Redes de Comunicações 1

N O T A S D E A U L A , R E V 7 . 0 – U E R J 2 0 2 0 – 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 1

Múltiplos Acessos ao Meio

 Flávio Alencar do Rego Barros Universidade do Estado do Rio de Janeiro

E-mail: [email protected]

Nas LANs (com ou sem fio) o meio é compartilhado entre todas as estações e a transmissão de um quadro (frame) requer uma política de acesso ao meio. Este é o papel essencial a ser cumprido pela camada 2, Data Link, ou Enlace. Esta técnica se destina a evitar colisões de pacotes e estabelecer critérios de eficiência, justiça e compartilhamento no acesso ao meio. É na eficiência destas técnicas que resultará mais ou menos banda para as estações que compartilham o meio, portanto, este é um capítulo chave no estudo de redes de computadores, e, atenção, é de responsabilidade quase exclusiva de engenheiros eletrônicos, computação e de telecomunicações.

Neste capítulo trataremos de tais técnicas, para meios guiados ou não.

Artigo de apoio: 4-SpreadSpetrum.pdf

Referência para CDMA: "CDMA System Engineering Handbook", J. S. Lee, L. E. Miller, in Artech House, 1998.

Vimos que redes envolvem comunicação ponto a ponto e também comunicação multiponto. Quando estamos em presença de núcleo de redes, é comum a comunicação entre roteadores ser do tipo ponto a ponto, porém, quando se trata de LANs de comunicação com fio ou sem fio, o esquema mais comum é multiponto. Uma estação que compartilhe o meio com várias outras precisará lidar com algumas questões típicas, a principal delas é a possibilidade de dois ou mais estações transmitirem ao mesmo tempo, para o meio compartilhado, o que pode ocasionar colisões, e, consequentemente, a necessidade de voltar a transmitir o mesmo pacote. É claro que as colisões vão afetar negativamente a transmissão efetiva. Por conta disto, se apresentam várias alternativas para lidar com o problema.

Em termos práticos, pode se pensar em 4 esquemas básicos (SDMA, FDMA,

TDMA e CDMA) de múltiplos acessos, outros mais que existem é de uma forma ou de

outra derivada destes. Com a crescente demanda por redes móveis sem fio, volta à cena (foi inventado ao tempo da 2ª Guerra Mundial!) uma família de soluções para múltiplos acessos representadas pelo esquema conhecido como Spread Spectrum, que deve ser analisado à parte, neste mesmo capítulo.

Para avaliar a qualidade de esquemas acesso a um meio compartilhado, é comum levar em consideração as duas “regras de ouro” identificadas no slide 4-3, onde são contemplados os critérios de uso máximo da disponibilidade (regra 1) e de justiça (regra 2). Outros critérios, mesmo que não sejam mandatórios, são também desejáveis: descentralização, simplicidade e baixo custo de implementação.

Existem muitas formas de classificar os métodos de acessos, algumas mostradas no slide 4-4. Veremos especificamente neste capítulo:

1. Protocolos de particionamento de canal: São os esquemas básicos (ou fixados) designando frequências, slots de tempo, códigos ou espaço (FDMA, TDMA, CDMA e SDMA, respectivamente).

2. Protocolos de acesso aleatório: ALOHA e derivados, CSMA (Carrier Sense Multiple Access) e derivados e CAN (Controller Area Network).

3. Protocolos “taking turns”: polling e passagem de ficha (token).

4. Protocolos com reservas: R-ALOHA, PRMA (Packet Reservation Multiple Access),

R-TDMA, MACA (Multiple Access with Collision Avoidance), DSMA (Digital

Sense Multiple Access), Spread ALOHA.

Observe que alguns são apropriados para meios guiados (com fio), outros para meios não guiados (sem fio)

Para o particionamento do canal pode se pensar em explorar critérios baseando-se em uma dentre 3 direções ortogonais (tempo, freqüência e código) mais uma quarta, o espaço, para o caso específico de redes sem fio. São estes os chamados esquemas básicos. Na prática as tecnologias atuais tiram proveito de combinações destas modalidades básicas.

No caso de sistemas FDM sem fio, é usado acesso simultâneo da estação base à estação móvel e vice-versa, estabelecendo um canal duplex (FDD – Frequency Division Duplex). No exemplo ilustrado no slide 4-7, temos a rede de telefonia móvel baseada no padrão GSM para 900 MHz. Registre-se que para o método de acesso baseado em divisão de frequências se torna necessário manter entre duas faixas de frequências um “espaço de guarda” (não está indicado no slide 4-7!), porque em transmissões sem fio surge um problema, ISI – Inter-Symbol Interference, que ocorre porque o sinal pode chegar ao destinatário por múltiplos caminhos (devido a: reflexão, espalhamento, difração), e estes múltiplos caminhos, com diferentes retardos, podem resultar na superposição de dados vizinhos indevidamente (vide Cap.3).

TDMA é o esquema mais popular para MAC das redes com fio (Ethernet, Token Ring, ATM, etc). A sincronização entre emissor e receptor pode ser alcançada

alocando-se um fixado slot de tempo para um canal ou usando um esquema de alocação dinâmica, por exemplo, com a identificação do emissor. A solução TDM fixado é típica para telefonia sem fio. Padrões de acesso fixado garantem um retardo fixado (por

exemplo, 10 ms para DECT) e são usados em sistemas como IS-54, IS-136, GSM,

DECT, etc. Registre-se que padrões de acesso fixado, de um lado, são apropriados para

data rate constante, de outro, são ineficientes para tráfego em rajadas ou conexões assimétricas (aonde vimos estas coisas?).

Outros esquemas de TDMA dinâmico serão vistos oportunamente, conforme nossa classificação de múltiplos acessos.

Neste ponto já cabe colocar esquemas híbridos de acesso ao meio, como o WDMA.

WDMA é usado em LANs totalmente óticas. Para permitir várias transmissões

simultâneas, o espectro de frequências é dividido em canais (bandas de comprimento de onda) e atribuído dois canais a cada estação, um estreito para controle, outro largo para dados.

Duas fibras (uma saída, uma entrada) para cada estação são fundidas em um único cilindro. Cada canal é dividido em m time slots de controle e n time slots de dados (mais um slot para status), ambos sincronizados por um clock global. Cada estação

escuta seu próprio canal de controle para pedidos que chegam, mas tem que sintonizar o comprimento de onda do transmissor para obter os dados.

Para perceber como funciona este algoritmo de acesso ao meio, considere no slide 4-10 que a estação A sintoniza seu receptor para B e espera pelo slot de status (no slide os slots 0, 4 e 5 estão livres). A pega um destes slots livres (4, digamos) e insere uma mensagem de pedido de conexão. Como B monitora seu canal de controle, ele “vê” o pedido e designa slot 4 para A. Quando este “vê” slot 4 “setado” ele “sabe” que uma conexão unidirecional está estabelecida.

Observe que o CDMA mantém a propriedade 1 (disponibilidade) e comporta-se melhor ainda do que preconiza a propriedade 2 (justiça). CDMA permite “soft handover”, enquanto TDMA e FDMA apresentam um limite superior para isto. Em compensação, além da complexidade, mantém overhead na codificação/decodificação.

Detalharemos a técnica CDMA ao estudarmos ao final deste capítulo a seção Spread Spectrum, onde o sinal original é espalhado de tal forma que apenas receptores credenciados serão capazes de recuperá-lo. Por ora, basta pontuar que esta técnica de acesso ao meio representa o caminho para comunicações em banda larga (conhecida por

3G, 4G e 5G), FDMA e TDMA representam comunicações em banda estreita (1G e 2G, respectivamente).

SDMA é outro esquema usado em redes sem fio, onde se aloca uma estação base

ótima para o usuário móvel. Ele nunca é usado isoladamente, mas em combinação com

FDM, TDM ou CDM, e a base do algoritmo é a organização por células e antenas

setorizadas.

Por ora, façamos uma breve comparação entre os quatro esquemas básicos de acesso ao meio, a seguir nós vamos detalhar mais, incorporando a ótica de eficiência do canal para o acesso ao meio para os esquemas mais importantes.

Para redes fixas, as soluções escolhidas foram proprietárias, a maioria do tipo

TDMA (Ethernet, Token Ring, ATM, etc). Como nenhum destes esquemas combina

todos os benefícios, o IEEE802.11 (WLANs) usa polling para configurar uma estrutura de tempo pela estação base, CSMA para acessar o meio em período não coordenado e

MACA é uma alternativa para evitar terminais escondidos, caso não exista estação base.

Todos estes esquemas serão analisados brevemente.

MÚLTIPLOS ACESSOS E EFICIÊNCIA SE CANAL

Em geral WiFi e tecnologias 3G (ou 4G e 5G como prometido) se tornaram tecnologias de redes sem fio dominantes, com os equipamentos sem fio em trânsito selecionando automaticamente a tecnologia de acesso sem fio que provê melhor serviço na sua localização atual. Vejamos alguns destes aspectos.

Grosso modo, de um ponto de vista prático, podemos classificar assim os métodos de acesso ao meio:

Os esquemas de acesso ao meio que são baseados em reserva refletem sistemas analógicos (FDMA) ou digitais (TDMA e CDMA). No mundo da comunicação sem fio, simplificadamente, FDMA representa a primeira geração, 1G, TDMA representa a

Sistemas Banda Estreita:

Nos sistemas de banda estreita, a banda completa do sistema é dividida entre os diversos usuários que compartilharão o meio.

FDMA

Vantagens:

 Pode aumentar a capacidade (entendida como o número de usuários atendidos

no subsistema) reduzindo o bit-rate e usando um esquema de codificação digital eficiente;

 Avanços tecnológicos requeridos são simples;

 Simplicidade do hardware. Vários usuários são isolados com o uso de simples

Desvantagens:

 Sistema projetado para geração 1G (analógico, por exemplo, AMPS). Melhoria

da capacidade depende da redução sinal-ruído, mas sistemas digitais de banda estreita dão poucas vantagens neste aspecto, de modo que pouca melhoria na capacidade pode ser esperada;

 Bit rate máximo por canal é fixo e pequeno, inibindo aplicações, por exemplo,

que usem transferência de arquivos por computador;

 Uso ineficiente do espectro. Se um canal não está em uso, ele não pode ser usado para melhorar a capacidade do sistema;

 Precisa “frequências de guarda”. Caso se force a diminuição delas, pode

acontecer “linha cruzada”.

TDMA

Vantagens:

 Permite bit-rate flexível, o que permite subdividir canal para tráfego broadcast

de baixo bit-rate;

 Existe a possibilidade de monitorar quadro por quadro a força do sinal e taxas de

bit-rate. Assim, para sistema celular, ajuda estação móvel ou estação base a iniciar e executar handoffs;

 Utiliza a banda mais eficientemente, pois não requer “frequência de guarda”;

 Transmite com suficiente “tempo de guarda” entre slots, de modo que não existe

a possibilidade de “linha cruzada”.

Desvantagens:

 Para estações móveis e hand-sets, demanda no uplink alto nível de potência para

transmitir, o que diminui a vida da bateria;

 Requer grande quantidade de processamento de sinal para filtragem,

sincronização e correlação de detecção com um time-slot;

 Requer sincronização. Se slot de sincronização é perdido, canais podem colidir;

 Tempo de propagação do sinal da estação móvel para estação base varia com a

Sistemas Banda Larga:

Nos sistemas de banda larga para comunicação sem fio, a banda completa do sistema se torna disponível para cada usuário. A sua implementação segue a técnica de espalhamento de espectro (Spread Spectrum). A técnica que brevemente vamos analisar,

DS-CDMA, deve (ou pode) ser comparada com os sistemas de banda estreita em termos

de eficiência de banda e de eficiência de reuso de frequências.

EFICIÊNCIA ESPECTRAL

O uso eficiente do espectro é o que se quer em sistemas de comunicações, particularmente para comunicações móveis sem fio. No slide 4-16 estão listadas algumas providências que se usam para alcançar esta eficiência. De forma geral, a eficiência espectral total de um sistema de comunicação móvel pode ser estimada pelo conhecimento das eficiências espectrais da sua modulação e do seu método de acesso ao meio, calculados separadamente. O resultado global é produto dos dois.

Nesta seção nos dedicaremos a analisar a eficiência espectral proveniente da técnica de acesso ao meio. De modo geral, a eficiência espectral com respeito ao acesso ao meio é a relação entre o tempo (ou frequência) de tráfego e o tempo total (ou frequência total) disponível no canal. Observe que nem sempre a comparação da eficiência espectral oferece um sólido critério de avaliação, como veremos via exemplo com CDMA.

Grosso modo, as tecnologias 2G oferecem conexões por voz à rede telefônica, o padrão GSM, por exemplo, com sua versão para dados, GPRS, apresenta uma funcionalidade complementar à infraestrutura de voz. Isto foi chamado tecnologia 2,5G, que teve melhoramentos como o padrão EDGE, consequentemente aumentando a taxa de dados.

Um salto relativo à realidade das melhorias do 2,5G foi alcançado com as tecnologias 3G que permitem às operadoras da rede oferecer a seus usuários uma ampla gama dos mais avançados serviços, já que possuem uma capacidade de rede maior por causa de uma melhora na eficiência espectral. Entre os serviços, há a telefonia por voz e a transmissão de dados a longas distâncias, tudo em um ambiente móvel. Normalmente, são fornecidos serviços com taxas de 5 a 10 megabits por segundo. Melhorias no 3G levaram ao que se chamou 3,5G via padrão HSPA com taxas maiores ainda de até 14 megabits por segundo. Observe que, olhando de forma genérica, esta evolução de um lado não alcança a taxa de dados das LANs sem fio WiFi (54 mega bits por segundo), porém aproveita a capacidade de se colocar em todo lugar (ubiquidade) que o sistema de telefonia celular oferece por sua natureza, enquanto o WiFi depende de hotspots.

A tecnologia de 4ª. Geração de telefonia celular, 4G, está baseada totalmente em IP sendo um sistema de sistemas e uma rede de redes, alcançando a convergência entre as redes de cabo e sem fio assim como computadores, dispositivos eletrônicos e tecnologias da informação para prover velocidades de acesso entre 100 Mbps em movimento e 5 Gbps em repouso, mantendo uma qualidade de serviço (QoS) de ponta a ponta (ponto-a-ponto) de alta segurança para permitir oferecer serviços de qualquer tipo, a qualquer momento e em qualquer lugar. A partir de 2017 se promete a tecnologia 5G no mundo, 2021 no Brasil em um processo gradual. Se com 4G se alcançou a plena

conectividade voltada para as pessoas, com 5G se promete esta mesma conectividade voltada para as “coisas”, ou seja, dispositivos plenamente conectados tornando realidade coisas como (casa, carro, dispositivos em geral) inteligentes.

Voltaremos a este assunto com mais detalhes no capítulo de redes sem fio.

Exemplo 1 (solução possivelmente em de aula): No sistema AMPS existem 395 canais de 30 KHz cada, em uma banda de 12.5 MHz. Qual a eficiência espectral do acesso ao meio?

Exemplo 2 (solução possivelmente em aula): Sistema celular de banda estreita nos EUA tem banda de 12.5 MHz. A banda do canal é de 30 KHz e o número de canais de voz é de 395. A duração do quadro é de 40 ms, com 6 time-slots por quadro. O sistema tem data-rate de usuário de 16.2 Kbps, dos quais a voz com proteção de erro tem 13 Kbps. Qual é a eficiência espectral do acesso ao meio?

Exemplo 3 (solução possivelmente em aula): Um sistema DS-CDMA típico apresenta banda de 12.5 MHz para bit-rate da informação de 16.2 Kbps e um número de usuários de 125. Qual é a eficiência espectral do acesso ao meio? Considerando os casos dos exemplos 2 e 3, compare os sistemas CDMA e TDMA.

É difícil comparar eficiência espectral do acesso ao meio para sistemas de naturezas diversas (banda estreita x banda larga), mas se pode comparar em termos de

capacidade. No sistema do exemplo 2 se poderia calcular NTDMA aproximadamente 73

Em todos os casos que analisaremos nesta seção suponha que se dispõe de (R) bps, mas haverá necessidade de tratamento de colisão.

O algoritmo ALOHA envolve:

1. Transmite o quadro;

2. Aguarda o reconhecimento da recepção durante T; se recebido, fim; 3. Gera um número aleatório (r) entre 0 e X

4. Vá para 1. Após r unidades de tempo.

O ALOHA clássico é um exemplo de TDM, mas sem controle de acesso e sem coordenação (decisão independente de transmissão). Nas nossas regras, ALOHA atende a propriedade 1, mas não a propriedade 2.

Se p é a probabilidade de transmitir um quadro, então para a transmissão ter sucesso nenhum outro nó (N – 1 nodos) pode transmitir no intervalo [t0 – 1; t0], nem transmitir (N – 1 nodos) no intervalo [t0; t0 + 1]. Nestes termos:

p [SUCESSO] = p (1 – p)2(N – 1) , o que significa que a eficiência máxima se dá com

Perceba no slide 4-23 que fica definido:

S = throughput por tempo de quadro;

G = carga oferecida ao canal, ou seja, número médio de tentativas por tempo de

quadro.

Portanto, se chamarmos Po a probabilidade de transmissão com sucesso (sem

colisões, ou zero colisões) de pacotes através do canal, ela será a relação entre o througput e a carga oferecida (slide 4-24).

No slide 4-25 se achou a probabilidade de não ocorrerem colisões no ALOHA puro (zero quadros colidindo):

 CQD e e e e T N T P N T n T G T N o G 2 2 2 ) 2 ( 0 ´ ´ ´ ´ ! 0 ) 2 ( ] 2 [                

O tempo de quadro representa o período de tempo necessário para transmitir o quadro de comprimento fixo [ (P bits)/(B bps) ]. Sejam os concorrentes gerando novos quadros com média S segundo uma distribuição de Poisson. Dizendo de outra maneira,

S representa o throughput por tempo de quadro.

Seja G o número médio de tentativas de transmissão por tempo de quadro. Dizendo-se de outra maneira, G é a carga oferecida à rede.

Pode-se afirmar que:

S =Gp0 , ou seja, o throughput é a carga oferecida vezes a probabilidade de não sofrer

Observe que, no caso do ALOHA puro, a vulnerabilidade ocorre durante a duração de 2 quadros, intervalo de tempo em que o número médio de quadros gerados é 2G.

Observe do gráfico do slide 4-28 a seguir que:

- Para cargas baixas de pacotes acontecem poucas colisões (significa que po 1);

- À medida que G aumenta e, portanto, S aproxima-se de 0.18, o número de colisões aumenta;

- Ao aumentarmos o número de colisões, aumenta o número de retransmissões e, por causa disto, aumenta a probabilidade de ocorrer uma colisão;

- Então, S decai exponencialmente e o sistema se torna instável para altos valores de G.

Um primeiro refinamento do ALOHA é o Slotted-ALOHA, onde todos emissores têm que estar sincronizados para transmitir em intervalos definidos de tempo (partições). Algoritmo:

1. Aguarda o sinal de início de partição dado pro uma estação mestre; 2. Transmite o quadro;

3. Aguarda o reconhecimento durante T unidades de tempo; se recebido fim; 4. Gera um número aleatório (r) entre 0 e X;

5. Vá para 1. após (r) unidades de tempo.

Suponha agora:

p = probabilidade que cada nó tenta transmitir um quadro em cada slot, então:

 1 _ _ _ ´ ) 1 ( ] _ 1 _ [    N TX não outros TX ele p p transmite so p _ , então: 1 ) 1 ( ] [sucesso eficiência Np  p N

p (N nodos conseguem transmitir)

este resultado significa que a eficiência máxima é de 1/e = 37% (acha-se o valor p* que maximiza a equação acima).

A desvantagem deste esquema é que a estação deve esperar o início da partição mesmo que o meio se encontre livre.

Raciocínio semelhante ao ALOHA puro pode ser feito para Slotted-ALOHA, apenas o período de vulnerabilidade é reduzido à metade. O resultado é que agora:

G e o

p   , portanto: SGeG

Todas estas conclusões podem ser acompanhadas no gráfico do slide 4-30. Observe lá também os respectivos valores de tentativas de uso do meio (G) que maximizam a eficiência.

E

Exxeemmpplloo44:: Prove que o número esperado de transmissões (E[k]) se o número médio de quadros gerados é G, é igual aeG .

Solução: Em sala de aula. Sugestão: Considere p[k] = transmissão com sucesso após (k-1) colisões.

E

Exxeemmpplloo5: (Tanenbaum, 3a. Ed. 4.4) Uma grande população de usuários ALOHA tenta 5

gerar 50 solicitações/seg, incluindo os originais e retransmissões. O tempo é dividido em unidades de 40 ms.

(a) Qual a probabilidade de sucesso na primeira tentativa?

(b) Qual a probabilidade de haver exatamente k colisões antes de se conseguir sucesso? Faça um quadro para k = 1, 5 e 50.

(c) Qual é o número esperado de tentativas de transmissão?

Resposta: (a) Com G = 2 a lei de Poisson dá uma probabilidade de e-2= 13,5%. (b) (1 - e-G)ke -G = 0.135 x 0.865

k

11,68% (k=1) 6,54% (k=5) 0.01% (k=50)

Do ponto de vista de esquemas de acesso ao meio guiado, o mais popular é o

CDMA-CD, usado na Ethernet. Trata-se de um esquema pertencente a uma “família” CSMA – Carrier Sense Multiple Access.

A ideia do CSMA é sentir o meio antes de transmitir (decisão dependente de transmissão). Apresenta-se nas diversas versões mostradas no slide 4-31, sendo o

CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access – Collision Detection) o mais popular,

sendo o padrão de múltiplos acessos da LANs Ethernet (padrão IEEE802.3), cujo mecanismo é resumido no slide 4-32.

CSMA/CD tem desempenho muito melhor que Slotted-ALOHA em ambiente de LAN. Como o CSMA/CD detecta colisões independentemente do reconhecimento feito

pelo receptor, ele suporta serviços de datagramas sem colisão. Se o retardo máximo de propagação entre estações é muito pequeno, a eficiência máxima do CSMA/CD se aproxima de 100%. O problema surge com os parâmetros de aleatoriedade que o tornam inconveniente para aplicações de tempo real.

O slide 4.33 poderia sugerir que CSMA-p persistente é sempre melhor que

CSMA-q persistente, com p < q. Porém, a única coisa que se pode concluir é que com CSMA-p persistente os quadros são enviados com maior probabilidade de chegarem

ao destino sem colisões.

E

Exxeemmpplloo66: (Tanenbaum, 3a. Ed. 4.5) A medição de um canal slotted ALOHA com um número infinito de usuários mostra 10% de slots ociosos.

(a) Qual é a carga do canal, G? (b) Qual é o throughput?

(c) O canal está sobrecarregado ou subutilizado?

R: (a) De Poisson:p0= e-G,entãoG=-lnp0

= ln 0.1 = 2.3.

-G

= 0.1, então S = 0,23.

(c) Sempre que G > 1 o canal está sobrecarregado, como é o caso!

CAN - CONTROLLER AREA NETWORK

Outro conceito de acesso aleatório ao meio usando uma estratégia que otimiza a eficiência de acesso ao canal é o CAN, sistema bus serial internacionalmente padronizado (ISO 11898 e ISO 11519/1) oferecendo funcionalidade da camada de enlace de dados do modelo de referência OSI/ISO projetado originalmente para controle de carros, estendido após para aplicações industriais como: sistemas médicos, instrumentação náutica, maquinaria de processamento de papel, sistemas de controle de elevador, produção têxtil, sistema de controle de linha de produção em geral.

No CAN, os controladores, sensores e atuadores se comunicam a velocidades até 1 Mbps sobre um barramento de dois fios – tipicamente par trançado, blindado ou não. As características básicas deste padrão são listadas nos slides 4-34 e 4-35.

CAN é um protocolo de acesso MAC orientado ao conteúdo da mensagem, e

não ao endereço, como é tradicional. É do tipo aleatório e a prioridade da mensagem é determinada pelo valor binário do identificador. O mecanismo de arbitração admite múltiplas emissões no bus com o mecanismo “wired-and”, onde o bit no estado dominante (‘0’ lógico) sobrescreve o bit no estado recessivo (“1” lógico), como no exemplo ilustrado no slide 4-37. Desta forma, o protocolo CAN também aproxima a eficiência máxima no acesso ao meio de 100%, mas agora sem os problemas de aleatoriedade do CSMA/CD e com controle de barramento feito de forma totalmente distribuída.

Observe que de início todos os nós candidatos a ganhar o barramento (ou seja, ser o emissor) podem lançar seu quadro no bus, os primeiros bits são de identificação. Tão logo um nó detecta no bus um bit dominante quando ele próprio enviou um bit recessivo, este nó conclui que deverá passar de emissor para receptor apenas (acompanhe a lógica deste esquema no slide 4-38). É o que acontece sequencialmente com os nós 1 e 3 no exemplo do slide 4-37. Automaticamente, ao final do período de arbitração bit-wise, apenas resta o nó 2 como emissor! Evidentemente, aos nós devem ser previamente atribuída sua identificação, dentro de um esquema de prioridade.

Existem quatro tipos de quadros que são resumidos a seguir, bem como o tratamento de erros:

OBS: Para um maior aprofundamento em CAN sugere-se examinar a monografia de final de curso de 2003.2 dos alunos da UERJ/DETEL Renata Barros e Celso Farah: “CAN para Aplicações Automotivas”.

OUTROS MÉTODOS DE ACESSO ALEATÓRIO

A comunicação em CDMA com n dispositivos requer programação do receptor para decodificar n diferentes códigos (aguarde, veremos isto detalhadamente!). Isto é factível para serviços orientados à conexão (como em telefonia móvel), mas é complicado para serviços sem conexão e tráfego em rajadas.

Spread-ALOHA combina a dispersão do CDMA com o acesso ao meio do

ALOHA, ou seja, usa CDMA com único código, isto é, sem colisões. No exemplo

mostrado no slide 4-46 o código é 1 1 0 1 0 1. Ainda no mesmo slide o padrão ALOHA é mostrado acima. Mais abaixo, sinais mais curtos e de maior potência, e, por último, os sinais são dispersos com a fase de chipping (aguarde na seção final deste capítulo – Spread Spectrum – o significado exato disto) diferindo ligeiramente. Se um receptor é sincronizado a A e outro receptor a B, pode-se ter a separação dos sinais.

Vejamos agora alguns protocolos de reserva de banda, mas ainda em ambiente aleatório. Como eles são muito comuns em redes sem fio, vamos, preliminarmente, discutir algumas peculiaridades de redes sem fio.

Os esquemas MAC tradicionais das redes fixas com fio falham para redes sem fio e a razão é que existem colisões no receptor devido ao problema do terminal

escondido, ou o desperdício de tempo devido ao problema do terminal exposto, ambos

ilustrados nos slides 4-47 e 4-48.

Os protocolos com reservas assumem o tradeoff baixa carga x throughput, e vários dos que veremos se destinarão a resolver aqueles problemas.

Todos os esquemas centrados em estações base e escondem o problema do terminal escondido. MACA é um esquema que resolve o problema do terminal escondido, mas não necessita de uma estação base. Pode ser classificado como um esquema de acesso aleatório do tipo ALOHA, mas com reserva dinâmica. No slide 4-50 é ilustrada a forma com que MACA soluciona o problema do terminal escondido, enquanto no slide 4-51 é mostrada a forma de solucionar o problema do terminal exposto.

Obs:

RTS – Request To Send (pedido) CTS – Clear To Send (resposta)

Vejamos a seguir outros esquemas de acesso aleatório com esquemas de reserva. São chamados DAMA – Demand Assign Multiple Access.

Na próxima seção trataremos dos esquemas de acesso ao meio baseados somente em reserva, sem qualquer aleatoriedade.

Mecanismos com reserva em ambiente aleatório, via de regra, incrementam aqueles tipos de acessos aleatórios ao meio já descritos, atuando tipicamente em combinação com algum padrão (fixado) TDM. Muitos deles apresentam um período de reserva seguido de um período de transmissão. Em geral, eles causam um tradeoff fundamental retardo mais alto em baixa carga, mas tornam o throughput mais alto.

O R-ALOHA (ALOHA com reserva) é típico para sistemas de satélites. Na fase da contenção todas as estações tentam reservar slots futuros, sendo possíveis colisões, é claro. Registre-se que as estações têm que ser sincronizadas de tempos em tempos.

R-ALOHA pode aumentar a eficiência para até 80% (confronte com R-ALOHA e

PRMA é um esquema de reserva implícita. O mecanismo, ilustrado no slide

4-53, constitui uma combinação de TDM fixo e o TDM aleatório, este último caracterizado pela concorrência do tipo ALOHA, quando um slot é declarado vazio pela estação base. No entanto, quando uma estação móvel consegue uma reserva, todos os futuros slots associados são reservados implicitamente para tal estação.

No exemplo mostrado no slide 4-53, no quadro 2 o time-slot 3 é de D, mas ele não o usou, enquanto o time-slot 8 está apto para livre concorrência, mas não houve disputa. No quadro 3 o time-slot 3 está livre para concorrência para disputa entre nodos que não sejam D.

R-TDMA (TDMA com reservas) é um padrão mais fixo ainda, porém admite-se

algum acesso aleatório. N mini-slots seguido por N – K slots de dados formam um quadro. Cada estação tem seu mini-slot que pode reservar até K slots de dados, como mostrado o slide 4-54. Este esquema dá certa garantia de banda e de retardo. Os slots livres podem ser disputados no esquema robin-round ou ALOHA. Resulta disto que o seu potencial de uso se estende desde tráfego isócrono com bit rates fixados, até tráfego “melhor esforço” sem quaisquer garantias.

No exemplo do slide 4-54 estão previstas 6 estações, com cada estação podendo reservar até 2 slots. O quadro resultante mostra que a estação 3 nada reservou, as estações 1 e 4 reservaram 1 slot, e as estações 2, 5 e 6 reservaram 2 slots. Os slots livres (são 4 na figura) podem, por exemplo, ser aproveitadas para tráfego “melhor esforço” (BE).

Muitos destes últimos esquemas de acesso ao meio, como já mencionamos, se destinam a redes sem fio. Alguns deles devem ainda incluir outros serviços:

1. Fragmentação de mensagens, melhorando o desempenho em redes de alta interferência;

2. Roaming, permitindo associar estações a diferentes estações base;

3. Gerenciamento de potência, permitindo estações baixar o nível de consumo em caso de inatividade no meio;

4. Privacidade, criptografando os quadros.

Neste ponto é importante registrar que vários destes esquemas de acesso ao meio impactarão as redes sem fio que será um capítulo à parte em Redes 2.

Em algumas redes é desejável se livrar completamente de colisão de pacotes, vale dizer, se busca impor algum ordenamento no acesso da estação ao meio, seja por reserva de banda, polling ou ficha (token). Pense, por exemplo, qualquer sistema de tempo real se o quadro chegar atrasado (por causa de possíveis colisões) equivale a não chegar ou chegar errado. Imagine que para a maioria das aplicações da Internet este pode ser um problema irrelevante (correio eletrônico, navegação Web, download de arquivos), mas o a situação muda completamente se tratarmos de coisas como controle de processo (relembre Cap.3, STR), cosmonáutica, etc., ou até mesmo aplicações multimídia tempo real na Internet.

No Polling um nó master faz a varredura dos slaves, liberando-os para transmissão. O master pode também estabelecer uma lista de estações desejando transmissão durante a fase de contenção, após o que, o master varre cada estação da lista liberando-a de acordo. Este é o caso do Bluetooth e uma das possíveis funções de acesso nos sistemas IEEE802.11. Quanto ao atendimento das propriedades 1 e 2, se um nó se encontra sozinho, ele dispõe de toda banda, se existem N nodos, cada um obtém (R/N) bps (justiça).

O sistema de passagem de fichas, projetado para redes de topologia em anel (mas podem ser usadas em redes com bus, como veremos), livra o sistema do problema da colisão (só a estação detentora da ficha – token – pode transmitir), ao preço de maior ineficiência quando em baixo tráfego (por quê?), e as técnicas derivadas serão analisadas no capítulo 6 - redes locais com fio. A estação que detém o token pode transmitir seus dados, e o fazendo, o quadro circula no anel até a estação destino. Recebido corretamente o quadro, a estação receptora ativa no próprio quadro um bit de reconhecimento e o quadro circula no anel até ser retirado pela estação originadora, ocasião em que ela descobre se foi tudo bem ou houve algum problema. Um anel pode

ter uma estação mestre, responsável por gerenciar e manter a integridade do token, reiniciar o anel em caso de falhas ou remover quadros corrompidos, mas os esquemas mais práticos permitem responsabilidade distribuída na manutenção e integridade do token. Os padrões principais deste tipo são o Token Ring (da IBM) e o Token Bus (de montadoras de automóveis).

Espectro espalhado (“Spread Spectrum") sacrifica banda em prol de melhor desempenho sinal-ruído, distorções de caminhos múltiplos e facilidade de “esconder” o sinal.

Também como compensação ao sacrifício de banda, vários usuários podem independentemente compartilhar a mesma banda com muito pouca interferência. Desta maneira, esta técnica é um dos pilares das redes sem fio e celulares de últimas gerações. Um estímulo adicional à produção e uso de produtos de redes sem fio advém da manutenção de bandas não licenciadas assumidas por vários países. Tratemos agora brevemente desta questão.

Em 1985 o FCC modificou a regulamentação que governa o espectro de rádio, autorizando redes sem fio operar nas bandas ISM usando modulação por espalhamento de espectro sem que se precise obter licença. É necessário ser atendido o requisito: -operação abaixo de 1 watt de potência do transmissor

Esta desregulamentação elimina a necessidade da organização usuária produzir um plano de frequências (e a burocracia e tempo perdido associado) para coordenar instalações de rádio que evitaria interferência com os sistemas de rádio já existentes. À vantagem óbvia em custos deve ser acrescentada a vantagem de liberar movimento livre dos equipamentos, sem que seja necessário o novo licenciamento correspondente.

Voltemos ao Spread Spectrum.

Com o espalhamento de frequências, a energia necessária para transmitir o sinal é muito menor. Podendo mesmo ser tão baixa quanto o nível de ruído. Isto torna difícil distinguir o sinal do ruído.

Considerando um único canal:

Ruído térmico é independente da freqüência (interferência de banda larga). Outras estações transmissoras e outros equipamentos podem também interferir na transmissão do sinal (interferência de banda estreita). Portanto, um perfil realista de transmissão é como aquele indicado no slide 4-63 em iii).

Na recepção, o ruído de banda estreita é espalhado e o sinal original é “de-espalhado” (o receptor “sabe” como reagrupar o sinal original, pois conhece, como também o transmissor, o algoritmo PN – Pseudo-Noise e a “semente”). A seguir, filtros passa-baixa recuperam o sinal original, como em v). Esta sequência está ilustrada no slide 4-63.

Na parte superior do slide 4-64 estamos considerando vários canais (FDM), cada um com sua própria banda estreita e separado dos canais vizinhos por espaços de guarda. A Qualidade do Canal (o fading, com os tipos: rápido, lento, plano, seletivo, Rayleigh, Rician, mas não trataremos disto aqui) é uma medida de interferência nas respectivas frequências. Registre-se que esta Qualidade de Canal também varia com o tempo.

A técnica frequency hopping (FHSS) é a sua versão analógica, reduz a

interferência porque um sinal de interferência em banda estreita só afetará o sinal de espectro espalhado se ambos estão transmitindo na mesma freqüência ao mesmo tempo. Desta forma, a interferência agregada será muito baixa, o resultado é que pouco ou nenhum bit error acontecerá.

A técnica direct sequence (DSSS) é a sua versão digital e combina um sinal de

dados na estação emissora com uma sequência de bits de data rate mais alto (chipping code), aumentando a resistência do sinal original a interferências. FCC regula o data

rate do chipping code para ganho de processo entre 10 e 20. IEEE802.11 - WiFi, por exemplo, estabelece um ganho mínimo de processo de 11.

Na técnica FHSS, mostrada no slide 4-65, o código de hopping determina as frequências e sua ordem em que será transmitida. O receptor deverá conhecer o mesmo código de hopping. A regulação FCC exige que fabricantes usem 75 ou mais frequências por canal de transmissão com dwell time (tempo de bit ou de permanência no hop) máximo de 400 ms (ou seja, aproximadamente 190 hops/seg). Se o rádio encontrar interferência em uma freqüência, então haverá a retransmissão do sinal no hop subsequente em outra freqüência. Pode se alcançar até 2 Mbps de data rate.

Olhando-se do ponto de vista de múltiplos usuários, eles poderão atuar na mesma banda de freqüência e não interferir mutuamente, desde que cada um use um diferente padrão de hopping (códigos de hopping ortogonais). Esta ideia também prevalece no caso de se usar a técnica DSSS. Detalharemos o assunto quando analisarmos detidamente o CDMA.

FHSS é modulação FSK, apenas usando um número muito maior de

frequências. Um sistema real poderá usar milhares de frequências discretas escolhidas “aleatoriamente”.

Por exemplo, m bits do gerador de PN podem ser usados para especificar2m-1

conversões possíveis de frequências.

O gerador de sequências PN é gerado por um algoritmo e utiliza uma “semente”. Um receptor que não conheça o algoritmo e a “semente”, não conseguirá predizer a sequência. A sequência PN não é estatisticamente aleatória, mas passa em alguns testes de aleatoriedade: distribuição uniforme, independência e propriedade de correlação (correlação cruzada entre sequência PN e ruído ou entre sequência PN e outra sequência

PN é baixa). De novo, tanto FHSS quanto DSSS usam as ideias de algoritmo comum e

A banda total é dividida em muitos canais de pequena banda e ambos, transmissor e receptor permanecem em um destes canais durante certo tempo (dwell time).

Slow Hopping é mais simples, mas Fast Hopping é mais eficaz quanto ao sigilo pela mais alta rapidez de salto (hops) por unidade de tempo. Observe as características de ambos no slide 4-67.

No slide a seguir damos exemplos de sistemas que usam um e outro método. Naturalmente os sistemas mais modernos vão tirar proveito maior do método Fast Hopping.

Alternativa Digital do Spread Spectrum:

A alternativa “digital” ao FHSS é o DSSS. Fundamentalmente a ideia é a mesma: algoritmo e “semente” compartilhados apenas pelo emissor e pelo receptor. No entanto, aqui a geração do PN aleatório selecionará para cada bit a ser transmitido uma sequência única de string digital chamada chip sequence, que, insistimos, só é conhecida pelo emissor e pelo receptor credenciado. Portanto, o que vai para o meio não é a informação binária original, mas sua representação em chip sequence. Em um meio compartilhado por várias estações credenciadas, os chip sequence gerados a cada momento deverão ter a propriedade da ortogonalidade para a transmissão resultar corretamente. Um exemplo de transmissão DSSS e sua respectiva recepção está ilustrado no slide 4-69. No slide 4-70 são mostrados exemplos de simultâneas transmissões em meio compartilhado.

Com o conceito de chip sequence podemos aprofundar o que o CDMA. Grosso modo, CDMA é o DSSS (muitas vezes é chamado DS-CDMA) e admite transmissões intercaladas, mas evita interferências. Seu princípio é:

“Associa uma CHIP SEQUENCE a uma estação, que é um código de m-bits. O cuidado a ser tomado é que toda sequência de chips seja ortogonal par a par”.

Para analisar o CDMA se deve transformar o chip sequence binário em chip sequence bipolar com as seguintes características:

- Reescreve “0” como (-1); - Reescreve “1” como (+1)

- O momento de transmissão é quando um time-slot começa  os possíveis chip

sequences são somados na transmissão. No exemplo do slide 4-70 (c) o símbolo “-” significa que a estação nada transmitiu.

- Para todo par de chips sequence S e T vale a ortogonalidade S.T = 0. Valem as propriedades:

a) produto interno de um chip sequence com ele mesmo resulta +1 (S.S = 1); b) produto interno de um chip sequence com seu complemento resulta –1.

- Numa transmissão completa, para obter um valor original significa fazer no receptor o produto interno do chip sequence do emissor com o sinal recebido. - Aumentar a quantidade de informação de b bps para mb chips/s só pode ser

realizado se aumentar a banda disponível por um fator de m.

Exemplo 7:

Se forem transmitidos: A = C = 1; B = 0, se o receptor tem o chip sequence de C, demonstre a recepção acontecida.

Exemplo 8:

Dispõe-se de uma banda de 1 MHz para 100 estações. Considere a equivalência 1 bit –

1 Hz. Analise as circunstâncias que valem (ou não) a pena usar: TDMA e CDMA.

Solução: Possivelmente sala de aula. Respostas: TDMA: 10 Kbps; CDMA: 10 Kbps (100 bits); 100 Kbps (10 bits).

Exemplo 9:

Sejam as CHIP SEQUENCE para as quatro estações concorrentes:

A - 0 0 0 1 1 0 1 1 B - 0 0 1 0 1 1 1 0 C - 0 1 0 1 1 1 0 0 D - 0 1 0 0 0 0 1 0

Sejam os seis conjuntos de transmissões onde “-“ significa nada transmitido:

A B C D - - 1 - - 1 1 - 1 0 - - 1 0 1 - 1 1 1 1 1 1 0 1

a) Determine o que é recebido em cada transmissão (sem filtragem)

b) Mostre para cada caso o que é recebido da estação C.

Solução: Possivelmente em sala de aula e slide 4-70.

Vamos fazer uma breve comparação entre os dois métodos de realizar o espalhamento de espectro.

A escolha por FHSS levará em conta: 1) Redução de custos

2) Data rate menor é tolerado

3) Fuga do problema “near-far” (abafamento): na média, o sinal é espalhado por largo espectro, porém, INSTANTANEAMENTE, pouca banda é ocupada, evitando por isto interferências.

Algumas observações sobre CDMA e DSSS: Deve-se considerar as limitações desta técnica:

a) Conseguir sincronizar os chip sequence;

b) Equalizar potência de transmissão (Heurística: cada estação móvel transmite para estação base no nível inverso da potência recebida).

c) Quanto maior o chip sequence, maior a probabilidade de detectá-lo em presença de ruído (são comuns hoje 128 e 64 bits).

Do ponto de vista das redes sem fio práticas, como uma evolução daquelas redes 2,5G que já mencionamos, a arquitetura UMTS (Universal Mobile Telecommunications Service) apropria-se da arquitetura de rede GSM já estabelecida, mas acrescenta a técnica CDMA (DS-WCDMA, Direct Sequence WideBand CDMA) dentro de quadros TDMA.

Vamos agora analisar a funcionalidade do receptor ter o código correto (chip sequence). A seguir são mostradas em sequência o que acontece quando de uma transmissão completa com sucesso e outra em que o receptor não tem a chave (chip) correta. Observe que nos exemplos vão usar o chip com poucos “bits” apenas por razão didática de fácil visualização. Reafirmamos que um chip pode alcançar na prática 128 bits. Este que taremos aqui de 6 bits é apenas por didática.