Cadernos CPqD Tecnologia - Vol 2 Nº 2

Cadernos Tecnologia Vol. 2 • n. 2 • julho/dezembro 2006

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 (Sociedade Brasileira de Telecomunicações – SBrT) Adonias Costa da Silveira (Instituto Nacional de Telecomunicações – Inatel) Denise Consoni (Sociedade Brasileira de Microondas e Optoeletrônica – SBMO) Flávio Rech Wagner (Sociedade Brasileira de Computação – SBC) José Mauro Pedro Fortes (Sociedade Brasileira de Telecomunicações – SBrT) Paulo Roberto Freire Cunha (Sociedade Brasileira de Computação – SBC) Virgílio Augusto Almeida (Universidade Federal de Minas Gerais – UFMG) Assistentes Editoriais Adriana Maria Antonietta Bevilacqua Maria Fernanda Simonetti Ribeiro de Castilhos Jornalista Responsável Renata Della Volpe – MTB 41058 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.2, n.2, jul./dez. 2006 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 Mundo Digital Gráfica e Editora com miolo em papel Offset 75g/m2 e capa em papel Triplex 250g/m2 para o CPqD em dezembro de 2006.

ISSN 1809-1946

Cadernos CPqD Tecnologia Vol. 2, n. 2, jul./dez. 2006

Apresentação Claudio A. Violato..................................................................................................................................... 3 Prefácio João Marcos Travassos Romano........................................................................................ 5 Provas de conceito de aplicações para TV digital interativa com o propósito de promover a inclusão digital no Brasil Sônia Mayumi Kutiishi, Lara Schibelsky Godoy Piccolo.......................................................................... 7 Avaliação de projetos e soluções inovadoras em inclusão digital Cláudia de Andrade Tambascia, Marcos de Carvalho Marques, Luciano Maia Lemos, José Manuel Martin Rios, Daniel Moutinho Pataca, Romulo Angelo Zanco Neto, Giovanni Moura de Holanda, Juliano Castilho Dall'Antonia ................................................................................................................. 19 Redes sociais e disseminação de inovações tecnológicas: uma modelagem por agentes aplicada ao caso da TV digital brasileira Ismael Mattos Andrade Ávila, José Carlos Lima Pinto, Luciano Maia Lemos, Giovanni Moura de Holanda ....................................................................................................................... 27 Análise técnica e de custos de implantação de rede WiMAX para provisão de serviços de telefonia Roberto Petry, Carlos Henrique R. Oliveira, José Antonio Martins....................................................... 39 Avaliação da dinâmica de comportamento de redes Ad Hoc através de simulações Heloísa Peixoto de Barros Pimentel, Fabrício Lira Figueiredo, José Antonio Martins .................... 51 Análise de desempenho de protocolos de roteamento para redes Ad Hoc sem fio Fabrício Lira Figueiredo, Marcel Cavalcanti de Castro, Marcos Antônio de Siqueira, Heloísa Peixoto de Barros Pimentel, Aníbal César Aguiar de Carvalho, José Antonio Martins........................................... 61 Multiplexador Óptico Deriva/Insere Reconfigurável (ROADM) para redes WDM Júlio César Rodrigues F. de Oliveira, Luis Renato Monte, Juliano Rodrigues F. de Oliveira, Roberto Arradi, Giovanni Curiel dos Santos, Alberto Paradisi............................................................................ 71 Protocolo de controle de acesso do anel de rede de comutação óptica de pacotes Marcos Rogério Salvador, Eduardo Mobilon, Rodrigo Bernardo, Luis Renato Monte, Vinicius Garcia de Oliveira................................................................................................................................................... 77

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

Apresentação

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

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

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

Claudio A. Violato Vice-Presidente de Tecnologia

Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 2, n. 2, p. 3-4, jul./dez. 2006

Prefácio

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 2, n. 2, p. 5-6, jul./dez. 2006

Provas de conceito de aplicações para TV digital interativa com o propósito de promover a inclusão digital no Brasil* Sônia Mayumi Kutiishi**, Lara Schibelsky Godoy Piccolo A TV digital já é realidade em outros países do mundo. No Brasil, a transmissão digital da programação televisiva está se consolidando nas redes de TV por assinatura (por satélite e cabo). No entanto, a TV paga atinge apenas 7% da população, essencialmente formada pelas classes econômicas de maior poder aquisitivo. A TV terrestre, que atinge grande parte da população, está passando por um processo de digitalização que representa um grande desafio ao governo e à comunidade científica em razão das proporções dos impactos que essa mídia causa na sociedade. Por causa da cobertura em todo o território nacional e da alta penetração nos lares brasileiros, a TV aberta atinge todas as camadas sociais, sendo fonte de entretenimento e de informação para todo cidadão que possui um aparelho de televisão. Por esses motivos, o Projeto SBTVD objetiva utilizar esse meio de comunicação como um instrumento de inclusão digital para diminuir o abismo social que atinge a população brasileira. E, para atender a esse requisito do governo, a digitalização da TV terrestre no Brasil apresenta desafios peculiares, se comparada com as experiências de outros países que já implantaram essa tecnologia.

Este artigo tem por objetivo analisar os requisitos do governo, partindo das premissas do decreto que instituiu o Projeto SBTVD, analisar suas derivações em especificação de requisitos para aplicações interativas para TV digital, abordar o desenvolvimento dessas aplicações e apresentar as aplicações desenvolvidas como provas de conceito.

Palavras-chave: TV digital interativa. Inclusão social. SBTVD. 1

Introdução

Segundo dados do IBGE (2003a), 90% dos domicílios brasileiros possuem pelo menos uma TV, sendo essa a principal fonte de informação e entretenimento da população, com cobertura disponível em quase todas as regiões do País.

Para tratar da digitalização dessa mídia tão abrangente, o governo instituiu o Decreto n.

4.091, de 26 de novembro de 2003 (BRASIL, 2003) que definiu e estruturou o Projeto Sistema Brasileiro de Televisão Digital (SBTVD). Esse decreto estabeleceu as diretrizes para a implantação de uma plataforma de TV digital que tem, entre outros, o objetivo de prover o acesso à informação digitalizada a todas as camadas da sociedade, sobretudo às menos favorecidas.

Por meio do oferecimento de aplicações interativas, a televisão digital no Brasil poderá ser considerada não só uma fonte de entretenimento, mas também um instrumento para a promoção da inclusão digital e social no País, democratizando a informação e oferecendo aplicações interativas que propiciem a melhoria da qualidade de vida da população e o pleno exercício da cidadania.

A inclusão social permeia o oferecimento de serviços como educação, saúde e prestação de serviços públicos governamentais. Tais serviços

são direitos do cidadão e, portanto, seu oferecimento à população deve ser alvo de estudos e melhorias, com o fim de torná-los, de forma eficiente, acessíveis a todos. Como a TV Interativa possui um grande potencial a ser explorado, este artigo pretende apresentar suas aplicações focadas na inclusão digital: algumas especificadas e desenvolvidas como provas de conceito pelo CPqD e outras concebidas e desenvolvidas por consórcios de pesquisa no escopo do Projeto SBTVD. 2

Cenário da televisão no Brasil

A televisão assume um papel de destaque no cenário sociocultural do Brasil, evidenciado pela quantidade de horas assistidas ou pelo número de pessoas que assistem aos programas televisivos. Essa mídia também representa um meio de comunicação de massa com grande influência sobre os hábitos da população (TOME et al., 2001).

Os fatos descritos a seguir ilustram algumas peculiaridades da relação entre a sociedade brasileira e a televisão: • 90% dos domicílios brasileiros possuem ao menos um televisor (IBGE, 2003a) e ele é a principal fonte de informação e entretenimento do País;

* Este artigo é uma evolução do Interactive TV services and applications for digital inclusion in Brazil, apresentado na conferência EuroITV 2006, em 25 e 26 de maio, em Atenas, Grécia. **Autor a quem a correspondência deve ser dirigida: sonia@cpqd.com.br.

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

Provas de conceito de aplicações para TV digital interativa

quase 90% da população recebe os sinais televisivos através da transmissão aberta (MINASSIAN, 2005); • 7% da população dispõe de TV por assinatura (MINASSIAN, 2005); • mais de 75% da população possui um rendimento mensal menor que dois salários mínimos (IBGE, 2003b); • o público que assiste à televisão é heterogêneo, com telespectadores de diversos graus de instrução, faixas etárias, camadas sociais, níveis de alfabetização digital e identidades regionais características de cada localidade do País. Também fazem parte desse público pessoas com diferenciados níveis de dificuldades visuais, auditivas e motoras; • 11% da população acima de 15 anos é considerada analfabeta (IBGE, 2006a) e quase um quarto da população com mais de 15 anos é considerada analfabeta funcional (IBGE, 2006b). Portanto, são pessoas que não conseguem redigir ou interpretar corretamente um texto, embora saibam ler e escrever formalmente.

Tais fatos demonstram a importância da televisão no País e o grande desafio proposto ao governo e à comunidade científica com relação à digitalização da TV terrestre como ferramenta de inclusão digital.

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Conceitos de uma plataforma de TV digital terrestre

As seguintes subseções pretendem apresentar os conceitos gerais relacionados a um sistema de TV digital interativa terrestre.

3.1 Arquitetura funcional Os papéis que compõem a arquitetura funcional de uma plataforma de TV digital terrestre são representados conforme Figura 1, a seguir (CPqD, 2006b).

A figura apresenta três papéis principais na arquitetura funcional: o produtor de conteúdo, a emissora ou provedor de serviços e o usuário.

O produtor de conteúdo atua na fase de

produção de programas televisivos, capturando os sinais de áudio e vídeo e desenvolvendo aplicações interativas.

Na fase subseqüente, os programas e as aplicações são armazenados de maneira organizada em um repositório de dados em que é possível realizar buscas e recuperar uma grande quantidade de material. Nessa fase, é elaborada a grade de programação da emissora, ou seja, é estabelecida a seqüência e o horário de exibição de cada programa a ser transmitido para o usuário.

Na fase de entrega, o programa e as aplicações são enviados por uma torre de transmissão. Na fase de recepção, os sinais são captados por uma antena conectada a um terminal de acesso, que converte os sinais digitais em analógicos para que possam ser exibidos no televisor do usuário. Assim, o usuário poderá assistir ao programa e interagir com as aplicações por meio de um controle remoto. No caso da existência de um canal de retorno, o usuário poderá estabelecer uma comunicação com a emissora ou o provedor de serviços.

3.2 Categorização de aplicações As pesquisas em aplicações e serviços para TV, realizadas pelo CPqD antes da criação do Projeto SBTVD, apontaram quatro categorias de aplicações para TV digital. São elas: comunicação, transação, entretenimento e informação (CPqD, 2002b). Essa categorização se baseou em uma metodologia que considerava a percepção do usuário com relação à aplicação.

Assim, aplicações de comunicação são aquelas que se caracterizam pela troca de informações entre usuários ou entre usuários e a emissora, unidirecional ou bidirecionalmente. Essa troca de informações pode ocorrer em tempo real (comunicação síncrona) ou não (comunicação assíncrona). Correio eletrônico, envio de mensagens curtas (Short Message Service), bate-papos e videoconferências são exemplos dessa categoria de aplicação. A existência de um canal de retorno no terminal de acesso para essa categoria de aplicação é um fator importante para que a comunicação seja mais efetiva.

Figura 1 Arquitetura funcional de uma plataforma de TV digital terrestre

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Provas de conceito de aplicações para TV digital interativa

As aplicações de transação caracterizam-se pela necessidade de um ambiente seguro para a transmissão e o armazenamento de dados sigilosos. Esse ambiente deve oferecer mecanismos para garantir a confidencialidade, a integridade e a autenticidade das informações. A robustez dessas aplicações é fundamental para que o usuário se sinta confortável e seguro no uso de tais aplicações. Exemplos dessa categoria são: comércio eletrônico, consulta a contas bancárias, envio da declaração do Imposto de Renda e acesso a prontuários médicos.

As aplicações de informação consultam informações de um repositório de dados e as exibem ao usuário. Comparativamente com as categorias anteriores, são de implementação mais simples, pois se baseiam na apresentação de texto e na navegação na interface. O Guia Eletrônico de Programação é um típico exemplo dessa categoria de aplicação, assim como as aplicações que exibem a previsão do tempo e notícias on-line.

As aplicações de entretenimento apresentam similaridades com as aplicações de informação, porém são caracterizadas por seu aspecto lúdico, como jogos eletrônicos e programas de perguntas e respostas (quiz show).

3.3 Usabilidade das aplicações interativas para TV digital Segundo Gawlinski (2003), a televisão interativa pode ser definida como algo que permite o estabelecimento de um diálogo entre o usuário (ou telespectador) com um canal de TV, programa ou serviço. Dessa forma, o telespectador que até então assistia à TV de forma passiva passa a ter um comportamento ativo, fazendo escolhas e executando ações.

Para proporcionar a interação do usuário com a TV, utilizam-se das aplicações interativas – sistemas de software executados no terminal de acesso que apresentam recursos e funcionalidades para atender às necessidades do usuário em uma dada situação.

Apesar das diferenças existentes entre a televisão e o computador, tais como a distância do monitor e a resolução da tela, outros fatores podem restringir de forma considerável a quantidade de informação a ser exibida na tela da TV. O surgimento de menus na tela da TV, por exemplo, mostra que elementos anteriormente comuns apenas ao ambiente das interfaces computacionais agora são também aplicáveis ao ambiente televisivo.

No que diz respeito às aplicações interativas, há diferenças conceituais entre as aplicações desenvolvidas para os computadores e aquelas desenvolvidas para serem executadas em um ambiente de TV. Apesar de estar cada vez mais presente nos domicílios brasileiros, o computador

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ainda tem pouca ou nenhuma capilaridade se comparado com a televisão.

A análise de Nielsen (1997) dispõe as principais diferenças entre o ambiente de computador e o ambiente de TV, conforme Tabela 1.

Tabela 1 Diferenças da interação entre a TV convencional e o computador TV convencional

Computador

Tipo de interação com o equipamento

Passiva

Ativa

Fluxo de informação

Contínua

Por demanda

Tipo da necessidade de interação

Eventual

Freqüente

Distância física entre usuário e equipamento

Média

Pequena

Dispositivo de interação

Controle remoto

Teclado e mouse

Expectativa do usuário

Entretenimento

Trabalho/Entrete nimento

Tipo da atividade

Coletiva

Individual

Pela tabela anterior, conclui-se que o advento da TV digital interativa apresenta uma forte ruptura no atual paradigma de assistir à TV. Portanto, a acessibilidade, usabilidade e ergonomia das aplicações interativas e do controle remoto, dispositivo utilizado para a interação com o usuário, são temas essenciais para que a nova tecnologia continue sendo uma fonte de informação e entretenimento, e, ao mesmo, uma ferramenta de inclusão digital, principalmente para a população menos favorecida e com baixa alfabetização digital.

Assim, o foco da TV interativa é atingir um público com baixa alfabetização digital, fato que determina que a usabilidade das interfaces seja uma questão de grande importância para manter a televisão como fonte de informação e entretenimento, favorecer a adesão da população a essa nova tecnologia e usar a televisão como uma ferramenta de inclusão digital.

3.4 Tipos de interatividade As aplicações podem oferecer diversos níveis de interatividade baseados no uso do canal de retorno e no tipo de comunicação estabelecido.

Entende-se por canal de retorno um meio para envio de informações do terminal de acesso para a emissora/provedor de serviços. Para isso, podem ser utilizadas redes STFC, celular, WiMAX, ADSL ou qualquer outra tecnologia de telecomunicação (CPqD, 2006a).

São caracterizadas como aplicações de interatividade local as que não fazem a utilização do canal de retorno, ou seja, todo dado que possa ser solicitado pelo usuário durante a

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Provas de conceito de aplicações para TV digital interativa

execução da aplicação é transmitido ao terminal por radiodifusão. Não há envio de informações do usuário para a emissora/provedor de serviços.

Aplicações com canal de retorno intermitente caracterizam-se por estabelecer a conexão do terminal de acesso em horários preestabelecidos, durante a madrugada por exemplo. Dessa forma, os dados não são enviados on-line (comunicação assíncrona), ficando armazenados no terminal de acesso até o momento da conexão e do envio. Nesse nível, a comunicação exigida pela aplicação não necessita ocorrer em tempo real (máximo de instantaneidade) nem apresentar requisitos de latência mínima, pois ela se baseia em informações que podem ser processadas posteriormente, sem prejuízo ao desempenho da aplicação.

As aplicações com canal de retorno permanente são caracterizadas pela disponibilidade em tempo integral do canal de retorno. Essa característica constitui uma comunicação em tempo real (comunicação síncrona), pois os dados devem ser enviados a emissora/provedor de serviços sempre que houver uma solicitação.

Nesse nível, a comunicação exigida pelo serviço ocorre com o máximo de instantaneidade e deve apresentar requisitos de latência mínima, pois se baseia em informações que não podem ser processadas posteriormente, sob pena de inviabilizar a aplicação.

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O Projeto SBTVD

O Projeto SBTVD, criado pelo Decreto n. 4.091, de 26 de novembro de 2003, tem como objetivo desenvolver a transição da TV terrestre analógica para a digital, estabelecendo ações e modelos adequados às realidades econômica e empresarial do País, estimulando a pesquisa, a expansão de tecnologias brasileiras, do setor televisivo e dos serviços digitais.

Para isso, foi estruturado da seguinte forma: • Comitê de Desenvolvimento: vinculado à Presidência da República e formado por integrantes de nove ministérios. É responsável por estabelecer diretrizes e estratégias para a implementação da tecnologia digital no serviço de radiodifusão de sons e imagens; Comitê Consultivo: formado por representantes da Sociedade Civil, emissoras de TV e indústrias. Tem por finalidade propor ações e diretrizes fundamentais no escopo do SBTVD. O Comitê de Desenvolvimento conta com a coordenação do Grupo Gestor, responsável pela operacionalização do projeto, que, por sua vez, conta com o apoio técnico e administrativo do CPqD e da Financiadora de Estudos e Projetos (Finep), respectivamente. Na fase de apoio à •

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decisão, concluída em dezembro de 2005, o SBTVD mobilizou mais de 1.200 pesquisadores de norte a sul do País, organizados em consórcios formados por universidades públicas e privadas, empresas e centros de pesquisa.

Coube ao CPqD a coordenação das pesquisas desenvolvidas por esses consórcios e a posterior integração dos resultados obtidos nos mais variados temas que compõem um sistema de TV digital: codificação de sinais-fonte, multiplexação, modulação, middleware, canal de retorno, terminais de acesso e aplicações interativas.

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Concepção das aplicações interativas para TV digital no Brasil

Pesquisas sobre variadas tecnologias aplicadas à TV digital realizadas pelo CPqD, em fase préSBTVD, possibilitaram sua capacitação para a coordenação técnica do projeto. Assim, coube ao CPqD estabelecer, logo no início do projeto, as diretrizes das pesquisas a serem realizadas, representadas na forma de requisitos das Requisições Formais de Proposta (RFP). Essas RFPs, por sua vez, foram disponibilizadas pela Finep à comunidade científica através de cartasconvite.

No que tange às aplicações interativas, foi realizada uma categorização e definiu-se quais aplicações seriam pesquisadas e desenvolvidas para que a viabilidade técnica de conceitos até então teóricos fosse avaliada e, em alguns casos, comprovada.

As escolhas das aplicações e dos serviços para TV digital foram baseadas nas premissas do Decreto 4.091. Algumas aplicações e serviços foram explicitamente solicitados nas RFPs e outros tiveram diretrizes para que a concepção fosse realizada pelos consórcios com o mesmo embasamento: promover “a inclusão social, a diversidade cultural do País e a língua pátria por meio do acesso à tecnologia digital, visando à democratização da informação” (BRASIL, 2003).

Assim, foram solicitadas as implementações de provas de conceito de aplicações e serviços que apresentassem forte apelo social e, ao mesmo tempo, desafios tecnológicos como usabilidade, uso do canal de interatividade, segurança da informação, interoperabilidade das aplicações em terminais de acesso oriundos de vários fabricantes, processamento e carga de aplicações.

5.1 Requisitos para as aplicações e os serviços para TV digital no Brasil Combinando conceitos técnicos com a necessidade de prover aos usuários aplicações que permitam a inserção na Sociedade da Informação e o exercício da cidadania, foram solicitadas as implementações de aplicações com as seguintes características:

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Provas de conceito de aplicações para TV digital interativa

a) pela predominância da população com pouca ou nenhuma experiência em tecnologias digitais, as aplicações interativas devem ser de simples utilização para atender usuários de baixa alfabetização digital;

devem oferecer um ambiente seguro para a troca de informações, de modo que o usuário sinta segurança ao realizar operações que envolvam dados sigilosos (por exemplo uma transação bancária ou comércio eletrônico);

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

h) foram solicitadas algumas aplicações específicas: na categoria de comunicação, que funcionasse com ou sem canal de retorno, e um guia de programação, na categoria de informação, por ser a aplicação mais difundida nos atuais sistemas de TV digital.

Embasadas nessas características, para o Projeto SBTVD foram solicitadas as implementações de: • um serviço de saúde; • uma aplicação de governo eletrônico; • uma aplicação para a comunicação entre usuários (t-mail); • um guia eletrônico de programação.

Essas aplicações serviram como provas de conceito, não só dos aspectos tecnológicos, mas também da potencialidade das aplicações como instrumento de promoção social.

c) as aplicações devem ter interfaces gráficas auto-explicativas, com elementos facilmente reconhecíveis, de fácil navegação e memorização, além de um aspecto agradável.

Dessa forma, seu uso será estimulado e contribuirá para a alfabetização digital do usuário; d) as aplicações devem ser concebidas de modo que se estimule a interatividade com o usuário, que será exercida através do controle remoto do terminal de acesso. Por essa razão, o tempo de resposta de uma aplicação deve ser compatível com o tempo máximo de espera que o usuário estará disposto a suportar; e) no desenvolvimento das aplicações, deve-se levar em conta que, pelo menos no início da implantação da TV digital no Brasil, a maioria dos terminais de acesso não contará com um canal de retorno; f) as aplicações devem ser concebidas de modo que possam ser executadas em diversos tipos de terminais de acesso, que podem variar em modelo, preço e fabricante, mas especialmente os de baixo custo para atender a população mais carente; g) algumas aplicações, especialmente aquelas que se enquadram na categoria de transação,

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Provas de conceito

Durante a fase de apoio à decisão do Projeto SBTVD, foram desenvolvidos protótipos de serviços e de aplicações interativas como provas de conceito. A Tabela 2 apresenta alguns dos protótipos desenvolvidos, em diversas categorias de aplicações, pelos consórcios participantes do SBTVD ou pelo CPqD. Algumas aplicações foram concebidas de forma que não fizessem uso do canal de retorno. Em alguns casos, as aplicações que necessitam do canal de retorno possuem funcionalidades simplificadas que permitem seu funcionamento parcial, mesmo com a indisponibilidade desse meio.

Tabela 2 Protótipos de aplicações interativas do SBTVD Aplicação

Descrição

Canal de retorno

Categoria

Consórcio

SAPSA

Serviço de educação baseado em vídeo sob demanda

Sim/Não

Informação (educação)

CPqD/Unisinos

Aplicação para visualização de objetos em 3D, simulando a visita a um museu

Não

Entretenimento

Consórcio RFP7DFPRSP1

Declaração Anual de Isento

Sim

Transação (Governo)

Consórcio RFP7DFPRSP

Aplicação para acompanhamento e participação em votações no Congresso ou Senado

Sim/Não

(CPqD, 2004a) Museu Virtual (SILVA, 2005) DAI (RFP7DFPRSP, 2005b) T-Voto (AIMCOR, 2005b)

Informação/ Consórcio AIMCOR2 transação/ (governo)

1 Consórcio RFP7DFPRSP formado por Brisa, Lactec, UFPR, UnB, PUC-PR e TVA. 2 Consórcio AIMCOR formado por UFC, Instituto Atlântico, Unifor, Cefet-CE, OMNI3 e Samsung.

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Provas de conceito de aplicações para TV digital interativa

Aplicação

Canal de retorno

Descrição

Categoria

Consórcio

T-mail (residente e nãoresidente no terminal de acesso) (AIMCOR, 2005a) (FlexTV, 2005)

Aplicação para envio de mensagens

Sim

Comunicação

Consórcios AIMCOR, MRSBTVD3 e FlexTV4

Aplicação para recebimento de mensagens

Não

Comunicação

Consórcio RFP7DFPRSP

Grade de programação de uma ou mais emissoras e portal de aplicações disponíveis

Não

Informação

Consórcios AIMCOR, RFP7DFPRSP, MRSBTVD e FlexTV

Navegador para acesso à Internet

Sim

Entretenimento/com unicação

Consórcio MRSBTVD

Conexão com a Internet

Sim

Comunicação

CPqD/UFRN

Dicas de saúde: aplicação para testes relacionados à saúde

Não

Informação (saúde)

(MRSBTVD, 2005) TV-Grama (RFP7DFPRSP, 2005a) Guia Eletrônico de Programação e Portal de Acesso (AIMCOR, 2005c) (RFP7DFPRSP, 2005c) (MRSBTVD, 2005) Jangada (ARAÚJO, 2005) BLNet (LEMOS, 2004) Serviço de Saúde (IDSTV, 2005)

Consórcio IDSTV5 Marcação de consulta: aplicação para marcar consulta em um posto de saúde

Algumas das aplicações citadas na tabela acima, bem como os conceitos provados a partir das respectivas implementações, serão detalhados nas seções subseqüentes por apresentarem não só aspectos técnicos a serem pesquisados, mas também por suas abrangências do ponto de vista social e de governo. Esses serviços e aplicações têm como fator comum melhorar a qualidade de vida e promover o exercício da cidadania de seus usuários. Partindo-se dessas premissas, serão detalhados: os serviços de educação e saúde, por serem de responsabilidade pública e por se encontrarem atualmente deficitários pelo atendimento inadequado à população; uma aplicação de governo eletrônico, Declaração Anual de Isento, que pode beneficiar um grande número de usuários obrigados a declarar sua isenção à Fazenda, para fins de declaração de Imposto de Renda; uma aplicação de governo eletrônico, T-Voto, que estimula a participação do

Sim

Transação (saúde)

usuário na vida política do País; e uma aplicação de envio de mensagens concebida especialmente para os usuários que não dispuserem de canal de retorno no seu terminal de acesso.

6.1 Educação: Serviço de Apoio ao Professor em Sala de Aula (SAPSA) O SAPSA (CPqD, 2004a) é um serviço baseado em vídeo sob demanda, concebido pelo CPqD para radiodifusão terrestre e desenvolvido pela Universidade do Vale dos Sinos (Unisinos) em um momento anterior à constituição do Projeto SBTVD. A essência desse serviço é tirar proveito da forte penetração da TV na sociedade brasileira para difundir conteúdos educativos que possam ser usados, principalmente, nos ensinos básico e fundamental.

O SAPSA é acessado pelo professor por meio da

3 Consórcio MRSBTVD formado por Funcamp, FEEC, Iecom, UEL, Fitec e RCASOFT. 4 Consórcio FlexTv formado por UFPB, Cesar, PUC-Rio, DIMAP-UFRN, Universidade Mackenzie, INF-UFG, LSI-Epusp, LARCEpusp, CIN-UFPE, Sidia-AM, Itautec-Philco-SP. 5 Consórcio IDSTV formado por IPDE, UFSC, UFPB, Hospital Sírio-Libanês, Nutes, RNP, Cesar, Edumed, CIN-UFPE e FCD.

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Provas de conceito de aplicações para TV digital interativa

televisão, conforme Figura 2, na qual será apresentado um guia de conteúdo educacional com temas como Matemática, História, etc. Esse guia permite ao professor escolher um conteúdo para apresentá-lo em tempo real ou fazer agendamentos para gravação de conteúdos por horário e por local (por exemplo, uma determinada sala de aula).

Canal B apresenta um portal de saúde, que leva às demais aplicações. O Canal C serve para treinamento de agentes de saúde, constituindo um serviço confinado a um público restrito.

Figura 3 Tela do Serviço de Saúde

Figura 2 Tela do SAPSA, uma aplicação de educação

Esse serviço tem como objetivo enriquecer as matérias ensinadas pelo professor por meio de programas de TV de curta duração relacionados com a matéria lecionada e exibidos durante as aulas. O professor poderá criar uma dinâmica de interação e colaboração entre os alunos, possibilitando melhor assimilação do conteúdo ensinado através de imagens televisivas, uma linguagem a que o aluno já está acostumado no seu dia-a-dia. Além disso, esse serviço contribui para a alfabetização digital e a capacitação tecnológica dos professores e, por utilizar a televisão como um meio de transmissão de conhecimento, poderá melhorar os índices educacionais do País.

O desenvolvimento desse serviço (IDSTV, 2005) permitiu a validação de conceitos relacionados ao formato da linguagem televisiva como, por exemplo, o uso da figura de um apresentador de programa de auditório que, conquistando a confiança do telespectador, convida-o a interagir com a TV, conforme Figura 4. Tecnicamente, o desenvolvimento desse serviço também permitiu provar conceitos de sincronismo entre áudio, vídeo e aplicação, usabilidade e comparações do desenvolvimento de aplicações em middleware procedural e declarativo.

6.2 Saúde: dicas de saúde, testes, marcação de consultas e treinamento de agentes de saúde A TV é considerada por grande parte da população a principal fonte de informação. Com base nesse fato, o Serviço de Saúde foi concebido e implementado pelo consórcio liderado pela Universidade Federal de Santa Catarina, com base na RFP Serviço de Saúde (CPqD, 2004b). A RFP definiu o público-alvo (Centro de Saúde de Barão Geraldo), bem como alguns requisitos técnicos e funcionais para esse serviço.

O resultado desse trabalho foi um conjunto de aplicações organizadas em três canais, ou grupos de programas, conforme Figura 3. O Canal A é baseado em um programa de auditório que sugere o acesso às aplicações interativas relacionadas à saúde, como testes de depressão e obesidade, dicas de saúde, entre outras. O

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Figura 4 Programa de auditório do Serviço de Saúde

Do ponto de vista do ganho social provido por esse serviço, podem-se citar os seguintes aspectos: • uso de aplicações para marcação de consulta: permite ao usuário de um posto de saúde marcar uma consulta de sua residência, melhorando a prestação de serviços com a redução de filas para atendimento. O usuário poderá, de sua casa, escolher a especialidade desejada, consultar os horários disponíveis e agendar sua consulta pelo número de seu cartão do SUS;

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Provas de conceito de aplicações para TV digital interativa

•

•

alfabetização digital: ao usar uma linguagem televisiva baseada em programas de auditório, que é uma linguagem conhecida e aceita pela maioria da população brasileira, o Serviço de Saúde procura mitigar uma possível barreira subliminar por parte do usuário no uso de aplicações interativas. Ao mesmo tempo, estimula o uso da interatividade de maneira progressiva e didática e, com isso, contribui para a alfabetização digital da população, principalmente do público de baixa renda, que aprecia esse tipo de programa; conscientização de problemas de saúde que fazem parte do dia-a-dia da população: ao aplicar testes sobre temas corriqueiros como estresse, depressão e obesidade, esse serviço possibilita conscientizar os usuários ou mesmo alertá-los sobre seu estado de saúde, indicando a necessidade de procurar um médico.

6.3 Governo eletrônico: Declaração Anual de Isento A RFP Aplicações em TV digital (CPqD, 2004c) colocou como um dos resultados esperados uma aplicação de governo eletrônico, dada a importância desse tipo de aplicação no contexto social brasileiro. Dessa forma, o consórcio liderado pela empresa Brisa propôs a aplicação Declaração Anual de Isento (Figura 5) (MAUTONI, S. et al., 2005), para que todo cidadão brasileiro isento do pagamento do Imposto de Renda possa, de sua casa, enviar sua declaração pela TV digital.

melhoria de qualidade de vida ao permitir que ele utilize um aparelho eletrônico familiar para enviar informações de sua Declaração de Isento e, assim, cumprir suas obrigações fazendárias sem a necessidade de acesso à Internet – atualmente o meio mais difundido para a entrega da declaração do imposto de renda, ou de deslocamento por parte do usuário a um posto oficial de entrega da declaração.

Da mesma forma que no serviço de saúde, essa aplicação contribui para a elevação do nível de alfabetização digital do usuário por ser de fácil manuseio e por não exigir demasiadas habilidades para sua operação.

6.4 Comunicação: canal entre sociedade e governo As aplicações categorizadas como comunicação encontram-se a seguir.

6.4.1

T-Voto

A aplicação T-Voto (AIMCOR, 2005b), desenvolvida pelo consórcio liderado pela Universidade Federal do Ceará, constitui um canal de comunicação entre os cidadãos e o governo, podendo ser classificada como uma aplicação de governo eletrônico e comunicação.

São exibidas enquetes vinculadas à programação televisiva do governo, como TV Senado ou TV Câmara, que dizem respeito às votações em trâmite nas casas legislativas, tais como projetos de lei, orçamento, etc. Para garantir a segurança, o usuário deve ser identificado por um número de documento.

Dessa forma, um cidadão pode participar uma única vez em uma mesma enquete. O voto é sigiloso, isto é, não será disponibilizada nenhuma informação que identifique a escolha do usuário.

Essa aplicação é ilustrada na Figura 6.

Figura 5 Aplicação Declaração Anual de Isento

O desenvolvimento dessa aplicação validou conceitos de usabilidade e segurança, como transmissão segura de informação pelo canal de interatividade usando conexão HTTPS, mecanismo concebido pelo consórcio GSAC, composto pelo Instituto Genius, Cesar e Fitec-BH. Para o usuário, essa aplicação provê uma

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Figura 6 Tela da aplicação T-Voto

O uso dessa aplicação pode conscientizar o usuário da importância de sua participação como cidadão nas questões políticas. As aplicações interativas, relacionadas com o conteúdo

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televisivo, estimulam a participação do usuário nas enquetes. Através dessa aplicação, o usuário poderá expressar sua opinião, que poderá ser levada ao conhecimento dos seus representantes políticos nas casas legislativas e, ao mesmo tempo, elevar o nível de comprometimento entre esses representantes e seu eleitorado.

6.4.2

TV-Grama

O TV-Grama (RFP7DFPRSP, 2005a) é uma aplicação para recebimento de mensagens por radiodifusão, sem necessidade de um canal de retorno, que pode ser aplicada como um canal de comunicação entre governo e cidadão, ou mesmo entre usuários. O envio de mensagens pode ser feito em uma agência dos Correios (similar ao envio de um telegrama). A distribuição e a entrega da mensagem pela plataforma de TV terrestre é baseada no CEP em que ocorre a recepção do sinal.

Por meio dessa aplicação, mesmo o usuário de baixa renda e sem acesso à Internet pode receber mensagens eletrônicas, ainda que não possua um canal de retorno em seu terminal de acesso.

7

Conclusão

Os protótipos das aplicações foram implementados de acordo com as diretrizes do Decreto n. 4.091, de 26 de novembro de 2003 (BRASIL, 2003), que institui, como um de seus objetivos, a promoção da inclusão social visando à democratização da informação.

Para atingir esse objetivo, as aplicações desenvolvidas tinham como premissas fatores sociais e visavam à melhoria da qualidade de vida do usuário e ao exercício de sua cidadania.

Partindo-se dessas premissas, foram elaborados os requisitos técnicos e sociais que nortearam o desenvolvimento das aplicações pelas instituições de pesquisa de todo o País. Foram solicitadas as implementações de aplicações relacionadas às áreas de saúde, educação, governo eletrônico e comunicação, a fim de comprovar conceitos técnicos e o potencial dessas aplicações para a inclusão social.

As provas de conceito realizadas pelos consórcios de pesquisa foram demonstradas ao público em geral em eventos do Projeto SBTVD. Apesar de fazer parte da especificação de trabalho, a validação dessas aplicações com um público-alvo real foi prejudicada pela falta de uma estação experimental para a transmissão de aplicações e programas de TV para algumas regiões. No início do Projeto SBTVD, era esperado que as aplicações desenvolvidas pudessem ser validadas em campo, com usuários reais, e, por conseqüência, a validação desses protótipos como ferramentas adequadas

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à promoção da inclusão social também foi prejudicada.

No caso do Serviço de Saúde, foi determinado que houvesse teste em campo, com usuários reais do Posto de Saúde do Distrito de Barão Geraldo, em Campinas, SP. Dessa forma, teria sido possível, além de testar conceitos tecnológicos, como a transmissão e o uso de aplicações, avaliar, em certa escala, o impacto que tais aplicações provocariam na sociedade no que diz respeito à interação com a TV digital, entendimento da aplicação, alfabetização digital e ganho social.

Ainda que as provas de conceito não tenham sido validadas em ambientes reais e com potenciais usuários finais, durante o andamento do projeto foi evidenciado que: as aplicações disponibilizadas na TV digital devem ter apelo para que o usuário tenha interesse em usá-las; as aplicações devem ser fáceis de entender ou manusear; o programa de TV que contém a aplicação deve ter uma linguagem adequada ao público-alvo; as aplicações devem ser robustas para que sua credibilidade não seja abalada e seu uso desestimulado; as aplicações devem respeitar o nível de alfabetização do usuário, tanto funcional como digital; e, principalmente, o uso das aplicações deve agregar valor ao cotidiano do usuário e estimulá-lo a interagir cada vez mais com os novos serviços proporcionados pela televisão. Tais fatores deverão ser considerados na concepção e no oferecimento de aplicações interativas à população. Se tais aplicações tiverem como objetivo propiciar benefícios sociais ao usuário, acredita-se que será possível utilizar a TV digital como um meio para propiciar sua inserção na Sociedade da Informação e que o SBTVD, portanto, atingirá o objetivo de promover a tão sonhada inclusão digital no Brasil.

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APLICAÇÕES INTERATIVAS PARA MODELOS COMERCIAIS E DE REFERÊNCIA DO SBTVD

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Provas de conceito de aplicações para TV digital interativa

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Acesso em: 13 abr. 2006.

Abstract Digital television is a reality in many countries of the world. In Brazil, CATV networks are the main transmission way of digital TV content distribution, and nevertheless such solution reaches only 7% of the overall population, and restricted to higher economic strata. On the other hand, extending this coverage to lower income segments of the society through the use of digital terrestrial technology is a major challenge for the Brazilian government and for the scientific community due to the social impact caused by such media.

The national coverage ensures that such free content distribution constitutes the major source of information and entertainment of every citizen that owns a TV set. For all these reasons, the SBTVD project aims to use digital TV technology as a tool to break the digital boundary, therefore contributing to diminish the Brazilian social differences. To comply with such ambitious government requirements, the deployment of digital terrestrial television has peculiar challenges to be overcome, which takes us apart from other countries where this technology is a reality.

This paper aims to discuss the service requirements starting from the boundary conditions established by the Brazilian government for the SBTVD project and to analyze its impacts on the interactive applications developed for digital television. Furthermore, this paper also investigates application development issues and presents the results of the R&D efforts on this matter.

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

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Avaliação de projetos e soluções inovadoras em inclusão digital Cláudia de Andrade Tambascia*, Marcos de Carvalho Marques, Luciano Maia Lemos, José Manuel Martin Rios, Daniel Moutinho Pataca, Romulo Angelo Zanco Neto, Giovanni Moura de Holanda, Juliano Castilho Dall'Antonia Este artigo tem o objetivo de apresentar a avaliação de projetos inovadores em inclusão digital, considerando soluções de acesso, de educação e capacitação, de produção de conteúdo contextualizado, de usabilidade e de apoio aos programas existentes. Para tanto, parte-se de um mapeamento de iniciativas nacionais, da aplicação de critérios para análise e classificação de soluções quanto ao estado-da-arte, e da validação da análise com visitas in loco a iniciativas selecionadas. A análise está centrada em soluções voltadas a pessoas com necessidades especiais e os resultados estão sendo usados como insumo para a proposição de novos desenvolvimentos. Esse processo de avaliação corresponde a um conjunto de atividades da primeira fase do Projeto Soluções de Telecomunicações para Inclusão Digital (STID), que está sendo conduzido pela Fundação CPqD. Palavras-chave: Inclusão digital. Inclusão social. Inovação. Avaliação de projetos.

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Introdução

Os avanços tecnológicos e a proliferação da informação em formato eletrônico, inclusive em iniciativas de serviços públicos, estão suscitando novas formas de estratificação social. A plena participação dos indivíduos nesse novo contexto comunicacional só é possível com a disponibilização de todas as condições que os capacitem a fazer uso das tecnologias de informação e comunicação (TICs). Em termos mais específicos, o ingresso na sociedade da informação – ou, como aqui designada, sociedade informacional – só é integralmente efetivado à medida que os indivíduos tenham acesso eletrônico a serviços públicos (e-gov), de capacitação (e-learning) e a redes de dados e de informação, como a Internet.

Nos últimos anos, observa-se, mundialmente, uma grande preocupação com essa transformação tecnológica e social, notadamente na vasta quantidade de iniciativas voltadas à inclusão dos indivíduos na sociedade informacional.

No Brasil, grande parte da população pode ser considerada digitalmente excluída e, por essa razão, as ações para redução de tal hiato ganham importância e devem ser sistematicamente concebidas e planejadas.

De maneira geral, as ações de inclusão digital têm como foco a oferta de acesso à Internet, tanto coletivo quanto individualizado. Essas ações estão sendo, em sua maioria, implementadas em abrangência local, configurando a necessidade de explorar alternativas de serviços e redes de telecomunicações que possam suportá-las de forma integrada.

Além disso, a população brasileira é composta por uma parcela significativa de analfabetos funcionais e de pessoas com algum tipo de deficiência física, sensorial ou motora (ÁVILA et al., 2006). Normalmente, os indivíduos que se encontram nessas condições enfrentam dificuldades para se inserir em suas esferas social e cultural, de forma que não participar da sociedade informacional significa tornar-se duplamente excluído.

Nesse contexto, o Projeto Soluções de Telecomunicações para Inclusão Digital (STID) foi concebido com o objetivo de produzir resultados que permitam atenuar esse tipo de barreira de acesso às TICs e reduzir o hiato digital e social no país.

O planejamento de tais soluções para o contexto brasileiro parte da análise das alternativas de serviços e tecnologias de telecomunicações existentes, cujo primeiro passo foi o mapeamento minucioso, porém não-exaustivo, de experiências nacionais voltadas à inclusão digital. Em seguida, selecionou-se um conjunto de experiências que apresentam soluções inovadoras em alguns aspectos que contribuem para a inclusão. Para o levantamento e a caracterização das soluções no estado-da-arte, foram empregados critérios que permitiram avaliar o tipo e o grau de uma inovação em inclusão digital e, assim, identificar as soluções que possam orientar a proposição de novos desenvolvimentos. As características dessas soluções estão sendo verificadas com dados primários, obtidos em visitas in loco às respectivas experiências. É importante destacar que o caráter da classificação das experiências em estado-da-arte não tem o propósito de julgar o mérito, a utilidade

*Autor a quem a correspondência deve ser dirigida: claudiat@cpqd.com.br.

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Avaliação de projetos e soluções inovadoras em inclusão digital

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2.1 Definição dos níveis de inclusão Com base no conteúdo exposto, e diante da

Produção de conteúdo multicultural Fruição de conteúdo

Inteligibilidade Usabilidade e acessibilidade Disponibilidade de acesso

Soluções de apoio e gestão

Sociedade informacional

Conceitos e definições

O tema da inclusão digital vem sendo exaustivamente estudado sem, contudo, conduzir à superação das dicotomias em torno da natureza desse processo. Neste sentido, a precisão dos conceitos associados à inclusão digital é um passo importante na contextualização e identificação do verdadeiro potencial representado para diminuição da exclusão social.

Conforme discutido em Tambascia et al. (2006), a plena compreensão da exclusão digital não é algo simples, pois, ao contrário do que uma análise superficial pode sugerir, ela não se refere a uma condição binária, que separa incluídos de excluídos, mas sim a um estado relativo e dinâmico, sujeito a inúmeras gradações e afetado por diversos fatores. O foco de análise, sobretudo em países com questões sociais urgentes, tem sido naturalmente direcionado para o grupo dos indivíduos privados das novas tecnologias, os chamados excluídos digitais, o que justifica o termo “exclusão digital”, mais freqüentemente utilizado.

Por esse prisma, a inclusão digital é entendida como forma de inserir a população na sociedade informacional e, assim, combater a desigualdade econômica, social, política e cultural, oferecendo maior oportunidade de acesso e produção de conhecimento, participação política, aperfeiçoamento profissional, impulso para melhoria das condições de vida individual, de organização comunitária e de desenvolvimento local.

Há de se considerar também todas as dimensões de restrição de acesso às novas TICs, quais sejam, alfabetização e letramento insuficientes, dificuldades cognitivas ou motoras e barreiras lingüísticas, econômicas ou psicológicas. Esses aspectos são discutidos em Holanda e Dall'Antonia (2006) e descritos e mapeados em Ávila et al. (2006).

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necessidade de classificar as soluções e experiências mapeadas para identificação das alternativas que melhor atendem aos objetivos do projeto, foi definida em Tambascia et al. (2006) uma taxonomia para os diferentes níveis de inclusão digital, conforme Figura 1.

Barreiras à inclusão

ou a eficiência das experiências, mas de concentrar o foco da análise nas lacunas e oportunidades para novas soluções de inclusão digital.

O objetivo deste artigo é apresentar esse processo de avaliação das soluções, o qual constitui a primeira fase do STID. Para tanto, está estruturado da seguinte forma: a Seção 2 apresenta os conceitos fundamentais que nortearam as análises, a Seção 3 descreve a metodologia de análise e classificação das soluções, a Seção 4 apresenta a classificação das experiências quanto ao estado-da-arte e, por fim, a Seção 5 descreve os resultados obtidos com esse processo de avaliação.

Figura 1 Tipologia da inclusão digital

Nessa taxonomia, são hierarquizados os níveis de acesso à sociedade informacional. O três primeiros níveis representam as barreiras a serem suplantadas para que a inclusão digital seja plena, correspondendo a requisitos de acesso físico, de acessibilidade e usabilidade da interface e de inteligibilidade dos conteúdos.

O Nível 1, conforme Figura 2, refere-se à disponibilidade de acesso aos meios físicos, infra-estruturais, computacionais e de rede, necessários à consecução do objetivo da inclusão digital. No Nível 2, devem ser providos recursos e ferramentas de acessibilidade, por exemplo síntese e reconhecimento de fala, assim como considerados os aspectos de usabilidade, de forma que se torne mais amigável a interação humano-computador. No Nível 3, os aspectos devem ser empregados para adequar conteúdos e interfaces às características culturais e ao nível de letramento dos usuários.

Soluções de apoio e gestão à inclusão digital Nível 4b

Sociedade informacional: produção de conteúdo multicultural

Nível 4a

Sociedade informacional: fruição de conteúdo

Nível 3

Inteligibilidade: decodificação e cognição, adequando conteúdos e interfaces ao perfil cultural e lingüístico dos usuários

Nível 2

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

Nível 1

Disponibilidade de acesso: acesso a equipamentos e redes

Figura 2 Caracterização dos níveis para classificação das soluções

Finalmente, o Nível 4 diz respeito à participação na sociedade informacional, de forma que os programas e iniciativas de inclusão que se enquadrarem nessa condição possibilitem ainda dois níveis de participação: a fruição plena dos conteúdos já culturalmente contextualizados (Nível 4a) e, em alguns casos, a produção de conteúdo inclusive sob a perspectiva do multiculturalismo (Nível 4b).

Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 2, n. 2, p. 19-26, jul./dez. 2006

Avaliação de projetos e soluções inovadoras em inclusão digital

Além dos quatro níveis da tipologia aqui descrita, foi definida uma instância em que é possível classificar as iniciativas de apoio e gestão das ações voltadas ao processo de inclusão. As soluções assim categorizadas comportam-se como catalisadores das demais iniciativas, independente do nível de inclusão a que estejam associadas.

2.2 Conceito de inovação em inclusão digital A consideração de inovações em soluções para inclusão digital requer um enfoque diferenciado, principalmente porque os resultados almejados com a introdução de uma inovação nesse contexto são traduzidos em termos não apenas de desempenho econômico, mas também dos avanços sociais.

Portanto, o conceito de inovação aqui adotado é fruto de uma adequação de conceitos e definições largamente encontrados na literatura, e que ao longo do tempo vêm sofrendo ajustes e aperfeiçoamentos, conforme abordado em Marques et al. (2006).

Para Schumpeter (1982), as inovações caracterizam-se pela introdução de novas combinações produtivas ou mudanças nas funções de produção, e levam à reorganização da atividade econômica. Essas combinações ou mudanças se classificam em cinco tipos: • introdução de um novo bem ou de uma nova qualidade de um bem; • introdução de um novo método de produção que não decorre necessariamente de qualquer descoberta científica, mas que pode simplesmente consistir em um novo método de tratar comercialmente uma mercadoria; • abertura de um novo mercado, ou seja, de um mercado em que o ramo particular da indústria de transformação do país em questão não tenha ainda entrado, quer tenha esse mercado existido antes ou não; • conquista de uma nova fonte de oferta de matérias-primas ou de bens semimanufaturados, independentemente de essa fonte já existir ou não; • estabelecimento de uma nova organização de qualquer indústria, como a criação ou a ruptura de uma posição de monopólio.

Mais recentemente, a Comissão Européia apresentou, no Livro Verde Sobre Inovação, os seguintes aspectos em torno do termo “inovação”: • uma renovação da gama de produtos e serviços e dos mercados associados; • uma criação de novos métodos de produção, de aprovisionamento e de distribuição; • uma introdução de alterações na gestão, na organização do trabalho, bem como nas qualificações dos trabalhadores.

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

pelas forças da competição no mercado ou da necessidade de atender às carências da sociedade.

Esse processo também é denominado inovação.

Em linha com essas perspectivas conceituais e buscando contextualizá-las à análise de classificação das soluções de inclusão digital que se encontram no estado-da-arte, adotou-se a seguinte taxonomia: • inovação em produtos: é a utilização de novos insumos que geram um novo produto ou uma melhor qualidade de um produto, visando atender às necessidades dos usuários de uma iniciativa; • inovação em métodos ou processos: é uma nova combinação de recursos e procedimentos que levam a um novo método ou um novo processo interno à iniciativa; • inovação em gestão: mudanças de procedimentos ou rotinas (conjunto de procedimentos) gerenciais, da estrutura organizacional ou da orientação estratégica.

Além de incorporar novos insumos ou rotinas, ou mesmo uma nova combinação de recursos, uma experiência só é caracterizada como inovadora quando reúne condições para atender a uma determinada necessidade de inclusão, ou seja, transformar, em alguma medida, a realidade econômica ou social do maior número de pessoas, por meio de barateamento, facilitação e flexibilização do uso das TICs pela sociedade.

Coube identificar, essencialmente, em cada experiência, se há um arranjo original de elementos tecnológicos ou organizacionais que compõem uma solução e se há elementos ou características originais capazes de produzir resultados diferenciais quando comparadas com as demais experiências.

Desse modo, as experiências são classificadas como estado-da-arte em função do grau de inovação que incorporam ao promover resultados diferenciais, conforme detalhado a seguir (Seção 3). Na presente análise, o grau de inovação foi avaliado para cada nível da tipologia de inclusão digital apresentado na Subseção 2.1, ou seja, disponibilidade de acesso, acessibilidade e usabilidade, inteligibilidade, participação na sociedade informacional, além dos aspectos de apoio e gestão.

2.3 Graus de inovação em inclusão digital As soluções inovadoras foram classificadas de acordo com três graus de inovação: • incremental: é aquela em que ocorre o aprimoramento de características observadas em relação à parte expressiva das experiências existentes, em pelo menos um dos níveis de inclusão digital, sem acréscimo de novas características; • distintiva: caracteriza-se pelo fato de a

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Avaliação de projetos e soluções inovadoras em inclusão digital

experiência, ainda que possua um conjunto de características idênticas às de parte expressiva das experiências correntes, apresentar uma série de atributos que introduzem novas características ou funções; • ruptura: caracteriza-se por uma diferenciação completa com relação a características observadas em parte expressiva das experiências existentes, para a satisfação de uma dada necessidade.

3

Metodologia para classificação das experiências

Conforme detalhado em Marques et al. (2006), o processo de classificação das experiências, quanto à apresentação de soluções em estadoda-arte, transcorre em duas etapas.

Na primeira etapa, a partir de um conjunto de 46 experiências, foram destacados os objetivos, o tipo de serviço oferecido e a infra-estrutura utilizada de tecnologia de informação e de telecomunicações. A partir de suas principais características, as iniciativas mapeadas foram classificadas de acordo com uma taxonomia de níveis de inclusão digital apresentada previamente na Seção 2. Foi selecionado um conjunto representativo de experiências de inclusão digital, a partir do levantamento supracitado, destacando-as de acordo com o tipo de solução de telecomunicações que apresentam.

Essa filtragem, realizada por meio de indicadores de avaliações apresentados na Tabela 1, visa centrar o foco em algumas experiências cujas características estão mais próximas dos objetivos do público-alvo estabelecidos para o Projeto STID. Tabela 1 Indicadores para avaliação de experiências de inclusão digital Participação na sociedade informacional

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

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

• Existência de recursos que atendam usuários não alfabetizados • Disponibilização de monitores que auxiliam usuários • Disponibilização de ferramentas e material didático lingüisticamente adequado Usabilidade/Acessibilidade

• Existência de recursos que atendam as necessidades

(parciais ou totais) • Existência de características que facilitam o uso das tecnologias digitais • Disponibilização de recursos para adequação quanto à ergonomia Meios de acesso

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Redes

Terminal

• Cobertura • Taxa de transmissão • Custo de implementação

• Custo do modem

Apoio e gestão de iniciativas

• Divulgação

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

Uma vez estabelecidos os indicadores de avaliação das iniciativas, foi necessário definir as regras de pontuação, cuja gradação é apresentada na Tabela 2.

Tabela 2 Pontuação dos indicadores Grau de atendimento

Valor quantificado

SC (satisfaz completamente)

2

S (satisfaz parcialmente)

1

NS (não satisfaz)

0

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

0

Essas experiências foram analisadas, a partir de dados secundários, quanto ao tipo e grau de inovação que apresentam em cada um dos níveis da tipologia de inclusão e nos aspectos de apoio e gestão mencionados. Com relação a esses aspectos, foram consideradas ações e características inovadoras em termos de sustentabilidade e difusão da experiência, por exemplo fomentar parcerias e promover intercâmbio entre iniciativas. As ações que contribuem para a difusão são aquelas que permitem ampliar o número de localidades, de entidades e de usuários participantes da experiência. Nessa primeira avaliação, foram selecionadas 26 experiências.

Na segunda etapa, as análises de cada experiência foram agrupadas em um quadro sinóptico, conforme Tabela 3, com o intuito de classificá-las em função do estado-da-arte. As experiências que se enquadraram nessa condição são as dotadas de alguma inovação classificada como sendo de ruptura em pelo menos um nível da tipologia de inclusão ou de alguma inovação distintiva em um dos níveis de acessibilidade e usabilidade e de inteligibilidade.

Esses dois níveis de inclusão mencionados englobam barreiras e necessidades típicas do público-alvo deste projeto, ou seja, pessoas com baixo nível de letramento (analfabetos plenos e funcionais) e pessoas com algum tipo de deficiência física, sensorial ou motora.

Com isso, busca-se cobrir um leque maior de inovações referentes sobretudo a esses níveis, mesmo que não sejam de ruptura, e ampliar o processo de aprendizagem do projeto no tocante à concepção e ao desenvolvimento de soluções para inclusão digital, em especial desse públicoalvo.

A título de exemplo, as experiências genéricas, designadas como Experiência 1 e Experiência 2,

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Avaliação de projetos e soluções inovadoras em inclusão digital

cujas análises são sintetizadas na Tabela 3, são consideradas no estado-da-arte por apresentarem uma inovação de ruptura (R) em pelo menos um dos níveis de inclusão digital.

Por sua vez, a Experiência 3 também é considerada no estado-da-arte, pois possui uma inovação distintiva (D) no nível de usabilidade e acessibilidade.

Já a Experiência 4 é considerada no estado-daarte por apresentar duas inovações distintivas no nível inteligibilidade, embora apenas uma inovação distintiva nesse nível fosse suficiente para classificá-la como tal.

Por fim, a Experiência N não é considerada no estado-da-arte, pois não apresenta nenhuma inovação radical e nenhuma inovação distintiva nos níveis de usabilidade e acessibilidade e de inteligibilidade.

I

Experiência 2

R, D, I

Experiência 3

D, I

R, I

D, I

Experiência 4 Experiência N

Apoio e gestão

Usabilidade e acessibilidade

R

Sociedade informacional

Disponibilidade de acesso

Experiência 1

Inteligibilidade

Experiências

Tabela 3 Atributos da análise utilizados para identificar as inovações

D, I

D

D, D D

I

I

D, D

Algumas experiências foram classificadas quanto ao que apresentam em estado-da-arte, conforme Tabela 4. As experiências que ilustram a aplicação da metodologia de análise são: Ouro Preto: Cidade Digital, Piraí Digital, Telecentro Instituto Efort, Tiradentes Digital e Todos Nós.

Trata-se daquelas cujas visitas em campo já foram empreendidas e, portanto, os dados primários coletados permitiram validar e ampliar as informações obtidas de fontes secundárias. É importante ressaltar que o caráter da classificação das experiências não tem o propósito de julgar o mérito, a utilidade ou a eficiência das experiências.

Ouro Preto: Cidade Digital Piraí Digital

Todos Nós

Apoio e gestão

Sociedade informacional

Inteligibilidade

R

D

D, R

Telecentro Instituto Efort Tiradentes Digital

Usabilidade e acessibilidade

Disponibilidade de acesso

Experiências

Tabela 4 Experiências consideradas no estadoda-arte

D, D

R

D I

R D, D

4

Síntese dos resultados

Todo esse processo de classificação e análise leva a um aprendizado em termos de iniciativas e soluções de inclusão digital. Uma síntese desse aprendizado é apresentada na Tabela 4.

4.1 Visitas e características das soluções em estado-da-arte Ouro Preto: Cidade Digital Durante a visita à cidade de Ouro Preto, verificou-se que a experiência utiliza uma estação radiobase WiMAX para a cobertura da região urbana do município, provendo acesso à Internet aos laboratórios de informática de cinco escolas públicas municipais e do Núcleo de Tecnologia Educacional da Prefeitura Municipal.

Outra antena está sendo utilizada para realizar estudos relacionados à transmissão WiMAX ponto-a-ponto, provendo acesso remoto à cidade de Mariana em um link de aproximadamente 13 km.

Uma das razões do uso da tecnologia sem fio WiMAX, verificada na visita in loco, é a necessidade de preservação do patrimônio histórico e da identidade visual do município. De fato, as características técnicas da tecnologia WiMAX favoreceram o provimento de acesso à Internet em condições de topografia irregular, como é o caso de Ouro Preto, afetando de forma reduzida a infra-estrutura da cidade. Verificou-se também que a experiência vem realizando diversos estudos, de forma pioneira, explorandose a variedade possível de configurações da rede WiMAX, característica que classifica a disponibilidade de acesso da experiência como inovação de ruptura.

Com relação aos aspectos de apoio e gestão, verificou-se, durante a visita, que as parcerias público-privadas entre a Universidade Federal de Ouro Preto (UFOP), a Prefeitura de Ouro Preto, o Ministério da Educação, a Intel e outras instituições foram fundamentais para a garantia da implantação e da sustentabilidade da experiência, o que a caracterizou como inovação distintiva. Verificou-se que a experiência estuda a viabilidade de um modelo de negócios, baseado em parcerias público-privadas, que combine a exploração comercial de parte da banda provida pela infra-estrutura instalada e o provimento de acesso às escolas e outros órgãos públicos do município.

Outra inovação, observada apenas in loco, foi a utilização das TICs na educação, permitindo que alunos dos ensinos médio e fundamental das escolas públicas tenham acesso à Internet e às novas tecnologias de ensino, criando modelos e metodologias replicáveis, bem como aplicando um programa de treinamento e capacitação de professores em informática.

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Piraí Digital A visita à Piraí Digital permitiu constatar que a implantação do projeto foi estruturada segundo três aspectos principais: arquitetura de rede, modelo de gestão e controle social pela comunidade. Quanto à arquitetura de rede, foi confirmada a adoção de uma tecnologia híbrida, classificada como inovação de ruptura em acesso. A rede também é aproveitada para facilitar o acesso do cidadão à administração pública local. Foram implementados terminais públicos de VoIP, que permitem a comunicação com diversos órgãos e com a ouvidoria da cidade, também confirmando a inovação distintiva em acesso.

No nível de acessibilidade, foi observado que nas instalações da APAE existem equipamentos para adaptar o uso de computadores a pessoas com necessidades especiais. Esses aspectos não haviam sido levantados com informações secundárias.

No nível de inteligibilidade, encontra-se em andamento um programa de treinamento de professores para utilização de TICs em sala de aula. Há também um programa para treinamento em língua inglesa para professores da rede pública de ensino.

Quanto ao nível de promoção da sociedade, há a disponibilização de conteúdos digitais para ensino a distância, de forma que os alunos possam acessá-los a partir de laboratórios de acesso ou telecentros da cidade. Em termos de modelo de gestão, a iniciativa é conduzida por meio de um conselho gestor.

Telecentro Instituto Efort A visita ao Telecentro Instituto Efort confirmou a inovação distintiva em usabilidade e acessibilidade, por meio da padronização de ambientes para deficientes físicos e sensoriais e idosos, com a utilização de rampas de acesso, corrimão para locomoção, mouses e teclados especiais, impressoras em braile, leitores de telas, lupas eletrônicas e mesas especialmente projetadas, facilitando o acesso do público ao Telecentro.

Quanto ao nível de inteligibilidade, o centro utiliza programas de software e mecanismos que facilitam o uso, tais como os programas Jaws, Virtual Vision e Dosvox, confirmando a inovação de ruptura para esse nível de inclusão digital.

Em termos de participação na sociedade informacional, foram observadas atividades como orientação para o trabalho, arteterapia, capoeira, educação ambiental, jardinagem, conservação de energia elétrica e dança.

Uma inovação, não elencada anteriormente e que foi constatada em campo, é o compartilhamento de software livre e proprietário no mesmo sistema, com o objetivo de abranger um público maior de usuários.

Essa

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característica contribui para o nível de apoio e gestão.

Tiradentes Digital Durante a visita à iniciativa Tiradentes Digital, constatou-se que a cidade conta atualmente com quatro pontos de acesso Wi-Mesh, que cobrem cerca de 70% da área urbana do município, ou seja, em um raio de aproximadamente 4 km. A rede de acesso contém nodos interligados em padrão Wi-Fi 802.11a, com o gateway para acesso à Internet em um deles (prefeitura). Em cada nodo é utilizado o padrão 802.11 b/g (2,4 GHz) para provimento de acesso aos usuários.

Assim como em Ouro Preto, uma das razões para se utilizar acesso à Internet sem fio é a necessidade de preservação do patrimônio histórico da cidade, afetando de forma reduzida a infra-estrutura urbana. Constatou-se, durante a visita, que uma das vantagens da tecnologia WiMesh é a facilidade de configuração e operação da rede. Essa característica é obtida pelo roteamento dinâmico que ocorre em cada nodo da rede, permitindo a simplificação nas operações de introdução e remoção de pontos de acesso. Na visita, soube-se que a instalação ocorreu em duas semanas, que o suporte é remoto, com a necessidade de poucas visitas técnicas, e que a topologia mesh proporciona grande flexibilidade para expansão da rede.

Trata-se, portanto, de uma inovação de ruptura no nível de disponibilidade de acesso.

Com relação aos aspectos de gestão, não se constatou o uso da arquitetura Cliente/Servidor (thin-client) nos laboratórios de informática das escolas visitadas, motivo anteriormente utilizado para a classificação como inovação incremental no nível de apoio e gestão. Observou-se, entretanto, que existe uma parceria entre a prefeitura da cidade, empresas privadas e programas do governo federal para equipar as escolas com computadores e outros recursos.

Outras inovações, observadas apenas in loco, foram a utilização de telefonia sobre IP, que conecta os órgãos públicos por meio de PABX, e a utilização, ainda incipiente, de câmeras de vigilância sem fio em quatro pontos da cidade.

Há a possibilidade de disponibilização das imagens capturadas a qualquer pessoa que acesse o site da prefeitura, podendo inclusive ser utilizadas para promover o turismo.

Todos Nós A visita à iniciativa Todos Nós, localizada no prédio da Biblioteca Central da Unicamp em Campinas, SP, confirmou a inovação de forma distintiva na concepção e disponibilização de uma infra-estrutura assistiva de facilitação do uso e acesso às TICs por usuários portadores de necessidades especiais. Pôde-se constatar que essa iniciativa se diferencia de outras por ser um

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Avaliação de projetos e soluções inovadoras em inclusão digital

serviço de apoio provido por uma biblioteca universitária e por possuir, como usuários, deficientes visuais com um nível maior de instrução e de renda, quando comparado com o nível médio da população brasileira, e que já dominam o uso das ferramentas de acessibilidade e usabilidade.

Outros aspectos observados, em termos de apoio às atividades acadêmicas dos alunos com deficiência visual, foram a transliteração de textos para o braile e a disponibilização de meios para o desenvolvimento das atividades dos cursos de música.

4.2 Contribuição do aprendizado Com base nessa metodologia, foi examinado um conjunto inicial de 49 experiências nacionais, buscando-se identificar as inovações presentes em cada nível de inclusão digital. A partir da relação de experiências que apresentaram inovações, foram selecionadas aquelas que apresentaram grau de ruptura em pelo menos um dos níveis de inclusão digital, ou alguma inovação de grau distintivo nos níveis de inteligibilidade ou acessibilidade e usabilidade.

Ao final desse processo de seleção com dados secundários, foram identificadas as experiências que apresentam características no estado-daarte, a saber: Casa Brasil, Centro de Ensino Complementar Cícero Dias, EducaRede Telefônica, GESAC, Ouro Preto: Cidade Digital, Piraí Digital, Rede Floresta Topawa'ka, Rede SACI, Telecentro Instituto Efort, Telecentro para Deficientes Físicos (Curitiba), Tiradentes Digital e Todos Nós.

Esse método de seleção foi comprovado com os dados primários obtidos nas visitas em campo das soluções em estado-da-arte. Além disso, essas visitas também contribuíram para a identificação de outras inovações que ainda não tinham sido verificadas, enriquecendo o levantamento de dados de cada experiência.

Com a consolidação e o aprofundamento das informações colhidas de fontes secundárias, espera-se enriquecer a última atividade analítica da primeira fase do projeto, identificando-se necessidades reais e prementes que podem resultar na proposição de desenvolvimento de novas soluções.

Por último, foi possível extrair algumas conclusões a partir do que foi observado durante o processo de avaliação: • uma predominância de inovações nos níveis de apoio e gestão e sociedade informacional.

Esse aspecto parece indicar uma tendência de concentração de esforços em busca de novos modelos de sustentabilidade e difusão das experiências, e de atenção relativamente menor na garantia de acesso e uso por pessoas com necessidades especiais e relativamente maior na oferta de recursos

para fruição de conteúdos por parte de grupos já capacitados; • o menor número de inovações ocorre no nível de inteligibilidade, indicando que, atualmente, não há um foco no desenvolvimento e na oferta de soluções para superação das barreiras cognitivas; • as experiências apresentam um número significativamente maior de inovações no nível de usabilidade e acessibilidade.

Quanto ao grau de inovação: • a maior incidência ocorre para inovações com grau distintivo; • há uma ocorrência significativamente maior de inovações de ruptura no nível de apoio e gestão.

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Conclusão

Este trabalho catalogou, comparou e conceituou diversas experiências de inclusão digital nacionais, empreendidas por vários atores sociais, como governo, empresas e organizações não-governamentais voltadas à inclusão digital.

As experiências foram analisadas quanto ao que apresentam em termos de soluções no estadoda-arte. O processo de identificação dessas soluções foi conduzido com base nos conceitos de inovação e critérios de análise, contextualizados ao escopo das experiências avaliadas e tendo como foco o público-alvo do Projeto STID, ou seja, pessoas com baixo nível de alfabetização e com deficiências física, sensorial ou motora.

Para tanto, considerou-se a ocorrência de inovação em produtos, processos e gestão da experiência de inclusão digital. A caracterização de inovação foi vinculada à reunião de recursos e características para atender a uma determinada necessidade de inclusão. Já os graus de inovação foram instanciados em três níveis (incremental, distintivo e ruptura), tendo-se como referencial comparativo as características predominantes de parte expressiva das experiências existentes.

Embora existam projetos que considerem aspectos de usabilidade, acessibilidade, de estímulos sociais e institucionais e de produção de conteúdo adequado, a maioria deles ainda se refere a soluções de acesso, sociedade informacional e apoio e gestão.

Apesar de as visitas em campo não terem sido concluídas, já é possível consolidar as informações obtidas de fontes secundárias e identificar as necessidades reais e prementes que podem ser atendidas com o desenvolvimento de novas soluções, conforme abordado na Subseção 4.2. Ao término das avaliações em campo, será conduzida a última etapa da primeira fase do projeto, a qual apontará proposições de desenvolvimento, entre elas aquelas voltadas a novas linguagens de

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comunicação e modelos de interação (HOLANDA & DALL'ANTONIA, 2006).

Além disso, pôde-se perceber, até aqui, o quanto os benefícios do acesso à tecnologia da informação podem contribuir para a elevação da qualidade de vida de uma população, principalmente das mais carentes. As diversas soluções digitais alcançam, em último aspecto, elementos de inclusão social. Isso se dá pelo simples fato de a inclusão digital já ser um elemento de inclusão social, ou pelo fato de a inclusão digital poder ser usada como um instrumento para alcançar pontos de exclusão social, tais como lazer e cultura.

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Agradecimentos

A todos os pesquisadores que de alguma forma contribuíram para esse projeto, em especial a Graziella Cardoso Bonadia, Ismael Mattos Andrade Ávila, José Carlos Lima Pinto e Cristiane Midouri Ogushi.

Esse projeto está inserido no contexto de uma pesquisa financiada com recursos do Fundo para o Desenvolvimento Tecnológico das Telecomunicações (FUNTTEL).

Referências ÁVILA, I. M. A. et al. Modelagem de uso – Projeto Soluções de Telecomunicações para Inclusão Digital. PD.30.12.36A.0005A/RT-01AA. Campinas: CPqD, 2006, 54 p. (Relatório técnico) BAPTISTA,

P.

Inovação

nos

produtos,

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

HOLANDA, G. M.; DALL'ANTONIA, J. C. An approach for e-inclusion: bringing illiterates and disabled people into play. Journal of Technology Management & Innovation, vol. 1, n.

3, 2006.

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Acesso em: 30 ago.2006.

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MARQUES, M. C. et al. Mapeamento de experiências – Projeto Soluções de Telecomunicações para Inclusão Digital.

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SCHUMPETER, J. A. Teoria do desenvolvimento econômico. Tradução de Maria Sílvia Possas. São Paulo: Editora Abril, 1982. (Coleção Os Pensadores) TAMBASCIA, C. A. et al. Mapeamento de soluções – Projeto Soluções de Telecomunicações para Inclusão Digital.

(PD.30.12.36A.0003A/RT-01-AA) Campinas: CPqD-FUNTTEL, 2006a. (Relatório técnico)

Abstract This article aims at presenting the evaluation of innovative projects in digital inclusion, considering aspects such as access, education and qualification, local content production, usability, and support to current inclusion programs. For that, the approach starts by mapping national initiatives for bridging digital divide, and is followed by the application of criteria for analyzing and classifying state-of-art solutions, and validating this analysis by means of data gathered from visitations to selected initiatives. The analysis is focused on solutions for people with special needs and the results are being used to specify the development of new solutions for including these potential users in the digital world. This evaluation process corresponds to activities of a research project entitled Telecommunications Solutions for Digital Inclusion (TSDI), which is being carried out by Fundação CPqD. Key words: Digital inclusion. Social inclusion. Innovation. Project evaluation.

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Redes sociais e disseminação de inovações tecnológicas: uma modelagem por agentes aplicada ao caso da TV digital brasileira Ismael M. A. Ávila*, José Carlos L. Pinto, Luciano M. Lemos, Giovanni M. de Holanda Este artigo descreve um processo de modelagem da dinâmica que as redes sociais exercem sobre a disseminação de uma nova tecnologia na sociedade, sendo incorporado ao estudo ex anti da difusão da televisão digital terrestre no Brasil. Emprega-se, para tanto, a modelagem e a simulação baseadas em agentes (ABMS), cujo potencial analítico tem se mostrado útil ao entendimento dos processos que ocorrem no âmbito individual, tais como decisões de adoção baseadas no perfil de propensão à inovação, próprio de cada agente, e os efeitos decorrentes da vizinhança e da comunicação boca a boca.

Outros aspectos também foram considerados, como as diferenças socioeconômicas e de distribuição espacial dos agentes. As simulações mostraram que a ABMS é apropriada à identificação de fenômenos de âmbito individual (microscópico) e à avaliação de suas repercussões coletivas (macroscópicas). A implementação permitiu testar os efeitos no processo de difusão de fatores, como renda disponível, e a presença de propagandas e políticas de incentivo.

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

1

Introdução

O Brasil discute, atualmente, o modelo de TV digital terrestre a ser adotado no País, incluindo os serviços, as formas de utilização e as particularidades técnicas.

Uma questão importante nessa discussão diz respeito à velocidade da difusão da nova tecnologia na sociedade e à conseqüente definição do tempo necessário para a completa substituição do sistema analógico pelo digital. Como em qualquer processo inovador, em particular aqueles que envolvem a adesão voluntária dos usuários, o processo de difusão da inovação dependerá de fatores como o preço dos equipamentos, os efeitos de divulgação boca a boca, a propaganda e a atratividade dos serviços oferecidos. Em geral, alguns fatores que agem sobre esse cenário complexo não são considerados nos métodos tradicionais de predição da difusão.

A falta de previsibilidade é conseqüência das complexas relações de causa e efeito, predominantemente não-lineares, que caracterizam as redes sociais e, em primeira instância, da dificuldade de se predizer as atitudes dos indivíduos quanto a suas decisões.

Para contornar essa limitação, dois estudos prospectivos foram empreendidos acerca do comportamento dos usuários brasileiros ante a nova tecnologia: a análise por dinâmica de sistemas e a modelagem baseada em agentes (ABMS). Essa modelagem, de que trata o presente artigo, é motivada pelas abordagens que partem do comportamento dos adquirentes

de um produto ou serviço e que tendem a revelar aspectos encobertos por outras abordagens, como aquelas com potencial para tratar o comportamento agregado. Um exemplo disso é a dinâmica de sistemas. A abordagem baseada em agentes representa uma estratégia relativamente nova para o estudo de difusão de produtos e inovações na população, podendo ser empregada de forma complementar à dinâmica de sistemas. Ela tem o atrativo de levar em conta características de cada indivíduo (agente), cujo comportamento coletivo é o resultado que emerge das interações entre os diversos agentes.

Assim, o objetivo deste artigo é apresentar uma das etapas do processo de modelagem e simulação baseadas em agentes, que possibilita estimar a difusão da TV digital terrestre no Brasil, e complementar a descrição geral já feita em Holanda, Ávila & Martins (2006), com detalhes atinentes à dinâmica das redes sociais. O ambiente em que ocorrerá tal difusão é modelado a partir do tratamento individualizado dos potenciais usuários da TV digital, levando em conta suas especificidades, tais como redes de relacionamento social, perfis psicológicos de propensão perante a inovações e, também, renda disponível em função de sua posição nos diversos estratos da sociedade brasileira.

Para tanto, o artigo foi dividido em seções: na Seção 2, são apresentados aspectos conceituais atinentes às relações sociais e seus efeitos no processo de difusão de inovações. Na seção seguinte, o uso da modelagem de relações sociais por meio de agentes é abordado e a

*Autor a quem a correspondência deve ser dirigida: avila@cpqd.com.br.

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Redes sociais e disseminação de inovações tecnológicas

implementação é descrita com ênfase nas configurações de vizinhança e na caracterização dos diversos perfis de agentes. A Seção 4 reúne alguns resultados de simulações, gerados com o propósito de avaliar a aplicabilidade do modelo, e seus resultados são discutidos na Seção 5. Por fim, as conclusões são tecidas na Seção 6.

Esse processo de modelagem integra uma das atividades conduzidas pelo CPqD no âmbito dos estudos analíticos para apoiar a decisão do modelo de exploração e implantação da TV digital terrestre no Brasil (MARTINS & HOLANDA, 2005). Além disso, essa abordagem se insere em um contexto metodológico de análise estratégica e de viabilidade de projetos que vem sendo construído e consolidado nessa organização há cerca de uma década, com aplicações em consultorias para apoio à decisão e em vários projetos de pesquisa e desenvolvimento nas áreas de telecomunicações e tecnologia da informação.

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As relações sociais e a difusão de inovações

A difusão e a apropriação de uma inovação pela sociedade decorrem de um processo de comunicação entre os indivíduos de um sistema social. Comunicação admitida como cimento social (MAFFESOLI, 2003) e inovação entendida tanto como um apparatus tecnológico, conforme as práticas típicas da sociedade industrial, quanto como um processo organizacional, um serviço ou uma nova mídia, de acordo com as práticas culturais a que se convencionou chamar de sociedade pós-industrial (BELL, 1999) ou sociedade pós-moderna (LYOTARD, 2002).

O entendimento desse processo de comunicação é facilitado pelos modelos de difusão, os quais permitem avaliar, inclusive ex ante, o comportamento dos indivíduos diante do advento de uma inovação tecnológica. De uma maneira geral, o processo de difusão é considerado possuidor de uma evolução que se assemelha ao formato de uma curva-S, ou seja, apresenta inicialmente um crescimento exponencial (devido a um efeito de retroalimentação positiva, associado ao frisson ou a rumores causados por um novo produto ou serviço), posteriormente limitado pela própria saturação do mercado, que produz um efeito de retroalimentação negativa (STERMAN, 2000).

Para predizer tal comportamento, têm-se adotado tradicionalmente modelos como o da curva logística (aprendizagem) e o de Bass (1969), abordagens de natureza top-down.

Como a curva logística não contempla o fator “novidade” que uma inovação traz em seu bojo, o modelo de Bass foi proposto para abordar o papel dos inovadores, aqueles que primeiro

aderem à novidade. Na difusão descrita pelo modelo de Bass, assume-se que os indivíduos com potencial para aderir a um produto, serviço ou política tomam inicialmente conhecimento da inovação a partir de eventos externos – como as campanhas de divulgação – e a difusão é motivada por dois fatores: (i) a “inovação” inerente ao que se está introduzindo na sociedade, e (ii) a “imitação” entre os indivíduos.

Todavia, essa abordagem considera um sistema social constituído por uma estrutura uniforme, o que, de certa forma, oblitera características decorrentes da heterogeneidade de grupos e indivíduos.

Nesse aspecto, uma abordagem bottom-up, como a modelagem por agentes, oferece uma perspectiva complementar de análise dos fenômenos pertencentes a um processo de difusão ou contaminação1, para usar uma terminologia que remonta às origens dos estudos sobre a emergência dos eventos e sobre os autômatos em geral, mas que se aplica adequadamente ao universo cambiante das tecnologias de comunicação. De fato, segundo Douglas e Isherwood (1996), a difusão da televisão analógica oferece um bom exemplo de modelo epidemiológico de difusão de uma inovação: cada domicílio que adquire um aparelho torna-se imune, mas a presença da TV provavelmente contaminará outros domicílios, pois as pessoas tendem a comprar aquilo que vêem seus amigos usando e desfrutando. Não está claro se, no caso da TV digital, o padrão de infecção/difusão repetirá em linhas gerais o comportamento observado para a TV analógica.

Se, por um lado, a atratividade dos serviços interativos é inegável para consumidores familiarizados com as novas tecnologias de informação e comunicação (TICs), esses recursos podem não ser suficientes para produzir a percepção de que a TV digital é um novo bem, essencial ao dinâmico ambiente cultural em que os consumidores estão inseridos. Além disso, o fato de que a fruição da TV analógica continuará garantida no período de transição (simulcasting) pode, em um primeiro momento, enfraquecer a percepção da TV digital como algo indispensável para a plena interação social.

Em contrapartida, a difusão das TICs no Brasil tem se mostrado fortemente influenciada pelos aspectos socioeconômicos do país, que ostenta uma das maiores concentrações de renda em todo o mundo. Adicionalmente, a sociedade brasileira apresenta formas de interação social muito características, nas quais indivíduos pertencentes a classes sociais distantes, a despeito das grandes diferenças de renda, podem estar ligados por vínculos sociais que surgem em contextos profissionais ou de

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

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Redes sociais e disseminação de inovações tecnológicas

prestação de serviços e, dentro da dinâmica das redes de relacionamentos, adicionam a possibilidade de que inovações adotadas nas classes mais altas influenciem as decisões de compra nas classes mais baixas.

Assim, na tentativa de observar tais particularidades, mesmo antes de a inovação ser disponibilizada para a sociedade, um modelo de simulação baseada em agentes (HOLANDA, ÁVILA & MARTINS, 2006) foi adotado com o propósito de lançar luzes sobre o processo de análise e suporte à decisão quanto ao modelo de TV digital a ser adotado no Brasil (MARTINS & HOLANDA, 2005). Tal simulação se insere nas atividades de mapeamento do uso e de análise de viabilidade do referido processo analítico, a qual também faz uso de uma modelagem topdown, calcada na dinâmica de sistemas e cujas principais características são descritas em Menezes et al. (2005).

3

Uma modelagem de relações sociais baseada em agentes

No modelo descrito neste artigo, cada usuário potencial é representado por um agente com características próprias, como renda disponível em função da classe social a que pertence e um dado perfil psicológico de propensão à adoção de inovações. Os agentes, em um total de dez mil2, formam um mundo e nele interagem, segundo regras de vizinhança, de influência mútua e de estratificação por classes socioeconômicas, constituindo as redes sociais da complexa sociedade brasileira.

Nas redes sociais, conforme discutido em Gerolamo, Franco & Holanda (2004a), as relações entre os agentes podem variar no tempo, como uma conseqüência do comportamento de outros agentes. Tais redes sociais oferecem uma base média para estudar os vínculos entre atores que são responsáveis primários por suas escolhas. Isso implica que o estudo de uma mudança tecnológica, sob a perspectiva das redes sociais, deve focalizar mais as relações do que atributos ou características de unidades individuais autônomas. De acordo com Agapitova (2003), as redes sociais podem tanto proporcionar efeitos benéficos para a sociedade, gerando confiança e encorajando a cooperação, como causar perdas ao encerrar a sociedade em redes rígidas de convivência. No Modelo de Influência Social (SIM), as atitudes frente à tecnologia são mais condicionadas por interações sociais e por aspectos psicológicos do que por fatores objetivos3.

3.1

Efeitos de redes sociais

As redes sociais se enquadram no âmbito das redes complexas, cuja teoria foi iniciada por Euler e Bernoulli e desenvolvida por Erdös e Rényi (1960), com posterior contribuição de Milgram (1967), que conduziu um dos primeiros estudos empíricos sobre a estrutura de rede social, lançando a hipótese do “mundo pequeno” (small world). Ela sugere que as pessoas são ligadas por pequenas cadeias de elos sociais, em média com seis graus de separação. Tal teoria foi validada por Watts (1999) em experimentos baseados na Internet. O fenômeno do “mundo pequeno” provê uma referência razoável para simular o fluxo de informação entre indivíduos em um sistema social, podendo ser usado para estabelecer ligações quando a estrutura exata de uma rede social é desconhecida.

Recentemente, observou-se que a conectividade em algumas redes complexas obedece a uma “lei de potência”, em que a distribuição dos graus dos nós pode ser escrita como uma potência dos valores dos graus (COSTA, 2005). Nessas redes, também denominadas “livres de escala”, não existe um grau médio típico para os nós, como ocorre nas redes aleatórias. Em diversos tipos de redes naturais, a probabilidade de existência de nós com muitas conexões, os chamados hubs, é maior, o que sugere que essas redes são livres de escala. O primeiro modelo matemático bemsucedido desse tipo de rede foi proposto por Barabási & Bonabeau (2003). Sua idéia básica é de que o processo de formação da rede privilegia a criação de novas conexões com nós que já tenham muitas conexões (idem). Enquanto nas redes aleatórias, no que se refere à difusão de inovações e propagação de epidemias, admitese a existência de um limiar abaixo do qual o processo infeccioso ou de influência não se propaga por toda a rede, para as redes livres de escala, esse limiar é zero porque, com a existência dos hubs conectados a muitíssimos nós, ao menos um hub tenderá a infectar-se por qualquer nó afetado (COSTA, 2005).

Em relação à formação das redes livres de escala, Barabási & Bonabeau sustentam que essa se dá por dois mecanismos: o crescimento e a vinculação preferencial. No primeiro caso, os nós mais velhos têm mais oportunidades de adquirir novas ligações e, no segundo caso, os nós com mais ligações tendem a atrair mais conexões, dando origem a hubs. No presente modelo, a implementação da rede social ocorreu sem que esses dois mecanismos influenciassem a definição das relações de vizinhança: os agentes são criados ao mesmo tempo e os relacionamentos internodais são estabelecidos

2 Número máximo de agentes que o ambiente de simulação utilizado neste trabalho é capaz de tratar; o uso do número máximo visa a maximizar a acuidade do modelo.

3 Cf Lee et al. (2003).

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Redes sociais e disseminação de inovações tecnológicas

por sorteio, sem favorecer nós mais conectados.

Trata-se, portanto, de uma rede complexa, porém não livre de escala.

3.2

Modelo multiagentes

O processo de modelagem aqui tratado obedece aos fundamentos apresentados em Holanda et al. (2006), os quais, em resumo, compreendem: (i) relacionamentos sociais são baseados nas redes complexas, no “mundo pequeno” e na vizinhança de Moore; (ii) divisão da população em perfis de propensão ante a inovação, de acordo com os níveis propostos por Rogers.

Além disso, adota-se o conceito de autômato celular e, como dados de entrada referentes ao potencial de interesse dos usuários, foram utilizadas as curvas de sensibilidade a preço obtidas em pesquisas de mercado, nas quais os respondentes foram estimulados a se posicionarem ante a possibilidade de compra do equipamento decodificador e receptor, dados os preços estimados e as funcionalidades previstas para a TV digital. Esses dados são inteiramente reportados em Gerolamo et al. (2004b) e, resumidamente, em Holanda et al. (2006).

A implementação do modelo foi feita no ambiente Shell for Simulated Agent Systems (SeSAm)4, uma ferramenta para simulações multiagentes desenvolvida na Universidade de Würzburg, Alemanha. Na construção do modelo descrito neste artigo, os agentes foram posicionados sobre uma grade bidimensional de tamanho configurável, cujas dimensões foram fixadas em seu valor máximo, 100 x 100, totalizando dez mil agentes. As caracterizações dos agentes e do ambiente foram feitas de forma independente.

Foram definidas variáveis globais com validade no “mundo” e, portanto, acessíveis a todos os agentes indistintamente, assim como variáveis individuais para cada instância de agente. O comportamento de cada agente foi modelado por um algoritmo interno. Dentro da máquina de estados, ao percorrer uma trajetória determinada pelas variáveis globais ou locais, o agente lê e escreve nelas. É por meio dessas escritas e leituras que se estabelecem os relacionamentos entre os diversos agentes que habitam o mundo, à semelhança dos processos sociais de difusão de informação. Em razão dos efeitos de rede, as alterações individuais de cada agente afetam os demais com os quais ele mantém relacionamento.

Uma outra característica da distribuição dos agentes na grade de simulação refere-se ao fato de que as cinco classes sociais que compõem o

mundo virtual foram dispostas de forma que se reproduzisse a distribuição espacial e relacional que essas classes apresentam na sociedade brasileira, conforme descrito em Holanda et al.

(2006). Dessa forma, aglomerações cujas interfaces são estabelecidas pelas classes socioeconômicas, em uma seqüência que vai da classe A à E. Em razão disso, um agente situado na fronteira da classe A terá três agentes da classe B entre seus vizinhos imediatos.

Assim, nesse modelo, o posicionamento de cada agente na grade é função de sua classe social e isso surte efeito sobre sua vizinhança, que, por sua vez, influi em sua rede de relacionamentos.

A composição da grade assume então uma forma toroidal, conforme Figura 1, e a distribuição dos agentes na grade segue a proporção de cada classe na população brasileira5. Os agentes foram distribuídos conforme a proporção de cada classe na população brasileira6:

Figura 1 Distribuição espacial das classes sociais: efeito toróide

3.3

A vizinhança no micromundo

A definição das redes de relacionamento dos diversos agentes para o processo de difusão baseou-se na definição de Moore para vizinhança em uma rede de autômatos. Ela é usada para definir um conjunto de células que cercam uma dada célula (x0, y0), que pode afetar a evolução de um autômato bidimensional em uma grade quadrada. Segundo Weisstein (2005), para uma abrangência r, essa vizinhança de Moore (NM) é definida por: NM(x0,y0) = {(x,y) : |x – x0| < r, |y – y0| < r} em que NM = número de vizinhos.

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

4 O SeSAm é um ambiente genérico para a modelagem ABMS. Ele permite a criação de um mundo virtual habitado por uma população de agentes.

5 Esses percentuais são os mais usuais no Brasil, pois se baseiam nos estudos feitos pelo Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística (IBGE) a respeito dos domicílios brasileiros.

6 Esses percentuais são 4,6; 17,7; 30,6; 34,4 e 12,7, respectivamente, para as classes de A a E. São baseados em estudos feitos pelo Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística (IBGE) a respeito dos domicílios brasileiros.

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Redes sociais e disseminação de inovações tecnológicas

Relações de vizinhança “remota”

Com o intuito de representar outra particularidade da população brasileira (a existência de relacionamentos entre pessoas pertencentes a classes sociais distantes), o modelo passou a contar também com uma variação das relações de “vizinhança remota”, de forma que se acomodasse relacionamentos sociais menos intensos que os da vizinhança imediata, por exemplo, entre indivíduos pertencentes a classes distantes. Nesse aspecto de modelagem, os agentes apresentam comportamento heterogêneo e o conhecimento é local.

Por outro lado, assume-se no modelo que as influências entre agentes pertencentes a classes distantes são sempre unidirecionais e que o agente mais rico influencia o mais pobre, sem ser por este influenciado. Essa diferenciação tem uma justificativa empírica: a vivência da sociedade sugere que as influências recíprocas (bidirecionais) ocorram, sobretudo, entre agentes de uma mesma classe social, ou de classes sociais adjacentes, enquanto que em interações entre agentes de classes sociais distantes a influência predominante é unidirecional, do mais rico para o mais pobre. Em outras palavras, assume-se como plausível que um agente das classes A ou B influencie as decisões de consumo de agentes das classes D ou E, mas não seja influenciado por eles.

Para simular essas assimetrias de relacionamentos sociais entre indivíduos de classes socioeconômicas diferentes, restrições adicionais foram impostas à rede: cada agente estabelece dois tipos de relacionamento: bidirecional, com seus oito agentes adjacentes, que possuem perfil socioeconômico semelhante; e unidirecional, com um ou dois outros agentes remotos (não-adjacentes), aleatoriamente escolhidos entre aqueles que atendam a um critério socioeconômico específico para cada classe, conforme descrito a seguir. Assim, o número de influenciadores de cada agente varia entre nove e dez, ao passo que o número de agentes que ele pode influenciar é estatisticamente maior se ele pertencer às classes mais ricas e menor para as mais pobres.

Isso porque um agente da classe A pode ser sorteado como influenciador de agentes de qualquer classe – ao passo que um agente da classe E só pode ser sorteado influenciador de outro agente da classe E. Para refletir essa assimetria nas relações, o modelo incorporou quatro diferentes configurações de vizinhança remota, definidas em função da classe do agente, conforme Figura 2, com as seguintes distinções: • um agente da classe A sorteia seu(s)

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Classe A

VI VI VI VI AG VI

10

VI VI VI

Classes B e C

Classe D

Classe E

30

45

···

3.4

vizinho(s) remoto(s) entre aqueles contidos em um vetor horizontal de comprimento 10, representado pelas células vazias à direita do agente em questão, e desconsiderados os vizinhos imediatos (indicados pelas letras VI).

Isso assegura que praticamente todos os vizinhos remotos de membros da classe A também pertencerão àquela classe; • para cada agente pertencente às classes B e C, os vizinhos remotos são escolhidos aleatoriamente entre os 48 agentes mais próximos em seu entorno, desconsiderandose aqueles oito que já fazem parte da vizinhança imediata. Essa configuração vicinal garante que todas as relações de vizinhança de agentes nas classes B e C estejam circunscritas a essas classes (ou a parte da classe A, caso o agente da classe B esteja localizado junto à fronteira entre essas classes, ou D, caso o agente da classe C esteja na fronteira entre essas duas classes).

Assim, não haverá grandes diferenças de renda nessas relações de vizinhança; • para os agentes das classes D e E, os vizinhos remotos são escolhidos aleatoriamente dentro de um vetor vertical acima (cf. Figura 2) ou abaixo do agente em questão (quando esses estão localizados na parte inferior da grade) e com comprimentos 30 e 45, respectivamente. Isso significa que os vizinhos remotos de E podem estar situados em qualquer das demais classes, e os de D em qualquer classe, exceto na E. Já a influência do número de vizinhos no processo da difusão é analisado em Holanda et al. (2003). A adição de agentes na forma de vizinhos remotos cria o efeito “mundo pequeno”, aumenta a informação no sistema, mas não de forma que se suscite uma condição de conhecimento global, como acontece nas abordagens top-down. No modelo descrito, o número de relacionamentos remotos que um

···

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

VI VI VI

VI VI VI

VI AG VI

VI AG VI

VI VI VI

VI VI VI

VI VI VI VI AG VI VI VI VI

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

31

Redes sociais e disseminação de inovações tecnológicas

dado agente estabelece varia aleatoriamente entre um e dois. Entretanto, como cada agente também possui oito vizinhos imediatos, o número total de vizinhos de um dado agente pode variar entre nove e dez. Com isso. espera-se manter os efeitos de vizinhança de Moore e acrescentar a eles o efeito “mundo pequeno”.

3.5

Caracterização dos perfis de consumidor

Para a caracterização dos perfis de consumidores ante as inovações, utilizou-se nesta implementação o modelo de Rogers (1983), conforme Figura 3. Além disso, esse modelo foi replicado em cada uma das cinco classes socioeconômicas, isto é, 2,5% dos membros de cada classe possuem perfil inovador, 13,5% são potencialmente adotantes precoces, etc.

As implicações e a fundamentação dessa premissa, sob a perspectiva social, são discutidas em Holanda et al. (2006). Do ponto de vista matemático, essa hipótese também é aceitável, pois a distribuição no modelo segue uma curva normal (gaussiana) e a soma das curvas das cinco classes resulta também numa normal7, respeitando, portanto, o modelo.

Figura 3 Categorias de adotantes segundo Rogers

3.6

Dinâmica de iteração dos agentes

Uma vez estabelecida a rede de relacionamentos de cada agente, o que inclui seu perfil de adotante e sua classe socioeconômica, tem início a seqüência de iterações da máquina de estado correspondente a cada agente. Essas máquinas são compostas por três estados distintos que influenciam o processo decisório do agente.

Apenas o primeiro deles é tratado neste documento: os estados restantes – a sensibilidade a preço e a renda disponível – são descritos em Holanda et al. (2006).

A rede de relacionamentos do agente é estabelecida em função de sua configuração de vizinhança (número de influenciadores que já adotaram a inovação) e de seu perfil de propensão à adoção (categorias de Rogers).

Para os cinco perfis, foram estabelecidos cinco patamares mínimos de quantidade de

influenciadores, conforme Tabela. No modelo descrito, esses patamares correspondem às porcentagens iniciais de cada categoria de adotantes ilustrada na Figura 3 (0%, 2,5%, 16%, etc.). Isso equivale a dizer que os primeiros “adotantes precoces” só adotarão quando todos os inovadores (2,5% da população total) já tiverem adotado, e assim por diante. Como o número de vizinhos varia entre nove e dez, basta um vizinho adotante para influenciar os adotantes precoces. Já os de perfil inovador não dependem de outros modelos para optarem pela adoção, sendo desnecessária para eles a rede de relacionamentos.

Tabela 1 Percentuais de infecção para contaminação Categoria do agente

Limiar para contaminação

Inovadores

0%

Adotantes precoces

2,5 %

Maioria inicial

16 %

Maioria tardia

50 %

Resistentes

84 %

No exemplo da Figura 4, em um determinado estado da máquina, três vizinhos (indicados por bordas mais grossas) – sendo dois imediatos (VI) e um remoto (VR) –, de um agente (AG) com dez vizinhos ao todo (oito imediatos e dois remotos), estão infectados (isto é, adotaram a inovação).

Com isso, caso AG pertença à categoria dos “adotantes precoces” ou à “maioria inicial”, seu limiar de influência já terá sido alcançado, e ele estará propenso a também adotar a inovação, assim que as demais condições no processo de decisão de compra forem satisfeitas. Se o perfil de AG for de “maioria tardia”, ainda serão necessários outros dois agentes infectados em sua vizinhança para se tornar propenso à adoção. Ele necessitará que nove de seus dez vizinhos estejam infectados para se tornar propenso, caso seja “resistente”.

VI VI VI VI AG VI

VR

VR

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

Além da máquina de estados correspondente aos agentes, foi também implementada uma máquina para disparar os eventos que têm lugar no mundo em que os agentes interagem. Ela é responsável pela criação do mundo, isto é, pela criação de cada um dos dez mil agentes, com seu perfil próprio de consumidor e sua inserção

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

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Redes sociais e disseminação de inovações tecnológicas

na grade, na posição que corresponde à sua classe social, com uma renda disponível aleatória dentro da faixa de renda de sua classe. É também responsabilidade da máquina de estados do mundo estabelecer as redes de relacionamentos remotos de cada agente (uma vez que os relacionamentos próximos são determinados por sua localização na grade). De resto, as iterações da máquina de estados do mundo varrem toda a grade, testando cada uma das dez mil instâncias de agentes. Cabe ainda à máquina de estados do mundo iniciar e alterar as variáveis globais, como aquela que define o preço de venda dos equipamentos.

Nessa implementação, optou-se por utilizar a curva de aprendizagem da tecnologia para estabelecer uma referência temporal para a difusão da TV digital, partindo-se do princípio de que a difusão é fortemente determinada pelo preço dos equipamentos. Assim, o preço cai anualmente e a curva de interesse de cada agente é testada também uma vez a cada ano.

Como a decisão de compra depende das curvas de interesse e estas representam uma probabilidade de adoção em função do preço, a depreciação com freqüência anual8 atribuiu uma referência temporal ao modelo. Para tentar representar esse cenário, o preço do equipamento, que é uma das variáveis do mundo, varia decrescentemente, em razão da curva de aprendizagem da tecnologia9, por um período de dez anos, entre 2006 e 2015, após o que se estabiliza em um patamar que representa aqueles que seriam os custos mínimos de produção dos equipamentos.

3.7

Análise de sensibilidade de alguns fatores avaliados no estudo

Com o intuito de testar a modelagem das redes sociais e contextualizá-la nos estudos do processo de difusão da TV digital no mercado brasileiro, foram considerados alguns fatores exógenos, descritos detalhadamente em Holanda et al. (2006), entre outros. São eles: modalidades de pagamento (à vista ou a prazo) e presença ou ausência de propaganda ou de incentivos. Esses fatores são agrupados em quatro cenários de simulação, cujas características são apresentadas na Seção 4.

O efeito da propaganda foi simulado pela redução do número de influenciadores que cada agente precisa ter entre seus vizinhos para se tornar propenso à adoção. Os limiares foram reduzidos em 10%, conforme Tabela 2, o que equivale à redução de um vizinho. O efeito da

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

Tabela 2 Percentuais de infecção para contaminação, com propaganda Categoria do agente

Limiar para contaminação

Inovadores

4

0%

Adotantes precoces

0%

Maioria inicial

6%

Maioria tardia

40 %

Resistentes

74 %

Resultados das simulações

As Figuras de 5 a 9 ilustram os quatro diferentes cenários simulados, cada um representado por duas grades: uma referente ao primeiro e outra ao décimo ano do processo de difusão. Trata-se de um exercício analítico cujos resultados servem como indicadores da sensibilidade das variáveis em questão, ou seja, do impacto que determinadas políticas podem causar na difusão da TV digital. Portanto, o interesse está nas tendências observadas e não nos valores absolutos obtidos com a simulação. As faixas horizontais em cada grade indicam as cinco classes socioeconômicas, começando pela classe A no centro e seguindo até a E, no topo e na base da grade, passando pelas classes B, C e D. Os pontos cinza-claros que permeiam as cinco classes indicam agentes já propensos à adoção. Os pontos pretos mostram agentes que já adotaram.

No cenário ilustrado na Figura 5, observa-se que o processo de difusão evolui razoavelmente nos dez primeiros anos, mas fica restrito às classes A, B e C. Isso ocorre porque as classes D e E têm renda disponível negativa. A adoção só não foi possível por falta de renda, pois a grande presença de agentes propensos à adoção naquelas classes (pontos cinza-claros) indica que o processo infeccioso ocorreu e a informação sobre a inovação chegou a muitos dos agentes daquelas classes. Como não houve propaganda, essa informação foi transmitida pela rede social, num processo do tipo boca a boca.

No cenário ilustrado na Figura 6, observa-se que o processo de difusão evolui mais rapidamente nos dez primeiros anos do que no cenário anterior (Figura 5), mas ainda ficou restrito às classes A, B e C. Isso ocorre porque, ainda que a propaganda tenha elevado a taxa de contaminação em razão do aumento da comunicação, as classes D e E continuaram sem renda disponível para a adoção. Uma vez mais, a

8 A variação adotada é anual, pois essa foi a freqüência de depreciação dos equipamentos no mercado mundial utilizada como referência neste trabalho.

9 A taxa de depreciação (CAGR = -10,8%) estimada para o período entre 2001 e 2007 foi extrapolada para abranger um período de dez anos, compreendido entre 2006 e 2015, considerado o mais decisivo para o processo de difusão da TV digital no mercado brasileiro.

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Redes sociais e disseminação de inovações tecnológicas

grande presença de agentes propensos à adoção naquelas classes (pontos cinza-claros) indica que o processo infeccioso ocorreu, mas a adoção não foi consumada.

No cenário ilustrado na Figura 7, observa-se que, nas classes A, B e C, o processo de difusão nos dez primeiros anos evolui com a mesma velocidade do primeiro cenário (Figura 5), mas, diferentemente daquele, agora a difusão se deu também nas classes D e E. Isso ocorre porque uma política de incentivos (na forma de complementação de renda) fez com que as classes D e E passassem a ter renda disponível para a adoção. O aumento da difusão nas classes mais pobres não influencia a difusão nas mais ricas, uma vez que no modelo as influências nesses casos são unidirecionais, dos mais ricos para os mais pobres, como discutido anteriormente.

No cenário ilustrado na Figura 8, observa-se uma

rápida difusão nos dez primeiros anos em todas as classes, como resultado da combinação do efeito propaganda e das políticas de incentivo.

Ao final do período, todos os agentes nas classes A e B e quase todos na C já haviam adotado a TV digital. Nas classes D e E, o processo estava bastante adiantado, com poucos não-adotantes remanescentes. Esses casos têm duas explicações principais: agentes cuja renda disponível ainda é negativa, apesar do mecanismo de incentivo, e agentes com baixa propensão às inovações (isto é, resistentes).

Para esses, a configuração de vizinhanças pode criar algumas situações de lock-in, nas quais um conjunto de agentes com perfis mais conservadores (resistentes ou da maioria tardia) estejam posicionados de forma que se produzam influências negativas recíprocas.

Os resultados dos quatro cenários são sintetizados na Figura 9.

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

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

34

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Redes sociais e disseminação de inovações tecnológicas

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

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

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

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5

Análise dos resultados

Foi constatado que os autômatos celulares permitiram simular com razoável flexibilidade fenômenos próprios das redes sociais (inclusive fatores microscópicos), tais como influências de vizinhanças no processo de difusão de informação (infecção) em função do tempo, diferenças no perfil de cada indivíduo (agente) e os efeitos de “mundo pequeno”, decorrentes da presença de relações de vizinhança distantes.

Estas, de resto, procuraram reproduzir características observáveis na sociedade brasileira, a qual foi o objeto da simulação.

Embora o modelo ABMS seja particularmente propício para simulações de fenômenos que ocorram no âmbito individual dos agentes (bottom-up), fenômenos de abrangência coletiva também podem ser emulados. No caso do fator propaganda no modelo descrito, tem-se um exemplo de influência macroscópica que permeia todas as classes sociais, porém com gradações para os diferentes agentes, em função de seu perfil como consumidores. Nesse sentido, as simulações permitiram observar que esse fator possui um peso muito determinante na velocidade da difusão, uma vez que seu efeito se manifesta essencialmente no aumento do fluxo de informação (comunicação) por intermédio da rede social. Entretanto, sua influência no número final de adotantes é bastante tênue, por não interferir nos inibidores da adoção, em particular na ausência de renda disponível, não sendo, portanto, suficiente para garantir o êxito da difusão.

Uma outra dimensão avaliada no modelo foi a de efeitos macroscópicos de incidência mais localizada, os quais, embora atingindo inúmeros agentes simultaneamente, restringiram-se a um subconjunto da população. Esse subconjunto foi representado pelas classes de menor poder aquisitivo (D e E), no caso específico do fator “presença de incentivos”. Também nesse caso, a natureza macroscópica do efeito de elevação da renda média não eliminou as diferenças de âmbito individual, em razão de que, mesmo que a renda média de toda uma classe tenha sido fixada em um valor único pela complementação de renda, o desvio-padrão das rendas em cada classe, definido na criação da população, garante a cada agente ter uma renda disponível específica, preservando, em certa medida, sua individualidade. Nesse caso, por não haver uma influência direta nos mecanismos de comunicação social, os incentivos surtiram um efeito discreto na aceleração da difusão, mas mostraram-se decisivos no aumento do número final de adotantes, uma vez que permitiram a inclusão das classes D e E no mercado.

Por fim, as evidentes diferenças dos cenários sintetizados na Figura 9 sugerem que, por meio da simulação ABMS, foi possível distinguir os

36

efeitos dos três fatores testados sobre a dinâmica da difusão. O uso combinado de mecanismos de propaganda e incentivos produziu os melhores resultados porque, ao passo que o primeiro fator acelerou a comunicação (taxa de infecção) no âmbito da rede social, o segundo possibilitou que a difusão alcançasse um maior número de agentes (classes D e E).

6

Conclusão

O emprego da abordagem ABMS mostrou-se útil à observação de dinâmicas sociais em que prevalecem condições relacionais e de vizinhança que ensejem o fenômeno do “mundo pequeno” (small world) e efeitos comunicativos baseados em divulgação boca a boca. No caso específico aqui descrito, as simulações foram usadas para avaliar processos infecciosos na difusão da informação inovadora representada pela TV digital terrestre. A atribuição de características a cada agente, tais como um dado perfil psicológico, uma determinada vizinhança e uma certa renda disponível, possibilitou a percepção, em última análise, de fenômenos de natureza social e a antecipação de quatro possíveis cenários futuros. Foi possível destacar em cada um deles o peso dos efeitos de rede, tais como a formação de aglomerações (clusters) e lock-in, e constatar os diferentes efeitos das variáveis testadas, com o fim de evidenciar sua sinergia latente quando usadas de forma combinada. As simulações feitas permitiram avaliar efeitos decorrentes do processo de difusão boca a boca e das configurações de vizinhança. A premissa adotada, segundo a qual o processo decisório para a adoção (compra) é composto por três etapas não-excludentes, bem como a conseqüente demarcação dos casos em que a consumação da adoção foi impedida por falta de uma precondição (renda disponível), salientou que a difusão às vezes falha em atingir toda a sociedade, não por conta de uma comunicação deficiente, mas por força das disparidades da renda disponível. O modelo discutido pode ser adaptado para estudar a difusão da TV digital – ou de outras TICs – em regiões mais circunscritas, bastando adaptar os percentuais das respectivas classes sociais presentes na região ou localidade em questão e, se necessário, fazer novas sondagens de sensibilidade, de acordo com os preços daquele mercado em particular.

Agradecimentos Os autores agradecem as valiosas contribuições de Gustavo Gerolamo e João Henrique Franco.

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Redes sociais e disseminação de inovações tecnológicas

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Redes sociais e disseminação de inovações tecnológicas

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

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

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Análise técnica e de custos de implantação de rede WiMAX para provisão de serviços de telefonia Roberto Petry*, Carlos Henrique R. Oliveira, José Antonio Martins Este artigo apresenta uma avaliação técnica e uma estimativa dos custos de implantação de uma rede para prover o serviço de telefonia (voz) nas localidades que atualmente não possuem acesso ao Serviço Telefônico Fixo Comutado (STFC), no Estado de Santa Catarina, utilizando como alternativas tecnológicas dois tipos de arquitetura de instalação de redes WiMAX: modo mesh e modo pontomultiponto (com infra-estrutura). A tecnologia WiMAX, principalmente no modo de operação mesh, apresenta-se como potencial candidata para o provimento de serviços de voz e dados em locais em que as tecnologias tradicionais não se apresentam vantajosas, seja do ponto de vista técnico ou econômico.

Portanto, é interessante realizar um estudo de caso real de aplicação da tecnologia WiMAX. Para atingir esse objetivo, foi desenvolvido um projeto, o mais detalhado possível, para atender ao cenário real citado. Com os dados desse projeto, foi feita a contabilização de todos os equipamentos de rede necessários e, finalmente, foi obtida uma estimativa dos custos de implantação dessa rede, para os dois modos de operação citados.

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

1

Introdução

As tecnologias WiMAX e Wi-Fi, principalmente no modo de operação mesh, são consideradas atualmente importantes candidatas para o provimento de serviços de voz e dados em locais em que as tecnologias tradicionais não se apresentam vantajosas, seja do ponto de vista técnico ou econômico. Assim sendo, é importante fazer um estudo de aplicação dessas tecnologias num cenário real, para identificar melhor suas vantagens, desvantagens e limitações. Dessa forma, foi realizado um estudo para a implantação de uma rede WiMAX para fornecer serviços de telefonia (voz) em localidades que não possuem acesso ao Serviço Telefônico Fixo Comutado (STFC) no Estado de Santa Catarina. Esse estudo envolveu a contabilização de todos os equipamentos de rede necessários e uma estimativa dos custos de implantação dessa rede, para as duas alternativas de operação do sistema WiMAX: modo mesh e com infra-estrutura.

Neste trabalho são apresentados os resultados desse estudo. Na Seção 2, é apresentada uma análise de redes WiMAX, considerando a topologia e o desempenho dessas redes. A Seção 3 descreve o cenário de implantação da rede WiMAX considerado nesse estudo. Na Seção 4, é apresentada a análise técnicofinanceira de implantação da rede WiMAX. A conclusão deste trabalho é apresentada na Seção 5.

2

Análise da rede WiMAX

Neste item são apresentados detalhes técnicos referentes a uma rede do tipo Wireless Metropolitan Area Network (WMAN)/Fixed Broadband Wireless Access (FBWA) baseada no padrão IEEE 802.16. Esse padrão é comumente chamado de WiMAX. Ainda que atualmente a família do padrão IEEE 802.16 inclua a possibilidade de mobilidade, esta análise considera apenas terminais fixos.

Os sistemas FBWA geralmente empregam arquiteturas multiponto, que incluem os modos mesh e ponto-multiponto (PMP). O grupo de trabalho IEEE 802.16, que trata de BWA, desenvolveu uma família de padrões: IEEE 802.16-2001, IEEE 802.16c-2002, IEEE 802.16a -2003 e IEEE 802.16-2004 (consulte referências), que especificam a interface aérea para sistemas PMP (2-66 GHz) e mesh (2-11 GHz).

Um dos objetivos do padrão IEEE 802.16 é oferecer acesso banda larga sem fio na última milha de redes metropolitanas (WMAN). O escopo do padrão é focado nas camadas física e Medium Access Control (MAC).

A camada MAC do padrão IEEE 802.16 possui dois modos de operação: o modo pontomultiponto (PMP) e o modo multipoint-tomultipoint (mesh). No modo PMP, os nós são organizados em uma estrutura celular que consiste em uma estação-base (base station – BS) e algumas estações do assinante (subscriber stations – SS), também referenciadas como Customer Premises Equipment (CPE). No modo mesh, os nós são organizados em uma estrutura ad hoc, em que não há uma topologia

*Autor a quem a correspondência deve ser dirigida: petry@cpqd.com.br.

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

predeterminada. O agendamento de pacotes pode ser centralizado ou distribuído. Neste trabalho se considera o modo distribuído.

2.1

Arquitetura da rede WiMAX

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

SS

SOHO

SS

BS

Hot Spots

SS SS Enterprise IP BS

Core Network

SS

ATM

Figura 1 Arquitetura da rede WiMAX

2.2

WiMAX no modo PMP

Sistemas FBWA do tipo ponto-multiponto tipicamente incluem estações-base, estações do assinante, equipamento terminal (terminal equipment – TE), enlaces entre as diversas células, estações repetidoras (repeater station – RS) e os equipamentos do núcleo da rede (core network), tais como servidor Authentication, Authorization, and Accounting (AAA), servidor Simple Internet Protocol (SIP), switches, gateways, roteadores de concentração, etc.

A Figura 2 ilustra a arquitetura de referência, apresentada no padrão IEEE 802.16-2004, de um sistema FBWA ponto-multiponto.

Esse diagrama ilustra a relação entre as várias partes componentes do sistema FBWA. Podem existir sistemas FBWA mais simples que esse, contendo apenas alguns dos elementos de rede mostrados na figura, como, por exemplo, um sistema instalado para atender a um cenário do tipo Serviço Limitado Privado (SLP), sem conexão com redes externas. Um sistema FBWA contém pelo menos uma BS e um certo número de SSs. As BSs usam antenas com aberturas relativamente grandes, dividindo a sua área de

40

cobertura em um ou vários setores, com o uso de uma ou mais antenas e estágios de RF. Para assegurar cobertura completa numa área geográfica grande, geralmente são necessárias várias BSs. Esse é o caso do cenário analisado no presente trabalho, ou seja, as localidades não atendidas pelo STFC no Estado de Santa Catarina.

Os enlaces entre as várias células (BSs) podem ser implementados com equipamentos sem fio, fibra óptica ou cabos de cobre. Em alguns casos, os enlaces intercélulas podem utilizar rádios ponto-a-ponto (PTP) da tecnologia WiMAX e operar na mesma licença de freqüências do sistema ponto-multiponto (PMP).

Em alguns cenários, também é necessário que o sistema utilize repetidores (RS). Os repetidores geralmente são utilizados para estender a cobertura a locais não atendidos pela cobertura normal das BSs. Também são utilizados para levar os sinais de uma BS até uma SS ou até um grupo de SSs isoladas. Uma estação repetidora pode operar na mesma freqüência do enlace direto com a qual ela se comunica com a BS ou pode utilizar freqüências diferentes, isto é, demodular e remodular o tráfego em diferentes canais.

No caso da tecnologia WiMAX, as estações do assinante são chamadas de Customer Premises Equipment (CPE) e são constituídas pelo agrupamento dos elementos SS e TE. As CPEs utilizam antenas direcionais e compartilham um mesmo canal de rádio, utilizando as técnicas OFDM/TDMA e OFDMA. A Figura 3 ilustra outro exemplo de arquitetura do sistema WiMAX. 2.3

WiMAX no modo mesh

No modo mesh, todas as CPEs podem atuar como roteadores transmitindo pacotes para seus vizinhos, conforme Figura 3, e evitando pontos de congestionamento. Algumas CPEs podem prover funcionalidades de gateway, conectando a rede mesh em seu backhaul (CAO et al., 2005).

O padrão IEEE 802.16 possui dois mecanismos de agendamento para transmissão de dados no modo mesh: o agendamento centralizado e o agendamento distribuído. No agendamento centralizado, a BS trabalha como o ponto central das estações e determina como elas compartilham o canal em diferentes time slots.

No agendamento distribuído não há necessidade de BS. Cada CPE compete no acesso, usando um algoritmo pseudo-aleatório baseado nas informações de agendamento de estações vizinhas dentro de dois saltos.

Neste trabalho se considera o agendamento distribuído no modo mesh por não necessitar de BS.

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

para outras BS(s)

core network

BS intercell link

TE

SS

TE

SS

TE

SS

TE

SS

TE

RS

antena direcional RS

antena omni-direcional ou setorizada

SS

intercell link core network

TE

TE

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

Base Station Antena

CPE Antena

IP

Radio Radio

Modem

Modem Router

Switch

Figura 3 Exemplo de arquitetura do sistema WiMAX

2.4

Capacidade e cobertura da rede WiMAX

A capacidade e a cobertura da rede WiMAX estão relacionadas com o mecanismo de modulação adaptativa utilizado. Esse mecanismo permite ajustar a modulação de acordo com a Relação Sinal/Ruído (SNR) do enlace de rádio.

Maior SNR implica a possibilidade de uso de modulação espectralmente mais eficiente (maior quantidade de bits/Hz), o que proporciona maior capacidade do sistema em termos de taxa de

transmissão. Menor SNR implica o uso de modulação espectralmente menos eficiente, mas que, por proporcionar maior robustez contra erros nos bits transmitidos com menor SNR, propicia maior cobertura do sistema.

As taxas de codificação e as SNRs mínimas de recepção de sinal para as quatro possíveis modulações apresentadas no padrão IEEE 802.16-2004 são mostradas na Tabela 1.

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41

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

2.6

Tabela 1 Relação entre modulação, taxa de codificação e SNR do sistema WiMAX Modulação

Taxa de codificação

SNR (dB)

BPSK

1/2

6,4

1/2

9,4

3/4

11,2

1/2

16,4

3/4

18,2

2/3

22,7

3/4

24,4

QPSK 16-QAM 64-QAM

No atual estágio da tecnologia WiMAX, os principais fabricantes mundiais de equipamentos e chipsets (Aperto, Proxim, Redline, Nextnet, Sequans e Wavesat) disponibilizam comercialmente produtos para a faixa de freqüência licenciada em 3,5 GHz nos modos Time Division Duplexing (TDD) e Frequency Division Duplexing (FDD). Neste trabalho será considerada a operação em 3,5 GHz no modo TDD. 2.7

A Figura 4 apresenta a cobertura do sistema WiMAX em função da modulação adaptativa de acordo com a SNR. BPSK SNR = 6 dB QPSK SNR = 9 dB 16 QAM SNR = 16 dB 64 QAM SNR = 22 dB

Figura 4 Cobertura em função da modulação adaptativa e da SNR

2.5

Freqüência de operação

Link budget para a rede WiMAX

O link budget do canal de rádio determina a cobertura de um sistema sem fio, tanto no enlace direto (da base para o cliente) quanto no enlace reverso (do cliente para a base).

O padrão WiMAX 802.16 especifica a camada física para cobertura com linha de visada (Line of Sight – LOS) e para cobertura sem linha de visada (Non Line of Sight – NLOS), para freqüências abaixo de 11 GHz. O modelo de predição de cobertura proposto por Erceg et al.

(1999), para ambiente suburbano e adotado pelo IEEE (2001), prevê a operação na condição NLOS e foi adotado para a predição de cobertura da rede WiMAX operando no modo mesh.

Análise de desempenho do sistema WiMAX no modo PMP

A análise de desempenho do sistema WiMAX apresentada a seguir considera a operação no modo PMP, sem linha de visada (NLOS) e CPE outdoor. Esta análise apresenta os possíveis alcances e taxas de transmissão do sistema.

O modelo de propagação, usado para predição de cobertura de sinal, adotado nesta análise, foi proposto por Erceg et al. (1999). Esse modelo foi desenvolvido considerando três tipos de terreno classificados por categorias. A categoria A é caracterizada por terreno montanhoso, com alta densidade de árvores. A categoria B é caracterizada por terreno montanhoso, com moderada densidade de árvores e a categoria C é caracterizada por terreno plano, com baixa densidade de árvores. Considera-se, nesta análise, um ambiente urbano caracterizado pela categoria A, um ambiente suburbano caracterizado pelo categoria B e um ambiente rural caracterizado pelo categoria C. É importante ressaltar que, na prática, cada ambiente deve ser avaliado de acordo com suas características específicas.

Os parâmetros e valores considerados, típicos de equipamentos comerciais, são os seguintes: • freqüência de operação de 3,5 GHz; • largura de banda do sistema de 3,5 MHz; • potência de transmissão da BS de 21 dBm; • potência de transmissão da CPE de 21 dBm; • ganho da antena da CPE de 18 dBi; • taxa de erro de bit de 10-5; • ganho da antena da BS de 18 dBi; • perda em cabo e conectores de 2 dB. A Tabela 2 apresenta valores típicos para a mínima potência de sinal de RF necessária na recepção (Prx), em função do tipo de modulação e da taxa de codificação, para a taxa de erro de bit assumida.

Tabela 2 Sensibilidades do receptor, ganhos de sistema, alcances e taxas do sistema WiMAX Ganho de sistema (dB)

Alcance (km)

Taxas de transmissão (Mbit/s)

Modulação

Taxa de codificação

BPSK

1/2

-97,1

152,10

1,98

2,63

4,63

1,5

QPSK

1/2

-95,0

150,00

1,79

2,36

4,11

2,9

42

Prx (dBm)

Ambiente urbano

Ambiente suburbano

Ambiente rural

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

Alcance (km)

Taxas de transmissão (Mbit/s)

Modulação

Taxa de codificação

Prx (dBm)

Ganho de sistema (dB)

Ambiente urbano

Ambiente suburbano

Ambiente rural

QPSK

3/4

-92,7

147,70

1,60

2,09

3,62

4,4

16-QAM

1/2

-89,7

144,70

1,38

1,78

3,06

5,8

16-QAM

3/4

-86,4

141,40

1,18

1,50

2,54

7,9

64-QAM

2/3

-82,3

137,70

0,97

1,21

2,02

11,6

64-QAM

3/4

-80,3

135,30

0,88

1,09

1,81

13,1

Em sistemas de comunicação sem fio, denomina-se ganho de sistema o resultado em dB da soma da potência efetivamente radiada com o ganho da antena de recepção, subtraído da potência mínima de recepção (Prx). Os ganhos de sistema correspondentes aos valores considerados nesta análise são dados na Tabela 2.

Com os ganhos do sistema e o modelo de predição de cobertura proposto por Erceg et al.

(1999), é possível calcular os alcances máximos para os três tipos de ambiente de propagação.

Para esse cálculo, foram considerados os seguintes parâmetros: • altura da antena da BS de 30 m; • altura da antena da CPE de 10 m; • margem de desvanecimento lento de 12,74 dB, considerando 90% de cobertura e desvio-padrão de 8,2 dB. A Tabela 2 apresenta os alcances do sistema WiMAX para os três ambientes de propagação em função das modulações, das potências mínimas de recepção e dos ganhos de sistema.

Apresenta ainda as taxas de transmissão típicas, para um intervalo de guarda de 1/32.

Analisando-se a Tabela 2 verifica-se que: • os maiores alcances são encontrados no ambiente rural em razão das melhores condições de propagação, por haver menos obstrução do sinal na comunicação entre a BS e as CPEs; • os alcances são menores quando as potências mínimas de recepção são maiores; • as maiores taxas de transmissão ocorrem para distâncias menores; • a operação em distâncias menores permite taxas de transmissão maiores.

Para o ambiente urbano, aproximar a BS da CPE em 1 km significa a possibilidade de aumentar aproximadamente nove vezes a taxa de transmissão. Para o ambiente suburbano, o mesmo aumento da taxa de transmissão ocorre com uma aproximação em torno de 1,5 km. Para o ambiente rural, o mesmo aumento da taxa de transmissão ocorre com uma aproximação em torno de 3 km.

O desempenho do sistema WiMAX operando no modo PMP, sem linha de visada (NLOS), e CPE outdoor varia de acordo com o ambiente de propagação do sinal.

Do ponto de vista de máxima cobertura para o ambiente urbano o alcance é de até 1,98 km, para o ambiente suburbano o alcance é de até 2,63 km e para o ambiente rural o alcance é de até 4,63 km. Nos três casos é possível uma comunicação com taxa de 1,5 Mbit/s.

Do ponto de vista de taxa de transmissão, o valor da taxa máxima é de 13,1 Mbit/s, porém os alcances são os menores e variam de acordo com o ambiente de propagação do sinal. Para o ambiente urbano o alcance é de 0,88 km, para o ambiente suburbano o alcance é de 1,09 km e para o ambiente rural o alcance é de 1,81 km.

3

Descrição do cenário de implantação

O cenário de implantação, considerado na análise técnica e de custos de implantação de uma rede WiMAX, consiste no oferecimento do serviço de telefonia (voz) em todas as localidades que não possuem acesso ao STFC no Estado de Santa Catarina.

3.1

Localidades não atendidas no Estado de Santa Catarina

A lista das localidades não atendidas pelo STFC, no Estado de Santa Catarina, foi obtida do site da Anatel (ANATEL, 2005). Na data da consulta ao site, havia no Estado de Santa Catarina um total de 1.342 localidades sem acesso ao STFC. A maior parte dessas localidades se situa em regiões rurais.

A Figura 5 mostra um mapa de todo o estado.

Neste mapa cada um dos pontos representa uma das localidades que não possuem acesso ao STFC, sendo que essas localidades estão espalhadas por todo o estado. Atender todas elas com um sistema sem fio significa prover cobertura de rádio em praticamente toda a área do estado.

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43

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

Figura 5 Localidades de Santa Catarina não atendidas pelo STFC

3.2

Demanda de tráfego

Para as localidades não atendidas, considerouse que o mercado potencial para um serviço de telefonia (voz) é, na média, de oito linhas de assinantes e dois telefones de uso público (TUP) por localidade.

Portanto, são considerados dois tipos de nós distintos: • Telefone de Uso Público (TUP): telefone de uso coletivo instalado em local de fácil acesso, disponível 24 horas por dia; • terminal residencial: telefone de uso privado instalado na residência do usuário final.

Para o TUP, são considerados dois aparelhos por nó, e para o terminal residencial é considerado um aparelho por nó, cada qual com seu respectivo tráfego, descrito na Tabela 3 .

Tabela 3 Tráfego estimado por nó Descrição

Aparelhos por nó

Tráfego por aparelho (Erl)

Tráfego por nó (Erl)

TUP

2

0,25

0,50

Terminal residencial

1

0,1

0,1

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

44

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

4

Análise técnico-financeira de implantação de rede WiMAX

A análise técnico-financeira de implantação de uma rede WiMAX foi realizada para o cenário descrito na Seção 3, considerando os modos de operação PMP e mesh.

4.1

Modo de operação mesh

4.1.1 Considerações relativas à atribuição de custos da solução mesh a) Distância de alcance dos equipamentos da rede WiMAX no modo mesh para cobertura sem linha de visada (NLOS): 1 km (modulação QPSK, taxa de codificação de ¾, taxa de erro de 10-5, antena da CPE outdoor, 90% de cobertura em ambiente suburbano com modelos de predição de cobertura de Erceg et al. (1999), categoria A, e Hata (1980), usando parâmetros típicos de equipamentos comerciais. b) Demanda de tráfego total por localidade: 1,3 Erl, conforme apresentado no Item 3.2. c) Pontos de acesso à rede WiMAX: para o acesso no modo mesh considera-se o uso de uma CPE transmitindo nas seguintes condições: freqüência de operação, de acordo

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

d)

e)

f)

g)

com a disponibilidade de equipamentos em operação comercial, de 3,5 GHz, quadros de 5 ms de forma simétrica, intervalo de guarda de 1/8 para ambiente outdoor, largura de banda de 3,5 MHz, modulação QPSK, taxa de codificação de ¾, taxa de dados de 1,08 Mbit/s (em cada sentido da comunicação) e vazão efetiva de dados, considerando 20% de perda de pacotes, de 800 kbit/s.

Capacidade de tráfego do ponto de acesso, empregando codec G.729A (8 kbit/s): utilizando a calculadora1 Erlangs and VoIP Bandwidth Calculator (Calculadora VoIP) foi possível encontrar uma oferta de tráfego de 22,9 Erl correspondente à vazão efetiva de dados de 800 kbit/s. Dessa forma, do ponto de vista de capacidade, é possível atender até 18 (22,9/1,3) localidades com o codec G.729A. Capacidade de tráfego do ponto de acesso, empregando codec G.726 (32 kbit/s): utilizando a calculadora Erlangs and VoIP Bandwidth Calculator (Calculadora VoIP) foi possível encontrar uma oferta de tráfego de 8,85 Erl correspondente à vazão efetiva de dados de 800 kbit/s. Dessa forma, do ponto de vista de capacidade, é possível atender até 7 (8,85 /1,3) localidades com o codec G.726.

Com raio de alcance de 1 km (apresentado no Subitem a), as 1.342 localidades de Santa Catarina são distribuídas em 114 localidades agrupadas em 57 clusters (cluster de duas localidades) e 1.228 localidades isoladas conectadas por meio de 2.799 CPEs repetidoras. Adotando-se o codec G.726, dado que este é de utilização livre, para cobrir as 1.342 localidades de Santa Catarina e atender os oito assinantes e o TUP de cada localidade, são necessários: • 10.736 (1.342 x 8) CPEs para os assinantes; • 1.342 CPEs para os TUPs; • 57 CPEs como ponto de acesso (uma para cada cluster); • 2.799 CPEs como repetidoras, para atingir as localidades isoladas.

Interconexão com a rede pública de telefonia: considerando-se que todo o tráfego gerado pela rede mesh WiMAX é roteado para a rede pública (STFC) e que o grau de ocupação dos entroncamentos E1 é de 70%, calcula-se a necessidade de troncos E1 entre a rede mesh WiMAX e a rede pública. Como um E1 corresponde a 30 canais de voz, na máxima ocupação, isso implica em 21 Erl (70% de 30 canais).

4.1.2 Investimentos fixos para a rede WiMAX no modo mesh Para a prestação de serviços com a utilização da tecnologia WiMAX no modo mesh, supõe-se que sejam utilizados o máximo possível dos recursos já existentes de uma operadora STFC, como a existência de infra-estrutura de rede, centros de gerência e pessoal técnico qualificado.

Considera-se o uso de software livre e o uso de equipamentos Soft Switch e Trunk Gateway já existentes na operadora. Os itens necessários para a rede WiMAX no modo mesh e seus custos correspondentes, extraídos de Oliveira e Petry (2006), são apresentados na Tabela 4.

Tabela 4 Investimento fixo da rede WiMAX nos modos mesh e PMP Site principal

Quant.

Unitário R$

Total R$

Servidores (em cluster) para SIP Server e AAA

2

50.000

100.000

Servidores para gerência

1

50.000

50.000

Firewall

1

100.000

100.000

1

50.000

50.000

Software gerência

para

Total

300.000

4.1.3 Investimentos modulares para a rede WiMAX no modo mesh Os investimentos pertencentes a essa categoria cobrem equipamentos terminais por ponto de acesso, por assinante e TUP, gateways de acesso para a rede de dados, Trunk Gateway e links E1 de acesso à rede TDM e as licenças de software para telefonia, os quais serão detalhados a seguir. a) Equipamentos terminais de assinante e TUP: considera-se que os investimentos nos equipamentos terminais serão realizados pela própria operadora da rede WiMAX: • equipamento terminal por ponto de acesso: é o equipamento utilizado para comunicação com os gateways de acesso para a rede de dados. Para esse equipamento considera-se apenas o valor de US$ 380,00 (WiMAX Forum 2005)/ R$ 836,00 (dólar a R$ 2,20) referente às CPEs. São necessárias 2.856 CPEs (57 CPEs para os clusters e 2.799 CPEs para repetidoras), que representam um investimento de R$ 2.387.616,00;

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

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

•

•

equipamentos terminais por assinante: considera-se que os custos de instalação e do aparelho telefônico são de responsabilidade do assinante. Para o terminal de acesso por assinante, considera-se apenas o valor de US$ 380,00 (WiMAX Forum 2005)/R$ 836,00 (dólar a R$ 2,20) referente à CPE. Como foram considerados oito assinantes para cada uma das 1.342 localidades, isso representa um investimento de R$ 8.975.296,00; TUP: consideram-se dois TUPs para cada uma das 1.342 localidades. Os itens necessários para o TUP e seus valores correspondentes, extraídos de Oliveira e Petry (2006), são apresentados na Tabela 5.

Tabela 5 Terminal WiMAX no modo mesh para TUP

•

queda da capacidade para cada CPE com o número n de CPEs na razão 1/n (JUN, 2003). Dessa forma, existe a necessidade de um gateway de acesso a cada três saltos entre quatro CPEs (1 Mbit/s/4) para atender à demanda de 240 kbit/s de taxa de transmissão por localidade. Conforme apresentado no Item 4.1.1, Subitem f, são necessárias 2.799 CPEs como repetidoras e 57 CPEs como gateways (pontos) de acesso aos clusters. Portanto, são necessários [57 + (2.799/4) ] = 757 gateways de acesso para escoamento do tráfego VoIP para a rede de dados; os itens necessários para os gateways de acesso e seus valores correspondentes, extraídos de Oliveira e Petry (2006), são apresentados na Tabela 6.

Tabela 6 Gateways de acesso para a rede de dados

Item

Quant.

Unitário R$

Total R$

CPE WiMAX c/ 2 saídas de voz

1.342

836

1.221.912

Roteador WiMAX Ethernet

Telefone público

2.684

2.000

5.368.800

Material instalação

No break

1.342

200

268.400

1.342

100

268.400

1.342

100

134.200

Material instalação

de

Mão-de-obra para instalação

Item CPE com de

Mão-de-obra para instalação

Unitário R$ Total R$

757

836

632.852

757

100

75.700

757

100

75.700

Total

Total 7.161.712

b) Gateways de acesso para a rede de dados: considera-se que próximo de cada localidade não atendida há uma localidade atendida onde se possa instalar um gateway de acesso, formado por uma CPE WiMAX operando no modo mesh, para escoamento de tráfego à rede convencional de dados.

Neste trabalho, entende-se como dados apenas tráfego VoIP: • cada localidade gera um tráfego de 1,3 Erl. Utilizando a Calculadora VoIP foi possível encontrar a necessidade de 240 kbit/s de taxa de transmissão mínima (codec G726) por localidade; • com raio de cobertura de 1 km, a capacidade de taxa de transmissão é de 1 Mbit/s (em cada sentido da comunicação). Para a tecnologia WiMAX operando no modo mesh de forma distribuída, não se encontrou na literatura nenhuma referência sobre o valor resultante da capacidade do sistema em função do aumento da quantidade de saltos entre CPEs. Por este motivo, adotou-se, como hipótese de pior caso, a

46

Quant.

784.252

c) Trunk Gateway e links E1 de acesso à rede TDM: considera-se que o Trunk Gateway e os links E1 para acesso da rede WiMAX mesh à rede convencional de telefonia (TDM) estarão localizados em um escritório central. A quantidade desses itens dependerá do tráfego total cursado: • a cada 21 Erlangs, será necessário um link E1 adicional no Trunk Gateway e na central de comutação telefônica. Como cada uma das 1.342 localidades geram um tráfego de 1,3 Erl, são necessários 84 (1.342 x 1,3 / 21) links E1; • os itens necessários para esses investimentos e seus valores correspondentes, extraídos de Oliveira (2006), são apresentados na Tabela 7.

Tabela 7 Conexão à rede TDM Item Módulo E1 central comutação

Quant. Unitário R$ – de

Módulo E1 – Trunk Gateway

Total R$

84

3.000

252.000

84

5.000

420.000

Total

672.000

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

d) Licenças de software para telefonia: para a execução de VoIP é necessário o gerenciamento de usuários na Soft Switch.

Considera-se a necessidade de uma licença a cada grupo de mil usuários no valor de R$ 120.000,00. Como são oito usuários e dois TUPs para cada uma das 1.342 localidades, são necessárias 14 licenças (1.342 x 10 / 1.000), totalizando um investimento de R$ 1.680.000,00.

4.1.4 Investimento total para implantação do sistema WiMAX no modo mesh Para o cálculo do total do investimento para cobertura das 1.342 localidades não atendidas pelo STFC no Estado de Santa Catarina, com o sistema WiMAX operando no modo mesh, foram considerados os seguintes itens: a) Investimento fixo de R$ 300.000,00. b) Investimentos modulares: • equipamentos terminais (CPE) para desempenhar o papel de repetidores e pontos de acesso; • equipamentos terminais (CPE) para os assinantes; • telefone de uso público (TUP); • gateways de acesso para a rede de dados (backbone); • Trunk Gateway e links E1 de acesso à rede TDM; • licenças de software para telefonia.

Os custos dos investimentos modulares são apresentados na Tabela 8.

Tabela 8 Custos dos investimentos modulares Elemento de rede

Custo (R$)

CPEs para repetidoras e pontos de acesso

2.387.616

CPEs para assinantes

8.975.296

TUP

7.161.712

Gateway de acesso ao backbone

784.252

Trunk Gateway/links E1 para acesso à rede TDM

672.000

Licenças de software

1.680.000

O total do investimento para cobertura das 1.342 localidades não atendidas pelo STFC no Estado de Santa Catarina, com o sistema WiMAX operando no modo mesh, é de R$ 21.960.876,00.

4.2

Modo de operação ponto-multiponto

4.2.1 Considerações relativas à atribuição de custos da solução PMP a) Distância de alcance da BS WiMAX para cobertura com linha de visada (LOS): 27 km (modulação QPSK e 99,95% de disponibilidade de serviço). Esse alcance, apresentado por alguns fabricantes, representa uma situação de melhor caso e supõe-se que as antenas da BS WiMAX estejam montadas em torre e localizadas em pontos elevados do terreno. Supõe-se também a utilização de antenas de alto ganho e montagem outdoor no lado do assinante. b) Da mesma forma que no caso mesh, pretende-se atender as 1.342 localidades não atendidas pelo STFC no Estado de Santa Catarina. Em cada localidade supõe-se: • dois terminais de uso público para cada localidade gerando 500 mErl de tráfego telefônico; • oito terminais de acesso individual gerando 800 mErl de tráfego telefônico. c) Demanda de tráfego total por localidade: 1,3 Erl, conforme apresentado no Item 3.2. d) Interconexão com a rede pública de telefonia: considerando-se que todo o tráfego gerado pela rede WiMAX no modo PMP é roteado para a rede pública (STFC) e que o grau de ocupação dos entroncamentos é de 70%, calcula-se a necessidade de troncos E1 entre a rede WiMAX no modo PMP e a rede pública. Como um E1 corresponde a 30 canais de voz, na máxima ocupação, isso implica 21 Erl (70% de 30 canais).

4.2.2 Investimentos fixos para a rede WiMAX no modo PMP Neste item estão incluídos: • os custos do transporte dos dados (de VoIP) no backbone – o caso mais comum é o transporte do tráfego IP por uma rede SDH, cuja camada física é uma rede óptica, sendo necessário prever principalmente os equipamentos de transmissão óptica, os equipamentos para agregação do tráfego e os Add/Drop Multiplexers; • os custos do sistema de gerência da rede de transporte; • os custos do servidor SIP. Para manter a coerência com as premissas adotadas na análise do modo mesh, no modo PMP também foi adotada a hipótese de utilizar o máximo possível dos recursos já existentes de uma operadora STFC, tais como a existência de infra-estrutura de rede, centros de gerência,

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

equipamentos Soft Switch e Trunk Gateway, pessoal técnico qualificado e uso de software livre, e, portanto, os custos associados com Edge, Core e Central Office não foram contabilizados na análise financeira do WiMAX no modo PMP. Os itens relativos ao investimento fixo para rede WiMAX no modo PMP e seus valores correspondentes, extraídos de Oliveira e Petry (2006), são os mesmos atribuídos ao modo mesh e apresentados na Tabela 4.

4.2.3 Investimentos modulares para a rede WiMAX no modo PMP a) Equipamentos terminais de assinante e TUP: mesmas hipóteses elaboradas no caso mesh, isto é, que os investimentos nos equipamentos terminais serão realizados pela própria operadora da rede WiMAX, os custos de instalação e do aparelho telefônico serão de responsabilidade do assinante, o valor da CPE será de R$ 836,00 e os valores dos TUPs são dados na Tabela 5. b) Base station WiMAX: • o preço da BS WiMAX é composto por R$ 15.400,00 do enlace ponto-a-ponto entre a BS WiMAX e a core network (também chamada de backhaul) e R$ 30.800,00 da BS WiMAX propriamente dita, equipada com dois canais de 3,5 MHz para transmissão ponto-multiponto, totalizando R$ 46.200,00; • considera-se a freqüência de operação da BS WiMAX, de acordo com a disponibilidade de equipamentos comerciais, de 3,5 GHz, transmitindo em quadros de 5 ms de forma assimétrica, intervalo de guarda de 1/8 para ambiente outdoor, largura de banda de 7 MHz2, modulação QPSK, taxa de codificação de ¾ e taxa de dados de 4,8 Mbit/s; • considera-se que a BS WiMAX será instalada em uma localidade atendida para minimizar o investimento nos gateways que fazem o escoamento do tráfego para a rede convencional de dados; • se for utilizado o codec G.729A (8 kbit/s), com taxa de bloqueio de 2%, a taxa de dados de 4,8 Mbit/s da BS resulta, segundo a Calculadora VoIP, em um tráfego total de 186,15 Erl. Considerando o tráfego total de 1,3 Erl por localidade, a quantidade máxima de localidades atendidas por uma BS é de 143 (186,15/1,3); • se for utilizado o codec G.726 (32 kbit/s), com taxa de bloqueio de 2%, a taxa de dados de 4,8 Mbit/s da BS resulta,

segundo a Calculadora VoIP, em um tráfego total de 87,95 Erl. Considerando o tráfego total de 1,3 Erl por localidade, a quantidade máxima de localidades atendidas por uma BS é de 67 (87,95/1,3); • dado que o codec G.729A possui necessidade de licença de utilização e o codec G.726 é de utilização livre, considera-se o uso do codec G.726 e, portanto, cada BS WiMAX cobre no máximo 67 localidades; • considerando o raio de cobertura máximo assumido (27 km) e o número máximo de localidades atendidas (67), para as BS WiMAX, determina-se que são necessárias 64 BSs WiMAX para cobrir todas as 1.342 localidades não atendidas pelo STFC no Estado de Santa Catarina, sendo 14 BSs com raio de cobertura de 20 km (para não exceder a quantidade máxima de 67 localidades por BS) e 50 BSs com raio de cobertura de 27 km, conforme Figura 6. c) Gateway de acesso para a rede de dados: os itens necessários para o gateway de acesso do sistema WiMAX no modo PMP e seus valores correspondentes, extraídos de Oliveira e Petry (2006) e de WiMAX Forum (junho 2005), são apresentados na Tabela 9.

Tabela 9 Gateway de acesso para a rede de dados Item

Quant.

BS WiMAX

Unitário R$

Total R$

64

46.200

2.956.800

64

1.500

96.000

Torres

64

30.000

1.920.000

Energia

64

1.100

70.400

Total

5.043.200

Serviço instalação

de

d) Trunk Gateway e links E1 de acesso à rede TDM: considera-se que o Trunk Gateway e os links E1 para acesso da rede WiMAX PMP à rede convencional de telefonia (TDM) estarão localizados em um escritório central em que fica o ponto de presença (PoP) do sistema. A quantidade desses itens dependerá do tráfego total cursado: • a cada 21 Erlangs será necessário um link E1 adicional no Trunk Gateway e na central de comutação telefônica. Como cada uma das 1.342 localidades gera um tráfego de 1,3 Erl, são necessários 84 (1.342 x 1,3 / 21) links E1; • os itens necessários para esses investimentos e seus valores correspondentes, extraídos de Oliveira e

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

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

Figura 6 Distribuição das BSs WiMAX no Estado de Santa Catarina

Petry (2006), são apresentados na Tabela 10, para 84 links E1 na central de comutação, 84 links E1 na BS e 168 links E1 no Edge. A quantidade de links E1 no Edge é duplicada porque se trata de um elemento intermediário entre a BS e a central de comutação.

Tabela 10 Conexão à rede TDM Item

Quant.

Unitário R$

Módulo E1 Central de comutação

84

3.000

252.000

Módulo E1 BS WiMAX

84

5.000

420.000

Módulo Edge

168

5.000

840.000

E1

Total R$

Total 1.512.000

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

4.2.4 Investimento total para implantação do sistema WiMAX no modo PMP O total do investimento para cobertura das 1.342 localidades não atendidas pelo STFC no Estado de Santa Catarina, com o sistema WiMAX

operando no modo PMP, é formado por: a) Investimento fixo de R$ 300.000. b) Investimentos modulares: • equipamentos terminais (CPE) para os assinantes: R$ 8.975.296; • TUP: R$ 7.161.712; • gateways de acesso para a rede de dados: R$ 5.043.200; • Trunk Gateway e links E1 de acesso à rede TDM: R$ 1.512.000; • licenças de software para telefonia: R$ 1.680.000.

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

5

Conclusão

Neste trabalho foi apresentada uma análise técnica e de custos para implantação de uma rede WiMAX para atendimento das localidades sem STFC no Estado de Santa Catarina. Os custos estimados para implantação da rede WiMAX no modo mesh (aproximadamente R$ 22 milhões) foram menores que os do caso PMP (aproximadamente R$ 24,6 milhões), mas a diferença é pequena. Um dos fatores que afeta muito o custo da solução mesh no cenário analisado é o isolamento e a dispersão das localidades não atendidas por todo o estado, o que demanda uma grande quantidade de repetidoras (2.799) e de pontos de acesso (757)

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

para a rede de dados. No modo de operação com infra-estrutura (PMP), em razão também da dispersão das localidades não atendidas por todo o estado, a operação da rede WiMAX demanda uma quantidade grande de BSs (64), o que constitui um componente importante nos custos de implantação. A implantação da rede WiMAX no modo mesh apresenta custos mais baixos que no modo com infra-estrutura pelo fato de prescindir de alguns elementos onerosos na infra-estrutura, tais como cell sites. Entretanto, em determinados cenários, é possível que isso não ocorra.

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Junho 2005. (Relatório técnico)

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

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

50

Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 2, n. 2, p. 39-50, jul./dez. 2006

Avaliação da dinâmica de comportamento de redes Ad Hoc através de simulações Heloísa Peixoto de Barros Pimentel, Fabrício Lira Figueiredo, José Antonio Martins* Nas redes de telecomunicações, bem como em outras áreas de tecnologia, a adoção de simulação por computadores desempenha um papel-chave na pesquisa de redes, sendo um recurso utilizado na maior parte dos estudos sobre redes Ad Hoc móveis para analisar os dispositivos e protocolos. Este trabalho, executado no âmbito do Projeto de Redes Ad Hoc realizado no CPqD, apresenta os passos para a especificação de uma rede e como pode ser configurada para que se obtenham, por meio de simulação, respostas a respeito do desempenho a ser obtido. Uma vez que a rede é especificada e preparada para simulação, verifica-se a coerência das mudanças de desempenho quando essa rede é submetida a alterações de topologia, arquitetura, perfil de tráfego, etc. Variando-se o número e a localização dos gateways usados para escoar o tráfego dessa rede, pode-se chegar a uma técnica que defina o número de gateways necessários, de forma que resulte em uma rede de máxima vazão. A validação dessa etapa também foi feita através de simulações usando Network Simulator (NS-2) sobre sistema operacional Linux.

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

1

Introdução

A principal questão a ser respondida no planejamento de uma rede de comunicação envolve determinar seu custo e se ela atenderá aos requisitos necessários para a obtenção do desempenho desejado. Devido às suas características, as redes Ad Hoc sem fio apresentam vários obstáculos em sua etapa de planejamento (GUPTA, 2000) (LI-1, 2001) (GUPTA, 2001) (LI-2, 2002) (JUN-1, 2003) (JUN2, 2003). Como as redes Ad Hoc sem fio não possuem um número predeterminado de usuários, de roteadores, ou um perfil exato de tráfego que nelas irá fluir, seu estudo é baseado ou em casos gerais (quando se definem limitantes e se obtêm respostas para um caso geral) ou em casos mais específicos – em que se estabelecem condições de contorno a partir das quais o comportamento da rede poderá ser analisado de forma mais objetiva, com respostas mais precisas. Nesse caso, é fundamental que as condições de contorno sejam cuidadosamente escolhidas de forma que os resultados obtidos sejam os mais próximos possíveis do caso real.

Vários trabalhos apresentam métodos para a estimativa da capacidade final de uma rede e sobre como se pode dimensioná-la. Gupta (2000) mostra os limitantes superiores de um cálculo analítico; LI-1 (2001) afirma que a capacidade possível de ser conseguida depende do tamanho da rede, dos padrões de tráfego e do detalhe das interações do rádio local, apresentando uma técnica na qual uma treliça regular (que define a posição dos nós) é analisada para o cálculo da capacidade. LI-2 (2002) analisa o desempenho de uma rede Ad Hoc de múltiplos canais e

múltiplos saltos (hops) usando o canal único da Camada de Acesso ao Meio (MAC) da norma IEEE 802.11 para diferentes topologias, fornecendo vazões para diferentes tamanhos de rede. Gupta (2001) desenvolve uma técnica empírica para determinar a capacidade de uma rede Ad Hoc móvel, supondo que a rede usa protocolo de roteamento sob demanda e protocolos de acesso ao meio do tipo Carrier Sense Multiple Access (CSMA), ou seja, o nó que vai transmitir informação verifica, antes de fazê-lo, se o meio está livre de outra portadora.

Nas redes de telecomunicações, bem como em outras áreas de ciência e engenharia, a proliferação de computadores como ferramentas de pesquisa resultou na adoção da simulação por computadores como o paradigma mais comumente usado da investigação científica.

Portanto, as simulações têm um papel-chave na pesquisa de redes, sendo um recurso utilizado na maior parte dos estudos sobre redes Ad Hoc móveis para analisar os dispositivos e protocolos.

A experiência com redes cabeadas proporcionou diretrizes do nível de detalhes que seria apropriado para o estudo de protocolos baseado em simulações. Quando se trata de sistemas sem fio, acrescentam-se muitas outras questões sobre o nível apropriado de detalhes dos modelos de simulação para retratar fenômenos como radiopropagação e consumo de energia.

No trabalho (HEIDEMANN et al., 2001), descreveram-se as relações de compromisso do acréscimo de detalhes adicionais nos modelos de simulação, avaliando-se os efeitos do detalhamento em cinco estudos de caso de simulações sem fio para projeto de protocolos.

No final, caberá ao pesquisador julgar qual nível

*Autor a quem a correspondência deve ser dirigida: martins@cpqd.com.br.

Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 2, n. 2, p. 51-60, jul./dez. 2006

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

de detalhes é necessário para responder a cada questão.

Os pesquisadores da área de redes devem testar os protocolos sob várias condições para determinar o quão robustos e confiáveis eles são. Em Vint Project (2000), é apresentado o projeto do simulador NS-2, aperfeiçoado para proporcionar inovações que ampliassem as condições sob as quais os pesquisadores podem avaliar seus protocolos. Como vantagens do uso de simuladores, citam-se: validar o comportamento de protocolos existentes; disponibilizar a infra-estrutura de teste para desenvolver novos protocolos; fornecer a oportunidade para estudar interação de protocolos em larga escala em um ambiente controlado; comparação facilitada dos resultados.

Em seu artigo, Takai et al. (2001) afirma que, tipicamente, as simulações focam nos protocolos específicos das camadas mais altas que estão sendo propostos, muitas vezes ignorando detalhes dos modelos em outras camadas, particularmente as interações com modelos de camada física. Por isso, é apresentado um conjunto de fatores da camada física que são relevantes para a análise de desempenho dos protocolos das camadas mais altas (que incluem recepção de sinais, perda de percurso, desvanecimento, influência da interferência e do ruído, e comprimento do preâmbulo).

Em Cavin et al. (2002), afirma-se que, quando usadas isoladamente, as simulações não descrevem a situação real com fidelidade, pois o modelamento varia. Para que os resultados possam ter um significado prático, é importante que o modelo sobre o qual está baseado o simulador seja o mais próximo possível da realidade a ser implementada.

Foram comparados resultados de simulação usando vários simuladores populares (OPNET, NS-2, GloMoSim). Os resultados mostraram que existem diferenças significativas entre os simuladores, o que pode ser explicado, em parte, pelas divergências entre os modelamentos de cada simulador, e também pelos diferentes níveis de detalhes fornecidos para implementar e configurar os cenários simulados. Para que os resultados sejam confiáveis, deve-se levar em conta que, apesar de haver divergências entre os resultados obtidos em cada simulador, para que conclusões sejam válidas, devem ser comparados, no mesmo simulador, os resultados obtidos nas camadas mais baixas (MAC e física) e o modelo de mobilidade.

Com a finalidade de prever o comportamento da rede que será obtido, utilizou-se largamente o recurso de simulação. LI-1 usa NS-2 para validar os modelos propostos, enquanto LI-2 usa OPNET. A principal contribuição de JUN-1 (2003) é a apresentação de fórmulas para a vazão teórica máxima de redes usando o protocolo IEEE

52

802.11, na ausência de erros de transmissão e para várias alternativas de camada física, taxas de dados e tamanho de pacotes.

Tanto as redes móveis Ad Hoc quanto as redes mesh sem fio são capazes de autoreorganização, ainda que seja possível considerar as primeiras um subconjunto das últimas. JUN-2 (2003) define que as diferenças principais entre os dois conjuntos de rede estão nos padrões de tráfego. Em redes mesh sem fio, praticamente todo o tráfego vem ou vai para um gateway, enquanto que nas redes Ad Hoc há fluxo de dados entre pares arbitrários de nós.

Como a abordagem usada por JUN-2 não está condicionada ao uso de um esquema de acesso ao meio específico, pode-se calcular de forma precisa a capacidade de redes mesh sem fio para qualquer implementação de Camada de Acesso ao Meio, incluindo-se assim as redes Ad Hoc. O trabalho de JUN-2 lida com o problema de estimar a capacidade exata de uma rede mesh sem fio (WMN), destacando a importância da determinação do domínio de colisão-gargalo, entendido como uma área geográfica da rede que define o limite superior da quantidade de dados que pode ser transmitida por essa rede.

Mostra-se que os gargalos da rede mesh sem fio são causados pela existência de gateways, o que faz com que a capacidade disponível para cada nó seja reduzida para C = O(1/n), em que C é a capacidade disponível para cada nó e O(1/n) é notação de Knuth (1973), que indica que C/(1/n) é menor ou igual a uma constante suficientemente grande, para um número de usuários de um gateway também grande o suficiente. Outras características da rede fixadas por JUN-2 (2003) são a existência de apenas um gateway na rede, supondo-se que, se houver outros, cada um terá sua própria área de influência; as vazões de um nó da rede são as mesmas de qualquer outro nó para qualquer carga oferecida (fairness, ou equilíbrio na distribuição de cargas); o tráfego é unidirecional dos nós para o gateway; e os nós não se movimentam (estáticos). No entanto, o acréscimo de outros gateways resulta no crescimento da capacidade da rede e também da sua confiabilidade.

Em uma rede cuidadosamente planejada com um número suficiente de gateways colocados em pontoschave, pode ser assegurado que cada usuário terá a largura de faixa necessária dentro do atraso aceitável (ao menos na rede de acesso).

Neste trabalho, partiu-se dos resultados apresentados por JUN-2 para verificar a influência da disponibilidade de mais gateways dentro da mesma rede sem fio, de forma que se conseguisse uma rede com os parâmetros de desempenho desejados.

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

Uma vez estabelecidos os parâmetros básicos da rede, foram realizadas simulações para se obter informações referentes a métricas de QoS adicionais (tais como fração de entrega de pacotes, atraso e jitter). Essas simulações incluíram variações da topologia dos nós, do número de gateways, do número de fluxos simultâneos na mesma rede e do número médio de hops necessários para o estabelecimento do fluxo.

Este artigo está organizado como se segue: a Seção 2 apresenta uma metodologia de planejamento de redes Ad Hoc, indicando que se deve levar em consideração as características da rede desejada, tais como o tamanho da rede, os parâmetros sistêmicos, a demanda de tráfego e dimensionamento da quantidade e posicionamento dos gateways. A seguir, escolhese o cenário de simulação a ser implementado, que inclui escolha do número de nós e sua configuração e avaliam-se quais os resultados esperados quando as caracterísitcas da rede são alteradas. Após a apresentação dos parâmetros de simulação utilizados, a Seção 3 mostra os resultados obtidos. Finalmente, a Seção 4 apresenta a conclusão do trabalho.

sistema bastante específico. Muitos nós dificultam a análise e, para o exemplo aqui apresentado, foram analisadas redes de 50 nós.

O local a ser coberto pela rede será modelado como uma área retangular cujas dimensões são dados de entrada do simulador. As coordenadas dos nós deverão ser relativas ao ponto de origem correspondente ao canto inferior esquerdo da grade.

Para que não fosse particularizada uma topologia fixa, o estudo abrangeu cinco distribuições diferentes dos 50 nós na mesma área. A posição desses nós foi definida de maneira aleatória (à medida que se aumenta o número de redes analisadas, os valores de vazão tendem a um valor mais estável).

O estabelecimento dessas condições iniciais fornece outras informações sobre a rede, tais como a densidade de nós e a cobertura média necessária para suprir as regiões de interesse.

Outro item a ser determinado é qual o modelo de propagação a ser utilizado. Foram consideradas duas opções: TwoRayGround ou FreeSpace.

2

A seguir, estabelecem-se os parâmetros que caracterizam a solução tecnológica a ser adotada, correspondentes às entradas necessárias para o modelo de simulação de capacidade. Os parâmetros necessários são: • sensibilidade do receptor, em dBm;

Levantamento contorno da implementada

das condições rede Ad Hoc a

de ser

O procedimento descrito neste trabalho tem o objetivo de estabelecer uma rede em um ambiente de simulação para verificar seu comportamento, com o fim de facilitar o planejamento de redes Ad Hoc sem fio, em que a capacidade disponível aos usuários finais seja otimizada (maior vazão, menor atraso, maior eficiência).

Embora inicialmente restrita a redes fixas sem fio com protocolo de acesso ao meio CSMA/CA (Exemplo: padrão IEEE 802.11b) e protocolos de roteamento baseados no critério de atraso mínimo, a mobilidade poderá ser modelada posteriormente através do uso de protocolos de roteamento em cenários de mobilidade. As subseções a seguir descrevem o procedimento indicado: 2.1 Modelo de rede Uma vez que é necessário fixar algumas condições de contorno para a rede a ser estudada, e para que isso não impeça a aplicação dos resultados para várias redes a serem implementadas, optou-se por definir parâmetros de rede que pudessem ser considerados gerais.

2.1.1 Tamanho da rede Uma rede de apenas alguns nós resulta em um

2.1.2 Levantamento sistêmicos

•

dos

parâmetros

raio de cobertura, em metros;

freqüência de operação, em Hz; potência de transmissão, em W; • ganho da antena de transmissão (linear); • ganho da antena de recepção (linear); • perda do sistema (linear); • altura da antena transmissora e receptora, em metros.

Os modelos de propagação adotados são os disponíveis no Network Simulator (NS-2), TwoRayGround ou FreeSpace. Porém, podemse criar modelos de propagação, analíticos ou empíricos. Nesse caso, a realização de uma pesquisa de condições de propagação no local de implantação pode proporcionar informações mais precisas para a determinação da cobertura esperada para os nós da rede Ad Hoc. • •

2.1.3 Levantamento da demanda de tráfego Para essa etapa, deve-se considerar a demanda desejada de cada nó da rede e a caracterização de cada tipo de tráfego. Para isso, deve-se estabelecer: a) aplicações e serviços que trafegarão pela rede, bem como os respectivos requisitos mínimos de desempenho;

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53

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

b) requisito de banda mínima da rede: supor cenário de pior caso, assumindo que todos os nós da rede precisam ter acesso a uma banda mínima Bmin, necessária para as aplicações e serviços com maiores requisitos de banda; c) parâmetros do modelo de tráfego: considerando que o modelo de capacidade proposto se baseia em tráfego do tipo CBR, é necessário determinar o comprimento médio dos pacotes de tráfego de cada aplicação ou serviço; d) perfil dos usuários: o grau de utilização da rede deve ser estimado, o que permite uma estimativa realista do nível de carregamento esperado nos domínios de colisão. No modelo proposto, esse aspecto é representado pelo fator de utilização, que corresponde ao percentual de usuários acessando simultaneamente a rede.

Estatisticamente, existe uma probabilidade de que apenas um subconjunto dos usuários de uma rede esteja simultaneamente conectado e os recursos da rede não são totalmente usados na maior parte do tempo.

O fator de utilização está relacionado ao perfil de comportamento dos usuários e serve para estimar a demanda de tráfego que a rede deve ser capaz de comportar, sendo um número decimal entre 0 (nenhuma utilização) e 1 (100% dos usuários da rede têm sessões de tráfego).

2.1.4 Dimensionamento da quantidade posicionamento dos gateways

e

Os cenários de operação característicos de redes Ad Hoc sem fio baseiam-se na utilização dos terminais dos usuários como roteadores sem fio. A expansão da rede deve ocorrer sob demanda, não sendo possível realizar um planejamento prévio da rede. Portanto, o dimensionamento da quantidade de nós gateways deve procurar garantir duas condições principais: capacidade e cobertura.

• capacidade: ainda que não haja reserva de banda, a rede deve poder processar a vazão mínima necessária para transportar os serviços de interesse com qualidade aceitável; • cobertura: a implantação de gateways pode ser necessária para garantir cobertura a todos os usuários ou para acrescentar redundância para minimizar as chances de particionamento da rede.

54

2.2 O cenário de simulação A área a ser utilizada para a implantação da rede é fixada em 5 km X 5 km. Serão 50 nós aleatoriamente distribuídos, e cinco configurações diferentes serão utilizadas para que se possa comprovar que os resultados obtidos tendem a valores médios das métricas observadas.

2.2.1 Configuração 1 adotada A Figura 1 mostra a disposição dos nós na Configuração 1. O Nó 1 encontra-se próximo ao eixo Y e o Nó 28 está fora do alcance dos demais. Para simulação com um único gateway, o nó escolhido é o número 19 (coordenadas: X = 2805 e Y = 1510); para dois gateways, os nós são 44 e 39; para três gateways, 3, 22 e 47; quatro gateways, 3, 22, 34 e 47; e, para cinco gateways, 7, 18, 22, 33 e 34. Mais de 40 fluxos simultâneos são inseridos na rede para verificação do comportamento das diversas métricas.

2.2.2 Configuração 2 adotada A Figura 2 mostra a disposição dos nós na Configuração 2. São usados os seguintes nós como gateways: para um gateway, o nó é o número 28 (coordenadas: X = 2925 e Y = 2347); para dois gateways, os nós são 5 e 29; para três gateways, 5, 27 e 41; quatro gateways, 16, 19, 28 e 41; e, para cinco gateways, 16, 27, 28, 29 e 40. Também nesse caso, mais de 40 fluxos simultâneos são inseridos na rede para verificação do comportamento das diversas métricas.

2.2.3 Outras configurações Foram criadas ainda mais três configurações de 50 nós, a exemplo das apresentadas nas Subseções 2.2.1 e 2.2.2: analogamente a essas, os 50 nós foram distribuídos aleatoriamente, e foram escolhidos nós para funcionar como gateways. Cinco casos foram estudados, com 1, 2, 3, 4 e cinco gateways em cada configuração, o que resulta em 25 cenários de rede distintos.

Cada uma dessas redes receberá mais de 40 fluxos simultâneos para verificação do comportamento das diversas métricas.

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

Figura 1 Configuração 1 de rede avaliada

2.3 Impacto das alterações nas características da rede Em uma rede Ad Hoc, o aumento da quantidade de fluxos simultâneos conduz a rede a situações de congestionamento e formação de gargalos, conseqüentemente com pacotes descartados ou perdidos, além de maiores atrasos. Esses efeitos podem ser observados por intermédio de simulações de uma rede em que se incluem fluxos adicionais, o que foi executado através de simulações com o software Network Simulator (NS-2). Com simulações feitas em cinco configurações de rede de 50 nós distintas, em que os respectivos nós tiveram sua posição determinada de forma aleatória, espera-se que os resultados obtidos tendam a valores médios semelhantes nos diversos casos. Em cada uma delas, faz-se a introdução de vários fluxos de informações simultâneos, bem como a determinação dos gateways (cujo número em cada configuração varia de 1 a 5). Observam-se

as diferenças de desempenho de algumas métricas, como número médio de hops no estabelecimento do fluxo e porcentagem de entrega de pacotes para cada um dos casos.

Portanto, as características alteradas na rede nas diversas simulações foram: • uso de cinco topologias de 50 nós distintas; • iniciada a simulação com um fluxo, aumentase gradativamente o número de enlaces transportando informação para verificar as condições de gargalo e congestionamento; • variou-se o número de gateways da rede entre 1 e 5, com o propósito de diminuir o efeito dos congestionamentos; • protocolo de roteamento utilizado: AODV. Os resultados foram observados através das métricas obtidas, tais como o número de hops necessários para estabelecer um enlace de dados, ou a porcentagem de entrega de pacotes em cada caso.

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

Figura 2 Configuração 2 de rede avaliada

2.4 Parâmetros de simulação utilizados A Tabela 1 mostra os parâmetros adotados na simulação com o Network Simulator NS-2 (versão 2.26) Tabela 1 Cenário do modelo de simulação Cenários de simulação

À medida que cresce o número de enlaces simultâneos na rede, começam a aparecer os efeitos do congestionamento dos enlaces, originando os gargalos. Cresce também o número de pacotes perdidos e descartados, assim como o atraso de transmissão. O descarte deliberado de pacotes ocorre como conseqüência de congestionamento, falta de recursos de processamento, falta de disponibilidade no canal de rádio ou devido a um nó da rota necessária estar desativado. O descarte de pacotes é um evento registrado pelo sistema, sendo o número deles considerado para obter estatísticas do desempenho da rede. Já os pacotes perdidos são os que são transmitidos, mas não atingem o destino, e dos quais não se conhece a razão do insucesso de transmissão.

Número de nós

50 (5 topologias)

Número de gateways

1, 2, 3, 4, 5

Área física da rede

5 km X 5 km

Modelo de propagação

Two Ray Ground

Área de cobertura

750 m

Potência de transmissão

20 dBm

Protocolo/roteamento

AODV

Protocolo MAC

IEEE 802.11b

3

Modelo de tráfego – CBR

Constant Bit Rate

Taxa de Transmissão

11 Mbit/s

Freqüência

2,4 GHz

Comprimento do pacote

160 B

Ganho de antena

2/2 (TX/ RX)

Altura da antena (m)

2/2 (TX/RX)

As simulações foram realizadas para refletir os efeitos na rede das situações de operação quando esta estiver implementada. Duas situações são analisadas detalhadamente: o aumento do número de fluxos (e conseqüente aumento do congestionamento) e o acréscimo de gateways (que facilita o fluxo na rede, reduzindo o congestionamento).

56

Resultados de simulação

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

3.2 Efeito do aumento do número de fluxos na rede: congestionamento O aumento do número de fluxos simultâneos na rede faz com que os recursos disponíveis sejam realocados para acomodar o novo tráfego. Para ilustrar a adaptação da rede à medida que mais fluxos são introduzidos, foram feitas simulações supondo-se que os nós estão distribuídos em posições correspondentes à Configuração 1 (conforme Figura 1) e fazendo variar o número de fluxos de tráfego de 1 a 10, com apenas um gateway disponível (Nó 19).

3.2.1 Efeito do número de fluxos sobre a fração de entrega de pacotes Confirmando o menor recurso disponível a cada novo fluxo iniciado, observa-se a diminuição da fração de entrega de pacotes, conforme o gráfico da Figura 3: 100,0

% PDF (Fração de pacotes entregues)

90,0 80,0

0,65 0,60 0,55

Atraso médio fim-a-fim (s)

A seguir, são apresentados os resultados de simulação de várias métricas obtidas em cada uma das diferentes configurações de nós de rede Ad Hoc apresentadas na Seção 2, para ilustrar o efeito da mudança de configuração e do número de gateways utilizados no desempenho da rede avaliada. Todas as medidas foram tomadas para vários fluxos de comunicação simultâneos trafegando através dessa rede.

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

0,0 8

9

10

Número de fluxos simultâneos

O aumento do atraso médio fim-a-fim é também característico da diminuição dos recursos médios disponíveis da rede com o acréscimo de novos

0,10

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0,0170 0,0160 0,0150 0,0140 0,0130 0,0120 0,0110 0,0100 0,0090 0,0080 0,0070 0,0060 0,0050 0,0040 0,0030 0,0020 0,0010 0,0000 1

Figura 3 Fração de entrega de pacotes X número de fluxos simultâneos

3.2.2 Efeito do número de fluxos sobre o atraso médio fim-a-fim

0,15

Outra métrica interessante a ser observada é a carga de roteamento normalizada (Normalized Routing Load – NRL), definida como a taxa entre o número de pacotes de controle propagados por cada nó da rede e o número de pacotes de dados recebidos pelos nós de destino (LEE & GERLA, 2001). O gráfico da Figura 5 mostra a diminuição da carga de roteamento normalizada quando o número de fluxos simultâneos da rede varia de um a dez fluxos, sempre para rede de 50 nós (Configuração 1) com um gateway no Nó 19:

10,0

7

0,20

3.2.3 Efeito do número de fluxos sobre a carga de roteamento normalizada

20,0

6

0,25

Figura 4 Atraso médio fim-a-fim X número de fluxos simultâneos

30,0

5

0,30

Número de fluxos simultâneos

40,0

4

0,35

1

50,0

3

0,40

0,00

60,0

2

0,45

0,05

70,0

1

0,50

NRL- Carga de roteamento normalizada

3.1 Impacto do tráfego de vários fluxos simultâneos – Diferentes configurações

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Número de fluxos simultâneos

Figura 5 Carga de roteamento normalizada X número de fluxos simultâneos

3.2.4 Efeito do número de fluxos sobre o número de pacotes descartados O aumento da quantidade de fluxos da rede

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

resulta em mais pacotes descartados, uma vez que ocorre compartilhamento de um recurso constante por um número crescente de usuários, conforme Figura 6.

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

6,00 5,50 5,00

Número médio de hops

Número de pacotes descartados

6,00E+04 5,00E+04 4,00E+04 3,00E+04

4,50 4,00 3,50 3,00 2,50 2,00 1,50 1,00

2,00E+04

0,50 1,00E+04

0,00 1

2

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Figura 6 Número de pacotes descartados X número de fluxos simultâneos

3.2.5 Efeito do número de fluxos no jitter médio O jitter é a variação entre o tempo esperado para a chegada de um pacote de dados e o tempo em que o pacote efetivamente chega. Isso ocorre em razão do congestionamento da rede, deslocamento de tempo ou mudanças de rota, e fica mais acentuado com o aumento do número de fluxos simultâneos, que reduz os recursos disponíveis na rede. O jitter tende a se estabilizar quando a rede entra em equilíbrio. A Figura 7 mostra a variação do jitter obtido, que chega a um pico com seis fluxos simultâneos e, a partir desse número de fluxos, o jitter torna-se quase constante.

5

6

7

8

9

10

3.3 Efeito do acréscimo de mais gateways na rede: equilíbrio O aumento do número de gateways reflete-se na diminuição do congestionamento observado nos nós usados para escoar o tráfego total da rede.

3.3.1 Variação do número médio de hops como função do número de gateways

0,20

A Figura 9 mostra o número médio de hops, para redes nas cinco diferentes configurações, com vários fluxos simultâneos: a média de hops quando a rede dispõe de um único gateway fica entre 2,75 e 4,0, diminuindo e estabilizando entre 2,10 e 3,20 para cinco gateways – observar que a Configuração 1 é a única que apresenta um pequeno aumento na média de número de hops necessários (22%), passando de 2,36, com quatro gateways, para 2,90, com cinco gateways.

A diminuição da média geral, à medida que mais gateways estão disponíveis, é resultado da melhor distribuição do escoamento do tráfego.

0,18

Núm.médio de hops X núm.gateways

0,30 0,28 0,25 0,23

0,15

5,000

0,13

Número médio de hops

Jitter médio (s)

4

Figura 8 Número médio de hops X número de fluxos simultâneos

Número de fluxos simultâneos

0,10 0,08 0,05 0,03 0,00 1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Número de fluxos simultâneos

Figura 7 Jitter médio X número de fluxos simultâneos

Efeito do número de fluxos no número médio de hops do enlace O número médio de hops para comunicação entre dois nós da rede também tende a um valor estável, uma vez que essas simulações foram realizadas para rede de 50 nós, na qual todos os

58

3

Número de fluxos simultâneos

0,00E+00

Configuração 1 Configuração 2 Configuração 3 Configuração 4 Configuração 5

4,000

3,000

2,000

1,000

0,000 1

2

3

4

5

Número de gateways

Figura 9 Número médio de hops X número de gateways

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

40,00

Uma vez escolhidos os parâmetros da rede, definiu-se o modelo de simulação: como cenários básicos, foram escolhidas cinco redes de 50 nós com 1, 2, 3, 4 ou 5 gateways (lembrar que regiões com maior densidade de nós devem concentrar a maior parte dos gateways disponíveis).

Os resultados de simulação apresentam o comportamento dinâmico de uma rede Ad Hoc com 50 nós. Observou-se que o aumento do número de fluxos simultâneos reduz o desempenho médio da rede, fazendo diminuir o número de entrega de pacotes e a carga de roteamento normalizada. Por outro lado, mais fluxos causam aumento do atraso médio fim-afim e do número de pacotes descartados. Já o acréscimo de mais gateways tende a equilibrar a rede, diminuindo o número médio de hops necessários para estabelecer o enlace e aumentar a fração de entrega de pacotes.

30,00

Referências

3.3.2 Efeito da variação da fração de entrega de pacotes como função do número de gateways A fração da entrega de pacotes também apresenta regularidade de resultados nas diversas configurações testadas. Na Figura 10, observa-se que o menor valor é obtido para redes com apenas um gateway, aumentando progressivamente para mais pacotes entregues à medida que mais gateways estiverem disponíveis na rede.

70,00 Configuração 1 Configuração 2 Configuração 3 Configuração 4 Configuração 5

% PDF (Fração de entrega de pacotes)

60,00 50,00

CAVIN, D; SASSON, Y.; SCHIPER, A. On the accuracy of MANET simulators, Proceedings of 2nd ACM International Workshop on Principles of Mobile Computing, 2002.

20,00 10,00 0,00 1

2

3

4

5

Número de Gateways Figura 10 Fração de entrega de pacotes X número de gateways

4

Conclusão

As redes Ad Hoc sem fio apresentam diversos obstáculos para o dimensionamento de capacidade, pois, além de toda a complexidade intrínseca para modelar capacidade em redes sem fio, torna-se necessário tratar sistemas distribuídos em que inexistem elementos responsáveis pela coordenação do acesso dos nós. Assim, as metodologias tradicionais de dimensionamento baseadas em topologia pontomultiponto não são aplicáveis na maioria dos cenários.

Este trabalho apresentou um procedimento para planejamento de redes Ad Hoc sem fio, a ser realizado com uso do simulador NS-2 (Network Simulator). Em princípio, faz-se um levantamento topológico inicial, com a determinação dos nós fixos da rede e da área total a ser coberta. A seguir, verificam-se os padrões sistêmicos, tais como modelo de propagação, sensibilidade do receptor, raio de cobertura, freqüência de transmissão, potência, ganhos de antena, etc. A fase seguinte é o levantamento da demanda de tráfego, para a qual são levados em conta os serviços que irão trafegar na rede, os requisitos de banda, parâmetros do modelo de tráfego e o perfil de usuários. O protocolo de roteamento usado foi o AODV.

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TAKAI, M.; MARTIN, J.; BAGRODIA, R. Effects of wireless physical layer modeling in mobile Ad Hoc networks. Proceedings of the 2001 ACM International Symposium on Mobile Ad Hoc Networking and Computing (MobiHoc 2001), pp. 87-94, outubro de 2001.

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

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

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

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Análise de desempenho de protocolos de roteamento para redes Ad Hoc sem fio Fabrício Lira Figueiredo*, Marcel Cavalcanti de Castro, Marcos Antônio de Siqueira, Heloísa Peixoto de Barros Pimentel, Aníbal César Aguiar de Carvalho, José Antonio Martins Este artigo apresenta uma análise comparativa do desempenho de protocolos de roteamento para redes Ad Hoc sem fio. Uma vez descritos os protocolos AODV, DSR, DSDV, AOMDV, OLSR e ABR, simulações que permitem a comparação de desempenho entre eles, segundo um conjunto específico de métricas de Qualidade de Serviços (QoS), são realizadas. Os resultados encontrados permitem identificar e quantificar os pontos fortes e fracos de cada protocolo, gerando subsídios inclusive para a concepção de um novo protocolo de roteamento otimizado para o provimento de serviços de voz às redes Ad Hoc sem fio. O sistema resultante será de baixo custo e focado em serviços de telefonia em regiões rurais do Brasil.

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

1

Introdução

Redes Ad Hoc sem fio caracterizam-se pela dinâmica topológica e pelas limitações da transmissão impostas pelo canal de rádio. Nesse caso, protocolos apropriados devem ser adotados para o estabelecimento e a manutenção de rotas entre dois nós de uma rede Ad Hoc (origem e destino), permitindo o encaminhamento de pacotes por meio de nós intermediários quando não houver conectividade direta entre eles.

Os protocolos proativos, ou table driven, mantêm em cada nó da rede uma ou mais tabelas com informações sobre rotas para todos os outros nós da rede. Quando ocorrem alterações na rede, os nós as propagam pela rede de forma que todos os nós possam alterar suas tabelas automaticamente. A troca de informações para a atualização das tabelas gera um tráfego (de controle) adicional na rede (overhead ou cabeçalho), que aumenta significativamente com a quantidade e com a mobilidade dos nós (HAAS & TABRIZI, 1998).

Outro ponto negativo no roteamento proativo refere-se aos elevados níveis de armazenamento e processamento. Alguns exemplos de protocolos proativos são: Wireless Routing Protocol (WRP) (MURTHY & GARCIA-LUNACEVES, 1996) e Destination Sequenced Distance Vector (DSDV) (PERKINS & BHAGWAT, 1994).

Na classe de protocolos reativos, as rotas são criadas apenas quando um pacote precisa ser enviado de um nó-origem para um nó-destino, através de um procedimento de descoberta de rotas.

As rotas estabelecidas, quando interrompidas, são reconstruídas por meio de um procedimento de manutenção de rota. Em geral,

protocolos desse tipo utilizam os recursos da rede mais eficientemente, pois o overhead é gerado apenas na descoberta e na manutenção das rotas efetivamente necessárias. No entanto, o fato de nem sempre haver uma rota disponível implica um atraso maior no início da transmissão.

Alguns exemplos de protocolos reativos são o Dynamic Source Routing (DSR) (JOHNSON, MALTZ & HU, 2003) e o Ad Hoc On-Demand Distance Vector (AODV) (PERKINS, BELDINGROYER & DAS, 2003).

Os protocolos de roteamento Ad Hoc podem ainda ser classificados segundo o tipo de estrutura (hierárquicos ou planos), a quantidade de rotas estabelecidas (rota única ou múltiplas rotas) ou o posicionamento geográfico (baseados e não baseados em localização) (CÂMARA, 2000) (MURTHY & MANOJ, 2004).

Em aplicações de tempo real, algumas funções devem ser suportadas por um protocolo de roteamento Ad Hoc: • responder rapidamente às variações da topologia da rede, provocadas, por exemplo, pela mobilidade dos nós; • ser “escalável”, ou seja, ter desempenho pouco afetado pelo aumento do número de nós e do tráfego na rede; • minimizar o atraso fim-a-fim e jitter; • prover múltiplas rotas para evitar congestionamentos; • utilizar eficientemente os recursos da rede, incluindo capacidade de processamento e armazenamento.

Na literatura, diversos protocolos de roteamentos têm sido propostos, mas poucas comparações quantitativas mais abrangentes e baseadas em um conjunto de métricas e cenários orientados a serviços de tempo real têm sido publicadas.

Visando gerar subsídios para a concepção de um

*Autor a quem a correspondência deve ser dirigida: fabricio@cpqd.com.br.

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

protocolo de roteamento apropriado para o suporte de serviços de tempo real, realizou-se, neste trabalho, uma análise de desempenho quantitativa de um conjunto de protocolos de roteamento convencionais para redes Ad Hoc sem fio. Foi avaliada a escalabilidade em relação ao número de nós e à taxa de tráfego, em cenários outdoor e com topologia fixa, de acordo com o contexto do projeto em desenvolvimento no CPqD. As demais seções são organizadas da seguinte forma: a Seção 2 apresenta o funcionamento dos protocolos de roteamento selecionados, com ênfase nos mecanismos de descoberta e reconstrução de rotas. A Seção 3 traz os resultados de simulação para os cenário utilizados. Na Seção 4, são apresentadas as conclusões do trabalho, em que são sugeridas possíveis abordagens para pesquisas futuras.

2

Protocolos de roteamento para redes Ad Hoc

Neste trabalho, foi selecionado um conjunto de protocolos de roteamento para redes Ad Hoc sem fio para a realização da análise quantitativa.

Estão incluídos tanto protocolos clássicos (DSDV, DSR e AODV) como protocolos mais avançados (AOMDV, ABR e OLSR), que suportam algumas funcionalidades estratégicas para serviços de tempo real, como o suporte a múltiplas rotas e mecanismos otimizados de propagação de mensagens em toda a rede (flooding). Esses protocolos são descritos resumidamente a seguir.

2.1

Destination Sequenced Distance Vector (DSDV)

Trata-se de um protocolo proativo baseado no algoritmo de Bellman-Ford ou vetor de distâncias, mas com alguns melhoramentos para prevenir a ocorrência de loops nas rotas (PERKINS & BHAGWAT, 1994). Como em um típico algoritmo baseado em vetor de distâncias, cada nó mantém tabelas de roteamento para todos os possíveis destinos, para prevenir a ocorrência de loops, cada entrada da tabela de roteamento em um nó é marcada com um número de seqüência (sequence number) atribuído pelo nó-destino. Tais números de seqüência permitem que os nós distingam rotas antigas de rotas novas, evitando assim a formação de loops nas rotas.

O protocolo DSDV requer que cada nó anuncie, para seus atuais vizinhos, sua própria tabela de roteamento. Alterações na topologia podem ocorrer dinamicamente, então o anúncio deve ser realizado com freqüência, assegurando que cada nó da rede possa localizar outro nó. Cada anúncio realizado deverá conter um novo número de seqüência, informações de endereço de

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destino, número de saltos (hops) para alcançar esse destino, e o número de seqüência de informações recebidas do nó-destino.

Em decorrência do movimento dos nós ou das condições de propagação do canal de RF, quebras de enlace deverão ocorrer com certa freqüência na rede. A quebra de enlace pode ser detectada pelo protocolo de camada de enlace, ou a partir do não-recebimento de mensagens de broadcast dos nós vizinhos durante um intervalo de tempo pré-configurado. Quando um enlace para um próximo salto (next hop) é interrompido, os números de seqüência das rotas que contêm tal enlace também são atualizados. Essa informação de alteração de rota é imediatamente enviada por meio de broadcasts de pacotes de informações de roteamento.

Quando um nó recebe uma nova informação de roteamento, ela é comparada com a informação já disponível de um pacote recebido anteriormente. Qualquer rota com número de seqüência recente é usada, enquanto aquelas com números de seqüência antigos são descartadas. Por sua vez, uma rota com número de seqüência igual a uma já existente é escolhida se apresentar uma métrica melhor.

A aplicação do protocolo DSDV é limitada a pequenas redes Ad Hoc pois ele é baseado em trocas periódicas de informações entre os nós para a atualização das tabelas de roteamento.

Além disso, o protocolo DSDV requer que as tabelas de roteamento nos nós tenham entradas para todos os destinos possíveis.

2.2

Ad Hoc On-Demand Distance Vector (AODV)

Trata-se de um protocolo reativo (on-demand) puro, pois não é baseado na manutenção de informações sobre rotas pelos nós, tampouco na troca de informações de roteamento entre os nós (PERKINS, BELDING-ROYER & DAS, 2003).

O protocolo AODV pode ser entendido como um aperfeiçoamento do protocolo DSDV, por meio da diminuição do número de mensagens de troca de informações entre os nós para a manutenção das tabelas de roteamento. Além disso, as rotas no AODV são criadas apenas quando necessárias, evitando-se assim a manutenção de tabelas de roteamento completas.

Na operação do AODV, quando um nó (origem) deseja comunicar-se com outro nó (destino), ele (nó-origem) envia uma mensagem do tipo Route Request (RREQ) para seus nós vizinhos. Essa mensagem contém informações de endereço de origem e destino, número de seqüência, número de saltos da rota e um número identificando a mensagem de broadcast (broadcast_id).

Ao receber um RREQ, um nó pode responder ao nó-origem ou retransmitir a mensagem RREQ para seus vizinhos. Quando um nó intermediário

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

recebe uma mensagem RREQ e não possui nenhuma informação sobre uma rota até o destino indicado na mensagem, esse nó retransmite a mensagem RREQ para seus nós vizinhos, antes incrementando o campo do número de saltos. Além disso, o nó armazena informações referentes ao RREQ, como os endereços da origem e do destino e o broadcast_id, que serão utilizadas no eventual estabelecimento da rota desejada.

Se a mensagem RREQ eventualmente chegar a um nó (intermediário) que já possui uma rota válida até o destino desejado – ou que é o próprio nó-destino –, o nó responde àquele que encaminhou o RREQ com uma mensagem do tipo Route Reply Packet (RREP). Essa mensagem é encaminhada até o nó-origem, criando assim um caminho reverso para que se estabeleça a comunicação bidirecional entre os nós-origem e destino. É importante ressaltar que o protocolo AODV foi projetado para reduzir a disseminação de tráfego de controle, eliminando parcialmente o overhead no tráfego de dados, com o objetivo de aumentar a escalabilidade e o desempenho. Em contrapartida, por ser um protocolo reativo, existe a ocorrência de latências na transmissão do tráfego de dados para rotas novas na rede.

2.3

Dynamic Source Routing (DSR)

O DSR é um protocolo reativo que usa o conceito de roteamento baseado na origem. Ele é formado por dois componentes principais: a descoberta e a manutenção de rotas (JOHNSON, MALTZ & HU, 2003).

Como o DSR opera totalmente sob demanda, tanto na descoberta como na manutenção das rotas, ele não requer nenhum tipo de troca periódica de pacotes de sinalização. Dessa forma, não há transmissão de mensagens do tipo link status sensing e detecção de vizinhos.

Conseqüentemente, não há necessidade de mecanismos de detecção do estado dos links no protocolo da camada de enlace.

Esse comportamento totalmente sob demanda permite que, quando a rede estiver estacionária, o overhead de roteamento tenda a zero a partir do momento em que todas as rotas necessárias para comunicação já tenham sido descobertas. À medida que os nós se movimentam ou os padrões de comunicação mudam, o overhead de pacotes de roteamento passa a ocorrer somente na atualização de rotas em uso no instante das mudanças.

Tais características tornam o protocolo soft state, ou seja, a sessão pode ser interrompida por causa das alterações ocorridas na rede. As conexões estabelecidas são dinâmicas e seus fluxos atravessam roteadores intermediários por meio de caminhos alocados para eles por tempo limitado. Portanto, a perda de qualquer estado

não interfere na correta operação do protocolo, já que o estado pode não mais ser necessário ou, em caso contrário, pode ser redescoberto rapidamente.

A operação do protocolo DSR pode ser descrita supondo um cenário em que um nó A deseja comunicar-se com um nó B. Nesse instante, inicia-se a etapa da descoberta da rota com o envio, pelo nó-origem A, de um pacote do tipo Route Request (RREQ) a todos os seus vizinhos.

Esse pacote RREQ contém os endereços do destino (nó B) e da origem (nó A). Cada nó intermediário que recebe o pacote RREQ poderá realizar duas ações: se o nó intermediário não possuir em sua memória de rotas uma rota válida (não expirada) até o destino desejado B, então tal nó intermediário adicionará seu endereço ao pacote RREQ, retransmitindo-o a seus nós vizinhos. Eventualmente, o pacote RREQ chegará ao nó-destino B, tendo em seu conteúdo a seqüência de nós da rota empregada entre A e B. O nó-destino, então, envia ao nó-origem um pacote do tipo Route Reply (RREP), empregando o reverso da rota descoberta.

Em contrapartida, o pacote RREQ pode ser recebido por um nó intermediário que possui em seu cache uma rota até o nó-destino. Nesse caso, o nó intermediário responderá ao nóorigem A com um pacote Route Reply informando a rota descoberta. Essa rota é composta pelas rotas parciais entre o nó-origem A e o nó intermediário, bem como entre o nó intermediário e o nó-destino B. Uma vantagem do protocolo DSR é a possibilidade de não manter tabelas de roteamento nos nós, diminuindo assim a carga de processamento de pacotes nos nós, bem como o espaço de armazenamento necessário.

2.4

Associativity-Based Routing (ABR)

O Associativity-Based Long-Lived Routing (TOH, 1999) é um protocolo do tipo on-demand, que se baseia na premissa de que mecanismos de roteamento fundamentados no critério shortest path nem sempre podem ser apropriadamente aplicados a redes Ad Hoc sem fio.

O protocolo ABR define uma métrica para o estabelecimento de rotas diferentes daquelas encontradas nos protocolos anteriores. Para tanto, introduz o conceito de “grau de associatividade”, que expressa a estabilidade dos enlaces de um nó, que está relacionada com sua mobilidade em relação a seus vizinhos. A partir da avaliação da estabilidade local dos enlaces, obtém-se a estimativa de longevidade de uma rota, que corresponde à estabilidade da conexão ponto-a-ponto.

O grau de associatividade é estimado através da transmissão periódica por parte de cada nó de sinais do tipo beacon (broadcast). O objetivo central do protocolo ABR é escolher uma rota

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cujos nós intermediários possuam alto grau de associatividade, pois estatisticamente tais nós terão baixo grau de mobilidade e os enlaces associados serão mais estáveis. Dessa forma, minimiza-se o número de atualizações das tabelas de roteamento durante a transmissão.

No processo de descoberta de rotas, assim como ocorre em outros protocolos, o nó-origem envia a seus vizinhos um pacote do tipo Broadcast Query (BQ), contendo o endereço do nó-destino, entre outras informações. Ao receber o pacote BQ, um nó deverá executar os seguintes procedimentos: verificar se já processou a requisição e descartá-la em caso afirmativo. Caso contrário, verificar se é o nódestino e, se não for, acrescentar seu endereço e respectivas métricas (incluindo o grau de associatividade de seus vizinhos) ao pacote BQ, realizando um novo broadcast para os vizinhos.

Ao receber um BQ, o nó vizinho mantém apenas as informações de conectividade referentes aos enlaces com os nós vizinhos que não são vizinhos do nó anterior. Desse modo, quando o pacote BQ finalmente atingir o nó-destino, conterá o caminho percorrido pelo pacote, além dos graus de associatividade relativos aos nós que compõem aquele caminho.

Ao receber vários pacotes BQ do mesmo nóorigem, por meio de rotas distintas, o nó-destino seleciona a melhor rota (rota com maior grau de associatividade, menor número de hops ou uma seleção aleatória entre as rotas recebidas) e encaminha um pacote do tipo Reply, usando o caminho reverso descoberto pelo pacote BQ recebido. Ao receber os pacotes Reply, os nós intermediários assinalam a rota selecionada como válida e desativam todas as demais rotas para o nó-destino.

2.5

Ad Hoc On-Demand Multipath Distance Vector Routing (AOMDV)

Protocolos On-demand Multipath descobrem múltiplos caminhos entre a origem e o destino em uma simples descoberta de rota. Portanto, a descoberta de uma nova rota é necessária somente quando todos os caminhos existentes falharem. Já os protocolos de “caminho único” (single path) necessitam descobrir uma nova rota toda vez que o único caminho existente falha.

Logo, protocolos On-Demand Multipath são mais eficientes, pois reduzem as interrupções no tráfego de aplicações de dados e o overhead de roteamento.

O AOMDV (MARINA & DAS, 2001) é uma extensão do protocolo AODV. A grande diferença está no número de rotas encontradas para cada descoberta de rota. O protocolo garante também prevenção de loops e a criação de múltiplos caminhos disjuntos.

No AOMDV, a mensagem Route Request (RREQ) é propagada da origem em direção ao

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destino, estabelecendo múltiplos caminhos reversos em nós intermediários e nó-destino.

Múltiplas mensagens Route Reply (RREPs) trafegam de volta nesses caminhos reversos, formando múltiplos caminhos em direção ao destino, a partir dos nós intermediários e de origem. Para isso, o AOMDV estende as informações de roteamento já disponíveis no protocolo AODV, permitindo o gerenciamento de múltiplos caminhos.

No AOMDV, condições necessárias para a manutenção de múltiplos caminhos são empregadas, como a regra do número de seqüência, em que há manutenção de rotas somente para o mais alto número de seqüência do destino; a regra do anúncio de rotas, em que nunca se anuncia uma rota mais curta que uma já anunciada; e a regra de aceitação de rotas, em que nunca se aceita uma rota mais longa que uma já anunciada.

Nos procedimentos de descoberta e manutenção, o AOMDV procura estabelecer rotas com enlaces ou nós disjuntos, isto é, caminhos que possuem independência com relação a falhas. O protocolo garante que os enlaces sejam disjuntos por meio de um mecanismo que mantém informação do último hop (além do next hop) para cada caminho. Para cumprir essa funcionalidade, o protocolo precisa conter informação do último hop para cada caminho na tabela de roteamento. As mensagens RREQs e RREPs do AOMDV devem carregar essa informação.

Com o uso de múltiplas rotas pelo AOMDV, existem duas opções para o encaminhamento dos pacotes através das múltiplas rotas: usar um caminho por vez ou usar todos simultaneamente.

Para o protocolo AOMDV, foi escolhido o uso de um caminho por vez, na ordem em que foram estabelecidos. A segunda opção é interessante para o balanceamento de carga, sendo necessário resolver questões como quantidade de tráfego em cada caminho e reordenação de pacotes no destino.

2.6

Optimized Link State Routing Protocol (OLSR)

O Optimized Link State Routing Protocol (OLSR) é um protocolo de roteamento desenvolvido para operar em redes móveis Ad Hoc. É um protocolo do tipo proativo, no qual os nós trocam informações de topologia periodicamente. O protocolo OLSR adota o esquema de encaminhamento de pacotes baseado em tabela de rotas (CLAUSEN & JACQUET, 2003).

Para diminuir a intensidade de inundação (flooding) da rede com mensagens de sinalização, cada nó seleciona um Multipoint Relay (MPR) para propagar suas mensagens. No OLSR, somente os nós eleitos como MPRs são responsáveis por encaminhar o tráfego de

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controle, permitindo a diminuição no número dessas mensagens na rede. Os nós selecionados como MPRs anunciam para a rede informações de alcançabilidade a respeito dos nós que os selecionaram como MPR. Os nós da rede selecionam seus MPRs entre seus vizinhos de um salto. Além das funcionalidades clássicas dos protocolos de roteamento Ad Hoc, o OLSR suporta funcionalidades complementares de extensões, como a redistribuição de rotas de outras redes e a redundância de MPRs. Na operação do protocolo, cada nó escolhe um conjunto de vizinhos para retransmitir suas mensagens (denominados MPRs). Nós “nãoMPRs” recebem as mensagens de vizinhos de um hop e não as encaminham. Desse modo, os MPRs devem ser escolhidos de forma que, em termos de alcance, todos os nós a dois saltos recebam as mensagens de atualização. A seleção de MPRs pode ser descrita por diversos algoritmos, como exemplificado em Qayyum (2000). O mecanismo de escolha e notificação de MPRs é implementado por meio da troca de mensagens HELLO, em que cada nó possui e mantém informações de um conjunto de MPRs (MPR Set), para armazenamento dos MPRs do nó, e de quais nós estão usando o roteador local como MPR, respectivamente.

3

Resultados de simulação

A análise de desempenho realizada neste trabalho visa estudar o comportamento dos protocolos de roteamento para cenários de redes Ad Hoc outdoor sem mobilidade, com variações na densidade de nós da rede.

Essa análise apresenta simulações com geração de tráfego Constant Bit Rate (CBR) em diferentes taxas de envio de pacotes, com o intuito de analisar o desempenho dos protocolos de roteamento Ad Hoc para valores diferentes de densidade de nós. Os parâmetros e seus respectivos valores utilizados na simulação são apresentados na Tabela 1. Na análise, foram simulados cinco protocolos de roteamento (ABR, AODV, AOMDV, DSDV, DSR, OLSR), todos disponíveis no simulador NS-2 (Network Simulator – NS-2).

Tabela 1 Parâmetros usados pela simulação dos protocolos de redes Ad Hoc Cenário de simulação Simulador

NS-2

Número de nós

25, 50, 100, 200

Topologia simulada

Nós posicionados aleatoriamente (área: 1.000 x 1.000 m)

Modelo de propagação

Modelo plano

do

terreno

Cenário de simulação Área de cobertura

200 m

Taxa de transmissão

11 Mbit/s

Taxa de transmissão de dados

8, 16, 32, 64, 128 kbit/s

Modelo de tráfego

Constant (CBR)

Protocolo MAC

IEEE 802.11 DCF

Comprimento dos pacotes de dados

64 bytes

Bit

Rate

Foram adotadas as seguintes métricas para a avaliação de desempenho dos protocolos: • percentual de entrega de pacotes: definida como a razão entre o número de pacotes recebidos nos nós-destino e o número de pacotes gerados pelos nós-origem, correspondente a uma medida de vazão efetiva; • atraso fim-a-fim médio: consiste na diferença entre tempo de geração de pacotes na origem e o tempo de seu recebimento no destino.

Resulta do somatório dos atrasos na rede, atrasos de processamento, atrasos de bufferização, tempos de transmissão e propagação de pacotes; • jitter médio: no escopo de transmissão de dados, é a variação média no atraso de pacotes de dados causada por fatores como congestionamento da rede, pequenos deslocamentos no tempo previsto de recepção (timing drift) ou mudanças de rota; • carga de roteamento normalizada: definida como a relação entre o número de pacotes de controle de roteamento transmitidos pelo número total de pacotes (dados e roteamento) transmitidos na rede.

Os cenários analisados correspondem a um tempo de simulação de 100 segundos, com intervalo de confiança de 90%. O tráfego é transmitido sobre um único fluxo de dados entre dois nós Ad Hoc localizados nas extremidades da topologia da rede. O impacto da variação do número de nós (25, 50, 100 e 200 nós) e da taxa de geração de tráfego (8, 16, 32 e 128 kbit/s) é analisado. O tamanho de pacotes gerados é fixado em 64 bytes e a análise do impacto da variação da taxa de tráfego é realizada no cenário de 200 nós.

A Tabela 1 apresenta os resultados obtidos para o percentual de entrega de pacotes em função do número de nós para os diferentes protocolos de roteamento simulados (ABR, AODV, AOMDV, DSDV, DSR, OLSR). Verifica-se que os protocolos DSR e AOMDV apresentam o melhor desempenho, com percentual estável em torno de 100%. Os demais protocolos apresentam uma redução na taxa efetiva de entrega de pacotes,

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com o aumento do número de nós. O protocolo OLSR apresenta uma degradação de desempenho em topologias de 25 e 50 nós, que se deve à redução da eficácia dos mecanismos de seleção de MPRs em cenários de baixa densidade de nós.

Tabela 2 Razão de entrega de pacotes em função do número de nós para cada protocolo analisado Protocolo

Número de nós 25

50

100

200

OLSR

75,60

91,92

100,00

97,12

AODV

99,96

99,96

99,96

88,44

AOMDV

99,88

99,84

99,96

99,92

DSR

99,96

99,96

99,96

99,96

DSDV

99,88

99,96

97,64

85,92

ABR

99,96

99,80

99,84

83,13

O atraso fim-a-fim médio dos pacotes de dados, em virtude do aumento do número de nós na rede, pode ser visualizado na Figura 1. Entre todos os protocolos simulados, o AOMDV apresentou o menor atraso fim-a-fim, permanecendo estável em torno de 10 ms.

Verifica-se que os atrasos para os demais protocolos oscilam entre 15 e 35 ms. Observa-se ainda, para a maioria dos protocolos, uma leve

tendência de redução do nível de atraso, por causa do aumento da densidade de nós na rede, que possibilita a construção de rotas mais curtas.

A Figura 2 ilustra o comportamento do jitter médio em relação ao aumento do número de nós. Pode-se verificar que a variação da densidade dos nós afeta significativamente o nível de jitter proporcionado pelos protocolos OLSR, DSDV e ABR, chegando a 20 ms na topologia de 50 nós, com o protocolo OLSR. Os protocolos AOMDV, AODV e DSR apresentam desempenhos semelhantes, com nível de jitter estável, em valores abaixo de 5 ms.

A variação da carga de roteamento normalizada, em função do número de nós da rede, é ilustrada na Figura 3. Observa-se que os protocolos proativos (DSDV e OLSR) de fato geram maior carga de roteamento na rede. Os protocolos AODV e DSR, por sua vez, geram o menor nível de overhead de sinalização, mantendo-se abaixo de 10% em todos os casos.

As Figuras 4 e 5 apresentam os resultados de percentual de entrega de pacotes e atraso fim-afim, em função de diferentes taxas de tráfego. Na Figura 4, verifica-se que, com o aumento da taxa de tráfego, ocorre redução da razão de entrega de pacotes para os protocolos ABR, AODV, DSDV, DSR e OLSR. No caso do protocolo AOMDV, no entanto, a razão de entrega de pacotes permanece estável e próxima de 100%.

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

Número de nós

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

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

Jitter médio (CBR – 100 kbit/s)

Número de nós

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

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

Número Número Número de dede nós nós nós

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

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

Razão de entrega de pacotes (200 nós)

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

Atraso fim-a-fim médio (200 nós)

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

A Figura 5 ilustra os resultados de atraso fim-afim em função da taxa de tráfego. Constata-se que o protocolo AOMDV permaneceu com os menores valores de atraso fim-a-fim, ao passo que os demais protocolos apresentaram significativa elevação do atraso para a taxa de 128 kbit/s. Nesse cenário, o protocolo DSDV apresenta o pior desempenho, com nível de

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atraso em torno de 800 ms.

Analisando os resultados dos gráficos e das tabelas apresentados, observa-se que os protocolos reativos apresentam desempenho superior em relação aos proativos, na grande maioria dos cenários. Esse fato indica que as funcionalidades implementadas nos protocolos reativos são mais eficazes em minimizar o

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impacto do aumento do número de nós e das taxas de transmissão sobre tais métricas.

Com relação às métricas de QoS mais relevantes (atraso fim-a-fim, jitter e vazão efetiva), os protocolos AOMDV, AODV e DSR proporcionaram melhor desempenho nos cenários avaliados, como menor nível de overhead de sinalização. Deve-se, portanto, considerar o suporte à multiplicidade de rotas e aos mecanismos eficientes de descoberta e manutenção as funcionalidades recomendáveis para um protocolo de roteamento orientado a QoS. 4

Conclusão

Este trabalho apresenta uma ampla análise quantitativa do desempenho dos seguintes protocolos de roteamento para redes Ad Hoc sem fio: AODV, AOMDV, DSR, DSDV, OLSR e ABR. A partir das observações dos resultados, concluise que os protocolos reativos AOMDV, AODV e DSR são mais eficientes, no conjunto das métricas de QoS consideradas. Portanto, eles são mais indicados como referência na definição de funcionalidades estratégicas para um protocolo de roteamento orientado a QoS. Vale salientar que os resultados foram obtidos com base em cenários de topologia estática e outdoor.

Os trabalhos futuros incluem a concepção e a validação de um novo protocolo de roteamento orientado a QoS, visando suportar serviços de voz sobre IP. Também pretende-se avaliar soluções do tipo cross-layer, obtidas a partir da integração de funcionalidades de protocolos de roteamento com a camada MAC e frameworks de QoS. Referências BERTSEKAS, D.; GALLAGER, R. Data networks. 2. Ed. New Jersey: Prentice-Hall, 1992.

CÂMARA, D. Estudos de algoritmos de roteamento para redes móveis Ad Hoc. 2000.

Dissertação (mestrado em Telecomunicações) – Universidade Federal de Minas Gerais, Belo Horizonte.

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

Abstract This work shows a comparative analysis of the performance of wireless networks Ad Hoc routing protocols. AODV, DSR, DSDV, AOMDV, OLSR and ABR are presented and network simulation shows the performance of each one according to a specific Quality of Services (QoS) metric set. The results alow to identify and quantify both strong and weak features of each protocol, which leads to the definition of an entirely new, optimized routing protocol for voice service provisioning in wireless Ad Hoc networks.

The resulting product to be implemented shall provide a low cost system for telephone services in Brazilian rural regions, to be developed by CPqD. Key words: Routing protocols. Wireless Ad Hoc networks. Voice services. Quantitative analysis.

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Multiplexador Óptico Deriva/Insere Reconfigurável (ROADM) para redes WDM Júlio César R. F. de Oliveira*, Luis Renato Monte, Juliano R. F. de Oliveira, Roberto Arradi, Giovanni C. dos Santos, Alberto Paradisi Este artigo apresenta as funcionalidades, o desenvolvimento e as aplicações de um Multiplexador Óptico Deriva/Insere Reconfigurável (ROADM). A construção do ROADM tem como base um módulo de chaveamento e demultiplexação com tecnologia Planar Lightwave Circuit (PLC), que permite a inserção e retirada de canais ópticos em um sistema WDM. Além da inserção e derivação de canais de forma transparente, o ROADM oferece mecanismo de proteção rápida, interfaces de gerência (proprietária – serial e Ethernet – e SNMP), além de empacotamento mecânico compacto. A utilização de ROADMs eleva substancialmente o nível de reconfigurabilidade das redes ópticas, pois aumenta (otimiza) a capacidade de transmissão e permite a reconfiguração ou até mesmo a ativação de novos “circuitos ópticos” por meio de comandos remotos, ocasionando uma redução significativa nos custos de manutenção e de operação das redes ópticas WDM. Palavras-chave: ROADM. DWDM. Reconfigurabilidade. Proteção óptica. Redes WDM. 1

Introdução

Redes ópticas com roteamento de comprimento de onda (canais) proporcionam aos sistemas de comunicações um grande aumento em sua capacidade de transmissão por meio da otimização da utilização das fibras ópticas disponíveis nos backbones. Nesse tipo de rede, o provisionamento, a proteção e a restauração de caminhos ópticos são processos dinâmicos e automáticos. Essas funções são realizadas por meio de elementos capazes de promover a inserção e a remoção de sinais em determinados pontos da rede, proporcionando um elevado grau de reconfigurabilidade (OLIVEIRA et al., 2005).

Na implementação de uma rede óptica com multiplexação de comprimentos de onda (redes WDM), o provisionamento e a reconfiguração das rotas que a compõem representam uma necessidade fundamental, principalmente no caso das redes metropolitanas, cujos serviços de transporte de alta capacidade voltados para as grandes áreas de negócios apresentam custos excessivos que, em sua maior parte, devem-se à configuração manual da rede. As operadoras da camada óptica necessitam do provisionamento de comprimentos de onda em seus anéis DWDM metropolitanos a um custo bem menor que o oferecido pela tecnologia atualmente disponível.

Com base nessas considerações, algumas empresas fornecedoras de sistemas WDM trabalham no desenvolvimento de Multiplexadores Ópticos Deriva/Insere Reconfiguráveis (Reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexer – ROADMs), que apresentem preços acessíveis e um sistema de produção atrativo (em escala).

Muitas empresas e especialistas não consideram alto o valor de mercado de um ROADM quando considerados os benefícios resultantes de sua implementação na rede e a possibilidade de amortização total em alguns meses. O ROADM permite que os servidores de serviços abram uma janela em um computador e provisionem uma conexão fim-a-fim de maneira simples e remota. Exemplos: uma conexão Gigabit Ethernet ou qualquer outra aplicação de alta velocidade de longa distância ou na área metropolitana. Semelhantemente à Virtual Private Network (VPN), a conexão é rapidamente estabelecida quando selecionamos a origem e o destino, sendo que, no caso do ROADM, a conexão é feita na camada óptica.

Com a tecnologia DWDM instalada atualmente, que se baseia em sistemas ponto-a-ponto com Multiplexadores Ópticos Deriva/Insere Fixos (OADMs) entre os terminais, o cenário é bem diferente do descrito. Há a necessidade de configuração manual para cada serviço de nova conexão (mesmo inter-office), não só nos extremos do enlace, como em cada um dos OADMs. Para adequar as redes ópticas à dinâmica dos sistemas metropolitanos (metro ou regional), cujo tráfego é imprevisível, a reconfigurabilidade é imprescindível, uma vez que o tráfego previsto apresenta grande variabilidade em relação ao que realmente é utilizado.

Essa reconfigurabilidade será o primeiro grande impacto (e mais imediato) causado pela utilização dos ROADMs. Na Seção 2, um subsistema contendo um ROADM é apresentado e são discutidas as diferentes tecnologias de fabricação. Na Seção 3, são abordadas as novas funcionalidades

*Autor a quem a correspondência deve ser dirigida: julioc@cpqd.com.br.

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

apresentadas no cenário das redes ópticas ágeis. Em seguida, a Seção 4 apresenta o desenvolvimento da solução ROADM e as funcionalidades do módulo adquirido, assim como o plano de comunicação utilizado, a gerência e o mecanismo de proteção óptica. Por fim, é apresentada a conclusão.

2

Evolução das redes ópticas

Os ROADMs são considerados um avanço tecnológico e não uma opção de substituição dos sistemas Sonet/SDH. Por meio dos multiplexadores, o método de organização do Sonet/SDH é modificado, ou seja, em apenas um par de fibra é possível, de forma transparente, utilizar 32 ou 40 canais entre quaisquer pontos de acesso do anel, sem a predefinição de canais ou qualquer reconfiguração manual.

A Figura 1 ilustra o elemento ROADM inserido em um sistema óptico de nova geração, composto por Canal de Supervisão (OSC), Módulo Compensador de Dispersão (DCM), transponders, ROADM e amplificadores ópticos na entrada e saída do nó (METCONNEX, 2006).

O ROADM realiza as funções de inserção e retirada dos canais, assim como o controle de atenuação por canal (equalização).

based), Integrated Wavelength Selectable Switch (IWSS), entre outras – apresentam certa flexibilidade, tornando possível a utilização dos ROADMs nas mais diversas configurações de uma rede óptica. As topologias, como rede em anel, em barramento ou rede em malha, são suportadas pelos ROADMs sem a necessidade de conversão óptica-elétrica-óptica.

A tecnologia necessária para a implementação de ROADMs baseia-se em componentes discretos conhecidos como atenuadores ópticos variáveis, splitters, chaves ópticas, multiplexadores e demultiplexadores, existentes no mercado há algum tempo. No entanto, a dificuldade de integração desses componentes a um produto compacto e com a possibilidade de produção em escala eleva substancialmente o custo dos ROADMs, tornando-os inicialmente inviáveis para muitas operadoras.

Em poucos anos, a tecnologia de fabricação evoluirá significativamente, e o problema de compactação e produção em escala terá melhorado substancialmente em razão de tecnologias como a PLC (ELADA et al, 2006).

Por meio dessa tecnologia, todos os componentes ópticos necessários de uma placa (wafer) de silício são integrados e interligados, possibilitando a manufatura confiável e em grande escala.

Outras tecnologias, como as que se baseiam em MEMs (Micro-Electro-Mechanical Systems) e bloqueadores de comprimento de onda, encontram sérias barreiras relacionadas à confiabilidade e ao processo de manufatura.

3

Fonte: Metconnex 2006.

Figura 1 ROADM em um nó de uma rede óptica

Os benefícios resultantes da utilização dos ROADMs serão apresentados em etapas. A contribuição mais imediata está relacionada à equalização das perdas entre os comprimentos de onda do anel, reduzindo assim a necessidade de equipamentos capazes de elevar a potência de saída (amplificadores ou transponders) dos canais do sistema. Em um segundo momento, com o aumento da demanda por serviços para suporte de redes de armazenamento (Storage Area Networks – SANs) e outras aplicações (office-to-office), a reconfigurabilidade torna-se imprescindível.

As diferentes tecnologias utilizadas na fabricação dos ROADMs – Planar Lightwave Circuit (PLC-

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Redes ópticas ágeis (AONs)

O cenário atual no mundo das comunicações ópticas apresenta cada vez mais a tendência de reconfigurabilidade das redes. O conceito de reconfigurabilidade não se refere somente a ROADMs, mas abrange a idéia de uma rede inteiramente reconfigurável, composta por transponders sintonizáveis, amplificadores com controle de ganho e supressão de transientes, entre outros.

Esse tipo de rede permite reduzir custos por meio da otimização do desempenho das redes e da utilização da infra-estrutura de fibras ópticas existente.

Nesse contexto, o termo “redes ópticas ágeis” (Agile Optical Networks – AONs) compreende uma rede (D)WDM reconfigurável dinamicamente, projetada para acelerar os serviços triple play e habilitar aplicações avançadas na camada óptica (comprimento de onda) com significativa redução de custos.

De acordo com relatórios de mercado (OVUM, 2006), o mercado para os ROADMs – principais elementos das AONs – superará o mercado dos OADMs ainda neste ano e alcançará um crescimento de mais de 40% ao ano.

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

Rede fixa

AON

Reconfiguração

Reconfiguração

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

“Clique”

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

A natureza da reconfiguração dinâmica das AONs oferece vantagens de custo e competitividade únicas, pois possibilita aos provedores de serviços de comunicações usar de maneira mais eficiente e com maior escalabilidade a capacidade da rede, por meio de um mecanismo rápido e fácil de provisionamento e da possibilidade de modificação da topologia da rede com o uso de simples comandos no seu sistema de gerenciamento.

A Figura 2 ilustra uma comparação entre o provisionamento em uma rede fixa convencional e em uma AON. Na rede fixa, é necessário seguir os diversos passos e realizar manualmente os procedimentos em diferentes localidades. Nas redes AONs, baseadas em transponders sintonizáveis e ROADMs, a reconfiguração é realizada remotamente e em sua totalidade, de modo que todas as etapas manuais da reconfiguração em rede fixa podem ser eliminadas. A reconfiguração remota é realizada por meio do aplicativo de gerência, que deve ser instalado em um computador conectado à rede TCP/IP (DCN) da operadora detentora do sistema óptico utilizado. A reconfiguração em si é realizada por meio da gerência, que se comunica com os módulos de inserção e retirada de canais por meio de um canal de comunicação Ethernet (até o ROADM) e I2C (internamente ao ROADM).

Na interface disponibilizada com o usuário, a gerência executa qualquer reconfiguração de tráfego ou mudança de topologia da rede óptica em qualquer ROADM conectado.

Grandes empresas têm adequado seu portfólio de produtos às necessidades das AONs, permitindo que os serviços em comprimento de onda se adaptem à demanda de tráfego de forma remota e eficiente, suportando, a um custo compatível, o desenvolvimento de novos serviços.

Neste sentido, o primeiro passo para promover a migração de redes fixas para redes

reconfiguráveis é a inserção de ROADMs nas redes fixas existentes.

Os benefícios de reconfigurabilidade e proteção proporcionados pelo ROADM continuarão válidos, mesmo se utilizados na infra-estrutura das redes fixas tradicionais. Dessa maneira, o ROADM pode ser utilizado tanto como upgrade das redes fixas existentes quanto na implementação das AONs. 4

Solução ROADM em desenvolvimento

Como resposta à demanda crescente por reconfigurabilidade na camada óptica, alguns fabricantes de sistemas e componentes apresentam soluções que viabilizam a construção de ROADMs. Essas soluções encontradas no mercado se baseiam, em sua maioria, nos módulos capazes de realizar a inserção e retirada dos canais, com variações nas funcionalidades de equalização, possibilidade de proteção e a otimização para cada tipo de topologia de rede.

Entretanto, as etapas da construção do “produto” ROADM, como firmware de controle, placa de circuito impresso com suporte a controle e equalização, mecanismo de proteção, gerência e empacotamento mecânico, são realizadas por quem os adquire. Dessa maneira, a construção do produto ROADM é de responsabilidade das áreas de desenvolvimento das operadoras ou empresas de sistemas.

Para posicionar e atender as operadoras e o mercado nacional de sistemas WDM, o CPqD desenvolve uma solução ROADM, que provê, além da inserção e retirada de canais, um mecanismo de proteção rápida (< 50 ms), gerência SNMP, gerência proprietária com interfaces serial e Ethernet, além de topologia otimizada para operação em redes do tipo anel (2-D leste e oeste), que constitui a maior parte da rede, mas também com suporte para redes em

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

barramento (linha reta).

Quanto ao módulo responsável pela inserção e retirada de canais, optamos pela tecnologia PLC em virtude da alta densidade de componentes que proporcionam um compacto empacotamento, confiabilidade e da manufatura eficiente que já está provocando uma sensível queda nos preços dos módulos.

Nas próximas subseções, o módulo escolhido, o plano de comunicação entre hardware/firmware e gerência, a própria gerência e o mecanismo de proteção em desenvolvimento são apresentados.

4.1

Módulo ROADM e suas funcionalidades

74

Figura 3 Diagrama de blocos do ROADM em desenvolvimento

4.2

Plano de comunicação (hardware/ firmware/gerência) A definição do plano de comunicação entre o hardware, o firmware e a gerência é uma fase fundamental no processo de desenvolvimento do ROADM. Nessa fase de desenvolvimento, são definidos os padrões de comunicação entre as unidades de processamento e os módulos, levando em consideração a inteligência de rede desenvolvida para o ROADM. A Figura 4 apresenta um esquema das comunicações existentes no ROADM em desenvolvimento. Os módulos comunicam-se com as unidades de processamento e as unidades de processamento comunicam-se entre si e com a gerência da rede.

No ROADM, são utilizados diversos padrões de comunicações, como Ethernet, serial, SPI, entre outros. Entretanto, parâmetros como velocidade, sincronismo e segurança definem a utilização de cada um dos padrões de acordo com a função que a comunicação desempenhará no ROADM. Ethernet/Serial

UP

UP

Módulo I

Ethernet/Serial

O módulo ROADM é composto por duas unidades básicas: o Reconfigurable Optical Add Multiplexer (ROAM) – responsável pela inserção de até 40 canais e pelo controle da perda por comprimento de onda (equalização) – e o Demultiplexer (Demux) – responsável pela retirada dos canais. Em ambos os módulos, são realizadas as monitorações de potências, por canal e total, e o controle por meio da utilização de atenuadores ópticos variáveis, tanto por canal como na potência total.

Como comentado anteriormente, os módulos possuem as funcionalidades básicas para a construção de um ROADM. No entanto, toda a “inteligência” necessária (firmware de controle e operação) e as demais etapas já citadas necessitam ser desenvolvidas com base nos módulos.

A Figura 3 ilustra a arquitetura 2-D (leste e oeste) adequada para redes com topologia em anel ou em barramento, adotada pelo CPqD para o desenvolvimento do ROADM. Há duas funções básicas, uma para cada sentido, executadas no ROAM. A primeira delas, em um dos sentidos, é a divisão do sinal (canais transmitidos) e seu envio ao Demux e a outro ROAM. No Demux, para retirada dos canais que têm esse nó como ponto final, e no ROAM, para passagem dos canais que não possuem esse nó como destino final. A segunda função do ROAM é promover a inserção dos canais por meio de chaves ópticas 2x1 alocadas para cada canal, possibilitando assim, de acordo com o posicionamento da chave, a inserção de um novo canal ou a passagem expressa de um canal.

No Demux, em ambos os sentidos, é realizada a demultiplexação do sinal, assim como a monitoração por canal da potência óptica que se propaga na rede.

Dadas as funcionalidades dos módulos, o produto necessita, primeiramente, de uma infraestrutura básica capaz de energizar o módulo, comunicar-se com a gerência da rede, ler e tomar decisões com base na análise dos alarmes gerados pelo módulo, para só então poder inicializar a operação.

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

Módulo II

Figura 4 Plano de comunicação interno do ROADM 4.3

Gerência

O princípio que define as AONs é a possibilidade de reconfiguração remota da rede óptica, reduzindo drasticamente os custos de manutenção da rede e acelerando sua reconfiguração. Nesse contexto, a gerência da rede exerce um papel fundamental, uma vez que é por meio dela que se dará todo o processo de reconfiguração. Há uma grande necessidade de

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

que a gerência “visualize” e atue no ROADM de forma simples e rápida, sendo capaz de obter o status dos alarmes e de configurar novas rotas.

Para que tais funcionalidades sejam efetivadas, é importante que o ROADM possua uma rápida interface de comunicação com a gerência (padronizada ou proprietária). No ROADM em desenvolvimento no CPqD, tanto uma gerência padronizada como uma proprietária estão sendo construídas. A gerência padronizada baseia-se no protocolo Simple Network Management Protocol (SNMP) e é utilizada tanto para aquisição ou escrita de qualquer objeto da Management Information Base (MIB) definida como para a geração de traps (avisos), que informam uma máquina predefinida pelo gerente da rede sobre qualquer anormalidade na operação. A gerência proprietária é responsável pela configuração e reconfiguração da rede (realizada por meio de uma interface gráfica) e também é capaz de ler e escrever em qualquer objeto da MIB do ROADM. 4.4

Proteção na camada óptica

Nas redes fixas já instaladas, a proteção na camada óptica representa um custo muito significativo, tanto na implantação como na manutenção da rede. Usualmente, são utilizadas chaves eletroópticas na recepção de cada canal.

Algumas operadoras constroem um outro sistema para proteção, idêntico ao que está em operação. Dessa maneira, a proteção nas redes fixas atuais é substancialmente elevada, podendo inclusive aumentar em 100% o custo com a implantação.

Utilizando ROADMs e conceitos de engenharia de tráfego e proteção em redes ópticas, é possível projetar um algoritmo de proteção óptica rápido e eficiente, baseado apenas nas chaves ópticas e nos pontos de monitoração de potência presentes no ROADM. Um algoritmo com essas características está em desenvolvimento no CPqD para ser utilizado no ROADM. 5

Conclusão

O cenário atual das comunicações ópticas revela a necessidade de maior agilidade e

otimização da infra-estrutura, assim como de uma redução dos custos de manutenção das redes ópticas.

Dessa maneira, a reconfigurabilidade das redes surge como uma das soluções mais promissoras. De transponders sintonizáveis, passando por amplificadores inteligentes até ROADMs, a migração das redes fixas para as reconfiguráveis tornou-se uma tendência cada vez mais forte, principalmente após os avanços tecnológicos que possibilitaram a fabricação em escala de módulos ROADMs a preços viáveis.

O ROADM em desenvolvimento tem como finalidade não só a redução dos custos e a obtenção de um alto grau de reconfigurabilidade resultante de sua implantação, mas também o posicionamento das operadoras e do mercado brasileiro de sistemas WDM em um estado de vanguarda no que diz respeito a subsistemas ópticos. As patentes referentes às fases de desenvolvimento do ROADM e ao subsistema ROADM de 40 canais baseados em PLC, descritas neste artigo, estão sendo elaboradas para prover proteção intelectual aos resultados obtidos.

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

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

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Protocolo de controle de acesso do anel de rede de comutação óptica de pacotes Marcos Rogério Salvador*, Eduardo Mobilon, Rodrigo Bernardo, Luis Renato Monte, Vinicius Garcia de Oliveira Este artigo apresenta um protocolo de controle de acesso ao meio bastante simples e eficiente, que foi desenvolvido para regular transmissões no anel de rede com comutação óptica de pacotes que está sendo prototipado nos laboratórios do CPqD. O artigo descreve o protocolo em detalhes e analisa resultados de desempenho obtidos em experimentos de simulação computacional.

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

1

Introdução

Redes de pacotes com topologia em anel exigem protocolos de controle de acesso ao meio, conhecidos como protocolos Medium Access Control (MAC), para organizar as transmissões entre os nós que estão geograficamente distribuídos no anel. Entre os vários objetivos que um protocolo MAC deve alcançar, destacam-se alta vazão, baixo atraso e oportunidades justas de acesso ao anel.

Em Salvador et al. (2005), é descrito um protocolo MAC para a BlasteRing (SALVADOR et al., 2005) (SALVADOR et al., 2006) (MOBILON et al., 2006), uma tecnologia de anel de rede de pacotes com comutação óptica que está em desenvolvimento nos laboratórios do CPqD. Concebido para a arquitetura LightRing (CAI & FUMAGALLI, 2001), esse protocolo se baseia em um pacote de controle denominado token, que circula no anel informando quais enlaces estão disponíveis para transmissão. Nesse protocolo, a transmissão ocorre somente se os enlaces no caminho até o destinatário da transmissão estiverem ociosos, conforme indicado no token. Para garantir que os nós da rede tenham as mesmas oportunidades de transmissão, um nó de rede que tenha alocado enlaces para uma dada transmissão é obrigado a liberar esses enlaces quando o token retornar, de tal forma que esse recurso possa ser usado por um dos nós subseqüentes da rede.

Apesar da simplicidade de implementação desse protocolo, resultados obtidos em modelagem analítica (Salvador et al., 2005) mostraram que ele não apresenta um desempenho adequado, mesmo em condições de tráfego pouco realistas.

Embora o desempenho simulado seja limitado por simplificações da modelagem analítica, é evidente que, em condições de tráfego mais realistas, o protocolo será bastante ineficiente.

Há vários protocolos MAC para anéis de rede de pacotes mais eficientes disponíveis na literatura.

No que diz respeito a anéis de redes com

comutação óptica de pacotes, esses protocolos se baseiam majoritariamente na técnica de multiplexação no tempo com acesso estatístico, conhecida por slotted ring (VAN AS, 1994).

Nessa técnica, divide-se a capacidade total do anel em fatias de tempo (time slots) com duração fixa, que circulam o anel indefinidamente, oferecendo oportunidades de transmissão de pacotes aos nós do anel (conforme Figura 1).

N0 N7

N6

N1

N2

Slots

N5

N3 N4

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

Cada slot tem um cabeçalho associado para que um nó possa se sincronizar a ele e, assim, transmitir, receber ou encaminhar um pacote.

Um slot pode estar no estado vazio ou ocupado (por pacotes), conforme indicado no seu cabeçalho. A transmissão é possível somente mediante a chegada de um slot vazio.

Tipicamente, os pacotes contidos em um slot são removidos ao chegarem no seu nó destino, de forma que aquele slot possa ser reutilizado por esse nó ou por outros subsequentes.

A reutilização espacial resulta em alto desempenho na rede, porém a capacidade extra obtida com este recurso, se não controlada, pode gerar sensíveis injustiças de acesso entre os nós

*Autor a quem a correspondência deve ser dirigida: marcosrs@cpqd.com.br.

Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 2, n. 2, p. 77-83, jul./dez. 2006

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

da rede – alguns nós da rede podem ter mais oportunidades de acesso que a média e outros, menos oportunidades que a média. Essas injustiças, mesmo quando mínimas, podem afetar as camadas superiores e, portanto, devem ser evitadas.

Este artigo apresenta um protocolo MAC baseado na técnica slotted ring para o protótipo da rede BlasteRing. A Seção 2 descreve sucintamente a arquitetura da rede BlasteRing. A Seção 3 descreve o protocolo MAC em detalhes.

A Seção 4 analisa o desempenho da rede BlasteRing com o protocolo MAC descrito, a partir de resultados obtidos em experimentos de simulação computacional. A Seção 5 faz algumas considerações finais.

2

VHDL sobre um dispositivo de programável denominado Programmable Gate Array (FPGA); •

Unidade de Controle de Acesso ao meio (UCAM): responsável por encaminhamento, recepção e transmissão de pacotes ópticos.

Essa unidade está sendo implementada na linguagem C, sem sistema operacional no modo de emulação de microprocessador embarcado disponível na FPGA;

•

Unidade de Comutação Óptica (UCO): responsável pela remoção ou inserção física de pacotes ópticos do anel. Essa unidade foi implementada com multiplexadores e combinadores WDM e com Semiconductor Optical Amplifiers (SOAs), ou amplificadores ópticos baseados em semicondutores, na função de chaves ópticas rápidas do tipo liga e desliga.

BlasteRing

NMS

TX RX

TX RX

RX TX RX TX TX RX

TX RX

RX TX

UPC (C/Linux PC)

RX TX

SDH TX RX

Nó da rede óptica de pacotes

RX TX

UMR + UCAM (VHDL/FPGA) RX TX

RX TX

Ethernet

RX TX

RX TX

A arquitetura da rede BlasteRing consiste de N ≥ 3 nós conectados por R ≥ 1 par de anéis de fibra óptica de igual comprimento, sempre com a direção de transmissão de um anel oposta à direção do outro anel. Cada anel suporta C ≥ 2 lambdas ou comprimentos de onda habilitados pela tecnologia Wavelength Division Multiplexing (WDM), sendo que um desses lambdas é dedicado ao transporte de informações de controle da rede, tal como o cabeçalho do slot.

RX TX

TX RX

Informações de controle

UCO (SOA)

Dados de usuários

Figura 2 Arquitetura do nó da rede BlasteRing

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

Unidade de Plano de Controle (UPC): responsável pela oferta de serviços às redesclientes e pela reserva dos recursos da rede para atender às solicitações de serviços. Essa unidade será implementada na linguagem C/C++ sobre a plataforma Linux PC;

•

Unidade de Montagem de Rajada (UMR): responsável pela montagem de pacotes ópticos a partir de quadros Ethernet na entrada da rede e pela segregação do pacote óptico nos quadros Ethernet originais na saída da rede. Essa unidade foi implementada em

78

lógica Field

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

Na entrada de um nó, o lambda de sinalização é separado do lambda de dados.

Conseqüentemente, o cabeçalho do slot é enviado à UMR e o pacote óptico correspondente é enviado a uma Fiber Delay Line (FDL), ou linha de atraso baseada em fibra. Esse atraso é necessário para garantir que a UCO esteja configurada adequadamente, conforme determinação da UCAM, após o processamento do cabeçalho do slot, quando o pacote óptico chegar à UCO. Saindo da FDL, o pacote óptico passa pelo demultiplexador WDM e chega à UCO correspondente. Nesse ponto, o pacote óptico é derivado (removido da fibra e recebido), encaminhado ou derivado e encaminhado (no caso de multicast ou broadcast). Nesse ponto também pode ser inserido um novo pacote óptico no anel, segundo determinação da UCAM. O tempo estimado para o processamento do cabeçalho é de 1 microssegundo, o que no nosso projeto resulta em uma FDL com 200 metros de comprimento. Esse tempo é bastante conservador e pode ser facilmente reduzido a 500 nanossegundos.

Na saída do nó, o pacote óptico encaminhado ou inserido é multiplexado, juntamente com seu cabeçalho correspondente, seguindo em direção ao nó seguinte.

3

Protocolo MAC

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

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

...

Segmento 1

PS

Quadros Ethernet

CRC

...

BP

L1

PS

Lh

Carga útil

CRC

Cabeçalhos

Quadros Ethernet

BP

∆t Pacote de cliente

Preâmbulo Cabeçalho

CRC

Pacote óptico

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

NOS

(SALVADOR et al., 2006). O protocolo que será descrito a seguir foi escolhido para ser integrado ao protótipo da rede BlasteRing por seu compromisso com alto desempenho e facilidade de implementação.

O protocolo consiste em dois algoritmos, um responsável pelo controle de acesso propriamente dito e outro responsável pela justiça de acesso.

O algoritmo de controle de acesso é uma versão modificada do algoritmo do protocolo Packet Aggregate Transport (PAT) (SALVADOR, 2003).

Nesse algoritmo, a capacidade total do anel é dividida em fatias de tempo com duração fixa, tal como qualquer protocolo do tipo slotted ring.

Cada slot pode transportar um único pacote óptico, que, por sua vez, pode transportar um ou mais pacotes de dados (quadros Ethernet). Um pacote óptico nada mais é do que uma rajada no domínio óptico, após ter sido transmitida.

Cada slot possui um cabeçalho, que é convertido para o domínio eletrônico e processado em cada nó da rede para que este possa determinar se o slot está vazio ou, caso esteja ocupado, em que lambda está o pacote correspondente e o que fazer com esse pacote. A Figura 3 ilustra a organização entre cabeçalhos, slots e pacotes.

Segmento n

Figura 4 Estrutura do pacote óptico

A transmissão de uma rajada é possível somente mediante a chegada de um slot vazio.

Diferentemente de PAT, em que um slot pode ser alocado para transmitir um pacote óptico que contenha um único pacote de dados, independentemente de seu tamanho, nesse algoritmo, a alocação de um slot vazio ocorrerá somente se houver uma rajada pronta para transmissão. Em função das decisões de engenharia de tráfego ou de roteamento tomadas pela UPC, uma rajada pronta para transmissão poderá ser enviada em um slot vazio somente se o slot e o lambda em que a rajada está para ser transmitida forem aceitáveis do ponto de vista de engenharia de tráfego ou de roteamento.

O pacote óptico contido em um slot é removido ao chegar ao destino para que esse slot possa ser reutilizado por aquele nó ou por outros subseqüentes. A desmontagem da rajada ocorre conforme explicado anteriormente.

L2

Slot chega

Li

Não Sou o destinatário?

LC-1

Sim

Slots

Sim

Não

tem crédito?

Não

Sim Seleciona pacote óptico Atualiza crédito

Deriva pacote óptico Atualiza cabeçalho Atualiza cabeçalho

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

A Figura 4 apresenta a estrutura de um pacote óptico. O campo Preâmbulo contém uma seqüência de palavras especiais para permitir a sincronização do receptor com o pacote óptico. O campo Carga útil subdivide-se em vários segmentos de tamanho fixo, cada um contendo um ou mais quadros Ethernet. A segmentação permite que os recursos do buffer de recepção sejam alocados e liberados a cada segmento, ao invés de a cada rajada, reduzindo os custos e tornando o projeto aplicável a qualquer tamanho de rajada. Todo segmento contém um campo com bytes de preenchimento (Bytes of Padding – BP), um campo definindo o tamanho do campo BP (Padding Size – PS) e um último campo de verificação de integridade do quadro (Cyclic Redundancy Check – CRC). O campo Cabeçalho contém um campo que indica o número de

Slot vazio?

Transmite cabeçalho Transmite cabeçalho

Transmite pacote óptico

Figura 5 Algoritmo de controle de acesso

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

O segundo algoritmo é responsável por evitar que alguns nós da rede tenham mais oportunidades de acesso que outros. Nesse algoritmo, que é uma versão modificada do algoritmo do protocolo SAT (CIDON & OFEK, 1993), um sinal de controle denominado Satisfied (SAT), implementado por um bit no cabeçalho dos slots (1-SAT presente; 0-SAT ausente), circula pelos nós do anel, atribuindo cotas de transmissão (em unidade slot) predeterminadas.

Se o nó que recebe o SAT possuir pelo menos

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

uma rajada para transmitir e ainda não tiver transmitido L rajadas, então esse nó reterá o SAT (atualizando em 0 o bit apropriado do cabeçalho do slot que trouxe o SAT), até que não haja mais rajadas para transmitir ou que tenham sido transmitidas L rajadas. A não-liberação do SAT impede que os outros nós tenham suas cotas renovadas, fazendo com que, em algum momento, parem de transmitir. Permitem que o nó que possui o SAT tenha oportunidades para utilizar sua cota. Uma vez satisfeito, o nó libera o SAT (atualizando em 1 o bit apropriado do cabeçalho do primeiro slot que aparecer).

então a rajada será descartada e o slot será marcado como vazio, podendo ser reutilizado pelo próprio nó para a transmissão de uma nova rajada ou por nós subseqüentes; •

Reservado: reservado para uso futuro. Este campo não é processado;

•

CRC (Cyclic Redundancy Check): calculado sobre o conteúdo de todos os outros campos, permite a cada nó determinar se o cabeçalho está integro. Ao receber o cabeçalho, todo nó calcula um CRC sobre o conteúdo do cabeçalho, excluindo o campo CRC, e o compara com o CRC contido no cabeçalho.

Se forem diferentes, o que indica um erro de integridade, então a rajada (se houver uma) será descartada e o slot será marcado como vazio. O campo F também será marcado com zero, independentemente do seu valor anterior. Cabe ao nó mestre detectar a ausência do SAT e reinseri-lo na rede. Antes de enviar o slot para o próximo nó, o nó calcula o CRC sobre o novo cabeçalho e atualiza o campo CRC do cabeçalho com esse novo CRC.

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

Chega slot

SAT está presente?

Sim

Não

Possui SAT? Não

Há pacote óptico a transmitir?

Não

Sim

Sim

Exauriu crédito de transmissão?

Sim

Renova crédito e encaminha SAT

Não Retém SAT

Figura 6 Algoritmo de justiça de acesso

A estrutura do cabeçalho do slot, que na versão em prototipagem ocupa 32 B, contém os seguintes campos:

Os tamanhos dos campos estão reduzidos visando ao processamento do cabeçalho do slot e à execução das ações correspondentes em 1 microssegundo. Esses campos podem ser facilmente aumentados para os tamanhos adotados na indústria, com o uso de um processador de cabeçalho de maior desempenho.

Os dois algoritmos estão sendo implementados em C (sem sistema operacional), no modo de processador embarcado disponível na FPGA (denominado NIOS-II), o que traz alto desempenho e simplifica enormemente o desenvolvimento dos protocolos.

•

S (Status): campo que indica se o slot está vazio (0) ou ocupado (1). Um slot vazio contém os campos S, TTL, DA, SA e Reservado preenchidos com zeros;

•

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

4

•

TTL (Time-to-Live): campo que indica o número máximo de hops (nós) que a rajada contida no slot pode atravessar no anel. Cada nó da rede decrementa esse campo em um, toda vez que encaminha o slot para o próximo nó. No entanto, se o valor for zero, o nó descartará a rajada contida no slot e marcará o slot como vazio;

•

DA (Destination Address): campo que indica o destinatário daquele slot. Se DA for igual ao endereço do nó que está processando o slot, então a rajada será recebida e o slot será marcado como vazio, podendo ser reutilizado pelo próprio nó para a transmissão de uma nova rajada ou por nós subseqüentes;

•

SA (Source Address): campo que indica o remetente daquele slot. Se SA for igual ao endereço do nó que está processando o slot,

Os resultados de desempenho da rede, apresentados nesta seção, foram obtidos em um simulador computacional de eventos discretos desenvolvido na linguagem Java. Seguindo as recomendações de Pawlikowski, Joshua-Jeong e Ruth-Lee (2002), o simulador usa intervalo de confiança como critério de parada e o gerador de números pseudo-aleatórios Mersenne Twister (MATSUMOTO & NISHIMURA, 1998), contido na biblioteca Colt-lib, desenvolvida pela Organização Européia para Estudos Nucleares (CERN).

Nos experimentos, foi considerada uma rede com 16 nós ligados por um anel de 100 km de extensão, com uma única fibra óptica e um único comprimento de onda para o transporte de dados (numa única direção).

Resultados de experimentos realizados com mais comprimentos de onda de dados, seja com uma única fibra óptica ou com duas fibras ópticas transmitindo

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Análise de desempenho

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

em direções opostas, com roteamento pelo menor caminho, não apresentados neste trabalho, confirmaram que o desempenho da rede aumenta linearmente com o aumento do número de comprimentos de onda de dados.

A taxa de transmissão e o tamanho dos slots adotados nos experimentos é de 10 Gbit/s e 64 kB de tamanho equivalente. O tamanho do slot é suficiente para compensar o tempo de processamento de cabeçalho, equivalente a 10 kbit por slot, resultando numa ineficiência de transporte de 13,5%.

Foram considerados dois cenários de tráfego: simétrico e assimétrico. No primeiro, todos os nós geram a mesma carga de tráfego para todos os outros nós da rede. No segundo, o nó 16 gera a mesma carga de tráfego para os outros nós, enquanto os nós de 1 a 15 geram 50% do tráfego para o nó 16 e o restante para os outros nós de forma balanceada.

Nos dois cenários, a chegada de pacotes segue o modelo de Poisson e os tamanhos dos pacotes derivam-se da distribuição apresentada em Claffy, Miller e Thompson (1998), porém considerando IPv6: 64 B (60%); 596 B (15%); 700 B (5%); 800B (5%); 1.100 B (7%); 1.500 B (8%). Foram assumidos quatro tamanhos de rajada: 64 B (nesse caso um único pacote em uma fila já constitui uma rajada), 16 kB, 32 kB e 64 kB. Todos os resultados estão dentro do intervalo de confiança de 90%.

A Figura 7 apresenta a vazão total da rede em função da carga total injetada na rede no cenário simétrico. A vazão total consiste na soma da vazão de cada nó, que é determinada pela razão entre o total de bytes de dados transmitidos e a capacidade (em bytes) disponibilizada para aquele nó durante o experimento.

64 B

16 kB

32 kB

64 kB

180%

140%

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

Tamanho da rajada

Carga 50%

100%

150%

64 B

3,8 ms

3,8 ms

4,2 ms

16 kB

3,7 ms

3,8 ms

4 ms

32 kB

7 ms

3,6 ms

4 ms

64 kB

13 ms

6,5 ms

4,5 ms

Pelos números contidos na Tabela 1, percebe-se que, a baixas cargas, as rajadas menores levam a atrasos mais baixos, o que é compreensível uma vez que, apesar de os slots trafegarem subutilizados, ainda não ocorre uma competição tão grande por eles. A situação começa a se inverter a partir de 100% de carga, quando a competição por slots torna-se acirrada. Nessa condição, a espera pela montagem de rajadas maiores, resultando no uso mais eficiente dos slots, mostra-se vantajosa.

A Figura 8 apresenta o grau de justiça da rede em função da carga total injetada na rede no cenário simétrico. O grau de justiça nesse cenário é determinado pela razão entre a vazão do nó com maior vazão e a vazão do nó com menor vazão. Quanto mais próximo de 1, melhor é a justiça de acesso da rede.

64 B

120%

16 kB

32 kB

64 kB

99,95%

100% 80%

99,90%

60% 40%

Grau de justiça

Vazão total da rede

160%

(apenas 9) disponíveis na rede e do tamanho das rajadas, o que dificulta o acesso e gera um certo acúmulo de pacotes nas filas, nos nós da rede.

Esse acúmulo tem reflexos nos atrasos médios sofridos pelos pacotes, conforme Tabela 1.

Atraso médio consiste na média dos atrasos sofridos por todos os pacotes, do momento em que entram na fila até o momento em que são completamente transmitidos. Também reflete na taxa de descarte de pacotes, embora a 150% de carga não ocorra uma perda de pacotes sequer.

20% 0% 25%

50%

75%

100%

125%

150%

175%

200%

Carga

99,85% 99,80% 99,75% 99,70% 99,65%

Figura 7 Vazão total da rede sob tráfego simétrico

As curvas mostram que o tamanho de rajada não influenciou a vazão da rede e que em todos os casos foram obtidas vazões bastante altas. Notase que as vazões estão ligeiramente abaixo da carga injetada. Isso ocorre por causa do tamanho dos slots, do baixo número resultante de slots

25%

50%

75%

100% 125% 150% 175% 200% Carga

Figura 8 Grau de justiça de acesso sob tráfego simétrico

As curvas mostram que, apesar das pequenas variações, o tamanho da rajada não influenciou de forma considerável o grau de justiça da rede,

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

que em todos os casos foi próximo do ótimo.

A Figura 9 apresenta a vazão total da rede em função da carga total injetada na rede no cenário assimétrico. As curvas mostram a influência do tamanho da rajada na vazão total da rede.

Quanto maior a rajada, maior é a vazão alcançada. Isso ocorre porque no cenário assimétrico a competição pelos slots é bastante acirrada, mesmo a baixas cargas. Portanto, quanto maior a rajada transmitida em um slot, mais eficiente é a sua utilização e, conseqüentemente, melhor são os parâmetros de desempenho.

64 B

16 kB

32 kB

64 B

64 kB

Grau de justiça (%)

100% 80% 60% 40% 20% 0% 25%

50%

75%

100%

125% 150% 175%

200%

Carga

64 kB

Figura 10 Grau de justiça de acesso sob tráfego assimétrico

140% Vazão total da rede

32 kB

120%

160%

120% 100%

5

80%

Conclusão

60% 40% 20% 0% 25%

50%

75%

100%

125%

150%

175%

200%

Carga

Figura 9 Vazão total da rede sob tráfego assimétrico

Assim como no cenário simétrico, e pelo mesmo motivo, a vazão não aumenta na mesma proporção que a carga. O acúmulo de pacotes nas filas ocorre já a baixas cargas, sendo que a taxa de descarte de pacotes é maior para rajadas de tamanhos menores. Por exemplo, para o tamanho de rajada de 64 B, descartes de pacotes já ocorrem em algumas filas de alguns nós a uma carga de apenas 25%, sendo que para o tamanho de rajada de 64 kB, isso ocorre somente quando a carga está próxima de 75%.

Portanto, no cenário assimétrico, fica ainda mais evidente a necessidade do uso eficiente dos slots.

A Figura 10 apresenta o grau de justiça da rede em função da carga total injetada na rede no cenário assimétrico – apesar da diferença na distribuição do tráfego, o total de tráfego gerado em cada nó da rede é o mesmo e, portanto, aplica-se o mesmo cálculo de grau de justiça do cenário simétrico.

As curvas apresentadas na Figura 10 são um reflexo das curvas apresentadas na Figura 9 e das explicações daquelas curvas. Nota-se que, quanto menor o tamanho da rajada, maior é a degradação do grau de justiça em função da carga da rede. Isso ocorre em virtude do uso mais eficiente dos escassos recursos de rede (slot) com rajadas de tamanho maior e por causa da limitação de SAT+ (e outros derivados de SAT) em lidar com distribuições assimétricas de tráfego (SALVADOR, 2003).

82

16 kB

Vários protocolos MAC têm sido concebidos e estudados neste projeto, que busca o desenvolvimento de uma arquitetura inovadora de rede fundamentada na comutação óptica de pacotes, culminando em um protótipo de rede para prova de conceito.

O protocolo MAC descrito neste trabalho foi selecionado para ser implementado e integrado nesse protótipo de rede, cuja arquitetura é denominada BlasteRing. A seleção desse protocolo em detrimento de outros se deve a seu bom compromisso entre desempenho e complexidade de implementação.

A complexidade de implementação é um item fundamental em redes com comutação óptica de pacotes, afinal, nessas redes o grande gargalo é o processamento eletrônico, não a transmissão.

As figuras de desempenho apresentadas neste trabalho consideram slots de 64 kB em função do tempo de processamento de cabeçalho de 1 microssegundo. Esse tempo pode ser facilmente reduzido para 500 nanossegundos, o que resultaria em slots de 32 kB e, conseqüentemente, no dobro do número de slots. Conforme comprovado em Salvador (2003), o número de slots disponíveis no anel afeta consideravelmente o desempenho do anel, principalmente em condições acirradas de competição por slots, como em cenários de tráfego com distribuição assimétrica.

Patentes estão sendo solicitadas para esses desenvolvimentos.

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

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

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

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Provas de conceito de aplicações para TV digital interativa com o propósito de promover a inclusão digital no Brasil Sônia Mayumi Kutiishi, Lara Schibelsky Godoy Piccolo Avaliação de projetos e soluções inovadoras em inclusão digital Cláudia de Andrade Tambascia, Marcos de Carvalho Marques, Luciano Maia Lemos, José Manuel Martin Rios, Daniel Moutinho Pataca, Romulo Angelo Zanco Neto, Giovanni Moura de Holanda, Juliano Castilho Dall'Antonia Redes sociais e disseminação de inovações tecnológicas: uma modelagem por agentes aplicada ao caso da TV digital brasileira Ismael Mattos Andrade Ávila, José Carlos Lima Pinto, Luciano Maia Lemos, Giovanni Moura de Holanda Análise técnica e de custos de implantação de rede WiMAX para provisão de serviços de telefonia Roberto Petry, Carlos Henrique R. Oliveira, José Antonio Martins Avaliação da dinâmica de comportamento de redes Ad Hoc através de simulações Heloísa Peixoto de Barros Pimentel, Fabrício Lira Figueiredo, José Antonio Martins Análise de desempenho de protocolos de roteamento para redes Ad Hoc sem fio Fabrício Lira Figueiredo, Marcel Cavalcanti de Castro, Marcos Antônio de Siqueira, Heloísa Peixoto de Barros Pimentel, Aníbal César Aguiar de Carvalho, José Antonio Martins Multiplexador Óptico Deriva/Insere Reconfigurável (ROADM) para redes WDM Júlio César Rodrigues F. de Oliveira, Luis Renato Monte, Juliano Rodrigues F. de Oliveira, Roberto Arradi, Giovanni Curiel dos Santos, Alberto Paradisi Protocolo de controle de acesso do anel de rede de comutação óptica de pacotes Marcos Rogério Salvador, Eduardo Mobilon, Rodrigo Bernardo, Luis Renato Monte, Vinicius Garcia de Oliveira

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ISSN 1809-1946