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Tecnologia HomePNA: implementando redes em edificações especiais, de uso coletivo

1 HOMEPNA

Em junho de 1998, foi formado nos EUA o consórcio HomePNA (Home Phoneline Networking Alliance) entre as empresas 3Com, Agere Systems, AMD, AT&T Wireless Services, Broadcom, Compaq, Conexant, Hewlett-Packard, Intel, Motorola e 2Wire, entre outras. O consórcio lançou no mercado de tecnologia de redes um desafio, a criação de uma nova tecnologia para rede de computadores utilizando o cabeamento telefônico existente para trafegar dados, sem interferir no sinal telefônico, esta tecnologia pode ser comparada com a tecnologia ADSL (Assymmetric Digital Subscriber Line) ou "Linha Digital Assimétrica para Assinante", que permite a transferência digital de dados em alta velocidade por meio de linhas telefônicas comuns e uso simultâneo de telefonia convencional (Silva, 2003).

A estrutura da fiação do telefone dentro de cada localidade é originalmente preparada apenas para atender a sinais da telefonia convencional, não existindo a preocupação com isolação e casamento de impedâncias, que é a relação entre o valor eficaz da diferença de potencial entre os terminais em consideração ao valor eficaz da corrente elétrica resultante em um circuito. Ele indica a oposição total que um circuito oferece ao fluxo de corrente alternada, ou qualquer outra corrente variável numa dada freqüência. A topologia da rede telefônica é geralmente uma conexão aleatória dos nós^[1]. O telefone, o fax e o modem podem ser conectados e desconectados da linha a qualquer momento, mudando assim a topologia da rede. Neste conjunto de fios telefônicos onde será montada a rede é possível existir pontos de conexão que não estão sendo utilizado, isto poderá resultar problemas na transmissão do sinal e muitas vezes nos ecos que podem conduzir aos sinais multi-path^[2]. Por estes motivos, a montagem de uma rede utilizando fiação telefônica para comunicação de dados apresenta alguns desafios; como o principal desafio pode-se citar a tolerância às topologias de rede não especificadas e completamente aleatórias, pois a estrutura do cabo telefônico segue rotas ou caminhos diferentes (DIAS, 2002). Por exemplo, a simples ação como a de ligar um telefone ou fax irá adicionar um "ganho", ou seja, a amplitude do sinal elétrico envolvido na conexão dos dispositivos sofrerá uma variação na "árvore" da linha e este fator pode interferir na transmissão dos dados.

Um pulso telefônico transmitido em uma rede é sempre atenuado, ou seja, existirá uma diminuição ou perda em seu valor, pois ele deve percorrer todos os fios que fazem parte do circuito, quanto maior a viagem que o pulso telefônico faz através dos fios da rede, mais ele é atenuado. Esse efeito combinado com a falta de padrão dos conectores e terminadores utilizados na rede de telefônica são os mais sérios fatores na geração de impedâncias e harmônicos (múltiplos da freqüência de trabalho), que prejudicarão a transmissão dos dados (por exemplo, um ponto telefônico sem nada conectado, gera uma diferença de potencial no circuito).

Uma rede HomePNA deve ser desenhada levando-se em consideração os pontos telefônicos existentes, que tipicamente estarão sujeitos a um grande grau de sinais de diminuição de velocidade, estes provocados através dos ruídos que ocorrem na distribuição randômica da topologia da rede e também por ruídos do tipo eletromagnético produzidos por equipamentos como ferramentas elétricas, aquecedores, ar-condicionado e principalmente aparelhos telefones de baixa qualidade. A rede deve ser capaz de tolerar as mudanças nas características da linha de transmissão de dados, que ocorrem com uma grande freqüência, decorrentes dos equipamentos utilizados na telefônica convencional, que têm uma grande variedade de mudanças nas características operacionais, e se a rede não for corretamente desenhada, podem interferir na transmissão dos dados. O simples ato de tirar o telefone do gancho pode mudar dramaticamente às características da transmissão dos dados; do mesmo modo, se não forem tomadas as devidas medidas para a transmissão dos dados, ele também pode interferir no funcionamento do telefone ou do fax (HOMEPNA, 2005). A rede que utiliza como meio físico o cabeamento telefônico deve ser capaz de coexistir com o serviço telefônico, as funções de transmissão de dados e recursos de rede simultaneamente.As redes telefônicas trabalham com baixos índices de energia, o que complica a tarefa de estabelecer uma adequada relação entre sinal e ruído. A seguir serão expostas algumas características das versões disponíveis para n tecnologia HomePNA.

2 Versões do padrão HomePNA

Em agosto de 2009 o mercado oferecia quatro versões de implementação para o padrão HomePNA:

HomePNA 1.0: Tut Systems; (1.1) (versão comercial): Velocidade de 1 Mbps; com abrangência de até 150 metros.

HomePNA 2.0: Velocidade de até 10 Mbps; com abrangência 300 metros.

HomePNA 3.0: Velocidade de até 240 Mbps; com abrangência 300 metros.

HomePNA 3.1: Velocidade de até 320 Mbps; com abrangência 300 metros.

As quatro versões são compatíveis entre si (auto-sensing)^[3] e são baseadas em Time Modulation Line Coding Method, ou seja, Método de codificação de tempo baseado em modulação de linha, esta codificação incorpora um circuito adaptativo no tratamento das variações de ruído, além disso, controla as variar de níveis da saída do sinal transmitido e recebido, monitorando continuamente as condições da rede e ajustado seus parâmetros automaticamente. A primeira versão para rede de computadores através da infra-estrutura de linhas telefônica já existente foi proposta pela empresa Tut System. (HOMEPNA, 2005)

2.1 Versão HomePNA 1.1

A primeira especificação técnica comercial proposta pela Home Phoneline Networking Alliance para o mercado, a HomePNA 1.1,foi publicada em junho de 1999 e assegura a compatibilidade entre outros serviços de comunicação, tais como voz, ISDN e xDSL.^[4], e ocupa a faixa de freqüência da banda entre 5.5 MHz e 9.5 MHz, onde os filtros de atenuação trabalham muito bem, eliminando interferências geradas pelos serviços xDSL ou telefones tradicionais, entre outros.

 Trata-se de uma rede de 1 Mbps Ethernet sobre linhas telefônicas, um critério importante na definição do modo de transmissão, que permitiu que o HomePNA pudesse utilizar um grande número de softwares, aplicativos e hardwares compatíveis com o padrão Ethernet, que já era uma tecnologia estável e bem conceituada tecnologicamente.

2.2 Versão HomePNA 2.0

Em março de 2002, foi publicada a especificação HomePNA 2.0,que permitia taxas de transmissão de até 10 Mbps. Nesta versão foi mantida a compatibilidade total com a versão anterior. A Home Phoneline Networking Alliance procurou tornar suas especificações em padrões internacionais, nesse sentido, a ITU-T, baseando-se na especificação HomePNA 2.0, estabeleceu as recomendações G.989.1 (ITU-T, 2001a), G.989.2 (ITU-T, 2001b) e G.989.3 (ITU-T, 2003a). A banda de freqüências definidas pelo padrão HomePNA 2.0 é de 4 MHz a 10 MHz. A segunda geração da tecnologia HomePNA foi proposta pela empresa Broadcom e nela foram empregadas a tecnologia de equalização adaptativa e modulação de amplitude em quadratura AQAM (Adaptive Quadrature Amplitude Modulation), para aumentar a taxa de transmissão que era inicialmente de 1 Mbps para a taxa de 10 Mbps. A faixa de freqüência foi definida de forma a não interferir nos serviços já oferecidos, como a telefonia padrão POTS (Plain Old Telephone System^)[5] e outros serviços de acesso, como o UADSL (Universal Asynchronous Digital Subscriber Line).O serviço telefônico convencional padrão utiliza, tipicamente, a faixa de 20 Hz a 3.4 kHz, e os sistemas UADSL mais utilizados como forma de acesso à Internet ocupam uma faixa de 25 kHz a 1,1 MHz. Segundo análises realizadas pelo consórcio HomePNA sobre as faixas de freqüências definidas, a resposta do canal se mostrou mais sensível aos efeitos das reflexões e da diafonia (interferência que um par provoca no par adjacente, este fenômeno é conhecido em telefonia como linha cruzada) a partir da faixa de freqüência acima de 10 MHz. Para sistemas cuja banda se sobrepõe à especificada para o padrão HomePNA 2.0, como é o caso do VDSL (Very high bit rate Digital Subscriber Line), uma tecnologia que permite a transmissão simultânea de voz, dados e vídeo em pares telefônicos comuns, é necessária a inclusão de uma função de isolamento para eliminar as interferências ocasionais, geradas pela invasão nas faixas de freqüência.

Algumas questões indiretamente ligadas ao cabeamento telefônico também devem ser consideradas, como a irradiação de sinais de Rádio-Freqüência (RF). Na máscara de densidade espectral de potência PSD (Power Spectral Density) é definido pelo HomePNA 2.0, que a portadora utilizada será de 7 MHz, conforme podemos observar, a escolha da banda entre 4 e 10 MHz apenas se sobrepõe a uma banda de rádio-amador, simplificando a filtragem para eliminação dos problemas de emissão e interferência de sinais de RF. Além dos limites em 4 e 10 MHz, há um notch^[6]reduzindo a densidade espectral de potência máxima entre 7 e 7,3 MHz para -81,5 dBm/Hz. O limite de -140 dBm/Hz para a banda abaixo de 2 MHz garante a compatibilidade tanto com os sistemas de acesso ADSL e G.Lite, quanto com a rede tradicional de telefonia. Assim, a rede de telefonia e as redes de dados podem coexistir multiplexadas em freqüências diferentes e trabalharem simultaneamente. Adotando a máscara de densidade espectral de potência, os transmissores puderam atender às exigências da FCC (Federal Communications Commission) Parte 68, um instrumento regulador dos EUA para a conexão de equipamentos e terminais à rede telefônica. É comum que os produtos apresentem também compatibilidade com a FCC Parte 15, que regulamenta dispositivos de comunicação. A modulação escolhida para o HomePNA 2.0 foi a modulação adaptativa de amplitude em quadratura AQAM (Adaptive Quadrature Amplitude Modulation), que possibilita ao sistema operar com 2 ou 4 Mbaud com diferentes taxas de modulação, ou seja, ao invés de utilizar uma taxa "x" de bits por símbolo, o padrão possibilita variar a codificação de 2 a 8 bits por símbolo para cada quadro.

Para canais com boa resposta em freqüência pode ser utilizado o modo de 4 Mbaud, que possibilita transmissões de até 32 Mbps, se utilizada a taxa de 8 bits por símbolo. A taxa básica de símbolos, no entanto, é de 2 Mbaud, e permite a transmissão de dados a taxas entre 4 e 16 Mbps. Quando o sistema opera a 2 Mbaud, o espectro do sinal discreto no tempo possui uma freqüência de 2 MHz. No entanto, a banda do sistema é de 6 MHz (entre 5.5 e 9,5 MHz). O sinal transmitido pode, então, ser considerado como se fosse composto por três cópias do sinal de 2 MHz, centradas em 5, 7 e 9 MHz, conforme a determinação do protocolo HomePNA 2.0. Por este motivo, no contexto do HomePNA 2.0, o sinal QAM no modo 2 Mbaud utiliza o FDQAM (Frequency Diverse Adaptive Quadrature Amplitude Modulation). Em canais com uma baixa relação entre sinal e ruído, onde grande parte do espectro é atenuada, o FDQAM funciona de forma robusta em muitas situações em que o QAM tradicional não funcionaria. Além disso, o FDQAM não necessita que o transmissor possua conhecimento das características do canal, o que simplifica o funcionamento do protocolo com canais que variam no tempo. Isto consiste em um preâmbulo de 16 octetos, um campo de controle de quadro FC (Frame Control) de 4 octetos, um campo correspondente ao quadro Ethernet, o campo de CRC (Cyclic redundancy check)de 2 octetos, o campo de enchimento (PAD) de tamanho variável e o campo EOF (end-of-file) de 1 octeto.

2.3 Versão HomePNA 3.0

Em junho de 2003, a Home Phoneline Networking Alliance, divulgou sua nova versão, finalizando assim o desenvolvimento de sua terceira geração de protocolos, o HomePNA 3.0 com velocidade de 128 Mbps (HOMEPNA, 2005), que superou as expectativas da indústria tecnológica, segundo Toni Kistner editor chefe da revista Net.Worker e bem conceituado crítico nas revistas americanas especializadas em redes; Kistner, que havia predito a morte brusca da tecnologia HomePNA, voltou atrás em suas afirmações e assumiu que esta nova versão da tecnologia HomePNA estava bem balanceada e que foi bem aceita nas empresas de tecnologia. Várias empresas já estão incorporando em seus produtos a compatibilidade com esta versão; segundo Kistner,o número de empresas é bem superior daquelas que acreditaram na versão 2.0 da tecnologia.

Em maio de 2005, a Home Phoneline Networking Alliance recebeu as recomendações do ITU (International Telecommunication Union) para sua versão 3.0, a qual tem como base as mesmas especificações de camadas físicas da versão HomePNA 2.0 (G.989.1, G 989.2 e G 989.3) e é inteiramente compatível com todas as versões anteriores. A recomendação G.9954 (Phoneline networking transceivers – Enhnaced physical, media access and link layer specifications) também foi aplicada, garantindo assim a transmissão de dados em velocidades de até 240 Mbps. Na máscara de densidade espectral de potência PSD (Power Spectral Density, que a portadora utilizada será de 14 MHz, conforme podemos observar, a escolha da banda entre 4 e 21 MHz, aumenta a velocidade da rede. Na época ela era considerada a única especificação de tecnologia de última milha da indústria de rede capaz de alcançar velocidade de até 240 Mbps (JUNIOR, 2004), o HomePNA 3.0 conseguiu esta característica através de implementações baseadas na recomendação G.9954, transporte de dados com exigências inerentes de QoS (Quality of Service) e com as novas potencialidades do Media Access Control (MAC) usadas na versão 3.0, que permitem que os usuários atribuam espaços de tempo na transmissão dos dados, garantindo, desse modo, a entrega dos dados em real-time sob um esquema predeterminado de latência^[7] que foi projetado para impedir interrupções do sinal. Isto vem bem ao encontro das necessidades das aplicações multimídias. Com esta potencialidade expandida de QoS (quality of service), espera-se permitir que os fornecedores de serviço possam oferecer serviços de jogos on-line com acesso de alta velocidade, diretamente pela Internet; a transmissão do vídeo on-demand sobre a rede também pode ser utilizado nesta versão do HomePNA. No MAC (Media Access Control) da versão 3.0 do HomePNA foi introduzido o CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) que integra um novo sistema de sincronismo junto com o CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection),o SMAC (Synchronous MAC). O sistema de prioridades utilizado são baseadas no HomePNA versão 2.0.

O SMAC é utilizado para garantir a largura de banda, latência, o jitter que é a variação estatística do retardo na entrega de dados em uma rede que pode ser definida como a medida de variação do atraso entre os pacotes sucessivos de dadose as características de BER/PER (Bit Error Rate)/( Priority Error Rate) para apoiar as transações síncronas e assíncronas e provê a função de QoS. Para auxiliar no controle das colisões, o HomePNA 3.0 utiliza DFPQ (Distributed Fair Priority Queuing),um procedimento distribuído de resolução de colisão. As técnicas ECN (Early Congestion Notification) que auxiliam de forma antecipada os congestionamento também foram agregadas ao HomePNA versão 3.0.

O HomePNA 3.0pode trabalhar em conjunto com a tecnologia de transmissão de fibra residencial FTTH (Fiber to the Home) que permite a distribuição de televisão de alta definição baseada em uma rede IP, o HDTV IP (high-definition television IP-based) e o padrão Ethernet IEEE 802.3ah, o EFM (Ethernet First Mile)( HOMEPNA, 2005).

2.4 Versão HomePNA 3.1

Em dezembro de 2006, a Home Phoneline Networking Alliance, divulgou a especificaçãoHomePNA 3.1, que é sua versão mais recente e oferece velocidade de até 320 Mbps. Esta especificação pode ser uma ótima candidata para redes de ultima milha, ou seja, uma solução de alta velocidade para interligação de uma central telefônica ou operador de TV a cabo a um usuário dentro de sua abrangência, na distribuição IPTV, VoIP e acesso a Internet de banda larga, bem como outros serviços de entretenimento em rede de dados. As redes de ultima milha já utilização tecnológicas como o ADSL e cable modem, para a geração de circuitos de banda larga, a solução HomePNA, será mais uma solução entre elas, podendo operar ao longo de cabos coaxiais, bem como através de fios de telefone, oferecendo a possibilidade de múltiplos espectros de operação, e acrescenta a utilização do padrão VDSL convivendo simultaneamente com a ADSL, POTS e sinais de TV. Ela utiliza como base a especificação da versão HomePNA 3,0 Multi-spectrum operation also allows multiple HomePNA networks to coexist on the same wiring.que permite o acesso à tecnologia, segurança e estabilidade. Em janeiro de 2007 o ITU-T (G.9954), recomendou o padrão, que segundo Malcolm Johnson, diretor do ITU-T facilitaria o acesso aos mercados globais e permitiria economias de escala na produção e distribuição da solução, nesta mesma época Rich Nesin, presidente da Home Phoneline Networking Alliancee e vice-presidente de marketing da Coppergate Comunicações também afirmou que a recomendação permitiria a expansão no mercado mundial

3 Qual o potencia da Tecnlogia HomePNA

Em junho de 2008 o portal Business Wire informou que a Coppergate Communications atingira a marca de cinco milhões de chipsets HomePNA produzidos, em julho de 2009 o mesmo portal indicou que foram entregues mais de 10 milhões de chipsets HomePNA, que são utilizados em dispositivos digitais implantados em todo o mundo em equipamentos de entretenimento doméstico, redes e soluções IPTV, segundo o portal é o mais rápido crescimento da indústria tecnologia no seguimento na América do Norte. (CRESCIMENTO HomePNA, 2009)

Em 26 e 27 de março de 2009, a empresa CIANET, ministrou no estado de Minas Gerais, um curso sobre a tecnologia HomePNA 3, que contou com a participação de empresas de soluções para redes e provedores de Internet de diversos estados do Brasil, tais como Rio de Janeiro, Rio Grande do Norte, Minas Gerais, Goiás, Recife, Piauí e Sergipe. (CIANET, 2009).

4 Conclusão

A tecnologia HomePNA, não veio para substituir as soluções existentes no mercado atual de redes, como exemplo o ADSL, o cable modem, entre outras, elas poderam ser utilizadas em conjunto, proporcionando uma maior flexibildade na composição de projetos de redes de ultima milha. Em relação às tradicionais redes locais "Ethernet", "Fast Ethernet" e "Gigabyte", o HomePNA, em condições de igualdade, não será um substituído ideal. A solução poderá ser utilizada em edificações especiais, de uso coletivo, quando existirem impossibilidade de se passar cabos e já existir uma rede de telefonia pronta e em uso normal.

Seu crescimento a nível mundial é muito bom, no Brasil ainda é uma tecnologia que esta engatinhando; seu maior foco se encontra fora do estado de São Paulo.

As empresas que fazem parte do consorcio HomePNA, são de grande porte e certamente continuarão investindo em novas atualizações e melhorias para a tecnologia.

REFERÊNCIAS

CIANET. Curso HomePNA 3. Disponível em: <http://www.cianet.ind.br/pt/noticia.php />. Acesso em 30 ago. 2009.

CRESCIMENTO HomePNA. Disponível em: <http://http://businesswire.sys-con.com/node/1058785 />. Acesso em 29 ago. 2009.

HOMEPA. The Home Phoneline Networking Alliance. Disponível em: http://www.homepna.org/about_tech/ />. Acesso em 31 mar. 2005.

ITU-T, G.9954: Phoneline networking transceivers – Enhanced physical, media access and link layer specifications,jan. 2005.

Silva, P. Apresentação HPN Hotéis e Condomínios, PPT. Cianet Networking, 24 out. 2003.

ITU-T,G.989.3:Phonelinenetworkingtransceivers –isolationfunction, mar. 2003.

Dias, N.Home Phoneline Networkig Aliance, PDF. Cianet Networking, 29 mai. 2002.

ITU-T,G.989.2:Phonelinenetworkingtransceivers – payloadformat and link layer requirements, nov. 2001.

ITU-T,G.989.1:Phonelinenetworkingtransceivers –foundation, fev. 2001.