. Key words: Voice coders. Ad Hoc wireless networks. Quality of service. VoIP.

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A dinâmica de sistemas aplicada à análise de difusão de TICs no mercado brasileiro1 Graziella Cardoso Bonadia*, Giovanni Moura de Holanda, Ricardo Benetton Martins Este artigo apresenta uma análise da difusão de Tecnologias de Informação e Comunicação (TICs) no mercado brasileiro – um ambiente com características socioculturais de significativa particularidade e que é fortemente influenciado por fatores externos de natureza econômica. Esses aspectos aumentam a complexidade da parametrização desempenhada por abordagens tradicionais, como o modelo de difusão de Bass, uma vez que os parâmetros obtidos por tais métodos não descrevem adequadamente o comportamento de aquisição das novas tecnologias ao longo do tempo. Não considerar essas características e influências no processo de modelagem pode levar a informações imprecisas sobre o padrão de difusão e penetração das tecnologias no mercado. O objetivo central é, portanto, investigar como e em que extensão esses fatores externos podem influenciar o processo de difusão de uma inovação, almejando adquirir conhecimento sobre o mercado e o comportamento do consumidor diante de um novo produto ou serviço. A difusão de inovações foi analisada a partir de um processo de modelagem baseada na dinâmica de sistemas, tendo como estudos de caso o aparelho de DVD e o televisor. Palavras-chave: Difusão de inovação. Modelo de Bass estendido. TIC. Dinâmica de negócios. Introdução Por trás de cada inovação que surge no mercado, existem vários fatores influenciando sua aceitação por parte dos usuários. Essencialmente, esses fatores resultam de uma combinação de aspectos psicológicos, antropológicos, sociais e econômicos, expressos por desejos, preferências e necessidades. Em termos gerais, as inovações são materializadas como novos produtos ou serviços e resultam do avanço tecnológico, das leis de mercado e de arranjos sociais, como concentração urbana e comunidades. No cenário das Tecnologias de Informação e Comunicação (TICs), produtos e serviços são criados em linha com tais tendências. Em parte, esse processo também é conseqüência do aumento de confiança nos artefatos de comunicação que demandam soluções imediatas para atender a necessidades econômicas e sociais. Do ponto de vista de negócios, a implantação de um novo serviço ou produto envolve riscos que podem dificultar o planejamento estratégico e impedir o sucesso de uma inovação. Nas perspectivas dos fabricantes de equipamentos e dos provedores de serviço, há, em geral, falta de informação sobre o retorno do investimento e o grau em que o produto ou serviço irá penetrar no mercado. Por essa razão, a capacidade de antever o processo de difusão de uma inovação é um fator-chave para

provedores de serviços de telecomunicações e para a indústria de TICs. Essa questão não é trivial. Diferentes abordagens têm sido aplicadas com esse propósito preditivo, entre elas os modelos logísticos e de difusão de Bass. Entretanto, o modelo logístico de difusão de inovação não elucida o instante inicial de surgimento de uma inovação no mercado, ou seja, não explica como os primeiros indivíduos aderem a uma inovação ou a adquirem. De fato, trata-se de um dilema clássico, uma vez que a utilidade de uma rede aumenta com o número de usuários, obedecendo a uma função quadrática, conforme a lei de Metcalfe2. Assim, permanece uma questão inevitável: como transpor a barreira inicial associada ao lançamento de um produto ou serviço. Lucky (1997), por exemplo, aborda esse problema a partir da perspectiva dos serviços de comunicação. Por sua vez, o modelo de difusão de Bass foi proposto em 1969, objetivando lidar com o problema dos inovadores e adotantes precoces (early adopters). Nesse modelo, grosso modo, os adotantes potenciais tomam consciência sobre uma inovação a partir de eventos externos, especificamente por meio de esforços de marketing, de tal forma que o problema do instante inicial da difusão é contornado. Entretanto, o mercado é considerado como uma estrutura social uniforme (MENEZES et alli, (2005). Tal aspecto pode ser uma limitação para

1 Este artigo foi apresentado no 1o Congresso Internacional de Dinâmica de Negócios (realizado em Brasília – DF, em outubro de 2006), com o título “A system dynamics analysis of ICTs' diffusion in the Brazilian market”. Nesse evento, o artigo recebeu uma menção honrosa do Prêmio Prof. Oswaldo Fadigas de Excelência Acadêmica. 2 Uma discussão recente sobre o alcance dessa lei é feita por Briscoe, Odlyzko & Tilly (2006). *Autor a quem a correspondência deve ser dirigida: bonadia@cpqd.com.br Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 3, n. 1, p. 39-50, jan./jun. 2007

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estimar a atratividade e mesmo a rentabilidade de um novo produto ou serviço, principalmente quando se considera o valor percebido pelo usuário, as flutuações do cenário econômico e as complexas redes sociais de um país em desenvolvimento. O modelo de Bass tem sido amplamente usado para descrever o processo de difusão de um produto3 e, ainda que considerando sua aplicabilidade em análises preditivas, várias extensões dessa abordagem têm sido propostas (ZABKAR & ZUZEL, 2002)4. Além disso, como lembra Talukdar, Sudhir & Ainslie (2002), a maioria das análises de processos de difusão é voltada a economias de países desenvolvidos. Nesse sentido, os analistas estão incluindo mercados emergentes em seus estudos, investigando a relação entre fatores ambientais e os parâmetros de difusão. As características econômicas observadas em países em desenvolvimento afetam significativamente o comportamento nominal da difusão. Tais aspectos complicam a parametrização baseada nas equações de Bass, uma vez que os parâmetros assim obtidos não descrevem adequadamente o comportamento de aquisição (compra ou adesão) ao longo do tempo. A não consideração dessas influências no processo de modelagem pode levar a informações imprecisas sobre a velocidade de difusão e a penetração no mercado. Portanto, este artigo apresenta uma análise do processo de difusão de produtos no mercado brasileiro de TICs – um ambiente fortemente influenciado por fatores econômicos externos, como pode ser observado em abordagens baseadas no pensamento sistêmico. O objetivo central é investigar como e em que extensão esses fatores externos podem influenciar a difusão da inovação, almejando ampliar o conhecimento sobre o comportamento dos usuários diante da introdução de um novo produto ou serviço. Com tal análise, espera-se obter uma abordagem com maior potencial para suportar estudos futuros acerca da implantação de novas TICs. O processo de difusão é analisado por uma abordagem baseada na dinâmica de sistemas, fazendo uso de modelos de simulação e investigando dois produtos no mercado brasileiro: o aparelho de DVD e o televisor em cores. Os fatores externos agindo no modelo de difusão são divididos em duas categorias: (i) um produto ofertado a usuários em um mercado nãohomogêneo; e (ii) um produto ofertado em um mercado que é afetado por mudanças nas condições econômicas da população ou que tem

limitações operacionais relacionadas à comercialização, como, por exemplo, dificuldades em suprir a demanda por novos produtos. Os dois produtos foram escolhidos por razões específicas. O televisor em cores é um equipamento eletrônico tipicamente domiciliar, com alta penetração em todo o País e, conseqüentemente, a quantidade de unidades comercializadas é sensível ao cenário macroeconômico. Além disso, esse produto permite uma profícua investigação pelo fato de simultaneamente representar um serviço de telecomunicação (radiodifusão) – do ponto de vista do provedor do serviço – e um produto de consumo (eletroeletrônico). Em contrapartida, a investigação do aparelho de DVD fornece informações sobre a resposta de consumo em um cenário microeconômico, embora o produto seja novo e, conseqüentemente, os dados de vendas disponíveis correspondem à fase inicial de seu ciclo de vida comercial. Um maior conhecimento sobre esses aspectos pode orientar análises futuras sobre o lançamento de produtos ou serviços com características similares. É importante ressaltar que este artigo não tem a intenção de tecer generalizações empíricas, aplicáveis a outros produtos e outros países. Conforme mencionado, o propósito da presente análise é apenas ampliar o conhecimento sobre o mercado brasileiro de TICs, especificamente no que se refere aos fatores que influenciam a adoção de um produto ou serviço. Não obstante, estudos de caso da difusão da Internet, do celular e da TV por assinatura estão sendo conduzidos com o propósito de estender essas observações e conhecimento a esferas mais amplas desse mercado (BONADIA et alli, 2003). 1

Método de análise

A análise tratada neste artigo é baseada no modelo de Bass, que é estendido para representar fatores externos não completamente revelados pelos modelos convencionais e, assim, refletir de forma mais adequada as particularidades do mercado brasileiro. O processo de parametrização, assim como a abordagem de simulação e o processo de coleta de dados utilizados para suportar a análise são descritos a seguir. 1.1 Características gerais do modelo de difusão de Bass O modelo de difusão proposto por Bass (1969) tem sido amplamente empregado para predizer o

3 Ver, entre outros, Gupta, Jain & Sawhney (1999), Swami & Khairnar (2003) e Talukdar, Sudhir & Ainslie (2002). 4 Conforme discutido em Menezes et alli (2005), outras extensões considerando fatores não usuais são apresentadas por Bass, Krishnan & Jain (1994), Mahajan, Muller & Bass (1990) e Wright, Upritchard & Lewis (1997). Este último relacionado a produtos de alta tecnologia.

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A dinâmica de sistemas aplicada à análise de difusão de TICs no mercado brasileiro

tempo de adoção de novas tecnologias. Similarmente ao modelo logístico, a curva de adoção assume a forma de “S”, correspondendo a um início lento, seguido por um período de rápida difusão e, por fim, outro período de desaceleração, o que representa a “saturação” do produto no mercado. Entretanto, para explicar como a difusão deixa o estado de equilíbrio inicial, Bass introduziu a idéia de dividir a taxa de adoção de uma inovação em dois fatores: um endógeno, usualmente denominado fator de imitação, e outro exógeno, referido como fator de inovação. De acordo com Bass, a probabilidade de uma pessoa adquirir um produto, pela primeira vez e em um dado período de tempo, é uma equação linear da quantidade de pessoas que o adquiriram. Tal condição resulta na seguinte relação: n(t ) = pm + [q − p]N(t ) −

q [N(t )]2 m

(1)

em que: • p é o “coeficiente de inovação”, uma vez que reflete a tendência para inovação sem considerar a influência interpessoal; • q é o “coeficiente de imitação”, dado que

considera a taxa de difusão advinda da influência dos adquirentes sobre os nãoadquirentes (ou potenciais adquirentes); • m é o mercado total; • n(t) representa as vendas (ou aquisições) no instante t; • N(t) é o número de adquirentes até o instante t. 1.2 Processo de parametrização A estimativa dos parâmetros do modelo de Bass (p, q e m) pode ser feita a partir de dados empíricos e aplicando um procedimento de regressão clássica à equação (1). Esse procedimento possibilita um bom ajuste, mesmo para um processo de difusão ainda incompleto5. Para diferentes processos de difusão, p e q são comparáveis apenas se a freqüência (por exemplo, mensal ou anual) dos dados observados for basicamente a mesma. Em contrapartida, essa condição não é válida para o parâmetro m, que pode ser comparado independentemente da freqüência de coleta dos dados. Entretanto, a decisão sobre a freqüência das observações depende do objetivo da análise: observações mais freqüentes permitem análises mais confiáveis em termos de microambiente6, ao passo que observações menos freqüentes podem descrever o comportamento geral sobre o

macroambiente e seus fatores de influência. 1.3 Modelagem e coleta de dados Com o objetivo de proporcionar um melhor entendimento sobre os fatores que historicamente influenciaram o processo de difusão, alguns recursos de modelagem foram adotados nesta análise. Os modelos podem ser usados para investigar os efeitos de eventos passados sobre a difusão, assim como para testar hipóteses que permitem identificar variáveis-chave. Esse aspecto é importante para entender tendências de mercado para a difusão de um determinado produto ou serviço e para a tomada de decisão em ambientes complexos. O processo de difusão é indubitavelmente complexo por natureza, e as pessoas precisam ter consciência sobre os atributos de um produto ou serviço. Há um grande número de fatores interconectados agindo sobre os processos cognitivos dos indivíduos, que afetam seu comportamento e as regras para adoção da inovação. Além disso, esses fatores interrelacionados estão em constante mudança e algumas adaptações acontecem em função da aprendizagem dos usuários, resultado da experiência individual e interações dentro de uma rede social. Nesse sentido, modelos lineares e de equilíbrio não são adequados para tratar tal complexidade inerente. Em linha com essas considerações, algumas abordagens baseadas na dinâmica de sistemas e aplicadas ao modelo de Bass podem ser encontradas na literatura. Exemplos de abordagens dessa natureza, aplicadas a produtos de telecomunicações, são apresentados em Lyons et alli (1997), Park & Kim (2000) e Menezes et alli (2005). A dinâmica de sistemas foi então utilizada no presente estudo para suportar a modelagem e o correspondente processo de simulação. Como conhecido, a dinâmica de sistemas é uma abordagem conceitual que permite representar a estrutura e o comportamento de sistemas complexos ao longo do tempo, fornecendo meios para a simulação computacional (FORRESTER, 1989) (STERMAN, 2000). Os modelos dinâmicos permitem testar os valores obtidos com a parametrização e comparar os resultados com dados reais. Além disso, a simulação permite revelar aspectos e ampliar o conhecimento sobre os efeitos que os fatores externos exercem na difusão dos produtos analisados. O levantamento de dados para o estudo de caso do televisor levou em consideração o número de vendas de aparelhos combinado com a quantidade de domicílios com televisores e o

5 Um bom ajuste pode ser obtido quando a difusão alcança a metade de todo o processo, o que ocorre em torno do ponto de inflexão da curva. 6 Contudo, isso pode ocasionar efeitos indesejáveis, como a introdução de um ruído aleatório que pode afetar adversamente a parametrização.

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total de domicílios brasileiros, formulando o comportamento de difusão e a penetração desses aparelhos. Ao combinar esses dados, também foi possível excluir aquisições repetidas (como substituição de aparelhos ou unidades adicionais). No levantamento de dados do aparelho de DVD, foi assumido que as aquisições repetidas não ocorreram, uma vez que esse produto ainda se encontrava em uma fase inicial de seu ciclo de vida no Brasil (de janeiro de 1999 a setembro de 2002). 2

Influência de fatores externos no processo de difusão

Quando um novo produto ou serviço é lançado no mercado, é difícil antever quais fatores externos podem influenciar a dinâmica de difusão. Os fatores que podem agir sobre a atitude dos usuários e suas decisões de aquisição mudam ao longo do tempo. Assim, as forças motrizes que levam à adoção de inovações modificam-se à medida que o processo de difusão evolui (WAARTS, VAN EVERDINGEN & VAN HILLEGERSBERG, 2002). Alguns desses fatores podem reduzir a velocidade da difusão ou mesmo bloqueá-la. Essa alternância de condições pode ter impactos ainda mais significativos em países em desenvolvimento, em que a população é muito sensível às questões econômicas. Nesses países, o comportamento dos usuários é mais influenciado por variáveis como taxa de interesse, taxa de troca, disponibilidade de crédito e outras. Na década de 80, o Brasil passou por uma significativa recessão econômica. Esse período foi marcado por alta inflação, que contribuiu para a redução da atividade econômica. Esforços do governo não foram suficientes para conter a inflação e expandir os negócios. Ao contrário, como

lembram Rigolon e Giambiagi (1999), as políticas econômicas desse período podem ter causado o crescimento da inflação, uma vez que os riscos de novas regras monetárias foram considerados na avaliação econômico-financeira. Tal conjuntura alterou o perfil de consumo da população brasileira, que foi forçada a diminuir seus gastos, principalmente no que se refere à aquisição de bens não-essenciais. O padrão de vida caiu em relação às décadas anteriores. Em meados dos anos 90, um novo plano econômico (Plano Real) obteve sucesso na redução da taxa de inflação brasileira, permitindo um pequeno aumento na renda média da população. Além disso, ao mesmo tempo, algumas linhas de crédito ficaram disponíveis para consumo de bens duráveis, as quais podiam ser obtidas a prestações relativamente baixas. Como conseqüência, o mercado experimentou um aumento no consumo, principalmente no período entre 1994 e 1998. Em 1999, uma nova crise econômica influenciou o ritmo de crescimento (RIGOLON & GIAMBIAGI, 1999), diminuindo o consumo e afetando vários setores da economia. Tal comportamento da economia produz, em diferentes proporções, impactos sobre a difusão de produtos e serviços. A título de comparação, as séries temporais da variação real do Produto Interno Bruto (PIB) brasileiro e norte-americano são ilustradas na Figura 1. A variação do PIB norte-americano nas três décadas passadas é menor do que a brasileira. Nesse período, a máxima variação real do PIB norte-americano foi de 9%, ao passo que, no Brasil, a variação máxima foi praticamente o dobro (cerca de 18%), alcançando, em algumas ocasiões, valores negativos de significativa magnitude. A diferença entre o PIB per capita

45.000

40.000

-5

GDP per capita capita (US$) (US$) PIB per

EUA USA

19 70 19 72 19 74 19 76 19 78 19 80 19 82 19 84 19 86 19 88 19 90 19 92 19 94 19 96 19 98 20 00 20 02 20 04

Variação real do PIB GDP Real Variation (%) (%)

Brazil Brasil 10

35.000 30.000 25.000 20.000 15.000 10.000 5.000

19 70 19 72 19 74 19 76 19 78 19 80 19 82 19 84 19 86 19 88 19 90 19 92 19 94 19 96 19 98 20 00 20 02 20 04

-10

Year Anos

Year Anos Brazil Brasil

USA EUA

Figura 1 Variação real do PIB do Brasil e dos EUA7

Brazil Brasil

USA EUA

Figura 2 PIB per capita8

7 Fonte: IPEA – Instituto de Pesquisa Econômica Aplicada (Brasil) e BEA – Bureau of Economic Analysis (EUA). Disponível, respectivamente, em: www.ipeadata.gov.br e www.bea.gov. 8 Fonte: IPEA e BEA, 2006.

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A dinâmica de sistemas aplicada à análise de difusão de TICs no mercado brasileiro

910

desses dois países é bastante alta para desprezar a importância da renda mínima destinada ao consumo de bens essenciais. O PIB per capita do Brasil é muito próximo do potencial de consumo dos bens essenciais. Qualquer desvio do PIB pode influenciar o perfil de consumo da população, diferentemente do que ocorre em países desenvolvidos, principalmente em termos de TICs e serviços de telecomunicações. A série temporal do PIB per capita nesses dois países é apresentada na Figura 2. Assim, é importante considerar a alta sensibilidade do mercado de países em desenvolvimento a essas variações no desempenho econômico nacional. Considerando que a maioria da população brasileira tem um nível de renda insuficiente para a aquisição de bens essenciais, qualquer variação no cenário econômico tem impacto significativo na composição do mercado potencial. A sensibilidade da curva de difusão a tais fatores depende também do tipo de produto ou serviço que está sendo ofertado ao mercado e, principalmente, do nível de preço e da atratividade desse produto ou serviço. Em termos de microambiente, outro fator freqüentemente observado em países em desenvolvimento é o replanejamento de estratégias de marketing para atingir novos segmentos e mercados. No Brasil, e em outros países em desenvolvimento, variações no nível de preço podem permitir ou impedir que segmentos da população se tornem usuários potenciais de determinada TIC ou serviço. Ainda que essa população tenha potencial de consumo em um dado período, outros eventos externos, como mudanças macroeconômicas, podem afetar essa nova condição, diminuindo as possibilidades de aquisição dos indivíduos e retardando o processo de difusão. O crescimento populacional é outro fator que pode influenciar o processo de difusão, principalmente em países com população jovem. Se o produto tem um longo período de difusão e um amplo mercado-alvo (por exemplo, televisor em cores), o crescimento populacional pode influenciar significativamente o processo de difusão. De fato, m deixa de ser constante no tempo. Em termos gerais, a influência de questões do macroambiente no comportamento da difusão só é compensada por ações reativas. Em contrapartida, a análise orientada aos aspectos do microambiente fornece elementos que podem ser usados em ações proativas. Nas próximas seções, os fatores de influência aqui discutidos

são modelados com base em um modelo de difusão de Bass modificado. 3

Modelagem dos fatores externos

Os fatores externos comentados na Seção 2 mudam significativamente o padrão tradicional de difusão de novos produtos ou serviços. Quando esses fatores ocorrem durante o processo de difusão simulado com os parâmetros estimados pela modelagem de Bass, os resultados obtidos podem ser completamente diferentes dos dados reais. Portanto, torna-se necessário incluir algumas modificações no modelo de Bass, de forma a ajustar a curva simulada que descreve o comportamento de difusão observado9. Os fatores externos discutidos podem ser classificados em duas categorias: • tipo I: fatores externos que afetam o mercado

potencial;

• tipo II: fatores externos que afetam o processo

de aquisição do produto.

O diagrama de relações para o modelo de difusão de Bass modificado, contendo ambas as categorias de fatores externos, é apresentado na Figura 3. Esse modelo modificado possui três novos elementos. O primeiro deles corresponde a um processo intermediário entre o mercado potencial e os adquirentes (usuários)10, fazendo surgir uma nova categoria de indivíduos: os predispostos. O segundo ajuste leva em consideração a distinção entre mercado-alvo e mercado potencial, de maneira que os indivíduos pertencentes ao mercado potencial têm não apenas o desejo latente, mas também renda para aquisição do produto ou serviço, ao passo que os outros têm o desejo latente, mas não dispõem de renda para adquiri-lo. Por fim, o terceiro ajuste introduz dois controles de acesso, os quais regulam o número de indivíduos com e sem renda para aquisição.

Mercado Target alvo market

Acceptance Acceptance Processo de process aceitação Process

Mercado Potential potencial market Access controller Controle de acesso for para potential market o mercado (external potencial factor (fator of type I) I) externo do tipo

Controle de acesso Access controller para aquisição for acquisition (fator externo do (external factor II)II) oftipo type Adoption Processo de adoção process

Acceptors Predispostos Usuários Acceptors Adopters

Innovation Efeito de effect inovação

Imitation Efeito de effect imitação

Figura 3 Diagrama de relações com fatores externos

9 É importante destacar que, nessa modelagem, assume-se que a introdução dos fatores externos mencionados não invalida o modelo de difusão de Bass. 10 De acordo com a classificação de Rogers (1983).

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A dinâmica de sistemas aplicada à análise de difusão de TICs no mercado brasileiro

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O controle de acesso relacionado ao mercado potencial habilita um novo segmento do mercado-alvo a participar do processo de difusão, caso um fator externo do tipo I ocorra. Uma vez que essa entrada seja permitida, o usuário potencial não deve retornar ao mercadoalvo, uma vez que ele adquirirá, inevitavelmente, a inovação. O outro controle de acesso evita a efetivação da aquisição se algum fator externo do tipo II ocorrer durante o processo. 3.1 Fator externo do tipo I Quando um produto é lançado, o número de usuários potenciais depende de dois fatores principais: atratividade e preço. Se o produto é replanejado para atender a novas necessidades, com modificações no preço ou nas funcionalidades, é possível observar variação no número de indivíduos do mercado potencial em função do novo valor percebido. Essa situação é identificada como um fator externo do tipo I. Sua influência no processo de difusão ocorre pela modificação do número de usuários potenciais (e, conseqüentemente, de m). Tais mudanças no microambiente levam a uma rápida resposta no comportamento do consumidor. Conseqüentemente, a análise deve considerar observações mais freqüentes, dentro de um intervalo de curto e médio prazos, sobre as vendas do produto ou serviço em questão, de tal forma que seja possível predizer11 o mercado potencial que essa inovação pode alcançar em um dado período. Uma forma de lidar com essas questões e ajustar o modelo a um comportamento de difusão mais adequado é separar a análise em dois modelos diferentes de difusão. A primeira parte considera as vendas efetivadas desde o lançamento do produto ou serviço, em um cenário de microambiente (e.g., nível de preço e imagem de mercado), até o momento em que esse cenário muda. A segunda parte começa no momento dessa mudança. Em mercados altamente sensíveis a flutuações econômicas, cada redução no nível de preço traz mais usuários potenciais e, por meio do processo de parametrização mencionado na Seção 1, é possível determinar os valores relativos a p, q e m. É importante salientar que o valor de m reflete o eventual crescimento do número de usuários potenciais, i.e., o tamanho do mercado relativo ao novo nível de preço é igual ao tamanho do mercado relativo ao nível de preço anterior, mais a nova população habilitada pelo controle de

acesso como conseqüência do fator externo do tipo I. O crescimento da população é outro exemplo de fator externo do tipo I em um macroambiente. O crescimento gradual dos usuários potenciais transforma o mercado total (m) em uma variável dependente do tempo. Nessa situação, é possível supor que o crescimento gradual de usuários potenciais (em razão do crescimento vegetativo) não causa alteração repentina no padrão de difusão, visto que mudanças como essas apenas modificam o perfil de consumo em longo prazo e de maneira gradual. Então, com a divisão do processo de difusão em pequenos intervalos de tempo (tão estreitos como o desejado), as modificações em cada segmento da curva de difusão não serão percebidas. Como conseqüência, é assumido que, durante todo o processo de difusão, o crescimento da população não altera o comportamento de consumo em termos de decisão de compra. Em outras palavras, p e q são constantes durante a modelagem do processo de difusão. 3.2 Fator externo do tipo II Nessa análise, as influências de mudanças negativas na situação macroeconômica durante o processo de difusão são consideradas fatores externos do tipo II, em uma abordagem de macroambiente. Como argumentado anteriormente, em um mercado como o do Brasil, o poder de compra é mais suscetível a esses fatores em razão da baixa renda média da população. Embora os usuários potenciais tenham sido convencidos pela idéia do novo produto, o processo de aquisição é improvável por conta das barreiras econômicas. Similarmente, o desejo de compra de um novo produto ou serviço pode ter sido disseminado em algumas áreas geográficas onde a infra-estrutura requerida ainda não está disponível. Serviços como TV a cabo, Internet banda larga e telefonia móvel são exemplos típicos nos quais problemas de infra-estrutura são observados. No microambiente, esse problema representa um outro aspecto do fator externo do tipo II12. O modelo de Bass assume que o produto ou serviço certamente será adquirido em um dado tempo e, conseqüentemente, não há fatores que afetam o processo de compra. Como mencionado anteriormente, tal fato não é uma suposição razoável para países em desenvolvimento. Nesse sentido, a abordagem aqui apresentada utiliza o modelo de Bass com a

11 Neste estudo, o propósito da predição está mais relacionado ao foresight do que a estimativas quantitativas de previsão. Para detalhes em foresight, ver, por exemplo, Grupp & Linstone (1999). 12 Embora, até certo ponto, essa questão possa ser tratada como fator externo do tipo I. Esse seria o caso se houvesse um intervalo de tempo estreito entre o lançamento e a disponibilidade do serviço na área geográfica. Isso se deve ao fato de que a demanda não sofreu restrição por um período longo de tempo.

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inclusão de dois elementos, com o objetivo de analisar as influências de fatores externos do tipo II no processo de difusão. O primeiro elemento é um controle de acesso que se comporta como um inibidor do processo de adoção. O segundo elemento é um passo intermediário, anterior ao processo de adoção. Conforme Figura 3, esse novo passo é chamado de processo de aceitação, no qual os indivíduos do mercado potencial são submetidos a influências típicas do processo de Bass, i.e., eles tomam conhecimento sobre o produto ou serviço e desenvolvem o desejo de compra, tornando-se “predispostos”. Entretanto, a efetiva aquisição é adiada por conta dos fatores externos do tipo II. Quando um fator externo do tipo II está fortemente presente em um mercado, é importante dizer que o processo de difusão exibe distorções significantes no padrão “S” da curva. Nesses casos, a parametrização, como descrita na Seção 2, não é uma opção viável. Portanto, a única maneira de modelar o processo de difusão é inferir o valor dos parâmetros por meio da comparação com outros casos similares. Essas simulações e análises de sensibilidade fornecem insumos para decisões estratégicas, particularmente com respeito ao momento de investimento. 4

Estudos de caso

A abordagem de investigação dos fatores externos foi aplicada em dois estudos de caso de comportamento brasileiro de compra: a difusão do aparelho de DVD e da TV em cores. O estudo do aparelho de DVD demonstra claramente a necessidade de se considerar a mudança do mercado potencial durante o processo de difusão. No caso do aparelho de TV em cores, a mudança contínua no mercado-alvo (crescimento da população) e, ao mesmo tempo, as variações nas condições econômicas levaram a um comportamento de compra diferenciado.

mercado, essa redução teve maior influência de decisões estratégicas do que de qualquer evolução na curva de aprendizagem do produto. Quando o preço alcançou valores mais baixos, o número de indivíduos do mercado potencial começou a crescer. Provavelmente, esse fator externo foi o principal motivador da aceleração da difusão naquele período, juntamente com o aumento gradual da atratividade. Este aumento se deu em virtude da melhoria na tecnologia e maior oferta de conteúdo (lançamentos de novos títulos de DVDs). Para considerar esse fator externo, o modelo clássico de difusão foi dividido em dois sistemas, correspondendo aos diferentes períodos: antes e depois da queda no preço. Esse mecanismo permitiu simular o fator externo do tipo I. O primeiro período de tempo considerado para parametrização se estende do início do processo de difusão até o 16° mês (abril de 2000)14. Depois desse período, o número de usuários é realocado no segundo sistema e essa informação é utilizada para calcular os novos parâmetros, considerando os dados subseqüentes do processo de difusão15. A divisão em duas séries de dados facilitou o processo de modelagem e permitiu a visualização do comportamento da difusão durante o período de análise. Os mesmos dados históricos foram usados para realizar outro ensaio, considerando o processo de difusão puro de Bass, isto é, não levando em conta as influências dos fatores externos na modelagem. Esses dois ensaios foram comparados em termos de adequação do ajuste da curva16 por meio de uma medida simples de distância entre os dados observados (reais) e os dados esperados (estimados). Os parâmetros (p, q e m) de cada ensaio e para cada parte da curva de difusão do segundo ensaio são apresentados na Tabela 1. Tabela 1 Parâmetros do aparelho de DVD Ensaio Bass puro Fator ext. tipo I Jan/99 – Abr/00 Mai/00 – Set/02

4.1 Aparelho de DVD No Brasil, o processo de difusão do aparelho de DVD iniciou-se em 199913. Desde então, algumas mudanças têm ocorrido nos níveis de preço e nas características do produto, o que modificou gradualmente o valor percebido do produto pelos consumidores. Aproximadamente 17 meses (maio de 2000) depois do lançamento do aparelho de DVD, seu preço baixou em quase 50% do valor inicial. De acordo com analistas de

p 0,0012

q 0,112

m 2.810.000

0,0086 0,0025

0,202 0,090

67.000 4.520.000

A comparação entre os dados históricos e os resultados de cada modelo de difusão (com e sem considerar fatores externos do tipo I) do aparelho de DVD é mostrada na Figura 4, tanto para vendas acumuladas, como por período.

13 Fonte: Eletros – Associação Nacional de Fabricantes de Produtos Eletroeletrônicos. 14 Dados de entrada de freqüência mensal. 15 Esta análise considera séries históricas até o ano de 2002, em razão da indisponibilidade de dados mensais a partir dessa data. 16 Determina em que medida os dados estimados pelo modelo se aproximam dos dados reais. O menor valor mostra o melhor resultado.

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17 18 19

milhares

120

1.600

1.200

800

400

jan / ma 99 r/9 ma 9 i/9 9 jul /9 se 9 t/9 no 9 v/9 jan 9 / ma 00 r/0 ma 0 i/0 0 jul /0 se 0 t/0 no 0 v/0 jan 0 / ma 01 r/0 ma 1 i/0 1 jul /0 se 1 t/0 no 1 v/0 jan 1 / ma 02 r/0 ma 2 i/0 2 jul /0 se 2 t/0 2

Preço e esforço de marketing 30

Taxa de adoção do aparelho de DVD

Usuários de aparelhos de DVD

milhares

2.000

Meses Fator externo do tipo I

Basspuro

Meses Dadosreais

Fator externo do tipo I

Basspuro

Dadosreais

Figura 4 Vendas acumuladas e por período de aparelhos de DVD17

No processo de regressão clássica, a parametrização utilizando Bass puro se ajusta aos dados de maneira agregada. Essa abordagem não leva em conta a possibilidade de que um certo evento possa modificar completamente o comportamento corrente. Sua medida de ajuste resultou em 81,1, ao passo que o ensaio que considera o fator externo resultou no valor 13,9, ajustando-se melhor ao comportamento real. A divisão do conjunto de dados em dois períodos permitiu considerar o novo comportamento, que emergiu das mudanças na estratégia de preços. 4.2 Aparelho de TV em cores No Brasil, o aparelho de TV em cores começou a ser vendido em 1973. Desde então, iniciou-se um processo lento de difusão, principalmente em virtude das condições econômicas dos últimos 30 anos. Como dito anteriormente, na década de 80, o Brasil experimentou um período de recessão intensa, represando a demanda por aparelhos de TV. A partir de meados da década de 90, com a estabilização da moeda e a abertura de crédito ao consumidor, houve a liberação da demanda, que estava estagnada, fazendo com que a quantidade de aparelhos vendidos desse um salto para um novo patamar. Uma outra questão considerada é o crescimento gradativo do número de domicílios ao longo dos 30 anos de análise, que, ao final desse período, resultou em um aumento de 150%18. Essa questão foi tratada como um fator externo do tipo I. Para levar em conta tais fatores na modelagem, foi incluído um mecanismo de filtro baseado em uma função da variação real do PIB brasileiro19.

Filtro(t) =

MM(10) variação real do PIB brasileiro (t) , para 1973 ≤ t ≤ 1982 100 0,7 * MM(10) variação real do PIB brasileiro (t) , para 1983 ≤ t ≤ 1993 100 MM(10) variação real do PIB brasileiro (t) , para 1994 ≤ t ≤ 2004 100

Essa função considera a média móvel relacionada aos 10 períodos anteriores a um dado instante t, pertencente ao período analisado. O fator externo do tipo II foi incluído nesse estudo para dois ensaios diferentes, buscando ilustrar os impactos macroeconômicos no comportamento de difusão. Em um dos ensaios, o filtro foi colocado como um controle de acesso para o mercado potencial, similarmente ao feito no caso do aparelho de DVD para o fator externo do tipo I, limitando a quantidade de domicílios que poderiam se tornar usuários potenciais. No outro ensaio, o controle de acesso foi colocado como um processo de aceitação (antes do processo de adoção), como um fator externo do tipo II. Os diagramas de relações para ambos os ensaios são ilustrados na Figura 5. Além disso, o processo puro de Bass também foi simulado com o propósito de comparação. No Brasil, o processo de difusão do aparelho de TV em cores foi amplamente afetado pelos fatores externos do tipo II. Visto que a influência desses fatores sobre o comportamento da difusão não é inteiramente conhecida, a parametrização por meio de regressão clássica (como mencionado na Seção 2) é conseqüentemente uma questão complexa. Para superar esse obstáculo, os parâmetros utilizados na avaliação do comportamento de difusão foram

17 Fonte: Eletros. Disponível em: www.eletros.org.br 18 Fonte: IBGE – Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística. Disponível em: www.ibge.gov.br. 19 Este artigo não busca uma função precisa correlacionada ao comportamento real de demanda. Busca, entretanto, ilustrar o melhor tratamento para modelagem de cada tipo de fator externo. Apesar de ser uma simplificação da relação entre demanda e PIB, a função foi aqui empregada com o objetivo de ampliar o entendimento sobre os impactos dos fatores externos e avaliar a melhor forma de se modelar.

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20 21

Filtro Fator Ext.Type Tipo I Filter colocado arrengedcomo as Ext. Factor

Filtro Fator Ext.Type TipoII II Filter colocado arrenged como as Ext. Factor

Function of Funcão da variação GDP Real Variation real do PIB Ext. Factor TypeI I Fator Ext. Tipo

Domicílios

Households (crescimento (increasing vegetativo) over time)

Domicílios Households

Mercado Potential potencial Market Population Crescimento Increasing populacional Ext. Factor Fator Ext. Type Tipo II

Acceptance Processo de Process aceitação

(crescimento (increasing vegetativo) over time)

Acceptance Processo de Process aceitação

Usuários de Acceptors Color TV Predisposição TV Adopters em cores

Mercado Potential potencial Market Population Crescimento Increasing populacional Ext. Factor Fator Ext. Type Tipo II

Imitation Efeito de Effect imitação

Efeito de Innovation inovação Effect

Function of Funcão da variação GDP real Realdo Variation PIB Ext. Factor TypeIIII Fator Ext. Tipo

de Color TV Predisposição Acceptors Usuários TV Adopters em cores

Imitation Efeito de Effect imitação

Efeito de Innovation inovação Effect

Figura 5 Diagramas de relações para os dois ensaios da TV em cores

perturbação nas condições econômicas ocorridas depois da inclusão do indivíduo no mercado potencial não impedirá a efetivação da compra em um dado tempo. As medidas de ajuste no processo puro de Bass e no primeiro ensaio (fator externo do tipo I) resultaram, respectivamente, em 17,7 e 16,7. Embora haja uma pequena diferença entre esses valores, isso não é suficiente para considerá-la significativa. No segundo ensaio (fator externo do tipo II), as perturbações foram simuladas ao longo do processo, quando as barreiras econômicas surgiram. Nesse caso, o controle de acesso evitou que alguns indivíduos (no processo de aceitação) efetivassem suas aquisições (compras). A medida de ajuste desse ensaio resultou em 8,9, que é aproximadamente 50% do valor obtido com o processo puro de Bass e, portanto, mais adequada para a presente análise. Essa abordagem tende a ser mais realista e muito útil em países em desenvolvimento, onde qualquer alteração na economia pode interferir no processo natural de difusão de produtos e serviços baseados em TICs, sobretudo em virtude da baixa renda de sua população. O mecanismo para lidar com barreiras macroeconômicas, como os fatores externos do tipo II, foi mais adequado para representar quantitativamente o comportamento da compra, conforme discutido a seguir.

obtidos pela combinação dos valores de p e q encontrados em Talukdar, Sudhir & Ainslie (2002) para países em desenvolvimento, e valores obtidos da parametrização do processo de difusão do aparelho de TV em preto e branco no Brasil20, conforme apresentado na Tabela 2. O mercado total (m) é assumido como sendo o número de domicílios brasileiros, considerando seu crescimento ao longo do período de análise (de 1973 a 2004). Tabela 2 Parâmetros do aparelho de TV Ensaio Talukdar, Sudhir & Ainslie (2002) TV em P&B TV em cores

0,0003

0,550

0,0210 0,0110

0,157 0,350

Os resultados da simulação, tanto para os dois ensaios, como para o processo de difusão do Bass puro, são apresentados na Figura 6. A curva estimada do ensaio que considera o Filtro (t) como um fator externo do tipo I e a curva estimada pelo processo puro de Bass não representam apropriadamente a influência externa no comportamento real da difusão, conforme Figura 6. A dinâmica do modelo de Bass é responsável por isso, visto que qualquer

4 Milhões

Milhões 40

Taxa de adoção da TV em cores

Anos Bass puro

Fator externo do tipo I

20 00

20 02 20 04

19 96

19 98

19 90

19 92 19 94

19 86

19 88

19 84

19 82

19 80

19 78

19 72 19 74

19 98

20 00 20 02 20 04

19 94 19 96

19 90

19 92

19 88

19 84 19 86

19 78 19 80 19 82

19 72 19 74 19 76

19 76

Aquisição acumulada de TV em cores

Anos

Fator externo do tipo II

Dados reais

Bass puro

Fator externo do tipo I

Fator externo do tipo II

Dados reais

Figura 6 Vendas acumuladas e por período do aparelho de TV em cores21

20 Bonadia et alli, (2003). 21 Fonte: IBGE, Gazeta Mercantil: Panorama Setorial, Eletros e ABINEE – Associação Brasileira da Indústria Elétrica e Eletrônica.

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Conclusão O presente estudo torna clara a importância de se analisar produtos ou serviços sobre múltiplas perspectivas, de forma a aprender mais sobre a real introdução de uma inovação no mercado,e deixando o processo de difusão ideal em um segundo plano. As características econômicas observadas em um país como o Brasil afetam significantemente o comportamento de difusão nominal. Esses aspectos trazem complexidade à parametrização baseada nas equações de Bass, visto que os parâmetros assim obtidos não descrevem apropriadamente o comportamento de compra ao longo do tempo. Não considerar tais influências no processo de modelagem pode levar à informação imprecisa sobre a velocidade de difusão e penetração do produto ou serviço no mercado. A análise ex post realizada nos dois estudos de caso mostra a alta influência dos fatores externos no processo de difusão, tornando-se necessário considerá-los em análise ex ante para fornecer resultados mais confiáveis. Além disso, a dificuldade de predizer esses fatores adiciona um novo ponto de discussão: a eficiência de técnicas de previsão para quantificação dos parâmetros de difusão. Essa dificuldade é facilmente percebida quando o fator externo é de natureza macroeconômica, caracterizando uma variável incontrolável para analistas e tomadores de decisão. A influência da conjuntura econômica no processo de difusão foi ilustrada pelo estudo da TV em cores. A construção dos cenários macroeconômicos e a simulação de dinâmica de sistemas forneceu informação útil para identificar as particularidades do comportamento de difusão. A análise realizada mostrou que a variação do PIB brasileiro teve influência nas aquisições dos aparelhos de TV. Pela inclusão do fator externo do tipo II no modelo de difusão, foi possível obter um melhor entendimento da relação entre cenários macroeconômicos, comportamento de consumo e processo de difusão. Entretanto, é necessário ter em mente que cada produto tem um conjunto de valores inerentes que determinam sua atratividade perante o público. Além disso, o comportamento do consumidor muda ao longo do tempo, impondo limites nos resultados quantitativos obtidos para a relação entre conjuntura econômica e comportamento de consumo. Conseqüentemente, pode-se considerar mais as tendências gerais e padrões do que os números per se. O fator externo do tipo II foi apresentado na modelagem da TV em cores. Os efeitos de tal fator foram observados no comportamento de difusão, cuja curva assume um padrão atípico de formato “S”. A inclusão das modificações no modelo de Bass, i.e., o processo de aceitação

como um passo intermediário no modelo de difusão (antes do passo de compra) e controle de acesso (agindo como um inibidor da efetivação da compra), foi essencial para o ajuste da simulação dos dados reais de difusão. O estudo do aparelho de DVD confirmou que uma estratégia de baixos preços contribuiu para um aumento significativo no tamanho do mercado potencial, o que é razoavelmente natural. Inicialmente, a estimativa de mercado foi 70 vezes menor, visto que apenas classes sociais mais elevadas tinham poder de compra. Levando em conta que a renda média no Brasil é muito baixa, e normalmente alocada para necessidades básicas, é possível observar como esses mercados são altamente sensíveis a preço. Ainda, a modelagem do aparelho de DVD mostrou resultados interessantes por meio da análise do fator externo do tipo I, incluindo um controle de acesso que habilitava a entrada de novos segmentos no mercado potencial. Os resultados foram particularmente interessantes, mostrando uma maneira efetiva de avaliar mudanças no tamanho do mercado e revelando o comportamento que emerge da perturbação no status quo. A respeito da abordagem metodológica proposta e discutida neste artigo, pode-se concluir que o modelo de Bass foi estendido para tratar dois tipos de fatores externos. Os resultados obtidos com esse procedimento mostraram dois principais benefícios: (i) o modelo estendido fornece melhor ajuste para alguns comportamentos de difusão de TICs no Brasil e (ii) fornece uma parametrização mais realista, em que p e q assim obtidos podem ser usados em análises ex ante para produtos similares. Quando a parametrização não é possível, em razão da falta de dados, uma alternativa é considerar métricas de outros mercados, que, mesmo não sujeitos aos mesmos fatores externos, apresentem grande maturidade. Entretanto, o uso de parâmetros assim obtidos deve ser seguido por análises de sensibilidade para identificação das variações nos resultados. Outro aspecto importante é a preocupação com o fato de que, diferentemente de países desenvolvidos, as particularidades do processo de difusão no Brasil, pelo menos para os produtos aqui analisados, são menos relacionadas à atratividade do que ao poder de compra. Em função de uma parcela considerável da população ter renda disponível limitada, a velocidade de difusão de uma inovação é lenta e, na ausência de uma política de preços para novos grupos de consumidores, pode resultar em um processo estagnado em virtude da saturação do mercado. Como conseqüência, é razoável supor que cada segmento socioeconômico tem uma microestrutura de acordo com a classificação de Rogers (1983), mas com seus

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próprios parâmetros (velocidade de difusão, por exemplo). Não obstante, esse é um ponto que requer estudos adicionais para validar em que medida o modelo de Bass pode ser estendido e reproduzido em diferentes períodos de tempo. Por isso, seria necessário levar em consideração uma base estatística mais ampla, incluindo dados de outros produtos e serviços de TICs. Por fim, essa análise leva a uma investigação em profundidade dos eventos históricos que deram forma ao cenário da difusão da TV em cores e do aparelho de DVD no Brasil. Em um sentido mais amplo, tal investigação contribuiu para um melhor entendimento de algumas particularidades do mercado brasileiro, especificamente na maneira como ele reage aos fatores externos e como uma inovação pode ser difundida nesse mercado. Toda experiência adquirida pode ser usada para planejamento de novas TICs (tanto na forma de produtos como de serviços), de acordo com as necessidades e interesses de todos os agentes envolvidos em uma iniciativa dessa natureza.

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Metdoloski

zvezki,

17,

Abstract This paper aims at presenting an analysis of the product diffusion process in the Brazilian Information and Communication Technology (ICT) market – an environment that has particular sociocultural characteristics and is strongly affected by external economic factors. Such aspects make more complicated the parametrization based on traditional approaches, such as the Bass diffusion model, since the parameters obtained do not properly describe the purchase behavior over time. Not considering such influences in the modeling process may lead to inaccurate information about a product or service diffusion pattern and market penetration of the products. The main purpose of the study is therefore to investigate how and to what extent such external factors can influence the product diffusion process, seeking to acquire knowledge about the market and the consumer behavior facing the introduction of a new product or service. Two diffusion processes are analyzed herein by means of a system dynamics simulation model: the DVD player and the TV set. Key words: Innovation diffusion. Extended Bass Model. ICT. Business dynamics.

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Heurística de auto-tuning para escalonadores dedicados a aplicações bag-of-task em grades computacionais Domingos Creado*, Roseli Carniello Lopes Este artigo propõe uma heurística que fornece uma funcionalidade de auto-tuning para escalonadores de tarefas existentes em middleware de grades computacionais, clusters ou embarcados em sistemas. Essa funcionalidade se enquadra em um cenário maior, a computação autônoma, apontada na literatura como um elemento competitivo diferencial dos sistemas e fundamental para o futuro. Palavras-chave: Grid computing. Computação autônoma. Tuning. Escalonadores de tarefa. Introdução

Com o aumento da complexidade e do porte dos sistemas, os custos de administração e manutenção desses sistemas em produção têm crescido de forma dramática. A autonomia talvez seja uma das mais importantes características não-funcionais para os sistemas futuros ocasionada por essa curva crescente dos custos (KEPHART & CHESS, 2003). Diversos são os fatores, alguns decorrentes do aumento de complexidade ou tamanho, que criam a necessidade de autonomia dos sistemas. Entre eles estão a mudança no ambiente em função de falhas em recursos ou alteração em políticas de compartilhamento ou, ainda, melhorias implementadas nos recursos. A autonomia de um sistema revela-se por sua capacidade de se monitorar e gerenciar em resposta ao ambiente em que se encontra, assim como ser adaptável com relação ao ambiente (PATTNAIK, EKANADHAM & JANN, 2002). Entre as funcionalidades que individualmente ou em conjunto dão maior ou menor grau de autonomia aos sistemas, destacam-se: autorecuperação, autoproteção (a ataques ou corrupção por falha interna), tolerância a falhas, auto-tuning, entre outras. Esta última possibilita que a performance do sistema se mantenha em níveis aceitáveis de acordo com o tempo da aplicação no ar e mesmo com alterações no perfil de uso. Este artigo propõe uma heurística para autotuning que possibilita ao escalonador de tarefas (implementado por middleware de grid computing e clusters ou implementados diretamente nas aplicações) melhorar sua performance com o tempo e ainda ser adaptativo. Na Seção 1, será apresentado o contexto do trabalho. Na Seção 2, será apresentada a lógica da heurística. Na Seção 3, serão apresentados os resultados obtidos e, por fim, a conclusão, com a aplicabilidade e os futuros trabalhos.

São várias as formas como um programa pode ser organizado. Apesar das limitações, uma forma de organização que tem grande aplicabilidade e pode ser utilizada mesmo em problemas extremamente complexos é a bag-oftasks (BELTRÃO et alli, 2004). A característica principal dessa estrutura de aplicações é a existência de diversas tarefas disjuntas que devem ser executadas de forma independente. Essas tarefas não têm restrição quanto à ordem de execução nem quanto a sua execução em paralelo. Vários são os problemas dentro do setor de telecomunicações que se encaixam nesse formato, como, por exemplo, o processo de determinação do preço de cada chamada, o valor total de cada fatura, etc. Para exemplificar esse contexto, em uma empresa operadora de telecomunicações com 15 milhões de clientes geram-se, por mês, em torno de quatro bilhões de chamadas, entre chamadas locais, de longa distância nacional e internacional, IP, pacotes e outros. Assim, uma plataforma hardware dedicada a esse processo deve suportar o processamento de aproximadamente 135 milhões de chamadas por dia, o equivalente a 5,6 mil chamadas por minuto. Normalmente, a resolução desses problemas necessita de grande poder computacional em função do volume e, quase invariavelmente, demanda de uma estrutura de cluster ou, ainda, de uma grade computacional. Existem diversos tipos de grades computacionais (FOSTER & KESSELMAN, 1999) (GOLDCHLEGER, 2004) (KRAUTER, BUYYA & MAHESWARAN, 2002) (ROURE, JENNINGS & SHADBOLT, 2002) (THAIN, TANNENBAUM & LIVNY, 2002), que se diferenciam em função do foco nas aplicações que exigem grande poder computacional e organização, seguindo a bag-oftasks, tal como os middlewares MyGrid, BOINC, Condor e JPPF.

*Autor a quem a correspondência deve ser dirigida: creado@cpqd.com.br Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 3, n. 1, p. 51-58, jan./jun. 2007

Fundamentação e contexto

Heurística de auto-tuning para escalonadores dedicados a aplicações bag-of-task em grades computacionais

Essa abordagem surgiu com o Projeto Factoring via Network-Enabled Recursion (FAFNER) em 1995 (ROURE, JENNINGS & SHADBOLT, 2002), que tinha como missão a construção de uma grade para uma competição de fatoração de números. Para a viabilização, foram desenvolvidos algoritmos de fatoração em paralelo, de modo que partes da fatoração fossem distribuídas por centenas de máquinas e o resultado do processamento fosse agrupado no servidor. A arquitetura dessas grades normalmente conta com uma fila de tarefas, centralizada ou distribuída, um sistema de negociação de requisitos das tarefas e a estrutura de execução nas máquinas compartilhadas. Assim, as tarefas são organizadas em fila, transferidas para as máquinas, executadas e transportadas de volta para o cliente (LIVNY, 1997) (THAIN, TANNENBAUM & LIVNY, 2002) (PITANGA, 2004). O agrupamento de tarefas é uma estratégia que escalonadores de tarefas de grades com uma arquitetura como a descrita neste trabalho podem utilizar para otimizar os recursos (SILVA et alli, 2004). Assim, o escalonador cria blocos de processamento maiores que uma única tarefa, tal que o transporte, o setup e a coleta dos dados na máquina compartilhada se tornem mínimos. Essa mesma estratégia está sendo utilizada nos módulos do sistema CPqD Billing, na tentativa de cumprimento dos SLAs necessários para o processamento do referido volume. Para o processamento de chamadas e faturas, o CPqD Billing agrupa os dados envolvidos em blocos. Essa abordagem permite grandes speedups em máquinas individuais ou em clusters (SILVA et alli, 2004). Vale ressaltar que a influência do agrupamento em outras questões e a forma do próprio escalonador dimensionar o agrupamento não foram tratadas neste trabalho. 1.1 Auto-tuning e computação autônoma A computação autônoma posiciona o auto-ajuste como um de seus elementos (KEPHART & CHESS, 2003), pois, com o aumento dos parâmetros dos sistemas de software, a integração desses parâmetros cria ambientes muito complexos, crescendo demasiadamente o custo de administração do sistema. Em contrapartida, uma grade possui seu autoajuste como obrigação (KEPHART & CHESS, 2003), em função do tamanho, quantidade de componentes e pela existência de outras aplicações que estarão em execução. Tal necessidade é a maior justificativa para a implementação aqui apresentada. 1.2 Cenário de teste O cenário escolhido para o teste da heurística foi

um escalonador de um gerenciador de cluster com uma aplicação de multiplicação de matrizes, com os dados gerados aleatoriamente. A escolha do gerenciador de cluster ocorreu em função da facilidade de implementação e ainda pela aderência da arquitetura, segundo descrito acima. O middleware escolhido, o JPPF, foi executado em um cluster de nove máquinas com praticamente o mesmo poder computacional. 1.3 JPPF O Java Parallel Processing Framework (JPPF, 2006) é um middleware de controle e divisão de carga em um cluster e tem suporte exclusivo a aplicações de estrutura bag-of-tasks escritas na linguagem Java. Esse middleware tem um escalonador centralizado, ao qual os clientes se conectam e submetem as tarefas. Ele é organizado em torno de uma fila de tarefas sem prioridade e já utilizava o recurso de agrupamento de tarefas antes da implementação do presente trabalho. Para a implementação da heurística aqui proposta, foi definido um outro módulo dentro da arquitetura do JPPF, conforme Figura 1, para trabalhar em conjunto com a fila de tarefas. Dessa forma, ao receber as tarefas, a fila passa a consultar a heurística para saber com que tamanho as tarefas serão empacotadas e, após a criação dos pacotes, estes são atribuídos ao gerenciador de recursos. Na finalização do processamento de todas as tarefas do grupo, o gerenciador de recursos notifica a fila de tarefas que, então, encaminha os resultados para o gerenciador de clientes. Entretanto, a fila ainda alimenta a heurística com os dados de performance das tarefas e, ao ser realimentada, verifica se há dados suficientes para sua execução e executa ações para a busca de uma melhor configuração. Gerenciador de clientes resultados

publica Fila de tarefas atribui

quantidade Heurística tam. grupo resultado resultados

Gerenciador de recursos Figura 1 Arquitetura JPPF

A implementação, objeto deste trabalho, foi integrada à arquitetura do JPPF e disponibilizada sob a licença LGPL, a partir da versão 0.17 do

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middleware.

1.4 Curva real

A heurística proposta altera os parâmetros do sistema e coleta em run-time a performance obtida com a escolha. Como classificam Russel e Norvig (2004), a implementação aqui apresentada faz uma busca on-line em uma variável muito sensível para o usuário: a performance do sistema. Assim, a heurística faz uma busca pela situação com melhor performance no espaço amostral dos tamanhos de agrupamento. Porém, como o espaço é infinito, a heurística conta com uma condição de parada que leva o algoritmo para uma boa situação, em contraposição à melhor situação. O emprego de uma heurística para tratamento do problema contrapõe-se à modelagem matemática e à utilização de técnicas, assim como à programação inteira. O problema da modelagem matemática está na necessidade de dimensionar ou estimar o esforço necessário para a execução de cada tarefa e, ainda, descrever toda a infra-estrutura de processamento, de modo que se possa calcular a quantidade de tarefas que fornecerá a melhor performance. Essa abordagem foi descartada em função de sua complexidade e com base na hipótese de que uma heurística de dimensionamento já fornecerá bons resultados.

Para a verificação da efetividade da implementação, foi analisada a média dos tempos de processamento com diversos tamanhos de agrupamentos. Cada tamanho de agrupamento teve 20 amostras coletadas em seqüência, utilizando matrizes diferentes, e apresentou a distribuição, conforme Figura 2. 55

Tempo Processamento (s)

50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 1 3 57 9 1 1 1 11 2 2 2 2 23 3 3 3 3 44 4 4 4 5 55 5 5 6 6 6 6 1 3 5 79 1 3 5 7 91 3 5 7 9 13 5 7 9 1 35 7 9 1 3 5 7

Tarefas por pacote

Figura 2 Desempenho em função da quantidade de tarefas por pacote

Essa distribuição mostra que o impacto do agrupamento é muito positivo para alguns tipos de tarefa, fornecendo quedas para 10% do tempo que seria necessário se as tarefas não estivessem agrupadas. Um ponto que chama a atenção é que a performance tende para 2,5s a partir de 60 tarefas por pacote. Assim, a distribuição, em função da aleatoriedade do ambiente, terá diversos mínimos locais durante as iterações da heurística. Um índice bastante interessante utilizado para nortear a implementação aqui apresentada foi a manutenção da relação entre o desvio médio e a média de tempo de processamento, conforme Figura 3. Observa-se que o agrupamento de tarefas não altera o perfil de desvio da média ou, ainda, não fornece tempos de resposta nem mais, nem menos concentrados em torno da média. 0,55

Desvio médio / média

0,5 0,45 0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0

Tarefas por pacote

Figura 3 Desvio-padrão em função da quantidade de tarefas por pacote

Aspectos referentes à heurística

2.1 Simulated Annealing A heurística Simulated Annealing contém diversas aplicações, como afirmam Russel e Norvig (2004), desde planejamento de layout de VLSI até escalonamento industrial. Osman e Potts (1989) utilizaram-na para tratar o problema de seqüenciamento de operações em máquinas em um chão-de-fábrica. Os problemas em que a Simulated Annealing é normalmente aplicada são NP-hard, ou seja, a solução ótima é somente verificada por inspeção do espaço amostral completo – o que, em alguns casos, é computacionalmente inviável. Em grades computacionais ou clusters, a grande mutabilidade e imprevisibilidade do ambiente impossibilitam a análise de todo o espaço amostral. A Simulated Annealing faz parte da família de algoritmos melhorativos. Estes têm a mesma dinâmica, iniciam com uma solução viável – uma configuração possível – e buscam soluções viáveis “vizinhas” ao ponto atual, na tentativa de encontrar um resultado melhor. A diferença entre os métodos melhorativos é como cada método define “vizinhança” de uma solução viável e navega nesse espaço de configurações (MOCCELLIN, 2000). Por exemplo, uma configuração viável {ci} pode, em função do cálculo da vizinhança, ter as

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configurações {c1,c2,c3} ou {c2,c6,c9}, e o algoritmo poderá escolher ainda avaliar todas as configurações do primeiro grupo – ou somente uma configuração. Essa dinâmica de navegação, dentro do espaço amostral, propicia maior ou menor probabilidade de o máximo global ser atingido em detrimento dos máximos locais. A idéia da Simulated Annealing é escolher aleatoriamente uma configuração dentro da vizinhança da configuração inicial. Essa vizinhança vai, com o passar do tempo, sendo reduzida até o ponto de não mais existir. Assim, a heurística faz alterações maiores na configuração no início da execução e interrompe a execução quando a vizinhança não existir. O alcance do máximo global é endereçado pela Simulated Annealing utilizando uma navegação aleatória, aceitando soluções cujo resultado é inferior durante as iterações, de forma que haja uma probabilidade na localização de uma solução com performance ainda melhor. Em termos de conjuntos, seja ci a configuração escolhida na i iteração e v(ci), a função que define o conjunto de configurações viáveis na vizinhança de ci, então ∣v(c i−1)∣ ≥ ∣v(c i)∣ ≥ ∣v(c i+1)∣ ≥ ∣v(c i+2)∣ para todo i. A interrupção da execução do algoritmo ocorre na m iteração, em que |v(cm)| = 0 para algum m finito e com um valor máximo estimável em função dos parâmetros de entrada. O nome da heurística advém da tentativa de simulação de um resfriamento, em que grandes mudanças na temperatura dos corpos são obtidas logo no início e essas alterações tendem a se anular de acordo com a maior proximidade das temperaturas dos corpos. 2.2 Implementação da heurística À semelhança da Simulated Annealing, a implementação da heurística inicia-se pela utilização de qualquer tamanho de agrupamento e, iterativamente, vai alterando e verificando o tempo total de cada tarefa (tempo de fila + tempo de processamento). Em cada iteração, a alteração é feita a partir do tamanho com melhor performance até o momento conhecido e, progressivamente, diminui a variabilidade até que a alteração se anule. A variação é calculada através da Função 1, em que a função rnd() gera números aleatórios em (0,10) e depende da iteração atual (variável t). A amplitude máxima (Amax) e o valor de k definem, respectivamente, o tamanho da maior variação aceitável e quantas alterações o algoritmo poderá fazer. Estão diretamente relacionados com a capacidade do algoritmo de se afastar de seu início: rnd() * Amax * e-kt

(1)

O fator exponencial negativo da equação de definição da variação fornece per se o limitante superior da quantidade de iterações que o algoritmo executará. A quantidade de iterações encerra um compromisso entre a possibilidade de obtenção da otimização do sistema e o custo da operação (FISHMAN, 1995). A limitação do número de iterações deve-se à situação em que a parte exponencial irá gerar números tão pequenos que o resultado da Função 1 será sempre menor que 1. Considerando-se a amplitude máxima 10 (Amax), a Tabela 1 demonstra a relação inversa existente entre k e a quantidade máxima de iterações que o algoritmo irá executar (Tmax). Tabela 1 Relação entre k e o número máximo de iterações

Tmax

0,5

0,2

0,1

0,05

0,01

230

Dada a variabilidade inerente da grade para cada tamanho de agrupamento, diversas amostras são coletadas. Somente são analisadas as médias dessas amostras. A implementação não busca a minimização do desvio médio em função da nãoinfluência da quantidade de tarefas nesse desvio (ver Figura 3). Como o algoritmo espera uma quantidade definida de amostras, antes de passar para a próxima iteração, podem ocorrer leituras de tempo de processamento de quantidades de tarefas diferentes da atual. Endereçando a chegada de leituras de quantidade diferente da atual, a implementação mantém uma lista com os tamanhos e as médias obtidas, de modo que essas leituras não sejam perdidas e possam enriquecer a navegação do espaço amostral. Essa lista de quantidades e médias obtidas é ainda utilizada para acelerar a adoção de um tamanho considerado o escolhido. Após a execução da Função 1, seu resultado é verificado comparativamente com essa lista e, se já houver leituras para essa quantidade, a função é executada novamente. Se o número de execuções ultrapassar a quantidade máxima definida pelo usuário (como parâmetro), o sistema considera a quantidade escolhida como a que forneceu a melhor performance até o momento. As iterações então cessam. No momento em que o algoritmo define que não é possível fazer nenhum novo movimento, em conseqüência de a Função 1 retornar um número

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menor que 1 ou pelo número de execuções exceder o limite, ele se coloca no estado estável e armazena, para efeito de controle, a média do tempo total das tarefas (Mparada). 2.3 Detectando alterações Durante a execução das tarefas pela grade, os recursos podem sofrer alterações de capacidade ociosa, a rede pode tornar-se sobrecarregada ou subutilizada ou, ainda, com as tecnologias de compiladores JIT, implementadas pela Sun, IBM e BEA, a execução pode ser otimizada com o passar do tempo. Com o perfil de execução alterado, a relação entre a quantidade de tarefas e a performance pode ter se transformado por completo, surgindo assim a necessidade de uma nova busca, na tentativa de uma provável melhor performance. Quando o algoritmo se coloca como estável, a média do tempo total das tarefas é apagada e o cálculo é reiniciado, de modo que, se existir diferença entre essa média e Mparada, o processo de busca seja reiniciado. A diferença entre as médias somente é considerada suficiente para o reinício se for maior que o desvio máximo definido como o parâmetro da implementação. Para que mudanças mais recentes no perfil sejam detectadas, o algoritmo reinicia o acompanhamento em períodos fixos, ou seja, remove da memória os dados coletados desde a estabilização. Esse período é definido como o parâmetro da implementação e tem papel fundamental na detecção de reconfigurações da

grade. 2.4 Agrupamento de parâmetros Como são diversos os parâmetros da implementação e eles normalmente se relacionam seguindo uma lógica, a implementação feita cria um conceito de perfil que fornece uma semântica mais próxima do negócio, como, por exemplo: ajustes agressivos, sem mudanças drásticas, ou dinâmica conservadora. O único perfil implementado e utilizado para os testes deste trabalho tem uma abordagem agressiva, aceita grandes variações na quantidade (duas vezes o valor atual) e define o fator k, de maneira que aproximadamente 11 iterações sejam feitas. O reinício da busca por melhor configuração aceita variação de, no máximo, 20% das tarefas com relação a Mparada e após 300 amostras. 3

Resultados obtidos

Para a verificação do algoritmo proposto, foi construído um sistema para teste que fazia a reinicialização de toda a estrutura e a execução da mesma aplicação da Subseção 1.3. A cada reinício, a quantidade foi recolocada em cinco tarefas por grupo e a aplicação era executada por 120 iterações consecutivamente. Os gráficos com a quantidade de tarefas por grupo e o tempo total de processamento em cada uma das iterações são apresentados nas Figuras 4 e 5, respectivamente.

100 90

Tarefas por Bloco

80 70 60 50

1ª 2ª 3ª 4ª

40 30 20 10 0 135791 1 1 1 1 2 2 22 2 3 3 3 3 3 44 4 4 4 5 5 55 5 6 6 6 6 6 77 7 7 7 8 8 8 88 9 9 9 9 9 11 1 1 1 1 1 1 11 1 3 5 7 9 1 3 57 9 1 3 5 7 9 13 5 7 9 1 3 57 9 1 3 5 7 9 13 5 7 9 1 3 5 79 1 3 5 7 9 00 0 0 0 1 1 1 11 13 5 7 9 1 3 5 79

Iteração Figura 4 Tamanho do agrupamento utilizado por iteração

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Tempo Processamento (s)

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45 42,5 40 37,5 35 32,5 30 27,5 25 22,5 20 17,5 15 12,5 10 7,5 5 2,5 0

1ª 2ª 3ª 4ª

135791111122222333334444455555666667777788888999991111111111 1357913579135791357913579135791357913579135790000011111 1357913579 Iteração Figura 5 Tempo de processamento por iteração

É interessante atentar para o fato de que, em geral, por causa da estabilidade da rede e da uniformidade das tarefas, quanto maior for a quantidade de tarefas, melhor será a performance, porém o ganho de performance torna-se pequeno, conforme Figura 2. Como a movimentação é aleatória, algumas iterações utilizaram um tamanho menor que 5, o que diminuiu drasticamente a performance de processamento. Como o algoritmo não implementa nenhum sistema de gatilho para detectar essas configurações “péssimas”, a grade permanece com uma performance muito longe da ideal, por um determinado período, até que o número mínimo de amostras seja colhido. Após 19 iterações, já são raros os casos nos quais o tempo de processamento ultrapassa 5 segundos, que é a metade do tempo inicial, ou seja, a performance foi pelo menos duplicada. Em alguns casos, a performance se manteve em 2,5 segundos, representando uma diminuição para 1/4 (25%) do tempo inicial. Durante a iteração 2, o algoritmo reiniciou a busca por melhor configuração em função de uma diferença bem pequena no tempo total de processamento, de 2,71 para 3,06 segundos (~14%). O primeiro número é a média entre as iterações 35 e 36, quando a busca fez o teste com 55 tarefas por grupo, e o tempo total da iteração 66. Isso mostra que a estratégia de reinício pode ser melhorada, para possivelmente utilizar o acompanhamento da média móvel em detrimento da constante eliminação dos dados. Conclusão Pela

melhora

obtida

tempo

processamento, em alguns momentos houve 75% de corte no tempo de processamento – ou um aumento de quatro vezes da performance. O algoritmo aqui apresentado alcançou os resultados esperados e comprovou a hipótese inicial do trabalho, de que a heurística forneceria bons resultados. Esse aumento expressivo na performance corrobora a expectativa de que ganhos expressivos podem ser obtidos nas implementações em sistemas como o CPqD Billing. Além disso, poderá contribuir fornecendo uma diminuição nos custos de implantação e administração do sistema em produção, bem como permitindo aos clientes a obtenção contínua de uma boa performance. Uma importante implicação da abordagem de autodimensionamento desses grupos de tarefas afeta os escalonadores, cujas atividades administrativas são feitas na conclusão da execução de tarefas. Essa abordagem orientada a eventos na grade se contrapõe à abordagem de execução periódica (KRAUTER, BUYYA & MAHESWARAN, 2002). O aumento dinâmico do agrupamento das tarefas faz com que os tempos entre os eventos se tornem maiores ou menores “espontaneamente”, resultando em tarefas administrativas executadas entre intervalos desconhecidos e variantes. A não-detecção rápida de uma solução com péssima performance é assunto para trabalhos futuros. Entretanto, não é esperado que essas frentes alterem a estrutura atual do algoritmo. Em um ambiente heterogêneo, como o normalmente existente, com taxas de transferências diferentes entre máquinas em

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divisão de carga, talvez a estratégia de diferentes tamanhos de blocos para recursos diferentes forneça melhores resultados. Assim, trabalhos futuros relativos à verificação dessa hipótese podem ser realizados.

PATTNAIK, P.; EKANADHAM, K.; JANN, J. Autonomic computing and grid. In: BERMAN, F.; FOX,G.; HEY, T. (Editors). Grid Computing: Making the Global Infrastructure a Reality. Nova Iorque: John Wiley & Sons Inc., dez. 2002.

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Abstract This paper proposes an heuristics to supply auto-tuning features for job schedulers. Such feature is framed into a broader scenario, i.e., autonomous computing, which has been pointed out as a major competitive asset for the systems and with great importance for the near future. Key words: Grid computing. Autonomous computing. Tuning. Job schedulers.

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Metodologia para segmentação de clientes, identificação de grupos e conhecimento de mercado Claudia Sciortino de Reina*, Adriana Petrielli, Eduardo de Rezende Francisco** Este trabalho tem por objetivo apresentar os resultados do desenvolvimento de uma metodologia específica de segmentação, que visa formar e caracterizar segmentos de clientes de baixa tensão da AES Eletropaulo, maximizando o aproveitamento de dados técnicos e comerciais advindos dos diversos processos de gestão da empresa, de forma integrada às informações externas (Censo Demográfico 2000, Pesquisa Abradee 2005 do Cliente Residencial Urbano e dados de localização geográfica dos clientes da AES Eletropaulo), para geração de novos conhecimentos e estimativas de mercado, definição de soluções, produtos e serviços adequados a diferentes segmentos e auxílio em diversos programas para redução de perdas financeiras e melhoria de receita da concessionária. De forma complementar, a identificação dos hábitos e padrões de consumo de cada segmento de clientes permite um contínuo aperfeiçoamento do conhecimento do perfil de consumo de clientes-chave, possibilitando a adoção de ações comerciais específicas e a oferta de serviços diferenciados. Palavras-chave: Data Mining. Estatística. Segmentação de clientes. Suporte à tomada de decisão. Introdução O presente trabalho, intitulado Metodologia para segmentação de clientes, identificação de grupos e conhecimento de mercado, apresenta uma metodologia desenvolvida em um projeto de P&D realizado pelo CPqD em parceria com a AES Eletropaulo, no período de março de 2005 a fevereiro de 2006, e patrocinado pelo programa de P&D da Aneel, referente ao ciclo 2004/2005. As grandes concessionárias de distribuição de energia elétrica, em especial a AES Eletropaulo, possuem um cadastro técnico e comercial de seus clientes totalmente georreferenciado (FRANCISCO, 2002). A localização dos medidores de energia elétrica que alimentam esses clientes é armazenada nos sistemas técnicos das distribuidoras, em geral, com o suporte de tecnologias de Sistemas de Informação Geográfica (SIG). Todos os clientes da concessionária estão geograficamente situados, associados a um dispositivo ou ativo elétrico (poste, transformador) e a um circuito alimentador (FRANCISCO, 2006). O serviço de fornecimento de energia elétrica abrange 97% dos domicílios brasileiros, com um índice de 99,6% na área urbana, 99,4% na Região Sudeste (IBGE, 2005) e 99,9% no município de São Paulo (IBGE, 2005) (FRANCISCO, 2006). Além disso, as bases de dados das distribuidoras de energia elétrica contêm informações de consumo de cada um de seus clientes (FRANCISCO, 2002). Dessa forma, conhecer e explorar os perfis comportamentais dos clientes da concessionária garantem a

cobertura de praticamente todos os domicílios residenciais da área de concessão e implica melhorias na política de relacionamento com o cliente, criando canais personalizados de atendimento, redução nos custos operacionais e diminuição de perdas financeiras. A busca por padrões e tendências, através das técnicas de Data Mining (Mineração de dados) em conjunto com informações externas, permite uma melhor caracterização socioeconômica e demográfica dos clientes de baixa tensão da AES Eletropaulo, constituindo um repositório rico para a criação de modelos preditivos aplicáveis a diversas áreas de negócio, em particular a fraudes, inadimplência, serviços não regulados, call centers e ouvidoria. Adicionalmente, auxilia na contínua correção de inconsistências na base cadastral da empresa. Os direcionadores de marketing de uma organização devem ser obtidos por meio de uma estratégia realista e estar, primordialmente, alinhados com os objetivos financeiros e de construção de imagem da organização. A busca desse alinhamento deve apoiar-se ao longo do tempo em um conjunto de objetivos de natureza quantitativa, a saber: redução das perdas comerciais, identificação e administração da inadimplência, aumento da rentabilidade oriunda da base atual de clientes e redução dos custos. Assim, a AES Eletropaulo poderá tomar decisões com base na integração das diversas fontes internas e externas de informações, possibilitando a geração de novos elementos, efetivos no suporte à gestão de marketing, que incrementam, otimizam e conduzem ao reposicionamento estratégico dos processos de

*Autor a quem a correspondência deve ser dirigida: csreina@cpqd.com.br **Analista sênior da Diretoria de Clientes da AES Eletropaulo. Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 3, n. 1, p. 59-72, jan./jun. 2007

Metodologia para segmentação de clientes, identificação de grupos e conhecimento de mercado

negócios com o mercado, nos diversos cenários que se apresentam. Os elementos aqui explicitados formam um cenário de expectativas que precisam ser satisfeitas para atender aos crescentes desafios dos negócios de distribuição e comercialização de energia, que outras indústrias provavelmente já enfrentaram, sejam eles originados do arcabouço regulatório ou das exigências de gerenciamento. O presente trabalho visa atingir os seguintes objetivos: • apoiar projetos de melhoria da imagem da AES Eletropaulo; • proporcionar um melhor direcionamento das estratégias de marketing; • orientar a formação de novas políticas de relacionamento e fidelização de clientes; • reduzir os índices de reclamações, de ações de indenização e de penalizações impostas segundo critérios da Aneel; • administrar efetivamente as perdas comerciais e inadimplências; • apoiar os diversos processos de gestão da AES Eletropaulo, através da formação de segmentos de clientes de baixa tensão. 1

Resultados esperados

Segundo Weiss e Indurkya (1998), os resultados da modelagem de segmentação são o alicerce para várias outras modelagens estatísticas com foco na melhoria, sedimentação e ampliação do relacionamento da empresa com o cliente. Espera-se que o presente projeto sirva como subsídio à AES Eletropaulo, fornecendo informações focadas em segmentos de clientes, capazes de gerar, entre outras, as seguintes ações: • direcionamento de marketing: estratégias, campanhas e comunicação; • fidelização de clientes: estabelecimento de novas políticas; • melhoria do relacionamento com o cliente: redução de reclamações, de ações de

indenização e de penalidades impostas pela Aneel; • caracterização das perdas comerciais e das inadimplências. 2

Desenvolvimento

Esta seção descreve a metodologia utilizada para o desenvolvimento do trabalho, a construção do modelo de segmentação e a utilização de fontes externas para ampliar o escopo de interpretações dos resultados da modelagem. 2.1 Metodologia A metodologia definida por Fayyad (1996) para o processo de descoberta do conhecimento (do inglês Knowledge Discovery in Database – KDD), conforme Figura 1, visa obter conhecimento a partir de grandes bases de dados com foco em objetivos de negócio predefinidos. Assim, essa metodologia pode ser adaptada a qualquer concessionária do setor elétrico, uma vez que inova desde a forma de identificação dos sistemas de dados (base de dados) até as aplicações analíticas, em particular as técnicas de Data Mining, aplicadas à descoberta de padrões, associações e perfis dos clientes. A análise da Figura 2 permite concluir que o modelo de dados que subsidiou o desenvolvimento do presente trabalho foi formado por várias fontes da AES Eletropaulo, que armazenam informações sobre os clientes de baixa tensão, tais como protocolo, primeiro contato e cobrança. Conforme descrição de Reina, Neto e Ardenghe (2005), os objetivos de negócio a serem atingidos, em linhas gerais, são: entender, conhecer e caracterizar melhor o cliente de baixa tensão da AES Eletropaulo para diminuir a distância hoje existente entre a concessionária e seus clientes, bem como identificar as necessidades e os problemas dos clientes quanto ao consumo e à importância da energia elétrica.

Processo KDD Interpretação e avaliação

Técnicas de Data Mining

Transformação dos dados

Pré-processamento e limpeza dos dados Objetivos de negócios Base de dados

Conhecimento

Descoberta de padrões e associações

Dados para análise

Dados pré-processados

Dadosalvo

Fayyad, 1996

Fonte: Adaptado da metodologia de KDD

Figura 1 Processo de descoberta do conhecimento

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Metodologia para segmentação de clientes, identificação de grupos e conhecimento de mercado

PROTOCOLO PRIMEIRO CONTATO

COBRANCA

# DTA_CONTATO * COD_LIGACAO

# DTA_ENVIO * COD_TIPO_COBRANCA

# COD_SEQ_CHAMADA * COD_SERVICO * DTA_CHAMADA * HRA_CHAMADA

CONTAS_RECEBER # COD_SEQ_NEGOCIACAO * COD_SEQ_PARCELA * DTA_VENCIMENTO * DTA_PAGAMENTO

FATURA # DTA_FATURAMENTO

OUVIDORIA # COD_PROCESSO * DTA_INICIO ...

* IND_REVISAO * VLR_CONSUMO * DTA_VENCIMENTO ...

CONSUMIDOR # NUM_REFERENCIA * COD_UNIDADE_NEGOCIO

META_DIC_FIC_DMIC # COD_CONJ_ANEEL # DTA_HISTORICO_CONJ_ANEEL o IND_TIPO_DIC_FIC o VLR_META_ANUAL_DIC o VLR_META_ANUAL_FIC ...

* COD_SITUACAO

ORDEM SERVICO # * * o

* COD_CLASSE ...

COD_SEQ_SATS DTA_EXECUCAO COD_SERVICO COD_SUIT

INDENIZACAO

# COD_SEQ_INDENIZACAO * DTA_ABERTURA o VLR_INDENIZADO

LOGRADOURO INSPECAO CONSU_ OPCAO_ FAT

# DTA_INSPECAO * COD_RETORNO_INSPECAO * QTD_DIAS_APURADO ...

# COD_ATIVIDADE * DSC_ATIVIDADE

SEGMENTO_LOGRAD OURO

CONSU_PTO_CAR GA

PONTO CARGA

# COD_LOGRADOURO o NOM_LOGRADOURO

RAMO ATIVIDADE

PARCELA FRAUDE

# NUM_SEQUENCIAL_LOGRADOURO

* COD_SEQ_PARCELA * DTA_VENCIMENTO o DTA_PAGAMENTO

* COD_BAIRRO * COD_MUNICIPIO ...

Fonte: Neto, 2005

Figura 2 Desenvolvimento do modelo de dados

Com foco nesses objetivos e nos dados existentes nos sistemas da AES Eletropaulo, iniciou-se o processo de mapeamento analítico, que consiste em identificar as informações (variáveis) necessárias para alcançar, através de técnicas de Data Mining, os objetivos anteriormente definidos. Ao final desse processo, obtém-se uma base de dados, geralmente chamada de dados-alvo. Essa base de dados passou a ser referência na busca de soluções para alcançar os objetivos de negócio. Os dados receberam tratamento e sofreram transformações, sempre que necessário (NETO, 2006). Como resultado final dessa etapa, obtevese uma nova base, com os dados préprocessados. Nenhuma etapa descrita anteriormente pode ser omitida, pois são indispensáveis para garantir o êxito das etapas subseqüentes do processo KDD, que, por sua vez, visa revelar os perfis comportamentais dos clientes de baixa tensão da AES Eletropaulo. Segundo Berry e Linoff (2000), outro aspecto a ser destacado é que os dados a serem modelados também devem estar sumarizados no mesmo nível de granularidade. Após a sumarização, foram obtidos os dados finais para análise. Para iniciar as etapas posteriores, foi utilizada a técnica de estatística de amostragem, descrita por Reina e Petrielli (2006), com o intuito de obter uma amostra representativa da população de 4.659.441 unidades de referência de baixa tensão. A partir da amostra formada por 512.527 unidades de referência, foi realizada uma análise exploratória dos dados (REINA &

PETRIELLI, 2006a), obtendo-se uma base de dados consistente para a construção do modelo de segmentação. Com foco nos objetivos, desenvolveu-se uma modelagem de segmentação que visa descrever os perfis comportamentais dos clientes de baixa tensão da AES Eletropaulo, a partir de informações de consumo e de relacionamento (REINA & PETRIELLI, 2006b). O desenvolvimento da modelagem de segmentação se deu por meio da técnica Two Step Cluster (BACHER, WENZIG & VOGLER, 2004). Essa técnica é um algoritmo inovador no que se refere à formação de clusters em grandes bases de dados compostas por variáveis contínuas e categóricas. Essa técnica de clusters confere um forte caráter inovador ao presente trabalho, uma vez que inclui simultaneamente dados categóricos e contínuos no modelo. As demais técnicas, como K-means, não permitem analisar em conjunto variáveis categóricas e contínuas. Considerando o grande volume de variáveis categóricas e contínuas utilizadas neste trabalho, a técnica Two Step Cluster inova quanto à forma estatística de analisar os dados. Também oferece a flexibilidade de poder especificar o número de agrupamentos ou permitir que o algoritmo descubra automaticamente o número apropriado de agrupamentos. As similaridades entre os registros, com relação a cada uma das variáveis, definem os segmentos, que serão caracterizados de acordo com as variáveis mais significantes (BACHER, WENZIG & VOGLER, 2004). Finalmente, os clusters criados geraram

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conhecimento que permitiu interpretar e avaliar de forma inovadora, uma vez que informações contínuas, tais como consumo nos últimos seis meses e consumo a ser recuperado por fraude, e informações categóricas, como concessão de débito automático e regulamentação de serviços, permitiram, de uma só vez, identificar com clareza os segmentos com os quais a organização deveria passar a interagir e aos quais deveria direcionar a evolução dos seus serviços, produtos e canais de comunicação com o cliente, criando uma nova cultura dentro da AES Eletropaulo; uma nova forma de entender e caracterizar e de se relacionar com o cliente. Uma abordagem de segmentação coerente e adaptada pode servir de base para as demais ações mercadológicas, bem como direcionar o atendimento aos diversos grupos de clientes que compartilham necessidades e expectativas semelhantes. Berry e Linoff (2000) descrevem a importância de segmentar estatisticamente a base de clientes, considerando o histórico do relacionamento existente entre empresa e cliente, bem como todas as informações relevantes desse relacionamento. Portanto, o presente trabalho também inova quanto à forma de entender o comportamento dos consumidores de baixa tensão da AES Eletropaulo ante o consumo e a importância da energia elétrica. Conseqüentemente, obtém-se um alicerce sólido para novas investigações sobre esses consumidores cada vez mais preocupados em ser mais bem compreendidos e atendidos pela concessionária.

2.2 Desenvolvimento do modelo A construção do modelo incluiu a etapa de determinação do número de clusters. Essa etapa consiste na determinação do número “ideal” de clusters a serem aplicados aos dados internos dos clientes de baixa tensão da AES Eletropaulo. No caso dos dados utilizados, a técnica calcula a formação de um modelo de segmentação com até 15 clusters a partir do Bayesian Information Criterion (BIC). A Figura 3 mostra graficamente os valores da medida Ratio of Distance Measures, na qual é possível notar os cinco maiores valores. Considerando-se esses valores, elaborou-se a Tabela 1 a fim de determinar o número de clusters (BACHER, WENZIG & VOGLER, 2004). Foram selecionados três valores da Tabela 1 (4, 8 e 14) para a construção dos modelos de segmentação. Os três modelos foram analisados e comparados, concluindo-se que o modelo de 14 clusters oferece informações e conhecimento sobre as unidades consumidoras de baixa tensão da AES Eletropaulo com um maior grau de detalhe quando comparado com os modelos de 4 e 8 clusters. Dessa forma, recomendou-se à AES Eletropaulo utilizar o modelo de 14 clusters para sua população de baixa tensão a fim de segmentá-la segundo informações cadastrais, canais de relacionamento, recebíveis e perdas, serviços não regulados e metas Aneel. Todas essas informações variáveis e analisadas simultaneamente resultaram na criação da Figura 4, em que se pode visualizar a formação nominal de cada um dos 14 clusters conforme o grau de importância dessas variáveis (consulte Apêndice A).

Auto-Clu stering

Schwarz's Bayesian Criterion (BIC) 23699574,140

20691840,344

-3007733,8

1,000

1,784

19007264,398

-1684575,9

,560

1,300

17712383,531

-1294880,9

,431

1,553

16880019,824

-832363,706

,277

1,078

16108066,256

-771953,568

,257

1,308

15518827,647

-589238,609

,196

1,202

15029385,138

-489442,509

,163

1,345

14666345,970

-363039,168

,121

1,135

14346940,759

-319405,212

,106

1,303

14102714,209

-244226,549

,081

1,038

13867663,444

-235050,766

,078

1,030

13639473,186

-228190,258

,076

1,100

13432315,264

-207157,921

,069

1,327

13277131,218

-155184,046

,052

1,050

Number of Clusters

BIC Change

Ratio of BIC Changes

Ratio of Distance Measures

a. The changes are from the previous number of clusters in the table. b. The ratios of changes are relative to the change for the two cluster solution. c. The ratios of distance measures are based on the current number of clusters against the previous number of clusters.

Fonte: Ferramenta SPSS versão 13.0

Figura 3 Bayesian Information Criterion para escolha do número de clusters

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Metodologia para segmentação de clientes, identificação de grupos e conhecimento de mercado

Tabela 1 Comparação entre as razões de Ratio of Distance Measures Incremento de clusters

Razão entre Ratio of Distance Measure

Seleção do número de clusters

2Æ4

1,784/ 1,553 = 1,1487

4Æ6

1,553/ 1,308 = 1,1873

4Æ8

1,553/ 1,345 = 1,1546

4 Æ 14

1,553/ 1,327 = 1,17

6Æ8

1,308/ 1,345 = 0,972

6 Æ 14

1,308/ 1,327 = 0,9857

8 Æ 14

1,345/ 1,327 = 1,013

Fonte: Reina & Petrielli, 2006a

Cluster 1

Cluster 2

Cluster 3

Cluster 4

Cluster 5

Não-Residencial Devedor

Fraudador

Residencial Inadimplente com Comunicação

Incobrável Sem Medição

Comercial Adimplente

4,1%

3,6%

1,8%

15,8%

Cluster 6

Cluster 7

Cluster 8

Cluster 9

Cluster 10

Baixo Consumidor Com Serviços

Inquilino Comunicador

Adimplente Sem Débito Automático

Atrasado Moderado sem Comunicação

Atrasado Elevado sem Comunicação

11,9%

9,6%

5,6%

7,9%

Cluster 11

Cluster 12

Cluster 13

Cluster 14

Atrasado Leve com Comunicação

Atrasado Ausente de Meta

Residencial Adimplente

5,1%

2,8%

Atrasado Leve sem Comunicação

15,7%

9,2%

Fonte: Reina & Petrielli, 2006a

Figura 4 Modelo de 14 clusters

Com base no modelo recomendado, interpretações de cada um dos 14 clusters do modelo de segmentação são ampliadas e descritas na próxima seção. 2.3 Análise de sobreposição Visando ampliar as interpretações de cada um dos 14 clusters do modelo de segmentação recomendado, optou-se por sobrepor aos resultados dessa modelagem algumas análises oriundas de informações externas à base de dados construída na metodologia descrita anteriormente e apresentada na Figura 2. De modo geral, as informações utilizadas para esse enriquecimento foram: (i) informações do score de risco calculado pela AES Eletropaulo em dezembro de 2005; (ii) variáveis do Censo Demográfico 2000, realizado pelo IBGE; e (iii) indicadores da Pesquisa Abradee 2005 de Satisfação do Cliente Residencial Urbano, da

AES Eletropaulo, aplicada em março de 2005 (consulte Apêndice B). Essas informações foram obtidas em momentos diferentes do observado na construção do citado modelo de segmentação (REINA & PETRIELLI, 2006a), e, por essa razão, foram utilizadas para o enriquecimento posterior dos segmentos e não como fonte de informação para a construção do modelo. 2.3.1 Fontes de informações usadas na análise de sobreposição a)

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Score de risco: o score de risco resultou de um projeto desenvolvido pela AES Eletropaulo, que visava criar um indicador ordinal de risco de recebimento na gestão de arrecadação dos clientes da empresa, conforme Tabela 2. O indicador discrimina cinco classes de risco crescente de recebimento (A, B, C, D e E). Tal indicador foi incorporado ao sistema de faturamento

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dos clientes de baixa tensão, sob o controle da Gestão de Recebíveis, e sua utilização, a partir de uma visão histórica do perfil de arrecadação e faturamento, permite que estratégias diferenciadas de cobrança e relacionamento sejam estabelecidas, conforme a classe ou pontuação do score, para cada cliente. Nesse contexto, cada cliente de baixa tensão da AES Eletropaulo recebeu um score de risco de recebimento associado, o que permitiu sua incorporação, para a sobreposição a cada uma das unidades de referência da amostra que deu origem ao modelo. Tabela 2 Definição de score de risco

Faixa de risco

Score de risco

<30

31 a 40

41 a 50

51 a 60

>60

missing

Sobreposição

geográfica

junção

espacial: a Figura 5 apresenta a estratégia de sobreposição geográfica e junção espacial utilizada para a integração das informações de fontes externas (em particular, dados do Censo Demográfico 2000 e dados da Pesquisa Abradee 2005) às unidades de referência da amostra que originou os 14 clusters. A sobreposição é possível porque a base de dados técnicos da empresa inclui a localização geográfica de cada cliente da AES Eletropaulo. A coordenada espacial que efetivamente está armazenada nos Sistemas de Informação Geográfica da AES Eletropaulo é a coordenada do ativo elétrico mais próximo do medidor de energia, em geral, um poste ou um transformador, situado do lado de fora da residência, próximo do logradouro. Em alguns casos, o poste ou o transformador pode estar localizado do lado oposto à residência do cliente. Essas considerações serão incluídas na análise e na discussão dos resultados. Dessa forma, pudemos associar as coordenadas geográficas do ponto de entrega das unidades de referência (ativo elétrico que alimenta a unidade consumidora) com os polígonos dos setores censitários. A sobreposição dos indicadores Abradee 2005 foi realizada associando-se as informações das unidades de referência às dez regiões pesquisadas.

• Clientes AES Eletropaulo (Unidades Consumidoras)

• Setor Censitário IBGE (Censo 2000) Renda Familiar, Pessoas no Domicílio, Grau de Instrução Chefe de Família • 10 Regiões Pesquisa ABRADEE (2005) Indicadores de Qualidade Sobreposição Geográfica

Junção Espacial

Baseada na LOCALIZAÇÃO GEOGRÁFICA das Unidades Consumidoras

Fonte: Francisco, 2006

Figura 5 Estratégia de associação das informações do Censo Demográfico 2000 e da Pesquisa Abradee 2005 às unidades de referência

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Censo Demográfico 2000: o IBGE é o órgão oficial responsável por pesquisas censitárias, estatísticas sociodemográficas, econômicas, agropecuárias, de preços e por algumas pesquisas especiais no Brasil. Sua missão é “retratar o Brasil com informações necessárias ao conhecimento de sua realidade e ao exercício da cidadania” (BITTENCOURT, 2005). A coleta do Censo Demográfico 2000 foi realizada no período de 1º de agosto a 30 de novembro de 2000. Foram pesquisados 54.265.618 domicílios, nos 5.507 municípios existentes em 2000, em todo o território nacional, com a mobilização de mais de 200 mil pessoas, (IBGE, 2002). A coleta destina-se a dois propósitos, que se traduzem operacionalmente em duas unidades de investigação: (i) domiciliar – conta e levanta informações sobre todos os domicílios do país, e (ii) populacional – conta e levanta informações de toda a população que vive em domicílios. Para o planejamento do censo, o território nacional foi dividido em 215.811 áreas contíguas, respeitando-se os limites da divisão político-administrativa, dos quadros urbano e rural oficiais, de outras estruturas territoriais de interesse e de dimensão adequada para sua operação. Essa unidade territorial é denominada setor censitário (IBGE, 2002), e engloba de 200 a 300 domicílios. Setor censitário é a unidade territorial de coleta e de controle cadastral percorrida por um único recenseador (FRANCISCO, 2006). Para os 24 municípios da área de concessão da AES Eletropaulo, 21 deles estão divididos operacionalmente em setores censitários, que totalizam 18.547. Pesquisa Abradee 2005: a Pesquisa Abradee é realizada no setor elétrico brasileiro desde 1999, aplicando-se simultaneamente a muitas das concessionárias brasileiras de distribuição de energia elétrica que são associadas à Abradee (40 em 2004, 43 em 2005) (ABRADEE, 2004 e 2005). Sua realização conjunta, além de garantir a comparabilidade dos resultados em virtude da uniformidade metodológica e da simultaneidade de aplicação, possibilita a redução de custos mediante a economia de escala (ABRADEE, 2003). Essa pesquisa avalia a satisfação geral dos clientes, os itens de qualidade do serviço fornecido pelas concessionárias e a imagem da concessionária, e permite a classificação das empresas e a premiação das melhores colocadas nas diversas categorias. A pesquisa pode ser dividida em duas partes:

(i) pesquisa de importância, na qual o respondente deve ordenar e quantificar a importância de cada um dos atributos dentro de suas respectivas áreas, e (ii) pesquisa de satisfação e fidelidade, na qual são obtidas as avaliações referentes à satisfação com os atributos de qualidade e preço e à fidelidade do cliente em relação à distribuidora (FRANCISCO, 2006). São cinco áreas de qualidade avaliadas: fornecimento de energia, informação e comunicação com o cliente, conta de luz, atendimento ao cliente e imagem. Essas áreas totalizam um conjunto de 26 atributos. A ponderação de importância atribuída pelos respondentes e a satisfação declarada dos atributos e das áreas originam o Índice de Satisfação de Qualidade Percebida (ISQP) da concessionária, que é utilizado para classificação, por região e porte, e premiação das empresas do setor. A área de valor percebido compreende a avaliação do preço (ABRADEE, 2003), contempla quatro atributos e origina o Índice de Satisfação do Cliente com o Preço Percebido (ISCP). A pesquisa é domiciliar, com planejamento amostral probabilístico estratificado, garantindo a representatividade da distribuidora de energia elétrica pesquisada. A populaçãoalvo é composta de clientes residenciais da zona urbana, na área de concessão. O respondente – o chefe de família ou cônjuge – é alfabetizado e sabe informar sua renda e a renda mensal total da família, tem domicílio permanente e de uso exclusivamente residencial, medidor de energia próprio, fornecimento regularizado e conta de energia com valor diferente de zero. Além disso, o respondente e membros de sua família não podem trabalhar na concessionária pesquisada. A AES Eletropaulo contratou a Pesquisa Abradee 2005 em expansão para dez regiões, que subdividem as seis atuais Diretorias Regionais da empresa. Foram realizadas 1.500 entrevistas. Para cada uma das fontes de informações descritas anteriormente e com base em Reina e Petrielli (2006a), as variáveis utilizadas na análise de sobreposição foram: a)

Score de risco.

Censo 2000 – número médio de pessoas por domicílio particular permanente, renda média das pessoas responsáveis pelos domicílios particulares permanentes, grau de escolaridade das pessoas por domicílio particular permanente e rendimento nominal mensal das pessoas responsáveis pelos

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domicílios particulares permanentes. Abradee 2005 – Índice de Aprovação do Cliente (IAC), Índice Intermediário de Satisfação (IIS), Índice de Satisfação Geral (ISG), Grau de Fidelidade (GF), Iluminação Pública (IP), Índice de Satisfação de Qualidade Percebida (ISQP), Área da Qualidade Percebida (fornecimento de energia, informação e comunicação com o cliente, conta de luz, atendimento ao cliente, imagem), Área de Valor Percebido (preço) e Relacionamento.

2.4 Expansão dos dados Após o desenvolvimento do modelo de segmentação, criou-se um arquivo com extensão pmml (predictive model markup language) que permite realizar a expansão (ou “escoragem”) para o resto da população de baixa tensão da AES Eletropaulo não incluída na amostra. As conseqüências imediatas dessa expansão são: • realizar novas “escoragens” sobre população analisada durante certo período tempo, permitindo avaliar o volume unidades de referência que migram segmento;

a de de de

• avaliar a aderência desse modelo durante certo período de tempo, detectando o melhor momento para reajustar os parâmetros do modelo ou rever a construção do próprio modelo de segmentação. 3

Comparação entre os resultados esperados e alcançados

Esperava-se que o desenvolvimento da modelagem de segmentação gerasse insumos para novas estratégias no direcionamento de marketing ante o relacionamento da empresa com o cliente, subsidiasse novas políticas de fidelização, permitisse melhorar o relacionamento com o cliente, reduzindo as reclamações e os problemas de indenização e de penalidades impostas pela Aneel, e identificasse e caracterizasse as perdas comerciais e as inadimplências. Entre os resultados alcançados, pode-se dizer que, conforme exposto na Seção 2, a modelagem de segmentação utilizada foi capaz de disponibilizar importantes conhecimentos às áreas de negócio da AES Eletropaulo, a partir de dados contínuos e categóricos analisados simultaneamente. Os resultados alcançados geraram descobertas sobre os perfis comportamentais dos clientes de baixa tensão e forneceram àquelas áreas novas informações que respondem e vão ao encontro dos resultados esperados, e estão alinhados aos interesses da empresa em melhorar o relacionamento com tais

clientes. Sendo assim, pode-se dizer que os resultados obtidos alcançaram as expectativas iniciais, conforme descrição feita na Introdução. Conclusão Diante do modelo de segmentação de 14 clusters, caracterizado pela Figura 4, foi possível relacionar os seguintes aspectos: • possibilidade de diferenciar os devedores (não-residencial devedor, fraudador, residencial inadimplente, incobrável sem medição); • possibilidade de diferenciar os atrasados e seus respectivos níveis de atraso; • percepção mais detalhada dos perfis dos adimplentes, possibilitando direcionar campanhas para ampliação de mercado e de satisfação; • percepção mais detalhada do perfil do baixo consumidor e dos acessos aos canais de relacionamento com a AES Eletropaulo. A partir da segmentação da população de baixa tensão, as áreas de negócio Gestão de Recebíveis, Gestão de Perdas Comerciais e Relacionamento com o Cliente poderão utilizar esses resultados como insumos para ações estratégicas diferenciadas por clusters, a fim de melhorar, sedimentar e ampliar o relacionamento da empresa com o cliente. Este trabalho inovou desde a forma de identificação dos sistemas de dados até a técnica de Data Mining aplicada à descoberta dos perfis das unidades de referência de baixa tensão, e pode ser adaptado para qualquer concessionária do setor elétrico. APÊNDICE A Principais características que contribuíram para a formação de cada um dos 14 clusters: Cluster 1 – Não-Residencial Devedor • Dados cadastrais: Unidade de Negócio: Centro: 33,4% das unidades e Débito Automático: 33% das unidades. • Consumo e fatura: Consumo: Média = 2.854,45 kWh e Desvio-padrão = 1.684,43 kWh; Fatura: Média = R$ 1.162,40 e Desvio-padrão = R$ 671,67. • Recebíveis e perdas: Valor Total da Dívida: 65,3% das unidades têm mais de R$ 2.100,00; Reaviso: 21,2% das unidades receberam pelo menos um reaviso; Maior Período em Atraso: Média = 58,08 dias e Desvio-padrão = 284,21 dias. Cluster 2 – Fraudador • Dados cadastrais: Unidade de Negócio: Leste: 25,8% das unidades e SP Sul: 21,2 % das unidades; Alteração de Carga e de

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Medição: 5,3% e 4,2% das unidades, respectivamente e Débito Automático: 16,9% das unidades têm pelo menos um mês. • Consumo e fatura: Consumo: Média = 177,05 kWh e Desvio-padrão = 125,62 kWh; Fatura: Média = R$ 80,00 e Desvio-padrão = R$ 57,69. • Recebíveis e perdas: Cobrança por Inadimplência: 9,5% das unidades; Fraude: 20,9% das unidades; Parcelas Pagas por Fraude: 12,7% das unidades pagaram pelo menos uma fatura referente à fraude; Consumo Negociado: 15,2% das unidades negociaram consumo após inspeção por fraude; Arrecadado de Fraude: 12,7% das unidades pagaram consumo por fraude; Maior Período em Atraso: Média = 45,45 dias e Desvio-padrão = 120,78 dias. Cluster 3 – Residencial Inadimplente com Comunicação • Dados cadastrais: Residencial: 92,3% das unidades; Unidade de Negócio: Leste: 31,4% das unidades; Situação Desligado com Medidor: 14,2% das unidades; Inquilino do Imóvel: 20% das unidades e Débito Automático: 4,5% das unidades. • Consumo e fatura: Consumo: Média = 222,36 kWh e Desvio-padrão = 142,83 kWh; Fatura: Média = R$ 98,13 e Desvio-padrão = R$ 63,21. • Recebíveis e perdas: Ordens de Serviço de Corte: 91,6% das unidades; Corte Tipo 0: 2,3% das unidades; Corte Tipo 1: 21,2% das unidades; Corte Tipo 2: 69,4% das unidades; Cobrança por Inadimplência: 16,5% das unidades; Parcelas a Vencer por Inadimplência: 8,0% das unidades (maior concentração); Irregularidade Preponderante: 8,3% das unidades; Reavisos: 99% das unidades; Reavisos Eficientes: 80,5% das unidades; Maior Período de Atraso: Média = 98,14 dias e Desvio-padrão = 164,45 dias.

das unidades; Reavisos Eficientes: 10,4% das unidades efetuaram pagamento após um reaviso; Maior Período em Atraso: Média = 1.376 dias e Desvio-padrão = 709,54 dias. Cluster 5 – Comercial Adimplente • Dados cadastrais: Comercial: 12,6% das unidades (27% da amostra); Unidade de Negócio: Centro: 32,2% das unidades; Situação Ligado: 99,2% das unidades; Tipo Faturamento: 10,4% das unidades são Trifásicas e Débito Automático: 58,6% das unidades, sendo 87% com os 6 meses do período observado. • Consumo e fatura: Consumo: Média = 285,22kWh e Desvio-padrão = 185,23 kWh; Fatura: Média = R$ 120,92 e Desvio-padrão = R$ 78,07. • Recebíveis e perdas: 100% do cluster não têm: Ordens de Serviço de Corte, Saldo Perdas e Saldo PDD; Contas Atrasadas: 100% do cluster tiveram até 6 contas atrasadas no período observado; Maior Período em Atraso: Média = 5,3 dias e Desvio-padrão = 7,9 dias. Cluster 6 – Baixo Consumidor com Serviços • Dados cadastrais: Unidade de Negócio: Centro: 31,6 % das unidades; Situação Ligado: 99,2% das unidades; Baixa Renda: 18,4% das unidades e Débito Automático: 44,6% das unidades. • Consumo e fatura: Consumo: Média = 143,06 kWh e Desvio-padrão = 104,46 kWh; Fatura: Média = R$ 59,32 e Desvio-padrão = R$ 46,20. • Recebíveis e perdas: Primeiros Contatos: 1,6% das unidades; Saldo PDD: 0,1% das unidades; Saldo Perdas: 0,3% das unidades; Contas Atrasadas: 77,6% das unidades têm até 6 contas; Reavisos: 0,5% das unidades; Maior Período em Atraso: Média = 10,11 dias e Desvio-padrão = 49,08 dias.

Cluster 4 – Incobrável sem Medição

Cluster 7 – Inquilino Comunicador

• Dados cadastrais: Unidade de Negócio: SP Sul: 40,9% das unidades; Situação Ligado Direto: 71,7% das unidades e Baixa Renda: 11,5% das unidades.

• Dados cadastrais: Unidade de Negócio: Centro: 26,5% das unidades; Inquilino do Imóvel: 31,8% das unidades e Débito Automático: 20,1% das unidades têm pelo menos um mês.

• Consumo e fatura: Consumo: Média = 82,04 kWh e Desvio-padrão = 123,49 kWh; Fatura: Média = R$ 33,44 e Desvio-padrão = R$ 51,11. • Recebíveis e perdas: Cobrança por Inadimplência: 10% das unidades; Contas Atrasadas: 100% do cluster; Saldo PDD: 92,7% das unidades; Saldo Perdas: 95,3%

• Consumo e fatura: Consumo: Média = 191,41 kWh e Desvio-padrão = 149,60 kWh; Fatura: Média = R$ 81,03 e Desvio-padrão = R$ 64,59. • Recebíveis e perdas: Faturas Revisadas: 3,4% das unidades; Cobrança por Inadimplência: 4,1% das unidades; Reavisos:

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47% das unidades; Reavisos Eficientes: 41,8% das unidades; Maior Período em Atraso: Média = 33,36 dias e Desvio-padrão = 75,58 dias. Cluster 8 Automático

–

Adimplente

sem

Débito

• Dados cadastrais: Unidades de Negócio: Grande ABC: 25,9% das unidades e Centro: 25% das unidades; Débito Automático: 2,4% das unidades têm pelo menos um mês e Baixa Renda: 16,4% das unidades. • Consumo e fatura: Consumo: Média = 174,50 kWh e Desvio-padrão = 138,62 kWh; Fatura: Média = R$ 71,10 e Desvio-padrão = R$ 60,18. • Recebíveis e perdas: 100% do cluster não têm: Saldo PDD, Saldo Perdas, Ordens de Serviço de Corte, Atraso e Reaviso. Cluster 9 – Comunicação

Atrasado

Moderado

sem

• Dados cadastrais: Unidade de Negócio: Grande ABC: 27,6% das unidades; Situação Ligado: 98,1% das unidades; Tipo de Ligação Definitiva com Medição: 99,6% das unidades e Débito Automático: 4,7% das unidades. • Consumo e fatura: Consumo: Média = 209,70 kWh e Desvio-padrão = 148,62 kWh; Fatura: Média = R$ 89,53 e Desvio-padrão = R$ 65,35. • Recebíveis e perdas: Reavisos: 99,9% das unidades; Reavisos Eficientes: 93,7% das unidades; Ordens de Serviço de Corte: 1,4% das unidades; Saldo PDD: 2% das unidades; Saldo Perdas: 0,4% das unidades; Contas Atrasadas: 100% do cluster têm até 24 contas; Valor Total da Dívida: 65,2% das unidades devem entre R$ 300,00 e R$ 1.500,00; Maior Período em Atraso: Média = 42,77 dias e Desvio-padrão = 35,63 dias. Cluster 10 – Comunicação

Atrasado

Elevado

sem

• Dados cadastrais: Unidade de Negócio: Leste: 42,7% das unidades; Situação Ligado: 98,6% das unidades; Tipo Faturamento Bifásico: 98% das unidades; Tipo de Ligação Definitiva com Medição: 99,5% das unidades e Débito Automático: 3,7% das unidades. • Consumo e fatura: Consumo: Média = 185,50 kWh e Desvio-padrão = 120,28 kWh; Fatura: Média = R$ 77,68 e Desvio-padrão = R$ 54,11. • Recebíveis e perdas: Reavisos: 98,3% das unidades; Reavisos Eficientes: 90,4% das unidades; Ordens de Serviço de Corte: 100%

do cluster não têm; Contas Atrasadas: 100% do cluster têm até 120 contas; Valor Total da Dívida: 68,5% das unidades devem entre R$ 300,00 e R$ 1.500,00; Saldo PDD: 3,4% das unidades; Saldo Perdas: 0,8% das unidades; Maior Período em Atraso: Média = 46,58 dias e Desvio-padrão = 44,79 dias. Cluster 11 – Atrasado Leve com Comunicação • Dados cadastrais: Residencial: 85,6% das unidades; Unidade de Negócio: Oeste: 33,8% das unidades; Proprietário do Imóvel: 27,3% das unidades e Débito Automático: 12,3% das unidades. • Consumo e fatura: Consumo: Média = 177,99 kWh e Desvio-padrão = 121,06 kWh; Fatura: Média = R$ 73,94 e Desvio-padrão = R$ 53,75. • Recebíveis e perdas: Reavisos: 54,6% das unidades; Reavisos Eficientes: 47,4% das unidades; Ordens de Serviço de Corte: 7% das unidades; Primeiros Contatos: 15,4% das unidades; Contas Atrasadas: 94% das unidades têm contas atrasadas, sendo que 86% têm até 12 contas; Valor Total da Dívida: 92% das unidades devem até R$ 1.500,00; Saldo PDD: 3,4% das unidades; Saldo Perdas: 0,8% das unidades; Maior Período em Atraso: Média = 35,63 dias e Desviopadrão = 58,13 dias. Cluster 12 – Atrasado Ausente de Meta • Dados cadastrais: Unidade de Negócio: Oeste: 24,8% das unidades; Proprietário do Imóvel: 38,1% das unidades; Débito Automático: 21,2% das unidades têm pelo menos um mês; Situação Ligado: 98,4% das unidades e Tipo de Ligação Definitiva com Medição: 99,1% das unidades. • Consumo e fatura: Consumo: Média = 174,94 kWh e Desvio-padrão = 145,62 kWh; Fatura: Média = R$ 72,53 e Desvio-padrão = R$ 62,61. • Recebíveis e perdas: Contas Atrasadas: 88,9% das unidades têm até 18 contas; Saldo PDD: 2,3% das unidades; Saldo Perdas: 0,7% das unidades; Valor Total da Dívida: 71,8% das unidades devem até R$ 720,00; Ordens de Serviço de Corte: 2,1% das unidades; Maior Período em Atraso: Média = 24,14 dias e Desvio-padrão = 49,98 dias. Cluster 13 – Atrasado Leve sem Comunicação • Dados cadastrais: Unidade de Negócio: Oeste: 50,8% das unidades; Proprietário do Imóvel: 23,0% das unidades; Débito Automático: 16,3% das unidades têm pelo menos um mês; Situação Ligado: 98,8% das unidades e Tipo de Ligação Definitiva com

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Medição: 98,5% das unidades. • Consumo e fatura: Consumo: Média = 182,82 kWh e Desvio-padrão = 134,93 kWh; Fatura: Média = R$ 74,92 e Desvio-padrão = R$ 59,34.

Comunicação: 43% das unidades; Cluster 12 – Atrasado Ausente de Meta: 60% das unidades; Cluster 13 – Atrasado Leve sem Comunicação: 57% das unidades; e Cluster 14 – Residencial Adimplente: 85% das unidades.

• Recebíveis e perdas: Contas Atrasadas: 100% do cluster têm até 24 contas; Saldo PDD: 1,4% das unidades; Saldo Perdas: 0,4% das unidades; Valor Total da Dívida: 83,6% das unidades devem até R$ 1.500,00; Ordens de Serviço de Corte: 0,6% das unidades; Maior Período em Atraso: Média = 22,14 dias e Desvio-padrão = 43,62 dias.

• Os clusters com score de risco E são: Cluster 3 – Residencial Inadimplente com Comunicação: 69% das unidades; Cluster 9 – Atrasado Moderado sem Comunicação: 54% das unidades; Cluster 10 – Atrasado Elevado sem Comunicação: 59% das unidades; e Cluster 11 – Atrasado Leve com Comunicação: 33% das unidades.

Cluster 14 – Residencial Adimplente

Pode-se notar que o Cluster 11 (Atrasado Leve com Comunicação) é o único que apresenta consideráveis percentuais tanto na faixa A como na faixa E do score de risco desenvolvido pela AES Eletropaulo. Censo 2000: considerando o descrito na Subseção 2.3.1 e os 14 clusters, a análise de sobreposição perante as variáveis analisadas do Censo 2000 resultou em: • Número médio de pessoas por domicílio particular permanente.

• Dados cadastrais: Residencial: 82,2% das unidades; Unidade de Negócio: Leste: 33,5% das unidades; Débito Automático: 28,9% das unidades têm pelo menos um mês; Situação Ligado: 99,3% das unidades e Tipo de Ligação Definitiva com Medição: 98,9% das unidades. • Consumo e fatura: Consumo: Média = 194,45 kWh e Desvio-padrão = 134,43 kWh; Fatura: Média = R$ 80,30 e Desvio-padrão = R$ 59,20. • Recebíveis e perdas: 100% do cluster não têm: Reavisos, Saldo PDD, Saldo Perdas, Primeiros Contatos, Ordens de Serviço de Corte e Cobrança por Inadimplência; Contas Atrasadas: 100% do cluster têm até 12 contas; Valor Total da Dívida: 73,5% das unidades devem até R$ 720,00; Maior Período em Atraso: Média = 6,7 dias e Desvio-padrão = 16,22 dias. APÊNDICE B Características dos 14 clusters conforme as fontes de informações usadas na análise de sobreposição (score de risco, Censo 2000 e Pesquisa Abradee 2005). Score de risco: considerando o descrito na Subseção 2.3.1 e os 14 clusters, a análise de sobreposição perante essa variável resultou em: • Os clusters com score de risco A são: Cluster 1 – Não-Residencial Devedor: 76% das unidades; Cluster 2 – Fraudador: 50% das unidades; Cluster 4 – Incobrável sem Medição: 60% das unidades; Cluster 5 – Comercial Adimplente: 93% das unidades; Cluster 6 – Baixo Consumidor com Serviços: 81% das unidades; Cluster 7 – Inquilino Consumidor: 53% das unidades; Cluster 8 – Adimplente sem Débito Automático: 98% das unidades; Cluster 11 – Atrasado Leve com

A Tabela 3 mostra algumas medidas estatísticas do número médio de pessoas por domicílio particular permanente registrado no Censo 2000, em que se pode notar que os clusters 4 (Incobrável sem Medição) e 13 (Atrasado Leve sem Comunicação) apresentam os maiores números, em média, de pessoas por domicílio. • Renda média das pessoas responsáveis pelos domicílios particulares permanentes. A Tabela 4 mostra algumas medidas estatísticas da renda média das pessoas responsáveis pelos domicílios particulares permanentes observadas pelo Censo 2000. Os clusters 1 (Não-Residencial Devedor) e 6 (Baixo Consumidor com Serviços) apresentam as maiores rendas médias. Vale ressaltar que, em todos os clusters, o desviopadrão não é tão pequeno com relação à média. • Grau de escolaridade das pessoas por domicílio particular permanente. A Tabela 5 mostra o número médio de pessoas para cada um dos níveis de escolaridade dentro de cada um dos 14 clusters. • Rendimento nominal mensal das pessoas responsáveis pelos domicílios particulares permanentes. A Tabela 6 apresenta o número médio de pessoas para cada uma das faixas de renda dentro de cada um dos 14 clusters.

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Tabela 3 Estatísticas do nú b bvnvxsd]mero médio de pessoas por domicílio particular permanente para cada um dos 14 clusters Clusters

Medidas estatísticas

Média

3,02

3,4

3,34

3,69

3,05

3,07

3,14

3,12

3,22

3,40

3,51

3,22

3,69

3,38

Desviopadrão

0,75

0,69

0,71

0,64

0,73

0,74

0,72

0,76

0,73

0,98

0,82

1,07

0,59

0,90

Mediana

3,17

3,54

3,49

3,8

3,22

3,25

3,30

3,31

3,38

3,64

3,68

3,55

3,57

3,59

Percentil 95

3,84

4,1

4,00

4,28

3,77

3,82

3,84

3,82

3,89

4,13

4,30

4,11

4,17

4,09

Tabela 4 Estatísticas da renda média das pessoas responsáveis pelos domicílios particulares permanentes para cada um dos 14 clusters

Clusters

Medidas estatísticas

Média

7,5

5,7

5,9

4,1

7,6

7,1

6,8

6,7

6,3

5,0

5,1

5,8

4,6

5,8

Desviopadrão

2,4

2,1

1,7

2,4

2,3

2,2

2,1

2,0

1,8

1,9

2,5

1,8

2,2

Mediana

7,3

5,2

5,4

3,6

7,4

6,8

6,3

5,8

4,6

4,5

5,1

4,1

5,1

Percentil 95

11,4

10,1

10,2

7,9

11,4

11,2

11,0

10,8

10,3

8,7

9,3

10,9

7,9

10,5

Tabela 5 Número médio de pessoas para cada um dos níveis de escolaridade dentro de cada um dos 14 clusters

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Tabela 6 Número médio de pessoas para cada uma das faixas de renda dentro de cada um dos 14 clusters

Pesquisa Abradee 2005:

• Indicador da Abradee – ISQP: A Figura 6 mostra o Índice de Satisfação da Qualidade Percebida (ISQP) para cada um dos 14 clusters. Sabe-se que no ano de 2005, o índice para a AES Eletropaulo foi de 77,9%. Esse indicador representa o percentual de clientes satisfeitos.

Figura 6 Índice de Satisfação da Qualidade Percebida (ISQP) da Pesquisa Abradee 2005 para cada um dos 14 clusters

A Figura 7 mostra a média de satisfação do Índice de Aprovação do Cliente (IAC), Índice Intermediário de Satisfação (IIS), Índice de Satisfação Geral (ISG) e Iluminação Pública (IP), para cada um dos 14 clusters. Média Eletropaulo: IAC = 7,44; ISG = 7,34 e IP = 6,85.

Referências ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE DISTRIBUIDORES DE ENERGIA ELÉTRICA (Abradee). Pesquisa Abradee de Satisfação do Cliente Residencial 2003. Brasília, 2003. (Relatório comparativo Eletropaulo) ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE DISTRIBUIDORES DE ENERGIA ELÉTRICA (Abradee). Pesquisa Abradee de Satisfação do Cliente Residencial 2004. Brasília, 2004. (Relatório comparativo Eletropaulo) ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE DISTRIBUIDORES DE ENERGIA ELÉTRICA (Abradee). Pesquisa Abradee de Satisfação do Cliente Residencial 2005. Brasília, 2005. (Relatório comparativo Eletropaulo) BACHER, J.; WENZIG, K.; VOGLER, M. SPSS Two Step Cluster – A First Evaluation. FriedichAlexander-Universität Erlangen–Nürnberg, Deutchland, 2004. Disponível em: <http://www.soziologie.wiso.uni-erlangen.de>. Acesso em: 2 jan. 2006. BERRY, M. J. A.; LINOFF, G. Mastering Data Mining: The Art and Science of Customer Relationship Management. New York: John Wiley & Sons Inc., 2000. ISBN: 0-471-33123-6 BITTENCOURT, N. Uso de bancos de dados oficiais. In: PRIMEIRA ESCOLA DE INVERNO DA FGV-EAESP. São Paulo, Brasil, 2005.

Figura 7 IAC, IIS, ISG e IP da Pesquisa Abradee 2005

FAYYAD, U. M. Advances in Knowledge Discovery & Data Mining. California: AAAI Press, 1996. ISBN: 0-262-56097-6 FRANCISCO, E. R. Customer Franchise: A Mina

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de Ouro do Geomarketing. Revista InfoGEO, 56-57, Disponível em: <http://www.mundogeo.com.br>. Acesso em: 25 ago. 2002. FRANCISCO, E. R. Relação entre o consumo de energia elétrica, a renda e a caracterização econômica de famílias de baixa renda do município de São Paulo. 2006. Tese (mestrado em Administração) – Escola de Administração de Empresas de São Paulo, Fundação Getúlio Vargas, São Paulo.

A.L.M. Relatório de Visão Geral do Projeto P&D Aneel – AES Eletropaulo e Fundação CPqD: Definição de Metodologia para Segmentação de Clientes, Identificação de Grupos e Conhecimento do Mercado. Campinas, mai. 2005. REINA, C. S. R., PETRIELLI, A.; NETO, J. O. R. Relatório de Planejamento Amostral do Projeto P&D Aneel – AES Eletropaulo e Fundação CPqD, Campinas, jul. 2005.

INSTITUTO BRASILEIRO DE GEOGRAFIA E ESTATÍSTICA (IBGE). Censo Demográfico 2000. Rio de Janeiro, 2002. (Documentação dos microdados da amostra)

REINA, C. S. R.; PETRIELLI, A. Relatório das Análises Exploratórias de Dados das Fontes Internas da Eletropaulo do Projeto P&D Aneel – AES Eletropaulo e Fundação CPqD. Campinas, jan. 2006a.

INSTITUTO BRASILEIRO DE GEOGRAFIA E ESTATÍSTICA (IBGE). Pesquisa Nacional por Amostra de Domicílios: Síntese de indicadores 2004. Rio de Janeiro, 2005.

REINA, C. S. R.; PETRIELLI, A. Relatório Modelagem de Segmentação do Projeto P&D Aneel – AES Eletropaulo e Fundação CPqD. Campinas, mar. 2006b.

NETO, J. O. R. Relatório de Implantação do Projeto P&D Aneel – Eletropaulo e Fundação CPqD. Campinas, jan. 2006.

WEISS, S. M.; INDURKYA, N. Predictive Data Mining: A Practical Guide. San Francisco: Morgan-Kaufmann Publishers Inc., 1998. ISBN: 1-55860-403-0

REINA, C. S., NETO, J. º R.; ARDENGHE, Abstract

This work has the objective of presenting the results of the development of a specific segmentation methodology to create and characterize low tension customers segments of the AES Eletropaulo, maximizing the exploitation of commercial and technical data from different management processes of the company integrated to external information sources (Demographic Census 2000, ABRADEE Urban Residential Customer Research 2005, and data on the geographic localization of the AES Eletropaulo customers). The information was used to generate new knowledge and market estimates, to define solutions, products and services for each segment and assist in programs launched by the company to reduce financial losses and improve revenue. The identification of consumers’ habits and standards allows continuously update the profile of key customers, making it possible to trigger specific business actions and offer differentiated services Key words: Data Mining. Statistics. Customer segmentation. Support to decision-making.

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Propriedade intelectual do CPqD A partir desta edição dos Cadernos CPqD Tecnologia, serão publicados os resumos dos pedidos de patentes depositados pelo CPqD no Instituto Nacional da Propriedade Industrial (INPI).

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Resumos dos pedidos de patentes depositados em 2006 (54) SENSOR REMOTO PARA MONITORAÇÃO E AVALIAÇÃO DA DEGRADAÇÃO DE ISOLADORES POLIMÉRICOS DE ALTA TENSÃO Dados do pedido: (21) PI 0600650-7 (22) 14/02/2006 (51) G01R 31/12 ; H01B 17/42 (57) "SENSOR REMOTO PARA MONITORAÇÃO E AVALIAÇÃO DA DEGRADAÇÃO DE ISOLADORES POLIMÉRICOS DE ALTA TENSÃO", compreendendo um componente resistivo (6) disposto entre o isolador de alta tensão (2) e a ferragem da torre de alta tensão (3), de tal forma que toda a corrente de fuga (4) que flui através do isolador (2), da linha de transmissão de energia elétrica (5) para a ferragem da torre (3), passe pelo dito componente resistivo (6), dando origem a uma tensão AC entre os terminais A e B, cujo valor é monitorado e processado pelo circuito do sensor (1a, 1b) que compara o valor da tensão medida entre os terminais A e B, com um valor de referência previamente estabelecido, equivalente à corrente de fuga (4) máxima admissível no isolador (2), ativando o dispositivo sinalizador (10) que libera para fora da blindagem (11) uma sinalização visualmente perceptível à distância (12), sempre que, no procedimento de monitoração, for detectada a presença de uma corrente de fuga (4) permanente superior ao valor de referência. (72) José Adalberto Petrachin/Flavio Eduardo Nallin

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(54) ISOLADOR ÓPTICO TOTALMENTE A FIBRA ÓPTICA Dados do pedido: (21) PI 0602400-9 (22) 29/05/2006 (51) G02B 6/26 (57) Refere-se a presente invenção a dispositivo "ISOLADOR ÓPTICO TOTALMENTE A FIBRA ÓPTICA", utilizado para isolar os sinais ópticos em redes ópticas de comunicação, o qual compreende uma única fibra óptica do tipo W, na qual, pelo menos uma das camadas (núcleo, casca 1 ou casca 2) é constituida de material magnetoóptico, dita fibra, cujas propriedades magnetoópticas, índices de refração e dimensões físicas das camadas que a compõem são especificados e dimensionados, ao ser submetida a um campo magnético H transversal ao seu eixo longitudinal, apresenta uma constante de propagação para o sinal luminoso transmitido, oriundo da fonte emissora de luz (sentido de propagação +z), e uma outra constante de propagação para o sinal luminoso refletido e/ou retroespalhado que retorna pela mesma fibra (sentido de propagação -z), de tal forma que o sinal transmitido pela fonte emissora de luz, que trafega no sentido +z seja guiado pelo núcleo, enquanto o sinal refletido e/ou retroespalhado, que trafega no sentido -z, do mesmo núcleo, esteja na condição de corte, vazando do núcleo para a região das cascas onde o mesmo é absorvido e/ou dissipado antes de atingir a fonte emissora da luz, que se encontra acoplada ao núcleo. (72) João Batista Rosolem/Carlos Alberto de Francisco/Murilo Araujo Romero

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(54) MÉTODO DE DETERMINAÇÃO E PLANEJAMENTO DO USO DO ESPECTRO DE RADIOFREQÜÊNCIA EM ÁREA GEOGRÁFICA PREVIAMENTE DELIMITADA Dados do pedido: (21) PI 0602399-1 (22) 29/05/2006 (57) O "MÉTODO DE DETERMINAÇÃO E PLANEJAMENTO DO USO DO ESPECTRO DE RADIOFREQÜÊNCIA EM ÁREA GEOGRÁFICA PREVIAMENTE DELIMITADA" visa projetar a demanda de utilização de canais de radiofreqüência por enlaces, para redes de comunicação sem fio ponto-a-ponto, que possam ser instalados numa área geográfica de interesse, baseando-se em dados históricos de ativação ou desativação de enlaces existentes, e confrontando a demanda de utilização esperada com o estimado número de enlaces operando no mesmo canal de radiofreqüência. Obtendo-se assim a estimativa do "número de enlaces" ponto-a-ponto, operando num determinado canal de radiofreqüência que, segundo critérios técnicos de qualidade de desempenho universalmente aceitos, possam ser instalados numa determinada área geográfica de interesse. (72) Luís Cláudio Palma Pereira/Ednaldo da Silva Kalbaitzer/Edson Luiz Ursini

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(54) SISTEMA E DISPOSITIVO DE SINTONIA, PROCESSAMENTO E CHAVEAMENTO DE SINAIS DE RADIOFREQÜÊNCIA COM DIVERSIDADE DE POLARIZAÇÃO APLICÁVEL EM SISTEMAS DE COMUNICAÇÕES MÓVEIS Dados do pedido: (21) PI 0605642-3 (22) 27/11/2006 (57) "SISTEMA E DISPOSITIVO DE SINTONIA, PROCESSAMENTO E CHAVEAMENTO DE SINAIS DE RADIOFREQÜÊNCIA COM DIVERSIDADE DE POLARIZAÇÃO APLICÁVEL EM SISTEMAS DE COMUNICAÇÕES MÓVEIS". A presente invenção implementa um sistema modular provido de dois ramos para a recepção de sinais correspondentes a polarizações ortogonais e dispositivo de seleção do sinal mais intenso, a ser incorporado a terminais de rede móvel, redes de telefonia sem fio ou set-top boxes (TV Digital), constituindo-se como receptor auxiliar capaz de prover ao receptor do terminal o sinal do ramo selecionado. O sistema proporciona aumento do alcance de recepção do terminal móvel, uma vez que ganhos de diversidade de polarização decorrem da implementação do algoritmo incluído no sistema proposto, onde o sinal com maior intensidade é selecionado e aplicado ao terminal celular. Dessa seleção resulta aumento da margem do enlace e, conseqüentemente, redução de erros na recepção dos sinais digitais característicos dos sistemas de comunicações móveis e DVB, uma vez que estes estão sujeitos a desvanecimentos encontrados em ambientes indoor e associados à mobilidade do terminal. O sistema e o dispositivo que o implementa possibilitam também a implementação de dois ramos de recepção de sinais do esquema de diversidade em apenas uma antena com duas portas ou duas antenas distintas, capazes de realizar a detecção de sinais em duas polarizações ortogonais, implementando o sistema de seleção do ramo correspondente à polarização de maior amplitude, de forma modular e complementar ao receptor utilizado em terminal de rede móvel, redes de telefonia sem fio ou set-top boxes (TV Digital), interpondo-se entre a antena e a entrada do receptor e constituindo-se, dessa forma, em um receptor auxiliar do mesmo. (72) Thiago Arantes Suedan/Luís Cláudio Palma Pereira/Delson Meira

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Resumo dos pedidos de patentes concedidos em 2006 (54) DOUBLE PASS OPTICAL AMPLIFIER WITH UNIDIRECTIONAL COMPENSATION OF CHROMATIC DISPERSION AND OBSTRUCTION OF BACKSCATTERING Dados da concess達o: (11) US 6,992,817

(21) 10/739,270 (22) 19/12/2003 (30) 20/12/2002 BR 0205361 (45) 31/01/2006 (51) H01S 3/00 (57) A "DOUBLE PASS OPTICAL AMPLIFIER WITH UNIDIRECTIONAL COMPENSATION OF CHROMATIC DISPERSION AND OBSTRUCTION OF BACKSCATTERING", composed by an EDFA, whose input/output stage is integrated by a circulator (6), and the amplification stage is composed by a pump laser (1) and an Erbium-doped fiber connected to a multiplexer (3), said amplifier, in which the optical signal undergoes an initial amplification while passing through the Erbiumdoped fiber on the way through the fiber and a second amplification on the way back in the same fiber, presents, after the amplification stage, at least one dispersion compensating fiber (11), whose input and output are connected to the free extremity of the Erbium-doped fiber (2), through at least one device (12) arranged in the circuit in order to prevent the backscattering generated in the dispersion compensating fiber (11) from returning to the Erbium-doped fiber (2) and to allow the signal to travel through the dispersion compensating fiber (11) only once and in one direction, and then return to the amplifier circuit. (72) Jo達o Batista Rosolem/Antonio Amauri Juriollo/Miriam Regina Xavier de Barros/Mariza Rodrigues Horiuchi (81) US

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Resumos dos pedidos de patentes depositados em 2007 (54) MÉTODO PARA CONTROLE INDEPENDENTE DA POTÊNCIA E COMPRIMENTO DE ONDA DE DIODO A LASER Dados do pedido: (21) INPI/SP 018070017719 (22) 27/03/2007 (57) “MÉTODO PARA CONTROLE INDEPENDENTE DA POTÊNCIA E COMPRIMENTO DE

ONDA DE DIODO A LASER”. A presente invenção tem por objetivo prover um método de ajuste simples que possibilite sintonizar lasers semicondutores em comprimento de onda e controlar suas potências em um tempo extremamente reduzido, utilizando módulos de laser DFB usuais, dispostos segundo o arranjo mais difundido, o que torna desnecessária a substituição, adaptação ou instalação de onerosos módulos adicionais. O método proposto contempla duas etapas: uma etapa de calibração, na qual é mapeada a correlação entre os comprimentos de onda λ emitidos pelo diodo laser, e os correspondentes parâmetros de temperatura T e corrente de operação I, e também a correlação entre a potência óptica de emissão P e os correspondentes parâmetros de temperatura T e corrente de operação I, sendo obtidas duas matrizes, das quais são extraídas as funções bidimensionais λ (T,I) e P (T,I) que retratam as correlações contidas nas respectivas matrizes; e uma etapa de utilização, na qual as ditas funções bidimensionais λ (T,I) e P (T,I) são matematicamente convertidas nas funções inversas através de um algoritmo específico, resultando numa correlação invertida na qual o usuário entra com um par de valores desejados de potência Px e comprimento de onda λx, e obtém instantaneamente o valor da temperatura Tx e da corrente de operação Ix, para os quais os módulos ATC e APC devem ser independentemente ajustados para que o diodo a laser DFB opere dentro dos valores de comprimento de onda λx e potência óptica de emissão Px desejados.

(72)Fábio Donati Simões/Claudio Floridia

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(54) AMPLIFICADOR ÓPTICO COM CONTROLE AUTOMÁTICO DE GANHO Dados do pedido: (21) INPI/SP 018070033242 (22) 28/05/2007 (57) “AMPLIFICADOR ÓPTICO COM CONTROLE AUTOMÁTICO DE GANHO”, que compreende um amplificador óptico a fibra dopada com érbio (EDFA), cujo estágio de entrada/saída é integrado por um circulador (6) e o estágio de amplificação é constituído por um laser de bombeio (1) e uma fibra dopada com érbio (2), ligados a um multiplexador (3). Dito amplificador, no qual o sinal óptico sofre uma primeira amplificação ao passar pela fibra dopada com érbio no seu caminho de ida e uma segunda amplificação no seu caminho de retorno pela mesma fibra, apresenta, após o estágio de amplificação, pelo menos uma fibra compensadora de dispersão (11), a qual apresenta tanto a entrada como a saída ligadas à extremidade livre da fibra dopada com érbio (2), através de pelo menos um dispositivo (12), o qual se encontra disposto no circuito de maneira a impedir que os retroespalhamentos gerados na fibra compensadora de dispersão (11) retornem para a fibra dopada com érbio (2) e a permitir que o sinal passe apenas uma vez, num único sentido, pela fibra compensadora de dispersão (11), retornando em seguida para o circuito amplificador. É dotado de uma função de controle automático de ganho, provida por um circuito óptico seletivo em comprimento de onda capaz de realizar as funções de reflexão do sinal selecionado e o ajuste do nível de potência deste sinal via atenuação óptica. (72) Júlio César Rodrigues Fernandes de Oliveira/João Batista Rosolem

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(54) SISTEMA E DISPOSITIVO ÓPTICO PARA MONITORAÇÃO REMOTA DA TENSÃO MECÂNICA DE ESTICAMENTO EM CONDUTORES DE REDES AÉREAS DE TRANSMISSÃO E DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA Dados do pedido: (21) INPI/SP 018070034879 (22) 01/06/2007 (57) “DISPOSITIVO ÓPTICO PARA MONITORAÇÃO REMOTA DA TENSÃO MECÂNICA DE

ESTICAMENTO EM CONDUTORES DE REDES AÉREAS DE TRANSMISSÃO E DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA” (13a), compreendendo um corpo (14a) tendo: uma primeira FBG (15), rigidamente fixada às extremidades do corpo (14a), estando uma dessas extremidades ligada fixamente à torre (2), e a outra ligada fixamente ao isolador (3) do condutor de energia (5), dita FBG (15), por intermédio do qual é calculada a tensão mecânica de esticamento bruta (sem correções), ligada em série com a FBG (15) através de uma fibra óptica (16), uma segunda FBG (17), diferente da primeira, a qual é fixada ao corpo (14a), de maneira a ficar axialmente livre (deslizante) nos respectivos pontos de fixação, dita FBG (17) através da qual é mensurada a temperatura do corpo (14a). “SISTEMA ÓPTICO PARA MONITORAÇÃO REMOTA DA TENSÃO MECÂNICA DE ESTICAMENTO EM CONDUTORES DE REDES AÉREAS DE TRANSMISSÃO E DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA”, compreendendo pelo menos um dos dispositivos ópticos (13 1, 132, ..., 13n),

monitorando pelo menos uma das diferentes tensões de esticamento (41, 42, ..., 4n) em pelo menos um dos diferentes condutores (51, 52, ..., 5n), ditos dispositivos (131, 132, ..., 13n) ligados em série por intermédio de um enlace de fibra óptica, de maneira a estabelecer uma única linha óptica 22 com todas as FBGs (151, 152, ..., 15n) e (171, 172, ..., 17n) ligadas em

série, dita linha óptica 22, cuja extremidade se encontra interligada na subestação de supervisão, a um Sled (Led Superluminescente) 18 e a um OSA (Optical Spectrum Analiser) 19, através de um circulador 20, dito Sled 18 que, através do circulador 20, injeta na linha óptica 22 um sinal de espectro largo S1, o qual passa através de todas as FBGs (151, 152, ..., 15n) e (171, 172, ..., 17n) da linha 22, cada uma das quais reflete de volta o sinal cujo comprimento de onda que se encontra em sintonia com a respectiva grade de Bragg, cada comprimento de onda refletido correspondendo biunivocamente a uma FBG (151, 152, ..., 15n)

ou (171, 172, ..., 17n) específica, ditos comprimentos de onda refletidos de volta são recebidos pelo circulador 20 que os envia para o OSA 19, onde os mesmos são convertidos de sinal óptico para sinal eletrônico, após são enviados via GPIB (General Purpose Interface Bus) para o sistema de aquisição no computador (21), o qual, remove de cada leitura de tensão mecânica de esticamento bruta (não corrigida), o efeito produzido pela temperatura (dilatação térmica) no respectivo dispositivo, provendo a leitura da tensão mecânica de esticamento real (41, 42, ..., 4n) presente no condutor (51, 52, ..., 5n) correspondente.

(72) João Batista de Mello Ayres Neto/Claudio Antonio Hortencio/Rogério Lara Leite/Flávio Borin/João Guilherme Dias de Aguiar/Danilo César Dini/Carlos Alexandre Meireles do Nascimento (CEMIG)

Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 3, n. 1, p. 73-82, jan./jun. 2007

Propriedade intelectual do CPqD

Códigos do INPI para Identificação de Dados Bibliográficos (INID) contidos nos documentos de patentes

(11) Número da patente (21) Número do pedido (22) Data do depósito (30) Dados da prioridade unionista (data de depósito, país, número) (45) Data da concessão da patente (51) Classificação internacional (54) Título (57) Resumo (72) Nome do inventor (81) Países designados

Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 3, n. 1, p. 73-82, jan./jun. 2007

Analisador de Diagrama de Olho: Desenvolvimento e protótipo de um equipamento de baixo custo para monitoração da qualidade do sinal óptico no Projeto GIGA Eduardo Mobilon, Miriam Regina Xavier de Barros, Fábio Donati Simões, Amauri Lopes VDSL2: Uma nova tendência para redes de acesso em banda larga Tania Regina Tronco, José Manoel Duarte Mendes Transmissão de voz em redes Ad Hoc sem fio Paulo Henrique Marques Santos, Márcia Vicentini de Carvalho, José Antonio Martins A dinâmica de sistemas aplicada à análise de difusão de TICs no mercado brasileiro Graziella Cardoso Bonadia, Giovanni Moura de Holanda, Ricardo Benetton Martins Heurística de auto-tuning para escalonadores dedicados a aplicações bag-of-task em grades computacionais Domingos Creado, Roseli Carniello Lopes Metodologia para segmentação de clientes, identificação de grupos e conhecimento de mercado Claudia Sciortino de Reina, Adriana Petrielli, Eduardo de Rezende Francisco

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ISSN 1809-1946