Perspectivas para o desenvolvimento tecnológico em telecomunicações no contexto do PNBL by CPqD

PERSPECTIVAS PARA O DESENVOLVIMENTO TECNOLÓGICO EM TELECOMUNICAÇÕES NO CONTEXTO DO PNBL RELATÓRIO DETALHADO

20/10/2011

Perspectivas para o Desenvolvimento Tecnológico em Telecomunicações no Contexto do PNBL

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Título:

PERSPECTIVAS PARA O DESENVOLVIMENTO TECNOLÓGICO EM TELECOMUNICAÇÕES NO CONTEXTO DO PNBL – RELATÓRIO DETALHADO

Arquivo:

Relatorio_Perspectivas_Desenv_Tec_Telecom_20out2011.DOC

Código: Elaboradores:

Antonio Carlos Bordeaux Rego, Claudio de Almeida Loural, Marco Antonio Ongarelli, Moacir Giansante, Takashi Tome, Tania Regina Tronco, Aldionso Marques Machado

Revisores:

Moacir Giansante, Antonio Carlos Bordeaux Rego

Aprovador:

Antonio Carlos Bordeaux Rego

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Sumário Prefácio .................................................................................................................................................. 6 Apresentação ......................................................................................................................................... 8 Agradecimentos .................................................................................................................................... 8 1

Introdução ................................................................................................................................... 10

Contextualização ......................................................................................................................... 12

2.1

Banda larga e o contexto do PNBL ................................................................................... 12

2.2

A organização do setor de telecomunicações .................................................................. 12

2.3

Visão topológica da rede .................................................................................................... 14

Demanda, oferta e capacidade de P&D.................................................................................... 16 3.1

Panorama geral da demanda ............................................................................................ 16

3.2

Panorama geral da oferta .................................................................................................. 17

3.3

Capacidade de desenvolvimento tecnológico: indústria nacional ............................... 18

3.4

Capacidade de desenvolvimento tecnológico: universidades e institutos de P&D .... 20

Perspectivas futuras das redes .................................................................................................. 22 4.1

Tecnologias potencialmente relevantes para o mercado brasileiro ............................. 22

4.1.1

Backbone e transporte ............................................................................................... 23

4.1.2

Redes metropolitanas/backhaul .............................................................................. 24

4.1.3

Redes de acesso ........................................................................................................... 25

4.2

Metodologia de análise ...................................................................................................... 30

4.3

Áreas temáticas selecionadas ............................................................................................ 32

Comunicações sem fio ................................................................................................................ 35 5.1

Tendências tecnológicas .................................................................................................... 35

5.2

Segmento backhaul ............................................................................................................ 38

5.2.1

Demanda do mercado brasileiro .............................................................................. 39

5.2.2

Oferta dos fornecedores nacionais ........................................................................... 40

5.3

Segmento acesso (WMAN – celular) ............................................................................... 40

5.3.1

Acesso local (LAN ou WLAN) ................................................................................... 43

5.3.2

Demanda do mercado brasileiro. ............................................................................. 44

5.3.3

Oferta do mercado brasileiro .................................................................................... 44

5.4

Oportunidades de desenvolvimento tecnológico em comunicações sem fio.............. 44

5.4.1

Tecnologias de banda larga sem fio 4G: LTE Advanced ....................................... 44

5.4.2

WiMAX 802.16M ........................................................................................................ 49

5.4.3

Rádio definido por software (SDR) e rádio cognitivo ............................................ 49

5.4.4

Plataformas de RF e ”dirty-RF” ................................................................................ 51

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Comunicações entre máquinas e objetos (M2M) ................................................... 51

5.5

Capacidade de P&D e estratégia tecnológica das empresas.......................................... 52

5.6

Capacidade das instituições de P&D ................................................................................ 54

5.7

Desafios e oportunidades .................................................................................................. 54

5.7.1

Soluções de nicho – Curto/médio prazo ................................................................. 55

5.7.2

Produção de partes, módulos ou subsistemas do LTE-A – Médio/longo prazo 55

5.7.3

Soluções sistêmicas – Longo prazo .......................................................................... 55

Comunicações ópticas ................................................................................................................ 58 6.1

Tendências tecnológicas .................................................................................................... 58

6.2

Backbone.............................................................................................................................. 61

6.2.1

Sistemas ópticos .......................................................................................................... 61

6.2.2

Transporte (OTN) ....................................................................................................... 62

6.2.3

Demanda: mercado brasileiro................................................................................... 64

6.2.4

Oferta: fornecedores nacionais ................................................................................. 64

6.3

Acesso ................................................................................................................................... 65

6.3.1

Demanda: mercado brasileiro................................................................................... 67

6.3.2

Oferta: fornecedores nacionais ................................................................................. 67

6.4

Capacidade de P&D e estratégia tecnológica das empresas.......................................... 68

6.5

Capacidade das instituições de P&D ................................................................................ 68

6.6

Desafios e oportunidades para o Brasil ........................................................................... 69

Comunicação de dados .............................................................................................................. 71 7.1

Tendências tecnológicas .................................................................................................... 73

7.1.1

Roteadores ................................................................................................................... 73

7.1.2

Comutadores Carrier Grade Ethernet...................................................................... 76

7.1.3

Comutadores para redes de centros de dados (data centers) ............................... 77

7.1.4

Sumário ........................................................................................................................ 77

7.2

Demanda do mercado brasileiro ...................................................................................... 79

7.3

Oferta: fornecedores nacionais ......................................................................................... 81

7.4

Capacidade de P&D e estratégia tecnológica das empresas.......................................... 82

7.5

Capacidade das instituições de P&D ................................................................................ 82

7.6

Desafios e oportunidades para o Brasil ........................................................................... 82

Recomendações .......................................................................................................................... 86 8.1

9 10

Considerações finais ........................................................................................................... 90

Conclusão ..................................................................................................................................... 93 Siglas e acrônimos .................................................................................................................. 93

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Prefácio O BNDES tem tido um importante papel na modernização das telecomunicações no Brasil. A atuação do Banco, além de propiciar à expansão da rede e a universalização dos serviços, estimula o desenvolvimento industrial e tecnológico brasileiro e incentiva a demanda por equipamentos e sistemas de software desenvolvidos no País. O momento por que passa o setor de telecomunicações é de um novo ciclo de investimentos, bastante marcado pelo aprimoramento tecnológico da infraestrutura das redes, especialmente por conta do advento da comunicação de dados em banda larga. No Brasil, um forte indutor desse processo é o Plano Nacional de Banda Larga, o PNBL. Estima-se que a taxa de investimentos no período de 2010 a 2013 deva girar em torno de R$ 17 bilhões por ano, um montante bastante significativo. Por outro lado, nossa estrutura produtiva no setor é predominantemente importadora, com baixa densidade da cadeia de fornecimento, o que gera déficits comerciais comparáveis ao volume de investimentos. Configura-se, portanto, uma excelente oportunidade para uma ação mais decisiva no sentido de fortalecer o desenvolvimento tecnológico e a produção local de bens de telecomunicações. O Brasil dispõe de instrumentos para agir, como é o caso do FUNTTEL - Fundo para o Desenvolvimento Tecnológico de Telecomunicações, tendo o BNDES e a FINEP como agentes. Há ainda outras fontes como o FUNTEC, Fundo Tecnológico gerenciado pelo BNDES e o FNDCT – Fundo Nacional de Desenvolvimento Tecnológico, gerenciado pela FINEP. Tanto o BNDES quanto a FINEP estão capacitados para atuar ativamente no mercado, dispondo inclusive de linha estruturadas de financiamento preferencial para o desenvolvimento tecnológico nacional. A principal questão que se coloca, então, é para onde direcionar essas ações: quais são as oportunidades que o Brasil pode aproveitar de modo a ter maiores chances de sucesso? Quais as novas frentes tecnológicas que devem ser perseguidas? Procuramos o CPqD com o desafio de responder a essa pergunta, tendo como foco o segmento de equipamentos de rede. A resposta está consolidada neste relatório que tenho a satisfação de prefaciar. O relatório é o retrato de um estudo que tomou vários meses e que, além do conhecimento técnico e tecnológico da equipe do CPqD, contou com informações coletadas em entrevistas com indústrias nacionais, empresas operadoras, membros da comunidade de ciência e tecnologia e especialistas estrangeiros. Partindo de uma perspectiva tecnológica, o estudo abordou também questões relacionadas à demanda de mercado e à capacitação existente no País. O relatório do CPqD apresenta um amplo painel sobre as tendências tecnológicas das telecomunicações, os pontos fortes e fracos do Brasil e uma série de recomendações que constituem matéria-prima de excelente qualidade para subsidiar a formulação e implementação de ações práticas por parte dos atores envolvidos nas políticas do setor. Ao ler o relatório, fica claro o imperativo do desenvolvimento tecnológico: para o Brasil, não adianta tentar competir com tecnologias maduras, porque elas já têm custo reduzido. Devemos voltar nossa atenção e nossos olhares para o futuro, identificar as trajetórias em evolução ou transição e investir em capacitação e inovação. Como bem destacado nas conclusões do trabalho, o êxito de políticas públicas voltadas para o desenvolvimento tecnológico e industrial em áreas dinâmicas, como, por exemplo, a de

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telecomunicações, depende fortemente de uma coordenação eficaz, e esse é um papel que cabe aos órgãos de governo assumir. Em conclusão, gostaria de deixar registrado aqui o meu agradecimento à equipe do CPqD pelo trabalho realizado, respondendo à altura o desafio que lhes propus.

Rio de Janeiro, 20 de outubro de 2011. Alan Fischler Chefe do Departamento de Indústrias de Tecnologia de Informação e Comunicação* do BNDES *Departamento responsável pelo apoio aos projetos de TIC

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Apresentação Este trabalho foi realizado pela Fundação CPqD, por solicitação do Departamento de Telecomunicações do BNDES, com o objetivo de identificar as oportunidades de desenvolvimento tecnológico em telecomunicações com potencial para aumentar a competitividade das indústrias nacionais. Tem como foco as tecnologias associadas à comunicação em banda larga, no contexto do Programa Nacional de Banda Larga (PNBL), que inclui entre seus objetivos o aumento da autonomia tecnológica e da competitividade brasileiras1. O objeto principal do estudo foi o segmento de tecnologia da rede (sistemas, equipamentos e infraestrutura). A abordagem adotada focalizou quatro vertentes: a prospecção tecnológica, a demanda no País, a oferta das empresas nacionais e a capacidade de P&D no País. As informações foram coletadas de diferentes formas. A primeira foi a realização de entrevistas semiestruturadas com empresas de tele-equipamentos de capital nacional, prestadoras de serviços de telecomunicações com licença de operação no Brasil e instituições de ciência e tecnologia nacionais (universidades e centros de P&D). A segunda forma de coleta de informações se deu por meio de uma série de apresentações e discussões técnicas com consultores estrangeiros e brasileiros, que trouxeram visões sobre tendências de médio e longo prazos nas áreas tecnológicas que complementaram o conhecimento da equipe e dos colegas do CPqD consultados. A equipe de consultores contou com: professor Gerhard Fettweis, da Universidade de Dresden, Alemanha, para a área de comunicações sem fio; doutor Atul Srivastava, ex-pesquisador do Bell Labs e atualmente consultor independente na área de comunicações ópticas; e professor. Jonathan Chao, do Instituto Politécnico da Universidade de Nova York, na área de comunicação de dados. Adicionalmente, professor Ryuji Kohno, da Universidade de Yokohama, contribuiu com comentários na área de comunicações sem fio. Agradecemos também as contribuições e discussões com o professor Stephan Kovach, da USP, na área de comunicação de dados.

Agradecimentos Os autores agradecem ao doutor Alan Fischler, chefe do Departamento de Indústrias de Tecnologia de Informação e Comunicação do BNDES, que formulou a encomenda do trabalho original sobre o desenvolvimento tecnológico em telecomunicações no Brasil e que instigou várias questões estudadas pelos autores. Agradecem também à Fundação CPqD pelo suporte concedido durante todo o trabalho e aos diversos colegas com quem tiveram oportunidade de discutir sobre a evolução tecnológica do setor. Agradecem ainda às organizações e a seus representantes, que gentilmente nos atenderam para nossas entrevistas: Embratel, Oi, Telefonica, Unotel, AsGa, Padtec, WxBR, Gigacom, Parks, Digitel, Datacom, Icatel, Trópico, Inatel, FITec, CETUC/PUC-Rio, PUC-RS, UFRGS, Poli-USP e SENAI-CETA. Ao longo do trabalho, tivemos a colaboração do colega Rodrigo Lima Verde Leal e contamos com discussões com Alberto Paradisi, Fabrício Figueiredo e vários outros membros do staff técnico do CPqD. Ao colega Moacir Giansante agradecemos pelo trabalho de revisão e pelas sugestões para o texto. 1

BRASIL. Decreto nº 7.175, de 12 de maio de 2010. Diário Oficial da União, Brasília, 13 de maio de 2010, Seção

1, p. 03.

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Parte do trabalho teve o apoio do Projeto ARCMIP (Arquitetura de Rede para Comunicações Móveis sobre Internet Protocol), o qual contou com recursos do Fundo para o Desenvolvimento Tecnológico das Telecomunicações (FUNTTEL), através do Convênio nº 002/2007 com o Ministério das Comunicações.

Campinas, 22 fevereiro de 2011.

Antonio Carlos Bordeaux Rego Claudio de Almeida Loural Marco Antonio Ongarelli Aldionso Marques Machado Tania Regina Tronco Takashi Tome

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1 Introdução Recentemente, o BNDES projetou inversões de R$ 67 bilhões no setor de telecomunicações até 20132. Segundo Alan Fischler, chefe do Departamento de Indústrias de Tecnologia de Informação e Comunicação do BNDES, a comunicação de dados deve ser o principal segmento a movimentar os investimentos: (...) com a universalização da telefonia fixa e celular praticamente completada, o vetor dos investimentos das operadoras migrará da voz para a transmissão de dados. Mas, agora, os projetos estão mais voltados para manutenção e aprimoramento tecnológico, e não para a expansão física de redes. Na telefonia móvel, por exemplo, a maior parte dos recursos está sendo 3 aplicada na migração para redes 3G, com maior capacidade de transmissão de dados .

Entre os indutores desse novo ciclo de investimento setorial estão, sem dúvida, o Plano Nacional de Banda Larga (PNBL), os planos de implantação da TELEBRÁS e os próprios investimentos privados das operadoras. É oportuno, portanto, analisar as perspectivas do Brasil em termos de capacitação tecnológica das indústrias locais, de capital nacional. O momento é propício ao seu fortalecimento, tendo em vista os objetivos expressos no PNBL, entre os quais explicitamente se inclui "aumentar a autonomia tecnológica e a competitividade brasileira"4. Adicionalmente, modificações no arcabouço jurídico que rege as compras governamentais orientam para estimular a produção doméstica de bens e serviços, por meio de uma “margem de preferência” a ser estabelecida a partir de estudos que levem em conta “desenvolvimento e inovação tecnológica realizados no País”, entre outros fatores5. Pelas razões anteriormente citadas, o presente trabalho tem como foco as tecnologias associadas à comunicação de dados em banda larga, ainda que não se restrinja exclusivamente a elas. Todavia, é consenso que as redes de banda larga representam o futuro das redes de telecomunicações. No presente estudo, serão abordados principalmente os aspectos relativos ao setor de equipamentos da rede, dadas a limitação do tempo, a emergência de implantação da infraestrutura básica de rede e a necessidade premente de fomento ao desenvolvimento local neste setor. O objetivo é fazer uma avaliação da capacitação tecnológica dos fabricantes locais de equipamentos de rede em termos de grandes áreas tecnológicas, identificando lacunas que atualmente estão sendo preenchidas por equipamentos importados bem como oportunidades de P&D que requeiram ações governamentais de suporte – uma das dimensões do PNBL. Cumpre mencionar ainda que, para os cenários atual e futuro, se deve levar em conta a importância da participação das empresas nacionais no mercado global, sem o que a própria estratégia de domínio de tecnologias-chave por parte das empresas pode ser comprometida. Tal estratégia também não pode prescindir da integração das empresas nacionais com as instituições de pesquisa e desenvolvimento (P&D) – universidades e centros de P&D.

RODRIGUES, Alexandre. Transmissão de dados deve ditar investimentos das teles. O Estado de São Paulo, Rio de Janeiro, 18 de setembro de 2010. Disponível em: <http://www.estadao.com.br/estadaodehoje/20100918/not_imp611673,0.php>. Acesso em: 21 fev. 2011. 3 ibid. 4 BRASIL. Decreto nº 7.175, de 12 de maio de 2010. Diário Oficial da União, Brasília, 13 de maio de 2010, Seção 1, p. 03. 5 BRASIL. Medida Provisória nº 495, de 19 de julho de 2010. Diário Oficial União, Brasília, 20 de julho de 2010, Seção 1, p. 01.

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A abordagem do trabalho foi baseada em quatro dimensões de análise: tendências tecnológicas, demanda no País, oferta das empresas nacionais e capacidade de P&D no País. Já a coleta de informações seguiu três vertentes: a) entrevistas semiestruturadas com representantes de fabricantes de tele-equipamentos de capital nacional e de prestadoras de serviços de telecomunicações com licença de operação no Brasil, instituições de ciência e tecnologia nacionais (universidades e centros de P&D), bem como membros da comunidade acadêmica; b) pareceres de consultores estrangeiros, contratados para apresentarem visões e tendências de médio e longo prazos nas áreas tecnológicas, além de complementar e até mesmo contrastar as informações obtidas no primeiro eixo; c) fontes secundárias pesquisadas pelos integrantes do grupo de pesquisa que participou deste estudo. Um estudo extenso e aprofundado sobre as oportunidades tecnológicas tanto em redes quanto em conteúdo estava além do escopo e do prazo disponível para o presente trabalho. Assim, foram focalizadas apenas as tecnologias alinhadas com a prioridade inicial do PNBL, isto é, tecnologias de rede com características para suportar aplicações de voz, dados e vídeo. Este documento está organizado da seguinte forma: na Seção 2, é feita uma breve contextualização, apresentando alguns conceitos de telecomunicações. Na Seção 3, são apresentadas as demandas das concessionárias de telecomunicações, a oferta da indústria nacional e a capacidade de P&D dos institutos e universidades do País. Na seção 4, a partir das tecnologias potencialmente relevantes para o mercado brasileiro, é apresentada a metodologia para análise dessas tecnologias e as áreas temáticas selecionadas. Nas Seções 5, 6 e 7, discorre-se sobre cada uma das principais áreas tecnológicas, suas tendências, aspectos de demanda do mercado brasileiro e de oferta dos fornecedores nacionais, capacidade de P&D e estratégias tecnológicas das empresas nacionais, oportunidades para o Brasil e desafios de P&D e oportunidades específicas. Na Seção 8, são apresentadas recomendações e considerações para implementar um programa de P&D nas três áreas tecnológicas escolhidas, e, por fim, na Seção 9, é apresentada de forma resumida a conclusão final do trabalho.

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2 Contextualização 2.1 Banda larga e o contexto do PNBL A definição de banda larga não é consensual. Embora a União Internacional de Telecomunicações (UIT) defina tecnicamente banda larga como a transmissão acima de 1,5 a 2 Mbit/s6, outras definições são adotadas por diferentes países e organizações internacionais. Isto reflete a rápida evolução dos serviços e das aplicações que requerem cada vez mais o suporte de uma banda passante mais elevada. Assim, dificulta-se a manutenção de uma definição estável para a taxa limiar da banda larga. No Brasil, o documento-base do PNBL7 apresenta uma conceituação propositadamente fluida do acesso em banda larga: O acesso em banda larga é caracterizado pela disponibilização de infraestrutura de telecomunicações que possibilite tráfego de informações contínuo, ininterrupto e com capacidade suficiente para as aplicações de dados, voz e vídeo mais comuns ou socialmente relevantes.

O conceito é definido pelo conjunto de aplicações disponíveis num dado instante, independentemente das tecnologias utilizadas para suportá-las. Assim, do ponto de vista da infraestrutura de redes, o conceito do PNBL é dinâmico e, indiretamente, estimula o desenvolvimento de tecnologias cujo desempenho seja sempre crescente de modo a suportar novas aplicações. O mesmo documento citado estabelece como foco inicial do PNBL “a disponibilidade de infraestrutura e o desenho de uma política produtiva e tecnológica compatível”8. Por outro lado, o programa prevê sua continuidade mediante novos focos em conteúdos, aplicações e serviços. Esse desdobramento é consistente com a definição mencionada anteriormente e serve como balizador de futuras demandas tecnológicas.

2.2 A organização do setor de telecomunicações Devido ao processo de digitalização, as telecomunicações vêm sofrendo uma grande transformação nas últimas décadas. Ademais, com a desregulamentação do setor, novos atores surgiram nos negócios de telecomunicações, favorecendo a competição e a introdução de novos serviços, o que modificou substancialmente a cadeia de agregação de valor econômico dos produtos de telecomunicações. Nesse novo contexto, Fransman9 apresentou um modelo de camadas hierarquizadas para explicar as relações surgidas entre os atores envolvidos. O novo modelo tornou também mais explícita a convergência entre a informática e as telecomunicações no mundo, em termos de atividade econômica. Na verdade, o modelo de Fransman se aproximava de uma representação da nova cadeia de valor do setor de telecomunicações. As camadas abrangiam desde 6

UIT – União Internacional de Telecomunicações. Recommendation I.113: Vocabulary terms for broadband aspects of IDSN. Junho, 1997. 7 Comitê Gestor do Programa de Inclusão Digital – CGPID. Programa Nacional de Banda Larga. Brasília, 2010. Disponível em: <http://www4.planalto.gov.br/brasilconectado/forum-brasil-conectado/documentos/3ofbc/documento-base-do-programa-nacional-de-banda-larga>. Acesso em: 21 fev. 2011. 8

Ibid. FRANSMAN, M. Evolution of the Telecommunications Industry into the Internet Age. Communications & Strategies, n.43, p.57-113, 3rd. Quarter, 2001. 9

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os equipamentos e sistemas de infraestrutura de redes até os serviços oferecidos aos clientes e usuários. Com o objetivo de mapear as tecnologias de telecomunicações emergentes nesse novo desenho do mercado, o grupo de Gestão de Inovação do CPqD propôs uma taxonomia para classificá-las10, conforme Figura 1. Essa taxonomia expandiu o conceito de Fransman para incluir a tecnologia, bem como modificou a proposta daquele autor para acomodar algumas peculiaridades tecnológicas que não haviam sido capturadas por ele, como, por exemplo, o papel dos terminais no provimento de serviços e aplicações.

S e g u r a n ç a

Aplicações Plataformas de serviços

Terminais & dispositivos

NGN / conectividade Interface TCP/IP

Transporte (backbone)

Acesso com fio / sem fio

LAN / Home net / PAN

Tecnologias básicas Figura 1 Taxonomia de classificação das tecnologias de telecomunicações

Cada bloco da taxonomia corresponde a um determinado papel funcional no ambiente de convergência tecnológica. As tecnologias básicas são aquelas empregadas na construção de outros subsistemas e sistemas voltados para aplicações finais de telecomunicações. Referem-se principalmente às áreas de componentes físicos em geral, como, por exemplo, microeletrônica, e fotônica, bem como ferramentas e plataformas de software básico. As tecnologias de acesso são aquelas que realizam a conexão física do usuário às redes de telecomunicações, podendo ser sem fio (via rádio) ou com fio (fios de cobre, cabos coaxiais, fibras ópticas, etc.). As tecnologias de transporte, por seu turno, são as aquelas que permitem transportar as informações (bits) pela rede, normalmente de forma agregada. Incluem as tecnologias de transmissão e os protocolos de transporte propriamente ditos que agregam os sinais. No contexto da convergência tecnológica, os serviços e as redes permanecem bem separados. Os protocolos da família TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol) realizam a ligação entre a infraestrutura física da rede e o domínio dos serviços e aplicações, suportando os serviços de conectividade lógica e arquiteturas de suporte a serviços, como, por exemplo, a NGN (Next Generation Network). Após essa camada de transição, estão as tecnologias necessárias para a composição de plataformas de serviços e aplicações, isto é, conjuntos de recursos integrados de telecomunicações e TI necessários para a oferta de serviços e aplicações interativas de voz, dados e multimídia em redes de telecomunicações11.

LOURAL, C. A. et al. Prospecção Tecnológica em Telecomunicações e Cenários Políticos Alternativos: uma Avaliação. In: XXIV SIMPÓSIO DE GESTÃO DA INOVAÇÃO TECNOLÓGICA. Gramado, RS, out. 2006. 11 As tecnologias de aplicação confundem-se, muitas vezes, com as próprias tecnologias de serviços, em função da arquitetura empregada nas plataformas de serviços.

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Os terminais e dispositivos de comunicação estão cada vez mais próximos do mercado de consumo, inclusive assumindo uma dinâmica mais próxima do mercado de massa do que do mercado profissional. Além disso, cada vez mais sua evolução se vincula à natureza dos serviços e aplicações. A classificação inclui ainda um bloco para as tecnologias de redes locais (Local Area Network – LAN), redes residenciais (home net) e redes pessoais (Personal Area Network – PAN). A dinâmica dessas tecnologias apresenta mais semelhanças com a tecnologia de terminais (custo mais baixo, relação com aplicações, etc.) do que com as tecnologias de acesso ou de rede. Já as tecnologias de segurança, que asseguram a identificação e autenticação dos usuários bem como a integridade e a confidencialidade das informações trocadas, perpassam as várias camadas da taxonomia. Um estudo extenso e aprofundado sobre as oportunidades tecnológicas em todas as camadas da taxonomia estava além do escopo e do prazo disponível para o presente trabalho. Assim, foram focalizadas apenas as tecnologias empregadas nos sistemas e equipamentos que compõem a camada de rede dos sistemas de telecomunicações, e que foram destacados em vermelho na taxonomia, conforme Figura 1.

2.3 Visão topológica da rede Uma vez circunscrito o foco do trabalho, para seu melhor entendimento é conveniente fazer uma breve descrição de como as redes banda larga se estruturam hierarquicamente. A Figura 2 ilustra essa topologia de forma pictórica. A interligação das redes de acesso ao backbone pode ser feita por meio das redes Metro ou diretamente pela infraestrutura de backhaul. As redes de acesso podem ser com fio ou sem fio, conforme Figura 2. Essa arquitetura reflete duas perspectivas sobre as redes de banda larga. A primeira é técnica e trata da classificação ou hierarquização dos diferentes níveis ou domínios da rede de telecomunicações, uma vez que cada um desses níveis possui características próprias de tráfego e de interfaces que impõem importantes requisitos sobre os equipamentos. A segunda é mercadológica e aborda a comum segmentação por parte das operadoras de telecomunicações de suas aquisições de equipamentos sob a mesma visão, seja por razões técnicas, conforme comentado anteriormente, ou por razões de volume, já que cada nível possui diferentes volumes de demanda e, consequentemente, de preço. Equipamentos terminais (Costumer Premises Equipment – CPE)12 para a rede de acesso, por exemplo, são demandados em grande volume, com requisitos de desempenho menos exigentes (por exemplo, taxas de 1 a 10 Mbit/s) e preço unitário relativamente baixo. Equipamentos de núcleo de rede, ao contrário, são demandados em menor volume, têm desempenho elevado (taxas de 1 a 10 Gbit/s), porém costumam apresentar preço unitário elevado. Não obstante essa segmentação, do ponto de vista das tecnologias envolvidas, é possível agregar os diferentes equipamentos em grandes "famílias" que se baseiam em princípios ou conceitos comuns – comunicações ópticas ou comunicações sem fio, por exemplo.

Equipamentos terminais (modems, telefones, etc.) nas instalações do usuário que conectam a rede propriamente dita aos equipamentos dos usuários (computadores, TVs, etc.) para o processamento dos serviços e aplicações que trafegam na rede (telefonia, e-mail, Web, VPN, etc.).

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Internet Borda

Metro / Backhaul

Núcleo

Backbone

Acesso

Borda

Figura 2 Arquitetura de Referência de Redes Banda Larga

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Demanda, oferta e capacidade de P&D

A partir de um trabalho de levantamento de campo, realizado por meio de entrevistas, foi possível extrair aspectos relevantes do ponto de vista tecnológico, entre outros que foram utilizados como insumos para o trabalho. O material aqui apresentado é uma síntese do trabalho, sendo que uma versão mais detalhada se encontra documentada em um adendo13. Pelo lado da demanda, os levantamentos foram feitos junto às concessionárias de serviços de telecomunicações e pequenos provedores de Internet. Pelo lado da oferta, as informações foram colhidas das principais empresas nacionais que atuam no mercado de equipamentos de rede. As informações relativas à capacidade de P&D, por sua vez, foram levantadas junto às empresas entrevistadas, às universidades e aos institutos de P&D visitados. Para o levantamento das informações, foram visitadas: a) nove empresas fabricantes, selecionadas em função de seu histórico de desenvolvimento tecnológico e de sua participação no mercado brasileiro; b) três prestadoras de serviços de telecomunicações e uma associação de pequenos provedores de acesso à Internet (Internet Service Provider – ISP); c) cinco grupos de pesquisa universitários e dois institutos de P&D (incluindo o próprio CPqD) selecionados por sua atuação ativa na transferência de resultados para a indústria nacional.

3.1 Panorama geral da demanda As concessionárias prestadoras de serviços de telecomunicações são as maiores demandantes de equipamentos de telecomunicações no País. Como regra geral, elas têm como visão de futuro um cenário de redes totalmente digitalizadas, operando no modo pacote e baseadas no protocolo IP (Internet Protocol). Contudo, a migração para as novas tecnologias é gradual, uma vez que o investimento para fazer essa transformação é muito alto. A troca de tecnologia tende a ocorrer somente quando os custos de operação da tecnologia anterior se tornam excessivos. O timing dessa transição não é uniforme. Assim, a demanda das concessionárias por equipamentos de telecomunicações atualmente ainda corresponde a um misto de equipamentos baseados em tecnologias maduras, como, por exemplo, SDH (Synchronous Digital Hierarchy), com outros de tecnologias mais novas e até emergentes, para implantação nos próximos anos, como, por exemplo, OTN (Optical Transport Network). Contudo, é inevitável que as futuras contratações procurem atender ao cenário descrito no item 2.2, permitindo a oferta de banda larga aos assinantes sem distinção entre a rede fixa e a móvel, oferecendo aplicações simultâneas de voz, dados e vídeo sobre essas redes. De fato, a observação histórica sobre a demanda brasileira por equipamentos de rede é a de que ela segue qualitativamente a demanda dos mercados mais desenvolvidos com certo atraso, devido às características socioeconômicas do Brasil. No entanto, o barateamento da tecnologia, as políticas de incentivo à oferta de serviços de telecomunicações e o aumento do padrão de vida e de renda da população brasileira devem diminuir o hiato temporal para a introdução de novas tecnologias. Como aconteceu no resto do mundo, o setor de telecomunicações no Brasil vem passando por um processo de consolidação empresarial que reduziu o número de grupos compradores, nos quais o 13

Demandas, Ofertas, Gaps e Capacidade de P&D em Telecomunicações no Brasil.

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capital estrangeiro tem posição dominante ou participação significativa. Nesses grupos, a política de aquisições tem um âmbito global (global sourcing) e é frequentemente definida por suas matrizes, resultando em acordos de fornecimento entre a empresa operadora e os fabricantes de equipamento que transcendem as fronteiras de cada país em que os grupos operam. As economias de escala obtidas nesses acordos globais dificultam muito a entrada de fornecedores novos e locais no mercado de equipamentos de primeira linha. Porém, isso não significa que não existam oportunidades para as empresas nacionais junto às grandes prestadoras. Estas realizam compras de produtos e serviços locais em função tanto de custos competitivos quanto de especificidades do mercado brasileiro, facilidade de customizações, proximidade do fornecimento e existência de suporte local – fatores de grande peso para a venda dos produtos dos fabricantes nacionais. É interessante observar a questão do segmento dos pequenos provedores de Internet (ISPs). Atualmente, essas empresas procuram construir suas próprias infraestruturas de redes, especialmente onde não há interesse por parte das grandes operadoras. Em função de seu pequeno porte, elas se unem em associações ou em empresas vinculadas e obtêm, assim, maior poder de barganha na aquisição de equipamentos no atacado, apropriando-se dos ganhos de escala e das vantagens nos preços praticados. Suas prioridades estão voltadas para soluções de baixo custo, sem distinção de produtos nacionais ou importados. Todavia, a ênfase no baixo custo normalmente favorece fornecedores estrangeiros – em particular, os asiáticos, reconhecidamente fortes nesse quesito. Cabe uma nota sobre a demanda do setor governamental. A reativação da TELEBRÁS reintroduziu um ator de peso no mercado. No segundo semestre de 2010, a TELEBRÁS promoveu uma série de editais de compra de equipamentos de rede, alguns dos quais vencidos por empresas nacionais (Padtec e Datacom), que ofereceram produtos com tecnologia própria no estado da arte em suas respectivas áreas de atuação com preços bastante competitivos. Um ator público demandante de produtos de conteúdo tecnológico pode certamente modificar o cenário do mercado brasileiro. Paralelamente, o governo federal introduziu o poder de compra do Estado como mecanismo de apoio à inovação por meio da Medida Provisória no 495, transformada na Lei no 12.349/2010. Esse instrumento legal estabelece preferência nas licitações públicas para produtos e serviços produzidos no País com desenvolvimento de tecnologia nacional. Nas compras de produtos com tecnologia comprovadamente desenvolvida no Brasil, admite-se um valor de até 25% a mais do que o do preço mais baixo, desde que estudos justifiquem benefícios em termos de geração de emprego e renda, de arrecadação de tributos e inovação e desenvolvimento tecnológicos realizados no Brasil. No entanto, apesar do incentivo do governo à tecnologia nacional por meio de seu poder de compra, deve-se ressaltar que o desempenho técnico dos equipamentos de infraestrutura de redes deve se pautar pelas referências do mercado global, sem o que não haverá condições de sustentação do nível tecnológico e da participação no mercado brasileiro das empresas nacionais.

3.2 Panorama geral da oferta O Brasil possui cerca de uma dúzia de empresas ativas no fornecimento de equipamentos de rede de telecomunicações com conteúdo tecnológico desenvolvido no País. Do ponto de vista geográfico, o levantamento de campo realizado no presente estudo, constatou que a indústria está concentrada nos Estados de São Paulo (capital e região de Campinas) e do Rio Grande do Sul (capital e região metropolitana). Do ponto de vista econômico, essas empresas podem ser divididas em dois grandes grupos: empresas de menor porte, com faturamento anual na faixa de R$ 50 milhões, e empresas de maior porte, com faturamento acima de R$ 200 milhões por ano. Os principais clientes dos fornecedores nacionais são as operadoras de telefonia fixa, representando mais de 80% do seu faturamento. A exportação é pequena e voltada para mercados emergentes na América Latina, África e Ásia. O volume de produção local e a capacidade de investimentos não CPqD – Todos os direitos reservados.

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facilitam o posicionamento como alternativa de fornecedor global para as matrizes das operadoras internacionais que atuam no Brasil. Visto como um todo, o portfólio das empresas nacionais é uma mistura de produtos desenvolvidos no Brasil e de produtos licenciados ou simplesmente importados. Empresas de menor porte atuam basicamente no segmento de acesso, e pouco na rede Metro. Várias empresas nesse grupo oferecem rádios digitais para o transporte de sinais no backhaul – uma oportunidade de mercado, dadas as características do Brasil. Em geral, o portfólio é composto por produtos com tecnologias legadas e novas, cujos níveis de investimento e riscos associados são compatíveis com o porte das empresas. A existência de empresas nesses segmentos com portfólios de produtos bastante similares pode ser explicada pela incerteza da operação e pelo nível de investimento necessário, que definem o risco que pode ser assumido pela indústria. Já as empresas de maior porte têm seu portfólio voltado para a rede Metro e para o backbone. Esses segmentos requerem mais desempenho do que baixo custo. Aqui, existe espaço para competição por parte de empresas nacionais e elas oferecem produtos bastante competitivos em termos de desempenho e características. Os desafios tecnológicos são maiores, porém, o retorno também é superior àquele que pode ser obtido no segmento de mercado da rede de acesso. As empresas nacionais atendem majoritariamente ao mercado brasileiro, embora existam incursões em outros países latino-americanos. Quando se analisa a questão pela perspectiva das áreas tecnológicas mais relevantes, selecionadas conforme metodologia descrita na Seção 4, observam-se posições de liderança em comunicações ópticas para redes backbone e Metro (Padtec) e comunicação de dados no segmento Metro Ethernet (Datacom). Na área de comunicações sem fio, ao contrário, não foram identificadas empresas líderes. As duas empresas mencionadas, Padtec e Datacom, além de serem voltadas para segmentos em que o desempenho é um fator de sucesso mais crítico do que o custo dos equipamentos, apresentam um portfólio bastante focalizado. Isto contribui para o êxito de estratégias comerciais e permite, também, desenvolver fortes capacitações técnicas internas das empresas. Algumas empresas fabricantes nacionais fornecem seus equipamentos para operadoras com vínculo internacional, o que atesta a competência tecnológica dessas empresas nacionais. Através do relacionamento comercial e técnico com essas operadoras, elas poderiam alavancar exportações dos mesmos equipamentos para as matrizes ou coligadas estrangeiras de tais operadoras. Contudo, isso não acontece, uma vez que as exportações dessa natureza dependem muito mais da capacidade produtiva e financeira dos fabricantes nacionais – como, por exemplo, articulação de financiamento para os clientes – do que do seu desempenho tecnológico. Por vezes, as exportações dependem também da capacidade do fabricante nacional de prestação de serviços de instalação e manutenção em outros países.

3.3 Capacidade de desenvolvimento tecnológico: indústria nacional A capacidade de desenvolvimento tecnológico das empresas nacionais fornecedoras de equipamentos de redes de telecomunicações não é uniforme, refletindo inclusive na posição dessas empresas no mercado. Em termos gerais, pode-se dizer que o planejamento tecnológico das empresas nacionais, independentemente de seu porte, contempla um horizonte de curto prazo (dois anos) e visa potencial de vendas com volumes razoáveis, uma vez que as empresas não dispõem de recursos financeiros abundantes. Em princípio, a evolução dos produtos é aderente às necessidades do mercado nacional em termos de janela de oportunidade e volume.

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Para se compreender de que forma essas indústrias desenvolvem ou obtêm as tecnologias de que necessitam, cabe recapitular os diversos estágios de complexidade tecnológica do processo produtivo de equipamentos de telecomunicações. No nível mais baixo, a empresa simplesmente adquire kits de montagem (Complete Knock-Down – CKD) ou licencia um produto ou parte dele, efetuando sua comercialização e cuidando do suporte técnico. Acima desse patamar, a empresa pode gradualmente agregar mais inovações ao produto, adaptando o equipamento semipronto às condições das redes brasileiras. Em um terceiro nível, a equipe de engenharia de produto da empresa executa o projeto de placas a partir de reference designs, agregando funções periféricas. Em um nível acima, a empresa desenvolve algoritmos e protocolos com emprego de chips DSP (Digital Signal Processor), ou seja, um desenvolvimento majoritariamente em software. Em seguida, em um quinto nível, realiza o design de circuitos FPGA (Field Programmable Gate Array) incorporando algoritmos complexos e/ou de alta eficiência, e, finalmente, no nível mais alto de capacidade tecnológica, a equipe da empresa é capaz de projetar chips ASIC (Application-Specific Integrated Circuit) ou implementar design FPGA de algoritmos e funções de camada física, que são os mais críticos. Na prática, as estratégias tecnológicas variam de empresa para empresa e de produto para produto, mesmo dentro de uma mesma empresa. Questões comuns podem ser, por exemplo, o desenvolvimento local de um determinado produto, com ou sem parcerias com institutos de P&D e universidades; ou o licenciamento a partir de empresas estrangeiras, realizando apenas a engenharia de produto (e não P&D) para integração/adaptação no País. Os componentes eletrônicos e insumos de software, como, por exemplo, chip set, reference design, pilhas de protocolos e módulos são adquiridos de fornecedores internacionais, com forte dependência de importação. Existem iniciativas de desenvolvimento de hardware fazendo uso de FPGAs, de forma a diminuir a dependência de insumos externos. Nota-se que nenhuma das empresas chegou ao nível de desenvolvimento de hardware a partir do uso completo de circuitos integrados dedicados (ASICs) em função dos baixos volumes de produção e dos riscos envolvidos. De um modo geral, os desenvolvimentos de engenharia tendem a ser verticalizados, com baixa participação de parceiros tecnológicos ou de terceiros, tanto em nível nacional quanto internacional. Quando a tecnologia não é fruto de licenciamento por parte de empresas estrangeiras, universidades e institutos de P&D são contratados para desenvolvimentos específicos, sem que se caracterize normalmente uma parceria de médio ou longo prazo. Existem algumas iniciativas de empresas maiores na criação de pequenos núcleos de engenharia nas proximidades ou dentro de parques tecnológicos. Existem casos de empresas que se instalam totalmente em parques tecnológicos ligados a institutos de P&D ou universidades para usufruírem do relacionamento com o referido grupo de P&D. No modelo de interação mais simples e usual, a empresa contrata pesquisa e desenvolvimento de protótipos junto a universidades e institutos de P&D e, posteriormente, se concentra na engenharia de produto e nos processos industriais, utilizando equipe própria. Nota-se um forte empenho dessas empresas em financiar parte dos seus desenvolvimentos tecnológicos com recursos de fomento a partir de programas da FINEP (Financiadora de Estudos e Projetos), por meio da participação em editais de subvenção. É consenso entre as empresas pesquisadas que o apoio da FINEP trouxe fôlego em termos financeiros e dividiu o risco para o desenvolvimento de novos produtos. Por sua vez, a Lei do Bem é reconhecida como outro grande avanço, dado que efetivamente traz benefícios para quem investe em inovação ao reduzir, na prática, os custos de desenvolvimento. Entretanto, um problema sério apontado nas entrevistas é a incerteza na liberação de recursos financeiros para os projetos fomentados pelo governo. As empresas manifestam certa insatisfação no caso de projetos executados com universidades e institutos de P&D. A insatisfação está relacionada, principalmente, a problemas no cumprimento de prazos e no nível de qualidade do trabalho, assim como a questões de sigilo industrial. Em geral, CPqD – Todos os direitos reservados.

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visões diferentes sobre os objetivos dos projetos e a presença de culturas gerenciais distintas são pontos de tensão nesses relacionamentos. A incerteza na liberação de recursos do governo também afeta os contratos com universidades e institutos de P&D. Como decorrência dessa incerteza, despesas adicionais são imputadas às empresas a fim de que os projetos não sejam interrompidos. De um modo geral, as empresas preferem mecanismos de subvenção a mecanismos em que, na qualidade de intervenientes, executem projetos com entidades de P&D. No caso de subvenção, elas podem exercer total controle sobre o processo de desenvolvimento. O fator apontado pelas empresas como mais crítico para sustentar o esforço de desenvolvimento tecnológico é a disponibilidade de pessoal qualificado. A demanda maior é por engenheiros eletrônicos, bacharéis em ciência da computação, engenheiros de computação, tecnólogos e técnicos. Nota-se, com raríssimas exceções, a ausência de demanda explícita por mestres e doutores, o que poderia ser explicado, pelo menos em parte, como consequência de uma limitada complexidade dos projetos de P&D. Em resumo, com raras exceções, as empresas nacionais não conseguem acompanhar de perto a fronteira tecnológica que é estabelecida nos países mais avançados. Assim, elas tendem a ficar à margem das discussões que definem a evolução das tecnologias do setor, distantes de papéis de influência e de liderança em escala global.

3.4 Capacidade de desenvolvimento tecnológico: universidades e institutos de P&D Nas visitas realizadas às universidades selecionadas, observou-se que, embora exista um bom potencial humano e laboratorial nos grupos de pesquisa, nenhum deles possui um domínio de conhecimento abrangente que possibilite estabelecer um claro diferencial competitivo nas tecnologias analisadas. Via de regra, isso envolve um profundo conhecimento tanto dos aspectos teóricos quanto práticos ou experimentais dos problemas e dos fenômenos físicos associados. Adicionalmente, para o domínio tecnológico, é necessário converter esse conhecimento em projetos de engenharia, por exemplo, pelo seu encapsulamento sob a forma de protótipos funcionais de demonstração e, até mesmo, sob a forma de circuitos integrados que implementem a solução encontrada para o problema. As universidades tendem a focalizar seus esforços em problemas pontuais, atacando-os em profundidade, ou apenas por uma dimensão (teoria, experimento ou demonstração experimental), o que se explica por uma questão de vocação e natureza institucional. Os institutos de P&D, por sua vez, tendem a atuar principalmente em desenvolvimento e engenharia, muitas vezes até quase o nível de produto. Os dois modelos de atuação são complementares, mas é necessária uma articulação bem definida para que não se criem lacunas no processo de se atingir o domínio tecnológico. Os grupos de pesquisa em universidades e institutos de P&D dedicados às tecnologias associadas ao desenvolvimento da banda larga concentram-se nos Estados do Rio Grande do Sul (capital e região metropolitana) e São Paulo (capital e região de Campinas). Isto se deve à proximidade de indústrias que utilizam os conhecimentos ali gerados. Adicionalmente a esses polos, encontram-se alguns grupos de excelência mais isolados no Rio de Janeiro, em Curitiba, Florianópolis e Santa Rita do Sapucaí, para citar alguns casos. Especificamente no caso das instituições de P&D, as duas únicas instituições que atuam majoritariamente em telecomunicações são o CPqD e a FITec, ambas em Campinas, SP. Em geral, os recursos para a execução dos projetos de P&D são oriundos de fontes governamentais, como, por exemplo, FUNTTEL, FINEP, CNPq (Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e CPqD – Todos os direitos reservados.

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Tecnológico), fundações estaduais de amparo à pesquisa, e de fontes privadas, em consequência dos incentivos da Lei de Informática ou de subcontratações em projetos com recursos de subvenção da FINEP para a indústria. As universidades e os institutos de pesquisa também enfrentam o problema de instabilidade no fluxo de aporte de recursos e, consequentemente, encontram dificuldades para a manutenção das equipes. A evasão de pessoal acaba acarretando perda dos conhecimentos adquiridos. As universidades e os institutos de pesquisa brasileiros possuem um quadro de bons pesquisadores em telecomunicações, com grande experiência em projetos e na coordenação de grupos. No entanto, esses profissionais representam um número reduzido quando comparados, por exemplo, aos pesquisadores em ciência e engenharia da computação ou em automação e mecatrônica. Além disso, muitos dos pesquisadores em telecomunicações se encontram em idade próxima à da aposentadoria e a renovação dos quadros é insuficiente. A atualização da infraestrutura laboratorial de muitos grupos de P&D também começa a ficar comprometida. Esse cenário se agrava na medida que o mercado de trabalho para engenheiros de telecomunicações tem se reduzido, o que implica mais dificuldades para atrair alunos de mestrado e doutorado e alimentar as equipes de projetos de P&D. Em suma, existe um claro desafio institucional a ser superado de articulação entre os diferentes atores – empresas, universidades e institutos de P&D. O estabelecimento de boas parcerias deve se traduzir por uma cooperação que mais bem atenda às vocações de cada ator: universidades se encarregando da geração de conhecimento básico e formação de recursos humanos; os institutos de P&D se encarregando da pesquisa aplicada e do desenvolvimento tecnológico e sistêmico com integração de tecnologias; e as empresas com foco na engenharia de produto, no processo de fabricação e na comercialização. Não parece haver receita única para o êxito desse tripé, que pode apresentar grande dependência das lideranças e das culturas dos elementos envolvidos em cada caso.

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Perspectivas futuras das redes

As redes futuras, a serem implantadas em médio e longo prazos, podem ser caracterizadas como redes baseadas na comunicação de pacotes, capazes de fazer uso de múltiplas tecnologias de banda larga e de tratar diferentes classes de tráfego (voz, dados e vídeo) de forma “personalizada”. Nessas redes, as funções relacionadas aos serviços propriamente ditos são independentes das tecnologias relacionadas ao transporte e devem ser capazes de oferecer acesso irrestrito a diferentes provedores de serviço bem como suportar uma mobilidade generalizada14. As mudanças na arquitetura da rede em direção às redes do futuro podem ser assim resumidas: 

No núcleo da rede (network core) deverá ocorrer a consolidação de diversas redes, dedicadas, originalmente a diferentes serviços, em uma única rede baseada nos protocolos IP. Isto implica, entre outras coisas, a migração do serviço de voz de uma arquitetura de comutação por circuitos para uma arquitetura de comutação de pacotes utilizando, especificamente, a tecnologia VoIP (Voice over Internet Protocol). Migrações semelhantes deverão acontecer a partir de outros serviços e de suas redes legadas.



A transmissão dos dados nesse núcleo de rede, como já vem ocorrendo, deve ser majoritariamente realizada por meio de tecnologias de comunicação óptica, devido à sua enorme capacidade (banda passante) e às possibilidades inerentes a essas tecnologias no sentido de aumentar essa mesma capacidade.



No que se refere ao acesso, diferentes tecnologias continuarão a coexistir. No caso do acesso com fio (wired access ou wireline access), hoje ainda dominado pelos enlaces em pares de cobre, a conceituação feita acima sobre as redes futuras implica a migração do sistema dual (voz e dados) de acesso para um sistema integrado, que possibilitará a substituição da infraestrutura de centrais de comutação por circuitos.



No plano físico, diferentes tecnologias deverão conviver por algum tempo em função, principalmente, dos custos elevados na substituição tecnológica: pares de cobre, fibras ópticas, cabos coaxiais, etc. Contudo, a utilização de sistemas baseados em fibras ópticas deve ser crescente, principalmente, por se tratar de uma infraestrutura mais duradoura no que diz respeito à necessidade de aumento de capacidade ao longo do tempo.



No acesso sem fio (wireless access), os sistemas de próxima geração – a chamada 4ª Geração ou 4G – já deverão apresentar forte grau de convergência, caracterizando-se como redes banda larga de pacotes IP.

Do ponto de vista de serviços, a separação será mais bem definida entre a parte de transporte e infraestrutura de rede (equipamentos de rede) e a parte dos serviços suportados por essa infraestrutura.

4.1 Tecnologias potencialmente relevantes para o mercado brasileiro As tecnologias identificadas nos primeiros levantamentos como tendo potencial para atender ao mercado brasileiro são descritas a seguir e classificadas segundo sua posição na topologia de referência, conforme Figura 2.

Esta conceituação é baseada na definição da Recomendação ITU-T Y.2001, de dez. 2004.

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4.1.1 Backbone e transporte Várias tecnologias compõem o segmento de backbone/transporte (ou núcleo) da rede. Sua principal finalidade é garantir as funcionalidades e o desempenho (velocidade, agregação, tolerância a falhas, qualidade de serviço, entre outras) do transporte de informação. No escopo do núcleo de rede, as principais tecnologias são: 

Transmissão digital TDM (PDH, SDH, SDH-NG) As tecnologias de transmissão digital por divisão temporal (Time Domain Multiplexing – TDM) são as tecnologias empregadas nos últimos 30 anos para transporte de informações: hierarquização plesiócrona (Plesiochronous Digital Hierarchy – PDH), síncrona (SDH) ou síncrona de nova geração (Synchronous Digital Hierarchy-Next Generation – SDH-NG). Encontram-se em fase bastante madura e não são antevistos desafios significativos. A tendência é a sua substituição em médio prazo por outros padrões tecnológicos, especialmente a hierarquia OTH (Optical Transport Hierarchy), também designada como tecnologia OTN, que será comentada adiante. Devido a sua maturidade tecnológica, existe um mercado, ainda ativo no curto prazo, para reposição ou mesmo acréscimo de algum complemento na rede enquanto o novo padrão não é implantado. As empresas nacionais possuem uma boa posição no mercado, com linhas de produtos competitivos. Entretanto, o impacto dessas tecnologias no médio e no longo prazo é baixo, tanto no mercado brasileiro quanto no mercado internacional, uma vez que os novos paradigmas de comunicações ópticas e comunicação de pacotes serão dominantes nas redes futuras.



Comunicações ópticas (WDM, amplificação óptica, OADM/ROADM e OTN) As comunicações ópticas são a base tecnológica dos atuais e futuros sistemas de transmissão no backbone. A tecnologia WDM (Wavelength Division Multiplexing) vem evoluindo de forma sustentada, e não se vislumbra hoje nenhuma tecnologia que a possa substituir. Assim, redes ópticas com múltiplos comprimentos de onda serão cada vez mais comuns, estimulando o aperfeiçoamento de dispositivos funcionais na camada óptica, como, por exemplo, os dispositivos reconfiguráveis de deriva/insere de comprimentos de onda, os ROADM (Reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexer). Um dos fatores que contribuiu para o sucesso da transmissão óptica nos últimos 10 a 20 anos foi a amplificação óptica. O preço dos amplificadores ópticos apresentou uma queda significativa nos últimos anos e os desafios tecnológicos são basicamente de natureza incremental. Todavia, o aumento do número de comprimentos de onda (λ) nos sistemas WDM deve motivar a busca por novas soluções de amplificação óptica no médio e no longo prazo, de forma a otimizar a faixa de amplificação disponível à ampliação da grade de comprimentos de onda. Intimamente associada às comunicações ópticas está a tecnologia OTN. Esta implementa um padrão de transporte da informação (ITU-T G.709) que visa substituir o SDH, entre outras razões, pela sua capacidade de tratar eficientemente cada λ como um canal independente. Além disso, o padrão tem evoluído para acomodar tanto sinais TDM quanto pacotes (por exemplo, quadros Ethernet), sendo compatível, portanto, com as tendências das redes futuras. Um importante componente do sucesso da tecnologia OTN no mercado tem sido a forte aceitação dessa tecnologia por parte das operadoras no mundo inteiro. O conjunto de tecnologias de comunicações ópticas é um campo ativo, ainda longe de atingir a saturação. Novas gerações de tecnologias se sucedem, abrindo frequentemente oportunidades

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para novos produtos. Seu impacto futuro é significativo, uma vez que os sistemas ópticos são os únicos capazes de lidar com a demanda crescente por banda passante. O Brasil possui uma história de quase 40 anos de P&D na área, com empresas atuantes e boa base acadêmica. 

Roteamento IP O tráfego na Internet cresce continuamente e os serviços de vídeo são responsáveis por boa parcela desse crescimento. Para lidar com esse cenário, há necessidade de roteadores IP de alta capacidade. Esses roteadores devem ser capazes de rotear pacotes a uma taxa de 1 até 100 Tbit/s (ou mais ainda, no futuro). Devem apresentar grande número de portas, todas transportando tráfego real entre os nós, e acomodar grandes tabelas de roteamento (mais de 2 milhões de rotas em IPv4 ou 1 milhão em IPv6). Esses equipamentos são de alto desempenho e trazem como desafios desse segmento a redução de seu custo, manutenção de sua performance e diminuição de seu consumo de energia. O mercado desses roteadores é dominado por duas empresas norte-americanas, Cisco e Juniper, com a incursão da chinesa Huawei. As barreiras são altas e o Brasil não dispõe de capacitação industrial ou acadêmica em projeto de roteadores desse calibre. Não obstante, trata-se de um elemento-chave, cujas oportunidades merecem ser analisadas em mais detalhe.



Infraestrutura civil da rede (cabos de fibras ópticas, caixas de emendas, armários, torres, etc.) Os custos da infraestrutura civil pesam significativamente nos custos da rede, mas sua natureza é muito variada. A tecnologia envolvida é principalmente de materiais e apresenta baixa sinergia com as demais tecnologias abordadas neste trabalho (eletrônica e software). De um modo geral, é um segmento bastante maduro, mas existem desafios em termos de materiais e estruturas, como, por exemplo, torres mais baratas para antenas de rádio ou tratamentos superficiais para proteção contra intempéries.



Sistemas satelitais Os sistemas satelitais estão divididos em dois segmentos bem diferenciados: a) segmento espacial (eletrônica embarcada no satélite); b) segmento terrestre, composto de antenas e receptores/transmissores. Os sistemas satelitais de telecomunicações ainda apresentam uma certa demanda no Brasil, por conta das suas peculiaridades geográficas, mas constitui um mercado pequeno se comparado a outros países. No segmento espacial, o Brasil não possui contribuição significativa. No segmento terrestre, há uma presença forte de alguns poucos fornecedores estrangeiros. Além disso, esse segmento envolve a disponibilidade de posições orbitais e dos satélites propriamente ditos, que são muito caros. Essas barreiras e a pouca oportunidade tecnológica levaram à não exploração desse segmento no presente estudo.

4.1.2 Redes metropolitanas/backhaul Atualmente, o segmento de redes metropolitanas (redes Metro) utiliza, via de regra, as mesmas tecnologias empregadas no backbone, porém, com requisitos de desempenho mais relaxados. Normalmente, há uma migração de tecnologias de backbone para as redes Metro na medida em que aumenta a demanda por capacidade. Por exemplo, equipamentos multiplex TDM de 2,5 Gbit/s eram utilizados no backbone na década de 90; hoje, já são utilizados em redes metropolitanas. CPqD – Todos os direitos reservados.

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O backhaul é entendido como o enlace que liga o núcleo da rede até a borda, para interconexão com outras redes ou com redes de acesso. As tecnologias mais empregadas nos backhauls são tipicamente sistemas ópticos ou rádio ponto a ponto. Algumas tecnologias são utilizadas apenas nas redes metropolitanas ou de acesso. São elas: 

Switch Ethernet/Metro Ethernet Os comutadores (switches) Ethernet são equipamentos que encaminham quadros Ethernet no âmbito de redes locais ou metropolitanas, embora atualmente haja pesquisas em andamento visando tornar a tecnologia Ethernet aplicável também às redes de backbone. Esse novo padrão para backbone está sendo denominado Carrier Ethernet. A Ethernet é uma tecnologia bem estabelecida, de baixo custo, mas a sua evolução tem conduzido à incorporação de novas funcionalidades típicas de redes de telecomunicações, como, por exemplo, funções para garantir qualidade de serviço, esquemas de proteção, monitoração de falhas e desempenho em serviço, escalabilidade e utilização eficiente dos recursos de rede. A tecnologia de switches é menos complexa do que a de roteadores, mas o desenvolvimento é intenso nessa área, especialmente nas interfaces de 100G Ethernet, Carrier Ethernet e comutadores especializados para centro de dados (data centers). Além disso, a capacidade de comutação tem crescido bastante com o aumento do tráfego. Essa tecnologia apresenta um impacto significativo para o futuro. Em algumas redes Metro, redes de acesso e pontos de presença (POP) cabem produtos de menor porte e desempenho. Entretanto, muitas vezes as arquiteturas desses produtos foram utilizadas anteriormente no backbone, quando a demanda de tráfego era menor. Uma outra alternativa para essas aplicações tem sido o uso de switches da camada 2 da arquitetura OSI (Open Systems Interconnection, L2) que incorporam algumas funções da camada de roteamento – camada 3 (L3) – implementadas em software.



Rádio ponto a ponto O uso de rádios para enlaces ponto a ponto é bastante comum no segmento de backhaul. Esses enlaces cobrem distâncias de alguns quilômetros até dezenas de quilômetros em linha de visada. Rádios ponto a ponto também são bastante utilizados na interconexão de ERBs (EstaçõesRadiobase) em rede celular, em enlaces de dados entre empresas e na conexão entre um provedor de acesso à Internet local (ISP) e uma rede de maior hierarquia. Esses sistemas rádio estão na faixa de centenas de MHz até dezenas de GHz, suportando taxas de transmissão de vários Mbit/s (hierarquia SDH) até alguns Gbit/s (Ethernet). Seus principais desafios tecnológicos estão associados ao aumento da capacidade dos rádios, mantendo-se, contudo, um bom compromisso de desempenho versus custo para que os produtos sejam atraentes. Não se pode dizer que o seu ciclo de vida se esgotou, mas também não é uma tecnologia de forte impacto nas redes do futuro – consiste em uma tecnologia de nicho. Trata-se de uma classe de produtos com razoável demanda no Brasil e para a qual a indústria brasileira está atualmente bem posicionada, tanto técnica quanto comercialmente, apesar de constituir um mercado com muitos atores em nível global.

4.1.3 Redes de acesso As redes de acesso são caracterizadas frequentemente pelo meio físico utilizado (pares de cobre, cabos coaxiais, comunicações sem fio, etc.) bem como pela topologia pela qual os meios físicos são distribuídos. As tecnologias de acesso são, portanto, bastante associadas ao meio físico.

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Os sistemas de acesso apresentam, mais frequentemente, uma configuração radial, pontomultiponto: no centro, um equipamento agrega e distribui tráfego para os assinantes a ele conectados; nas pontas, equipamentos terminais (CPEs) permitem que o assinante tenha acesso à rede de telecomunicações e possa utilizar os serviços suportados por ela. Essa configuração é assimétrica em termos de complexidade e custo. Os equipamentos terminais devem ser baratos e relativamente simples para serem produzidos em massa a um custo acessível para os usuários finais. Na outra ponta, os equipamentos agregadores são mais complexos e caros e precisam se comunicar com outros elementos da rede e ser gerenciados. As principais tecnologias das redes de acesso são descritas a seguir. 

Sistema DSLAM/modems xDSL (pares de cobre) O sistema DSLAM (Digital Subscriber Line Access Multiplexer)/modems xDSL (x-Digital Subscriber Line, onde "x" designa as várias implementações) é o sistema empregado para permitir a transmissão em banda larga sobre pares de cobre até a casa do assinante. Para tanto, utiliza técnicas de processamento de sinais. Os sistemas DSLAM/modem xDSL possuem um compromisso de taxa de dados versus distância. Altas taxas são possíveis apenas em distâncias pequenas sobre os pares de cobre. Por exemplo, com a tecnologia VDSL2+ é possível alcançar, em princípio, taxas até 100 Mbit/s downstream (do DSLAM até o modem), mas em distâncias inferiores a 100 metros. Via de regra, os sistemas são assimétricos – as taxas de downstream e upstream (do modem para o DSLAM) não são iguais. Esse sistema é atraente por ser capaz de estender por mais tempo a utilização das redes de pares de cobre, especialmente onde sua substituição é muito cara. É comum a sua combinação com tecnologia de fibra óptica, em uma solução híbrida, exatamente para proporcionar o acesso banda larga no "último quilômetro" sem ter que fazer a fibra chegar até cada residência. Do ponto de vista tecnológico, o desafio é principalmente o desenvolvimento de novos algoritmos de processamento de sinais e a sua implementação em circuitos integrados. São tecnologias padronizadas internacionalmente, razoavelmente maduras ou com lentos desenvolvimentos incrementais, num mercado bastante competitivo.

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Sistema DOCSIS/cable modems (cabos coaxiais) O sistema do padrão DOCSIS (Data Over Cable Service Interface Specification) foi concebido para as redes de cabos coaxiais da TV paga. Ao contrário dos demais sistemas de acesso, a sua topologia é do tipo "barramento". Apesar disso, o sistema requer um controle mestre centralizado, designado normalmente como CMTS (Cable Modem Termination System). Em alto nível, a função do CMTS é similar à do DSLAM. As modernas redes de TV paga que suportam serviços interativos de comunicação banda larga utilizam sistemas híbridos fibra/cabo coaxial. O sinal óptico sai do head end (CMTS) e é levado até um nó intermediário, onde são convertidos em sinais RF e inseridos em linhas coaxiais até os modems em cada residência. Trata-se de tecnologia também bastante padronizada, com poucos compradores e poucos fornecedores. Como ocorre com os modems xDSL, os cable modems são produtos de massa. Como um todo, essa tecnologia tem pouco impacto para a evolução das redes futuras.

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Sistema GPON (fibras ópticas) O sistema GPON (Gigabit Passive Optical Network) utiliza a fibras ópticas como meio de acesso. Na sua configuração radial, o centro é ocupado pelas OLTs (Optical Line Terminator), análogas CPqD – Todos os direitos reservados.

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aos DSLAM; as pontas são ocupadas pelos equipamentos ONT (Optical Network Terminator), análogos aos modems. Como diz o nome, a rede é passiva, sem componentes eletrônicos ativos no caminho até a casa do assinante. Isto ajuda bastante a reduzir custos, uma vez que não há necessidade de estações ou módulos intermediários para tratamento ou amplificação do sinal. Divisores de potência passivos se encarregam de separar o sinal para cada assinante, em que um receptor seleciona o tráfego a ele destinado. Hoje, sua capacidade máxima no mercado é de 2,5 Gbit/s downstream e 1,25 Gbit/s upstream (padrão ITU-T G.984) por OLT. Na prática, tem sido usual a sua instalação com atendimento a até 64 terminações em distâncias de 20 km. A fibra óptica permite, ainda, que outro comprimento de onda seja utilizado para transportar sinais de vídeo analógico, de forma superposta aos sinais digitais do GPON, permitindo, assim, a oferta de serviços de TV paga nas residências por meio de cable modems. Esta solução é chamada de video overlay. Nessa tecnologia, o desafio é aumentar a banda disponível para cada assinante mantendo o sistema a um custo baixo. Numa visão de futuro, os acessos fixos serão idealmente de fibra óptica, pois esta é a tecnologia melhor posicionada para lidar com o crescimento da demanda por banda passante. Além disso, a tecnologia de acesso óptico pode se valer bastante do aprendizado com os sistemas de transmissão. A taxa de dados de um sistema GPON, hoje, é 2,5 Gbit/s. Essa taxa, há cerca de duas décadas, constituia o desafio das comunicações ópticas no backbone. O conhecimento adquirido então facilitou significativamente o posterior desenvolvimento de sistemas de acesso óptico. 

Sistema BWA (acesso banda larga sem fio) O BWA (Broadband Wireless Access) representa uma família de soluções voltadas para o atendimento de usuários comerciais e residenciais. Em geral, são soluções implementadas em topologia ponto-multiponto, e suas primeiras versões eram destinadas a empresas que pretendiam competir com operadoras de TV a cabo. Na época, final dos anos 90, as tecnologias utilizadas baseavam-se nas arquiteturas de cable modem, sendo, por isso, denominadas de wireless cable. Uma dessas tecnologias foi o LMDS (Local Multipoint Distribution Service), cuja exploração comercial enfrentou diversas dificuldades tecnoeconômicas, sendo as principais a ausência de padronização e interoperabilidade; o custo excessivo de equipamentos terminais (CPEs) proprietários; a deseconomia de escala dos fabricantes; a necessidade de visada direta – LOS (Line Of Sight) –; e a baixa demanda por banda larga. Observou-se, então, que o custo e a flexibilidade dos CPEs são fatores críticos para o sucesso das tecnologias de acesso sem fio, com o objetivo de competir nos segmentos liderados pelas soluções baseadas em DSL. Nesse sentido, o sistema BWA evoluiu nos últimos anos na busca pela padronização, como foi o caso do WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access).



Sistema WiMAX (sem fio) O WiMAX é uma tecnologia baseada nos padrões da série IEEE 802.16, que permite o acesso banda larga sem fio na "última milha", em competição direta com as infraestruturas de rede cabeada, como, por exemplo, xDSL e cabo coaxial. O WiMAX inicialmente era um sistema fixo (padrão 802.16d) utilizando a modulação OFDM (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing). Evoluiu para um sistema com mobilidade, utilizando a técnica de OFDMA (Orthogonal Frequency-Division Multiple Access) (802.16e) e, atualmente, devido à competição com o padrão CPqD – Todos os direitos reservados.

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LTE (Long Term Evolution), está evoluindo para a versão 802.16m. Suas implementações mais recentes incluem recursos de mobilidade, hand off entre células e taxas de transmissão até 70 Mbit/s com um alcance de 10 km, dentro de determinadas configurações do sistema. Deve-se notar que não existe compatibilidade das redes WiMAX móveis com versões anteriores (por exemplo, 802.16d) nem com BWA, sendo uma tecnologia ideal para operadoras green field, isto é, sem infraestrutura anterior. A grande inovação do WiMAX foi a adoção de uma interface aérea baseada em modulação OFDMA. Sua vantagem é que, sendo uma técnica de modulação em subportadoras, ela é capaz de tratar de forma mais simples e eficiente vários problemas de propagação, como, por exemplo, interferência na célula e atenuação devidas a reflexões (multipath fading). Essa técnica de modulação é a mesma da radiodifusão da TV digital e foi posteriormente adotada pelos sistemas LTE. A tecnologia WiMAX para redes sem fio foi objeto de uma ampla padronização elaborada pelo WiMAX Forum. A arquitetura foi definida com ênfase em uma solução exclusivamente IP, e está inspirando a evolução da rede LTE. Assim, criou-se uma nova base tecnológica e um ecossistema de fornecedores e de componentes em torno dessa família de padrões. Abre-se a possibilidade de ela vir a ser utilizada a custos não muito altos em determinados cenários de aplicação que não são de interesse das grandes operadoras. É o caso, por exemplo, do acesso banda larga em áreas rurais, operando em frequências abaixo de 1 GHz. Uma solução desse tipo é bastante atraente para países como o Brasil. As implantações comerciais de sucesso do WiMAX têm se concentrado em aplicações para WLL (Wireless Local Loop/wireless DSL), principalmente em países emergentes e em projetos do tipo green field, como no caso da empresa norte-americana Sprint. Há uma chance de sucesso para o WiMAX no caso da Índia, voltada principalmente para aplicações não móveis, a partir de um forte direcionamento por parte do governo. Nota-se que a adoção da tecnologia depende do custo dos terminais, que, por sua vez, depende da produção em massa dos terminais. No momento, essa ainda é uma questão em aberto. 

Sistema 3G/HSPA (sem fio) Os sistemas 3G (Wideband Code Division Multiple Access – WCDMA) e HSPA (High Speed Packet Access) são as versões correntes dos sistemas de telecomunicações móveis com acesso banda larga adotados pelas operadoras na grande maioria dos países. O protocolo HSPA aumenta substancialmente a taxa de transmissão e a capacidade de comunicação de dados da plataforma 3G. Por vezes, é classificada como sendo uma tecnologia de "geração 3.5". Essas duas tecnologias, de uso corrente, deverão ser superadas pela geração seguinte de sistemas celulares de comunicação.



Sistema LTE (sem fio) O sistema LTE é o padrão de redes de comunicação móvel que sucede o 3G e o HSPA, dentro da linhagem do GSM (Global System for Mobile Communications). É padronizado pelo grupo 3GPP (3G Partnership Project). Embora muitas vezes seja identificado como um sistema de 4ª geração, o primeiro conjunto de especificações utilizado na prática para a fabricação de equipamentos (Release 8) ainda não está totalmente conforme o conceito IMT-Advanced (International Mobile Telecommunications) da ITU (International Telecommunication Union).

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Tecnicamente, o sistema LTE é otimizado para comunicação de pacotes e busca atender à demanda dos usuários por altas taxas e por qualidade de serviço. A interface aérea utiliza o esquema de acesso OFDMA no downlink e suporta multiantenas (Multiple Input/Multiple Output – MIMO), o que garante mais robustez do que o sistema 3G no que diz respeito a interferências. A interface admite diferentes faixas de frequências de operação e diferentes larguras de banda. Concebido desde o início como um sistema de comunicação e não apenas como uma interface de acesso sem fio, o LTE apresenta baixa latência, arquitetura de protocolos simplificada e interoperação com outros sistemas e prevê um gerenciamento mais automático da rede (SelfOrganizing Network – SON). Até dois anos atrás, não estava claro qual dos dois padrões tecnológicos para acesso banda larga sem fio obteria maior aceitação pelo mercado. O LTE foi desenvolvido tardiamente, principalmente em resposta à competição do WiMAX e da Flash-OFDM, tecnologia alternativa desenvolvida pela Qualcomm. Assim, àquela época, o LTE estava atrasado e, tecnicamente, não era superior aos demais padrões em termos de desempenho. Entretanto, como o WiMAX foi padronizado dentro do IEEE com uma visão de informática e computação, e não de telecomunicações, muitos aspectos relevantes para a comunidade das operadoras celulares não foram abordados, entre eles a compatibilidade com as versões anteriores do padrão celular do 3GPP (3G e 2G). Dessa forma, ocorreu um atraso na sua aceitação por essas empresas, permitindo que o LTE aproveitasse a janela de oportunidade e se tornasse o padrão dominante no mercado. A implantação comercial em grande escala deve começar em 2011/2012, mas a sua evolução já está em pauta no chamado padrão "LTE-Advanced". Este, sim, deverá ser full compliant com o conceito IMT-Advanced (4G). Essa é uma tecnologia em início de ciclo de vida, com grande impacto futuro e várias possibilidades de desdobramento. Como ainda se trata de um padrão em fase de consolidação, esperam-se barreiras de entrada menores para o desenvolvimento tecnológico, inclusive pelo caráter associativo dos órgãos de padronização. Assim como acontece em outros sistemas de acesso, é importante distinguir as duas visões de mercado existentes: os equipamentos terminais, com características de mercado de massa (telefones celulares); e os nós de rede – no caso as estações-radiobase, designadas no sistema LTE como eNodeB, com características de mercado de redes. 

Sistemas PLC (Power Line Communications) Sistemas PLC – também conhecidos como BPL (Broadband Power Line) – utilizam a rede elétrica de distribuição como meio de comunicação, por meio da transformação do sinal de telecomunicações em sinal modulado e transportado sobre a rede elétrica. Embora tenha sido saudada várias vezes como uma alternativa tecnológica para massificar o acesso banda larga, essa tecnologia tem tido uma aceitação muito lenta. Os óbices técnicos são variados: o canal de comunicação é de má qualidade, ruidoso; os sistemas emitem radiofrequências e podem interferir com rádios amadores ou frequências militares e aeronáuticas; transientes e ruídos da instalação elétrica podem atenuar substancialmente o sinal de comunicação; a complexidade e o preço do equipamento terminal tendem a subir muito para resolver os problemas apontados; a padronização é mais complicada, inclusive por causa da qualidade inomogênea das redes elétricas, de país para país ou de região para região.

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Além disso, há que se levar em conta a imensa concorrência de outras tecnologias de acesso banda larga, com fio e sem fio, bem demonstradas e bem sucedidas, com plano de evolução definido em direção a taxas de transmissão cada vez mais altas. Por essas razões, a tecnologia PLC tem alto grau de risco tecnológico bem como mercadológico. Seu impacto nas redes futuras é pequeno, e as oportunidades são duvidosas. 

Infraestrutura civil da rede Aplicam-se aqui as mesmas considerações já expostas anteriormente, quando se tratou da questão no âmbito do backbone.

4.2 Metodologia de análise Conforme já mencionado, o principal objetivo deste trabalho é oferecer uma avaliação das oportunidades tecnológicas em telecomunicações que podem ser aproveitadas pelo Brasil, visando proporcionar às indústrias nacionais tanto um aumento em sua capacitação quanto uma maior competitividade no mercado em relação ao atual estágio. Em consequência, fez-se necessário selecionar as oportunidades tecnológicas mais impactantes, tanto no mercado brasileiro quanto global, num cenário de médio e longo prazos, tendo em vista que os resultados a serem alcançados em programas de P&D só surtem efeito em 3 a 5 anos, ou até mais ,quando se leva em conta a colocação de novos equipamentos e sistemas no mercado. Por exemplo, o intervalo entre o relato de experimentos pioneiros e a introdução comercial de sistemas de transmissão óptica WDM tem sido da ordem de 5 a 7 anos. Os primeiros levantamentos realizados no trabalho identificaram 15 tecnologias importantes para atender à demanda do mercado brasileiro em curto ou médio prazo, conforme descritas no item 4.1. Um aprofundamento extensivo das análises de tendências de evolução e do potencial e da oportunidade do desenvolvimento no País de cada uma delas separadamente consumiria muito tempo e esforço, com resultados práticos duvidosos para os objetivos maiores do presente trabalho. Visando maior eficácia neste trabalho, e também devido ao pouco tempo disponível (menos de 6 meses), foram utlizados alguns atributos para selecionar as tecnologias mais importantes, descritos a seguir. a) Ciclo de vida/maturidade da tecnologia O início do ciclo de vida de uma tecnologia, quando ela ainda está imatura, costuma ser uma época de oportunidade para a entrada de novos atores: o conhecimento sobre a tecnologia ainda está em consolidação, o hiato entre os diferentes grupos de P&D não é muito grande, o mercado ainda não tem líderes definidos e é possível conseguir resultados com relativamente pouco investimento. À medida que o conhecimento se consolida e a tecnologia amadurece, aumenta o hiato entre líderes e seguidores, o investimento para alcançar os líderes cresce e o mercado faz escolhas quanto a fornecedores – nem sempre por fatores exclusivamente técnicos. Quando a tecnologia chega ao patamar da maturidade, esses aspectos se tornam mais destacados. Nesse estágio, a escala de produção e consequente baixo preço final são mais importantes para o comprador do que o conteúdo tecnológico em si. Pode-se afirmar, portanto, que as janelas de oportunidade são mais largas no início do ciclo de vida das tecnologias. b) Intensidade de competição Tecnologias cuja arena de competição é muito intensa são menos atraentes para um novo entrante. Para capturar uma parcela relevante de mercado, ele terá que fazer investimentos CPqD – Todos os direitos reservados.

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significativos em outras frentes que não apenas a do desenvolvimento tecnológico, como, por exemplo, canais de venda, fortalecimento de marca, suporte técnico, etc. Existe um risco, não pequeno, de esses fatores inviabilizarem o êxito do desenvolvimento ou envolverem recursos muito altos quando comparados aos recursos necessários para o projeto de desenvolvimento. Nessas condições, um entrante que focalize seus esforços na tecnologia precisará apresentar diferenciais tecnológicos expressivos em seus produtos finais, o que conduz à necessidade de superação de barreiras de ordem tecnológica. Outra barreira de entrada ocorre quando os competidores estão no negócio há muito tempo, tendo amadurecido nos aspectos tecnológico e mercadológico e na articulação com as cadeias de suprimento e de comercialização. Aqui, também os investimentos do entrante devem ser enormes para alcançar o desempenho técnico e econômico das empresas estabelecidas. c) Barreiras complementares à tecnologia As empresas costumam defender seus conhecimentos e produtos desenvolvidos por meio de proteção à propriedade intelectual, especialmente, por meio do depósito de patentes. Essa proteção constitui uma barreira legal à entrada de novos atores. Outras barreiras não têm o mesmo caráter legal, mas são igualmente importantes para a decisão de entrar ou não em uma área tecnológica. É o caso da padronização, por exemplo. Do ponto de vista dos novos entrantes, é ideal que a área em questão tenha padrões de jure, abertos e acessíveis, inclusive pela possibilidade de participação direta nos respectivos fóruns de padronização. Tais participações envolvem custos. Assim, padronizações de facto, isto é, domínio de mercado por parte de padrões proprietários, ou custos elevados de acesso aos padrões de jure acabam se tornando barreiras de entrada relevantes. Associações entre fornecedores dentro de uma cadeia de valor podem ser outra forma de erigir barreiras de entrada a certa área tecnológica; por exemplo, dificultando o acesso a componentes-chave para o desenvolvimento de produtos. d) Capacitação nacional existente Da breve discussão anterior, pode-se compreender a importância da existência de competências ou capacitações no País. Deve-se entender a capacitação não apenas num sentido restrito, de domínio de conhecimentos técnico-científicos, mas também de experiência acumulada pela atuação no segmento – marketing, comercialização, instalação, operação e manutenção – bem como na articulação com instituições de ciência e tecnologia e no envolvimento com outros fornecedores da cadeia de valor. Esse sentido amplo implica, portanto, a facilidade de acesso a novos conhecimentos, ou a especialistas na área, e a fornecedores de componentes; e a sinergia com outras tecnologias complementares, porém, necessárias ao desenvolvimento. Ademais, a existência de capacitação no País, implicitamente, faz com que o esforço de P&D necessário para se alcançar um patamar tecnológico competitivo no mercado (catch up) seja menor do que se o País partisse para o desenvolvimento com uma base rasa de competências. e) Impacto futuro nos mercados nacional e global Outro critério considerado na análise foi o impacto esperado pela introdução da tecnologia nos mercados nacional e global. Para que o desenvolvimento local tenha êxito no mercado, a tecnologia decorrente deve atender tanto a uma futura necessidade do mercado brasileiro quanto do mercado mundial. Existem tecnologias cujo retorno econômico do investimento em P&D se dá pela escala dos produtos comercializados. Nesse caso, o foco do desenvolvimento deve ser necessariamente o CPqD – Todos os direitos reservados.

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mercado global. É o caso, por exemplo, das tecnologias de comunicação na rede de acesso, em que os terminais se beneficiam da queda de preço por conta da escala global. Por outro lado, há tecnologias cuja aplicação no contexto específico do Brasil se mostra bastante atraente, e o mercado nacional é suficiente para alavancar a indústria. A transposição para outros países, com características semelhantes às brasileiras, deve ser analisada caso a caso. Um exemplo é a utilização de sistemas de comunicação sem fio (WiMAX ou LTE) em frequências abaixo de 1 GHz para uso em áreas rurais ou de baixa densidade populacional.

4.3 Áreas temáticas selecionadas À luz dos cinco critérios citados anteriormente, pode-se montar uma matriz para avaliar o potencial das 15 tecnologias identificadas, conforme Tabela 1. Cada tecnologia recebeu uma avaliação por parte dos autores quanto a cada critério. Cada um dos critérios contribui de forma mais ou menos favorável ao desenvolvimento da tecnologia em questão. Assim, os graus de avaliação variaram de "muito favorável" ao desenvolvimento no Brasil (grau 5) até "muito desfavorável" (grau 1). Como o objetivo era determinar aquelas que se destacavam como mais oportunas ou mais promissoras para se empreender um esforço de desenvolvimento no País, a média aritmética das avaliações foi denominada grau de oportunidade. As tecnologias com grau de oportunidade superior a 2,5 foram consideradas como as tecnologias mais promissoras, conforme Tabela 1. Para aprofundamento do estudo, mostrou-se ser mais apropriado reunir essas tecnologias mais promissoras em três grupos. A análise em grupos permitiu melhor exploração das sinergias entre elas. Como o escopo do trabalho era uma análise tecnológica, o agrupamento permitiu, também, o deslocamento da perspectiva da rede para a perspectiva da tecnologia ou do grupo de tecnologias. Esse agrupamento representou o ponto de partida para as entrevistas com os consultores nacionais e internacionais e a estruturação do trabalho de prospecção tecnológica.

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Tabela 1 Matriz de potencial e oportunidade de P&D para o Brasil Critérios

Backbone, Metro e Backhaul

Acesso

Infraestrutura

Tecnologias

Maturidade da tecnologia

Intensidade da competição

Barreiras complementares à tecnologia

Capacitação nacional existente

Impacto futuro nos mercados

Grau de oportunidade

Transmissão digital TDM (PDH, SDH, NG-SDH)

1,4

Comunicaçõ es ópticas (WDM, amplif. óptica, OADM/ROA DM, OTN)

4,2

Roteamento IP

2,8

Sistemas satelitais

1,8

Switch Ethernet

3,0

Rádio ponto a ponto

2,6

Sistema DSLAM/mo dem xDSL

1,4

Sistema DOCSIS/cabl e modem

1,4

Sistema GPON (fibras ópticas)

3,8

Sistemas BWA (sem fio)

1,2

Sistema WiMAX (sem fio)

3,8

Sistema 3G/HSPA (sem fio)

1,0

Sistema LTE (sem fio)

4,2

Sistema PLC

2,0

civil da rede

2,4

Os grupos resultantes correspondem a três áreas que são críticas para o desenvolvimento da banda larga. Isso reforça a abordagem do trabalho, uma vez que a banda larga é requisito indissociável das redes do futuro bem como significa uma transição no desenho do setor que deve ser aproveitado pelo Brasil e pela indústria nacional – ainda mais diante de um programa mobilizador como é PNBL. CPqD – Todos os direitos reservados.

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As três áreas são: a) comunicações sem fio; b) comunicações ópticas; c) comunicações de dados. Para cada uma delas foi realizada uma avaliação em profundidade quanto aos aspectos de tecnologia, resultando em temas identificados como mais oportunos para constarem de um programa de desenvolvimento tecnológico brasileiro. 

Comunicações sem fio (wireless) A área de comunicações sem fio é a área tecnológica de telecomunicações com maior variedade de aplicações, desde enlaces de micro-ondas com vários quilômetros até a comunicação a curtíssima distância – menos de 1 metro – para transmissão de informações entre instrumentos e aparelhos eletroeletrônicos. Configura-se, portanto, como mercados em grande expansão e com inúmeras possibilidades, com uma dinâmica muito inovadora. Especificamente para redes de telecomunicação (em seu sentido restrito), é uma área tecnológica importante para todos os diversos segmentos dessas redes, embora o destaque seja ainda maior no segmento de acesso. A comunicação sem fio pode proporcionar mobilidade, que caracteriza um vetor de desenvolvimento tecnológico claramente identificado. Além disso, requer uma infraestrutura física mais simples e flexível do que aquelas de cabos de cobre, coaxiais e de fibra óptica, o que lhe propicia uma grande vantagem no caso de expansão de novas redes.



Comunicações ópticas A área de comunicações ópticas é essencial para a implementação de redes banda larga, pelo fato de seu meio de transmissão, a fibra óptica, possuir uma banda passante elevadíssima. Normalmente, uma vez lançado o cabo de fibras, o aumento de capacidade do sistema pode se dar pela troca dos equipamentos terminais. Ou seja, o investimento inicial é alto, mas o upgrade do sistema requer custos mais baixos. Essa é uma área de grande densidade tecnológica e em constante evolução. É também uma área onde o Brasil tem tradição e histórico de capacitação e de P&D, havendo boa competitividade no mercado nacional por empresas nacionais. Nessa área tecnológica também estão incluídas as evoluções de tecnologias eletrônicas TDM que visam conferir maior flexibilidade à utilização das plantas legadas, integrando-as no segmento tecnológico OTN.



Comunicação de dados Com a dominância da tecnologia de pacotes, a área de redes baseadas nos protocolos IP e Ethernet é crucial para a evolução tecnológica do setor. Banda larga e Internet são indissociáveis e o contínuo aumento do tráfego da Internet pressiona a pesquisa por novos paradigmas que possibilitem lidar com o grande volume de tráfego. No que diz respeito aos equipamentos, os elementos de rede que executam roteamento e comutação precisarão adotar esses novos paradigmas. Em que pese a concentração de alguns segmentos de mercado, como, por exemplo, o de roteadores, um momento de transição pode sempre ser visto como, também, um momento de oportunidade. Além disso, o domínio de tecnologia nessa área é importante tendo em vista seu impacto em outros segmentos, como, por exemplo, data centers e cloud computing. CPqD – Todos os direitos reservados.

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5 Comunicações sem fio Devido a um conjunto de características, as comunicações sem fio apresentam-se como um dos segmentos com maior potencial de crescimento dentro do setor de telecomunicações. Essas características são: 

Custo marginal baixo para novos assinantes



Facilidade de reconfiguração física das redes, por dispensar o cabeamento



Suporte à mobilidade



Evolução dos terminais de assinante, oferecendo uma gama cada vez maior de aplicações e serviços (VoIP, acesso à Internet, envio/recepção de fotos, streaming de áudio, vídeo, etc.)

Em nível internacional, embora existam alguns fornecedores tradicionais de grande porte, como, por exemplo, Ericsson, Nokia-Siemens, Alcatel-Lucent, entre outros, devido à heterogeneidade das tecnologias envolvidas, esse segmento se apresenta como uma área dinâmica, com a presença de diversas empresas de pequeno e médio portes atuando em nichos específicos e com espaço para o surgimento de novos entrantes.

5.1

Tendências tecnológicas

Ao longo do tempo, e especialmente a partir da digitalização dos sistemas de comunicações sem fio, sua evolução tem sido norteada pelos seguintes motivadores: 

Uso mais eficiente do espectro (maior capacidade bit/s/Hz)



Maior capacidade ou taxa de bits por canal (Mbit/s)



Maior densidade de usuários/km2



Melhor cobertura (alcance, robustez do sinal, etc.)



Miniaturização da eletrônica (tanto do terminal do assinante quanto da ERB)



Busca por menor consumo de energia, mais recentemente

Assim, a área de comunicações sem fio apresenta amplas perspectivas do ponto de vista de novos produtos e tecnologias. Essas tecnologias, no caso dos sistemas que estão na fronteira do conhecimento, são complexas, representando uma barreira de entrada a competidores. Mas, exatamente por esse motivo, representam também uma excelente oportunidade mercadológica. Um exemplo dos desafios tecnológicos existentes, e cuja superação traz importantes consequências econômicas, é o aumento da eficiência espectral nos sistemas celulares (bit/s/Hz). Os sistemas atuais já operam próximos ao limite teórico máximo (limite de Shannon). Nos últimos 20 anos, a eficiência espectral (isto é, a quantidade de bits que pode ser transmitida em uma unidade de frequência) evoluiu, na prática, menos de uma ordem de grandeza. Por exemplo, no padrão LTE, em fase de implementação, a eficiência é pouco mais do que 10 vezes aquela do padrão GSM. O desafio passa a ser então o de aumentar não apenas a densidade de tráfego para um dado canal, mas a densidade de usuários que ocupam uma dada região geográfica-espectral. Analisando-se sob essa perspectiva, observa-se que existe ainda um amplo caminho a ser explorado, conforme indicado na Figura 3. Se for possível atingir a eficiência prevista, o custo para fornecer uma banda passante da ordem de 100 Mbit/s por setor cairá significativamente, especialmente no que diz respeito ao custo do espectro, o que pode ser visto na Figura 3, no caso das licenças no cenário europeu. CPqD – Todos os direitos reservados.

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Para fornecer 100 Mb/s/setor: - GSM: 1 GHz → € 1 trilhão - LTE: 100 MHz → € 100 bilhões - Teoria: 10 MHz → € 10bilhões

Eficiência espectral (bit/s/Hz/setor)

Custo da licença: ~ € 100 / Hz

Hiato a ser superado

6 4

1,6

2 0

36/96

0,1

0,3

0,5

GSM EDGE HSPA

LTE EASY-C Teoria

20 anos de engenharia

+ 20 anos ?

Figura 3 Evolução da eficiência espectral (bit/Hz/setor) e custo do espectro para oferecer banda larga à taxa de 15 100 Mbit/s por setor da célula. Fonte: G. Fettweis, 2010

Embora sempre seja possível se aproximar mais daquele limite, essa aproximação é assintótica, e cada vez mais se torna necessário muito esforço de P&D para obter apenas pequenos ganhos incrementais. Assim, as pesquisas têm se voltado para outras frentes. Uma delas consiste em contornar o limite de Shannon multiplicando o espaço do canal por meio de multiplexação espacial, por exemplo, usando polarização cruzada. Outra vertente busca eliminar as ineficiências e aumentar a carga útil (payload), procedendo-se a uma otimização que considera as diversas camadas do modelo OSI simultaneamente, em vez de tratá-las de forma independente (otimização cross-layer). Entretanto, essa linha de pesquisas encontra resistências por parte dos que defendem as vantagens do modelo de camadas. Uma terceira vertente trabalha com as técnicas de codificação do sinal fonte – como, por exemplo, o MPEG-4:svc e mvc –, de modo a reduzir a quantidade de bits necessária para transportar uma dada informação. Afora as técnicas citadas anteriormente, outra forma de aumentar a capacidade do canal é pelo simples uso de um canal mais largo. Entretanto, considerando o congestionamento do espectro, nem sempre é possível encontrar canais largos nas faixas atualmente disponíveis, o que tem motivado a busca de frequências cada vez mais elevadas. No caso dos sistemas de telefonia celular – no Brasil, SMP (Serviço Móvel Pessoal) –, após a digitalização do sistema ocorrida com a 2ª geração (2G) e introdução do tráfego de dados com o 3G16, as pesquisas passaram a focar tanto o aumento da capacidade de taxa por canal quanto o aumento da densidade de usuários por célula (usuários/km2). As soluções para o 4G (tanto o LTE quanto o WiMAX) procuram solucionar tais problemas utilizando a técnica de comunicação com duas ou mais antenas de cada lado (MIMO), de modo a utilizar o próprio fenômeno de interferências multipercurso para simultaneamente melhorar a robustez do sinal e aumentar o número de usuários atendidos a partir de uma estação-radiobase (ERB). Para o 5G, cujas pesquisas se encontram em fase inicial, o objetivo é o de aumentar ainda mais a capacidade do canal, de modo a suportar um streaming de vídeo com folga, e também a densidade espacial de usuários. Nesse sentido, uma das propostas é o emprego da técnica MIMO, com o sinal 15 16

Comunicação particular. Elaboração dos autores. Ou, para ser mais preciso, nos sistemas ditos 2,5 G, como o GPRS (General Packet Radio Service).

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sendo irradiado/captado não mais a partir de uma única ERB, mas a partir de várias ERBs, simultaneamente. Embora conceitualmente simples, trata-se de um desafio tecnológico bastante grande, uma vez que será necessário desenvolver formas de localização (do usuário) e de roteamento dos vários subsinais MIMO para ERBs diferentes, bem como antenas inteligentes que enviem esses subsinais em direção a cada assinante, com uma potencia específica17; tudo isso realizado dentro de limites de retardos extremamente rígidos (nanosegundos). Tanto nos sistemas de telefonia celular quanto nos demais sistemas, a robustez do sinal é tratada dentro de um fluxo por meio de emprego de códigos corretores de erro bem como pela decomposição e recomposição do sinal por meio de técnicas multifluxo – como, por exemplo, o MIMO – ou multiportadoras – como, por exemplo, o COFDM (Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing). Mais recentemente, uma nova técnica vem sendo empregada para otimizar a relação robustez versus carga útil dentro de um fluxo – trata-se do ML-QAM (Multi-Level Quadrature Amplitude Modulation). Nesse caso, o nível da constelação QAM (4, 16, 64, etc.) é dinamicamente ajustado em função das condições de propagação ou das necessidades de tráfego. A miniaturização dos dispositivos é decorrente dos avanços da microeletrônica (Lei de Moore). Empiricamente, observa-se que a capacidade dos chips de memória decuplica a cada 5 anos (informação verbal)18. Isso tem um impacto direto nos aplicativos executados dentro do terminal celular e, por conseguinte, acaba por se refletir no tráfego médio de dados demandado pelos usuários. Não por coincidência, a capacidade de transmissão dos sistemas de comunicação também apresenta a mesma taxa de evolução, conforme Figura 4. Nessa figura, as diversas soluções tecnológicas foram agrupadas pelo alcance típico do sinal e objetivo da tecnologia. Assim, existe um grupo de soluções que foca a comunicação de curtíssima distância (short link, tipicamente de 1 metro), essencialmente visando o intercâmbio de dados entre dispositivos próximos. Um segundo grupo se refere às redes locais de computadores (Wireless Local Area Network – WLAN), com alcance na casa de dezenas de metros. Um terceiro grupo engloba as tecnologias celulares, com alcance típico de centenas de metros19. O que a Figura 4 demonstra é que, a despeito de existirem diversas soluções tecnológicas, cujas diferenças são, fundamentalmente, as formas de empacotar as tecnologias básicas, a evolução da capacidade dessas soluções decuplica a cada 5 anos, aproximadamente, seguindo a tendência da microeletrônica. Assim, não é muito relevante saber qual é a denominação da tecnologia, nem qual é a relação exata de causalidade entre a microeletrônica e o wireless, de modo a resultar na situação indicada na Figura 4, mas sim o fato de esse resultado empírico poder subsidiar a previsão das taxas de transmissão que os sistemas de comunicação devem ter no futuro.

Cabe citar, a título de ilustração das dificuldades, que a antena inteligente deverá não apenas enviar um subsinal MIMO para um usuário específico, mas também fazer operação semelhante, simultaneamente, para todos os assinantes localizados em sua área de cobertura, cada qual recebendo uma direção/potência específica. Adicionalmente, existe a necessidade de um balanceamento dinâmico da potência desses subsinais entre as diferentes ERBs que estão atendendo simultaneamente a um dado assinante. 18 cf. Fettweis. Cellular Challenges. Discussão realizada no CPqD, out. 2010. 19 A figura não faz referência aos sistemas de longa distância, mas isso não representa problema, dado o objetivo da discussão proposta.

Perspectivas para o Desenvolvimento Tecnológico em Telecomunicações no Contexto do PNBL Enlaces curtos ˜ 1m

100 Gbit/s 10 Gbit/s

USB 3.0 USB 2.0

1 Gbit/s

WLAN ˜ 10 m

UWB (intenção) 802.11 ac/ad LTE - A

802.11 ag

802.11b 10 Mbit/s USB 1.0 (WiFi) 1 Mbit/s 802.11

100 Kbit/s

1995

802.15.3c

802.11n

100 Mbit/s

10 Kbit/s

38/96

GPRS

3G R99/ EDGE

HSPA

LTE

Celular ˜ 100 m

WiMAX HSDPA

GSM

2000

2005

2010

2015

Figura 4 Evolução dos sistemas de comunicações sem fio. Fonte: G. Fettweis, 2010

2020 20

Outra vertente de desenvolvimentos que visa aumentar a densidade de usuários, no entanto, com uma abordagem mais imediata, é representada pela utilização de células de curtíssimo alcance – as chamadas femtocélulas. Esse tópico será comentado mais adiante. Para finalizar, mais recentemente, a preocupação com o consumo de energia tem levado à busca de soluções mais econômicas, que envolvem, por exemplo, o uso de protocolos de comunicação que consumam menos energia ou a desativação parcial de ERBs em função do volume de tráfego.

5.2 Segmento backhaul Neste segmento, os sistemas de rádio são utilizados quando a topografia não se mostra adequada para a instalação de cabos subterrâneos, ou quando a população a ser atendida é muito dispersa21. Nesses casos, são empregados rádios ponto a ponto. Uma vantagem, conforme mencionado, é a de dispensar a instalação de redes de cabos – sejam eles enterrados diretamente ou instalados em dutos, postes ou torres de energia. Como desvantagens, existe o custo da infraestrutura (torre, energia, climatização, segurança, além do próprio transmissor) a cada ponto de retransmissão; a distância limitada entre retransmissores (algumas dezenas de quilômetros); a susceptibilidade a chuvas no caso de frequências acima de 10 GHz; e, principalmente, a capacidade limitada de banda quando comparada aos sistemas ópticos. Diversos fatores contribuem para a limitação de alcance dos rádios ponto a ponto. Os principais são a existência de obstáculos, como, por exemplo, edifícios ou mesmo árvores (no caso de rádios que operam em frequências que necessitam de visada direta, ou seja, acima de 2 GHz); morros; grandes extensões de água, como, por exemplo, lagos e rios; e também a curvatura da Terra. Já no ambiente metropolitano – que envolve distâncias que raramente chegam a uma dezena de quilômetros entre as estações –, com uma elevada densidade populacional e, via de regra, dificuldade para a instalação de cabos nas já congestionadas ruas, postes e dutos, os sistemas de rádio ponto a ponto são amplamente utilizados em telefonia celular e na interligação entre ERBs e 20 21

Comunicação particular. Elaboração dos autores. Ou seja, pequenos povoados ou vilas dispersas.

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destas para as estações de mais alta hierarquia. Os rádios ponto a ponto são utilizados também para a interconexão de provedores de acesso à Internet (ISP) e como enlaces de redes privadas corporativas. Por isso, os rádios ponto a ponto constituem, via de regra, uma tecnologia já bastante dominada. Eles são implementados empregando técnica de modulação monoportadora, em FSK (Frequency Shift Keying) ou com constelação complexa que pode variar do QPSK (Quadrature Phase Shift Key) e suas variantes até o 256-QAM (Quadrature Amplitude Modulation). Por outro lado, como em todos os sistemas de comunicações, existe uma relação inversa entre a capacidade de transporte (payload) e o alcance dos rádios. A modulação QPSK é bastante robusta, e propicia um alcance de dezenas de quilômetros, embora possua uma capacidade menor que um sistema n-QAM. Por outro lado, a modulação 256-QAM, que possui uma elevada capacidade de transporte, apresenta baixa imunidade a ruído e somente pode ser empregada em enlaces de curta distância (alguns quilômetros), em áreas com baixa incidência de interferências eletromagnéticas, reflexões e obstáculos. Assim, grosso modo, a técnica de modulação define tanto a capacidade quanto o alcance desses rádios. Ao se empregar uma mesma técnica de modulação, as diferenças de desempenho de um fabricante para outro são decorrente de fatores, como, por exemplo: a) uso de variações nas técnicas de modulação QPSK-QAM (soluções proprietárias); b) uso de códigos corretores de erro; c) circuitos analógicos (amplificadores) com maior linearidade; d) pré-amplificadores com menor ruído de fundo; e) maior estabilidade no relógio e circuitos correlatos; f)

algoritmos mais eficientes para detecção e processamento do sinal (soluções proprietárias).

Uma forma de ampliar significativamente a capacidade do canal é por meio do emprego de polarização cruzada, que praticamente dobra o throughput disponível, embora imponha uma certa perda no alcance e requeira circuitos eletrônicos mais bem elaborados. Assim, considerando-se que a capacidade e o alcance estão razoavelmente delineados pelo tipo de modulação, os desenvolvimentos atuais concentram-se em: 

busca de faixas de operação mais elevadas, consequentemente, com canais com maior largura de banda;



aumento da eficiência energética;



redução de tamanho, peso e consumo de energia, de modo a reduzir os custos de infraestrutura;



interfaces de entrada/saída flexíveis, de modo a acomodar diversos tipos de aplicações (E1, SDH, Ethernet, múltiplas portas, etc.).

5.2.1 Demanda do mercado brasileiro Embora não existam informações precisas sobre a demanda atual do mercado brasileiro, um levantamento por amostragem, realizado junto à base de dados do Siscomex, indica que o Brasil tem importado rádios ponto a ponto com capacidade entre 34 e 155 Mbit/s, operando em diversas frequências entre 5, 7 e 23 GHz22. 22

As informações publicamente disponibilizadas pelo Siscomex são apresentadas com a descrição truncada. Dessa forma, nem sempre é possível identificar o produto ou suas características técnicas. Outro fator de dificuldade é a inexistência de padronização na descrição do item, fazendo com que, via de regra, não seja possível identificá-lo com precisão.

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Já a TELEBRÁS, em seu edital nº 08/201023, especifica o uso de rádios ponto a ponto nas faixas de frequências de 5 a 7,5 GHz, 8 a 11 GHz e 18 a 23 GHz, com capacidade mínima de 200 Mbit/s por enlace monocanal e 1 Gbit/s em agregado multicanal. Considerando a tendência ao emprego de frequências e larguras de banda cada vez maiores, estimase que, em médio prazo, deverá haver demanda para rádios que ofereçam capacidade de transporte de 1 Gbit/s ou mais, tanto no backbone quanto no backhaul. Essa estimativa é baseada na tendência de decuplicação de tráfego a cada cinco anos, o que levaria a um volume de tráfego médio de 100 Mbit/s por ERB em 2015 (informação verbal)24. Considerando a topologia em malha das ERBs em cidades de grande porte, pode-se estimar que o tráfego agregado no backhaul, entre uma CCC (Central de Comutação e Controle) e as ERBs, poderá facilmente superar a casa de 1 Gbit/s. Outra tendência é que, ao longo do tempo, os atuais sistemas SDH deverão ser desativados, de forma similar ao que vem ocorrendo com os rádios PDH, pelo fato de estes se constituírem em base para tráfego por circuito. Eles deverão ser gradualmente substituídos por interfaces Ethernet ou algum outro protocolo adequado para o tráfego de pacotes. 5.2.2 Oferta dos fornecedores nacionais O Brasil possui, atualmente, um conjunto de empresas produzindo rádios ponto a ponto. Três delas – AsGa, Digitel e Gigacom – formaram, recentemente, um consórcio denominado Gente Wireless, visando fortalecer suas posições e, de imediato, mais bem atenderem às demandas da TELEBRÁS, conforme descrito anteriormente25. A pesquisa realizada junto a esses fabricantes indica que existe, atualmente, produção de rádios ponto a ponto com capacidade até 200 Mbit/s por enlace monocanal e 1 Gbit/s em forma de agregado multicanais, embora a maior parte dos rádios seja de menor capacidade, entre 8 (4xE1) e 34 Mbit/s. Em termos de frequências, elas variam entre 400 MHz e 1,5 GHz, e, para o caso dos rádios destinados a uso rural, até 23 GHz. Adicionalmente, a Gigacom possui um projeto em desenvolvimento, com o objetivo de chegar a 2,5 Gbit/s. Os seguintes desafios tecnológicos se apresentam à indústria brasileira, caso seja seu desejo manter presença nesse segmento de mercado: 

Necessidade de empregar técnicas de modulação com constelação complexa (n-QAM).



Ampliação desejável da capacidade de transporte, atendendo às faixas de 100 Mbit/s e Gigabit Ethernet.



Investimento em P&D nos fatores mencionados no item 5.2, de modo a melhorar a competitividade do produto.

5.3 Segmento acesso (WMAN – celular) O segmento de acesso sem fio é caracterizado por apresentar, atualmente, dois tipos de mercados razoavelmente distintos entre si: um vinculado ao serviço de telefonia celular (SMP), cujo foco é a portabilidade/mobilidade; e outro, constituído pelo mercado típico dos provedores de acesso 23

Pregão eletrônico – SRP n 08/2010-TB. 2010. Disponível em: <http://www.telebras.com.br/inst/wpcontent/uploads/2011/02/Edital-R%C3%A1dio-Consolidado-16_11_2010-Abertura-29_11_2010.pdf>. Acesso em: 18 fev. 2011. 24

cf. Fettweis, 2010. AsGa, Gigacom e Digitel anunciam novo consórcio. Telesíntese, 18 de fevereiro de 2011. Disponível em: <www.telesintese.com.br/index.php/plantao/16895-asga-gigacom-e-digital-anunciam-novo-consorcio.html. Acesso em: 18 fev. 2011. 25

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Internet sem fio, cujo foco é o acesso fixo de alta velocidade. Devido a essa distinção, até o presente, as tecnologias disponibilizadas para esses segmentos tiveram características e evolução distintas. Entretanto, no futuro, as bases tecnológicas deverão convergir, independentemente da configuração específica dos atores, por dois motivos: (a) convergência de serviços, com a diluição das barreiras que caracterizam os diferentes serviços; e (b) convergência dos terminais de acesso, pelo fato de esses terminais serem, cada vez mais, multifuncionais. Ao contrário do mercado de telefonia celular, dominado por empresas operadoras de grande porte, o mercado de acesso sem fio fixo é preponderantemente constituído por empresas de pequeno ou médio portes. E, ao contrário da telefonia celular, em que a mobilidade e a portabilidade constituem um valor em si, o acesso sem fio fixo compete diretamente com as diversas formas de acesso cabeado (xDSL, cabo, etc.). Assim, o mercado de acesso sem fio fixo existe somente quando ocorre alguma das condições a seguir: 

Inexistência ou desempenho inadequado do acesso cabeado (de alta velocidade) na localidade



Custo de atendimento mais baixo



Existência de prestadora SCM (Serviço de Comunicação Multimídia) com acesso sem fio, anteriormente à chegada e à consolidação do atendimento cabeado.

Considerando a existência, no Brasil, de grande número de localidades com baixa densidade populacional, o acesso sem fio fixo caracteriza uma solução adequada para esse tipo de mercado. Nesse caso, o custo (eventualmente mais que o desempenho) deverá ser um fator preponderante. A maior parte dos acessos fixos é constituída por rádios ponto-multiponto, operando nas faixas de micro-ondas: 2,4 GHz (não licenciado); 2,5; 3,5; 5,7; e 10 GHz. No lado do assinante, os terminais geralmente empregam antenas externas, uma vez que essas frequências requerem visada direta para funcionarem, a menos que se empregue potência relativamente elevada. No lado da prestadora, é instalada usualmente uma única estação de potência alta em um ponto geograficamente favorável para iluminar toda a área de atendimento (município). Quando é necessário atender a um maior número de assinantes, por meio de uma mesma frequência, são usadas técnicas de setorização (segmentação de cobertura com antenas diretivas). Algumas vezes, são utilizadas estações secundárias (operando na mesma frequência), com a finalidade de prover cobertura a assinantes que não tenham linha de visada direta com a estação principal. Os sistemas atuais geralmente operam com modulação monoportadora, FSK, QPSK e n-QAM. Entretanto, esses rádios são baseados em tecnologias maduras, com pouca perspectiva de evolução de suas funcionalidades. Essa percepção, já detectada no final da década de 90, levou ao desenvolvimento de uma (na época, nova) família de padrões, o IEEE 802.16, denominado Wireless MAN (Wireless Metropolitan Area Network). Em 2001, um grupo de indústrias envolvido nesse trabalho criou o WiMAX Forum, visando promover comercialmente o produto. O WiMAX será comentado mais adiante, ainda nesta seção. Quanto ao acesso móvel, o mercado de telefonia celular representa hoje a maior parcela dos terminais de acesso telefônico no Brasil, com mais de 200 milhões de aparelhos. Destes, 14,6 milhões são terminais 3G (WCDMA) e 4,3 milhões correspondem a modems (dongles)26 para acesso banda larga. Essencialmente, uma rede de acesso SMP apresenta uma topologia de rede que, do ponto de vista lógico (conectividade), é uma estrela, mas, do ponto de vista físico, efetua a cobertura de uma área fragmentando-a em diversas células, nas quais os assinantes são atendidos por meio das ERBs, cujo alcance pode ser de algumas dezenas de metros, no caso de antenas internas (dentro de um 26

Brasil com 30,5 milhões de celulares 3G em Ago/11. Teleco, 30 de setembro de 2011. Disponível em: <www.teleco.com.br/3g_brasil.asp>. Acesso em: 03 out. 2011.

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shopping ou em aeroportos), até algumas dezenas de quilômetros. Atualmente, o serviço é utilizado principalmente para voz (telefonia), mas a demanda de dados (acesso Internet e e-mail) já é significativa, e estima-se que, em futuro próximo, quando os custos viabilizarem, haverá uma acentuada utilização de serviços de streaming (vídeo e jogos)27. O 3G é um sistema desenhado para suportar dados em maiores velocidades (mínimo de 384 kbit/s). Diversos sistemas candidatos foram implementados para atender à especificação IMT-2000 (3G) da UIT, tendo dois deles – CDMA 2000 (EUA e Coreia do Sul) e UMTS W-CDMA (Europa e Japão) – se sobressaído. Um terceiro sistema, o GSM-EDGE, embora não atenda plenamente às especificações do IMT-2000, é tido por alguns como um sistema 3G, face a sua capacidade de dados e à penetração no mercado. No Brasil, a maior parte das operadoras emprega o GSM (2G) e o W-CDMA (3G), e uma delas (Vivo), também o CDMA. A próxima etapa evolutiva dessas redes é a introdução do 4G (especificação IMT-Advanced da UIT). Conforme ocorreu nas gerações anteriores, diversas alternativas tecnológicas foram propostas, tendo sobressaído duas delas: o LTE e o WiMAX, conforme Figura 5. 3G (IMT-2000)

3.5G

CDMA.2000 1xRTT

CDMA .2000 EVDO

CDMA .2000 EVDO rev.B

GSM - GPRS

GSM - EDGE

2.5 G

UMTS W-CDMA voz, dados em baixa velocidade

Voz (circuito) e dados (pacotes)

WiMax 802.16d 2004

WiMax 802.16e 2005

Dados, acesso fixo

3.9G

LTE

LTE Advanced

UMTS HSPA+

? All-IP

WiMax 802.16e 2009

WiMax 802.16m

acesso móvel

Figura 5 Geração dos sistemas de acesso móvel e fixo

Conforme comentado anteriormente, o WiMAX surgiu inicialmente como uma solução de acesso fixo (IEEE 802.16d 2004). Comparado aos demais sistemas de rádio ponto-multiponto, ele traz uma série de inovações, entre elas o uso de modulação multiportadoras (OFDM) e múltiplas antenas (MIMO). Mas, aquela versão do WiMAX apresentava a lacuna de não suportar o atendimento ao terminal móvel, o que foi corrigido com a versão 802.16e 2005. O WiMAX 802.16e é classificado como um sistema 3G, por atender às especificações do IMT-2000, embora exista a crítica de que ele tem por foco apenas o transporte (camadas física e de enlace) no acesso. Já o LTE foi concebido a partir dos sistemas de telefonia celular, mais especificamente o UMTS HSPA (Universal Mobile Telecommunications System High Speed Packet Acces) e o GSM. O LTE aproveita as técnicas de radiofrequência do WiMAX (OFDM e MIMO), além disso, mantém a concepção sistêmica da rede de acesso baseada em células, e contém recursos de encaminhamento e gerenciamento de tráfego (System Architecture Evolution – SAE) típicos de uma rede celular. Por tal motivo, tem sido a alternativa preferida pelas operadoras de SMP para a evolução de suas redes. 27

Segundo a Cisco (apud Fettweis, 2010), em nível mundial, já em 2011 a demanda de tráfego de vídeo deverá se equiparar à dos demais serviços acessados por meio de um terminal celular.

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Entretanto, nem o WiMAX 16e, nem o LTE atendem a todas as especificações do IMT-Advanced (4G), especialmente quanto à velocidade de acesso (100 Mbit/s no sentido descendente). Assim, seus proponentes evoluíram as propostas para o WiMAX 802.16m e o LTE Advanced, respectivamente. Já o 5G é um sistema que apenas começa a ser delineado. A principal meta colocada, atualmente, é a de propiciar um aumento da taxa de dados disponível a cada assinante e da densidade de usuários. Conforme Figura 3, apresentada anteriormente, Fettweis (2010) mostra que a capacidade de atendimento do número de usuários por setor ou por célula possui um limite máximo que está longe de ser atingido, o que significa que existe oportunidade para novos desenvolvimentos. A principal proposta atualmente existente, denominada Easy-C, consiste na transmissão MIMO envolvendo duas ou três ERBs simultaneamente para atender a um dado assinante (Coordinated MultiPoint – CoMP). Assim, uma vez localizado um dado assinante, as informações destinadas a ele seriam enviadas às diversas ERBs que lhe rodeiam, de onde seriam transmitidas as ondas de rádio em direção ao assinante. Possivelmente, poderiam ser empregadas antenas inteligentes altamente direcionais, de modo que, em cada ERB, a parcela de tráfego correspondente seja transmitida na direção daquele assinante. Como corolário dessa discussão, o que transparece é a tendência dos diversos sistemas de migrarem para uma solução única, conforme sugerido na Figura 5, podendo isso ocorrer antes ou depois do 5G. Essa hipótese é baseada em um conjunto de fatores: 

Por um lado, o barateamento do chip (LTE) devido à escala de produção, fazendo com que o mesmo esteja presente em todos os dispositivos que necessitem se comunicar por meio de ondas de rádio, incluindo as necessidades típicas de acesso móvel (terminais portáteis como, por exemplo, telefones, smartphones, notebooks, e-readers, etc.) e as que hoje empregam acesso fixo (microcomputadores de mesa)



Por outro lado, o custo elevado para o desenvolvimento de novos sistemas completos wireless, sendo mais razoável a implementação evolutiva de partes ou a adaptação de um subsistema a situações específicas, a partir de uma plataforma básica comum



A gradual migração da infraestrutura para o emprego de um conjunto mínimo de protocolos de comunicação comuns, à semelhança do que ocorreu no passado quando os diversos protocolos de rede de computadores (Internet Protocol – IP; Internetwork Packet Exchange – IPX; System Network Architecture – SNA; etc.) migraram para um único protocolo (IP), pelas vantagens técnicas e econômicas dessa convergência.

5.3.1 Acesso local (LAN ou WLAN) O acesso local é aqui descrito em um tópico à parte, pelas características e oportunidades que oferece. Atualmente, a solução mais amplamente empregada é o Wi-Fi (Wireless Fidelity) (IEEE 802.11), que propicia conectividade IP. O mercado de Wi-Fi é dominado por um conjunto de empresas taiwanesas e californianas, que vem atuando de longa data nessa tecnologia, possuindo, portanto, um largo acervo de soluções (proprietárias), fazendo com que a tecnologia em si, e o preço baixo, constituam barreira de entrada. Entretanto, o eventual barateamento de chips LTE vem alterar esse panorama. A femtocélula é uma ERB de baixa potência baseada nessas tecnologias. Inicialmente idealizada para a cobertura de ambientes internos (em empresas, restaurantes, etc.), ela faria o papel de um hotspot para as redes 4G. A femtocélula tem a vantagem, sobre o Wi-Fi, de possibilitar algumas funcionalidades essenciais não suportadas por este: o hand-off e a integração direta com a rede de telefonia. Assim, por exemplo, um usuário que esteja em movimento, pode iniciar uma conexão telefônica dentro de uma empresa, tendo sua chamada atendida pela femtocélula (rede interna); à medida que ele se desloca para a rua, a conversação seria mantida, nessa altura, diretamente por meio de conexão com a empresa operadora. Outro exemplo é que os funcionários de uma empresa podem utilizar o mesmo CPqD – Todos os direitos reservados.

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terminal (móvel) para efetuar chamadas ramal a ramal na rede interna da empresa, sem custo de tarifa telefônica. Esse mesmo terminal pode ser utilizado para efetuar chamadas externas, dessa vez via rede da operadora. Se este cenário de femtocélula se concretizar, é possível que o Wi-Fi seja eliminado, uma vez que perderia a razão de ser. E, por ser um mercado em formação, é um nicho que apresenta boas oportunidades para as empresas brasileiras. 5.3.2 Demanda do mercado brasileiro. No mercado de telefonia celular, a migração das atuais redes para o 3G e, posteriormente, para o 4G, cria um mercado potencial com uma demanda contínua. As licitações de novas faixas de frequência ampliam esse mercado. A tecnologia preferida é o LTE, devido a sua sinergia com o 3G. Adicionalmente, a femtocélula abre um mercado potencial a ser explorado, devido às suas características de mercado de massa, de baixa complexidade e pulverizado entre diversos tipos de nichos. Para o acesso fixo, especialmente no caso de pequenos provedores de acesso Internet, os sistemas preferidos parecem ser o 2,4 GHz e o 5,8 GHz (faixas não licenciadas). O fator custo, mais que as características técnicas, é determinante para pontuar as aquisições. O WiMAX surge como uma boa oportunidade se, além de um menor custo de CPE, puder propiciar a instalação do terminal pelo próprio assinante, dispensando o atual procedimento de alinhamento das antenas. A tecnologia WiMAX também é uma opção muito interessante para atender à demanda de projetos de cidades digitais, de iniciativa do Poder Público (principalmente prefeituras). Recentemente, o Ministério das Comunicações manifestou interesse em tecnologias wireless operando na faixa de frequência 450-470 MHz para provimento de banda larga em áreas rurais. Esse é um bom exemplo de um mercado de nicho catalisado a partir de demanda governamental, que resulta da adaptação de uma tecnologia criada para uma banda de frequências (micro-ondas) para outra banda (Ultra High Frequency – UHF), e, portanto, apresenta características de propagação distintas (mais favoráveis ao atendimento de áreas rurais). Essa solução, possivelmente empregando um subset do padrão original, se mostra assaz interessante, uma vez que aproveita uma tecnologia recentemente padronizada como ponto de partida para criar novos mercados – no Brasil e, possivelmente, em outros países com condições semelhantes à brasileira. 5.3.3 Oferta do mercado brasileiro O mercado brasileiro de sistemas sem fio celulares foi sempre ocupado pelos grandes fornecedores internacionais. A tecnologia WiMAX ofereceu uma cunha nesse domínio e duas empresas nacionais possuem produtos WiMAX 802.16e em seu portfólio (Parks e WxBR). Contudo, um obstáculo ao crescimento da participação dessas empresas no mercado nacional ainda reside na demora do órgão regulador em leiloar a faixa de frequências de 3,5 GHz, o que abriria espaço para a ampliação de seu portfólio e de sua respectiva participação.

5.4 Oportunidades de desenvolvimento tecnológico em comunicações sem fio Os desenvolvimentos tecnológicos têm propiciado novas formas de exploração do espectro, os quais são descritos a seguir. 5.4.1 Tecnologias de banda larga sem fio 4G: LTE Advanced Até recentemente, o maior esforço de desenvolvimento no Brasil era realizado na tecnologia WiMAX 802.16e. As atividades de P&D em LTE estão apenas começando. Uma vez que as operadoras celulares que utilizam a tecnologia 3G já se decidiram por seguir o caminho do LTE, descartando o CPqD – Todos os direitos reservados.

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uso do WiMAX móvel, é praticamente certo que o LTE será a tecnologia celular dominante para a próxima década. Como as inovações tecnológicas serão dirigidas pelo organismo de padronização 3GPP, que define a tecnologia LTE, as novas oportunidades em termos de P&D para o mercado celular estarão fortemente moduladas na evolução do LTE para o LTE Advanced (LTE-A). Devido à importância da tecnologia celular e a sua aplicabilidade para um grande conjunto de aplicações, o Brasil, se desejar desempenhar um papel importante no cenário de telecomunicações, deverá, numa perspectiva de mais longo prazo, dominar essa tecnologia, aplicando grandes esforços em pesquisa e desenvolvimento de sistemas de comunicações sem fio para o mercado de comunicação móvel celular. A atividade de padronização corrente para o LTE-A está em linha com a do LTE Release 10, conforme Figura 6, a seguir.

Evolução dos padrões 3GPP (3rd Generation Partnership Project ) Release 10Release LTE Advanced 9 LTE Release 9 Release 8

LTE LTE

União Internacional de Telecomunicações Recomendações IMT 2000 Release 5

HSDPA / IMS

Release 99 WCDMA GSM / EDGE / GPRS

2000

2002

2004

2006

2008

2010

2012

Figura 6 Padronizações do 3GPP e LTE Advanced

Como o padrão LTE inclui grandes mudanças na arquitetura de redes, acredita-se que partes da tecnologia em consideração sejam inseridas apenas no Release 11. Os primeiros resultados de mercado do Release 10 não são esperados para antes de 2013 ou 2014. O LTE-A completo, conforme características mencionadas a seguir, só deve estar disponível comercialmente entre 2015 e 2017. O LTE-A tem como um de seus objetivos manter a compatibilidade com o LTE Release 8. Ao mesmo tempo, ele inclui metas de desempenho ambiciosas, entre elas, um conjunto que foi definido inicialmente em junho de 2008 e que inclui, entre outras características:   

Taxas de dados de pico: enlace direto (downlink) – 1 Gbit/s; enlace reverso (uplink) – 500 Mbit/s. Largura de banda de transmissão maior que 70 MHz (até 100 MHz) no downlink e 40 MHz no uplink. Eficiência espectral: 3 vezes maior que a do LTE (até 3,7 bit/s/Hz/cell no downlink e 2,0 bit/s/Hz/cell no uplink).

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A seguir, são apresentadas as diferentes tecnologias que estão sendo discutidas no âmbito do LTE-A, e cujo domínio é estratégico para as empresas que buscam desenvolvimentos futuros e uma posição competitiva em LTE-A. Outros sistemas de comunicações sem fio também deverão se beneficiar do amadurecimento dessas tecnologias no contexto do LTE-A, tornando ainda mais importante o seu domínio. 

Tecnologias multiantenas (MIMO) MIMO se refere ao uso de múltiplas antenas no transmissor e no receptor para melhoria do desempenho de um sistema rádio. A multiplicidade de antenas cria uma multiplicidade de canais espaciais, permitindo reduzir a taxa de erro e aumentar a taxa de transmissão do enlace. Trata-se de uma tecnologia-chave que possibilita o aumento da taxa de dados muito além do que um rádio simples poderia alcançar. No caso do LTE-A, o uso de MIMO envolve, ainda, a sua combinação com outras técnicas, como, por exemplo, beamforming, que permite direcionar a cobertura da antena para onde se faz mais necessária. Além de sua aplicação no LTE-A, MIMO também é uma tecnologia habilitadora para outros padrões, como, por exemplo, WiMAX e Wi-Fi 802.11n.



Agregação de portadoras Para que o LTE-A utilize completamente a banda mais larga de 100 MHz e, ao mesmo tempo, mantenha a compatibilidade com o LTE, foi proposto o esquema de agregação de portadoras, por meio do qual são agregadas duas ou mais portadoras componentes, cada uma com uma largura de banda de até 20 MHz (Figura 7). Também está inclusa a agregação de portadoras não adjacentes, ou seja, o front-end de rádio deverá possibilitar sua sintonização tanto em portadoras múltiplas quanto em uma portadora única de 100 MHz de banda. Obviamente, isso aumenta a complexidade de processamento de sinal dos terminais do LTE-A com relação ao LTE, uma vez que a largura de canal apresentará um aumento de cinco vezes.

Figura 7 Agregação de portadoras



Arquitetura sistêmica e redes heterogêneas Apenas os melhoramentos no link de rádio não serão capazes de atender aos requisitos de tráfego para uma taxa de dados bem superior àquela do padrão LTE. Será necessário aumentar a densidade de células a um custo efetivo viável, usando redes heterogêneas, compostas de macrocélulas, picocélulas, femtocélulas e relay LTE (Figura 8). Para otimizar o desempenho dessas novas redes, será necessário repensar o paradigma de projeto de redes celulares. A gerência de interferência é uma área nova e considerada chave em termos de pesquisa em wireless. A arquitetura da rede LTE-A (SAE) se baseará em protocolos e equipamentos do universo da Internet, a partir da evolução da rede 2G/3G. Uma grande mudança do LTE-A em relação ao LTE é a introdução de cooperação entre estações-radiobase e, portanto, a CPqD – Todos os direitos reservados.

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necessidade de links de redes entre os sites das estações-radiobase, aumentando a complexidade da rede e do terminal do assinante.

Core Network

Internet

Femto

Figura 8 Visão sistêmica: redes heterogêneas



Coordinated Multipoint Processing (CoMP) Uma grande mudança do LTE-A em relação ao LTE é a introdução da cooperação ou coordenação entre estações-radiobase (chamadas de eNodeB – eNB). Isso envolve a necessidade de um link de rede entre as diversas eNBs e introduz um novo grau de complexidade tanto nos elementos de rede quanto nos terminais celulares. A coordenação dinâmica na transmissão e/ou recepção entre diferentes estações-radiobase pode ser vista como uma questão de antenas distribuídas em um único sistema. Elas cooperam visando o controle da interferência entre células, de modo a aumentar o nível de sinal e a taxa de transmissão no downlink e no uplink entre as eNBs e o terminal do usuário (Figura 9). Dessa forma, melhora o provisionamento de serviços, principalmente para os usuários que estão nas bordas das células.



Engenharia de interferência O controle, ou a gerência, da interferência (isto é, evitá-la ou, pelo menos, mitigá-la) mencionado anteriormente requer soluções práticas que levem em conta tanto a questão da cooperação entre as estações-radiobase quanto a interferência entre as células propriamente ditas. A isto se chama engenharia de interferência. Além do seu uso em LTE-A, as técnicas de engenharia de interferência podem ser aplicadas em outros domínios, como, por exemplo, rádios de microondas e rádio-satélite.

Figura 9 Conceito do LTE-A CoMP: coordenação de estações-radiobase (eNB)

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Femtocélulas Estudos indicam que mais de 50% das chamadas de voz e 70% do tráfego de dados ocorrem dentro de edificações. O LTE-A prevê o uso de células muito pequenas – denominadas femtocélulas, a partir de Femto-Access Points (Femto-AP) – para cobertura em ambientes internos (indoor) no site do cliente. Um Femto-AP deverá ser um equipamento de baixo custo e baixa potência, utilizando tecnologia celular com backhaul IP por meio de conexão banda larga. O uso de Femto-APs permitirá o aumento considerável de carga nas redes LTE-A, com aumento da taxa de dados e da confiabilidade do sistema e com redução no tráfego em macrocélulas. As Femto-AP deverão ser plug-and-play, a partir de redes autoconfiguráveis e com operação autônoma.



Relaying O relaying é um recurso para aumentar a cobertura para a transmissão de dados em altas taxas e a mobilidade de um grupo de terminais, implantar redes temporárias, prevenir falhas de cobertura dentro de uma célula e cobrir novas áreas. Um relay LTE é uma estação de pequena potência, que opera no mesmo espectro que a estação servidora que lhe envia o sinal, mas não é apenas um repetidor que somente reforça e reenvia o sinal. O relay LTE reprocessa o sinal, transmitindo um novo com maior qualidade, sem causar degradação na relação sinal-ruído como aquelas geradas por um repetidor. O terminal do usuário se comunica com o nó relay LTE, que, por sua vez, se comunica com a eNB. O relay LTE é um relay fixo, sem necessidade de conexão de backhaul cabeado, usando comunicação multihop para esse fim. Algoritmos de roteamento eficientes e escaláveis para uma arquitetura que inclua relays caracterizam um campo de pesquisa importante e bastante ativo.



Redes auto-otimizavéis Devido à complexidade do LTE-A, um requisito de sucesso para a sua implantação é a automação dos processos de gerenciamento e organização das redes. Daí a importância de sistemas que a tornem capazes de se auto-organizarem e auto-otimizarem. Isto deverá incluir o gerenciamento de escalonamento de recursos, a alocação de canais de frequência e outras facilidades de gerenciamento da rede que não afetem a complexidade do processamento de sinais do terminal.



Tecnologias básicas Explorar as oportunidades acima implica a necessidade de dominar tecnologias básicas, como o projeto de circuitos integrados (CI) de grande complexidade bem como o desenvolvimento e a implementação de vários algoritmos e protocolos. A competência em projeto de chipsets ASIC para rádios de alto desempenho é de vital importância, seja para obter diferencial competitivo, seja porque, na fronteira do estado da arte, tais chips não estão disponíveis. Devido à complexidade dos processamentos envolvidos em uma atividade de transmissão/recepção, também será necessário o emprego de chips com múltiplos processadores internos, o que, por sua vez, requer o desenvolvimento de técnicas para a otimização desse tipo de circuitos. O projeto desses tipos de CI encontra diversas dificuldades técnicas, cuja superação é sinônimo de interessantes oportunidades para inserção no mercado global de comunicações sem fio. Em outra vertente, o aumento de taxa de dados e de usuários nas áreas de cobertura das células, a redução do tamanho das células (femtocélulas), a disputa por espectro, além de pressões mais gerais sobre a tecnologia – como, por exemplo, a redução de consumo de energia, tanto em CPqD – Todos os direitos reservados.

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terminais quanto em estações (ERBs e femtoERBs) – deverá exigir um grande esforço na área de algoritmos e protocolos de comunicação eficientes, abrindo-se assim outra excelente oportunidade para os próximos anos em comunicações sem fio. 5.4.2 WiMAX 802.16M As redes de banda larga móveis de alta velocidade baseadas no padrão WiMAX 802.16e-2005 (16e) estão em operação comercial no mundo desde 2007. Como o padrão 16m foi definido pelo WiMAX Forum no final de 2010, abre-se uma interessante possibilidade para as operadoras que já utilizam o WiMAX no padrão 16e ou para aquelas que, não possuindo infraestrutura legada, desejam oferecer serviços de banda larga móvel rapidamente até que o LTE se consolide no mercado. Tendo isto em mente, existe uma oportunidade comercial para as empresas brasileiras aproveitando a capacidade tecnológica obtida no desenvolvimento 16e. Essa oportunidade tem como foco exatamente o mercado internacional baseado nas evoluções das operações existentes e para futuras novas operadoras greenfield para o WiMAX 16m. Vale lembrar que, com a saída de grandes fornecedores do mercado WiMAX, como, por exemplo, Alcatel-Lucent e Motorola, está ocorrendo uma reacomodação do mercado com empresas como a Huawei dispostas a tomar a liderança mundial como principal fornecedor de soluções WiMAX. Do ponto de vista da CPE, a migração para o 16m vai depender da disponibilidade e do preço dos terminais, que deverá ser o menor possível, uma vez que as operadoras de WiMAX que provêm serviços de banda larga não parecem dispostas a subsidiar seu custo. O cronograma de desenvolvimento deverá levar em consideração que os chipsets comerciais para CPEs só estarão disponíveis no final de 2011, prevendo-se os primeiros lançamentos de CPEs para 2012. No entanto, a fim de diminuir riscos para as operadoras, os CPE comerciais deverão contar preferencialmente com chipsets dual-mode, WiMAX e LTE. Os chipsets combinados 16e/LTE já estão previstos, mas os chipsets 16m/LTE ainda não aparecem nos roadmaps publicados. As operadoras greenfield estarão olhando também para demandas de 4G, ofertando serviços de acesso banda larga móvel ubíquo via CPEs indoor do tipo dongles (modems USB) e smartphones. Para as estações-radiobase, a partir das recentes RFPs (Request for Proposals) lançadas no mercado, as operadoras requerem que a maioria dos componentes possa evoluir ou ser reprogramada. Exigem, também, a possibilidade de upgrade 16e para 16m, e de 16m para LTE. A estratégia que está por trás é poder oferecer serviços de ponta para os clientes, minimizando os riscos de investimentos no 16m e postergando os investimentos no LTE, à espera de melhores oportunidades no futuro. 5.4.3 Rádio definido por software (SDR) e rádio cognitivo 

Rádio definido por software Rádio definido por software (Software-Defined Radio – SDR) é um conceito tecnológico segundo o qual uma ou mais funções físicas dos transmissores e receptores de rádio são definidas por software, como, por exemplo, seleção de frequências ou tipo de modulação. Ele envolve um conjunto de tecnologias que podem ser implementadas por software ou firmware modificáveis em dispositivos programáveis – FPGAs, DSPs, CPUs, etc. O SDR confere flexibilidade aos sistemas rádio a um custo relativamente baixo, permitindo a existência de dispositivos sem fio com múltiplas funções, faixas e modos de operação configuráveis. Atualmente, as aplicações mais usuais das tecnologias de SDR estão na área militar e no mercado de radioamador. No segmento de telecomunicações, a aplicação mais importante hoje é nas estações-radiobase que operam com mais de um padrão simultaneamente, como, por exemplo, 3G e WCDMA (solução comercializada pela empresa ZTE). CPqD – Todos os direitos reservados.

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Contudo, existem outros desafios em aberto: a necessidade de terminais LTE compatíveis com 2G e 3G, bem como a necessidade de front-ends de RF suficientemente flexíveis e programáveis para tratar as mais de 15 faixas de frequência já definidas para o LTE, numa gama que vai de 700 MHz até mais de 4 GHz. Esta é uma grande e impactante oportunidade de desenvolvimento e pode representar vantagens competitivas para as empresas pioneiras. Existem ainda outras aplicações potenciais relacionadas à combinação de várias tecnologias de comunicação sem fio (LTE, Wi-Fi, GPS – Global Positioning System, NFC28, etc.) em um único terminal. 

Rádio cognitivo O rádio cognitivo, conceito inicialmente criado por Joseph Mitola III, em 1999, é baseado em duas premissas. A primeira é a de que o espectro, observado em suas diversas dimensões – frequência, tempo, espaço, diagramas de irradiação das antenas, códigos, etc. –, apresenta ociosidade. A segunda é a de que o desenvolvimento dos rádios baseados em software (SDR), permitiria agregar inteligência aos receptores, de modo a possibilitar o aproveitamento dessas lacunas, por meio de um mecanismo de comunicação oportunística. Essa comunicação pode ser utilizada para qualquer finalidade, como, por exemplo, a de acesso Internet. No entanto, o rádio cognitivo representa mais do que uma forma de comunicação oportunística. O receptor apresentará inteligência suficiente para identificar os serviços disponíveis em uma dada localidade – prestados por diferentes provedores, como, por exemplo, operadoras de SMP, provedores de acesso IP gratuito (Wi-Fi) e pago, etc. – e, a partir do perfil do usuário ou do tipo de serviço demandado naquele momento, estabelecer uma conexão, fazendo uso de janelas livres no tempo-espaço. O rádio cognitivo encontra-se em estágio de pesquisas, de modo que o seu potencial e seus limites não são claramente conhecidos. Uma das linhas é a denominada white space in TV spectrum – padrão IEEE 802.22 –, cujo objetivo é a formação de redes sem fio utilizando os canais não ocupados destinados ao serviço de televisão. Uma vantagem desse padrão, em relação aos congêneres, é o fato de utilizar uma largura de canal de 6 MHz, casado com os planos de alocação de canais de TV29. No entanto, isso dependerá, caso a caso, da política regulatória de cada país. Vários países estão considerando usar partes das faixas de TV VHF (Very High Frequency) liberadas com a introdução da TV digital para a tecnologia celular, em particular para prover acesso banda larga nas áreas rurais e remotas. Outra alternativa seria oferecer essas faixas como faixas não licenciadas para provimento de banda larga com outras tecnologias sem fio. As tecnologias de rádio cognitivo deverão ser importantes para variados sistemas sem fio. Exemplos disso são o uso em redes sem fio locais, o uso do espectro em femtocélulas, a escolha de canais dentro de redes WAN celulares, entre outros. A possibilidade de ocupar as inúmeras lacunas hoje existentes no espectro traz boas perspectivas, e as linhas de pesquisa atuais se referem a:  Circuitos de RF que realizem as funções básicas de busca e alocação de canais  Algoritmos para busca de canais e espaços livres  Protocolos de comunicação para esse novo tipo de ambiente  Algoritmos para alocação de canais segundo aspectos técnicos e regulatórios

Near Field Communication. Tecnologia de comunicação sem fio a curta distância, muito empregada em pagamentos e identificação via terminais móveis. 29 O WiMAX, por exemplo, emprega canalização de 5 MHz.

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5.4.4 Plataformas de RF e ”dirty-RF” Os desafios de implementação de novos modems transceptores de baixa potência e baixo custo têm crescido continuamente com o aumento do desempenho, banda e frequência de portadora, principalmente a partir do momento em que as técnicas de modulação OFDM e OFDMA se tornaram dominantes. Antes, era possível projetar transceptores de maneira a manter o domínio da parte analógica de RF fortemente separada do projeto do processamento digital de sinais. Entretanto, como o projeto de sistemas analógicos e de RF se deparam, agora, com o desafio crescente de implementação em tecnologias CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) em dimensões submicron, projetadas e otimizadas para lógicas digitais, uma grande tarefa para o futuro será acompanhar as deteriorações, falhas e imperfeições do sinal analógico e compensá-las utilizando o chamado paradigma de “dirty RF". Em essência, a ideia do "dirty RF" é compensar os impactos deletérios à qualidade do sinal de radiofrequência provocados por jitter, ruído de fase, etc., por meio de técnicas de processamento digital de sinais quando da sua demodulação. Assim, por esse paradigma, em vez de resolver o problema de degradação da qualidade do sinal de RF por intermédio de complexas e caras soluções de eletrônica analógica, se adota uma solução digital que pode conviver com componentes RF de baixo custo e com sinais de rádio que podem até degradar-se com o tempo. A compensação digital desses problemas pode levar a soluções robustas e de baixo custo, sem prejuízo do resultado final. 5.4.5 Comunicações entre máquinas e objetos (M2M) Os avanços tecnológicos e o barateamento dos chips têm criado a perspectiva de que, dentro de alguns anos, muitos dos objetos que nos rodeiam conterão chips, inicialmente com um papel passivo de etiqueta eletrônica de identificação (Radio-Frequency Identification – RFID) e posteriormente podendo assumir um papel ativo, tornando-se objetos inteligentes. Esse cenário é conhecido como Internet de Objetos (Internet of Things), no qual trilhões de objetos ou máquinas estabeleceriam comunicação entre si – uma forma de comunicação simplificadamente batizada de M2M (Machineto-Machine). Esse cenário tem origem com a difusão do uso de chips RFID. Inicialmente concebido como uma etiqueta inteligente, o RFID ganhou rapidamente atenção do mercado de logística e de outros setores econômicos, por simplificar o processo de leitura de informações (sem necessidade de aproximação e alinhamento entre a etiqueta e a cabeça leitora), provendo economia e agilidade aos processos de manuseio e controle de estoques. Paralelamente, o barateamento da microeletrônica e dos dispositivos micromecânicos criou um novo horizonte – o das redes de sensores, no qual um grande número de sensores distribuídos seriam empregados para coletar dados de diversos tipos, em grande quantidade. Para evitar o custo de cabeamento (material e instalação), as redes de sensores deverão ser, majoritariamente, sem fio (Wireless Sensor-Actuator Network – WSAN). Isso criaria um grande volume de tráfego, visto que, embora a quantidade de dados por sensor seja pequena, o número de sensores seria bastante elevado. A junção dessas duas linhas cria o cenário de Internet de Objetos, no qual todos os objetos conteriam chips, inicialmente com a função de identificação e, posteriormente, com as funcionalidades de sensor e atuador, fazendo com que os objetos venham a adquirir uma forma de inteligência e se comuniquem uns com os outros e também com as pessoas. Assim, geladeiras podem ser acessadas remotamente por seus donos para aferir o seu conteúdo; automóveis podem se comunicar com seus proprietários, garagens, semáforos, pedágios ou oficinas mecânicas; serviços de logística poderão ter a totalidade de suas atividades integradas e rastreadas; etc. A partir do número de objetos que nos rodeiam, diversos pesquisadores estimam que a quantidade de objetos comunicantes ao redor do CPqD – Todos os direitos reservados.

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planeta seria da ordem de 7 trilhões, contra (apenas) 7 bilhões de pessoas30. Em outras palavras, o tráfego gerado por essa massa de máquinas inteligentes deverá ser bastante elevado, podendo superar facilmente o tráfego gerado pelas pessoas. Em termos de interface de comunicação, esses objetos conteriam um chip baseado em alguma tecnologia dominante – por exemplo, o LTE ou o WiMAX31/Wi-Fi, eventualmente em uma versão simplificada – por um conjunto de fatores. O primeiro fator é o custo do chip. Estima-se que um chip LTE, ao ser produzido em larga escala, venha a ser tão barato que todos os objetos que necessitem de comunicação o utilizem, em detrimento de soluções de nicho específico, como, por exemplo, o bluetooth ou o NFC. O segundo fator é que, ao se padronizar a infraestrutura de transmissão, obtémse um segundo tipo de ganho de escala: um único tipo de rede (LTE) seria capaz de suportar as chamadas telefônicas (SMP), o tráfego de redes de sensores de diversos tipos e o rastreamento de objetos com base no chip RFID/LTE. O mesmo raciocínio aplicado à tecnologia LTE aplica-se também ao WiMAX. Em um exemplo prosaico de aplicação, os bois teriam, implantados, não chips RFID nos moldes atuais, mas chips RFID-LTE. O fazendeiro teria, instalado em um curral, um roteador LTE com papel de femtocélula, tão fácil de instalar quanto os atuais roteadores Wi-Fi. Esse roteador encaminharia os dados do chip bovino diretamente para o microcomputador do fazendeiro, sem necessidade de agregação ou processamento intermediário das informações, como ocorre em redes de sensores convencionais. Quando o boi é transportado de um ponto a outro, o fazendeiro não perde o rastreamento; ao contrário do RFID, que depende de ter leitores instalados em alguns pontos de controle (porteira de saída da fazenda, posto de pedágio, entrada do frigorífico, etc.), a própria rede de telefonia celular permite ao fazendeiro rastrear e acompanhar o rebanho ao longo de todo o percurso, sem a necessidade de ter aqueles pesados e caros leitores instalados em pontos específicos.

5.5 Capacidade de P&D e estratégia tecnológica das empresas O Brasil conta com seis indústrias nacionais produzindo, ou em vias de produzir, sistemas para comunicação via rádio: AsGa Wireless, Digitel, Gigacom, Parks, WxBR e Linear. A AsGa e a Digitel possuem perfis semelhantes, atuando basicamente em rádios ponto a ponto, com capacidade até 34 Mbit/s, destinados principalmente para o segmento Metro e o acesso ponto a ponto de empresas e ISPs. Recentemente, a Linear lançou produto semelhante, chegando a 17 Mbit/s. Já a Gigacom atua em rádios ponto a ponto de alta capacidade, atualmente até 1 Gbit/s e possui em desenvolvimento um sistema para 2,5 Gbit/s por meio de polarização cruzada. A Parks e WxBR atuam na rede de acesso, com soluções em WiMAX 3,5 GHz em desenvolvimento ou em produção. Para se compreender a forma como essas indústrias desenvolvem ou obtêm as tecnologias de que necessitam, recorre-se à Figura 10, que indica, de forma simplificada, os diversos estágios de complexidade tecnológica incorporáveis em um processo produtivo, no caso de equipamentos de RF. No nível mais baixo, a empresa simplesmente adquire ou licencia um produto pronto, efetuando sua comercialização e cuidando do suporte técnico (nível 1). Acima desse patamar, a empresa pode gradualmente agregar um maior nível de inovações, desde adaptar o equipamento semipronto para as condições das redes brasileiras (nível 2); efetuar projeto de engenharia a partir de reference designs (agregação de funções periféricas, nível 3); implementar algoritmos com emprego de chips 30

A estimativa do número de objetos comunicantes varia de autor para autor. A estimativa citada é de Fettweis (2010) para o ano 2017. Gérald Santucci (The Internet of Things: A window to our future, 2005) estima em 50 bilhões. Independentemente do valor exato, ambos os autores utilizam o mesmo raciocínio: o de que nós, seres humanos, estamos rodeados por uma centena ou um milhar de objetos, e que, no futuro, todos esses objetos terão chips que se comunicarão por meio de ondas de rádio. 31 O WiMAX possui uma versão (IEEE 802.16p) em desenvolvimento, para suportar o M2M.

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DSP, ou seja, um desenvolvimento majoritariamente em software (nível 4); desenvolver o design de FPGA incorporando algoritmos complexos e/ou de alta eficiência (nível 5); e, finalmente, projetar chips ASIC ou implementar design FPGA de algoritmos e funções de camada física, que são mais críticos (nível 6).

Grau de complexidade e agregação de tecnologia

Implementação de algoritmos de camada física em chips (FPGA ou ASIC)

Design de FPGA para funções de camada de enlace ou superiores

Implementação de circuitos a partir de chips programáveis (DSP) ou configuráveis

Implementação de circuitos a partir de reference design de chips ASIC

Adaptação de kits CKD para interfaces brasileiras

Comercialização de produtos prontos (SKD e OEM) sob bandeira brasileira

Figura 10 Graus de complexidade no desenvolvimento de circuitos integrados para produtos de telecomunicações

O conjunto das entrevistas realizadas junto aos fabricantes brasileiros mostra que nenhum deles trabalha no nível 6. Dependendo da linha de produto, observam-se níveis de atividade de P&D baixos (correspondentes aos níveis 1 e 2). Em alguns casos, o desenvolvimento se dá a partir de reference designs (nível 3), com a implementação de interfaces conforme padrões adotados no Brasil e funções de gerência. Assim, observa-se que a capacidade de P&D em radiofrequência dentro das empresas é, em geral, limitada. Por tal motivo, as abordagens se dividem nos seguintes casos: a) licenciamento de tecnologia junto a fabricantes estrangeiros. Esse é o estágio mais básico, em que a indústria local efetua montagem, testes e inclusão de algumas funcionalidades periféricas, como, por exemplo, interfaces de comando; b) contratação de desenvolvimento junto a universidades e institutos de P&D. A indústria efetua a concepção sistêmica, e o desenvolvimento é realizado em universidades ou institutos de P&D mediante contratação direta ou, no mais das vezes, submissão de projeto a algum órgão de fomento, no qual a indústria entra como interveniente. Geralmente, o desenvolvimento consiste CPqD – Todos os direitos reservados.

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no projeto de circuito eletrônico e design de placa multilayer, a partir de chipsets comercialmente disponíveis. Componentes de micro-ondas (guias, antenas e microstrips) são projetados pelas universidades. c) parceria entre instituição de P&D e a indústria. Nesse caso, o instituto de P&D foca o desenvolvimento de uma área tecnológica e estabelece uma parceria com uma indústria, que se responsabiliza pelos requisitos de mercado para o desenvolvimento do sistema e seus equipamentos. Esta é a situação das parcerias da Linear e Inatel, bem como do CPqD e WxBR. Essas parcerias são feitas através de contratos de transferência de tecnologia e remuneração por royalties.

5.6 Capacidade das instituições de P&D No passado, o Brasil já pôde contar com uma razoável massa crítica em P&D na área de radiofrequência. Ainda que hoje isso tenha diminuído, observam-se bons grupos de pesquisa em universidades e institutos de P&D. Entre eles, pode-se citar: 

Inatel – Sistemas digitais (ponto a ponto e multiportadoras), algoritmos de codificação, WiMAX 3,5 GHz e rádio cognitivo



PUC-Rio – Dispositivos de micro-ondas, radiopropagação e antenas



PUC-RS – Antenas inteligentes, sistemas digitais (ponto a ponto e multiportadoras), algoritmos de codificação e WiMAX



UFRGS – WiMAX e rádio cognitivo



USP – Dispositivos de micro-ondas



CPqD – Antenas, satélite, WiMAX e LTE

A proliferação dos sistemas digitais e o barateamento das ferramentas criaram a falsa impressão de que projetos de sistemas de rádio se tornaram mais simples. Isso é verdade em projetos de instalação, no qual os sistemas de software realizam todo o procedimento de cálculo e mapeamento; e em projetos de engenharia de produto, no qual os sistemas de software de visualização facilitam a percepção de detalhes antes altamente complexos. Entretanto, descendo ao nível de projetos básicos de radiofrequência, persiste uma dificuldade: esses problemas são essencialmente analógicos, não lineares e requerem um bom conhecimento dos fenômenos físicos que, geralmente, não estão adequadamente mapeados nos modelos computacionais. Por tal motivo, um bom projeto de radiofrequência, no estado da arte, continua sendo essencialmente um trabalho “artesanal”. Para dificultar o cenário, os modelos matemáticos de representação desses fenômenos geralmente são bastante complexos, requerendo não apenas um bom conhecimento no domínio analógico, mas também no domínio digital. Esse é o conjunto de desafios que tem de ser enfrentados pelas universidades e centros de P&D para a ampliação de seus quadros de pesquisadores.

5.7 Desafios e oportunidades Diante do exposto, observa-se que o segmento de redes sem fio (wireless) apresenta, do ponto de vista de novos produtos e tecnologias, amplas perspectivas. Essas tecnologias, no caso dos sistemas que estão na fronteira do conhecimento, são complexas, representando uma barreira de entrada a competidores. Mas, exatamente por esse motivo, representam também uma excelente oportunidade mercadológica.

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Considerando o cenário industrial, em que os padrões e as empresas fornecedoras atuam, via de regra, em escala mundial, visualizam-se duas formas de inserção do parque produtivo brasileiro nesse cenário: 

A primeira consiste na geração de tecnologia e produtos adequados à realidade brasileira (soluções de nicho, com horizonte de curto e médio prazos) – como, por exemplo, rádios para atendimento de áreas rurais e comunidades carentes –, e que possam ser exportados a outros países com condições semelhantes à nossa. Incluem-se nesta alternativa sistemas de radioenlace ponto a ponto em patamar superior a 1 Gbit/s e o desenvolvimento de sistemas WiMAX 802.16e ou LTE Release 8 nas faixas VHF/UHF, para aplicações rurais e cidades digitais, com CPEs integrando redes Wi-Fi Mesh/Ad Hoc. Mas, ao contrário do que se fez no passado – em que se adotavam tecnologias já amortizadas, portanto, maduras e em defasagem do ponto de vista de desempenho – as novas soluções devem ser baseadas em tecnologias recentes, seja para otimizar o desempenho, para possibilitar sua evolução futura, ou ainda por uma questão de facilidade de obtenção de componentes. Essas soluções podem ser derivadas como versões do tipo lite das tecnologias mais complexas, eliminando funcionalidades desnecessárias ou onerosas. O custo do produto final – tanto o CAPEX (Capital Expenditure) quanto o OPEX (Operational Expenditure) –, nesse caso, é um fator de primordial importância.



A segunda alternativa consiste na produção de partes, módulos ou subsistemas (soluções de “partes”, com horizonte de médio e longo prazos) que possam ser integrados a produtos de fornecedores em escala global. Essa alternativa requer uma participação direta nos fóruns de discussão dessas tecnologias e o estabelecimento de relações acadêmicas ou técnicas com pesquisadores de outros países, de modo a não apenas identificar as oportunidades, mas também facilitar a inserção das soluções aqui desenvolvidas.

Para os novos projetos, uma mudança de enfoque que se mostra necessária é que, ao contrário do que ocorreu no passado, os sistemas de rádio (mesmo os de uso doméstico) estão cada vez mais integrados às redes de comunicações (seja a rede IP, seja a rede telefônica). Assim, os novos rádios não devem ser pensados como sistemas stand-alone, mas, sim, como partes que devem ser integradas a essa rede multifuncional. Dessa forma, diversas oportunidades se apresentam, as quais são descritas a seguir. 5.7.1 Soluções de nicho – Curto/médio prazo  Desenvolvimento de sistema de transmissão sem fio ponto a ponto para o patamar de Gbit/s e superiores. 

Desenvolvimento de sistemas sem fio LTE nas faixas VHF/UHF para aplicações rurais e cidades digitais, inclusive CPEs integrando redes Wi-Fi Mesh/Ad Hoc.

5.7.2 Produção de partes, módulos ou subsistemas do LTE-A – Médio/longo prazo  A produção de partes, módulos ou subsistemas que possam ser integrados a sistemas mainstream – como, por exemplo, o 4G e, no futuro, 5G – é outra oportunidade interessante. Essa alternativa requer uma participação direta nos fóruns de discussão dessas tecnologias e o estabelecimento de relações com organizações de outros países, de modo a não apenas identificar as oportunidades, mas também facilitar a inserção das soluções aqui desenvolvidas. 5.7.3 Soluções sistêmicas – Longo prazo (1) Programa 4G baseado em LTE-A Devido à importância da tecnologia celular e sua aplicabilidade para um grande conjunto de aplicações, o Brasil, se quiser ter um papel importante no cenário de telecomunicações, terá que CPqD – Todos os direitos reservados.

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dominar essa tecnologia, aplicando grandes esforços em pesquisa e desenvolvimento em sistemas de comunicações sem fio para o mercado de comunicação móvel celular. Esse esforço deverá ser traduzido na montagem de um programa nacional envolvendo o governo, indústrias e instituições de P&D. O programa de P&D 4G deverá contemplar: - A criação de um consórcio de P&D em escala nacional envolvendo a indústria, institutos de P&D e universidades, para detalhamento do programa e elaboração dos projetos em conjunto com o governo. - A participação ativa no 3GPP, acompanhando de perto o roadmap tecnológico do LTE-A. Esta será a fonte para definição de sistemas, os quais poderão ser aplicados tanto para necessidades especiais do Brasil quanto para aplicação de produtos para mercados externos. - A participação do Brasil em projetos LTE-A em andamento na Europa, EUA e Ásia (Japão, Coreia e China), criando intercâmbio científico e tecnológico nesta temática. O programa deverá ser dividido em projetos voltados para a capacitação e o domínio das tecnologias envolvidas – algumas delas já presentes no LTE – que estão sendo discutidas no momento no escopo do 3GPP e que serão chaves para o domínio tecnológico do padrão LTE-A, conforme descrito no item 5.4.1. Além dessas tecnologias, os projetos de P&D deverão contemplar o desenvolvimento de hardware e software, chegando, no caso de hardware, ao nível da concepção de circuitos integrados. Deverá ser fomentada a geração de patentes; exploração de novos IP (Intellectual Properties), no caso de circuitos integrados; e desenvolvimento e/ou aprimoramento de pilhas de protocolos específicos para LTE-A, buscando potenciais nichos de mercado para inserção da indústria nacional no mercado internacional. (2) Domínio de tecnologias básicas As oportunidades descritas anteriormente, por sua vez, resultam na necessidade do domínio de uma série de tecnologias básicas, descritas a seguir.  Projeto otimizado de circuitos (FPGA, ASIC) de RF de alta frequência e alto desempenho (“dirty RF”) A competência em projeto de chipsets ASIC para rádios de alto desempenho é de vital importância, seja para obter diferencial competitivo, seja porque, na fronteira do estado da arte, tais chips não estão disponíveis. O projeto desse tipo de chip encontra diversas dificuldades, entre elas: requisitos de timing extremamente críticos, interferência eletromagnética intrachip e necessidade de conversão de algoritmos teóricos para o footprint do chip. Adicionalmente, deve-se observar que as ferramentas (sistemas de software) para geração/síntese de circuitos são insuficientes nesse caso.  Projeto de chips multiprocessador (Multiprocessor System-on-Chip – MPSoC) Devido à complexidade dos processamentos envolvidos em uma atividade de transmissão/recepção, será necessário o emprego de chips com múltiplos processadores internos, o que, por sua vez, requer o desenvolvimento de técnicas para a otimização desse tipo de circuitos. Isso envolve o balanceamento otimizado de carga entre atividades que deverão ser executadas em hardware e em software (hardware/software codesign), projeto otimizado de acesso à memória, projeto otimizado de barramentos intrachip (Network on Chip – NoC), etc.

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 Antenas inteligentes e multifeixe (MIMO) Tanto o 5G quanto outras aplicações, como, por exemplo, o M2M e o rádio cognitivo necessitarão de antenas inteligentes, capazes de produzir um grande conjunto de feixes (lóbulos) individualizados para diversos usuários simultaneamente. Isso pode significar, por exemplo, uma antena com faixa relativamente larga (em relação ao canal de comunicação), na qual cada canal teria um diagrama de irradiação diferente, no caso de se efetuar o múltiplo acesso por divisão em frequência; ou, um diagrama de irradiação que possa ser rapidamente reconfigurado, no caso de multiplexação no tempo. Ambos representam grandes desafios tecnológicos, mas poderão resultar em produtos aplicáveis àqueles segmentos de mercado.  Algoritmos e protocolos O aumento da taxa de dados e de usuários nas áreas de cobertura das células, a redução do tamanho das células (femtocélulas), a disputa por espectro, além de pressões mais gerais sobre a tecnologia – como, por exemplo, a redução de consumo de energia, tanto em terminais quanto em estações (ERBs e femtoERBs) – deverá exigir um grande esforço na área de algoritmos e protocolos de comunicação eficientes, abrindo-se assim uma excelente oportunidade para os próximos anos em comunicações sem fio, em uma área relativamente pouco explorada.

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6 Comunicações ópticas 6.1 Tendências tecnológicas Os sistemas ópticos têm evoluído, historicamente, dentro de um paradigma de aumento das taxas de transmissão e da extensão dos enlaces. A figura de mérito associada é o produto capacidade versus distância de transmissão (C x D), parâmetro este que tem crescido por uma ordem de grandeza a cada quatro anos nas últimas três décadas. Esse comportamento tem sido comumente denominado de Lei de Moore da Óptica. Por outro lado, esse desempenho tem implicado uma queda da relação custo por bit por quilômetro dos sistemas também por ordens de grandeza. Isto denota a relevância incontestável que os sistemas ópticos apresentam nas redes atuais e futuras de telecomunicações, uma vez que se trata da tecnologia dominante para o transporte de informações em altas taxas de transmissão e através de longas distâncias. O desempenho dos sistemas de transmissão óptica serve de “marcador” da evolução da tecnologia de comunicações óptica. Os primeiros sistemas acompanharam o crescimento da capacidade dos sistemas de transporte TDM, a partir da década de 1980 (de dezenas de Mbit/s até uns poucos Gbit/s). Porém, em meados da década de 1990, alguns fatores contribuíram para uma quebra de paradigma: o surgimento dos amplificadores ópticos a fibra dopada com érbio (Erbium-Doped Fiber Amplifier – EDFA), novos tipos de fibras ópticas, técnicas e dispositivos ópticos para compensar efeitos de dispersão e não linearidades nas fibras. Isto permitiu o advento da multiplexação em comprimento de onda (WDM), isto é, a transmissão simultânea de vários comprimentos de onda, cada um deles modulado eletronicamente a uma taxa de dezenas de Gbit/s. Hoje, um sistema óptico pode comportar, sem muitas dificuldades, 80 comprimentos de onda a 40 Gbit/s cada um, totalizando mais de 3 Tbit/s. Essa evolução é ilustrada na Figura 11.

Capacidade dos Sistemas de Transmissão Óptica

1 Pbit/s

Paradigma Coerente 1 Tbit/s

Paradigma WDM 1 Gbit/s

1 Mbit/s

Paradigma TDM

1975

1980

Novos formatos de modulação Recepção coerente Conversão AD de alta velocidade ASICs / DSPs

EDFAs Novas fibras Controle da dispersão Controle de não-linearidades

1985

1990

1995

2000

2005

2010

2015

Figura 11 Representação ilustrativa da evolução das taxas de transmissão dos sistemas de comunicações 32 ópticas e fatores de transição tecnológica. Fonte: A.Srivastava, 2010

Comunicação particular. Elaboração dos autores.

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Hoje, o tráfego de dados, principalmente por conta da Internet, já é superior ao de voz. As projeções otimistas antecipam um crescimento mais acentuado da demanda por capacidade por parte dos usuários, com reflexo imediato na demanda por tecnologia de comunicações ópticas. Além do crescimento tendencial da Internet, projeta-se uma demanda adicional por serviços de vídeo em alta definição (High Definition – HD) e sua evolução para vídeo tridimensional (3D), ambos serviços que exigem muita banda passante. Com a concretização dessa visão, os sistemas de comunicações ópticas serão ainda mais pressionados em sua evolução tecnológica para atender à nova demanda. Em 10 anos, a uma taxa de crescimento do tráfego da ordem de 35% ao ano33, a capacidade dos sistemas terá que ser multiplicada por 20 vezes. Ademais, é importante observar que, no momento, a trajetória de evolução das comunicações ópticas se depara com um evento singular. As duas linhas evolutivas – a de redes TDM (baseadas principalmente em voz) e a de redes Ethernet – seguiam caminhos distintos em termos das taxas envolvidas. Agora, as duas linhas convergem no patamar de 100 Gbit/s (Figura 12), criando uma sinergia positiva e abrindo um caminho que deixa de ser meramente incremental para servir, também, como balizador de novos paradigmas tecnológicos.

Taxa de dados [bits/s]

STM 64 (10G)

10G

STM 16 (2,5 G)

10 GbEthernet

622 M

1G 100 M

100 G

STM 256 (40G)

100G

GbEthernet 100Base-T FDDI Token Ring 16M 10Base-T

34 M

10 M

Token Ring 4M

1M 100 K

1980

1985

1990

1995

2000

2005

2010

2015

Figura 12 Convergência das taxas de transporte TDM (linha evolutiva das telecomunicações) com as taxa das 34 redes de dados Ethernet (linha evolutiva da informática). Fonte: A. Srivastava, 2010

Há três ou quatro desafios críticos que devem ser enfrentados nessa evolução. Pelo lado do aumento da capacidade, o primeiro desafio é o do aumento da taxa de transmissão. À medida que a taxa cresce, surgem problemas relacionados tanto a questões de modulação quanto de propagação no meio (fibra óptica), problemas esses que causam aumento da taxa de erro e degradação da qualidade da transmissão. Tais problemas podem ser enfrentados pelo desenvolvimento de técnicas de modulação coerente, entre outras, e pelo controle dos efeitos de dispersão e não linearidade na fibra. Uma discussão mais detalhada será desenvolvida adiante na seção sobre comunicações ópticas no backbone, uma vez que é nesse segmento de rede que essas questões se manifestam. Um segundo desafio, também relacionado à capacidade, é o aumento do número de comprimentos de onda (λ) multiplexados numa fibra óptica. Apesar de a fibra óptica ter uma banda passante de 33

Ver, por exemplo, http://fastnetnews.com/dslprime/42-d/3085-cisco-vni-internet-traffic-growth-rate-fallingby-half-in-us. 34

Comunicação particular.

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dezenas de Tera-hertz (THz), na prática, o que limita a extensão da grade de lambdas é a banda passante dos amplificadores ópticos, limitada teoricamente a cerca de 5 THz e localizada em torno da janela de 1550 nm. O problema pode ser atacado de duas formas. A primeira consiste em aumentar o número de lambdas dentro da banda dos amplificadores ópticos existentes, os EDFAs. Hoje, o ITU-T padroniza o espaçamento entre lambdas em 50 GHz. Esse espaçamento precisa ser reduzido, implicando a necessidade de técnicas mais refinadas de modulação – como, por exemplo, as modulações coerentes – para evitar a interferência entre lambdas adjacentes. Outra maneira de atacar o problema é pelo aumento da banda passante dos amplificadores ópticos, ou, alternativamente, pelo desenvolvimento de amplificadores ópticos em outras janelas. Esse é um desafio que requer o desenvolvimento de novos materiais com propriedades adequadas ou uso de técnicas híbridas de amplificação, por exemplo, combinando EDFAs com amplificadores baseados em efeitos não lineares nas fibras (como o amplificador a efeito Raman). Um terceiro desafio é o aumento da extensão dos enlaces, da distância entre repetidores ou entre amplificadores. Com maiores distâncias entre os equipamentos, o custo dos sistemas fica mais baixo. O uso de amplificadores ópticos de potência, Raman ou híbridos com melhor desempenho é um dos recursos possíveis. Outro é o desenvolvimento de códigos corretores de erro (Forward Error Correction – FEC), de modo a melhorar o desempenho da transmissão óptica em termos de robustez. Um quarto desafio é o problema do transporte de informação sobre as redes ópticas e do gerenciamento das redes propriamente ditas. Em uma rede WDM é necessário rotear, comutar e monitorar os próprios lambdas e não apenas o conteúdo transportado em forma elétrica. Inicialmente, foram desenvolvidas novas técnicas denominadas OADM (Optical Add/Drop Multiplexing), permitindo que comprimentos de onda fossem retirados e/ou adicionados em pontos ao longo de um enlace. Esses primeiros sistemas eram do tipo estático, isto é, os comprimentos de onda retirados e inseridos eram fixos. Atualmente, esses elementos ópticos são reconfiguráveis, chamados ROADM. Um nó de rede com ROADMs deve integrar os elementos ópticos com os protocolos de controle, como, por exemplo, o GMPLS (Generalized Multi-Protocol Label Switching). Por outro lado, a multiplexação em comprimento de onda colocou também novas exigências para o transporte de bits. O padrão para transporte no contexto TDM era o SDH, concebido nos anos 80 para redes de voz. Contudo, o padrão SDH mostrouse complexo do ponto de vista do custo de operação e pouco eficiente para a nova realidade das redes ópticas e da crescente necessidade de transportar pacotes (mais precisamente, "datagramas" Ethernet). O ITU-T vem desenvolvendo um novo padrão mais eficiente para o ambiente de redes ópticas com WDM, que é o OTN, mais eficiente que o SDH, mais flexível em termos tanto de granularidade quanto de agregação de bits e transparente ao formato do sinal transportado (TDM ou Ethernet). O OTN é escalável para taxas de 100 Gbit/s e superiores, e é concebido para melhor gerenciamento da própria rede WDM, inclusive dos elementos de add/drop (ROADMs). Até aqui, os desafios mencionados ocorrem principalmente no contexto dos sistemas ópticos para o backbone. No acesso, os desafios devem ser vistos de outra perspectiva. Primeiramente, como as taxas de dados são bem mais baixas do que as do estado da arte da tecnologia óptica como um todo, o aprendizado com a experiência anterior é fundamental. Ou seja, a tecnologia óptica de acesso acaba incorporando conhecimentos cuja base foi dominada nas gerações anteriores da tecnologia para o backbone. Em segundo lugar, os sistemas de acesso devem ter sua evolução pautada pela busca pela redução dos custos de equipamentos (CAPEX) e também por requisitos de simplicidade e de economia nos processos de engenharia, implantação e manutenção (OPEX), levando a uma redução do custo por usuário atendido. CPqD – Todos os direitos reservados.

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Portanto, os desafios para a rede óptica de acesso, isto é, para as gerações seguintes do GPON, estão no desenvolvimento de sistemas capazes de suportar vários Gbit/s e, ao mesmo tempo, apresentarem custos baixos, tanto na aquisição quanto na operação. A seguir, serão comentados com mais detalhes alguns possíveis caminhos para o incremento das redes GPON.

6.2 Backbone 6.2.1 Sistemas ópticos Conforme mencionado anteriormente, a evolução desse segmento tem se pautado pelo aumento da taxa de transmissão e da distância entre transmissor e receptor (comprimento do enlace óptico), consolidados no produto C x D. Recapitulando a discussão da seção anterior, os desafios tecnológicos a serem vencidos são justamente no sentido de aumentar essa figura de mérito. Historicamente, as transmissões por fibra óptica utilizaram sempre técnicas de modulação direta sobre a fonte de luz (laser). Contudo, à medida que as taxas crescem para patamares de 100 Gbit/s ou mais, surgem limitações e efeitos bastante prejudiciais à qualidade da transmissão. Além das limitações próprias da eletrônica nessa faixa, a frequência elevada requer formatos de modulação mais sofisticados do que simplesmente o tradicional "liga-desliga" (On-Off Keying – OOK), de modo a melhorar a eficiência espectral. A modulação em fase QPSK e as técnicas de detecção coerente – análoga àquela utilizada em comunicação por rádio, por exemplo – são as alternativas mais consideradas. Contudo, essa mudança não é simples. Existem sérios problemas de ordem óptica. O ruído óptico ao longo dos enlaces, por exemplo, causado pela sequência de amplificadores ópticos, exige uma filtragem óptica mais rigorosa. Os efeitos de dispersão cromática e de polarização precisam ser compensados. A modulação QPSK parece ser mais tolerante a vários desses efeitos, porém, ainda assim tratar desses problemas caracteriza um desafio. O tratamento no domínio óptico é mais direto, pela utilização de filtros e compensadores ópticos, porém, o sistema fica mais caro e mais sensível à variabilidade dos componentes. Outra forma de abordar esses problemas é no domínio eletrônico. Com técnicas de processamento digital de sinais (DSP) é possível compensar esses problemas a um custo significativamente mais baixo do que na camada óptica e com excelente desempenho, além de compensar limitações que a camada óptica não tem capacidade de tratar, como, por exemplo, a dispersão dos modos de polarização das fibras ópticas. Além do desenvolvimento dos algoritmos apropriados, o desafio é o desenvolvimento de circuitos integrados dedicados (ASICs) para executar essas funções. A complexidade e o custo de desenvolvimento são bastante elevados, podendo exigir a utilização de processos de fabricação abaixo de 65 nm. O volume de mercado dos sistemas de 100 Gbit/s ainda é baixo para justificar o investimento em um CI dedicado. Não obstante, é forte a tendência de uso mais frequente de circuitos integrados nos futuros sistemas ópticos comerciais de 100 Gbit/s e superiores, tanto para compensação de efeitos não lineares quanto para conversão analógico/digital (A/D) dos receptores coerentes. Outras técnicas para aumento da capacidade são de modulação de amplitude em quadratura (QAM) a de OFDM óptico, ou seja, da geração de multiportadoras no domínio digital, para posterior modulação do sinal óptico – um processo análogo ao da OFDM usada nas comunicações RF (sem fio). Também QAM e OFDM óptico são exigentes quanto ao emprego de DSP e circuitos integrados para se tornarem comercialmente práticos.

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Para a expansão do número de comprimentos de onda multiplexados, existe ainda a abordagem de se desenvolver amplificadores ópticos com uma banda passante maior do que a atual, proporcionada pelos amplificadores a fibra dopada com érbio (EDFA). A pesquisa, aqui, é desenvolvida em materiais cuja emissão coincida com a faixa dos comprimentos de onda transmitidos. Não se trata de uma solução simples e já vem sendo explorada há algum tempo, mas até o momento não se vislumbram novos materiais que viabilizem claramente essa possibilidade. Também tem sido objeto de P&D a amplificação híbrida, combinando amplificação EDFA, Raman e paramétrica, ainda explorada em nível laboratorial. O aumento do comprimento do enlace óptico envolve soluções similares àquelas já abordadas, como, por exemplo, a compensação de efeitos não lineares, a introdução de códigos corretores de erro e amplificação óptica, uma vez que, no fundo, o que está em jogo é o produto C x D. Porém, no caso da amplificação óptica, é crítica a tecnologia de amplificadores de potência. Em resumo, a transição dos sistemas de transmissão óptica para o patamar de 100 Gbit/s ou superior possui uma série de desafios tecnológicos significativos que indicam uma mudança de paradigma na evolução corrente desde a introdução dos primeiros sistemas WDM. Além disso, essa transição começa a evidenciar a necessidade de abordagens diferentes, na dimensão de negócios, para viabilizar sua realização comercial. Cabe um breve comentário sobre os desafios num horizonte mais distante ainda, de 10 anos ou mais. Nesse horizonte de tempo, as taxas de transmissão por comprimento de onda devem se aproximar de 1 Terabit por segundo (1 Tbit/s). Nesse nível, os paradigmas tecnológicos deverão passar por novas mudanças. Todas essas evoluções tecnológicas trazem custos elevados de desenvolvimento. Até a geração de 40 Gbit/s, os grandes fornecedores de sistemas evitavam verticalizar o desenvolvimento de componentes. Porém, até agora, ainda não se formou uma cadeia robusta para fornecimento de componentes ópticos e eletrônicos para a faixa dos 100 Gbit/s. As razões são várias: uma demanda ainda pequena, que não foi capaz de atrair os fornecedores; preços baixos dos componentes para 10 Gbit/s, inibindo o investimento em sistemas de maior desempenho; e peso do custo dos componentes ópticos, deslocando o foco da engenharia de produto para aspectos de integração. Cabe salientar ainda que, no momento, não tem havido interesse das empresas de venture capital no investimento em empresas startup nas áreas de componentes ópticos e circuitos integrados, ao contrário do que vinha ocorrendo na década passada. Nesse contexto, algumas grandes empresas de equipamentos começaram a verticalizar seus esforços de desenvolvimento ou a adquirir empresas de fornecimento de circuitos integrados, numa estratégia de se adiantar ao mercado e a buscar algum fator de diferenciação em seus futuros produtos. Por outro lado, o cenário é favorável a alianças e parcerias para desenvolvimentos conjuntos e amortização de custos. 6.2.2 Transporte (OTN) Para permitir a construção de redes ópticas transparentes e escaláveis, a ITU-T criou um padrão (G.709) designado como OTN, um "envelope digital" que adiciona funcionalidades de operação, administração, manutenção e provisionamento (Operation, Administration, Maintenance and Provisioning – OAM&P) às portadoras ópticas, especificamente em redes WDM – de modo similar ao contêiner do SDH, mas em base de comprimento de onda (lamba). O envelope digital do OTN encapsula os dados independentemente do protocolo original, TDM ou pacote, em unidades mais fáceis de gerenciar, com menos overhead. Ao contrário do TDM, o envelope digital do OTN é flexível em termos de tamanho do pacote e permite acomodar diferentes formatos de dados (SDH, Ethernet CPqD – Todos os direitos reservados.

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e outros) num único canal óptico, criando um sistema mais simples e mais eficiente para o transporte de informação. Os overheads (OHs) que foram adicionados para possibilitar o gerenciamento dos múltiplos comprimentos de onda do OTN são inseridos num único comprimento de onda para monitorar a rede óptica. Essa separação permite a inserção e remoção dos OHs dos equipamentos do núcleo da rede sem a necessidade de processamento elétrico; ou seja, o quadro elétrico não precisa ser desmontado. A especificação OTN inclui, entre outras atividades: 

Monitoração de falhas e de desempenho



Gerenciamento nos pontos finais dos enlaces, evitando pontos intermediários



Detecção e correção de erros, ampliando o alcance dos enlaces ópticos



Mecanismos de multiplexação e demultiplexação de tráfego em taxas inferiores à taxa de linha de cada lambda (mux/demux sublambda)



Restauração de rede em caso de falhas

Os novos padrões OTN permitem uma granularidade mais fina de alocação de banda da mesma ordem da utilizada nos roteadores e comutadores, possibilizando a otimização da banda e dos recursos de rede e uma melhor integração entre os equipamentos ópticos e os equipamentos de rede IP/Ethernet. O padrão OTN vem sendo aceito pelas operadoras devido aos vários benefícios que proporciona. Em termos de investimentos, a simplificação tecnológica e a plataforma comum de transporte (pacotes e TDM) reduzem o custo/bit do transporte, uma vez que permitem diminuir o número e o custo dos elementos de rede necessários. Menor número de equipamentos significa menos despesas de operação e manutenção. Simplificação tecnológica significa identificação e reparo de falhas igualmente mais simples e mais rápidos. O padrão ITU G.709 foi revisado em 2009/2010 de modo a incorporar vários aperfeiçoamentos que tornam o OTN ainda mais eficiente e flexível, tanto para sinais de taxa constante quanto para pacotes de dados. O mercado vem denominando Packet OTN a integração das tecnologias de pacote, como Ethernet e MPLS (Multi-Protocol Label Switching), com tecnologias de redes ópticas como, por exemplo, WDM e ROADM. O Packet OTN deve prover a infraestrutura de suporte a múltiplos serviços, inclusive Carrier Ethernet. Uma oportunidade de mercado que se abre nos próximos anos é o desenvolvimento de comutadores cross-connect OTN e add/drop OTN. Uma recente projeção estima em cerca de R$ 4 bilhões o mercado de cross-connect OTN ao longo dessa década35. Em termos de evolução dos protocolos das redes de transporte em médio e longo prazos, a tendência é pela eliminação gradual dos protocolos legados e pela utilização do IP/MPLS diretamente sobre OTN/WDM (Figura 13). Os órgãos de padronização buscam constantemente evoluir seus protocolos, e tem havido esforços no sentido de incluir funcionalidades de OA&M (Operation, Administration and Maintenance) também no contexto da família MPLS, como é o caso do MPLS-TP (MPLS Transport Profile). Esses esforços devem ser vistos como complementares aos do OTN, até 35

Almost $4 billion worldwide OTN cross-connect opportunity for decade, according to Telecom Pragmatics. PR Newswire, 22 de fevereiro de 2011. Disponível em: <http://www.prnewswire.com/news-releases/almost-4billion-worldwide-otn-cross-connect-opportunity-for-decade-according-to-telecom-pragmatics116670509.html>. Acesso em: 04 jul. 2011.

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porque os protocolos funcionam em camadas lógicas diferentes e a integração dos “dois mundos” já é objeto de desenvolvimento. Em resumo, a OTN melhora a eficiência de transporte, reduz o número de conversões eletro-ópticas e propicia a otimização das rotas por meio da agregação do tráfego em termos de comprimento de onda e de subcomprimento de onda. Do ponto de vista da operação, isto se traduz em simplificação tecnológica, integração de camadas, menos elementos de rede, correção mais fácil de problemas e, consequentemente, menos custos. Nos equipamentos propriamente ditos, as vantagens do OTN são alcançadas com mais eficiência se forem usados circuitos integrados (chipsets) projetados para esse fim.

Figura 13 Tendência de evolução dos protocolos da rede de transporte

6.2.3 Demanda: mercado brasileiro Hoje, as operadoras de telecomunicações no País tendem a investir em sistemas de 10 e 40 Gbit/s, conforme a necessidade. No que se refere a padrões de transporte, identificam-se duas estratégias distintas de substituição da tecnologia SDH/SDH-NG: a primeira é mais reativa, ocorrendo quando os custos operacionais se tornarem elevados; na segunda, a substituição se daria em curto/médio prazo (cerca de 3 anos). A OTN é a tecnologia mais provável a ocupar esse espaço. Para atender ao Plano Nacional de Banda Larga (PNBL), a TELEBRÁS lançou um edital em outubro de 2010 especificando sistemas WDM de 10 e 40 Gbit/s para sua rede de transporte, adotando também o padrão OTN. Em um incentivo à indústria nacional, o edital previu a possibilidade de preferência para produtos e serviços fornecidos por empresas nacionais dentro das condições estabelecidas na MP 495 (transformada, em dezembro de 2010, na Lei no 12.349). A Padtec, fabricante nacional, venceu a licitação sem necessidade de recorrer ao benefício de preço previsto na Medida Provisória. 6.2.4 Oferta: fornecedores nacionais Entre os fornecedores nacionais de equipamentos para backbone óptico, a Padtec oferece sistemas WDM com taxas de 10 e 40 Gbit/s (LightPad). A Padtec é uma empresa competitiva, com forte atuação neste segmento de mercado e alta densidade de tecnologia própria. As empresas AsGa e Digitel incluem sistemas WDM de 10 Gbit/s em seu portfólio, mas o desenvolvimento próprio é muito pequeno, baseando-se fortemente em tecnologia importada. A demanda por sistemas que operem em 40 e 100 Gbit/s poderá dificultar a participação das empresas menores no mercado daqui para frente, uma vez que a complexidade tecnológica dos sistemas que operam nessas taxas é muito grande. Por outro lado, essas empresas também incluem em seu portfólio produtos de menor complexidade e que atendem a necessidades das redes legadas, como, CPqD – Todos os direitos reservados.

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por exemplo, modems ópticos PDH e multiplexadores ópticos SDH – que atendem a várias aplicações (transmissão ponto a ponto, agregação de tributários de baixas taxas, etc.).

6.3 Acesso A evolução tecnológica da rede de acesso é pautada, do ponto de vista técnico, pelos mesmos objetivos da rede de backbone, ou seja, aumento da taxa de transmissão e aumento do comprimento de enlace óptico, com a restrição adicional de que os custos operacionais e de investimento sejam baixos. Essa restrição sobre os custos tem retardado a implementação das redes totalmente ópticas até a casa do assinante (Fiber-to-the-Home – FTTH) e privilegiado as mais diversas soluções híbridas, tanto as que utilizam redes legadas de pares de cobre (xDSL) quanto as que utilizam redes sem fio. Na prática, as soluções de acesso apresentam grande diversidade, incluindo combinação de tecnologias. A solução óptica de acesso que mais se destaca no atendimento às restrições de custo é a rede óptica passiva (Passive Optical Network – PON). Entre as várias gerações de padronização da PON destacam-se a GE-PON (1,25 Gbit/s downstream), GPON (2,5 Gbit/s), XG-PON ou 10G-PON (10 Gbit/s) e a XLG-PON (40 Gbit/s), a última ainda em fase de discussão. A padronização corrente e com maior penetração no mercado é a GPON (ITU-T G.984). O acesso é caracterizado por distâncias e capacidades menores do que aquelas do backbone. Além disso, no backbone existe alto grau de agregação do tráfego, enquanto no acesso o enlace é dedicado a um usuário ou compartilhado por pouco usuários. Isso significa que as tecnologias e os componentes desenvolvidos para o backbone são caros; o custo por usuário seria muito alto para ser repassado a ele pela operadora de rede de acesso. Assim, pode-se dizer que não existem tantas oportunidades de pesquisa na área de PON de curto a médio prazo, mas existem grandes desafios no que diz respeito à engenharia de produto. Esse aspecto de compromisso de tecnologia com baixo custo pode ser exemplificado com a tecnologia de video overlay. Trata-se do aproveitamento de um segundo comprimento de onda nas redes PON para distribuir um serviço de televisão. Conforme diagrama da Figura 14, enquanto os serviços de voz e dados são suportados por um lambda de 1490 nm, um sinal RF multiplexado, com vários canais de TV, é transmitido em 1550 nm. O upstream, retorno do assinante para a central, é realizado em 1310 nm. Essa solução é simples e mantém os custos do sistema em um patamar aceitável, especialmente para o assinante. É uma solução híbrida que encontrou ampla aceitação comercial. Entretanto, não se deve desprezar de modo algum a experiência obtida em P&D de comunicações ópticas para o backbone. Ela é bastante útil para o acesso, principalmente quando se começa a pensar em sistemas de acessos com taxas muito altas, que é o horizonte de médio para longo prazo. Em taxas de transmissão menores que 10 Gbit/s, problemas de dispersão, ruído e efeitos não lineares não são importantes. Contudo, para taxas maiores que 10 Gbit/s, a dispersão do modo de polarização (Polarisation-Mode Dispersion – PMD), por exemplo, se torna significativa. Outros problemas que foram enfrentados no backbone em taxas similares vão ocorrer também aqui, e as soluções tecnológicas propostas anos atrás no contexto dos grandes entroncamentos terão que ser repensadas para adequação às redes de acesso.

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Figura 14 Arquitetura PON TDM/TDMA (Time Division Multiple Access) com video overlay. Fonte: A.Srivastava, 36 2010

Como um princípio geral, a elevação das taxas de dados no acesso implica receptores mais sensíveis (e mais caros) no terminal do assinante quando se usa apenas um comprimento de onda. Mas, a introdução de um esquema WDM com um lamba para cada usuário pode evitar o problema dos receptores mais sensíveis. Em compensação, introduz o custo associado aos componentes ópticos WDM. No entanto, uma engenhosa combinação de uma fonte de luz remota, baseada em amplificação na fibra óptica – fontes de emissão espontânea amplificada (Amplified Spontaneous Emission – ASE) –, e lasers Fabry-Perot baratos na casa do assinante pode ser uma solução para este problema a um custo promissor a médio prazo. Essa tecnologia de WDM-PON ilustra bem o tipo de desafio e trabalho de desenvolvimento e engenharia que se coloca nas redes ópticas de acesso. Outro exemplo nessa linha é a introdução de componentes chamados amplificadores ópticos refletivos a semicondutor (Reflective Semiconductor Optical Amplifier – RSOA) para aumentar o alcance das redes de acesso ópticas e, simultaneamente, atender a um maior número de assinantes. Um número típico para as redes GPON é de 32 assinantes num raio de 20 km de distância da central. A introdução de RSOAs pode estender esse raio para 70 km e quadruplicar o número de assinantes. Em resumo, o êxito comercial de sistemas ópticos de acesso depende do seu custo por assinante. Soluções engenhosas e componentes baratos são a chave para evolução, além do padrão GPON. Incluem-se neste desafio, entre outros, componentes, como, por exemplo, filtros WDM, guias AWG (Arrayed Waveguide Gratings), amplificadores EDFA de potência, amplificadores SOA/RSOA, transceptores de baixo custo e circuitos integrados para processamento digital de sinais. A disponibilidade desses e de outros componentes poderá vir a favorecer esta ou aquela solução.

Comunicação particular. Elaboração dos autores.

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6.3.1 Demanda: mercado brasileiro Além do crescimento do número de assinantes de serviços banda larga, os grandes impulsionadores da demanda por banda passante na rede de acesso são aplicações utilizando vídeo, animações e jogos interativos. Há previsões de que aplicações de entretenimento, como, por exemplo, IPTV (Internet Protocol Television) e HDTV (High-Definition Television) – distribuídos por fibras ópticas –, podem levar a um consumo superior a 20 Mbit/s por usuário em um futuro próximo e, mais adiante, demandas acima de 100 Mbit/s por usuário. Contudo, a essa visão dominada pela tecnologia se contrapõe a principal exigência das operadoras de redes de telecomunicações: redução nos custos de implantação e operação dos equipamentos de rede. Em uma primeira abordagem, em uma regra simples, é razoável imaginar que os equipamentos para redes de acesso tenham preço de ordem de grandeza inferior aos de equipamentos do segmento de rede backbone/Metro e ainda apresentem baixo custo operacional. A demanda atual por redes ópticas no Brasil ainda se mostra incipiente, e sua introdução vem sendo lenta por parte das operadoras, as quais têm concentrado as novas instalações em áreas geográficas de alto poder aquisitivo. O foco são os sistemas do padrão GPON 2,5 Gbit/s, tipicamente para 32 assinantes, podendo ser dobrada para 64 assinantes. Soluções híbridas, combinando GPON com tecnologia VDSL/VDSL2 (Very-high-speed Digital Subscriber Line), sobre pares de cobre para os "últimos metros", são muito consideradas, uma vez que atendem à demanda imediata e oferecem um custo de instalação atraente, estendendo o tempo de aproveitamento da rede de cobre já amortizada. Não há demanda explícita nos editais da TELEBRÁS para a implantação do PNBL no final de 2010, uma vez que seu foco estava no backbone. No entanto, provedores autônomos de acesso Internet (ISPs) já oferecem acesso com essa tecnologia em municípios pequenos, os quais não despertam o interesse das grandes operadoras no curto prazo. O objetivo desses ISPs é a oferta de serviços triple play (voz, dados e vídeo). Para a oferta triple play, a solução mencionada anteriormente de video overlay associado à rede GPON (Figura 14) é muito interessante para o cenário brasileiro, inclusive porque a grande rede brasileira de TV a cabo – NET – pertence ao grupo da Embratel. 6.3.2 Oferta: fornecedores nacionais Mais uma vez, observa-se a dualidade característica dos sistemas de acesso: os equipamentos de agregação e distribuição (OLT) mais sofisticados e com menor volume de unidades demandadas; e os equipamentos terminais (ONT) menos complexos, com alta escala e baixo preço. Nesse caso, os chipsets dos equipamentos são a chave de sucesso tecnológico dos produtos; a articulação com os fornecedores e o restante da cadeia de suprimento é a chave para o sucesso industrial. Este último fator tem favorecido bastante a consolidação de clusters asiáticos. As indústrias nacionais atualmente incluem sistemas GPON em seus portfólios, ou em roadmap. Trata-se de tecnologia licenciada ou desenvolvida localmente a partir de chipsets disponíveis no mercado. A competição com os asiáticos é muito difícil por causa do preço ofertado pela concorrência. O Brasil carece de volume de demanda e de articulação com a cadeia de suprimentos, que é característica dos competidores. A Padtec dispõem de uma plataforma Fiber-to-the-User (FTTU) denominada FlexPad® 8800, que é a solução para sistemas GPON com aplicações residenciais e comerciais. Construída com base nas recomendações ITU-T G.984, essa plataforma é capaz de transportar serviços triple play a taxas de 2,5 Gbit/s por até 20 km de distância. Permite a prestação de serviços de voz, dados e vídeo através de interfaces Ethernet e VDSL2, além de manter o suporte aos serviços legados, como, por exemplo, POTS (Plain Old Telephone Service) e vídeo RF. CPqD – Todos os direitos reservados.

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A AsGa fornece equipamentos e serviços de rede de acesso óptica, que são utilizados em todos os segmentos dos mercados de provedores de serviços de dados e voz. Desenvolve, produz e comercializa modems, multiplexadores ópticos, concentrador de portas seriais, conversor de protocolo SNMP (Simple Network Management Protocol), conversores de meios, MUX (Multiplexer) e cross connect, acessórios e periféricos. Também oferece sistemas PON em seu portfólio, bem como software para gerenciamento de rede, detecção de fraudes e análise de desempenho. A Digitel fornece roteadores de acesso, modems SHDSL (Single-pair High-speed Digital Subscriber Line), multiplexadores TDM, multiplexadores SDH, acesso óptico PDH e WDM com capacidade de transporte de até 40 canais a uma taxa de 10 Gbit/s. Há esforços de trabalhos de P&D com recursos do FUNTTEL no CPqD e em outras instituições, mas não é possível identificar ainda um caso de destaque nessa categoria de produtos, até porque a demanda do mercado brasileiro hoje é incipiente. Porém, a introdução lenta do GPON no Brasil pode se transformar numa oportunidade para o desenvolvimento de soluções adequadas ao mercado nacional. O ciclo de desenvolvimento é curto e a parceria das indústrias com os centros de pesquisa é fundamental para que se possa rapidamente chegar a soluções com preços competitivos. Por outro lado, tendo em vista a capacitação nacional em comunicações ópticas e o destaque da Padtec no segmento do backbone, existe um potencial que pode se materializar satisfatoriamente em médio e longo prazo no mercado de acesso óptico em altas taxas de dados.

6.4 Capacidade de P&D e estratégia tecnológica das empresas A Padtec mantém um núcleo interno de tecnologia voltado a P&D em comunicações ópticas, incluindo pessoal com doutorado, além de parcerias com outras instituições de pesquisa e fomento, como, por exemplo, CPqD, Instituto Atlântico, Unifei, Unicamp, LNLS (Laboratório Nacional de Luz Síncrotron), UECE (Universidade Estadual Ceará) e FAPESP. A AsGa investe em projetos de P&D internamente e em parcerias dentro de suas instalações. Possui financiamento da FINEP no programa de parceria com empresas de alta tecnologia e faz parte do grupo de empresas com projeto aprovado pela FAPESP para apoio a P&D em empresas. Recebe o apoio do Programa de Recursos Humanos para Atividades Estratégicas (RHAE) e possui contratos de parceria com a FITec e a UECE. A Digitel investe em desenvolvimento interno, possuindo uma equipe cuja dedicação principal se dá na implementação de software, sendo praticamente todo o desenvolvimento próprio. Possui parcerias com instituições de P&D, principalmente no Rio Grande do Sul.

6.5 Capacidade das instituições de P&D Existem bons grupos acadêmicos no País na área de comunicações ópticas, em todos os aspectos da tecnologia, desde materiais e componentes até a física e a engenharia de transmissão óptica, técnicas de medida, protocolos e engenharia de redes. Além disso, os grupos universitários dispõem de outras competências básicas necessárias para a evolução da área, como, por exemplo, técnicas em circuitos integrados programáveis. Entretanto, na falta de um programa nacional bem articulado, os grupos acabam atuando de forma dispersa em temas que nem sempre possuem muita sinergia nem contribuem diretamente para o fortalecimento da base de conhecimento necessária para os roadmaps da indústria nacional. O desenvolvimento de sistemas completos não é vocação da universidade, cabendo esse papel mais aos institutos de P&D. O desenvolvimento de um sistema de comunicações até o nível de protótipos operacionais ou pré-industriais requer pesquisadores e engenheiros em grande número, com

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diferentes expertises. É necessária também uma sólida infraestrutura de P&D e uma boa capacidade gerencial. O esforço para gerar tecnologia concentra-se principalmente no CPqD, que possui projetos de P&D em andamento para o desenvolvimento de sistemas ópticos em 100 Gbit/s, em que são aplicados recursos do FUNTTEL. Embora outras instituições tenham projetos de P&D com empresas, elas carecem da massa crítica e da experiência acumulada que o CPqD possui na área. Durante o trabalho, observou-se que a indústria tende a usar universidades e institutos de P&D para "terceirizar" determinadas tarefas de engenharia (desenvolver pilhas de protocolo ou simular um sistema, por exemplo) ou para resolver algum problema tecnológico pontual. Com exceção da Padtec, que tem vínculos tecnológicos com a Fundação CPqD, as demais empresas que atuam nessa área não parecem ter uma estratégia de longo prazo na área de comunicações ópticas.

6.6 Desafios e oportunidades para o Brasil As grandes tendências apontadas neste capítulo e as respectivas oportunidades de P&D para o Brasil podem ser assim resumidas: (1) Aumento da taxa de transmissão nos sistemas WDM acima dos 100 Gbit/s por comprimento de onda No curto prazo, até 3 anos, o foco será dado nos sistemas de 100 Gbit/s. Uma vez atingido e dominado esse patamar, em médio prazo – de 3 a 6 anos –, o foco estará nos sistemas de 200 e 400 Gbit/s. A longo prazo, o desafio será viabilizar sistemas de transmissão a 1 Tbit/s. Em consequência dessas tendências, as principais oportunidades de P&D estão voltadas para o domínio de: a)

técnicas de modulação coerente, QPSK e suas variações;

b) modulação OFDM; c)

controle da dispersão cromática e de polarização;

d) desenvolvimento de circuitos integrados para processamento digital de sinais, implementação de algoritmos corretores de erro, multiplexação e demultiplexação e compensação eletrônica de efeitos ópticos. (2) Aumento da capacidade dos sistemas WDM pelo aumento do número de comprimentos de onda multiplexados Outra forma de aumentar a capacidade dos sistemas é aumentando o número de canais ópticos. Além de técnicas para reduzir o espaçamento entre lambdas sem comprometer a qualidade da transmissão, uma oportunidade importante reside em estender a banda passante dos amplificadores ópticos. Este desafio, com horizonte de médio prazo, envolve o desenvolvimento de amplificadores ópticos baseados em novos materiais, na exploração de efeitos ópticos não lineares e em dispositivos que combinem essa duas abordagens. (3) Aumento da distância dos enlaces ópticos Este é outro desafio permanente dos sistemas ópticos, especialmente para atender às necessidades de transmissão por longas extensões submarinas ou áreas desabitadas, como, por exemplo, a amazônica. Amplificadores ópticos de potência e algoritmos de correção de erros são boas oportunidades de P&D em médio e longo prazos. CPqD – Todos os direitos reservados.

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(4) Transporte e gerenciamento de redes WDM A construção de redes ópticas envolve desafios diferentes daqueles da transmissão. Do ponto de vista do transporte, destaca-se a evolução e consolidação do padrão OTN para o transporte e a comutação de vários tipos de pacotes de dados para taxas acima de 100 Gbit/s. A oportunidade principal está no desenvolvimento de circuitos integrados que implementem o padrão e façam as interfaces de integração com os vários outros protocolos utilizados nas redes de telecomunicação. A incorporação de novas funcionalidades, como, por exemplo, os códigos corretores de erros e o incremento da velocidade são espaços abertos para a inovação na linha de OTN. A própria construção de redes ópticas funcionais – isto é, que possam se valer da flexibilidade e da capacidade oferecidas pela multiplexação de comprimentos de onda – depende da disponibilidade de elementos que possam agregar, derivar e comutar lambdas. Uma oportunidade de P&D está no desenvolvimento dos elementos ROADM, com plano de controle GMPLS para permitir funções de gerência integradas com as camadas mais altas de protocolos. Em um horizonte de médio para longo prazo, comutadores ópticos e processadores de sinais no domínio óptico constituirão outros elementos críticos para a evolução das redes. No início, comutadores ópticos mais simples e de baixo custo serão necessários, mas a sofisticação dos elementos deverá crescer com a complexidade das redes. Não se deve esquecer, ainda, que a introdução de elementos nas redes ópticas acaba penalizando de alguma forma a potência dos sinais trafegados. Mais uma vez, os amplificadores ópticos são dispositivos importantes para dar flexibilidade e melhorar o orçamento de potência nas redes em malha. O P&D incremental em amplificadores ópticos ao longo do tempo não deve ser esquecido no rol dos temas oportunos para o Brasil. (5) Redes ópticas de acesso Em curto prazo – menos de 3 anos – o foco deve estar na engenharia de produto, especialmente nas empresas, visando baixar os custos dos produtos ofertados. Soluções híbridas, como video overlay, também são atraentes no curto prazo. A engenharia de produto deve fazer uso de chipsets comerciais e projetar as placas eletrônicas dos equipamentos, uma vez o projeto de um ASIC seria muito caro e inviabilizaria o preço do produto final. Porém, em médio prazo, nunca esquecendo as restrições de custo, a evolução do GPON para capacidades mais altas gera oportunidades de P&D envolvendo inovações tecnológicas mais significativas, de maior risco, em temas, como, por exemplo: 

Sistemas GPON DE 10 Gbit/s



Redes WDM-PON e seus componentes



Técnicas de modulação alternativas no acesso, como, por exemplo, OFDM-PON, entre outras.

Como se pode observar, o domínio do projeto de circuitos integrados complexos é crítico para a evolução da área. Como o Brasil dispõe de uma empresa bastante competitiva em sistemas de transmissão óptica e de uma tradição de mais de 40 anos de pesquisas em comunicações ópticas, torna-se clara a importância estratégica do esforço de desenvolvimento em microeletrônica para essas aplicações.

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7 Comunicação de dados Com o aumento do transporte dos serviços de voz, áudio, vídeo, TV e jogos sobre a Internet, o tráfego na rede tem crescido de forma significativa. Isto tem levado à necessidade de instalação de um grande número de novos equipamentos de telecomunicações e dispositivos para comunicação de dados para prover o escoamento desse tráfego de forma eficiente para o usuário final. Assim, atualmente, as operadoras de telecomunicações têm a missão de adaptar constantemente suas redes ao rápido crescimento de tráfego, com garantias de segurança e qualidade para seus usuários. A rede Internet atualmente é caracterizada por ser altamente interconectada, ou seja, os bilhões de máquinas que a compõem estão interligadas entre si por um número igualmente elevado de rotas possíveis formando uma malha. Trata-se de uma situação totalmente diferente do passado (préInternet), quando existiam ilhas isoladas com poucas máquinas geralmente conectadas diretamente entre si. A topologia em malha da Internet e o grande volume de tráfego impõem a necessidade da existência de dispositivos que executem a tarefa de encaminhamento dos dados entre as máquinas de forma muito rápida, para evitar congestionamento e a consequente perda dos dados. Os dispositivos que executam a tarefa de encaminhamento dos dados dentro da rede são os roteadores e os comutadores. 

Roteadores Os roteadores atuam no domínio do protocolo IP37 e sua principal função é encaminhar os pacotes IP que chegam às suas portas de entrada para as devidas portas de saída. O roteador deve decidir, para cada pacote, a porta de saída para a qual o pacote deve ser enviado. Isso ocorre sucessivamente, roteador a roteador, até que o pacote chegue ao seu destino final. A informação sobre o destino e a porta para o qual encaminhar os pacotes está armazenada numa tabela, montada com base nas informações trocadas entre os próprios roteadores, por meio de protocolos de roteamento. Para consultar a tabela, o roteador utiliza o endereço de destino contido no pacote IP como chave. Essa operação é denominada look up. O mercado de roteadores se caracteriza por diversos tipos de equipamentos, como, por exemplo roteadores de núcleo, de borda/Metro, LAN e CPE38. Os roteadores para LAN e CPEs são de pequeno porte e utilizados para interconectar as redes privadas de empresas e residências, respectivamente, às redes públicas dos grandes provedores. A organização interna desses roteadores se assemelha a de um computador pessoal. A procura na tabela de endereços é efetuada pelo software do computador, que mantém essa tabela. Por ser um processamento efetuado em software, esse procedimento tem baixo desempenho, inadequado para as redes de telecomunicações. Os roteadores de núcleo são de grande porte e têm a função principal de mover os pacotes das portas de entrada para as portas de saída o mais rápido possível, de forma que o processamento de um pacote seja completado antes da chegada do próximo pacote. A principal diferença com relação aos roteadores de LAN e CPE é que cada porta de entrada de um roteador de núcleo contém um processador de rede com grande capacidade de processamento (chip dedicado) e um conjunto de memórias em que uma cópia da tabela de endereços, escrita praticamente em linguagem de máquina, é mantida. Nesse caso, a procura da porta de saída na tabela de

37 38

O IP atua na camada 3 do modelo OSI (Open Systems Interconnection), ou camada de rede (network). Equipamento de ambiente do usuário (residência, empresa).

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endereços é feita localmente na porta de entrada e em hardware, provendo velocidade ao escoamento dos pacotes. Os roteadores de borda têm a função principal de agregar os diferentes tipos de tráfego que chegam da rede de acesso e classificá-los em diferentes níveis de QoS (Quality of Service), tratando-os diferentemente dentro dos equipamentos. Eles possuem uma organização interna similar aos de núcleo e estão localizados na borda da rede IP e conectados aos roteadores de núcleo (Figura 15). Um moderno roteador de núcleo é uma máquina complexa e cara. Por exemplo, a configuração de um rack (mono-chassis) do roteador da Cisco CRS-1 contém 16 cartões com portas unidirecionais de 40 Gbit/s, provendo uma taxa agregada de 1,2 Tbit/s. Já a configuração multichassis contém 1152 cartões de 40 Gbit/s, interconectados por enlaces ópticos, chegando a um agregado teórico total de 92 Tbit/s. O custo estimado do CRS-1 na configuração de um rack é da ordem de US$ 450.000. Por sua vez, um roteador de borda tem um porte da ordem de 16 cartões de 2,5 Gbit/s e taxa agregada de 80 Gbit/s, com um custo aproximado de US$ 100.000.

Backbone da RedeIP Núcleo

...

Internet

Borda

...

Metro&Acesso

Roteador de borda Roteador de núcleo

Figura 15 Roteadores de borda e núcleo da rede

No segmento de núcleo, o mercado atualmente é dominado por três grandes fornecedores internacionais: Cisco, Juniper e, com menor participação, Huawei. Já no segmento dos roteadores CPEs, os produtos são muito simples e seu mercado é de massa, semelhante ao mercado de equipamentos Wi-Fi. 

Comutadores Os comutadores efetuam encaminhamento de quadros Ethernet39 das portas de entrada para as portas de saída apropriadas com base numa tabela de endereços configurada estaticamente na própria matriz de comutação do equipamento. Essa matriz é implementada em chips comerciais para prover velocidade de escoamento dos quadros. Esses comutadores são também denominados L2 Switches e todas as suas portas de entrada e saída são Ethernet. Além disso, é possível dividir logicamente (“virtualmente”) a taxa de cada porta de entrada e saída entre

O Ethernet atua na camada 2 do modelo OSI, ou camada de enlace (link).

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grupos de usuários ou tipos de serviço diferentes, através do mecanismo de VLANs (Virtual LANs). A criação de VLANs auxilia o gerenciamento do tráfego na rede e provê privacidade das informações de cada grupo. Alguns comutadores Ethernet permitem a passagem de informação de uma VLAN para outra usando endereços IP, sendo comercialmente chamados de comutadores/roteadores, switch/routers ou ainda L2/L3 switches. Embora esses equipamentos sejam chamados de comutadores/roteadores, são muito mais simples em termos de funcionalidades que roteadores de grande porte (núcleo e borda), uma vez que efetuam somente a comutação do tráfego (switching) entre um número limitado e conhecido de VLANs. Em função disso, são muito mais baratos que os roteadores de grande porte. A tecnologia de comutadores Ethernet possui algumas limitações em termos de escalabilidade, políticas de segurança, mecanismos de gerência, etc., o que a torna adequada somente para aplicações na parte metropolitana da rede, sendo chamada comercialmente de Metro Ethernet. O mercado de comutadores Ethernet caracteriza-se por três segmentos: comutadores para redes locais (L2 switches), comutadores para redes metropolitanas (L2 switches e L2/L3 switches) e, atualmente, comutadores especializados para centros de dados (data centers). Esse mercado apresenta menos barreiras de entrada, pois, apesar da concorrência de vários grandes fornecedores, startups têm conseguido penetrá-lo com alguma característica inovadora e ocupar suas fatias. Roteadores e comutadores são, portanto, equipamentos-chave telecomunicações atuais e futuras.

para as redes de

7.1 Tendências tecnológicas 7.1.1 Roteadores

Unidades normalizadas

O tráfego da Internet dobra aproximadamente a cada ano, mas a capacidade dos roteadores dobra a cada 18 meses, sendo previsto para 2012 um descompasso entre as duas tendências da ordem de cinco vezes (Figura 16). Como o tráfego dos usuários continua a crescer dia a dia, as inovações na área de equipamentos de telecomunicações visam reduzir esse descompasso.

1000

Descompasso de 5x

Tráfego dobra em 01 ano

750

Capacidade do Roteador cresce 2,2 vezes em 18 meses

500

Lei de Moore dobra em 8 meses

250 1

2002

2004

2006

2008

2010

2012

Figura 16 Crescimento do tráfego e mudanças relacionadas nas tecnologias. Fonte: J. Chao, 2010 40

Comunicação particular. Elaboração dos autores.

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A tecnologia de roteadores é baseada no paradigma de encaminhamento de um pacote IP de cada vez, o que significa que o processamento de cada pacote dentro do equipamento leva tempo. Com o aumento do número de pacotes que chegam às portas do roteador, o tempo total disponível para se realizar a busca das rotas nas tabelas de encaminhamento (look up) está ficando cada vez menor, sendo atualmente da ordem de quatro nano segundos (ns), conforme Tabela 2. Tabela 2 Redução do tempo de busca (look up time) em função do crescimento do tráfego

Ano

Padrão

Taxa de linha (Gbit/s)

Pacotes de 40B (Mpacket/s)

Tempo de busca (ns)

1997

OC 12

0,622

1,94

660

1999

OC 48

2,5

7,81

110

2001

OC 192

2003

OC 768

100

2010

Ethernet 100G

100

250

Portanto, um dos grandes desafios para a implementação de roteadores de grande porte é efetuar o look up dentro desse intervalo de tempo, enquanto grandes volumes de tráfego chegam às portas de entrada/saída do roteador. Como exemplo, a geração atual de roteadores de núcleo deve ter vazão para taxas de entrada superiores a 100 Gbit/s e capacidade para atualização e processamento de grandes tabelas de roteamento (da ordem de 2 milhões de rotas em IPv4 e 1 milhão de rotas em IPv6), em tempo cada vez menor, além de terem baixo consumo de potência e um preço final aceitável pelo mercado. A tecnologia MPLS vem sendo bastante empregada em roteadores visando a simplificação desse processo de encaminhamento de pacotes, uma vez que nessa tecnologia a decisão de roteamento é efetuada somente nos roteadores de borda da rede, denominados LER (Label Edge Router). Após passar pelos LERs, os pacotes IP são encaminhados através de rotas pré-programadas ou estabelecidas/removidas dinamicamente, denominadas LSP (Label Swtiching Paths). Essas rotas são estabelecidas, a partir dos LERs, nos roteadores de núcleo – denominados LSR (Label Switching Routers) – e o encaminhamento da informação é efetuado através da comutação de rótulos agregados ao pacote IP. Esses rótulos têm apenas significado local, não correspondendo a endereços. Em geral, essa tecnologia é utilizada na parte do tráfego em que é necessário o controle de qualidade de serviço (Quality of Service – QoS), uma vez que essa tecnologia possibilita a reserva de recursos na rede. Nas partes da rede IP em que a tecnologia MPLS é empregada, a Internet deixa de ser do tipo “melhor esforço” para entrega de pacotes, passando a ter a qualidade esperada pelo usuário. Um roteador possui alguns componentes internos – circuitos integrados (CI) – que são críticos para o seu desempenho. As tendências específicas desses componentes serão analisadas mais detalhadamente em seguida. 

Processadores de rede (Network Processors – NP) De forma geral, os roteadores de pequeno porte efetuam as tarefas de look up das tabelas de envio em software utilizando um único processador (CPU) convencional. Essa arquitetura apresenta baixo custo, mas também apresenta baixo desempenho para o roteador. À medida que a necessidade de desempenho cresce, surge a necessidade de utilização de processadores de rede ou mesmo ASICs, circuitos integrados com custos de desenvolvimento mais elevados.

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Os NPs são como computadores com uma arquitetura otimizada para tratar pacotes de dados. Normalmente, os NPs contêm múltiplos processadores (CPUs) integrados num componente único, numa arquitetura multi-core. Esses processadores trabalham em paralelo e podem efetuar múltiplas tarefas simultâneas. Dessa forma, dezenas ou mesmo centenas de pacotes podem ser processados simultaneamente por um único NP. Com esse processamento paralelo intensivo, atualmente, um NP pode suportar o processamento de 100 Gbit/s em condições de taxa de linha plena e já se prevê uma próxima geração de NPs para 400 Gbit/s. Para ilustrar a importância dos NPs para os roteadores de alto desempenho, o já citado modelo Cisco CRS-1 possui 2 NPs em cada porta – um para a entrada e outro para a saída da de pacotes. Cada um dos NPs possui internamente 188 processadores RISC trabalhando em paralelo, permitindo o processamento de até 40 Gbit/s em cada porta de entrada/saída. Com a crescente integração de processadores no mesmo chip, a interconexão entre os processadores tem se tornado um ponto crítico, sendo atualmente alvo de pesquisa da área denominada Network on Chip (NoC). Os NPs podem ser facilmente modificados para incluir novas aplicações, uma vez que possuem a flexibilidade de programação em linguagem C, possibilitando o reuso de software nas versões seguintes dos equipamentos. Atualmente, existem diversos fornecedores de NPs no mercado, voltados para diferentes aplicações. Os NPs possuem a flexibilidade de poderem ser programados, oferecendo versatilidade ao projetista dos equipamentos. Os ASICs, por sua vez, são projetados para executar tarefas específicas e são implementados em hardware, o que os torna mais velozes do que os NPs. Atualmente, a tecnologia de NPs é a que vem sendo mais empregada nos roteadores de grande porte. Aqui, existem dois tipos de desafio:



dominar a programação dos NPs de modo a implementar, por software embarcado, as funções requeridas pelos produtos em prazos rápidos;

desenvolver o próprio projeto de NPs, para se diferenciar de outros concorrentes que utilizam chips dos desenvolvedores de componentes.

Gerenciador de tráfego (TM) Outro desafio tecnológico para implementar roteadores de grande porte, é prover diferentes níveis de QoS aos serviços demandados pelos usuários. Para isso, os roteadores devem implementar um conjunto de funcionalidades de controle para evitar o congestionamento da rede e a consequente perda dos pacotes, que degrada a QoS. Algumas dessas funcionalidades são: controle de admissão de pacotes de acordo com a taxa contratada pelo usuário; reserva de recursos na rede para serviços prioritários; mecanismos de escalonamento dos pacotes em diferentes tipos de fila, de forma a permitir tratamentos diferenciados; entre outros. Essas funções são predominantemente necessárias nos roteadores de borda da rede e são efetuadas por um componente chamado gerenciador de tráfego (Traffic Manager – TM). O grande desafio tecnológico é conseguir classificar os pacotes praticamente na velocidade de sua chegada, independentemente da política de QoS e do padrão do tráfego. Para alcançar esses requisitos, em geral, os algoritmos de gerenciamento de tráfego são implementados em ASICs. Nesse setor, novas técnicas de controle de QoS, novos algoritmos de escalonamento de pacotes nas filas e novas arquiteturas de implementação do TM podem ser criadas pelos fornecedores para diferenciar seus produtos, visando o melhor atendimento aos requisitos dos usuários. Esses novos algoritmos podem ser implementados inicialmente por meio de FPGAs, para fins de teste. Uma vez validados, os algoritmos devem ser implementados em ASICs. CPqD – Todos os direitos reservados.

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Matriz de comutação Outro componente que apresenta desafios tecnológicos para o desenvolvimento de roteadores de grande porte é a matriz de comutação. Nela, os pacotes de várias portas de entrada podem apresentar como destino a mesma porta de saída, simultaneamente, resultando em sua contenção na mesma. Como a matriz de comutação é implementada eletronicamente, com velocidades limitadas pela eletrônica, o desafio está em como arbitrar e escalonar os pacotes IP na ocorrência de eventos de contenção. Para minimizar esse problema, são utilizados múltiplos planos de comutação em paralelo e múltiplos estágios de comutação em cada plano. A utilização de múltiplos estágios permite que cada par entrada/saída da matriz possua mais de uma possibilidade de caminho, melhorando o balanceamento de carga, evitando contenção e, consequentemente, melhorando o desempenho da comutação. A matriz de comutação é implementada em ASICs e os diversos planos de comutação são interconectados por meio de tecnologia óptica.

7.1.2 Comutadores Carrier Grade Ethernet A tecnologia Ethernet tem se consolidado como padrão no setor e possui mais de 30 anos de história nas redes locais. Na área metropolitana, Ethernet é uma excelente opção para aprovisionamento dos novos serviços multimídia de forma rápida e sob demanda. Uma interface Ethernet é muito mais barata que uma interface SDH ou PDH de taxa similar. Além disso, uma rede de acesso baseada em Ethernet é muito mais fácil de ser conectada às redes dos clientes, dado que é essa tecnologia que prevalece nas redes corporativas e residenciais. Uma rede Metro Ethernet, que abrange a área metropolitana com tecnologia Ethernet, é tipicamente composta por um conjunto de switches L2 e L2/L3 interconectadas por fibras ópticas. Ethernet na MAN (Metropolitan Area Network) pode ser utilizada diretamente sobre as fibras (Ethernet pura); encapsulada em IP/MPLS, SDH ou OTN; ou ainda sobre equipamentos WDM. Uma rede Ethernet pura é mais barata, porém, menos escalável e menos confiável. A comunicação entre redes locais Ethernet através de uma rede IP/MPLS é altamente escalável e confiável, no entanto, esse tipo de transporte é, em geral, mais caro, uma vez que a utilização de roteadores é necessária. A comunicação entre redes locais Ethernet através de redes SDH pode ser viável se houver um legado SDH instalado. No entanto, há perda de eficiência em termos de utilização da banda, uma vez que o SDH foi concebido para transporte de sinais TDM e os quadros Ethernet são estatísticos e de taxa variável. A eficiência é cerca de 30 a 40% da taxa nominal. O SDH-NG apresenta mecanismos mais eficientes para o transporte de Ethernet. O Ethernet encapsulado em OTN é uma ótima opção, uma vez que essa tecnologia vem ganhando mercado e possui mecanismos eficientes para o transporte de tráfego de taxa variável e de todos os tipos de interfaces Ethernet. Por fim, o Ethernet sobre WDM agrega mais flexibilidade à rede Ethernet pura, facilitando a inserção/derivação de tráfego em qualquer ponto da rota e a aumentando a escala da rede. No entanto, não possui uma granularidade fina, dado que sua unidade mínima é um comprimento de onda. A evolução da tecnologia Ethernet inclui o aumento de taxa das interfaces, com os desenvolvimentos atuais voltados para 40 Gbit/s e 100 Gbit/s e a inclusão de novas funcionalidades, de modo a prover maior robustez e confiabilidade à rede. Esses novos desenvolvimentos visam adequar a tecnologia CPqD – Todos os direitos reservados.

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Ethernet, originalmente oriunda das redes de dados locais, a um padrão de qualidade similar ao das redes de transporte TDM, e está sendo denominado Carrier Ethernet – uma contração do termo Carrier Grade Ethernet. O Carrier Ethernet é uma tendência de evolução atual. No entanto, as operadoras de telecomunicações apresentam resistência à utilização dessa tecnologia na forma pura, dando preferência ao encapsulamento em OTN, denominado Packet-OTN. 7.1.3 Comutadores para redes de centros de dados (data centers) As redes dos centros de dados, devido ao número crescente de aplicações de computação em nuvem – como, por exemplo, Google Search, Amazon, etc. –, possuem atualmente requisitos específicos de escalabilidade, custo e gerência em relação às tradicionais redes locais e metropolitanas. A arquitetura tradicional de uma rede para centros de dados é composta por diversos servidores – podendo apresentar algumas centenas de milhares, atualmente – que são conectados a comutadores Ethernet que, por sua vez, são conectados a roteadores. Nessas redes, os comutadores Ethernet diretamente conectados aos servidores são denominados ToR (Top of Rack) switches. Em geral, os servidores são conectados a dois comutadores para fins de redundância, em caso de falha. Contudo, essa configuração não é eficiente, uma vez que grande parte da capacidade de tráfego do comutador fica ociosa na ausência de falhas. Internamente, a capacidade total de tráfego das interfaces é subdividida em redes virtuais através do conceito de VLAN. No entanto, na tecnologia Metro Ethernet convencional, está trazendo sérias complicações para as redes de centros de dados, porque limita a mobilidade dos servidores para outros locais da rede, visto que estes estão atrelados às VLANs por seus endereços físicos. Além disso, para fins de segurança, os pacotes têm que passar necessariamente pelos roteadores da rede para averiguação, resultando em sobrecarga. Dessa forma, trata-se de um setor efervescente em termos de pesquisa, e novos protocolos e arquiteturas estão sendo propostos com a finalidade de prover uma boa engenharia de tráfego para essas redes. Uma dessas novas propostas, por exemplo, inclui a passagem das informações de topologia da rede – hoje, conhecidas somente pelos roteadores – para os comutadores. Isso melhoraria de forma significativa o balanceamento de carga entre os diversos comutadores, uma vez que os recursos de comutação seriam vistos como um todo e o tráfego, distribuído pela rede de forma eficiente. Atualmente, há um mercado emergente para comutadores especializados para atender aos quesitos de data centers, sendo que as questões centrais para essas redes são: como distribuir o tráfego entre os múltiplos caminhos da rede para se efetuar um balanceamento de carga, como aplicar políticas de segurança, como resolver a questão da mobilidade dos servidores, entre outras. 7.1.4 Sumário A Tabela 3 ilustra um resumo dos diversos requisitos e desafios tecnológicos, discutidos anteriormente, na área de roteadores IP para os segmentos de rede de núcleo e borda.

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Tabela 3 Requisitos e tecnologias-chave para roteadores IP

Requisitos dominantes

Núcleo

Borda

Velocidade e capacidade

Tratamento de grande quantidade de pacotes, políticas de classificação de pacotes e tratamento de QoS

Network Processors, ASICs da matriz de comutação, Desafios tecnológicos

Tecnologias e componentes-chave  Network Processors (NPs)  ASICs para a matriz de comutação  ASICs para o TM

Interface física das portas de entrada do roteador

Gerenciador de tráfego (TM)

ASICs/Processadores Multi-core/Memórias: tamanho e altas taxas de acesso Interconexão óptica dos planos de comutação NP: algoritmos de look up

NP: classificação de pacotes

Escalonador de pacotes para gerenciamento de filas

Switch fabrics de 1 a 3 estágios

Switch-fabric de 3 a 5 estágios NP: utilizar chipsets comerciais

Implementação

Componentes dedicados (NPs)

TM: inicialmente, implementar em FPGA → posteriormente, passar para ASIC

Nota-se, nessa tabela, a necessidade de competência e de domínio em determinadas tecnologias e componentes-chave, como, por exemplo, NPs, ASICs para switch fabric, ASICs para o TM, etc. Uma estratégia para aquisição desse domínio e para a exploração das oportunidades pelo Brasil será discutida na Seção 7.6. A Tabela 4 ilustra um resumo dos diversos requisitos e desafios tecnológicos, discutidos anteriormente, na área de comutadores Ethernet para os segmentos de Carrier Ethernet e data centers.

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Tabela 4 Requisitos e tecnologias-chave para comutadores-roteadores Ethernet

Carrier Ethernet

Requisitos dominantes

Padrão Carrier Grade, com escalabilidade, OAM, esquemas de proteção e QoS

Data centers Preservação da informação (comutação sem perda de dados); Mobilidade dos equipamentos

Desafios tecnológicos

Tecnologias e componentes-chave

Aumento da capacidade da matriz de comutação e interfaces com taxas cada vez maiores (40 Gbit/s e 100 Gbit/s);

Escalabilidade;

Novos mecanismos e protocolos para escalabilidade, engenharia de tráfego, proteção a falhas, OAM, reserva de recursos e QoS

Engenharia de tráfego para balanceamento de carga

Segurança;

Chipsets para matriz de comutação, PHY (Physical Layer) e eventualmente chips para funcionalidades específicas de aplicação

Nota-se, nessa tabela, a necessidade de competência e de domínio em determinadas tecnologias e componentes-chave, como, por exemplo, algoritmos e protocolos para mobilidade, engenharia de tráfego, segurança, chips para matriz de comutação, etc. Uma estratégia para aquisição desse domínio e para a exploração das oportunidades pelo Brasil será discutida na Seção 7.6.

7.2 Demanda do mercado brasileiro No mercado brasileiro, a demanda das operadoras privadas, bem como da TELEBRÁS, em função da implantação do PNBL, volta-se para diversas categorias de roteadores, comutadores e conversores de TDM para IP. Como exemplo, o edital da TELEBRÁS para a contratação da solução de sua rede core (núcleo), especifica uma rede de roteadores IP sobre MPLS hierarquizada em quatro níveis: nível 0, nível 1, nível 2 e nível 3, com diferentes tipos de roteadores em cada nível. A Figura 17 ilustra a arquitetura, e a Tabela 5 resume as principais diferenças entre os tipos de roteadores especificados.

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Figura 17 Arquitetura da rede da TELEBRÁS. Fonte: TELEBRÁS, 201041

Tabela 5 Edital TELEBRÁS: principais características dos roteadores no núcleo da rede

Nível 0 Capacidade comutação por porta

de ≥ 40 Gbit/s

Nível 1

Nível 2

Nível 3

≥ 100 Gbit/s

≥ 40 Gbit/s

Tratamento de rotas IPv4

1,5 milhão

1 milhão

Tratamento de rotas IPv6

1 milhão

0,5 milhão

Capacidade MPLS

500 mil rótulos

Não

Sim

Funcionalidades Não agregadas de comutação Ethernet 41

Consulta Pública n 002/2010. Termo de Referência. Contratação de Solução de Core IP. TELEBRÁS, 30 de setembro de 2010. Disponível em: <https://www.consultas.governoeletronico.gov.br/ConsultasPublicas/consultas.do?acao=exibir&id=63>. Acesso em: 18 fev. 2011.

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O edital especifica, também, três tipos de comutadores para os segmentos de borda e de acesso da rede (Tabela 6). Tabela 6 Edital TELEBRÁS: principais características dos comutadores de borda e acesso

Metro Ethernet de grande porte

Médio porte

Pequeno porte

Capacidade de comutação por porta

≥ 40 Gbit/s

---

Capacidade de comutação agregada

≥ 240 Gbit/s

≥ 160 Gbit/s

≥ 20 Gbit/s

Mecanismos de gerenciamento de tráfego, QoS e MPLS

Sim

Por fim, o edital especifica também um agregador TDMoverIP – com capacidade de agregar 32 interfaces de E1 (2 Mbit/s) em 2 interfaces de 1 Gbit/s Ethernet – e um coletor TDMoverIP – com capacidade de agregar 8 interfaces de E1 em uma interface de 1 Gbit/s Ethernet. Do lado das operadoras de telecomunicações privadas, existe demanda para roteadores de grande porte, similares ao CRS-1 da Cisco, que contém 16 cartões de 40 Gbit/s na configuração de um rack e até 1000 cartões de 40 Gbit/s na configuração de múltiplos racks, com mecanismos de QoS, gerenciamento de tráfego, MPLS e segurança. Além disso, há também demanda para comutadores Ethernet de médio e grande porte para a rede metropolitana e conversores de TDM para IP.

7.3 Oferta: fornecedores nacionais Hoje, nota-se a ausência de fornecedores nacionais de roteadores de grande porte para o backbone e para o segmento de borda da rede. Com relação aos comutadores, a Datacom possui uma linha de equipamentos Metro Ethernet, como, por exemplo, o L2/L3 switch DM 4008, que suporta até 384 portas de 1 Gbit/s ou 16 portas de 10 Gbit/s, com capacidade total de comutação de até 384 Gbit/s. Nesses equipamentos, há suporte para construção de VLANs, protocolos de segurança e QoS e encapsulamento de Ethernet em MPLS. A Datacom também possui uma família de comutadores de menor porte com 24 portas de 100 Mbit/s e portas Gigabit Ethernet para aplicações em redes metropolitanas. Além disso, oferece ainda equipamentos para criar circuitos TDM em redes de pacotes IP, utilizando a tecnologia conhecida como TDM sobre IP para interligar PABXs, switches de telecom e/ou redes E1 através de LANs, WANs e MANs ou de conexões Ethernet wireless. Possui também módulos para converter redes TDM em Ethernet. Dessa forma, a Datacom possui equipamentos para suprir a demanda voltada para a implantação do PNBL em todos os segmentos de comutadores – seja para a borda ou para o acesso da rede – e também de conversores TDM sobre IP. Além disso, pode suprir a demanda das operadoras no segmento de comutadores para a rede metropolitana. A AsGa também possui uma linha de comutadores Ethernet de 10 Gbit/s denominada LightBolt. O LightBolt possui 24 portas de 10/100/1000 Mbit/s que podem ser elétricas ou ópticas. Essa linha de comutadores também possui quatro portas de 10 Gbit/s. Esses equipamentos não possuem todas as funcionalidades requeridas pelo edital da TELEBRÁS e pelas operadoras privadas, sendo aplicados CPqD – Todos os direitos reservados.

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predominantemente em nichos de mercado, como, por exemplo, na interconexão de servidores em centros de dados.

7.4

Capacidade de P&D e estratégia tecnológica das empresas

Além do fato de a Datacom possuir uma boa equipe de engenheiros de desenvolvimento, sua demanda por profissionais envolve diversas especialidades, como, por exemplo, engenheiros eletricistas, de software e de computação. Em geral, a empresa leva de 2 a 5 anos para concluir a formação do profissional após a graduação e mantém bom relacionamento com grupos acadêmicos na região do Rio Grande do Sul. Basicamente, o desenvolvimento dos equipamentos comutadores Ethernet na empresa se faz através da aquisição dos componentes de hardware de empresas estrangeiras – essencialmente fornecedoras de componentes –, tendo sua estratégia industrial voltada para a engenharia de produto, de maneira a garantir a integração e adaptação para o País. Em geral, as empresas de componentes fornecem um reference design a partir do qual o projeto do equipamento é baseado. Com relação ao software embarcado nos equipamentos, em geral o seu desenvolvimento se baseia inicialmente em pilhas de protocolos abertas que são, pouco a pouco, adaptadas ao produto. Alguns protocolos mais complexos podem ser também licenciados por terceiros. Além disso, a Datacom possui capacidade de desenvolvimento de FPGAs para os produtos da família Metro Ethernet que, para o seu desenvolvimento, utiliza recursos próprios ou de fomento (Lei de Informática e FINEP). Em particular, as linhas de financiamento criadas pela FINEP Subvenção e pela Lei do Bem são fortes estímulos para projetos de P&D. A AsGa também importa componentes de hardware de terceiros e licencia o software necessário para o desenvolvimento do LigthBolt, pagando royalties a terceiros pela quantidade de equipamentos vendidos. Entretanto, sua equipe de desenvolvimento de software e de FPGA é bem menor do que a da Datacom.

7.5 Capacidade das instituições de P&D Atualmente, existem atividades de pesquisa no setor de software embarcado para comutadores Ethernet nas seguintes universidades: UFRGS, PUC, UNISC e UEC do Rio Grande do Sul, que mantêm cooperação com a Datacom. O CPqD também efetua desenvolvimentos em comutadores Ethernet com portas de 1 Gbit/s e 10 Gbit/s para aplicação nos sistemas GPON. O CPqD adquire os componentes de hardware de terceiros. Já em relação ao software embarcado, licenciou parte do código que não foi desenvolvido localmente. Também possui capacidade para desenvolvimento dos microcódigos dos componentes de hardware.

7.6 Desafios e oportunidades para o Brasil 

(1) Roteadores Conforme descrito anteriormente neste capítulo, os roteadores de grande porte para o núcleo da rede são equipamentos extremamente complexos, com capacidade da ordem de centenas de Terabit/s e constituídos por vários racks em paralelo, de forma a melhorar sua escalabilidade. Por outro lado, roteadores de borda possuem capacidade bem menor e são constituídos por um único rack. Portanto, na área de roteadores IP, as barreiras tecnológicas para implementar um roteador voltado para o núcleo da rede são muito maiores do que para a borda da rede. Assim, a primeira CPqD – Todos os direitos reservados.

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oportunidade que surge para o Brasil neste segmento de mercado é o desenvolvimento de um roteador de borda. Entretanto, algumas dificuldades devem ser superadas. O custo de desenvolvimento deste tipo de produto é dominado pelo custo do software dos protocolos envolvidos. Além disso, o software deve ser estável e compatível com produtos similares de outros fabricantes, o que leva à necessidade de uma grande bateria de testes de campo para validar o produto. Esse tipo de roteador, também denominado Service Router (SR), deve incorporar novas aplicações, como, por exemplo, IPTV e VoIP. A complexidade de uma porta do Service Router pode ser muito maior do que a de um roteador de núcleo, uma vez que este deve suportar vários tipos de interfaces, protocolos e serviços, efetuar o gerenciamento e a classificação de todo o tráfego que entra na rede e ainda prover mecanismos de QoS e segurança. O controle de QoS de um roteador de núcleo, por exemplo, é bem mais simples do que o do roteador de borda, porque todo o tráfego deve ser classificado na entrada da rede, bastando aos roteadores de núcleo agendar os pacotes de acordo com certos níveis de prioridade. Já o roteador de borda deve possuir mecanismos de agendamento de pacotes mais sofisticados visando atender aos requisitos de QoS, como, por exemplo, atraso, perda de pacotes, etc. A maneira mais efetiva de se estabelecer uma indústria local neste setor é pelo desenvolvimento do hardware do equipamento utilizando componentes disponíveis no mercado ("de prateleira"), como, por exemplo, NPs, TMs e matrizes de comutação; em seguida, pelo licenciamento do software necessário a esta plataforma por parte de um terceiro. Uma vez que se tenha vencido a curva de aprendizagem para o desenvolvimento do produto, é possível começar a implementar localmente algumas partes do hardware. Entre as três partes principais do roteador (NPs, TM e matriz de comutação), a matriz de comutação é a mais simples de implementar, e o NP é a mais complexa. O TM também pode ser bastante complexo dependendo do número de filas a serem gerenciadas e dos algoritmos de agendamento de pacotes empregados. No entanto, para competir com os grandes fornecedores, como, por exemplo, Cisco, Huawei e Juniper, é necessário dominar essas tecnologias e possuir componentes próprios. Isso torna o produto diferenciado, com relação a produtos que usam componentes disponíveis no mercado, uma vez que as funcionalidades dos componentes de prateleira são limitadas por aquelas disponibilizadas pelo fornecedor e resultam em produtos pouco diferenciados. Outro agravante dessa situação é que, à medida que os grandes fornecedores de equipamentos desenvolvem novos algoritmos e funcionalidades para os roteadores de núcleo, aos poucos essas funcionalidades vão sendo incorporadas nos roteadores de borda para economizar novos esforços de desenvolvimento e custo. Isso torna o segmento altamente competitivo. Para agilizar o domínio dessas tecnologias, uma estratégia que se mostra interessante para a indústria local é o recrutamento de alguns especialistas das grandes empresas – como, por exemplo, a Cisco e a Juniper – e/ou a contratação temporária de especialistas internacionais para orientar os engenheiros locais na implementação do hardware. Por outro lado, não obstante o grande esforço de desenvolvimento necessário para o domínio dessas tecnologias, esse desenvolvimento pode vir a estimular a pesquisa nas universidades locais. Com trabalhos cooperativos com as indústrias, as universidades podem vir a criar novos algoritmos e mecanismos inovadores a serem incorporados aos equipamentos. Além disso, poderiam oferecer cursos mais especializados em roteadores e comutadores, preparando de forma mais efetiva os engenheiros para atuarem na indústria local. Assim, de uma forma resumida, os seguintes passos de desenvolvimento são sugeridos para o desenvolvimento do roteador de borda no Brasil:

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1. Construir um roteador “básico” com componentes “de prateleira” 2. Colocá-lo no campo para testes visando obter realimentações dos clientes sobre o produto 3. Efetuar parcerias com universidades para desenvolvimento de algoritmos inovadores, especialmente para look up e TM, formando uma espécie de consórcio 4. Testar os novos algoritmos em FPGAs 5. Desenvolver competência na tecnologia de NPs 6. Transpor os algoritmos para NPs e, posteriormente, para ASICs Para isso, é necessário que a empresa possua um contato direto com o mercado, para levantar os requisitos de produto que irão orientar a equipe de desenvolvimento; e um laboratório de P&D, para o desenvolvimento da arquitetura dos roteadores, implementados por meio de FPGAs. Serão desenvolvidos principalmente NPs e TMs. Às universidades caberia a pesquisa de algoritmos inovadores e diferenciais para o produto. É preciso também possuir um relacionamento estreito com design houses para o desenvolvimento dos ASICs, e uma equipe com conhecimento na área de processadores multi-core, similar à dos PCs. A Figura 18 ilustra esse modelo para o domínio tecnológico no setor.

Indústria

Produtos

Mercado

Sistemas Laboratório de P&D

ASIC

(Arquitetura de roteadores implementada em FPGA)

Fornecedores de PI

“Design House” ASICs

Algoritmos

Universidades

Figura 18 Modelo para o domínio tecnológico na área de roteadores IP



(2) Comutadores Uma segunda oportunidade para o Brasil na linha de comutadores é evoluir os equipamentos da linha Metro Ethernet para Carrier Ethernet, desenvolvendo interfaces de mais altas taxas (40 Gbit/s, 100 Gbit/s) e implementando os novos mecanismos para prover escalabilidade e robustez à rede. Os passos para desenvolvimento da indústria local podem ser semelhantes aos descritos no roteador de borda, ou seja, iniciar a implementação com chipsets comerciais e, aos poucos, desenvolver algoritmos em ASICs próprios. Uma terceira oportunidade vislumbrada para o Brasil, também neste segmento de mercado, é o desenvolvimento de um comutador especializado para atender aos requisitos dos data centers. Esse é um segmento industrial que cresce vertiginosamente, com boas oportunidades de venda. CPqD – Todos os direitos reservados.

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Dado que a indústria local já tem capacidade de implementação de comutadores Metro Ethernet, os esforços para o seu desenvolvimento serão menores e, rapidamente, será possível ingressar no mercado com competitividade. O modelo aqui mostrado para roteadores poderia ser expandido para o desenvolvimento de arquiteturas inovadoras para as chamadas NoC, redes embutidas em circuitos integrados que necessitam de elevada capacidade de processamento, como os que são utilizados em produtos voltados para aplicação em data centers e cloud computing. Além disso, com a evolução constante da Internet e do advento da Internet do Futuro, o setor encontra-se em pleno desenvolvimento, com quebras de paradigmas e pesquisas de novas arquiteturas de rede. Essas pesquisas estão na fase de desenvolvimento de protótipos e também se mostram como um mercado potencial para o desenvolvimento de novos tipos de equipamentos. Como essa tecnologia ainda não está consolidada, a barreira para adentrar este mercado não é muito alta.

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8 Recomendações O documento-base do PNBL destaca a oportunidade ímpar que este programa representa para a recuperação da indústria brasileira de telecomunicações. As discussões e as conclusões deste trabalho servem como importante subsídio para as estratégias do programa, no que se refere à pesquisa, ao desenvolvimento tecnológico e à formação de recursos humanos. Portanto, as recomendações e conclusões deste trabalho visam apontar, em nível mais profundo, os temas mais merecedores de atenção, para que o Brasil possa ter uma indústria de telecomunicações tecnologicamente competitiva. O trabalho identificou os grandes desafios que precisam ser superados pelo desenvolvimento tecnológico e que representam oportunidades para a indústria nacional estabelecer uma posição competitiva, inclusive no cenário internacional. Entre essas oportunidades, para cada área temática se destacam temas considerados como os mais promissores e prioritários, relacionados a seguir. A. Comunicações sem fio 1. Prioridades principais Pesquisa e desenvolvimento em sistema de comunicação sem fio 4G baseado na especificação do IMT- Advanced Embora já exista, em nível internacional, um grande número de empresas e instituições atuando em P&D em WiMAX 802.16m, LTE e LTE-Advanced (LTE-A), a especificação IMT-Advanced apresenta diversos desafios ainda não equacionados. Além disso, o domínio dessas tecnologias é essencial para que o Brasil tome parte na evolução tecnológica do 4G. O linha de P&D deverá partir do domínio que o País já possui em WiMAX 802.16e e LTE, de modo a obter o LTE-A. As oportunidades de mercado encontram-se tanto no desenvolvimento de sistemas de baixo custo para mercados de nicho (como, por exemplo, o PNBL, M2M, etc.) quanto no desenvolvimento de componentes ou subsistemas a serem fornecidos para grandes players internacionais. Os principais desafios que se apresentam são aqueles relativos à otimização de uso e de codificação de canal e à camada de controle e distribuição de tráfego, em que existe a necessidade de algoritmos mais eficientes (maior robustez e velocidade). Devem ser realizados estudos, avaliações e propostas de soluções que otimizem a integração das diversas tecnologias envolvidas. Devem ser investigados mecanismos de alocação em faixas de frequência fragmentadas, assim como a implantação de redes heterogêneas empregando nós de baixa potência, como femtocélulas e relays. 1.1. Sistemas voltados para a realidade brasileira Desenvolvimento de sistemas sem fio LTE-A nas faixas VHF/UHF para aplicações rurais e cidades digitais, inclusive CPEs integrando redes Wi-Fi Mesh/Ad Hoc 1.2. Produção de partes, módulos ou subsistemas do LTE-A A produção de partes, módulos ou subsistemas que possam ser integrados aos sistemas mainstream, como, por exemplo, o 4G e, no futuro, 5G é outra oportunidade interessante. Essa alternativa requer uma participação direta nos fóruns de discussão dessas tecnologias e o estabelecimento de relações com organizações de outros países, de modo a não apenas identificar as oportunidades, mas também a facilitar a inserção das soluções aqui desenvolvidas. CPqD – Todos os direitos reservados.

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2. Desenvolvimento de nicho 2.1. Desenvolvimento de sistema de transmissão sem fio ponto a ponto para o patamar de Gbit/s e superiores Os projetos de P&D devem investigar a aplicação de modulações de alto nível, de multiplexação OFDMA/OFDM, de métodos de formatação de feixe e de MIMO em cenários de enlaces ponto a ponto e alta capacidade. Devem ser desenvolvidos sistemas de rádio acima de 2,5 Gbit/s. Os esforços em P&D deverão envolver circuitos e dispositivos de micro-ondas, osciladores com alta estabilidade de fase e amplificadores lineares de baixo ruído. 

Atores envolvidos e modo de operação para um programa de P&D Para o programa de P&D em sistema de comunicação sem fio 4G, as empresas nacionais mais bem situadas para participarem deste programa são a Parks e WxBR. Ambas estão focadas no mercado de soluções sem fio banda larga e já possuem em seus portfólios soluções WiMAX 802.16e. Sugere-se, também, a participação da empresa pública CEITEC, que tem com uma de suas metas o desenvolvimento de CIs voltados para banda larga sem fio. Para o programa de P&D em transmissão sem fio ponto a ponto no patamar de Gbit/s e acima, as empresas nacionais mais bem situadas para participarem deste programa são Digitel, AsGa e Gigacom, dado que elas atuam neste mercado e possuem soluções ponto a ponto para 2,5 Gbit/s em seus roadmaps de desenvolvimento. É importante notar que esses programas de P&D deverão prever a participação ativa nos organismos internacionais de padronização relativos a cada tecnologia, acompanhando de perto os respectivos roadmaps tecnológicos. Recomenda-se também o envolvimento dos grupos de pesquisa brasileiros em projetos de cooperação internacional. Dada a complexidade dos temas de fronteira na área de comunicações sem fio, deve-se encarar o domínio tecnológico como um processo de maturação a ser alcançado pela interação contínua entre as empresas e as instituições de P&D. Dessa forma, as empresas poderão gradualmente subir de degrau no processo de desenvolvimento tecnológico, desenhado na Seção 5.5: de um primeiro estágio de licenciamento de tecnologia, o nível de sua capacitação sobe até o patamar de uma parceria próxima com uma ou mais instituições de P&D, dividindo papéis e responsabilidades de acordo com os riscos tecnológicos dos projetos.

B. Comunicações ópticas 1. Prioridades principais 1.1. Desenvolvimento de sistemas de transmissão óptica WDM com capacidade de 100 Gbit/s por comprimento de onda e acima No curto prazo – até 3 anos –, o foco é dado nos sistemas de 100 Gbit/s. Uma vez atingido e dominado esse patamar, em médio prazo – de 3 a 6 anos –, o foco se dará nos sistemas de 200 e 400 Gbit/s. Em longo prazo, o desafio será viabilizar sistemas de transmissão a 1 Tbit/s por comprimento de onda. As principais oportunidades de P&D, essenciais para o desenvolvimento desses sistemas, estão voltadas para o domínio de técnicas de modulação coerente, QPSK e suas variações; modulação OFDM; controle da dispersão cromática e de polarização; desenvolvimento de circuitos integrados para processamento digital de sinais (DSPs), implementação de algoritmos corretores de erro, multiplexação e demultiplexação e compensação eletrônica de efeitos ópticos.

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No caso de circuitos integrados, deve-se focalizar principalmente o desenvolvimento de SoCs (System on Chip), nos quais as diversas funções são integradas. Dado o atual estágio de capacitação existente no Brasil, uma abordagem adequada consiste no uso de células ou blocos funcionais licenciados (Intellectual Properties – IP) para compor os SoCs. 1.2. Desenvolvimento de sistemas de transporte baseados no padrão OTN A oportunidade principal está no desenvolvimento de FPGAs e CIs que implementem o padrão e estabeleçam as interfaces de integração com os vários outros protocolos utilizados nas redes de telecomunicação. A incorporação de novas funcionalidades, como, por exemplo, códigos corretores de erros, incremento da velocidade e funções de gerenciamento da rede óptica são espaços abertos para a inovação na linha de OTN. A abordagem para o P&D com objetivo industrial, nesse caso, focaliza circuitos digitais. Um primeiro passo envolve o desenvolvimento em circuitos programáveis (FPGA), mas a complexidade dos sistemas irá exigir, eventualmente, circuitos dedicados (ASICs) para que os futuros equipamentos possuam características de empacotamento (tamanho e dissipação térmica) adequadas. 2. Desenvolvimentos evolutivos ou de risco 2.1. Sistemas ópticos de acesso Em curto prazo – menos de 3 anos – o foco deve estar na engenharia de produto, especialmente nas empresas, visando baixar os custos dos produtos ofertados. Soluções híbridas, como, por exemplo, video overlay, também são atraentes no curto prazo. A engenharia de produto deve fazer uso de chipsets comerciais e projetar as placas eletrônicas dos equipamentos, uma vez que o projeto de um ASIC seria muito caro e inviabilizaria o preço do produto final. Porém, em médio prazo, a evolução do acesso óptico para capacidades mais altas gera oportunidades de P&D envolvendo inovações tecnológicas mais significativas, de maior risco, como é o caso dos sistemas GPON de 10 Gbit/s e dos sistemas WDM-PON. 

Atores envolvidos e modo de operação para um programa de P&D Não se vislumbra uma posição competitiva da indústria brasileira em nível internacional sem que haja capacitação para projetar CIs brasileiros e, com isso, alcançar uma posição diferenciada no mercado internacional. Tendo em vista a não existência no País de empresa ou instituição de P&D com experiência no projeto de CIs e de SoCs com a complexidade presente nos casos apresentados, é necessário que tais desenvolvimentos envolvam, além da empresa nacional e da instituição de P&D com experiência em sistemas ópticos, outros parceiros nacionais com alguma expertise em projeto de CIs e uma design house estrangeira com muita experiência no desenvolvimento de SoCs complexos, até que se alcance maturidade suficiente nessa área. A empresa nacional mais bem situada para ser envolvida nesses desenvolvimentos é, naturalmente, a Padtec. Ela possui uma posição de destaque no mercado brasileiro, é competitiva, possui um portfólio no estado da arte e uma boa capacitação interna. Recebe tecnologia do CPqD há muitos anos, mas também tem seus projetos internos de desenvolvimento. Um programa de P&D em comunicações ópticas que abranja os dois temas prioritários aqui apontados terá que se desdobrar em vários projetos para permitir melhor gerenciamento e acompanhamento dos resultados. Por ocasião do detalhamento dos projetos propriamente ditos, os atores envolvidos devem negociar o papel que cada um terá. Porém, algumas recomendações podem ser feitas de antemão:

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

A indústria dever ter participação ativa na definição das metas e na especificação dos resultados dos projetos. A ela deve caber também a responsabilidade pelas atividades que resultem em produtos em curto prazo.



A instituição de P&D deve ser responsável pelas atividades de mais longo prazo, sempre em parceria muito próxima com a indústria.



As estratégias para o desenvolvimento de SoCs devem contemplar a participação de design houses do exterior para que haja resultados aproveitáveis em curto e médio prazos. A capacitação das equipes brasileiras nessa matéria não deve ser um objetivo primordial dos projetos, mas sim uma consequência do esforço do desenvolvimento com foco na competitividade da indústria.

C. Comunicação de dados 1. Prioridades principais 1.1. Desenvolvimento de um roteador de borda (Service Router) incorporando novas aplicações, como, por exemplo, IPTV e VoIP A estratégia sugerida neste relatório para que uma indústria nacional venha a atuar neste segmento é primeiramente construir o roteador utilizando chipsets disponíveis no mercado, licenciar o software de uma terceira parte internacional e colocar o produto em campo para obter realimentações dos clientes. A seguir, num segundo momento, a empresa deve começar a implementação local de algumas partes do hardware. Para tanto, é necessário que exista competência nas tecnologias de processadores de rede (NPs), de gerenciamento de tráfego e de matriz de comutação, que são as partes principais de um roteador de grande porte. Devido à complexidade tecnológica e ao volume de trabalho associado, é fundamental a existência de uma instituição de P&D que abrigue um grupo ou laboratório com capacitação em arquitetura de roteadores. Esse grupo, a partir de primeiras implementações dos subsistemas-chave em FPGA, se articularia com outros atores: universidades, para a pesquisa de algoritmos inovadores; fornecedores de propriedade intelectual para aplicação em projeto de CIs e SoCs; e design houses (inclusive estrangeiras, com reconhecida competência em projetos complexos) para o projeto de ASICs. Assim, a indústria, responsável pelas especificações sistêmicas, estaria articulada em um sistema de competências capaz de vencer esse desafio tecnológico. 2. Desenvolvimentos evolutivos ou incrementais 2.1. Desenvolvimento de um comutador com características Carrier Ethernet Desenvolvimento de um comutador com características Carrier Ethernet, com interfaces de mais altas taxas (40 Gbit/s e 100 Gbit/s) e novos mecanismos para prover escalabilidade e robustez à rede. Os passos do desenvolvimento do equipamento pela indústria local começam pela implementação com chipsets comerciais, evoluindo gradualmente para o desenvolvimento de ASICs que incorporem algoritmos originais. 

Atores envolvidos A empresa nacional mais bem situada para estar envolvida nesses desenvolvimentos é a Datacom, dado que já implementa L2/L3 switches (Metro Ethernet), tem penetração no mercado e apresenta uma boa capacitação interna. Em termos de complexidade de desenvolvimento, o roteador de borda é o mais complexo, e o que se aproxima mais do produto que a Datacom possui atualmente é o comutador Carrier Ethernet.

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8.1 Considerações finais Este trabalho teve como objetivo identificar as principais oportunidades de P&D relevantes para a indústria nacional da área de telecomunicações, visando assegurar sua competitividade não apenas no mercado local, mas também no internacional. O foco se deu nas tecnologias de rede, e as oportunidades estão agrupadas em três grandes áreas: comunicações sem fio, comunicações ópticas e comunicação de dados. O agrupamento de tecnologias nessas áreas foi consequência de uma análise que levou em conta a maturidade das tecnologias, isto é, a sua posição no ciclo de vida; o grau de competição e barreiras de entrada; a capacitação existente no País; e o impacto futuro no mercado nacional e internacional. O aprofundamento do trabalho apresentou uma avaliação das tendências tecnológicas de cada uma das áreas. A partir dos desafios apontados por essas tendências, foram identificados os temas que são oportunos para o Brasil no desenvolvimento de um programa de P&D estruturado. Entretanto, existe aqui uma dicotomia. Por um lado, um programa de P&D consequente deve ter um horizonte de médio e longo prazos e uma visão de impacto futuro. Por outro, a indústria tende sempre a buscar resultados mais imediatos: seu horizonte é de curto prazo e busca atender a demandas claras do mercado. O papel de articular essas duas visões pode ser assumido pelo Estado. O Poder Público dispõe de meios seja para atuar diretamente, por meio de encomendas integradas ao programa de P&D, seja para atuar na indução das encomendas dos atores empresariais, por meio da regulação e dos incentivos. A atuação direta do poder de compra do Estado em telecomunicações hoje se dá, principalmente, por meio da TELEBRÁS e de programas, como, por exemplo, o das cidades digitais. Encomendas de produtos específicos para o acesso banda larga sem fio, por exemplo, poderiam atender ao compromisso das duas visões, a de curto prazo e a de médio/longo prazo. Sistemas banda larga em frequências na faixa de 450 MHz para atender a zonas rurais e sistemas sem fio para cidades digitais são encomendas possíveis no curto prazo, capazes de atrair as indústrias para um programa integrado de P&D na área de comunicações sem fio. No curto prazo, o desenvolvimento desses produtos garantiria sua presença no mercado; no médio/longo prazo, as empresas se beneficiariam da interação com as instituições de P&D, ganhando capacitação própria, acesso a fontes de novas tecnologias e possibilidade de manter portfólios e roadmaps de produtos atualizados e competitivos, inclusive no plano internacional. O exemplo citado anteriormente é o de uma ação clássica do Estado, o exercício do seu poder de compra, por meio de encomendas de produtos finais à indústria, reduzindo assim o risco mercadológico da inovação. Mas, não é a única ação possível. O poder de compra pode estar associado ao estímulo ao desenvolvimento de novas tecnologias, de forma a reduzir o risco tecnológico do desenvolvimento. Nesse caso, a TELEBRÁS poderia balizar os projetos de P&D sinalizando tendências por meio de seu próprio planejamento de implantação e expansão, o que também ajudaria as empresas a planejar suas estratégias internas. Além disso, o Estado dispõe de autoridade para estabelecer determinadas condições de cunho regulatório sobre o setor privado, no sentido de direcionar a demanda das concessionárias do serviço público de telecomunicações e fazê-las adotar tecnologias desenvolvidas no programa de P&D. A esse respeito, é interessante mencionar a recente informação de que a Anatel (Agência Nacional de Telecomunicações) está elaborando um regulamento para incentivar a pesquisa, o desenvolvimento e a inovação por parte das operadoras de telecomunicações. Por esse regulamento, as operadoras que investirem em P&D e fizerem encomendas à indústria nacional receberão uma pontuação que poderá ser utilizada como critério de preferência na venda de radiofrequências, outorga de serviços e certificação de produtos.

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A integração da indústria com universidades e centros de pesquisa traz ainda outras vantagens para o sucesso do programa como um todo: o primeiro é que o parceiro industrial pode aportar a sua visão de mercado, ajudando a direcionar as metas dos projetos de P&D para problemas concretos; o segundo é que a proximidade entre os dois tipos de organização abrevia o tempo de transferência de tecnologia e de colocação de produtos no mercado. É importante destacar a existência de sinergias e pontos em comum para as três áreas. Ficou clara a necessidade de desenvolvimento de chipsets para superar os desafios apontados em comunicações ópticas, sem fio e de dados. A capacitação em projeto de circuitos integrados (CIs) complexos, no estado da arte, é um ponto crítico para a estratégia de longo prazo. O papel de articulação central executado por entidades governamentais é igualmente importante neste caso. Primeiramente, porque ele envolve diferentes atores – fabricantes de equipamentos, laboratórios de P&D, universidades e design houses – com interesses que nem sempre são coincidentes. Em segundo lugar, porque os projetos de CIs no grau de complexidade necessário para os produtos de telecomunicações são projetos bastante caros, dificilmente acessíveis a uma empresa nacional. Um programa bem articulado entre a demanda de mercado, a capacitação tecnológica e a oferta industrial traz, ainda, outros benefícios para o País. O primeiro é que tal programa pode atrair outras empresas especializadas, frequentemente de pequeno porte econômico, porém, importantes para o desenvolvimento de produtos e sistemas finais. O envolvimento dessas empresas no programa é importante para a constituição de uma efetiva cadeia produtiva setorial no Brasil, ampliando a participação local na geração de valor, propiciando o crescimento da capacitação das empresas já estabelecidas e criando incentivos para a geração de novas empresas de base tecnológica. A título de exemplo, é possível citar o caso das antenas para comunicação sem fio: empresas fabricantes de antenas poderiam ser engajadas no programa e, em consequência, descobrir novas oportunidades de capacitação tecnológica e de mercado. Envolvimento similar poderia ocorrer com design houses de circuitos integrados, fabricantes locais de placas de circuito impresso e empresas de software voltadas ao desenvolvimento de pilhas de protocolos de comunicação. A cadeia de fornecimento do setor teria, assim, condições de ser adensada de forma harmônica com o desenvolvimento tecnológico. Além disso, novos mercados poderiam ser abertos, em médio prazo, para a indústria nacional, não só como fornecedora de sistemas completos, mas também de suas partes (no exemplo de comunicação sem fio, antenas, pilhas de protocolos, circuitos integrados, estágios de rádio frequência, etc.). Nesse caso, até mesmo grandes fabricantes globais poderiam se tornar clientes de empresas nacionais. É importante destacar que programas de grande porte, que têm como objetivo estabelecer uma base tecnológica e industrial sólida, dependem de pontos focais integradores que articulem os diferentes atores do setor, desde a ponta que gera conhecimento até a ponta da produção na indústria. Nos países asiáticos, nos quais a indústria possuía inicialmente pouca capacidade para assumir a função de integrar tecnologias, esse papel foi executado com bastante sucesso por centros de P&D orientados à missão. São exemplos o ITRI (Industrial Technology Research Institute) em Taiwan e o ETRI (Electronics and Telecommunication Research Institute) na Coreia. Mesmo em países avançados, existem centros de P&D com a missão de criar uma "ponte" entre a universidade e a indústria, como é o caso dos institutos Fraunhofer, na Alemanha. A abordagem apresentada anteriormente, conforme Figura 17, pode ser adequada a esse modelo, no qual um centro de P&D vocacionado para a missão de desenvolvimento tecnológico cumpre o papel de integrador das contribuições dos diversos atores envolvidos no processo de geração e industrialização da tecnologia.

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Em suma, este trabalho focalizou questões da tecnologia e sugeriu, em suas considerações finais, algumas ações possíveis no que tange o estímulo da demanda interna como fator de sucesso de programas de P&D em telecomunicações em áreas-chave para o setor nos próximos anos. Os desafios e as oportunidades tecnológicas apontadas ao longo do presente trabalho necessitam de uma forte articulação entre os atores para que um programa de P&D estruturado alcance seu objetivo de assegurar competitividade à indústria nacional. Em outras palavras, o êxito de um programa de P&D em telecomunicações no Brasil está ligado a uma estratégia maior que combine a demanda de mercado, a capacitação tecnológica e a oferta da indústria nacional como forma de alavancar essa indústria para que ela alcance um papel de destaque no mercado global nos próximos anos. Devido a seus objetivos, o PNBL reúne condições para se constituir nessa estratégia e alavancar o programa de P&D sugerido neste trabalho.

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9 Conclusão Este trabalho analisou as oportunidades para a indústria brasileira de equipamentos de telecomunicações no contexto do Programa Nacional de Banda Larga. A partir de estudos de prospecção tecnológica e de levantamentos realizados junto a empresas fabricantes nacionais, empresas prestadoras de serviços de telecomunicações, grupos de pesquisa universitários e institutos de P&D, procedeu-se a uma avaliação da demanda tecnológica setorial, a oferta da indústria nacional e a capacidade tecnológica e de P&D no Brasil. Foram identificadas três grandes áreas – comunicações sem fio, comunicações ópticas e comunicação de dados – cuja importância para o desenvolvimento da infraestrutura de banda larga é essencial. Essas áreas foram analisadas em profundidade para destacar aqueles temas, dentro de cada uma delas, que representam as melhores oportunidades de desenvolvimento para a indústria nacional. Por fim, foram apresentadas algumas considerações que os autores consideram relevantes para que um programa de desenvolvimento tecnológico em telecomunicações seja bem sucedido.

10 Siglas e acrônimos Anatel – Agência Nacional de Telecomunicações ASE – Amplified Spontaneous Emission ASIC – Application-Specific Integrated Circuit AWG – Arrayed Waveguide Gratings BPL – Broadband Power Line BWA – Broadband Wireless Access CCC – Central de Comutação e Controle CI – Circuito Integrado CKD – Complete Knock-Down CMOS – Complementary Metal-Oxide Semiconductor CMTS – Cable Modem Termination System CNPq – Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico COFDM – Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing CoMP – Coordinated MultiPoint CPE – Customer Premises Equipment DOCSIS – Data Over Cable Service Interface Specification DSLAM – Digital Subscriber Line Access Multiplexer DSP – Digital Signal Processor EDFA – Erbium-Doped Fiber Amplifier ERB – Estação-Radiobase ETRI – Electronics and Telecommunication Research Institute (Coreia) FEC – Forward Error Correction FINEP – Financiadora de Estudos e Projetos FPGA – Field Programmable Gate Array FSK – Frequency Shift Keying CPqD – Todos os direitos reservados.

Perspectivas para o Desenvolvimento Tecnológico em Telecomunicações no Contexto do PNBL FTTH – Fiber-to-the-Home FTTU – Fiber-to-the-User GMPLS – Generalized Multi-Protocol Label Switching GPON – Gigabit Passive Optical Network GPRS – General Packet Radio Service GPS – Global Positioning System HD – High Definition HDTV – High-Definition Television HSPA – High Speed Packet Access IMT – International Mobile Telecommunications IP – Intellectual Properties (em português, Propriedade Intelectual – PI) IP – Internet Protocol IPTV – Internet Protocol Television IPX – Internetwork Packet Exchange ISP – Internet Service Provider ITRI – Industrial Technology Research Institute (Taiwan) ITU – International Telecommunication Union LAN – Local Area Network LER – Label Edge Router LMDS – Local Multi-point Distribution Service LOS – Line Of Sight LSP – Label Swtiching Paths LSR – Label Switching Routers LTE – Long Term Evolution LTE-A – Long Term Evolution Advanced M2M – Machine-to-Machine MAN – Metropolitan Area Network MIMO – Multiple Input/Multiple Output MPLS – Multi-Protocol Label Switching MPLS-TP – Multi-Protocol Label Switching Transport Profile MPSoC – Multiprocessor System-on-Chip MUX – Multiplexer NFC – Near Field Communication NGN – Next Generation Network NoC – Network on Chip NP – Network Processor OADM – Optical Add/Drop Multiplexing OAM&P – Operation, Administration, Maintenance and Provisioning OA&M – Operation, Administration and Maintenance OFDM – Orthogonal Frequency-Division Multiplexing OFDMA – Orthogonal Frequency-Division Multiple Access OH – Overhead OLT – Optical Line Terminator ONT – Optical Network Terminator CPqD – Todos os direitos reservados.

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Perspectivas para o Desenvolvimento Tecnológico em Telecomunicações no Contexto do PNBL OOK – On/Off Keying OSI – Open Systems Interconnection OTH – Optical Transport Hierarchy OTN – Optical Transport Network P&D – Pesquisa e Desenvolvimento PAN – Personal Area Network PDH – Plesiochronous Digital Hierarchy PLC – Power Line Communications PNBL – Plano Nacional da Banda Larga PHY – Physical Layer PMD – Polarisation-Mode Dispersion PON – Passive Optical Network POP – Point of Presence POTS – Plain Old Telephone Service QAM – Quadrature Amplitude Modulation QoS – Quality of Service QPSK – Quadrature Phase Shift Key RFID – Radio-Frequency Identification RFP – Request for Proposal ROADM – Reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexer RSOA – Reflective Semiconductor Optical Amplifier SAE – System Architecture Evolution SCM – Serviço de Comunicação Multimídia SDH – Synchronous Digital Hierarchy SDH-NG – Synchronous Digital Hierarchy-Next Generation SDR – Software-Defined Radio SHDSL – Single-pair High-speed Digital Subscriber Line SMP – Serviço Móvel Pessoal SNA – System Network Architecture SNMP – Simple Network Management Protocol SoC – System on Chip SON – Self-Organizing Network SR – Service Router TCP – Transmission Control Protocol TDM – Time Domain Multiplexing TDMA – Time Division Multiple Access TM – Traffic Manager ToR – Top of Rack UHF – Ultra High Frequency UMTS – Universal Mobile Telecommunications System VDSL – Very-high-speed Digital Subscriber Line VHF – Very High Frequency VLAN – Virtual Local Area Network VoIP – Voice over Internet Protocol CPqD – Todos os direitos reservados.

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Perspectivas para o Desenvolvimento Tecnológico em Telecomunicações no Contexto do PNBL WCDMA – Wideband Code Division Multiple Access WDM – Wavelength Division Multiplexing Wi-Fi – Wireless Fidelity WiMAX – Worldwide Interoperability for Microwave Access WLAN – Wireless Local Area Network WSAN – Wireless Sensor-Actuator Network xDSL – x-Digital Subscriber Line

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