N O T A S D E A U L A , R E V 4 . 0 – U E R J 2 0 2 1 – F L Á V I O A L E N C A R D O R Ê G O B A R R O S
Redes de Comunicações 2
Redes sem Fio e Mobilidade
Flávio Alencar do Rego Barros Universidade do Estado do Rio de Janeiro
E-mail: falencarrb@gmail.com
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Referência Principal:
“Computer Network: A Top-Down Approach Featuring the Internet” J. F. Kurose, K. W. Ross, 8a.ed., Pearson, 2020
Neste capítulo vamos fazer mostrar uma visão ampliada sobre a Camada 2, agora nos voltando ao setor de redes sem fio. Em razão da difusão atual das redes ubíquas (smartphones, tablets, notebooks e mais presentemente os dispositivos diversos IoT - cabeados ou não – ligados à Internet estão em todos os lugares) trazemos para aqui uma seção que normalmente é tratada em outras cadeiras – o Sistema Celular – que será aqui vista sucintamente.
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Para nossos propósitos não conta a tecnologia 1G criada entre as décadas de 1970 e 1980 porque era essencialmente para chamadas de voz e tecnologia analógica. As tecnologias digitais que vieram a seguir incorporaram velocidades e capacidades crescentes: 2G – velocidade até 144 Kbps, a partir do início dos anos 1990; 3G – velocidade até 42 Mbps; 4G – velocidade até 100 Mbps, a partir do meado dos anos 2000; 5G – promete velocidades de 1 Gbps ou mais a partir de 2020 (2021?) nos Jogos Olímpicos de Tóquio ou antes.
No momento a ideia é fazer do 5G um conjunto de redes que farão conectar coisas simples e diversas ao mesmo tempo elas serão operadas em tempo (quase) real, tais como sensores (controle de ambientes produtivos, por exemplo, frota de caminhões conectados podem reduzir custos com logística), carros com ou sem motorista (em maio de 2017 a Verizon realizou transmissão ao vivo em realidade virtual a prova 500 Milhas de Indianápolis), drones (por exemplo, para o agricultor espargir defensivos agrícolas), sistemas de inteligência artificial, etc. Com estes objetivos a indústria está debatendo hoje padrões para isto, aparentemente a chinesa Huawey sai na frente. O
hardware não é mais problema. Por exemplo, já desde 2015 se consegue transmitir
dados sem fio à taxa 65.000 vezes maior (1 Tbps) que a taxa média de download do 4G1!
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O resultado destas características do link sem fio é que torna a comunicação (mesmo ponto-a-ponto) muito mais difícil!
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O padrão default é o 802.11b lançado em 1999, mas ao longo do tempo evoluções e melhoramentos foram surgindo. Em 2013/2014 surgiu IEEE 802.11ac. Ele opera com taxas nominais maiores que utilizam velocidade até quase 1 Gbps, padronizando em 1300Mbps trabalhando na faixa de 5GHz, como ocorreu com o padrão 802.11n podendo propagar as ondas de modo uniforme para todas as direções. Os roteadores Wi-Fi reforçam o sinal para os locais onde há computadores conectados. Outra vantagem que o padrão AC ou AD traz é a possibilidade de conversar simultaneamente com diversos aparelhos conectados ao roteador sem qualquer interrupção. Por mais rápido que fosse o padrão N, ele só permitia que a conversa fosse feita com um dispositivo por vez. Com essa tecnologia, há uma potencial economia de energia nos dispositivos móveis.
Existem ainda padrões P e S dedicados, respectivamente, para redes veiculares e redes mesh, mas a análise a este nível de detalhe foge do escopo deste curso.
Camada Física original do 802.11 Apresenta-se em 3 possibilidades:
1) DSSS a 2,4 GHZ (ISM) com data rates de 1 Mbps (DBPSK com 1 bit por símbolo) e 2 Mbps (DQPSK com 2 bits por símbolo)
2) FHSS a 2,4 GHZ (ISM) com data rates de 1 Mbps 2 Mbps
3) Ir (Infrared, infravermelho) a 1 Mbps e 2 Mbps com comprimento de onda entre 850 e 950 nm.
Para redes de computadores a mais relevante é a primeira (DSSS), porém o que se apresentou de forma realmente popular foram suas variações que detalhamos a seguir.
IEEE 802.11a
Usa a faixa de 5 GHz usando OFDM composta de 52 sub portadoras ao invés de
Spread Spectrum, cada sub portadora utilizando modelos específicos de modulação e code rate como especificado:
Modulação BPSK BPSK QPSK QPSK 16-QAM 16-QAM 64-QAM 64-QAM Code rate 1/2 3/4 1/2 3/4 1/2 3/4 2/3 3/4 Mbps 6 9 12 18 24 36 48 54 IEEE 802.11b
Extensão do esquema DSSS original, porém alcançando maiores taxas que a original através da modulação CCK (Complementary Code Keying), mais complexa que não veremos.
A maneira comum de uso do IEEE802.11 está ilustrado no próximo slide. É a forma infraestruturada, com a Internet chegando muitas vezes via cabos até o ponto de presença (AP), este na maioria das vezes embutido em um roteador de última “milha”.
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O IEEE802.11 apresenta três áreas funcionais: entrega confiável, controle de acesso e segurança.
Via de regra, na Internet o TCP (camada 4) é quem confere confiabilidade à entrega de dados, porém, como o meio físico sem fio é muito ruidoso, e como a retransmissão TCP pode levar 1 ou mais segundos, vale a pena aqui tratar a questão da confiabilidade na entrega no nível do MAC. Quando uma estação recebe um quadro de outra estação, ela retorna um quadro ACK (reconhecimento). Se a fonte do quadro não recebe o respectivo ACK dentro de um período curto, ela retransmite o quadro. Assim, ocorre a sequência: RTS – CTS – quadro de acesso – ACK.
A camada MAC é responsável por diversas tarefas. A principal é o Controle de Acesso ao Meio, mas também suporta “roaming”, autenticação e conservação de energia.
Quanto ao Controle de Acesso, se o 802.11 está no modo centralizado (existe também o modo ad hoc, muito menos popular!) ele usa o protocolo DFWMAC (Distributed Foundation Wireless MAC), com a estrutura mostrada no slide 1-29, onde DCF é um protocolo do tipo CSMA simples, sem detecção de colisão. Ele inclui um conjunto de retardos IFS (Inter Frame Space) apropriados para cada tipo de tráfego (SIFS: Short IFS – retardo mais curto, usado para todas respostas de ação imediata ou prioritária como em quadros RTS, CTS e resposta de “poll”; PIFS: Point Coordination
Function IFS – retardo médio, usado quando o AP faz “polling” das estações; DIFS: Distributed Coordination Function IFS – o retardo mais longo, usado como retardo
mínimo para quadros assíncronos comuns disputando acesso). O PCF é um método de acesso alternativo implementado no topo de DCF e cuja característica principal é o
master (o AP) fazer o “polling” das estações sobre seu domínio fazendo uso de retardos
PIFS.
Para cada método de acesso tem-se um correspondente parâmetro que define a prioridade no acesso ao meio, como ilustrado no slide 1-31.
No método básico DFWMAC-DCF usando CSMA-CA, se o meio está ocupado, os nós têm que esperar DIFS seguido da fase de contenção, onde cada nó seleciona seu tempo de backoff aleatório a ser acrescentado no seu tempo de espera, ao final do que, caso o meio esteja desocupado, aí sim o nó pode acessar o meio imediatamente, como mostrado no slide 1-32.
Para ilustrar o mecanismo básico, o slide 1-33 mostra um exemplo de concorrência de transmissão entre 5 estações. No mesmo slide está também ilustrada a situação acidental que duas estações (4 e 5) tenham selecionado o mesmo tempo de
backoff original, o que resultará colisão (é claro que estações 4 e 5 terão que
O slide 1-34 a seguir ilustra a transação DCF completa em um cenário de concorrência, incorporando a resposta ACK do destinatário do quadro e resumindo o mecanismo DFWMAC-DCF. Observe que esta resposta ocorre em intervalos SIFS, ou seja, com prioridade.
O slide 1-35 a seguir resume o NAV que associa uma estratégia de tempo de espera para as estações em disputa que não ganham acesso ao meio e os slides 1-36 e 37 mostram as diversas partes envolvidas sem e com fragmentação. O slide 1-38 resume os mecanismos com prioridade para suporte a QoS. Observe que as exigências de QoS vão exigir da infraestrutura de rede resposta com muito mais presteza que aquela necessária quando em presença de aplicações convencionais, tais como correio eletrônico, navegação Web e download de arquivos.
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Vamos completar aqui um resumo da evolução das conexões ao meio sem fio. A t
tececnnoollooggiaia 22GG inicia nos anos 90 a transmissão de dados digitais com o aparecimento do SMS (Short Message Service, com transmissão de texto de até 160 caracteres) e os primeiros MMS (Multimedia Message Service, com texto enriquecido de recursos visuais simples). A teteccnnoolologgiaia 33GG abriu as portas da Internet para os telefones celulares com velocidades até 2 Mbps. A versão 3G+ oferece taxas maiores ainda. Nesta etapa da evolução também entra em cena as chamadas de vídeo e canais de TV pelo celular. Com t
tececnnoollooggiaia 44GG a evolução seguiu incorporando de forma definitiva o consumo de mídias pelo celular com qualidade da banda larga fixa. Neste contexto se agrega serviços de jogos e acesso à nuvem. A ttececnnoolologgiiaa do futuro, 5G5G, promete aplicações até então inviáveis para celular como transmissão de vídeo ao vivo em alta definição e realidade virtual. Desta forma vão se agregar canais de TV HD, vídeos em 4K, serviços de emergência, realidade virtual, carros conectados, Internet da coisas (IoT, vide slide 1-7), etc. Se as redes de telefonia anteriores tinham as pessoas como foco, com 5G as conexões serão além de mais velozes e estáveis também consolidarão a conexão de coisas (M2M, máquina a máquina). A GSM Association que atualmente se compões de centenas de operadoras e fabricantes de equipamentos prevê para 5G: velocidade de usuário de 1 Gbps, praticamente 100% de disponibilidade, percepção de 100% de cobertura, retardo de menos de 10 msegs, redução de consumo de energia e capacidade para 100 vezes mais dispositivos que hoje. Para que se tenha noção do avanço previsto, um carro a 100 Km/h ainda percorre 1,4 m até o comando de freio ser exercido com 4G e 2,8 cm com 5G!!
Como descrevemos na introdução e nas seções atual e do 802.11, já se encontra madura e implantada em parte do mundo a proposta 5G, que será um passo à frente das operadoras com vista a integrar na Internet mais que pessoas, dispositivos, ir além do serviço local com o serviço na “nuvem”. As próximas figuras ilustram e exemplificam isto2. Nem propriamente se implantou a tecnologia 5G, já começam as conversações e pesquisas para uma tecnologia 6G. Mas aí já é outra história ...
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IMS = “Its Mostly Speakes”. Refere-se à demanda por multimídia na rede. WAP = Wireless Application
Material de apoio: 802-11stallings.pdf
