Redes Sem Fio
Especialização em Redes de Computadores Weslley Emmanuel Martins Lima
Conteúdo Programático
Histórico
Conceitos Básicos Técnicas de Modulação Técnicas de acesso ao meio.
Fatores que interferem na propragação das ondas Eletro Magnéticas.
Componenentes genéricos de rádio Antenas
Conteúdo Programático
Padronização das Redes Sem Fio Tecnologias Sem Fio Emergentes
As gerações tecnológicas
Histórico
1820 Hans Oersted descobriu a relação entre a eletricidade e o magnetismo.
1831 Michael Faraday teorizou que uma mudança no campo magnético é necessário para induzir uma corrente em um circuito
próximo(Teoria da Indução).
Joseph Henry e a primeira transmissão de um sinal elétrico.
Histórico
Morse continua seus trabalhos no estudo de tecnologias sem fio.
Morse descobre a propriedade da condução em seus experimentos.
A condução é o fluxo de cargas elétricas através de uma substância, resultante de uma diferença de potencial elétrico baseado na substância.
Histórico
A condução inicialmente é provada na água.
Em 1887, Heinrich Hertz prova que a eletricidade viaja em ondas através da atmosfera.
Em 1901, o inventor italiando Guglielmo Marconi descobre que as ondas eletromagnéticas se curvam de acordo com a curvatura da Terra em transmissões eletromagnéticas.
A ionosfera como meio de transmissão das ondas de rádio
Conceitos Básicos
Rádio Transmissão e recepção sem fio de impulsos ou sinais elétricos por meio de ondas eletromagnéticas.
Campos elétricos são induzidos pela separação de cargas positivas e negativas.
Movimentação de cargas elétricas induz campos elétricos.
Mudanças no campo elétrico induzem campos magnéticos.
Conceitos básicos
Uma onda eletromagnética é a propagação de energia elétrica pela oscilação de campos magnéticos que induzem a oscilação de campos elétricos;
Componentes de uma onda:
Amplitude(a) - volts Velocidade de propagação(v) Período - segundos
Comprimento de onda - metros Frequência(f) Hertz
Conceitos Básicos
Conceitos Básicos
Velocidade de Propagação Velocidade com a qual a onda viaja pelo meio. Para propósitos prático igual à velocidade da luz: 3 x 108m/s.
Período Tempo gasto por um ciclo para passar por um ponto.
Frequência Quantidade de ciclos que passam por um ponto em um segundo.
Conceitos Básicos
Modulação de ondas de rádio
A onda portadora tem a função de modular o sinal de entrada com uma frequência muitas vezes maior.
Principais razões:
Melhor transmissão
Permite a transmissão de vários sinais ao mesmo tempo sem que haja interferência.
Permite a criação de antenas menores.
Cada frequência de portadora é chamada de um
Conceitos Básicos
A modulação corresponde às modificações realizadas numa onda portadora de maneira a representar um sinal.
A portadora também é chamada de onda modulada.
O sinal é também chamado de onda moduladora.
Conceitos Básicos
Esquemas de modulação analógico Modulação da amplitude(AM);
Modulação da frequência(FM);
Modulação da Amplitude
Modulação da Frequência Esquemas de Modulação Digital
A maioria das informações transmitidas pelos seres humanos são de natureza analógica. No entanto, os computadores são binários.
A necessidade de digitalizar fontes analógicas de informação(música, voz...).
Boas técnicas de digitalização levam a um resultado de qualidade muito próxima ao sinal original.
A necessidade de transmitir informações digitalizadas.
Esquemas de Modulação Digital
Tipos
On/Off Keying(OOK) Frequency Shift Keying(FSK) Phase Shift Keying(PSK)
Pulse Amplitude Modulation(PAM)
On/Off Keying(OOK)
Frequency Shift Keying(FSK)
Usada pelo padrão 802.11 Camada Física
Phase Shift Keying(PSK)
Pulse Amplitude Modulation(PAM)
Técnicas de acesso ao meio
Objetivo: Permitir o controle de acesso ao meio como forma de otimizar a utilização desse recurso.
Define canais de comunicação independentes Tipos básicos
FDMA(Mútiplo acesso por divisão de frequência) TDMA(Mútiplo acesso por divisão de tempo) CDMA(Mútiplo acesso por divisão de código) SDMA(Mútiplo acesso por divisão de espaço)
FDMA
Cada canal carrega a informação de um usuário.
Requer bons filtros para evitar interferência de canais adjacentes.
Exemplo: AMPS: 2 bandas com 833 canais de 30kHz cada.
FDMA
TDMA
A banda disponível é compartilhada entre os usuários dividindo-a em time-slots. A transmissão de dados é descontínua.
Utiliza mais bits de sincronização se comparado ao FDMA.
Devido à característica da transmissão em rajadas, existe um menor gasto de bateria(só transmite durante o tempo de um time-slot).
TDMA
FDMA e TDMA combinados
Combina a divisão da banda em faixas menores que por sua vez é dividida no tempo(time-slots).
Leva a uma melhor utilização do espectro.
No GSM as 2 bandas de 25Mhz são divididas em portadoras de 200kHz cada, que por sua vez são subdivididas em 8 time slots de 4,615 ms.
FDMA e TDMA combinados
CDMA
Todos os usuários transmitem na mesma banda(simultaneamente) o dado codificado;
somente os detentores da chave conseguem decifrar o dado. Isso garante maior segurança.
A capacidade não é fixa, depende a relação sinal/ruído do meio.
É eficiente quando utilizada para muitos usuários.
CDMA
SDMA
Usados em redes celulares(células são áreas irregulares em torno de uma antena).
Atribuir faixas de frequência diferentes a células adjacentes, de forma a evitar a interferência de sinal.
Para células distantes, pode-se reutilizar a faixa de frequência.
Para isto, o alcance a antena deve ser bem ajustado.
SDMA
Fatores que interferem na propagação de ondas EM
A Taxa Sinal/Ruído Atenuação
Reflexão Refração Linha de visão Penetração
A taxa sinal/ruído
A onda deve chegar ao receptor com força suficiente para permitir a distinção entre a onda e o ruído.
A taxa S/N é usada para mostrar a potência do sinal em comparação com a potência do ruído.
Diferentes modulações requerem diferentes taxas mínimas de S/N.
Esquemas de modulação digital requerem uma menor taxa S/N que esquemas de modulação analógico.
Atenuação
Fenômeno em que o sinal fica mais fraco a medida que se afasta da sua fonte. Decorre de
uma divergência natural da densidade do sinal. A força de um sinal diminui à medida que a distância aumenta
Portanto: Potência é proporcional a 1/r2 Objetos contribuem para a atenuação de uma onda.
Em tais situações, a Potência é proporcional a 1/r3.
Atenuação
Atenuação
Uma forma de minimizar a atenuação é através de antenas direcionais.
Reflexão(Bouncing)
Fenômeno que ocorre quando parte de uma onda atravessa um objeto e a outra parte é refletida.
A reflexão pode degradar ou melhorar o desempenho dos sistemas.
Sistemas de rádio AM aproveitam-se desse fenômeno que ocorre nas camadas superiores da atmosfera.
Reflexão(Bouncing) Reflexão(Bouncing)
O fenômeno da reflexão só é adequado a sistemas que operam com ondas de baixa frequência.
Ondas de alta frequência penetram nas camadas da atmosfera sem que haja reflexão.
Usadas nas comunicações via satélite.
O caso do canion em forma de L.
Reflexão(Bouncing)
O problema do Espalhamento em vários caminhos.
O sinal alcança o receptor através de vários caminhos devido à reflexão
Pode causar o cancelamento do sinal se chegarem em fases diferente.
Pode provocar eco, se os sinais não chegarem ao receptor fora de sincronia.
Reflexão(Bouncing)
Refração
Refere-se à curvatura de uma onda.
Decorre do contato com partículas suspensas no ar e gotículas de água na atmosfera.
O horizonte absoluto linha reta entre o transmissor e o receptor
O horizonte aparente distância de alcance entre o transmissor e o receptor decorrente da curvatura da onda em torno da superfície da terra.
Campo de visão(Line of Sight)
Caminho limpo e reto do transmissor para o receptor.
Sinais de alta frequência exigem um melhor campo de visão que os sinais de baixa frequência.
Penetração
Fatores que determinam o grau de penetração:
Tipo de material Densidade do material Frequência e potência do sinal Ex.: Raio-X
O metal não permite a penetração de sinais, o sinal é absorvido como em uma antena.
Uma das razões para celulares não funcionarem bem em elevadores
Componentes genéricos de rádio
Componentes genéricos de rádio
Codificador do transmissor codifica o sinal antes de enviá-lo ao modulador
Modulador do transmissor responsável pela modulação do sinal
Amplificador do transmissor amplifica o sinal para que possua potência suficiente para alcançar o receptor
Cabo do transmissor leva o sinal até a antena.
Componentes genéricos de rádio
Antena do transmissor converte o sinal elétrico em ondas de rádio.
Antenar do receptor
Filtro do canal receptor Permite a passagem apenas dos sinais de frequência adequada para os outros componentes.
Antenas
Dividem-se em:
Omnidirecionais Enviam sinais em todas as direções.
Direcionais Focalizam o sinal em uma direção específica.
Antenas Ominidirecionais
Dipólo de meio comprimento de onda Dois condutores posicionados fim-a-fim com um pequeno espaço entre eles.
O tamanho total dos dois condutores deve ser metade do comprimento de onda
Dipólo de meio
comprimento de onda
Dipólo de um quarto de comprimento de onda
Tipo especial de dipólo de meio comprimento de onda.
Consiste de um lado de uma dipólo de meio comprimento de onda montada sobre alguma superfície.
A superfície deve funcionar como um refletor para simular a outra metade da dipólo de meio
comprimento de onda.
Ex.: Antena de carro, de telefones celulares, de
Antenas direcionais
Antenas Yagi
Nome do seu inventor Dr. Hidetsugu Yagi Composta por:
Elemento Refletor - Passivo Elemento Dirigido - Ativo Elementos Diretores - Passivos Ex.: Antenas de Televisão Antenas Planares
Todos os elementos são colocados no mesmo plano Usada em radares
Antenas direcionais
Antenas Setorizadas
Projetadas para dividir uma área de cobertura circular em setores a fim de facilitar a alocação e o reuso.
Cada setor tem uma largura de 120 graus.
Usadas em telefonia celular Antenas Parabólicas
Usadas principalemente em transmissões via satélite.
Antena Yagi Antenas Planares
Antenas Setorizadas
Antenas parabólicas
Tecnologias e padrões em redes sem fio
Tecnologias Existentes
Tecnologias sem fio fixas Tecnolgias sem fio móveis Tecnologias sem fio ópticas
Tecnologias fixas sem fio
Tecnologia onde o transmissor e o receptor estão em uma posição fixa.
Principais Tecnologias MMDS
LMDS WLL
PTP Microwave WLAN
Serviço de distribuição multicanal e multiponto(MMDS)
Opera na faixa de 2.5 a 2.7 Ghz Tecnologia complementar à DSL Provê velocidades entre 1 e 2 Mbps
Permite distância entre os nós de aprox. 56Km Requer um campo de visão sem obstáculo
Serviço de distribuição multicanal e
multiponto(MMDS) Serviço de ditribuição local multiponto(LMDS)
Sistema de comunicação sem fio banda larga ponto a multiponto.
Opera na faixa entre 28 e 38 Ghz.
Oferece velocidades superiores a 500Mbps.
Distância máxima limitada a aprox. de 5 a 8Km.
Também necessita um campo de visão limpo.
Pode ser afetado pelas condições do tempo.
Serviço de ditribuição local
multiponto(LMDS) Wireless Local Loop(WLL)
Refere-se a tecnologias fixas sem fio empregadas para competir/substituir as redes de telefonia convencionais.
Usa uma arquitetura ponto-a-multiponto.
Um rádio central(RPC) é conectado a uma séria de RP's(estações base).
Os clientes acessam a rede através de unidades de acesso fixas(FAU).
No Brasil, é explorado pela Vésper.
Wireless Local Loop(WLL)
Micro-ondas Ponto a Ponto(PTP)
Usada em comunicações ponto-a-ponto
Sofre com a absorção do sinal e espalhamento em mútiplos caminhos.
Susceptível a condições chamadas:
Armortecimento da chuva o que limita a distância entre o transmissor e o receptor.
Micro-ondas Ponto a Ponto(PTP) Padrões para redes locais sem fio(WLAN)
A padronização permitiu uma maior dissseminação das redes sem fio.
Padrão criado pelo grupo 802 do IEEE
O padrão 802.11 foi criado em 26 de junho de 1997 Especifica desde o tempo até os custos associados à criação de uma rede sem fio.
Esse padrão cobre a operação de controle d acesso ao meio(MAC) e as camadas físicas.
O padrão 802.11
802.11 define 3 opções para a camada física:
Infra-vermelho Rádio Frequência
DSSS FHSS 802.2
802.11 MAC
FHSS DSSS IR
A camada física do padrão 802.11
Usam a banda de 2.4 Ghz
FHSS(Frequency Hopping Spread Spectrum) Baseada no envio de rajadas de dados sobre várias frequências
Os dados saltam entre um conjunto de frequências pré- alocadas(geralmente quatro por comunicação).
DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum) Os dados são divididos em pedaços que são enviados simultaneamente por tantas frequências quanto possível.
Permite maiores taxas de transferência, porém estão mais susceptíveis a interferência.
Melhoramentos no padrão 802.11 original
O padrão 802.11 foi seguido pelo padrão 802.11b e este pel padrão 802.11a com uma largura de banda cinco vezes maior
Os padrões:
802.11d Concentrado no desenvolvimento de WLAN's em mercados não servidos pelo padrão atual.
802.11f Buscam desenvolver um protocolo que permita a migração de dispositivos sem fio entre pontos de acesso(AP) de diferentes fabricantes.
Melhoramentos no padrão 802.11 original
802.11g Estão trabalhando no desenvolvimento de taxas de transferência maiores usando a banda de 2.4GHz.
802.11h Estão desenvolvendo extensão no gerenciamento de potência e espectro para o padrão 802.11a para uso na Europa.
O padrão 802.11b
Usa DSSS na camada física
A competição de vários dispositivos pelo mesmo espectro de 2.4GHz pode causar
interferência(telefones sem fio, micro-ondas).
As redes Bluetooth
Usam a mesma frequência deste padrão Utilizam FHSS na camada física
Alterna entre milhares de frequências em um segundo,
O Padrão 802.11a
Surgiu da enorme demanda às tecnologias operando na banda de 2.4 GHz
Provê velocidades de 25 a 54 Mbps
Trabalha num spectro de 5GHz, uma banda menos usada e portanto com uma chance reduzida de interferência.
Opera atualmente apenas nos EUA
O Padrão 802.11e
Compatível com os padrões 802.11b e 802.11a.
Implementa qualidade de serviço.
Adequado a transmissões multimídia.
Realizou melhoramentos de segurança.
Possibilita a transmissão de áudio e vídeo.
Permite serviços de voz sobre IP.
As WLANs e a arquitetura 802.11
Uma rede 802.11 é composta por:
Acess Point(AP) Distribution System(DS) Basic Service Set(BSS) Extended Service Set(ESS)
O Basic Service Set
Modelo em que um ou mais dispositivos sem fio comunicam-se com um Acess Point numa única célula
Tipos de estrutura
Redes Ad-Hoc Redes Estruturadas
Extended Service Set
Composta por um conjunto de BSS's
Permite a migração(roam) de uma unidade móvel entre dois AP's de maneira transparente.
A comunicação entre os BSS's é feita através do sistema de distribuição(DS).
O DS é a espinha dorsal de uma WLAN.
O mecanismo CSMA-CA
Controla o acesso ao meio.
Uma unidade só transmite quando tem a atenção da unidade receptora.
Chamado Listen Before Talking (LBT).
Antes de transmitir, o dispositivo verifica se está ocorrendo alguma transmissão. Caso esteja, ele aguarda um período de tempo randômico.
O mecanismo RTS/CTS
Request To Send/Clear To Send
Evita que dois dispositivos tentem transmitir ao mesmo tempo.
Uma AP sempre envia um RTS para o dispositivo móvel antes de enviar os dados. O dispositivo móvel deve responder com uma mensagem CTS para que se inicie a transmissão.
A migração entre células
A migração(roaming) baseia-se no fato da UM decidir o momento de mudar o seu acesso à rede de um AP para outro com um sinal mais forte.
É baseado principalmente na taxa S/N.
OS AP's emitem mensagens de sinalização(beacon) usadas para calcular a taxa S/N.
Ao migrar a UM deve autenticar-se no novo AP para que o sistema de reconfigure.
O HandOff
Segurança na WLAN
A vulnerabilidade das redes sem fio decorrente do meio de transmissão utilizado.
O 802.11 provê três mecanismos para aumentar a segurança.
O uso de SSID
Autenticação através do endereço MAC Serviço de privacidade usando um esquema de criptografia RC-4 dos dados transmitidos, chamado Wired Equivalency Privacy(WEP).
Usa uma chave de 40 bits. Algumas empresas usam uma chave 104 bits.
WPAN's e a arquitetura 802.15
WPAN Redes que abrangem o espaço em torno de um dispositivo, aproximadamente 10 metros de raio.
Exemplos de redes ad-hoc.
Os dispositivos se encontram e se comunicam exigindo pouco esforço do usuário.
As redes 802.15 são definidas como redes sem fio de curta distância.
Redes com baixa custo de manutenção e configuração.
Esforços têm sido dispensados à sua
interoperabilidade com equipamentos do padrão 802.11
Bluetooth
Nome baseado na figura do rei da Dinamarca Harold Blaatand II(Bluetoothe)
Inicio-se em 1994 com a Ericsson
Em 1998 grandes empresas se reuniram e criaram um grupo de desenvolvimento do Bluetooth(SIG).
Sua evolução está ameaçada pelo grande sucesso do padrão 802.11.
Baseada em piconets Redes ad- hoc;
As piconets são constituídas de um nó mestre e de no máximos sete nós escravos ativos simultaneamente.
Bluetooth
Dez ou mais piconets pode ser ligadas criando uma scatternet.
Distância padrão: 10 metros Velocidade máxima é de 740 Kbps.
Não é uma tecnologia que exige campo de visão Pode gerar interferência em redes 802.11b há menos de 10m.
Padrão 802.11f propõe uma interperabilidade com essas redes
Bluetooth Tecnologias sem fio móveis
Compreende basicamente a telefonia celular.
Rumos da tecnologia da telefonia móvel:
CDMA Estados Unidos.
GSM Europa.
As primeiras tecnologias focavam na comunicação de voz.(1G e 2G)
As tecnologias emergentes visam tanto suportar comunicação de voz quanto de dados.(2.5G e 3G)
Tecnologias de primeira geração
Tem seu início no final dos anos 70.
Sistemas predominantes:
AMPS Advanced Mobile Phone System TACS Total Access Communication System NMT Nordic Mobile Telephone
Eram sistemas analógicos que não proviam uma qualidade de sinal para sistemas de voz.
Tecnologias da Segunda Geração
Caracteriza-se pela implantação dos sistemas digitais na telefonia móvel.
Alguns aparelhos permitem a migração entre áreas de cobertura digital e analógicas.
A americana Sprint PCS migrou para CDMA e o resto do mundo optou pelo GSM.
São tecnologias incompatíveis.
Tecnologias 2.5G
Juntamente com as tecnologias 3G buscam a convergência dos dois padrões(CDMA e GSM) em direção a um padrão global interoperável.
Adequada para transmissões de voz e dados.
O protocolo WAP como forma de otimizar o uso da banda limitada em sistemas celulares.
O GPRS(General Packet Radio Service) foi criado para permitir a comutação de pacotes em sistemas GSM que são baseados na comutação de circuitos.
O GPRS quadruplicou o throughput dos sistemas GSM.
Tecnologias da terceira geração
Promete suportar aplicações que exigem grandes larguras de banda
Ex.: Transmissões de vídeo.
Principais tecnologias:
EDGE Enhanced Data Rates for GSM Evolution Wideband CDMA
cdma2000
O UMTS(Universal Mobile Telecommunications System)
http://www.umtsworld.com/technology/overview.htm
A tecnologia EDGE
Permite às redes GSM existentes suportar e oferecer serviços da terceira geração.
Possibilita uma velocidade de transmissão de 384Kbit/s.
Utiliza alguns conceitos da tecnologia TDMA.
Estrutura do quadro, canais lógicos e largura de banda de 200kHz.
Uma uma nova técnica de modulação que permite um uso mais efetivo do espectro(8PSK).
Evolução tecnológica das redes sem
fio móveis
Wireless Application Protocol
Especificação aberta para entrega de dados através de meio sem fio.
Possibilita o acesso de conteúdo internet através da telefonia móvel e de PDAs.
Não é proprietário.
Não depende da rede.
Sua especificação iniciou-se em 1997 a partir de um esforço conjunto das empresas: Nokia, Ericsson, Phone.com e Motorola.
Wireless Application Protocol
Atualmente sua especificação é mantida pelo WAP Forum:
http://www.openmobilealliance.org/tech/affiliates/wap/wap index.html
A unidade móvel possui um browser embutido.
O acesso a Internet eh feito através de um gateway WAP.
Os browsers só interpretam um tipo especial de páginas escritas na linguagem WML.
Global System for Mobile Communications
Padrão internacional para transmissão de voz e dados.
O cartão SIM(Subscriber Identity Module) Mantém informações e configurações pessoais Componentes da arquitetura GSM:
Mobile Station Equipamento móvel Cartão SIM
Base Station Subsystem
Global System for Mobile Communications
A Base Station Subsystem(BSS) é composta por:
Estação transceptora Base(BTS) contém os componentes que definem uma célula e os protocolos associados.
Controlador de estação base(BSC) gerencia os recursos para as unidades transceptoras e a comunicação com as centrais de comutação móvel(MSC).
Global System for Mobile Communications
O Network Subsystem controla a comunicação entre diferentes células;
É composto por:
MSC Central de comutação e controle VLR Registro de localização de visitantes HLR Registro de localização de UM local AUC Central de autenticação
EIR Registro de identidade de equipamento
Global System for Mobile Communications
General Packet Ratio Service
Também chamada de GSM-IP
Oferece velocidades entre 56 e 170 Kbps Transmissão baseada em pacotes
Tais taxas de transmissão tornam possível o tráfego multimídia.
A comutação de pacotes permite um uso mais eficiente do spectro: os recursos de rádio são usados apenas quando estão transmitindo ou recebendo dados.
Limitações do GPRS
Capacidade da célula limitada para todos os usuários.
Velocidade muito inferior na realidade
A velocidade de 170Kbps só é atingida se um único usuário estiver usando todos os timeslots.
Usa uma técnica de modulação não muito
eficiente(GMSK Gaussian minimum-shift keying).
Atrasos na transmissão decorrentes de retransmissões de pacotes perdidos durante a transmissão de dados pelo meio sem fio.
Short Message Service
Serviço que permite o envio de pequenas mensagens( geralmente 160 carcteres) a aparelhos que suportam mensagens SMS.
Serviço integrado à tecnologia GSM, mas também suportado em outras tecnologias.
Tecnologias sem fio óticas
Sistema ótico Qualquer sistema que utilize a luz modulada para transmitir informações pelo ar usando parte do espectro ótico.
Também conhecido como FSO(free space optics).
Usam o laser infravermelho de baixa potência e uma série de lentes e espelhos para direcionar diferentes comprimentos de onda para o receptor.
Tecnologias sem fio óticas
É uma tecnologia que exige campo de visão Tem sua performance afetada por neblina e em menor intensidade pela chuva.
Tecnologia full-duplex sem necessidade de licenciamento para uso do spectro.
Transmite a uma taxa entre 10 e 155 Mbps com uma distância máxima de 3.75 Km, em alguns sistemas a taxas de 1.25Gbps com uma distância máxima de 350 metros.
