IEEE 802.11: A tecnologia de redes sem fio foi
desenvolvida e padronizada pelo grupo de trabalho 802.11 do IEEE.
O primeiro padrão definido pelo comitê 802.11 atingia modestas taxas
de transferência de 1 e 2 Mbps, mas foi com o desenvolvimento do padrão
802.11b, que atinge taxas de até 11 Mbps, aliados com os custos mais acessíveis
dos equipamentos necessários à implantação de uma pequena rede, e pela
facilidade de instalação e configuração destes equipamentos é que as redes sem
fio começaram a se popularizar.
É de suma importância para o profissional de redes, compreender os padrões
definidos pelo IEEE 802.11. Hoje existem padrões 802.11 definidos para operar
em freqüências de 2.4 e 5 GHz com taxas de transferências que vão de 1Mbps até
600Mbps e que podem ser utilizados em redes com ou sem infraestrutura.
Antes de iniciarmos o estudo da tecnologia WLAN, precisamos entender
a terminologia utilizada para definir os diversos equipamentos e
infraestruturas utilizadas. São elas as seguintes:
·
STA – Wireless LAN STAtions –
são os clientes da rede wireless, dispositivos compatíveis com o padrão 802.11
como computadores ou periféricos, fixos ou móveis.(ex: impressoras e notebook).
·
AP – Access Point – tipo
especial de estação, nó que concentra a comunicação das STAs dentro de uma
Basic Service Set (BSS), responsável por comutar o tráfego entre as estações,
além de interligar a rede wireless com a rede cabeada se necessário.
·
BSS – Basic Service Set – grupo
estações que só se comunicam entre si através de um ponto comum de conexão, o
AP.
·
SSID – Service Set Identifier –
nomenclatura que identifica as estações e os pontos de acesso que fazem parte
de uma célula (BSS).
·
IBSS – Independent Basic
Service Set – grupo estações que se comunicam diretamente umas com as outras.
·
DS – Distribution System – é a
conexão entre os BSS da WLAN, interliga os APs de um determinado sistema. O
padrão 802.11 não especifica a arquitetura deste sistema, apenas que define que
deve existir.
·
ESS – Extended Service Set –
sistema formado por dois ou mais BSS e que estão interconectados através de um
sistema de distribuição (DS). Um equipamento móvel pode se movimentar entre as
BSS sem perder a conexão (roaming). São criadas com o intuito de aumentar a
área de cobertura do sistema e pode existir uma sobreposição entre as Basic
Service Area (BSA) que compõem o ESS.
·
BSA - Basic Service Area – Área
de serviço básico é o espaço físico de cobertura do sinal de radiofreqüência
fornecido por um ponto de acesso. A área de cobertura depende diretamente da
potência da RF irradiada, do tipo de antena e dos obstáculos existentes nesta
área.
·
HOT SPOT – local que possui uma
infraestrutura pública (gratuita) de rede sem fio (WLAN) para acesso a
Internet.
As arquiteturas
possíveis das redes sem fio foram definidas pelo IEEE com base em algumas
características, e os seguintes elementos fazem parte das mesmas:
• BSA (Basic Service Area);
• BSS (Basic Service Set);
• Ponto de acesso
(AP – Access Point);
• Sistema de
Distribuição (DS);
• ESS (Extended
Service Set).
São três as
definições de arquiteturas dos ambientes sem fio.
IBSS – (AD-HOC)
Infra Básica (BSS)
Infra Extendida
(ESS)
Serviços oferecidos
pelo padrão:
• Autenticação;
• Desautenticação;
• Associação;
• Desassociação;
• Privacidade;
• Reassociação.
Alguns serviços para
redes com infraestrutura, são oferecidos pelas redes sem fio padrão 802.11 e
necessários ao seu correto funcionamento.
Associação: Encerradas as etapas da
autenticação, a estação envia o pedido de associação ao AP. Cada estação se
associa a um único AP (BSS), dentro da ESS, que pode ter outras estações
associadas. Um número limitado de estações podem se associar a um único AP, e o
número ideal é normalmente definido pelo fabricante do AP.
O AP aceita a
solicitação de associação, e propaga a informação desta associação pelo sistema
de distribuição (DS) para os outros APs presentes na ESS. Este é o passo
inicial para promover a mobilidade da estação, se for necessário, dentro da
ESS, ou seja, para a estação mudar sua conexão passando de uma BSS (AP) para
outra caso precise se movimentar.
Desautenticação e Desassociação: Uma
estação pode resolver se desconectar da rede a qualquer momento e este processo
está previsto pelo padrão 802.11. O procedimento ideal é que após uma
autenticação para validar a associação, a estação envie a notificação de
desassociação caso queria deixar de usar os serviços desta rede.
Como o próprio nome
sugere, é uma notificação e não pode ser negada. O AP tem por responsabilidade
propagar a informação de desassociação pelo DS, com o objetivo de notificar
todos os APs da ESS de que a estação não está mais utilizando os serviços.
O padrão 802.11
também prevê o tratamento de situações em que a estação se desconecta do
sistema sem efetuar os procedimentos acima (como por exemplo, uma queda
repentina de energia na estação).
Reassociação: Uma das principais
vantagens dos equipamentos sem fio é a mobilidade, e uma das funções das
estações é avaliar a intensidade do sinal enviado pelo AP constantemente.
Quando uma estação está se comunicando em uma ESS, ela pode se mover e se
afastar da área de cobertura do sinal do AP ao qual está associada e se
aproximar de um outro AP, do mesmo sistema (ESS), mas com um sinal mais forte
ou de melhor qualidade.
Neste caso a estação
solicita uma reassociação (mudança de BSS), que é a mudança de sua associação
para o AP que tem o sinal com maior intensidade. A reassociação será
solicitada, sempre pela estação, ao AP que tem o melhor nível de sinal. O novo
AP depois de aceitar a solicitação de reassociação deverá propagar pelo DS a
nova associação da estação em questão e a partir daí atender a nova estação associada
a ele.
Privacidade: privacidade é uma
característica oferecida pelas redes sem fio que impede que as informações
transmitidas para um determinado destinatário sejam lidas por outras pessoas.
O padrão 802.11
define algoritmos de criptografia como uma forma de privacidade, que é aplicada
a todos os quadros de dados e em alguns de gerenciamento de autenticação.
802.11a
–até 54 Mbps , frequência de 5 GHz, faixa onde a preocupação com interferências
é pequena e que exige regulamentação em alguns países. Permite o uso de 8
canais simultâneos contra 3 canais dos padrões
802.11b e g
facilitando a instalação de um maior número de pontos de acesso em uma mesma área sem provocar
interferência entre canais. Tem como desvantagem um alcance mais curto, devido
à frequência
mais alta,
teoricamente metade do alcance dos sistemas que usam a frequência de 2.4 GHz.O custo mais elevado dos
equipamentos do padrão 802.11a, em relação aos outros padrões, foi determinante
para sua baixa utilização. Por ter um alcance menor exige mais equipamentos
para cobrir a mesma área
que dispositivos
padrões b e g, o que encarece ainda mais a sua aplicação. De acordo com a
degradação do sinal entre a STA e o AP a taxa de transmissão pode ser reduzida gradativamente
para 48, 36, 24, 18, 12 e
6Mbps. Este recurso
se chama Fall Back e é utilizado também
nos outros padrões 802.11.
802.11b – 11 Mbps é a taxa de transmissão alcançada por redes padrão 802.11b,
diga-se taxa “bruta” de transmissão, pois estão embutidos os sinais de modulação,
cabeçalho, correção de erros entre outros (o
mesmo ocorre com os
outros padrões). Opera na faixa de 2.4 GHz com até 3 canais diferentes
irradiando na mesma área de cobertura. Com a perda da qualidade do sinal a taxa
de transferência pode ser reduzida para taxas de 5,5 Mbps, 2 Mbps ou 1 Mbps
(Fall Back). O alcance máximo teórico gira em torno de 100 m para áreas abertas
(sem obstáculos) podendo reduzir a menos de 15 m em ambientes com muitos obstáculos.
802.11g – Possui características
idênticas ao padrão 802.11b, o que torna os padrões compatíveis, mas é capaz de
operar em taxa de até 54 Mbps,. Ambos os
padrões definem possibilidade de operação diretamente entre várias STAs
existentes em uma mesma área (célula), modelo Ad Hoc ou a comunicação
intermediada por ponto de acesso (AP), modelo infraestruturado. Uma grande
desvantagem dos padrões que operam na frequência de 2.4GHz é a alta carga de
interferência provocada por outros equipamentos que operam na mesma frequência,
como: telefones sem fio, Bluetooth e fornos de micro ondas entre outros.
802.11n – Este é o padrão mais recente aprovado pelo IEEE e traz melhorias
significativas no funcionamento que permite alcançar maiores taxas e melhor
qualidade de transmissão. Entre as melhorias mais significativas estão:
·
Operar com canais de 20 ou 40
MHz utilizando a técnica de junção de canais (Channel Bonding).
·
Uso da tecnologia MIMO (Multiple Input, Multiple Output), que emprega transmissão e recepção com múltiplas
antenas reduz os efeitos da degradação do sinal, provocados pelo desvanecimento
e pelo multipercurso. A recepção em diversidade (múltiplas antenas) permite a
soma dos sinais afetados pelos efeitos do meio de transmissão (o ar).
·
A agregação de quadros e o ACK de bloco permitem, ao novo padrão, enviar um
grupo de quadros para um determinado destino e receber deste uma única
confirmação do recebimento dos quadros enviados. Esta técnica reduz o número de
confirmações que eram necessárias pelos padrões mais antigos,que exigiam uma
confirmação (ACK) para cada quadro enviado. Este processo aproveita melhor a
largura de banda do canal.
·
Compatibilidade com os padrões
anteriores, de acordo com as características dos dispositivos existentes.
Oferecida por três modos de operação: Legacy Mode, Mixed Mode, Greenfield Mode
Todas estas
técnicas tornam o padrão 802.11n uma
ótima escolha para redes com um tráfego mais elevado.
Questão: Qual a taxa
de transmissão e a freqüência do padrão 802.11ª?
R) 54Mbps e 5 GHz
Questão: O padrão 802.11b alcança taxas de
transmissão de até 11Mbps.
R) Opera na faixa de
2.4 GHz, com até 3 canais diferentes na mesma área de cobertura.
Questão: Em uma
arquitetura ESS, um equipamento em movimento conforme figura abaixo:
R) Associação e
desassociação.
1. Histórico e contextualização das redes sem fio
- mobilidade
- redução de custos de
instalação
- redes provisórias
- extensões de rede
locais (LAN)
- interconexão entre
prédios
- acesso itinerante
- conexão de redes
geograficamente remotas.
Vazão,
número de nós,
área de serviço,
consumo de bateria,
robustez e segurança,
handoff /roamming,
configuração dinâmica,
direcionalidade (operação
nos dois sentidos),
operação livre de
licença.
LANs infra-vermelho
LANs de amplo espectro
(operação em freqüências não licenciadas – ISM)
Microondas de banda
estreita (operação em freqüências licenciadas)
WPAN (IEEE Bluetooth)
Redes celulares
Redes de satellites
Outros sistemas
wireless: RFID
1. Quais os principais problemas de operar
com WLAN em freqüências não licenciadas?
2. Cite e defina sucintamente os requisitos
básicos para uma WLAN 3. Cite alguma tecnologia sem fio que tem como
característica ser unidirecional?
4. Quais são os principais cuidados que um
projetista de rede precisa estar atento na elaboração do projeto ?
2. Fundamentos de transmissão de sinais digitais
freqüência e sua
unidade (Hz) e seus múltiplos (kHz, MHz e GHz) mais utilizados
comprimento de onda (Lambda)
e sua unidade (metros) e seus sub múltiplo
Equação fundamental que relacionam ambos e
a velocidade de propagação
v=lambda x freqüência
Analise/série de Fourier: prova-se que
sinais periódicos razoavelmente estáveis podem ser construídos através da soma
de uma série (possivelmente infinita) de senos e cossenos. Cada um destes dos
termos de senos ou cossenos é designado como sendo um harmônico .
- Redes de Computadores -Tannenbaun 3ª.
Edição (pag 88 a 92) existe um exemplo/ detalhamento interessante sobre a
transmissão de um sinal digital e a apresentação gráfica de um sinal binário e
o sinal composto por meio de série (até o 8º. harmônico).
- William Stallings – Redes e Sistemas de
Comunicação – 5ª. Edição cap,15 página 320 a 332) é importante estabelecer
o relacionamento entre os harmônicos e o um parâmetro fundamental em
comunicação de dados
2.1.1. Largura de banda (largura de faixa ou banda passante).
Banda Passante - O espectro de um sinal é a
faixa das freqüências que ele contém. Muitos sinais possuem uma largura de
banda infinita (infinitos harmônicos). Entretanto, a maioria da energia no
sinal está contida em uma banda de freqüência relativamente estreita a qual
designamos por largura banda ou banda passante. Existe uma relação direta entre
a capacidade de um sinal transportar informação e a largura de banda do canal
pela qual o sinal será enviado. Quanto maior a capacidade de um canal, maior
será a capacidade de transportar informação.
2.1.2. Ruído
Consiste em energia indesejada provenientes
de outras fontes que não seja o transmissor original. Dentro os diversos tipos
de ruídos, destacam-se o ruído térmico que é causado pelo deslocamento
aleatório dos elétrons em um meio físico e depende da temperatura. Além de
fontes naturais (ruídos cósmicos, ionosféricos, etc) existem interferências
espúrias geradas artificialmente pelo homem tais como ignição de automóveis,
descargas elétricas.
Como categoria o ruído pode ser
classificado como sendo:
térmico
intermodulação
acoplamento
(crosstalk)
ruídos impulsivos.
Qualquer canal de comunicação real
(confinado ou não) possui ruído e é o principal fator limitador no desempenho
dos sistemas de comunicação.
Um parâmetro
importante em sistemas de comunicação é a relação Sinal/Ruído (S/R ou SNR) que
a maioria dos equipamentos apresenta (amplificadores, transmissores, receptores,
etc) que nos casos de sistemas de rádio comunicação pode ser conhecido como
portadora/ruído(C/N).
Este índice de
desempenho estabelece a relação entre o nível do sinal (ou portadora) e a
potência do ruído que chega a um receptor.
O valor desejado para o
envio de determinado tipo de informação depende do valor desta relação e a
unidade de medida é o dB (decibel) que é a relação logarítmica das potencias (dB=
10 log S/R)
2.1.3. Capacidade de um canal de transmissão (formula de Shannon)
A capacidade máxima de transmissão um canal
de comunicação real (com ruído) cuja largura de banda é de B (em Hz) é dada
pela seguinte formula: C(bps) = B . log 2 (1 + SRN)
Exemplo: Um canal de telecomunicações de
largura de banda igual a 3.000Hz (fio telefônico) e com ruído de 30 dB
(parâmetro típico da parte analógica de um sistema telefônico) jamais poderá
efetuar transmissões a taxa maiores que 30.000 bps .
2.1.4. Atenuação
Quando um sinal eletromagnético é
transmitido por qualquer meio, ele se torna gradualmente mais fraco com relação
a distância de propagação.Isto faz com que no projeto de um sistema de
transmissão, seja levando em conta três premissas:
um sinal recebido
precisa ter energia suficiente para que o receptor possa detectar o sinal
um sinal transmitido
precisa ter energia suficientemente mais alta que o ruído para que o sinal seja
recebido sem erro - a atenuação é maior em freqüências mais altas o que causa
distorções.
Meios confinados e não confinados com
qualquer sistema de comunicação o sinal diferido irá diferir do sinal que é
transmitido, devido a várias deficiências na transmissão. Em sinais analógicos
estas deficiências introduzem diversas modificações aleatórias que reduzem a
qualidade do sinal. Em sistemas digitais, erros de bits são introduzidos: o
binário “0” passa para “1” ou o binário “1” passa para “0”. Em meios confinados
(cabo de par-trançado, coaxial, fibra óptica etc...) as deficiências mais
importantes são:
atenuação
distorção de retardo
ruído
Em meios não
confinados (redes sem fios, propagação no espaço livre etc...) as deficiências
mais importantes são:
perda no espaço livre
absorção atmosférica
multi-percurso
refração
ruído
Uma informação é transmitida na forma de
onda eletromagnética. O sinal recebido consistirá no sinal transmitido,
modificado pela atenuação e as várias distorções imposta pelo sistema de
telecomunicações além da energia eletromagnética indesejada (ruído) inserida em
qualquer ponto entre a transmissão e recepção
2.1.5. Exercício:
1. Estabelece as diferenças entre um sinal
eletromagnético analógico e um digital ?
2. Cite três características importantes de
um sinal periódico? 3. Qual é a relação entre o espectro de um sinal e a sua
largura de banda?
4. Que fatores chaves afetam a capacidade
de um canal?
3. Fundamentos de Rádio Comunicação
- Redes de
Computadores Das LANs as redes ATM 2ª. Edição – Luiz Fernando Gomes Soares,
Guido Lemos e Sérgio Colcher Editora Campus - Capítulo 3 (41,42 , 54 à 59, 65)
- Redes de
computadores e a Internet 2ª edição – Douglas Comer Editora Bookman - Capítulo
-5 (páginas 55 à 58)
- Redes e Sistemas de
Comunicação de Dados – 5ª. Edição Willian Stallings Editora Campus - Capítulo
16 (páginas 336 até 347)
- Redes de
Computadores – Príncipios, Tecnologias e Protocolos para projeto de Redes – 1ª.
Edição – Natalia Olifer e Victor Olifer – Editora LTC - (Páginas 166 à 170, 188
e 189)
- Redes de
Computadores – Princípios, Tecnologias e Protocolos para projeto de Redes – 1ª.
Edição – Natalia Olifer e Victor Olifer – Editora LTC - (Páginas 195 à
199 e 272 à 280)
- Redes de
Computadores – 2ª. Edição – Douglas Comer - Páginas 60 à 62
- Redes de
Computadores – Princípios, Tecnologias e Protocolos para projeto de Redes – 1ª.
Edição – Natalia Olifer e Victor Olifer – Editora LTC - (Páginas 186 à
188 )
- Propagação de ondas
eletromagnéticas – Princípios e Aplicações – José Antonio Justino Ribeiro 1ª.
Edição – editora Érica (páginas 135 à 155)
Conhecido como onda TEM (onda eletromagnética
transversal). Nesta concepção na qual os campo elétrico e magnético (gerador as
partir de uma corrente elétrica) se deslocando transversalmente no espaço
executando um sinal em forma de espiral. A velocidade de propagação em meios
perfeitos (vácuo) é da ordem de 300.000Km/s em outros meios (ar, água, etc) os
valores são menores.
3.1.1. Características importantes a serem destacadas de uma onda eletromagnética:
freqüência (unidade Hz
e seus múltiplos KHz, MHz , GHz)
comprimento de onda (comprimento
de onda = velocidade de propagação/frequência) unidade metros
3.1.2. Atenuação e Ganho
Destacar as características importantes dos
meios de propagação não confinados:
atenuação
variação da
característica do meio (comportamento como condutor, dielétrico ou quase
condutor) de acordo com a freqüência de transmissão.
dispersão de energia
de transmissão para o ambiente aberto e ilimitado – somente uma parte da
energia irá alcançar
3.1.3. Estrutura da atmosfera terrestre e os tipos de propagação:
ondas ionosféricas
ondas troposféricas
ondas terrestres -
> espaciais - > visada direta e onda refletida
ondas terrestres -
> de superfície
3.1.4. Faixas de freqüências para radio comunicação
(Livro Justino pagina 121 ou algum outro da
lista)
Conceituar a unidade decibéis e potencia de
um sinal e sua unidade e seus sub-multiplos. Potencia de um sinal = W (watt) =
1 W = mW (miliwatt) = 0,001 W = uW (microwatt) = 0,000001 W
3.1.5. Ganho ou perda em decibéis
G=10logPt/Pr (dB)
onde Pt é a potencia de transmissão e Pr
potencia de recepção. Importante é efetuar a analise do balanço de potencia
para utilizar o sinal negativo para indicar uma perda (em geral por atenuação)
e manter o valor positivo quando houver um ganho (em geral por uma
amplificação). Não é regra mas é bom adotar algo nesta linha.
Lembrar: o valor de 3 dB é equivalente a
potencia dobrar ou reduzir a metade
Exemplo para aplicar ao conceito de
decibéis: Se um sinal com nível de potencia de transmissão de 10 mW for
colocado em uma linha de transmissão e a potência medida em alguma distancia
for 5 mW, a perda pode ser expressa como: L= 10log (10/5) = 10 x 0,3 = 3 dB
Decibéis é uma unidade que os alunos terão que ligar com freqüência nesta
disciplina.
Consideremos uma série em que a entrada
está no nível de potencia de 4 mW, o primeiro elemento é uma linha de
transmissão (ar livre) com uma perda de 12 dB (ganho de -12dB), o segundo
elemento é um amplificador com ganho de 35 dB e o terceiro elemento é outra
linha de transmissão com uamperda de 10 dB. O ganho líquido é de -12+35 -10= 13
dB.
Caso desejamos calcular a potência de saída
, teríamos a seguinte situação:
GdB = 13 = log (Pt/4mW) ou Pt = 4 x 10^1,3
= 79,8 mW
3.2.1. Propagação no espaço livre
Existe uma equação das telecomunicações ou
formula de Friis que pode ser utilizada para o cálculo de atenuação de um
enlace operando em freqüências elevadas: Atenuação(dB) = 32,44+20 log f + 20
log r – Gt(dB) – Gr(dB) sendo f em MHz e r em Km ou Atenuação(dB) = 92,44+20
log f + 20 log r – Gt(dB) – Gr(dB) sendo f em GHz e r em Km Exemplo: Considere
uma ligação ente duas antenas idênticas distantes de 30 Km em linha reta. O
sistema utiliza antenas com ganho de 30dB . Sendo a frequência de operação de 3
GHz e a potencia transmitida de 10 watts, calcular a potencia recebida. (Trecho
totalmente desobstruído e desprezando perda nos cabos).
Pela formula de Friis : A(dB) = 92,44 +20
log 3 + 20 log 30 – 30 -30 = 71,25 dB
Conforme vimos anteriormente a formula de
decibel é : A = 10 log Pt/Pr sendo Pt= 10 mW e A= 71,25 dB temos que Pr = Pt x
10^7,152 = - 31,52 dBm
3.2.2. Zona de Fresnel
A transmissão de sinais entre dois pontos
distantes através do espaço livre é implementada por meio de duas antenas.
Quando maior a freqüência de operação, mais
será preciso termos uma visada entre elas. Este fator que chamamos de visada, é
de fundamental importância, pois sem ele, não haverá comunicação entre antenas
de alta freqüência. Entretanto, não basta enxergarmos de uma antena, somente a
outra antena, é preciso existir uma área maior desobstruída que deverá ser
maior quanto maior for a distancia entre antenas.
É dentro desta área pré-determinada que
encontramos as Zonas de Fresnel. A propagação das freqüências altas, forma em
torno da linha de visada, um campo na forma elíptica, o qual recebeu a
denominação de "zona de Fresnel", por onde trafega a maior quantidade
de energia do sinal transmitido . Dentro da primeira zona de Fresnel
encontra-se 97% da potência transmitida.
Caso algum obstáculo natural (montanha) ou
artificial (edifícios) esteja dentro da primeira zona, haverá atenuação severa
no sinal recebido, provocando perda de informação podendo chegar a interrupção
total do mesmo. Existem formulas matemáticas para o cálculo das elipsóides de
Fresnel bem como atenuação imposta por obstáculos que invadam estas as Zonas. A
solução em alguns casos é elevar a altura das torres.
As principais características de uma antena
estão relacionadas ao seu desempenho na formação de uma enlace eletromagnético.
Dentre estas características destacamos:
diagrama de irradiação
ganho
diretividade
ângulo de abertura de
feixe
largura da faixa
eficiência de
irradiação
Para um elemento de referencia do enlace,
identifica-se a antena isotrópica (um irradiador hipotético capaz de irradiar
igualmente em todas as direções.A potencia emitida por esta antena é
distribuída igualmente em todas as direções do espaço.
Nas antenas reais ocorrem direções
preferenciais nas quais existem maior densidade de potência. A representação
desta função da densidade em um gráfico tridimensional ou em dois planos define
o diagrama de irradiação da antena. A comparação entre a densidade irradiada e
a densidade da antena isotrópica determina a diretividade da antena.
3.3.1. Conceito de ganho de uma antena
Deve ser entendido de forma diferente do de
um amplificador. Antenas são elementos passivos, não amplificam sinais. O ganho
de uma antena expressa a relação com uma antena de referência. Seja o exemplo a
seguir. A Figura dá a curva aproximada da potência irradiada por um dipolo de
meia onda. Um vetor traçado do centro do dipolo até um ponto qualquer da curva
representa a potência irradiada na direção do vetor.
Assim, a potência máxima irradiada é dada
pelo vetor P (ou o oposto de 180°, na outra parte da curva).
Considera-se agora uma antena isotrópica na
mesma posição do dipolo e alimentada com a mesma potência da linha de
transmissão. Ela irradia uma potência máxima Pi, que é a mesma para todas as
direções. Então, o ganho da antena tipo dipolo de meia onda tendo como
referência a antena isotrópica é dado pela relação ente essas potências,
expressa em decibéis: dBi = 10 log (P / Pi).
É usado o símbolo dBi para o ganho,
significando que é um valor em decibel em relação à referência de uma antena
isotrópica. Uma antena isotrópica tem, portanto, ganho igual a 0 dBi. Um dipolo
de meia onda apresenta um ganho de 2,14 dBi.
3.3.2. Exercício:
1. Explique o que entende por meio de
transmissão. Quais as principais propriedades do meio em torno da superfície
terrestre.
Sinais analógicos correspondem a variação
contínua no tempo , já um sinal digital caracteriza-se pela presença de pulsos
nos quais a amplitude é fixa. Deve-se enfatizar que qualquer tipo de
informação analógico (voz) ou digital (dados) pode ser transmitida
através de um sinal analógico (modem) ou digital (rede ethernet).
O conceito de modulação é a parte mais
importante nesta primeira etapa de apresentar as diversas técnicas e
características das modulações digitais.
O principal problema de transmissão em
grandes distancias é que corrente elétrica não pode ser propagada as distancias
arbitrárias pois a corrente se torna mais fraca enquanto viaja. Isto
corresponde ao que é conhecido como perda de sinal. No inicio do século
passado, os pesquisadores descobriram uma propriedade interessante de sistemas
de transmissão de longa distância:
“Um sinal oscilatório contínuo se propagará
mais longe do que outros sinais.”
Esta observação é a base dos sistemas de
transmissão em meios de comunicação de longa distancia. Este sinal oscilatório,
geralmente uma onda senoidal, é chamada de portadora.
Mas
um sinal senoidal contínuo no tempo pode carregar que tipo de informação ?
Para enviar dados, um transmissor modifica
ligeiramente uma das características da portadora.
Esta modificação, pode ser na amplitude, na
freqüência ou na fase desta portadora.
Exemplo de modulação:
“ uma lanterna acessa
ou apagada consegue enviar que tipo de informação a uma pessoa afastada?”
Resposta: Nenhuma.
Agora , se ligarmos e
desligarmos a mesma em tempo pré-determinados, poderemos estabelecer uma forma
de comunicação com algum viajante afastado.
Neste caso, o que
fizemos foi “modular a portadora” que neste caso foi um sinal de luz de
forma que a variação da luminosidade conseguiu transmitir alguma informação
útil.
3.5.1. Modulação em sistemas de comunicação
No caso dos sistemas de comunicação,
utiliza-se uma portadora (onda senoidal) gerada por um equipamento de
transmissão e quando variamos a amplitude do sinal estamos efetuando uma
modulação em amplitude (AM – Amplitude Modulation).
No caso do FM (Frequency Modulation)
estamos modificando ligeiramente (alguns Hz) a sua freqüência.
A terceira possibilidade seria modificar a
fase (PM – Phase Modulation)
Existe ainda o caso de combinarmos as duas
ou as três ou seja, modular a amplitude e a freqüência ou ainda, amplitude,
freqüência e fase.
Uma importante conclusão é que a medida que
modificamos mais de uma característica da portadora no mesmo instante, podemos
transmitir “mais informação” no mesmo instante. No exemplo acima, amplitude,
freqüência e fase, permitem que eu possa transmitir qualquer uma das 8
combinações existente (2^3 = 8) ou seja posso transmitir até 3 bits no mesmo
instante.
3.5.2. Tipos de modulação analógica
Na página 337 do livro do Stallings existe
um resumo das principais características da transmissão analógica e digital.
Uma transmissão analógica de dados
analógicos (como a voz) distorções e falhas podem ser toleradas mas em casos de
dados digitais isto aumentará o numero de erros e diminuirá o desempenho do
sistema.
A transmissão digital por outro lado está
voltada ao conteúdo digital a ser transmitido . Dente as vantagens da
transmissão digital destacamos:
custo: com o
crescimento da industria de microeletrônica, os equipamentos digitais
tronaram-se mais baratos
integridade dos dados:
com o uso de repetidores digitais, os efeitos do ruído e deficiências dos
sinais não são mais acumulativos de forma que são possíveis transmissões em
maiores distancias mantendo ao dados inalterados
capacidade de
utilização : a multiplexação é obtida de forma mais simplificada e barata podem
assim construir sistemas de comunicação com maior capacidade de banda
segurança e
privacidade: técnicas de criptografia aplicadas aos dados transmitidos são
fácilmente aplicados
integração: qualquer
sinal, depois de digitalizado (voz, video) tem o mesmo formato e podem ser
transmitidos e tratados de forma semelhante
3.5.3. Principais técnicas de modulação digital .
O mapeamento dos dígitos binários para
elementos de sinal é conhecido como esquema de codificação . Os
esquemas são projetados para minimizar os na determinação do inicio e fim de
cada bit .
ASK – Deslocamento de
amplitude – os dois valores binários são representados por duas amplitudes
diferentes na freqüência da portadora. Isto pode ser obtido por presença
e ausência da portadora e cosntuma-se utilizar em transmissões em fibra óptica
FSK – Deslocamento de
freqüência – duas freqüências diferentes perto da freqüência da portadora
PSK – Deslocamento de
fase – duas fases diferentes (0 e 180 graus) para cada um dos valores binários
Para atingir taxas ainda maiores,
utiliza-se o recursos de combinar as várias técnicas apresentadas e ainda
utilizar modulação do deslocamento de fase (PSK), onde a fase da onda portadora
é deslocada de forma sistemática em intervalos espaços em vários ângulos (Redes
de computadores Tanenbaum – 3ª. Edição - página 125).
3.5.4. Padrões de constelação
A combinação mais comum é de amplitude e
fase, gerando combinações legítimas de amplitude e fase conhecidas como padrões
de constelação .
QAM (Quadrature
Amplitude Modulation)
DPSK
QPSK
Ondas Magnéticas podem se propagar em todas
as direções e por longas distancias (de acordo com a frequência) e são capazes
de atravessar barreiras. Um probelma então é o compartilhamento de freqüências
ou bandas do espectro eletromagnético.
Assim um controle centralizado é
necessário. No Brasil, o órgão responsável pela regulação do espectro é a Anatel
(www.anatel.gov.br).
A Anatel concede licenças de utilização em determinado território de acordo com
a tecnologia escolhida.
No caso de redes sem fio, existem três
bandas de freqüências que podem ser utilizadas sem licenciamento:
900MHz, 2,4 Ghz e 5 GHz. São destinadas a propósito geral em comunicação sem
fio (por exemplo sistema de travamento de porta de veículos). Alguns
dispositivos médicos também operam nesta faixa.
Estas faixas recebem o nome de ISM (Industrial,
Scientific, Medical).
A banda de 900 é a
mais utilizada
A banda de 2,4 GHz
está sendo utilizada em tecnologias como o Wifi (802.11) e Bluetooth
A banda de 5 GHz está
no inicio da utilização e tem servido as tecnologias 802.11
O requisito obrigatório para utilização
compartilhada destas bandas é que a potencia máxima dos sinais não pode exceder
a 1 W .Isto limita a faixa de utilização do equipamento e evitam interferências
entre dispositivos que compartilhem esta freqüência em outras regiões.
Quais parâmetros da
senóide são alterados quando utilizamos a modulação QAM?
Que tipo de informação
são transmitidas com a utilização do ASK?
È possível combinar
diferentes métodos de multiplexação ? Caso sim apresente exemplos.
Com base em qual
técnica de multiplexação o modo duplex (transmissão simultânea em ambos
os sentidos) é implementado para o canal se ambos os transmissores usarem
a mesma faixa de freqüência simultâneamente ?
Em 1997, o comitê 802.11 adotou o padrão e
definiu três variantes da camada física com taxa de 1 a 2 Mbps:
ondas infravermelhas
faixa de microondas em
2,4 GHZ em codificação FHSS
faixa de microondas em
2,4 GHZ em codificação DHSS
Em 1999, outras variações da camada física
gerando os padrões 802.11a e 802.11b:
802.11 a utiliza a
freqüência de 5 GHz com codificação OFDM
802.11 b utiliza a
freqüência de 2,4 GHz com codificação DSSS
Em 2003 foi apresentado outra variante na
camada física 802.11g:
802.11g opera na faixa de
freqüência de 2,4 Ghz com codificação OFDM
Em 2007, foi introduzido o padrão 802.11n :
utiliza a faixa de freqüência de
2,4 e 5 GHz com multiplexação em tecnologia MIMO (Multiple Input Multiple
Output)
É um caso especial de multiplexação por
divisão de freqüência que envolve a utilização de múltiplas portadoras
(freqüências) visando a aumentar a confiabilidade na recepção.A
utilização da técnica de espalhamento é melhorar a confiabilidade quando o
sistema de transmissão possui interferências esporádicas em algumas
freqüências.
Por exemplos se existirem fontes de
interferências, ou se objetos grandes se movem entre o transmissor e o
receptor, a freqüência da portadora pode variar com o tempo. Em um dado instante
uma freqüência póde funcionar e a original não. A técnica de espalhamento
espectral pode resolver o problema enviando o mesmo sinal em várias freqüências
da portadora. O receptor é configurado para verificar todas as freqüências da
portadora e usa a que está funcionando no momento.
3.8.1. FHSS Espalhamento Espectral por Salto de Frequência (Frequency Hopping Spread Spectrum)
Esta técnica foi utilizada durante a
Segunda Guerra Mundial e para evitar interferências, as transmissões eram
feitas com constante mudança da portadora dentro de uma ampla faixa de frequências.
Desta forma, a potência do sinal é distribuída na faixa inteira. A sequencia de
freqüências é escolhida de maneira pseudo-aleatória e só é conhecida pelo
transmissor e receptor. Alguma interferência em uma determinada freqüência só
afeta uma parte da informação.O intervalo de tempo que uma freqüência é mantida
é conhecido como chip. São utilizados nesta freqüência os padrões FSK e PSK.
Para garantir a sincronização dos períodos de chip é reservado um tempo
onde são enviados diversos bits de sincronização A freqüência muda
constantemente por um gerador de números pseudo-aleatórios. Esta sequencia
depende de um parâmentro conhecido como semente (seed) que só
transmissor e receptor conhecem e que dá inicio a geração da sequencia.A sequencias
de saltos determinam como as freqüências são modificadas. Outro paramentro
importante é a taxa de chipping que informa a taxa com a qual as
freqüências são trocadas.
FHSS lento é quando a
taxa de chippingé menor que a taxa da informação do canal
FHSS rápido é quando a
taxa de chipping é maior que a taxa da informação do canal
FHSS rápido é melhor para imunidade a
ruídos e interferências mas mais complexo de ser implementado. FHSS lento é
mais fácil de ser implementado e é empregado em tecnologias como 802.11 e
Bluetooth.
802.11: taxa de
chipping de 50 Hz , 79 canais na faixa de 2,4 GHz e taxa de transmissão de 1
Mbps
Bluetooth: taxa de
chipping de 1.600Hz e 79 canais na faixa de 2,4 Ghz
3.8.2. DSSS Espalhamento Espectral por Sequência Direta (Direct Sequence Spread Sprectum):
Este método também utiliza toda a banda de
freqüência alocada para um enlace. Entretanto a técnica utilizada é diferente
da utilizada no FHSS. Isto não é feito pela mudança constante de freqüência mas
cada bit de informação é substituído por N bits de forma que a taxa de
transmissão seja aumentada N vezes. O objetivo final também é melhorar a
interferência e imunidade a ruído.A
O código empregado para substituir o bit de
informação é denominado chip. A taxa de transmissão do código é
denominada taxa de chipping.O receptor deve conhecer a sequencia de
espalhamento usado pelo transmissor para reconhecer corretamente as informações
transmitidas. O numero de bits de uma sequencia de espalhamento é o fator de
espalhamento. Quanto maior o fator de espalhamento (valores ente 10
e 100), mais largo será o espectro do sinal resultante e maior a imunidade
ao ruído. O DSSS é menos protegido contra ruídos do que o FHSS.
3.8.3. OFDM Multiplexação Ortogonal por Divisão de Frequencia (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)
A técnica de espalhamento espectral não é a
única utilizada em sistemas wireless. As modulações FSK e PSK também são
utilizados. Com freqüências mais elevadas, a largura de banda ampla, também
proporciona a possibilidade de utilizarmos modulação de múltiplas
sub-portadoras onde a largura de banda disponível é dividida em diversos
sub-canais, cada um utilizando uma freqüência de portadora específica.
Cada fluxo de bits é dividido em diversos
sub-fluxos que são modulados a taxa menores. Este sub-fluxo é modulado usando
uma sub-portadora específica. A modulação utilizada é o FSK.
O espectro do sinal nesta situação é
semelhante ao espectro de uma única portadora. O efeito da interferência
causada pela propagação multi-percursos (vários sinais chegam ao receptor por
meio de rebatimento em superfícies) é drasticamente reduzido.
Especificações da 802.11a:
Faixa de utilização do
canal de 5 GHz : 300MHz velocidade : 6,9.12, 18, 24, 36, 48 e 54 Mbps
O diâmetro de uma rede
802.11 depende de muitos fatores, inclusive a faixa de freqüência em uso. Em
situações normais, uma WLAN tem um diâmetro entre 100 e 300 m.
As ondas eletromagnéticas podem se propagar
em todas as direções (chamamos de onidirecionais ou unidirecionais) ou dentro
de certo setor (direcionais). O tipo de propagação dependem do tipo da antena.
A velocidade de propagação no vácuo é de 300.000 Km/s.
Lembrar que a formula clássica :
velocidade
de propagação = freqüência x comprimento de onda.
Uma antena funciona
simultaneamente para transmissão e recepção de ondas eletromagnéticas.
Uma antena parabólica
é do tipo direcional ou seja, é necessário apontá-la na direção do transmissor.
Uma antena
interessante é a isotrópica. Trata-se de um condutor vertical cujo tamanho é
igual a ¼ do comprimento de onda da portadora. Um exemplo deste tipo de antena é
a que utilizamos nos carros.
Neste tipo de propagação (onidirecional),
as ondas eletromagnéticas preenchem todo o espaço dentro do limite de um certo
raio que é determinado pela atenuação da potencia do sinal no meio físico ou
seja, “no ar”. O meio físico é compartilhado e desta forma possui os mesmos
problemas que encontramos em uma LAN só que ainda pior pois, o meio físico é
aberto e público.
As principais características de uma antena
relacionam-se com seu desempenho na formação de um enlace eletromagnético.
Incluem nestas características:
diagrama de radiação
ganho
diretividade
ângulo de abertura de
feixe
largura de feixe
eficiência da
irradiação
A referência que utilizamos é sempre a
antena isotrópica (irradiador hipotético que seria capaz de irradiar em todas
as direções). A potencia é distribuída igualmente em todas as direções. Nas
antenas reais, ocorrem direções preferenciais nas quais existem maior densidade
de potencia irradiada e outras direções a potencia assume valores menores ou
até mesmo nulos.
3.10.1. Diagrama de irradiação
Um diagrama de
irradiação é a representação em planos definidos (horizontal e vertical)
das potencias irradiadas .
Comparar dois
diagramas de irradiação (Justino pág 137).
A comparação entre
densidade máxima de potencia e a densidade média (antena isotrópica) determina
a diretividade de uma antena.
Uma antena com lóbulo
principal mais aberto possui menor diretividade e de ser utilizado em
aplicações onde deseja-se atingir uma maior região . Uma antena com lóbulo
principais mais fechado é considerada mais diretiva e concentra maior energia.
Parte da energia que o
transmissor fornece é convertida em calor. Eficiência de irradiação de
uma antena é a relação entre o valor real da densidade de potencia e o valor
esperado teoricamente.
Ao dividirmos a
densidade máxima de potencia de uma antena e a densidade média da antena
isotrópica obtemos o ganho de uma antena.
Um termo conhecido
como EIRP (potencia equivalente de irradiação isotrópica) muito utilizado em
sistemas de transmissão é definido como sendo o produto Go x P onde Go é o
ganho da antena e P a potencia irradia produzindo a mesma densidade máxima de
potencia por uma antena isotrópica .
Costumamos utilizar o
calor do ganho em decibéis e indicar com a letra i o ganho em relação a antena
isotrópica . (dBi)
3.10.2. Antena isotrópica
Como uma é um elemento hipotético,
costuma-se comparar o ganho de uma antena em relação a uma antena real de
referencia.
Para a faixa de HF e
VHF (TV) a comparação é feita em relação a antena dipolo
Para a faixa de
microondas é comum utilizar a antena corneta (horn).
Neste caso o ganho é expresso em dB
Quando a onda eletromagnética incide na
antena receptora, haverá a indução de uma corrente elétrica e tem-se uma
potencia desenvolvida junto aos terminais da antena. A relação entre a potencia
recebida e a densidade de potencia incidente é conhecido como sendo a abertura
efetiva da antena.
Quanto maior a diretividade e o ganho da
antena, maior será a densidade de potencia irradiada em uma determinada
direção.
3.10.3. Atenuação entre duas antenas no espaço livre:
A equação de telecomunicações ou formula de
transmissão de Friis é a base de cálculo de um enlace operando em freqüências
elevadas. Esta equação mostra que a potencia da onda irradiada decresce com o
quadrado da distancia entre a antena transmissora e receptora. Não incluído ai
as perdas em cabos e conectores nos sistema de transmissão e recepção.
A(dB) = 92,44 + 20 log f + 20 log r –
Gt(dB) – Gr(dB) sendo f em GHz e r em Km.
3.10.4. Exercício-exemplo
Seja uma ligação entre duas antenas
distantes de 30 Km em linha reta. O sistema utiliza antenas de ganho 30 dBi . A
freqüência de operação é de 3GHz e a potencia transmitida de 10 W. Calcular a
potencia recebida.
Trajeto desobstruído.
- aplicar a formula de Friis na atenuação
do link:
A(dB)= 92,44 +20 log3 + 20 log 30 -30 -30 =
71,25 dB
- Potencia transmitida= Potencia recebida x
Atenuação do link = >Pt= 10 W e A=142 x 10^6
Precebida = 7,04 x 10^-7 watts (ou
comprando a 1 mW - > Pr = -31,52 dBm
Alcance máxima de telecomunicações: Se resolvermos a formula de Friis para a distancia temos:
Distancia máxima = (comprimento de onda/4x
Pi) x Raiz Quadrada (Pt x Gt x Gr)/Pr
3.10.5. Exercício exemplo:
Um sistemas constituído de duas antenas
idênticas com ganho de 30 dBi. Potencia transmitida é de 5 W e a potencia
mínima detectável no receptor é de -40 dbm. Determinar o alcance máximo para
operação na freqüência de 4 GHz.
Solução: converter a potencia mínima
detectável em watts ou seja, Pr= 10 ^-7 wattts, o comprimento de onda na
freqüência de 4 GHz será 7,5 cm e Gt=Gr= 1.000 (30 dBi). Substituindo os
valores teremos r máx = 42,2 Km.
3.10.6. Relação portadora/ruído
O desempenho de um enlace de
radio-comunicação costuma ser medido por meio de um valor numérico que
estabelece a relação ente o nível da portadora e a potencia do ruído que chega
ao receptor. Este ruído é proveniente de vários fatores. Esta relação é
representada pela letra C/N.
C/N = (EIRP/Ao) x (G/T) x 1/k onde Ao
é a atenuação no espaço livre
3.10.7. Exercício – exemplo
Um satélite geoestacionário localizado a
36.000 Km de altura, irradia uma potencia de 2 W por uma antena de ganho
30 dBi na freqüência de 2 GHz. Na estação em terra, tem-se uma antena de ganho
40 dBi e temperatura de ruído igual a 30 K. Determinar a relação
portadora/ruído na entrada do receptor admitindo que se tenha uma largura de
faixa de 10 Mhz.
Solução:
EIRP = 2 x 1.000 = 2.000 W (antena de 30
dBi = 1000)
A freqüência especificada (2 GHz) tem um
comprimento de onda de 7,5 m e neste caso a atenuação do espaço livre pode ser
dada pela formula:
Ao = (4 x Pi x r/ comprimento de onda)
^2 . O valor será de 3,64 x 10^19 ou 195,61 dB
Na formula de C/N acima, basta aplicar os
valores:
C/N = (2.000/3,64x10^19) x (10.000/30) x
1/(1,38 x 10^-23 x 107) = 132,72 ou 21,23 dB.
3.10.8. Atividade Prática:
Analisar na Internet, as
especificações de antenas com relação a suas principais características e
indicar as aplicações mais comuns (links ponto a ponto ou antenas setoriais)
3.10.9. Exercício:
Um sistema de telefonia móvel celular opera
na freqüência de 870 MHz coma ERB irradiando uma potencia de 5 W. A antena
transmissora tem ganho de 6 dBi. A 10 Km de distancia tem-se uma antena
receptora com diretividade de 1 dB. Determinar a potencia na entrada do
receptor . Resp -67,2 dBm (solução Justino página 140)
A potencia de 20 W na frequência de 1 GHz
foi irradiada por uma antena isotrópica e por uma antena de 30 dBi . Qual é a
potencia EIRP ? Resp 20 KW (Justino pág 138)
4. Arquiteturas em redes sem fio
Redes de Computadores
– Princípios, Tecnologias e Protocolos para projeto de Redes – 1ª. Edição –
Natalia Olifer e Victor Olifer – Editora LTC - (Páginas 187 à 195)
Redes e Sistemas de
Comunicação de Dados – 5ª. Edição Willian Stallings Editora Campus - Capítulo
11 – página 230 à 246)
Redes de Computadores
e a Internet – 3ª. Edição – James Kurose e Keith W. Ross Pearson - (Cápitulo
6 páginas 412 à 418)
(Olifer & Olifer
páginas 189 à 195)
Sistemas de redes sem fio são classificas
nas categorias de móveis ou fixos. Não existe maneira de estabelecer comunicão
móvel sem fios. Sistemas fixos garantem acesso a pontos remotos dentro de
limites (pequenos, médio e grande distâncias)
LANs infravermelhas
(IR) – uma célula individual é limitada a única sala
LANs amplo espectro –
estas Lans operam na faixa de freqüências ISM de modo que não é necessário
licenciamento
microondas de bandas
estreita – podem utilizar freqüências licenciadas ou não
(tabela 11.1 da página 234 do livro
do Stallings)
4.3.1. sistemas ponto a ponto:
Este esquema é frequentemente utilizado na
criação de linhas de retransmissão de rádio (rádio enlaces). Radio enlaces
operam na faixa de microondas (GHz) utilizando antenas parabólicas e permitem a
transmissão de informações a distancias superiores a 50 Km. A utilização de
visada direita (LOS – Line of Signal) . Costuma-se referir a esta
arquitetura como backaul.
Neste esquema, podemos utilizar as
tecnologias de radio bem como o laser e infra-vermelho quando iremos conectar
dois prédios. Um oputro exemplo são as redes WLAN no caso de redes do tipo ad
hoc (redes não-hierárquica sem um servidor centralizado) e mesmo o Bluetooth.
4.3.2. sistema ponto-multiponto:
Neste esquema, múltiplos terminais de
usuários são conectados a uma estação base (base-station). Os canais são
utilizados tanto em acesso fixos como para acesso móvel.
Aplicações: antenas de TV, Telefonia
celular, redes WLAN do tipo WiFi (802.11) .
Nestes esquemas são utilizadas antenas
setoriais (que abrangem setores específicos – 45 graus) mas que compostas
atingem o setor inteiro (360 graus).
A principal aplicação atual é o sistema de
telefonia celular . Uma estação base é conhecida também como Ponto de Acesso (Access
Point). A maioria dos sistemas de acessos móveis, utiliza o modelo honey
comb(células) representa uma pequena área atendida por uma estação
base. Esta arquitetura permite a reutilização de freqüências. Desta
forma, a operadora utiliza de forma otimizada as freqüências licenciadas que
tem direito e os assinantes não experimentam qualquer problema de interferência
devido ao controle de potencia . Dada a distancia mínima entre os centros de
duas células que usam a mesma freqüência, o numero de freqüências de
reutilização pode ser selecionado de acordo com a formula abaixo:
Número de freqüências de reutilização= D^2
/3R^2 onde,
R é o raio da célula e
D a distancia de
reutilização
Observe que células
pequenas permitem baixas potencias nos terminais dos usuários.
A transição do dispositivo terminal de uma
célula para outra é um problema para os canais móveis e é conhecido com handoff.
Este caso não existe em acessos fixos.
4.3.3. sistema multiponto – multiponto
Neste esquema, o meio comum é compartilhado
por vários nós. Estes nós podem interagir com outros nós sem a necessidade de
um elemento controlador (estação-base). Este caso é utilizado para conectar
computadores em situações especiais. Não tem sido utilizado nas redes
WLAN atuais devido ao baixo desempenho.
4.3.4. sistema por satélite.
São utilizados canais de microondas de alta
velocidade e grandes distancias. São utilizados onde os sistemas onde a linha
de visão não pode ser estabelecida devido a curvatura da terra. O satélite é
uma solução natural para este problema, funcionando como um refletor dos sinais
irradiados da própria terra. O ITU-T alocou diversas bandas de freqüências para
comunicação por satélite (banda L, S, C, Ku e Ka) . As bandas C e Ku são as
mais utilizadas. Apresentar um quadro com as freqüências de downlink e uplink (Tabela
10.1 livro do Olifer página 192).
No sistema por satélite existem duas
arquiteturas: satélites geoestacionário (usado em difusão e estão posicionados
a 35.863 Km de altura) e os satélite MEO e LEO (média e baixa orbita
posicionados entre 5.000 e 15.000 Km e entre 100 e 1.000 Km
respectivamente).
4.3.5. Exemplos do serviço de satélite:
- satélites GEO
banda C: broadcasting - televisão convencional (parabólica)
- satélites GEO
banda Ku: TV por assinatura (serviço DTH – Direct to,the Home)
- satélites GEO
banda C e Ku: sistema VSAT (Very Small Aperture Terminal)
- satélites MEO
– sistema GPS
- sistema LEO: projeto
Iridum de telefonia global e transmissão de dados a 2,4 Kbps
O ITU-T regula as posições do
satélites geoestacionário em suas orbitas .. Os satélites GEO não podem ficar
mais próximos do que 2 graus, desta forma, existe escassez de posição no
espaço.
(Stallings páginas 230 à 232)
extensão de LAN
Interconexão ente
localidades
Acesso Intinerante
Redes ad hoc
Vazão
Número de nós
Conexão a LAN de
backbone
Área de serviço
Consumo de bateria
Robustez na
transmissão
Operação de redes em
local compartilhado
Operação de licença
livre
Handoff/ Roaming
Configuração dinâmica
4.5.1. Exercício:
Quais as desvantagens de um sistema de
satélite geo estacionário ?
Quais aplicações você acredita que um
sistema do Tipo Iridium pode oferecer com vantagens comerciais e chance de
sucesso?
5. Redes LAN sem fios (WLAN)
- Redes de
Computadores – Princípios, Tecnologias e Protocolos para projeto de Redes – 1ª.
Edição – Natalia Olifer e Victor Olifer – Editora LTC
-Redes e Sistemas de
Comunicação de Dados – 5ª. Edição Willian Stallings Editora Campus - (Capitulo
11 – página 235 à 238)
-Redes de Computadores
e a Internet – 3ª. Edição – James Kurose e Keith W. Ross Pearson - (Capítulo
6 páginas 393 à 412)
redução da força do
sinal (atenuação de percurso devido a dissipação do
sinal pelo ambiente com a consequente redução da sua força)
interferências de
outras fontes : várias fontes transmitidos na mesma
freqüência sofrerão interferências . Mesmo o ruído eletromagnético presente no
ambiente é um elemento que pode resultar em interferência
propagação multipercursos
: (multicaminhos ou multiptah) ocorrem quando parte da onda
eletromagnética se reflete em objetos e no solo e tomam caminho de comprimentos
diferentes entre o emissor e receptor. Isto resulta em embaralhamento do sinal
recebido. O mesmo efeito ocorre quando o receptor de movimenta em relação ao
emissor.
Com estas considerações levam a compreender
porque foi desenvolvida uma nova camada de acesso ao meio (MAC) que retransmite
quadros corrompidos assim como, implementam poderosos códigos de detecção
de erro (CRC).
Pilha do protocolo (Olifer&Olifer
página 274-figura 14.9, Stallings 236 – figura 11.5)
A camada MAC abrange três áreas funcionais:
entrega de dados
confiáveis
controle de acesso
segurança
5.2.1. Controle de acesso
Assim como em uma LAN é preciso de um
protocolo de acesso múltiplo para coordenar as estações envolvidas. Existem
quatro classes em protocolos de acesso: partição do canal, acesso
aleatório, revezamento e CDMA. No projeto 802.11 foi escolhido o acesso
aleatório. O protocolo de acesso foi designado como CSMA com prevenção de
colisão (CSMA/CA).
Neste protocolo cada estação ”sonda”
o canal antes de transmitir e abastem-se de transmitir quando o mesmo está
ocupado. Existem duas diferenças fundamentais com relação ao protocolo ethernet
tradicional:
o padrão 802.11 usa
uma técnica de prevenção de colisão.
devido a elevada
probabilidade de erros de bits em redes sem fio é utilizado o
reconhecimento/retransmissão (ARQ)
5.2.2. Reconhecimento da camada de enlace
Quando uma estação de destino recebe um
quadro que passou na verificação de erro de quadro (CRC) a estação receptora
espera um curto período de tempo conhecido como SIFS espaçamento curto
inter-quadros (Short Inter-Frame Spacing) e então devolve um quadro de
reconhecimento (ACK). Se a estação transmissora não receber esta
confirmação, ela admitirá que ocorreu um erro e retransmitirá o quadro
novamente. Se após um numero fixo de retransmissões não lograr sucesso,
descartará o quadro.
5.2.3. Detalhamento do CSMA/CA: (Kurose figura 6.8 página 405)
1: caso exista ociosidade no canal, uma
estação que deseja transmitir, espera um tempo conhecido como espaçamento
inter-quadros distribuídos – DIFS (Distributed Inter-Frame Space)
2 caso esteja em uso, a estação receberá um
valor aleatório de backoof e fará a contagem regressiva deste valor quando
perceber que o canal está ocioso. Se o canal estiver ocupado, o contador
permanece parado.
3 Se o contador chegar a zero, (a estação
sabe que o canal está ocioso) ele transmite a informação e aguarda o
reconhecimento de alguma estação
4 Se receber o reconhecimento saberá que a
estação foi corretamente recebido. Se tiver um outro quadro a ser
transmitido, iniciará o protocolo pela etapa 2. Se não receber reconhecimento
entrará novamente na fase de backoff (etapa2) e escolherá um valor
aleatório dentro de um intervalo maior
5.2.4. Terminais ocultos: RTS e CTS:
O protocolo MAC prevê um esquema adicional
de ajuda para evitar colisões mesmo na presença de terminais ocultos (estações
que não são “vistas” por todos os membros de uma rede sem fio)
(Kurose figura 6.9 na página 407). Este
esquema pode ocorrer com alguma freqüência pois é possível que uma estação
esteja na área de cobertura de um AP assim como outra estação mas as duas
estações não estão na mesma área de cobertura e assim não conseguem acompanhar
a transmissão da outra.
Para evitar este problema, o protocolo
802.11 permite que uma estação utilize um quadro de controle – solicitação de
envio – RTS (Request to Send) e um quadro de controle – pronto para
envio – CTS (Clear to Send) para resevar o canal. Uma estaçãol assim
envia um RTS antes de enviar a mensagem e o AP responde com um CTS . O
quadro CTS possui duas finalidade: dar permissão ao remetente de para
transmissão e instruir as outras estações a não enviar dados durante o tempo
reservado.
5.2.5. Quadro 802.11 (Kurose página 409 –figura 6.11)
Embora o quadro 802.11 tenha semelhança com
o ethernet (802.3) eles possui campos específicos para enlaces de redes sem
fio.
Faça uma breve descrição dos
principais campos incluídos (Controle do quadro), duração, campo de endereços (existem
4 no 802.11 !).
Detalhamento do quadro de controle e de ênfase
a justificar os 4 campos de endereços:
endereço da estação de
origem (endereço-2 pode ser de uma estação ou AP)
endereço de destino
(endereço-1 pode ser de uma estação ou AP)
endereços extra-1
(endereço-3) serão necessário para interconexão de redes ou seja, para mover o
datagrama de uma estação, passando por um AP até a interface de um roteador.
endereço extra-2
(endereço-4) é utilizada em redes ad-hoc mas não em infra-estrutura (assuntos
a serem visto na aula seguinte)
Nas páginas 409/410 do livro do Kurose
existe explicação detalhada do processo de uso do endereço 3.
5.2.6. Atividade Prática
Utilizando o analisador de protocolo
wireshark e no mínimo três estações (dois computadores e um AP) efetue analise
do protocolo de acesso a meio . Procure efetuar uma transferência de arquivo
entre uma estação e a rede e tente navegar na outra estação. O analisador
deverá ser instalado nas duas estações. Ajuste os horários dos relógios dos
computadores por NTP ou por ajuste manual
5.2.7. Exercício:
Que tipo de problema voce observou como
usuário do 802.11 ? Como os projetos do 802.11 podem evoluir para melhorar
estes problemas?
6.
Redes
WLAN padrão IEEE 802.11 (Wi-Fi)
- Redes de
Computadores – Princípios, Tecnologias e Protocolos para projeto de Redes – 1ª.
Edição – Natalia Olifer e Victor Olifer – Editora LTC
-Redes e Sistemas de
Comunicação de Dados – 5ª. Edição Willian Stallings Editora Campus
-Redes de Computadores
e a Internet – 3ª. Edição – James Kurose e Keith W. Ross Pearson
Associação: estabelece
uma associação inicial entre a estação e um ponto de acesso
Re-associação:
transferência de uma associação de um ponto de acesso a outro
De-associação:
notificação por parte da estação ou do ponto de acesso que a associação está
terminada.
Autenticação:
estabelece a identidade das estações uma para as outras
Privacidade: impedir
que seja lidos por outras pessoas além do destinatário
Existe um quadro interessante na página 274
do livro Olifer&Olifer (filgura 14.9) que apresenta todas as tecnologias
disponíveis para a canal física.
TODOS os padrões até o 802.11 g operam em
um único canal de 20 MHz
Os padrões existentes, incluindo ai o 802.11n,
apresentam uma novidade: a possibilidade da operação em múltiplos streams e a
operação com canal de 20 MHz e 40 MHz.
No caso da rede 802.11n, utilizando um
canal com 40 MHz e 4 streams a taxa pode chegar a 600 Mbps. A técnica neste
caso é a agregação de quadros em diferentes canais.
6.2.1. Arquitetura 802.11
(Kurose página 402 /
Olifer&Olifer página 275 e 276, Stalling página 235)
Estações: computadores
ou dispositivos com interface
Meio: podem-se definir
dois, a radiofrequência e os infra-vermelhos.
Ponto de acesso (AP):
tem as funções de uma ponte (liga duas redes com níveis de enlace parecidos ou
diferentes), e realiza por tanto as conversões de trama pertinente.
Sistema de
distribuição: importantes já que proporcionam mobilidade entre AP, para tramas
entre diferentes pontos de acesso ou com os terminais, ajudam já que é o
mecânico que controla onde esta a estação para lhe enviar as tramas.
6.3.1. Conjunto de serviço básico (BSS):
Grupo de estações que se intercomunicam entre
elas. Define-se dois tipos:
Independentes
(ad-hoc): quando as estações, se intercomunicam diretamente.
Infra-estrutura:
quando se comunicam todas através de um ponto de acesso.
6.3.2. Conjunto de serviço Estendido (ESS):
União de vários BSS.
6.3.3. Área de Serviço Básico (BSA):
Zona onde se comunicam as estações de uma
mesma BSS, se definem dependendo do médio.
6.3.4. Mobilidade
Conceito importante nas redes 802.11, já
que o que indica é a capacidade de mudar a localização dos terminais, variando
a BSS. A transição será correta se realiza-se dentro do mesmo ESS em outro caso
não poder-se-á realizar.
6.3.5. Limites da rede
Os limites das redes 802.11 são difusos já
que podem solaparse diferentes BSS.
Quando uma rede sem fio, disponibiliza APs,
estas são denominadas redes de infra-estrutura. È possível que alguns
terminais se reúnam e componham uma rede ad-hoc (usuários
temporários) sem um controle central e sem conexão ao mundo externo. O padrão
802.11 define duas arquiteturas:
6.3.6. Redes BBS
conjunto básico de serviços (Basic
Service Set) é a menor unidade de uma WLAN são compostas por grupo de
estações individuais. que podem estar isoladas entre si contendo uma estação
base; os nós dessas redes se comunicam diretamente um com os outros. (Ver
figura 14.11 em Olifer&Olifer página 276, Figura 6.6 de Kurose página
402 ou Stallings figura 11.4 página 234).
As estações base são chamadas de APs (Acess
Point) e uma BBS pode estar isolada o conectar-se a um sistema de
distribuição DS (Distribution System). Um sistema de distribuição (que
interliga os APs) pode ser composto de redes sem fio ou redes cabeadas.
Quando um AP está sendo utilizado para
constituir uma rede de distribuição damos o nome de DSS (Distribution System
Service). A tarefa do DSS é transmitir pacotes entre estações que por algum
motivo não podem ou não querem interagir diretamente . O motivo mais comum é
que as estações pertencem as BSS diferentes .
6.3.7. - Redes ESS
conjunto estendido de serviços (Extended
Service Set) constituem-se diversos BSS conectados a um DS. Esta estrutura
proporciona mobilidade as estações pois elas podem se movimentar entre
diferentes BSS. Por meio de uma ESS que interligamos a rede com fios e ao resto
da LAN de uma organização.
Ao instalar um AP, um administrador de rede
designa ao ponto de acesso um identificador de conjunto de serviço – SSID(Service
Set Identifier) .
(Referencia ao assunto a seguir podem ser
encontrados em http:www.cisco.com/ipj volume 9, número 3 - september
2009)
No modelo infra-estrutura, existe a possibilidade
de implantarmos a infra-estrutura em três arquiteturas:
Infra-estrutura autônoma Os APs
trabalham de forma independente e cada um deve ser configurado individualmente
e trabalha de forma independe. O ajuste das freqüências utilizadas deve ser
cuidadosamente estudado. Os APs neste caso são chamados de Fat AP.
Infra-estrutura centralizada: Neste caso, o modelo é
hierárquico e envolve um controlador dos APs. Os APs neste caso são chamados de
“Thin APs” pois o software neles existente é diferente das versões
autônomos. Estes controladores de AP (WLAN Switch) são responsáveis pela
gerencia de freqüência, potencia, numero de usuários por AP e executa o handoff
entre os APs garantindo uma boa distribuição dos usuários por APs.
Infra-estrutura distribuída: Neste
caso, os vários APs, fazem uma arquitetura distribuída através de conexões
feitas via cabos ou através da própria rede sem fio. Os Aps são interligados
por links 802.11 e 802.3
6.4.1. Exercício:
È possível para uma estação pertencente a
uma rede 802.11 transmitir um quadro para outra estação pertencente a mesma BSS
usando um AP?
7. Projeto de uma rede 802.11
- Redes de
Computadores – Princípios, Tecnologias e Protocolos para projeto de Redes – 1ª.
Edição – Natalia Olifer e Victor Olifer – Editora LTC
-Redes e Sistemas de
Comunicação de Dados – 5ª. Edição Willian Stallings Editora Campus
-Redes de Computadores
e a Internet – 3ª. Edição – James Kurose e Keith W. Ross Pearson
local a ser utilizado
a rede (interno/externo – indoor/outdoor)
numero médio de
usuários
área de cobertura
existência de outras
redes WLAN (verificar a freqüência e canais em utilização)
infra-estrutura
existente (rede cabeada, energia elétrica,)
condições para
instalação de antenas internas e externas . No caso de redes externas deve-se
verificar as condições de segurança para a instalação da antenas (pára-raios)
materiais encontrados
na instalação/salas
tipo de utilização da
rede (constante, esporádico, etc..)
serviços a serem
utilizados na WLAN (acesso a Internet, acesso a banco de dados, VOIP, VOD,
etc...)
Site-Survey (levantamento em campo)
onde diversos aspectos devem ser observados (materiais existentes, nível de
interferência, existência de rede cabeada ou sem fio).
Análise da atenuação do sinal. Uma forma
de avaliar o índice de atenuação do sinal (testar nas duas freqüências 2,4 GHz
e 5 GHz) é colocar um AP dentro de uma sala e avaliar com um notebook o sinal
no lado externo da sala, tomando alguma distancia entre os dois pontos.
Alocação de canais e reutilização de freqüência. A alocação de freqüência em sistema WLAN 802.11 é comum e devemos
efetuar uma analise na definição das freqüências a serem utilizadas. O
equilíbrio de potencia é fundamental para evitar interferências nos canais
escolhidos.
Escolha das antenas: a escolha das
antenas merece um detalhe especial. Existem diversos modelos para utilização
interna e externa. O diagrama de radiação da antena é fundamental para definir
a sua aplicação. Antenas diretivas são utilizadas em links ponto a ponto e
antenas menos diretivas (setoriais) atendem a usuários localizados em
determinados setores. As antenas mais tradicionais que fazem parte dos AP são
to tipo onidirecional e devem ser ajustadas para aproveitar a potencia máxima.
Instalar as antenas em parede podem diminuir a eficiência na cobertura pois
atendem parte do sinal será desperdiçada na parte traseira.
Cabo irradiante (verificar o site do
fabricante RFS – Radio Frequency System)é um cabo que elimina a
necessidade de antena tradicional. Trata-se um cabo coaxial que ao contrário
dos demais cabos irradia, o sinal para o exterior de uma forma organizada ao
longo de todo o cabo. A potencia uniforme transmitida ao longo do cabo
permite projetos interessantes em algumas situações . Um exemplo é o caso de
hoteis e hospitais onde o lay-out do edifício permite um diagrama de irradiação
Cálculo de cobertura (Link Budget)
Softwares ou calculadoras (exemplo projeto jubarte – http://sites.google.com/site/jubartecalc/)
auxiliam no cálculos de enlaces ponto a ponto.
Rede de interconexão dos APs . As redes
que interconectam os APs podem ser de dois tipos: cabeadas e não cabeadas (wireless).
No caso de redes
cabeadas, um projeto eficiente de cabeamento estruturado ajuda a interconectar
todos os APs de um campus ou edifício. Um aspecto importante das redes de
distribuição dos APs cabeadas é que podemos utilizar o padrão 802.3af (POE – Power
Over Ethernet) para alimentar os APs. Isto permite uma instalação com alta
disponibilidade (os APs tem alimentação concentrada nos armários de piso e
“limpa” pois apenas um cabo é necessário.
Regra básica 1: quanto
mais alta a frequência mais curta a distancia de transmissão
·
Novas instalações devem decidir
por utilizar novos padrões salvo que tenha muitos equipamentos legados, Deve-se
ponderar a questão de velocidade x alcance. Por exemplo os sistemas 802.11a
possuem taxas de transmissão maiores que os padrões b e g e melhor imunidade,
mas como utiliza frequências maiores (5 GHz) , o seu alcance será mais
curto. Novos projetos com o padrão 802.11n pode resolver alguns destes
problemas mas este padrão ainda não está homologado pela Anatel.
Regra básica 2:
·
Quanto mais alta a frequência,
mais fácil será interromper o sinal. Assim uma analise do ambiente operacional,
é fundamental para decidir a utilização
·
Regras de segurança serão vista
na aula seguinte.
Cada AP é dimensionado para um número
recomendado pelo fabricante, o desempenho do sistema é proporcional ao numero
de usuários por AP. Estude os equipamento com cuidado e muitas vezes, será
necessário um numero maior de APs para cobrir uma área , não pela área de
cobertura mas devido ao numero de usuários conectados.
Existem produtos desenvolvidos para
dimensionar redes sem fio em ambientes de campus ou mesmo dentro de
edificações. A Cisco possuem o WCS – Wireless Control System que a
partir de uma planta baixa do local e as identificações dos tipos de paredes e
limites da edificação permite o dimensionamento (quantidade e localização) dos
APs.
Durante o site-survey e após a
instalação da rede, faz-se necessário um levantamento em campo para comprovar
os resultados previstos no projeto. Para este fim, existem equipamentos
específicos (analisadores de espectro) ou podemos instalar uma placa de rede em
um notebook com um software especifico que configura a placa de rede no modo
promiscuo isto é, captura todo tipo de pacote e fazemos uma analise das
freqüências e dos níveis encontrados.
7.5.1. Atividade Prática
Utilizando um AP portátil e um notebook (ou
dois notebook) tente avaliar no interior da sua faculdade qual o índice de
atenuação dos matérias que compõem o prédio (paredes de concreto, pardes de
gesso – drywall, paredes de vidro . Monte uma tabela com os valores das
atenuações encontradas. Estes valores serão utilizados no projeto de uma WLAN
802.11
7.5.2. Exercício:
Pesquise e informe a principais
características do POE e como ele funciona. Quais são os dispositivos que podem
ser alimentados por este padrão?
8. Projeto de uma rede 802.11 (estudo de caso de um provedor wireless)
- Redes de
Computadores – Princípios, Tecnologias e Protocolos para projeto de Redes – 1ª.
Edição – Natalia Olifer e Victor Olifer – Editora LTC
-Redes e Sistemas de
Comunicação de Dados – 5ª. Edição Willian Stallings Editora Campus
-Redes de Computadores
e a Internet – 3ª. Edição – James Kurose e Keith W. Ross Pearson
O projeto de WLAN proposto será baseado em
um provedor de acesso wireless que cobre um município médio . A
tecnologia utilizada no acesso aos clientes será 802.11 b e g
Haverá a opção em alguns locais da
utilização de serviço móvel e serviço fixo para os clientes
Para o backhaul (interligação dos diversos
POP da empresa), será utilizado algumas das especificações do padrão 802.11.
8.1.1. Aspectos a observar durante a elaboração do projeto:
local a ser utilizado
a rede (interno/externo – indoor/outdoor)
numero de usuários
médios
área de cobertura
existência de outras
redes WLAN (verificar a freqüência e canais em utilização)
infra-estrutura
existente (rede cabeada, energia elétrica,)
condições para
instalação de antenas internas e externas . No caso de redes externas deve-se
verificar as condições de segurança para a instalação da antenas (pára-raios)
materiais encontrados
na instalação/salas
tipo de utilização da
rede (constante, esporádico, etc..)
serviços a serem
utilizados na WLAN (acesso a Internet, acesso a banco de dados, VOIP, VOD,
etc...)
8.1.2. Exercício
Pesquise dos equipamentos, acessórios e
antenas necessárias para o desenvolvimento do projeto em curso. Procure coletar
as principais especificações técnicas e preços aproximados para montar em um
anexo as especificações dos equipamentos envolvidos.
9. Segurança em redes 802.11
-Redes e Sistemas de
Comunicação de Dados – 5ª. Edição Willian Stallings Editora Campus - (Capitulo
11 página 242)
-Redes de Computadores
e a Internet – 3ª. Edição – James Kurose e Keith W. Ross Pearson - (Capitulo 8
– páginas 560 à 564)
A utilização de uma WLAN aumenta a
responsabilidade das equipes de suporte tendo que os mesmos capacitar-se para
tal responsabilidade.
As razões para o uso já foram descritas:
mobilidade, redução de custos de instalação, rede provisória e conexões de nós
remotos. Muitas empresas adotam no raciocínio a brecha de segurança que as
redes sem fio introduz na organização.
Os dispositivos sem fio possuem a
capacidade (nem sempre desejada) de encontrar as conexões automáticas.
9.1.1. Boas práticas
instale os AP fora do
firewall da empresa de forma a garantir que os dados corporativos não sejam
propagados
Ative o WEP. Ele pode
ter graves de segurança mas irá deter a maioria dos espiões casuais
Ative o WAP2 . Está é
a geração atual de segurança em redes WiFi
instale os pontos de
acesso em switches do que em HUBs para fornecer filtragem de tráfego e controle
de banda
Realize um
levantamento no site para ver o nível de exposição da rede
De preferência utilie
uma VPN para esta rede
Utilize filtro nas
camadas 2 e 3 para acesso de segurança
Entenda que a maioria
dos problemas (maliciosos ou acidentais) não vem de hackers mas de usuários
internos
Privacidade Equivalente sem fio, fornece
autenticação e cripotografia de dados entre a estação e o AP por meio de chaves
simétricas. Ele não especifica um algoritmo de gerenciamento das chaves e
admiti-se que que ambos os envolvidos conrcadam com a chave por meio de um
método externo. O processo tem 4 fases:
Uma estação requisita
autenticação em um AP
O AP responde com um
nonce de 128 bytes
A estação criptografa
o nonce usando uma chave simétrica que compartilha com o AP
O AP decripta o nonce
criptografado pela estação
Se o nonce decriptado
corresponder ao nonce enviado originalmente a estação, então será autenticado
pelo ponto de acesso.
Este processo atualmente é facilmente
quebrado por softwares encontrados na Internet .
É geração atual de segurança em redes WiFi
(802.11) e utiliza o protocolo de criptografia AES e o padrão 802.11i .
WPA2 tem sido largamente aceita devido a
quatro fatores:
Autenticação mútua –
utiliza 802.1X (WPA2-Enterprise) e PSK (WPA-2 Personal)
Criptografia forte –
utiliza oAES 128 bits
Interoperabilidade – o
sistema é baseado em padrões reconhecidos
Fácil de utilizar
9.3.1. Configurações WPA
Existem duas configurações:
WPA-2-Enterprise e WPA-2-Personal
Enterprise: cada
usuário assina uma credencial única e é necessário um servidor AAA – 802.1x com
suporte a EAP. As chaves são únicas para cada sessão.
Personal: Modo não
gerenciado de aute4nticação utilizando PSK permitindo a entrada do passphrase
manualmente que pode ser compartilhada pelos usuários na rede. Não é
necessário um servidor de autenticação. As chaves são únicas por cada sessão
É um padrão IEEE para controle de acesso à rede com base em
portas; Provê um mecanismo de autenticação para dispositivos que desejam
juntar-se à uma porta na LAN, seja
estabelecendo uma conexão ponto-a-ponto ou prevenindo acesso para esta porta se
a autenticação falhar. É usado para a maioria dos AP é baseado no
Protocolo de Autenticação Extensiva (EAP).
Uma estação precisa
autenticar-se antes de poder ter acesso aos recursos da LAN. 802.1X prevê
autenticação baseada em portas, que envolve comunicação entre a estação
requisitante, o autenticador e o servidor de autenticação.
O requisitante é a
estação-cliente, o autenticador é um SwitchEthernet ou AP, e a
autenticação geralmente uma base de dados RADIUS. O autenticador atua como uma proteção
secundária à rede. Não é permitido a estação-requisitante acesso através do
autenticador ao lado protegido da rede até que a identidade do requisitante
seja autorizada. Com a autenticação baseada em portas 802.1X, o requisitante
provê credenciais como nome de usuário / senha ou certificado
digital, ao autenticador, e ele encaminha as credenciais até o
servidor de autenticação para verificação. Se as credenciais são válidas (na
base de dados do servidor de autenticação), a estação-requisitante é permitido
acessar os recursos localizados no lado protegido da rede.
Sob detecção de um
novo cliente, a porta na swtich (autenticador) é habilitada e mudada para o
estado “não-autorizado”. Neste estado, apenas tráfego 802.1x é permitido;
outros tráfegos, como DHCP e HTTP, são bloqueados na camada de enlace.
O autenticador envia a identidade de autenticação EAP-request' ao
requisitante, que por sua vez responde com o pacote EAP-response que o
autenticador encaminha ao servidor de autenticação. Se o servidor de
autenticação aceitar a requisição, o autenticador muda o estado da porta para o
modo “autorizado” e o tráfego normal é autorizado. Quando o requisitante efetua
um logoff, envia uma mensagem EAP-logoff para o autenticador. O autenticador
então, muda sua porta para o estado “não-autorizado”, bloqueando
novamente todo o tráfego não-EAP.
Como o WEP oferecia criptografia
relativamente fraca, somente um único modo de oferecer autenticação e nenhum
mecanismo de distribuição de chaves, o padrão 802.11i fornece formas de
criptografias muito mais robustas, um conjunto extensível de mecanismo de autenticação
de chaves e um mecanismo de distribuição de chaves (um esquema pode ser visto
em Kurose – figura 8.36 página 563).
Além da estação cliente e do AP, devemos
definir um servidor de autenticação com o qual o AP possa se comunicar. O
funcionamento do padrão 802.11i apresenta 4 fase:
Descoberta:O AP se
anuncia sua presença e as formas de autenticação e criptografias podem ser
oferecidas aos clientes
Autenticação mútua e
geração de chave mestra (Master Key – MK) A autenticação ocorre entre a estação
cliente e o servidor de autenticação. O AP serve apenas como passagem. O
protocolo EAP é trocado entre a estação e o AP bem como entre o AP e o servidor
(Protocolo RADIUS) via uma rede cabeada. O servidor pode escolher um ente
vários modos de efetuar a autenticação. O mais utilizado é o EAP-TLS (chaves
públicas) de forma a permitir a autenticação mútua entre servidor e a
estação-cliente
Geração de Chave
mestra de Par (Pairwise Master Key – PMK) . A MK é um segredo
compartilhado entre o servidor e a estação cliente e eles a utilizam para gerar
uma segunda chave, a PMK. O servidor a envia então ao AP. Assim a estação
cliente e o AP tem agora uma chave compartilhada (o que não ocorria no WEP)e
agora autenticam-se mutuamente e estão prontos a operar.
Geração da chave
Temporária (Temporal Key – TK). Com a PMK, a estação cliente e o AP
podem agora gerar chaves adicionais que serão utilizadas na comunicação. Esta
chave TK será utilizada para a criptografia na camada de enlace
(filtro de MAC, firewall, etc.)
10. Projeto de uma rede 802.11 (estudo de caso : rede interna de um edifício comercial
- Redes de
Computadores – Princípios, Tecnologias e Protocolos para projeto de Redes – 1ª.
Edição – Natalia Olifer e Victor Olifer – Editora LTC
-Redes e Sistemas de
Comunicação de Dados – 5ª. Edição Willian Stallings Editora Campus
-Redes de Computadores
e a Internet – 3ª. Edição – James Kurose e Keith W. Ross Pearson
O projeto de WLAN proposto será baseado em
uma rede WLAN em um prédio comercial (hotel, hospital, escola etc...) com
vários pavimentos com base no padrão 802.11. Será utilizado na rede de
distribuição, o cabeamento estruturado que o prédio possui. A alimentação dos
APs será por meio de switches Ethernet POE.
- local a ser
utilizado a rede (interno
- numero de usuários
médios
- área de cobertura
- existência de outras
redes WLAN (verificar a freqüência e canais em utilização)
-
infra-estrutura existente (rede cabeada, energia elétrica,)
- condições para
instalação de antenas internas e externas .
- materiais
encontrados na instalação/salas
- tipo de utilização
da rede (constante, esporádico, etc..)
- serviços a serem
utilizados na WLAN (acesso a Internet, acesso a banco de dados, VOIP, VOD,
etc...)
- segurança de acesso
(deverá existir uma rede segura e uma rede “aberta”) com dois SSID nos
11. Instalação e configuração
-Redes de Computadores
– Princípios, Tecnologias e Protocolos para projeto de Redes – 1ª. Edição –
Natalia Olifer e Victor Olifer – Editora LTC
-Redes e Sistemas de
Comunicação de Dados – 5ª. Edição Willian Stallings Editora Campus
-Redes de Computadores
e a Internet – 3ª. Edição – James Kurose e Keith W. Ross Pearson
Na implantação de um projeto de rede sem
fio existem dois personagens: projetista e o instalador.
11.1.1. O Projetista é o responsável por:
Cálculo dos link e
perdas
site survey(levantamento em campo das informações)
definição da
localização inicial dos AP (antenas)
detalhamento de
sistemas de proteção contra descargas atmosféricas
11.1.2. O instalador é o responsável por :
instalação adequada
dos AP/antenas
terminação dos
equipamentos e proteção dos cabos
ajuste nas antenas
efetuar levantamento
de cobertura e verificar o atendimento dos parâmetros de projeto
verificação no
atendimento das normas de instalação de infra-estrutura (cabeada e não cabeada)
11.1.3. Melhores práticas de instalação:
Escolher os menores
comprimentos de cabos entre as antenas e o AP (quando aplicável). AS parte de
RF (radio freqüência) sempre é amais sensível. Se o AP já inclui a
antena, o limite é o comprimento do cabo de rede que atende ao AP (100 metros)
Colocar as antenas em
locais visíveis e nas paredes que fazem ângulos (corners das paredes)
Colocar as antenas próximo
ao teto (afastado de uns 10 cm do teto)
Deixar um afastamento
entre a parede e a antena de uns 24 cm (2 comprimentos de onda)
Não esconder a antena
atrás de obstáculos
Não colocar a antena
horizontalmente e observar o posicionamento correto junto ao manual do
fabricante para a correta propagação do sinal
verificar as
interferências nos canais WiFi via softwares existentes (p. exemplo Netstumber)
Antenas onidirecionais
que são usadas em sistemas onde as comunicações são baseadas em células
para redes 802.11 as
freqüências de operação são 2,4 GHz (802.11 b,g) e 5 GHz (802.11a).
para redes 802.11 as
potencias transmitidas estão por volta de 1 watt
padrão de radiação: o
padrão define a propagação de radio da antena. Os AP vem na sua maioria com
antenas que irradiam em todas as direções
ganho: lembrar que 3
dB de ganho (ou perda) significa dobrar a potencia (ou reduzir pela metade).A
maioria das antena é dado em dBi o que significa quanto a antena aumenta a
potencia de transmissão em relação a antena fictícia isotrópica.
Antena onidirecionais
tem ganho em torno de 6 dB e são utilizadas internamente aos edifícios e sua
propagação ocorre em, todas as direções mas principalmente no plano horizontal
(pela edificação) e de forma limitada na vertical. Possui boa cobertura e
serve para ser aplicado em células sobrepondo APs que estejam espalhados na
edificação.
Antenas direcionais (do
tipo yagi) transmitem e recebem sinais melhor em uma direção que em outras. O
diagrama de radiação é como a iluminação de um lanterna e deve ser posicionada
de forma conveniente para cobertura desejada. Antenas de alto ganho possuem
feixes bem estreitos. O ganho é geralmente de 12 dBi ou superior. São
utilizadas em maior frequencia em links ponto a ponto. Em alguns casos, uma
antena direcional pode rduzir o número de AP. Em um armazém comprido por
exemplo, onde seriam necessários 3 APs com antenas onidirecional, uma antena
direcional pode necessitar de apenas um AP.
11.2.1. Calculo de perdas de sinal
Existem calculadoras on line para
cálculo da margem de operação . São utéis para indicar o nível médio do sinal
esperado no receptor.
11.2.2. Ferramentas de site-survey:
http://www.ekahau.com
analisar o potencial
de raio interferência da localidade por meio de software de varredura
prevenir contra fontes
de interferência eliminar. Utilização próximo a fornos de micro-ondas, uso de
redes Bluetooth etc...
prever adequado
nível de cobertura. Verificar o nível do sinal projeto na região de cobertura.
Sinais baixos, são fontes de problemas.
o espectro de RF na
faixa de 2,4 GHz está congestionado e as fontes de interferências mais comum
residem nestas frequências. Se possível, utilizar a faixa de 5 GHz.
verificar roge AP(ou
seja não pertencentes a sua rede)
Quando preparar um site survey para analise
de RF considere:
obter uma planta da
área onde contenha informações de localização dos prédios, material utlizado no
isolamento (madeira, gesso, alvenaria etc...)
inspecione visualmente
a área e verifique a precisão da planta. Verifique barreiras que podem afetar a
propagação do sinal de RF na frequência
identifique as áreas
de usuários. Verifique se os locais são sujeitos a usuários em movimento pois
poucos APs podem dificultar as áreas de roamming.
determine inicialmente
os locais da instalação do APs .
11.3.1. Informações básicas sobre atenuação:
Atenuação é a redução de sinal ao longo da
transmissão. Ela é representada em decibéis (dB). Um sinal de RF que na
transmissão tem a potencia de 200 mW e na recepção o sinal tem 100 mW , a
atenuação representa 3 dB de atenuação.
11.3.2. Causa de atenuação:
Como regra geral, podemos esperar uma
atenuação de aproximadamente 100dB em uma distancia de 200 metros quando
utilizamos rádios 802.11b operando a 11 Mbps. A atenuação não é linear e
cresce exponencialmente quando a distancia aumenta. Os valores típicos de
atenuação para materiais tais como janelas, portas, paredes etc...
Alguns exemplos (lembrando que os valores
são afetados pela freqüência de operação:
Parede com divisórias simples
|
3dB
|
Vidro com esquadria de metal
|
6dB
|
Parede com bloco de tijolo
|
4dB
|
Janela de escritório
|
3dB
|
Porta de metal
|
6dB
|
Porta de metal com bloco parede de bloco
|
12.4dB
|
11.3.3. Valor aceitável de atenuação
Para altas taxas de transmissão o receptor
é mais sensível.Exemplo em 802.11b : transmissão com potencia EIRP de 23 dBm
(200 mW) e a sensibilidade do receptor de – 76 dBm . Atenuação máxima deverá
ser 99 dB ou seja:
A= 23 dBm – (-76) dBm= 99 dB ou seja a 200 metros o sinal deve estar no limiar de recepção da
estação remota.
11.3.4. Re-Utilização de canais:
Um importante aspecto é o numero de canais
disponíveis e a reutilização de canais em função do numero de canais
disponíveis:
- 802.11b tem três canais – 1, 6 e 11
disponíveis
- 802.11a tem 23 canais com 12 canais
padrões (36, 40, 36, 40, 44, 48, 52,56, 60, 64, 149, 153, 157,161)
11.3.5. Algumas fórmulas utilizadas no dimensionamento:
Cell Size (estimate) =
DataRateThroughput_per_Cell/Throughput_per_client_Spec*Protocol_efficiency *
space_per_client
Downlink dB Link Budget AP (estimate) = TxPower(AP) — Attenuator(AP) —
Attenuator(Client) — Client(Noise Floor) > Data Rate SNR
Uplink dB Link Budget (estimate) = TxPower(Client) — Attenuator(Client)
— Attenuator(AP) — AP(Noise Floor) > Data Rate SNR
SIR (estimate) = TxPower (AP/Client) — greater of
[Co-Channel_Power(AP/Client), Power of adjacent-channel (AP/Client)]
Em algum ponto, o tráfego da WLAN irá
encontrar um dispositivo de rede onde ele será comutado para a internet ou para
subredes internas. Conectar dispositivos não seguros a rede pode provocar o
aparecimento de back door que afetam a segurança da rede. Por esta
razão, os APs devem ser separados das redes internas usando alguma política de
segurança como: roteador, firewalls, VPNs, controladores WLAN
A colocação do AP não é necessária apenas
pelo próprio gerenciamento do espectro mas pela deve ser ajustada para que um
AP de um determinado canal não afete ao AP próximo configurado no mesmo canal. O
posicionamento dos AP em círculos (como células) não deve exceder o ponto
médio da célula mais próxima com o AP do mesmo canal. Estes círculos
entretanto são somente válidos no espaço livre e não contam em caso de
obstáculos e devem ser utilizados como regra geral.
Dentro do utilitário de configuração você
poderá habilitar os recursos de segurança. Na maioria dos casos todos os
recursos abaixo vem desativados por default a fim de que a rede funcione
imediatamente, mesmo antes de qualquer coisa ser configurada. Para os
fabricantes, quanto mais simples for a instalação da rede, melhor, pois haverá
um número menor de usuários insatisfeitos por não conseguir fazer a coisa
funcionar
11.6.1. ESSID (SSID):
A primeira linha de defesa é o ESSID (Extended
Service Set ID), um código alfanumérico que identifica os computadores e
pontos de acesso que fazem parte da rede. Cada fabricante utiliza um valor
default para esta opção, mas você deve alterá-la para um valor alfanumérico
qualquer que seja difícil de adivinhar. Geralmente estará disponível no
utilitário de configuração do ponto de acesso a opção "broadcast ESSID".
Ao ativar esta opção o ponto de acesso envia periodicamente o código ESSID da
rede, permitindo que todos os clientes próximos possam conectar-se na rede sem
saber préviamente o código. Ativar esta opção significa abrir mão desta camada
de segurança, em troca de tornar a rede mais "plug-and-play". Você
não precisará mais configurar manualmente o código ESSID em todos os micros.
Esta é uma opção desejável em redes de acesso público, como muitas redes
implantadas em escolas, aeroportos, etc. mas caso a sua preocupação maior seja
a segurança, o melhor é desativar a opção. Desta forma, apenas quem souber o
valor ESSID poderá acessar a rede.
11.6.2. WEP:
Apenas o ESSID, oferece uma proteção muito
fraca. Mesmo que a opção broadcast ESSID esteja desativada, já existem sniffers
que podem descobrir rapidamente o ESSID da rede monitorando o tráfego de dados.
O WEP, (Wired-Equivalent Privacy,) inclui um nível de segurança
equivalente à das redes cabeadas. Na prática, o WEP também tem suas
falhas, mas não deixa de ser uma camada de proteção essencial, muito mais
difícil de penetrar que o ESSID sozinho. O WEP se encarrega de encriptar
os dados transmitidos através da rede. Existem dois padrões WEP, de 64 e de 128
bits. O padrão de 64 bits é suportado por qualquer ponto de acesso ou interface
que siga o padrão WI-FI, o que engloba todos os produtos comercializados
atualmente. O padrão de 128 bits por sua vez não é suportado por todos os
produtos. Para habilitá-lo será preciso que todos os componentes usados na sua
rede suportem o padrão, caso contrário os nós que suportarem apenas o padrão de
64 bits ficarão fora da rede.
O WEP vem desativado na grande maioria dos
pontos de acesso, mas pode ser facilmente ativado através do utilitário de
configuração. O mais complicado é que você precisará definir manualmente uma
chave de encriptação (um valor alfanumérico ou hexadecimal, dependendo do
utilitário) que deverá ser a mesma em todos os pontos de acesso e estações da
rede. Nas estações a chave, assim como o endereço ESSID e outras configurações
de rede podem ser definidas através de outro utilitário, fornecido pelo
fabricante da placa.
11.6.3. WPA
O APs mais modernos começar a suportar o
uso de chaves de encriptação dinâmicas, que não exigirão configuração manual.
Ao adquirir um ponto de acesso agora é importante verificar se ele pode ser
atualizado via software, para que mais tarde você possa instalar correções e
suporte a novos padrões e tecnologias.
Se todos os elementos de rede (AP e
estações) tiverem suporte a WPA-2, utilize pois é o padrão de segurança mais
eficiente em redes sem fio atualmente.
11.6.4. RADIUS:
Este é um padrão de encriptação
proprietário que utiliza chaves de encriptação de 128 bits reais, o que o torna
muito mais seguro que o WEP. Infelizmente este padrão é suportado apenas por
alguns produtos. Se estiver interessado nesta camada extra de proteção, você
precisará pesquisar quais modelos suportam o padrão e selecionar suas placas e
pontos de acesso dentro desse círculo restrito. Os componentes geralmente serão
um pouco mais caro, já que você estará pagando também pela camada extra de
encriptação.
11.6.5. Permissões de acesso:
Além da encriptação você pode considerar
implantar também um sistema de segurança baseado em permissões de acesso. Os
Windows mais atuais ou ainda o Linux, via Samba, já permitem uma
segurança mais refinada, baseada em permissões de acesso por endereço IP, por
usuário, por grupo, etc. Usando estes recursos, mesmo que alguém consiga
penetrar na sua rede, ainda terá que quebrar a segurança do sistema operacional
para conseguir chegar aos seus arquivos. Isso vale não apenas para redes sem
fio, mas também para redes cabeadas, onde qualquer um que tenha acesso a um dos
cabos ou a um PC conectado à rede é um invasor em potencial. Alguns pontos de
acesso oferecem a possibilidade de estabelecer uma lista com as placas que
têm permissão para utilizar a rede e rejeitar qualquer tentativa de conexão de
placas não autorizadas. O controle é feito através dos endereços MAC das placas,
que precisam ser incluídos um a um na lista de permissões, através do
utilitário do ponto de acesso. Muitos oferecem ainda a possibilidade de
estabelecer senhas de acesso.
12. Outras redes sem fios utilizadas em transmissão de dados
-Redes e Sistemas de
Comunicação de Dados – 5ª. Edição Willian Stallings Editora Campus
-Redes de Computadores
e a Internet – 3ª. Edição – James Kurose e Keith W. Ross Pearson
Requisitos técnicos que devem nortear a
busca da melhor tecnologia de transmissão de dados. Isto inclui sistema com
baixa velocidade ou pequeno alcance.
Exemplos: transmissão
de cartão de crédito ainda utiliza com sucesso redes telefônicas convencionas
devido aos seus requisitos: baixo volume de dados enviados, robustez e
disponibilidade do sistema telefônico.
Outro exemplo seria a
coleta remota da medição de contas de água e luz, sistemas de telemetria,
etc...
Isto permite concluir
que a banda passante não é o requisito mais importante de uma rede móvel.
Os sistemas de
transmissão sem fio alternativos ao 802.11 possuem uma gama de características
que permite ao projetista de rede, encontrar alternativas satisfatórias e de
baixo custo para aplicações emergentes.
12.2.1. Bluetooth (IEEE 802.15)
(Kurose Capitulo 6 página 412 / Stallings
capitulo 11 página 240)
O padrão 802.15 é essencialmente uma
tecnologia de “substituição de cabo” pois visam a conetar dispositivos
afastados em até 10 metros.
Suas características são:
curto alcance
baixa potencia
baixa velocidade
Esta rede, cuja especificação original é
chamada de Bluetooth, operam nas freqüências não licenciadas na freqüência de
2,4 GHz em modo TDM (multiplexação no tempo) com time slots de 625
micro-segundos. Durante cada intervalo de tempo, o transmissor transmite por um
dos 79 canais existentes utilizando a codificação FHSS (mudança de freqüência
aleatória) . A velocidade máxima de dados atinge os 721 Kbps.
Estas redes são do tipo ad hoc
ou seja não depende de uma infra-estrutura (um ponto de acesso) e são
organizados em uma pico-rede com até 8 dispositivos ativos. Um dos dispositivos
é o mestre e o seu relógio determina o tempo da rede. O mestre transmite nos
tempos impares e os escravos só podem transmitir somente após o mestre autorizar
e sempre enviando ao mestre os dados. A capacidade total de dispositivos é de
até 255 mas o controle de ativo/desligado e alterado pelo mestre. Dispositivos
sobrepostos em mais de uma pico-rede (scatternets) podem possuir
dispositivos mestre em uma pico-rede e ser escravo em outra.
Os protocolos adotados são os seguintes:
PPP, TCP/IP, OBEX e WAE/WAP
Modelos de uso (alguns exemplos):
transferência de
arquivo
ponte de internet (thetering)
utilizar o celular como modem
acesso a LAN
sincronização de informações
pessoais
telefone três em um
fone de ouvido
12.2.2. WiMax
(fonte : http://pt.wikipedia.org/wiki/WiMAX)
O padrão IEEE 802.16, especifica uma
interface sem fio para redes metropolitanas (WMAN).
Foi atribuído a este padrão, o nome WiMAX - Interoperabilidade Mundial
para Acesso de Micro-ondas (Worldwide Interoperability for Microwave Access)
e surge como potencial concorrente para redes de celulares em ambientes
metropolitanos.
A rede Wimax atualmente possui dois
padrões:
Nomádico (Móbilidade)
(IEEE 802.16-2004): é o padrão de acesso sem fio de banda larga fixa (também
conhecido como WiMAX Fixo)
Móvel (IEEE
802.16-2005): O 802.16e é o padrão de acesso sem fio de banda larga móvel
- WiMAX Móvel (assegurando conectividade em velocidades do dispositivo móvel de
até 100 km/hora).
As redes WiMAX funcionam de maneira
semelhante à das redes Bluetooth. As transmissões de dados podem chegar aos
1Gbps a uma distância de até 50Km (radial ou célula), com atualizações futuras
poderá chegar a 10Gbps.
O funcionamento é parecido com o do
Bluetooth e o Wi-Fi (no ponto de vista de ser transmissão e recepção de ondas
de rádio), usado para comunicação entre pequenos dispositivos de uso pessoal,
como PDAs, telefones celulares de nova geração, computadores portáteis, mas
também é utilizado para a comunicação de periféricos, como impressoras,
scanners, etc.
O WiMAX opera na faixa ISM (Industrial,
Scientific, Medical) centrada em 2,45 GHz, que era formalmente
reservada para alguns grupos de usuários profissionais. Nos Estados Unidos, a
faixa ISM varia de 2400 a 2483,5 MHz. Na maioria da Europa, a mesma banda
também está disponível.
Vantagens
Diminui custos de
infra-estrutura de banda larga
para conexão com o usuário final;
Deverá ter uma
aceitação grande por usuários, seguindo a tecnologia Wi-Fi (IEEE 802.11)
Possibilitará, segundo
a especificação, altas taxas de transmissão de dados;
Possibilitará a
criação de uma rede de cobertura de conexão de Internet similar à
de cobertura celular, permitindo acesso à Internet mesmo em
movimento;
Existe amplo suporte
do desenvolvimento e aprimoramento desta tecnologia por parte da indústria.
Desvantagens
Nos testes atualmente
realizados mostrou-se como grande frustração quanto à taxa de transmissão;
Apesar das muitas
iniciativas e pesquisas, essa tecnologia ainda tem um período de maturação a
ser atingido;
Pode, em alguns
paises, haver sobreposição de utilização de freqüência com algum serviço já
existente;
Em alguns países a tecnologia já foi
inviabilizada devido a uma política específica para proteção do investimento de
capital (CAPEX), já realizado com licenças da tecnologia de telefonia móvel
UMTS.
Nas faixas de frequência mais altas existem
limitações quanto a interferências pela chuva, causando diminuição de taxas de
transferências e dos raios de cobertura.
No Brasil, existe regulamentação para as
freqüências de 2,6 GHz (junto ao MMDS), 3,5 GHz e 5,0 GHz (sem licença). A
principal operadora que utiliza a tecnologia é a Embratel (Brasil) e a Neovia
na região de São Paulo.
12.2.3. Acesso celular à Internet e rede de dados utilizando a arquitetura de celular
A área de cobertura dos Hotspots
WiFi (APs) na maioria dos casos é pequena e atinge diâmetros de até 100 metros.
O que fazer quando a aplicação exige a transmissão de dados quando está
afastada de um Hotspot? As redes de telefonia celular já possuem capilaridade e
tecnologia suficiente para suprir estas necessidades com velocidades médias
e um custo aceitável. A discussão a seguir sobre as tecnologias celulares
será uma descrição simplificada e nos aspectos mais importantes destas
tecnologias.
O termo celular refere-se a estratégia
adotada de dividir as áreas de coberturas conhecidas como células. Cada célula
contém uma ERB – Estação rádio base que transmite e recebe sinais das estações
móveis dentro da área de operação da célula. Esta área de cobertura da célula
depende de muitos fatores destacando-se potencia de transmissão da ERB,
potencia de transmissão do dispositivos móvel, obstáculos, altura das antenas
etc...
O posicionamento das ERB pode ser
centralizado na célula ou no encontro de três células de modo que uma única ERB
com antenas direcionais possa atender três células. Cada ERB está conectada na
rede pública de telefonia comutada (semelhante as redes fixas) por meio de uma
rede cabeada (em fibra óptica) ou em locais mais distancias, via rádio ponto a
ponto. Uma Central de Comutação de unidade móvel (MSC – Mobile Switching
Center) gerencia o estabelecimento e o termino de chamadas originadas ou
dirigidas as estações móveis.
12.2.4. Aumento de capacidade:
Diversos métodos foram utilizados para
resolver o problema de aumento de capacidade :
inclusão de novos
canais
empréstimo de
freqüência
divisão de células
setorização de células
micro-células (potencias
reduziram de 10 para 1 W e raio de cobertura de 20 km para 1 km)
12.2.5. Gerações de telefonia celular:
12.2.6. 1ª. Geração:
Tecnologia FDMA projetados somente
para serviços de voz
12.2.7. 2ª. Geração:
Sistemas digitais também projetados e
otimizados principalmente para serviços de voz e só desenvolveram
sistemas de transmissão de dados na transição de geração (2,5G) .As principais
tecnologias nesta geração(voz):
·
TDMA
(IS-136)
·
GSM
(Global System for Mobile Comunication)
·
CDMA (IS-95)
12.2.8. Geração 2,5 G
Desenvolvimento de padrões para comunicação
de dados – padrões:
GSM-GPRS (General
Packet Radio Service) – o padrão emula um modem entre o usuário e a rede de
destino por meio de comutação de circuitos tanto para voz como para dados em
uma rede GSM adjacente A taxa máxima de dados é de 9,6 kbps,
incompatível com as aplicações de internet mas suficiente para outras
aplicações.
GSM-Edge (Enhanced
Data Rates for Gobla Evolution) – com a substituição do esquema de
modulação do GSM por um esquema mais potente foi possível otimizar a capacidade
de dados na rede. A taxa máxima pode chegar a 384 Kbps.
CDMA 2000 esta
tecnologia evolui e o pacote de dados pode chegar até 144 kbps
12.2.9. 3ª. Geração:
Os sistema de 3ª. Geração foram
desenvolvidos para prover serviços de voz e dados a taxas mais elevadas e obrigatoriamente
devem prover: 144 kbps em velocidade de transito, 384 para utilização
estacionária ou a velocidades de quem anda á pé, 2 Mbps em ambiente interno
Dois padrões emergem:
UTMS (Universal
Mobile Telecommunication Service) é uma evolução do GSM para suportar as
capacidades do 3G.
CDMA-2000 é uma
evolução do IS-95 2G e utiliza o CDMA na sua interface ar
12.2.10. 4ª. Geração:
WCDMA - HSPA (High
Speed Packet Access), HSPA irá fornecer aos usuários finais
taxas de tranmissão de dados que poderão atingir no pico até 14 Mbit/s no
download e 5.8 Mbit/s de upload.
WCDMA - LTE (Long Term Evolution). As
especificações do LTE preveem ao usuário final picos de até 100 Mbps
de download e até 50 Mbps de upload.
12.2.11. Estágio atual de desenvolvimento e produção:
Picos de download
de 326.4 Mbit/s para 4x4 antenas, e172.8 Mbit/s para 2x2 antenas
(utilizando canais de 20 MHz)
Picos de upload de
86.4 Mbit/s para cada canal de 20 MHz usando antenas simples
Até 200 usuários
de dados ativos em cada célula de 5 MHz l
12.2.12. Exercício:
De que maneira o conceito de associação
está relacionado com a mobilidade ?
Um concorrente do Bluetooth é o IrDA (Infrared
Development Association). Compare os dois meios de rede sem fio e
caracterize um cenário onde cada um deles pode ser a solução ideal
Aula: 01 Histórico e Contextualização das Redes
Sem Fio
Definição E Requisitos De
Uma Rede Sem Fio
Uma vez selecionada a modalidade de rede sem fio para suporte
à uma determinada aplicação, em telecomunicações, é necessário verificar quais
requisitos são necessários para suporte à aplicação e ao modelo de negócios,
antes de escolher qual será a tecnologia aplicada.
A seguir analisarmos os requisitos mais frequentes:
·
Área de cobertura: Deve-se
considerar a área de cobertura a ser abrangida, principalmente se será uma
cobertura para ambientes confinados (indoor) ou para regiões abertas (outdoor).
Em cada caso existem tecnologias mais apropriadas, por exemplo o padrão Wi-Fi
foi desenhado para cobertura indoor e, um outro padrão, o WiMAX IEEE 802.16 foi
desenhado para cobertura outdoor, mas isso não impede que sejam utilizados em
ambientes diferentes para os quais foram desenhados. Indica apenas que sua
máxima performance será obtida no ambiente para o qual foi desenhado.
Nas redes outdoor
deve-se adicionalmente, verificar se há necessidade de ‘penetração indoor’ ou
seja que o sinal da estação rádio base externa penetre nas estruturas das
edificações à sua volta, isso limita o raio de cobertura e exige a utilização
de níveis de potência adequados.
Também é necessário
calcular quantas estações rádio, ou satélites, serão necessários para cobrir
toda a região de interesse, seja ela indoor ou outdoor.
·
Largura de Banda: Este
requisito limita a banda total líquida (througput) entregue ao terminal (taxa
de donwlink), e a banda total líquida (througput) que o terminal pode entregar
à rede (taxa uplink).
Todavia, esse não é
um parâmetro de fácil obtenção pois dependerá de outros parâmetros como
potência do sinal, níveis de interferência, quantidade de terminais
concorrentes na mesma portadora de acesso (canal de rádio a que está
associado), comportamento estatístico do tráfego dos demais terminais e
capacidade máxima (taxa de pico) de cada da portadora.
Após todas as
considerações de projeto é possível obter um valor típico de througput médio esperado
para cada usuário. Se este valor típico suportar a aplicação ela poderá ser
cursada.
Por exemplo,
aplicações de voz digitalizada com Codec ITU-T G.711, necessitam de pelo menos
60kbps de uplink e de donwlink ao mesmo tempo para a emulação de VoIP. Se for
necessário enviar um canal de TV digitalizado em Standard Format ou SD
compactada por H.264 é necessária uma rede que suporte largura de banda de pelo
menos 4Mbps na média com picos de 8Mbps.
·
Capacidade: O conceito de
capacidade está relacionado ao througput máximo concentrado, tanto de downlink
como de uplink, de todos os usuários sobre o ponto de acesso. Por consequência
a quantidade de usuários suportado pode ser estimada a partir da capacidade
máxima de dados cursados pelo ponto de acesso dividida pelo perfil de consumo
de banda (obtido estatisticamente) , ou por uma limitação programada da banda
passante de dados média por usuário.
Existem vários
modelos matemáticos para se calcular a capacidade de uma rede sem fio, eles
variam conforme a tecnologia e conforme as características do serviço que será
oferecido.
·
Duplexação (Direcionalidade): A
duplexação tem haver com a direção da comunicação, quando a comunicação ocorre
apenas em um sentido, por exemplo como ocorre com as redes de broadcast de TV
digital a duplexação é classificada como Simplex.
Em relação ao
terminal sem fio, quando a comunicação ocorre tanto no sentido da recepção,
downlink, quanto no sentido da transmissão, uplink, simultaneamente, como
ocorre nas redes digitais de telefonia celular tipo GSM, a duplexação é
classificada como Full-Duplex.
Em relação ao
terminal sem fio, quando a comunicação ocorre tanto no sentido de recepção,
downlink, como no sentido de transmissão, uplink, entretanto de forma não
simultânea, hora recebendo, hora transmitindo, como ocorre com as redes Wi-Fi,
a duplexação é classificada como Half-Duplex.
As diferentes
tecnologias de rede sem fio utilizam diferentes esquemas de duplexação, a
análise deste requisito é necessária para se avaliar se há necessidade de
comunicação bidirecional e caso haja se a aplicação é sensível aos intervalos
de tempo do esquema Half-Duplex.
Esquemas Half-Duplex
tem se demonstrado mais eficientes no uso do canal em aplicações de comunicação
dados, pois o tráfego de dados, estatisticamente possui maior vazão em um dos
sentidos raramente sendo simétrico. No caso de aplicações de telemetria e
telecomando o uplink prevalece, no caso de aplicações de acesso à Internet o
downlink prevalece. O uso de esquema de tráfego simétrico para aplicações não
simétricas implica em ociosidade no uso da banda de uma das direções.
·
Número de Nós: O número
de nós da rede influencia na escolha da tecnologia a será adotada e no
dimensionamento da infraestrutura.
Cada ponto de acesso
suporta um número limitado de terminais, logo podem ser necessários vários
pontos de acesso para atender uma determinada quantidade de terminais, o perfil
de tráfego dos terminais pode motivar o redimensionamento da capacidade
do backhaul e do backbone.
·
Espectro de Operação: O espectro
está diretamente relacionado às condições de propagação adequadas à aplicação.
Quanto mais baixas as frequências menor é sua atenuação no espaço livre, maior
a capacidade da onda em contornar obstáculos, logo maiores são as distâncias
percorridas pela onda entre transmissor e receptor, para uma mesma atenuação.
Também são melhores as condições de penetração em edificações.
Entretanto, nem
sempre é desejável que a cobertura de uma estação rádio ou de um ponto de
acesso seja muito grande. Por exemplo, quando se ativa um ponto de acesso Wi-Fi
em um edifício, não se deseja que a portadora penetre em todos os andares da
edificação, nem mesmo que ela se expanda além dos cômodos onde estão as
estações terminais. Neste caso é utilizado espectro com canais em frequência
mais alta, como GHz.
A escolha do espectro
de operação também influencia no tamanho e na complexidade das antenas. Quanto
maior a frequência de operação de um canal, menores são as antenas utilizadas,
por isso que aplicações de comunicações pessoais sem fio ou com transceptores
pequenos operam em geral com frequências na faixa de microondas.
·
Mobilidade: A mobilidade é um
requisito essencial para a análise de comportamento do canal de rádio e para os
cálculos de enlace. O modelo de comportamento de um canal móvel, inclui margens
de potência adicionais nos cálculos de enlace em comparação com os cálculos
para estações fixas.
A mobilidade pode ser
classificada em nomadicidade e mobilidade plena. Na nomadicidade a região de
cobertura é composta por vários pontos de acesso, cada área de cobertura de um
ponto de acesso é chamada de célula, a estação terminal pode se associar
a qualquer célula da rede e se mover dentro da região de cobertura de uma
célula, todavia não pode passar de região de cobertura de uma célula para outra
sem perder a conexão.
Na mobilidade plena,
a estação terminal pode se mover em toda região formada pelas áreas de
cobertura de cada célula e realizar procedimentos de troca de célula sem
reassociação ou perda de conexão, chamados de handover ou handoff.
Na análise dos
requisitos de mobilidade também devem ser pesquisada as velocidades máximas
envolvidas cada tecnologia de rede sem fio móvel possui sua limitação.
·
Licenciamento de Espectro: Quanto ao
licenciamento de espectro existem dois modelos de uso: espectro não licenciado
e espectro licenciado.
Para o espectro não
licenciado não é necessário solicitar licenças e pagar tarifas de instalação (
TFI ) e tarifas de funcionamento (TFF) é necessário apenas que os transceptores
utilizados estejam homologados pela Anatel.
Existem bandas de
espectro não licenciado em várias faixas, por exemplo 2.4GHz, 5.8GHz, 900MHz
etc. Estas bandas são chamadas de bandas Industrial Scientific Medical (ISM), o
Wi-Fi foi desenvolvido para operar principalmente nas bandas de 2.4GHz e 5GHz.
Existem muitos
telefones sem fio operando na banda de 2.4GHz o que gera interferência no
Wi-Fi, este é um exemplo de ônus para as redes sem fio em banda não licenciada,
a interferência. Como o uso desta banda não é fiscalizado, não há garantias de
que ela não esteja interferida e não é possível requerer a desativação de uma
fonte interferente de um equipamento homologado, mas em posse de terceiros
operando sobre o mesmo canal de rádio.
Já a operação em banda
licenciada apesar dos custos junto á Anatel, representa uma segurança maior de
que o canal de rádio não será interferido, e de que será possível manter uma
Qualidade de Serviço QoS adequada. Empresas podem solicitar canais de operação
do Serviço Limitado Privado (SLP) para operar suas redes sem fio. Outro caminho
para lançar uma aplicação sobre banda licenciada é alugar rede de uma Operadora
de Telecomunicações que já possua Outorgas no Brasil, assim é possível alugar
banda em um transponder satelital, lançar uma rede privada de dados sem fio
sobre a infraestrutura de telefonia celular digital 2G, 3G ou WiMAX.
·
Segurança: Os principais
problemas de segurança nas redes sem fio dizem respeito à interceptação de
informações e ao “jamming” (interferência lançada com o objetivo de derrubar
uma operação).
Devido á
impossibilidade de blindar o sinal de rádio entre o transmissor e o receptor, a
camada física das redes sem fio pode ser ‘escutada’ por qualquer um que possua
um receptor na mesma frequência e um demodulador equivalente. Para evitar que a
informação trafegada nesta rede seja interceptada faz-se uso de técnicas de
criptografia.
Em redes sem fio
digitais os bits são submetidos a algum algoritmo de criptografia de forma que
a informação criptografada possa ser aberta apenas pelo receptor autenticado
que possua a chave decriptografia.
Para combater o
‘jamming’ os os transceptores devem possuir a função de seleção automática de
canais e modificarem o canal de rádio utilizado caso os níveis de interferência
ultrapassem o limite previamente configurado. Todavia se o jamming for potente
em todos os canais da banda de operação não há alternativa.
Em redes sem fio em
que á um procedimento de associação como no caso do Wi-Fi também ocorre o risco
de algum intruso tentar se fazer de usuário autorizado.
·
Autonomía de bateria do terminal: A
autonomia de bateria está relacionada a fatores como: potência do transmissor,
protocolo de comunicação, tecnologia da bateria, mobilidade, características da
aplicação etc. Este requisito pode variar muito, algumas aplicações em
tecnologias de telemetria e telecomando como ZigBee possuem requisitos de
mais de 20 anos de autonomia, enquanto algumas aplicações embarcadas em mísseis
antiaéreos, por motivos óbvios necessitam de autonomia de apenas alguns
segundos.
A bateria pesa nos
custos dos terminais, isso gera problemas quando se integram tecnologias
diferentes sobre um mesmo terminal. A exemplo, para um chamado SmartPhone sua
bateria está dimensionada para alguns dias de operação como telefone celular,
todavia quando opera como terminal Wi-Fi, mesmo que para prover serviço similar
como o VoIP, com outro protocolo e outros níveis de potência sua bateria se
descarrega em algumas horas.
Logo o consumo,
portanto a autonomia de bateria está diretamente associada à aplicação e à
tecnologia de rede sem fio sobre a qual a aplicação é entregue.
·
Custos de infraestrutura e terminais: Se a
aplicação desejada puder rodar sobre uma tecnologia padronizada e com grande
base de usuários, ou seja massificada, os ganhos de escala da adoção dessa
tecnologia irão reduzir bastante os preços da rede.
Por exemplo as
tecnologias Wi-Fi e ZigBee, são tecnologias padronizadas pelo IEEE e pelos
respectivos fóruns, possuem uma base instalada de milhões de terminais e
centenas de fabricantes homologados. Ou seja os custos de implementar uma rede
sobre essas tecnologias tendem a ser menores do que utilizando-se soluções
proprietárias.
Também é possível
obter custos reduzidos em terminais se a opção for o uso de módulos de
comunicação com tecnologias GSM/EDGE, EVDO ou WCDMA/HSPA, que possuem base de
bilhões de terminais pelo mundo.
·
Topología da Rede: A
topologia é a forma com que os terminais se interligam ou se comunicam com uma
estação base. Os modos de enlace mais comuns são: ponto-a-ponto e
ponto-multiponto.
As topologias
ponto-a-ponto são compostas de enlaces entre dois nós de rede, em geral essa
topologia é utilizada em redes fixas com parâmetros de enlace bem definidos e comportamento
previsível para o canal de rádio. Um exemplo típico desse tipo de topologia
seria a interligação de dois prédios por uma rede de dois nós posicionados no
topo do edifício. Esses dois nós podem ser dois transceptores utilizando
tecnologia de laser na faixa de infravermelho. Para esse enlace todos os
cálculos de variações meteorológicas já foram realizados e a disponibilidade,
bem como a taxa de transmissão mínima já encontram-se calculadas para o ano
todo.
As topologias
ponto-multiponto são mais comuns em redes sem fio móveis e com muitos
terminais, nesta topologia uma estação central, que pode ser chamada de estação
rádio base, repetidora ou de ponto de acesso intermedia a comunicação de cada
estação terminal com o backbone da rede e intermedia o envio das comunicações
entre as estações da rede. Neste modo a banda passante do canal é dividida
entre todos os terminais, a forma com que esta banda é dividida depende da
tecnologia utilizada.
Também existe uma
topologia não estruturada em que cada terminal também pode se comportar como um
nó de rede assumindo o papel de roteador. Neste caso são montadas as chamadas
redes Mesh. Em uma rede Mesh não há uma topologia bem definida e cada elemento
agrega o seu tráfego mais o tráfego de roteamento no transmissor, por óbvio com
maior consumo de bateria e protocolos mais complexos.
·
Modo de configuração: Toda rede
precisa de configurações para ativação, tipo: canal, potência, alguns
temporizadores de protocolo etc. Porém existem redes em que não haverá
condições de se manter um monitoramento e operação pelas condições físicas ou
por limitações de custo. Neste caso são necessários recursos de rede mais
avançados que permitam a autoconfiguração da rede, com ajustes automáticos de
potência, seleção automática dos melhores canais etc. Permitindo que caso as
condições de operação se alterem a rede possa se adaptar sem a intervenção de
um operador humano.
Esses recursos são
bastante úteis principalmente quando se está utilizando banda não licenciada,
pois de um dia para o outro o canal de operação selecionado pode ser
interferido, havendo a necessidade de escolha de outro, ou que pelo aumento do
número de terminais haja necessidade de solicitar um ajuste das potências
desses terminais para reduzir a interferência etc.
Comparativo entre
redes sem fio e redes confinadas (cabo)
Não existe uma métrica apropriada de comparação entre redes
cabeadas e redes sem fio pois tratam-se de tecnologias diferentes com
características e aplicações diversas, analogamente seria como comparar um
avião a uma locomotiva. Todavia as redes são meios de transporte de dados e a
evolução das redes sem fio e redes cabeadas guarda algumas tendências que podem
ser objeto de comparação de performance.
A primeira tendência é que para aplicações de um mesmo
domínio PAN, LAN, MAN ou WAN, a tecnologia substituta sem fio ou seja a
(Wireless) WPAN, WLAN, WMAN ou WWAN, apresenta as seguintes vantagens: menor
custo de infraestrutura, implementação mais rápida, alcance maior, melhor
intervenção no meio, flexibilidade de alteração de leiaute, mobilidade do
terminal entre outras. Todavia a tecnologia cabeada apresenta vantagens tipo:
maior vazão de dados (througput), maior controle do QoS, maior controle de
acesso pois depende de uma tomada física e não é possível invadir a rede pelo
ar, menor custo para os terminais ou placa de rede entre outras.
Para a correta seleção de uma solução por redes cabeadas ou
sem fio, é necessário um estudo profundo dos modelo de negócio e dos requisitos
da aplicação. Em geral as redes sem fio são utilizadas onde há baixa
concentração de demanda de tráfego de dados e as redes cabeadas em aplicações
de alta concentração de tráfego. Também costuma-se escolher uma rede sem fio
quando há necessidade de lançamento rápido. Outra característica da rede sem
fio é que para uma mesma classe de rede, seus terminais ou placas de rede são
mais caros, isso implica que para uma rede com muitos terminais em um espaço
concentrado as contas vão tender a favorecer uma infraestrutura cabeada.
Classificação das
redes sem fio: WPAN, WLAN, WMAN ou WWAN
Correlação direta com o seu alcance e alguma correlação com a
capacidade de terminais que a rede pode suportar. O alcance e a capacidade
crescem do WPAN para o WWAN. O quadro comparativo a seguir ilustra as principais
aplicações e tecnologias utilizadas para prover serviço a estas redes.
No quadro são agrupadas as condições de alcance, vazão (
througput), os padrões de tecnologia mais utilizados para o atendimento a esse
tipo de rede e uma descrição das principais aplicações que rodam em cada tipo
de rede.
Para melhor ilustrar o principal fator de classificações das
redes sem fio, alcance, a imagem a seguir representa isso graficamente.
Sua interpretação leva a não apenas entender o raio de cobertura de cada classe
de rede mas também a considerar que redes de maior alcance também podem atuar
no raio das redes de menor alcance. Ou seja uma aplicação de WPAN pode ser
realizada por uma WLAN pois o raio de cobertura da WLAN é maior e também
abrange a WPAN, seguindo o mesmo raciocínio para as outras redes de maior
alcance.
Então por que tantas
camadas, não seria melhor apenas uma única rede WWAN capaz de suportar desde o
mouse sem fio até as chamadas internacionais?
Não porque para cada classe de rede existe um hardware
específico cujo valor varia muito, pois quanto menor a rede menor a
complexidade de protocolos e controle, logo mais barata é a interface de rede.
Por exemplo, um adaptador para WPAN Bluetooth custa em torno de 10 vezes menos
que um Dongle de Dados para rede celular 3G.
Conceito de sinais
analógicos, digitais e periódicos
·
Sinais Analógicos: Os sinais analógicos apresentam variação
contínua no tempo ou espaço e diversos níveis de estado. Podem ter um conjunto
infinito de valores num intervalo de tempo qualquer.
o
Sinal
analógico (senoidal):
a) no domínio do tempo;
b) no domínio da freqüência
·
Sinais Digitais: Os sinais digitais apresentam
variação abrupta (discreto no tempo) e com no mínimo de dois níveis de estado.
Possuem apenas um conjunto limitado de valores:
o
Sinal
digital binário no domínio do tempo.
o Sinal digital binário no domínio da
freqüência.
·
Sinais
Periódicos e Não periódicos: Sinal
periódico completa um padrão dentro de um período de tempo.
Tanto os sinais analógicos, quanto os digitais podem ser
periódicos.
Em comunicação de dados utilizamos geralmente sinais
analógicos periódicos e sinais digitais não periódicos.
Aula: 01 Histórico e Contextualização das Redes Sem Fio
Crescimento das redes
wi-fi
Aumento da Confiabilidade;
Aumento da velocidade de transmissão;
Redução dos custos dos equipamentos;
Substituem redes cabeadas e atendem a novas demandas criadas pela
evolução tecnológica.
Na realidade, acrescentar ou mover o cabo de conexão de rede para um
novo local, rapidamente disponibilizar um novo ponto na sala de reuniões.
Certamente para essas mudanças físicas a solução mais viável seria rede sem
fio.
Podem imaginar a instalação de uma rede cabeada em um prédio tombado
pelo patrimônio histórico?
Como solucionar esse problema?
Simples, rede sem fio.
Exemplos de casos em que podem substituir as redes cabeadas:
1 - Em prédios que não possuem estrutura para cabeamento;
2 - Prédios tombados pelo patrimônio histórico;
3 - Quando o custo é menor do que de uma rede cabeada;
4 - Mudança ou acréscimo de pontos.
Vantagens e desvantagens
de rede sem fio:
Vantagens:
- Portabilidade;
- Instalação rápida, fácil e de baixo custo;
- Possibilidade de criar redes temporárias;
- Instalação em locais de difícil passagem de cabos.
Desvantagens:
Interferências dificultando a transferência de dados;
Segurança das informações trafegadas.
Utilização das redes wi-fi
Para atendermos as novas demandas de mobilidade desses tempos
modernos, citaremos a seguir algumas possibilidades com a utilização de redes
sem fio:
Disponibilizar acesso à rede para passageiros no saguão de um
aeroporto;
Integrar os PDA’s dos garçons com a cozinha em um restaurante.
Telefonia Wi-Fi – realizar ligações a partir de redes wireless,
integrando a telefonia legada.
Telemetria a favor dos
negócios
Ar Condicionado
Setor: Químico
Objetivo: Monitorar condições de temperatura da sala de servidores
(CPD) através da intervenção à distância do ar condicionado.
Tanque de gás
Setor: Distribuição de gás
Objetivo: Controle remoto do nível do reservatório de gás.
Chaves religadoras
Setor: Concessionária de energia elétrica
Objetivo: Implantação de relés de proteção às chaves
eletromecânicas: viabilizando a leitura e comando à distância
Comparando redes sem fio e
redes confinadas (cabo)
Tecnologias de LAN sem fio
·
LANs infravermelho (IR) - Uma célula
individual de uma LAN IR é limitada a uma única sala, pois a luz infravermelha
não penetra em paredes opacas.
·
LANs de amplo espectro - Esse tipo de
LAN usa a tecnologia de amplo espectro. Na maioria dos casos, essas LANs operam
nas bandas ISM (Industrial, Scientific e Medical) de modo que nenhum
licenciamento FCC é necessário para seu uso nos Estados Unidos.
·
Micro-ondas de banda estreita - Essas
LANs operam em frequência de micro-ondas, mas não usam amplo espectro. Alguns
produtos operam em frequências que exigem licenciamento FCC, enquanto outros
usam uma das bandas ISM não licenciadas.
Comparativo entre as
tecnologias de LAN sem fio
Página
234 livro do Stallings, William – Redes e sistemas de comunicação de dados, 5ª
ed editora Campus
Limitações das tecnologias
A utilização de determinadas frequências e/ou tecnologias ficam
limitadas por suas próprias características.
Como exemplo, as LANs com sistema infravermelho precisam de visada
livre.
Tipos de Redes
Aula 02:
Fundamentos de transmissão de sinais digitais
Conceito de sinais
analógicos, digitais e periódicos
·
Sinais Analógicos: Os sinais analógicos
apresentam variação contínua no tempo ou espaço e diversos níveis de estado.
Podem ter um conjunto infinito de valores num intervalo de tempo qualquer.
Sinal analógico (senoidal):
a) no domínio do tempo;
b) no domínio da freqüência.
·
Sinais Digitais: Os sinais digitais apresentam variação abrupta (discreto no tempo) e
com no mínimo de dois níveis de estado. Possuem apenas um conjunto limitado de
valores:
- Sinal digital binário no domínio
do tempo
- Sinal digital binário no domínio
da freqüência.
·
Sinais Periódicos e Não periódicos: Sinal
periódico completa um padrão dentro de um período de tempo. Tanto os sinais
analógicos, quanto os digitais podem ser periódicos. Em comunicação de dados
utilizamos geralmente sinais analógicos periódicos e sinais digitais não
periódicos.
Analise de Fourier (série
de Fourier)
O matemático Francês Fourier provou que qualquer sinal periódico
expresso por uma função do tempo g(t) e com período T, pode ser considerado
como uma soma de senos e co-senos de diversas freqüências, chamada de Série de
Fourier, representada da seguinte forma:
Onde f é a freqüência fundamental do sinal, os demais sinais em
outra freqüências múltiplas da fundamental são chamadas de componentes do
sinal. Assim um sinal de período T terá suas componentes centradas em 0, f, 2f,
3f, sendo f a freqüência fundamental do sinal.
O resultado é que um sinal
pode ser representado de 2 formas:
1.No domínio do tempo.
2.No domínio da freqüência a partir de suas harmônicas.
Apesar de nem sempre viável, para a recuperação exata de um sinal
deve ser transmitidos vários múltiplos de freqüência através do canal
utilizado. E por sua vez o receptor deve ser capaz de recuperar todos os
harmônicos.
Ruído e relação Sinal
Ruído
O que é Ruído?
Ruído é um sinal aleatório, produzido por fontes naturais. Exemplos
de ruídos:
·
Ruído de intermodulação: Sinais de
diferentes freqüências no mesmo meio físico. A intermodulação produz sinais em
outras freqüências,que podem perturbar outro sinal que trafega naquela
freqüência.
·
Crosstalk: Comum em telefone (linha
cruzada). É uma interferência entre condutores próximos que induzem sinais
entre si.
·
Ruído impulsivo: É não contínuo, com
pulsos irregulares, e de grande amplitude, sendo de difícil prevenção. Pouco
danoso para transmissão de voz,porém é a maior causa de erros na comunicação
digital.
·
ATENUAÇÕES: São as quedas de potência de
um sinal devido à distância na sua transmissão.
O que é Interferência?
Interferência é um sinal indesejável, gerado por processos criados
pelo homem.
O que são Distorções ?
Distorções é uma mudança na forma de onda devido à resposta
imperfeita do sistema em relação ao sinal.
Esses fatores podem ocorrer em qualquer ponto do sistema de
comunicação e a ocorrência dos mesmos é estudada no canal de comunicação,
raciocinando como se o transmissor e receptor fossem ideais.
Apesar de também ocorrerem no transmissor e receptor, são
dimensionados nesses dispositivos nos limites da qualidade aceitável ou
possível e, portanto, pode-se ignorá-los no estudo do sistema de comunicação em
questão.
Relação sinal-ruído ou
razão sinal-ruído
Abrevida por S/N ou SNR (signal-to-noise ratio).
Conceito muito utilizado em telecomunicações, que envolve medidas de
um sinal em meio ruidoso, definido como a razão da potência de um sinal e a
potência do ruído sobreposto ao sinal.
A potencia de uma onda eletro magnética (EM) é medida em watts, ou
mais precisamente pela relação logarítmica da força do sinal dividido por 1
miliwatt [ 10 LOG (Pwatts/0.001) ]. dBm. se referem aos decibéis relativos a um
miliwatt ( 1 mW ) de potencia dissipada em uma impedância resistiva de 50 ohms
( definido como o nível de referencia de 0 dB ).
Por exemplo, um sinal de entrada ou de saída pode ser definido em
termos de dBm. Similarmente, o ruído de fundo de um receptor pode ser fornecido
em dBm.
Tecnicamente a relação sinal-ruído é um termo para a razão entre as
potências de um sinal contendo algum tipo de informação e o ruído de fundo:
P é a potência média e
A é o valor quadrático médio (RMS) da amplitude.
SNRdB relação sinal ruído em dB
SbBm potência do sinal em dBm
NdBm potência do ruído em dBm
As potências (ou amplitudes) tanto do sinal, quanto do ruído devem
ser medidas no mesmo ou em pontos equivalentes em um mesmo sistema, e dentro de
uma mesma largura de banda.
Algumas conclusões são óbvias, porém vamos deixar registradas.
Por exemplo:
Equipamento com potência de sinal de 100 W. Agora pense nesse mesmo
equipamento com as seguintes potências de ruído 2W e 50W. Não esquecer que o
resultado dessa relação é adimensional pois cortamos Watts com Watts.
SNR = 100W/2W = 50
SNR = 100W/20W = 5
Conclusão:
Quanto SNR MELHOR a qualidade do sinal recebido e MENOR a taxa de
erros.
Quanto SNR PIOR a qualidade do sinal recebido e MAIOR a taxa de
erros.
Capacidade do canal e
fórmula de Shannon
Em 1924, Nyquist percebe que até mesmo um canal perfeito tem uma
capacidade finita de transmissão.
Se um sinal é transmitido através de um canal de largura de banda B
Hz, o sinal resultante da filtragem pode ser completamente reconstruído pelo
receptor através da amostragem do sinal transmitido, a uma freqüência igual a
no mínimo 2B vezes por segundo
Em 1948, Shannon realizou estudos baseado em um canal sujeito a
ruído aleatório (termodinâmico).
O teorema de Shannon estabelece um limite teórico máximo para a taxa
de dados em um canal de telecomunicações limitado em largura de banda com
ruído.
Quanto maior a relação sinal ruído, melhor a qualidade do sinal e
melhorando a qualidade podemos atingir MAIOR taxa de transferência de dados e
MENOR taxa de erros.
A relação sinal ruído pode diminuir quando aumentamos a distância do
enlace de comunicação. Existem outros fatores que também podem diminuir a
relação sinal ruído, equipamentos elétricos, outros equipamentos de
telecomunicações e a própria radiação solar, que aumentam o ruído e aumentando
o divisor os valores da relação diminuem. A própria atenuação acarreta
diminuição da relação sinal ruído, pois aumenta o ruído.
PDF - 20RSF_aula02_doc02.pdf
·
Meios confinados: O sinal elétrico transportado por uma linha de transmissão fica sob
o ataque constante de elementos internos e externos. Dentro dessa linha de
transmissão os sinais se degradam por causa de diversas características
elétricas, inclusive a oposição ao fluxo de elétrons.
·
Meios não confinados (Analógicos ou Digitais): Nos sistemas não confinados, o espaço livre é o meio utilizado para
a transmissão de sinais. O que caracteriza tais sistemas é um equipamento de
rádio transmissor e um equipamento rádio receptor nos extremos. Inicialmente
utilização de HF, a faixa que dram início às comunicações a grandes distâncias.
A finalidade dos sistemas de telecomunicações é a de transformar em
um ou mais pontos as informação provenientes de uma ou mais fontes. Numa
configuração típica temos:
Transmissor - transformar informação em sinal adequado para trafegar no meio de
transmissão.
Meio de transmissão ou
canal - meio no qual o sinal é transportado.
Receptor - captar, selecionar e condicionar o sinal decodificando-o e
transformando-o, quando possível na informação original num formato adequado
para o destino da informação.
Componentes
de um sistema de comunicação digital
Alguns autores definem um sistema básico de comunicação de dados
como sendo composto por cinco elementos:
PDF 20RSF_aula02_doc03.pdf
Modulação: Variação de um parâmetro de uma onda portadora senoidal, de maneira
linearmente proporcional ao valor instantâneo do sinal modulante ou informação,
com o objetivo de facilitar a transferência de informação através do meio.
Por exemplo:
– Uma estação de radio imprime (codifica) o som de uma musica em uma
onda de rádio (processo de modulação). A estação de radio transmite essa onda
de rádio com o dado codificado (musica) em certa freqüência através de uma
antena. A antena de seu carro capta as ondas transmitidas conforme a freqüência
que você sintonizou no seu carro. O rádio por usa vez, decodifica os dados
impressos naquela onda e toca aquela informação através dos alto-falantes.
Portadora: Onda senoidal que, pela modulação de um dos seus parâmetros,
permite a transposição espectral da informação (ou sinal modulante).
Como a portadora senoidal tem três parâmetros: Amplitude,
Freqüência e Fase, existem três formas básicas de modulação:
• Modulação em Amplitude AM,
• Modulação em Freqüência FM e
• Modulação em fase PM.
Modulação e demodulação
Fases para transmissão de uma informação:
• Uma portadora é gerada no transmissor;
• A Portadora é MODULADA (modificada) com a informação a ser
transmitida;
• A onda portadora é transmitida no meio;
• No receptor, mudanças confiáveis detectadas no sinal são
DEMODULADAS (recuperam o sinal original).
Aula 03: Fundamentos de rádio comunicação
Introdução
Para melhor entendimento da propagação de sinais de rádio
frequência, é necessário conhecer os conceitos de propagação de acordo com a
frequência, atenuação, ganho, perda de sinal e técnicas de modulação e
codificação de sinais. Deve-se conhecer as características das antenas e sua aplicabilidade,
seu diagrama de irradiação e seus principais parâmetros técnicos, bem como
conhecer os fundamentos de rádio comunicação.
Esse estudo requer conhecimentos matemáticos para diversos cálculos
e também os limites estabelecidos para operações de equipamentos de radio
frequência em território nacional.
Conceitos de transmissão
eletromagnética e propagação
Ondas Eletromagnéticas.
A corrente elétrica ao passar por um meio condutor gera alguns
efeitos, como os seguintes:
·
Efeito Térmico: Aquecimento do condutor
·
Efeito Luminoso: Por exemplo lâmpadas
incandescentes
·
Efeito Químico: A cromagem por exemplo.
·
Efeito Magnético: O condutor percorrido
por uma corrente elétrica cria, na região próxima a ele, um campo magnético.
·
Campo Magnético: É toda região ao redor
de um imã ou de um condutor percorrido por corrente elétrica.
As ondas eletromagnéticas são formadas pela combinação dos campos
elétrico e magnético em movimento, os quais se propagam perpendicularmente um
em relação ao outro.
O campo magnético variando
com o tempo, gera um campo elétrico, que varia com o tempo, o qual gera um
campo magnético.
Como o processo se repete a onda se propaga pelo espaço com a
velocidade da luz.
• Eletroímã e o dínamo SAP exemplos de como esses campos se
relacionam.
• Essas ondas eletromagnéticas são utilizadas para a transmissão de
dados sem fio,
conforme
exemplificado no diagrama da antena dipolo.
Ondas eletromagnéticas, em geral, se diferem uma das outras quanto
ao valor da freqüência de propagação e quanto à forma que são produzidas. Como
exemplo, raios ultravioleta são emitidos por átomos excitados, com freqüências
superiores às visíveis pelo ser humano.
ULTRAvioleta – acima da freqüência da cor violeta.
INFRAvermelho – abaixo da freqüência da cor vermelha.
Polarização:
Ondas eletromagnéticas possuem um plano elétrico (E) e um plano
magnético (H), que são normalmente perpendiculares entre si. A orientação do
plano elétrico é usada para definir a polarização da onda, ou seja, se o campo
elétrico esta orientado perpendicularmente a superfície da terra a onda esta
verticalmente polarizada e se ele está paralelo a superfície da terra a onda
esta horizontalmente polarizada. As vezes o campo elétrico gira com o tempo e
neste caso dizemos que ele esta polarizado circularmente.
Espectro Eletromagnético
O uso do espectro de freqüência é controlado pelas autoridades
governamentais através de processos de licenciamento.
Autoridades internacionais
·
FCC: Federal Communications Commision.
·
ERO: European Radiocommunications Office
·
IEEE: Institute of Electrical and Electronics
Engineers.
·
ITU: International Telecommunication
Union.
Autoridade nacional
·
ANATEL: Agência Nacional de
Telecomunicações (administrativamente independente).
Espectro eletromagnético
• É o intervalo que contém as radiações eletromagnéticas, desde as
ondas de rádio aos raios gama.
Frequências livres (ISM) e
licenciadas
Banda ISM
Ondas Magnéticas podem se propagar em todas as direções e por longas
distancias (de acordo com a freqüência ) e são capazes de atravessar barreiras.
Um problema então é o compartilhamento de freqüências ou bandas do espectro
eletromagnético. Assim se torna necessário o controle centralizado.
A Anatel concede licenças de utilização em determinado território de
acordo com a tecnologia escolhida.
No caso de redes sem fio, existem três bandas de freqüências que
podem ser utilizadas sem licenciamento: 900MHz, 2,4 Ghz e 5 GHz.
Aplicações: sistema de travamento de porta de
veículos; dispositivos médicos e outros.
O requisito obrigatório para utilização compartilhada destas bandas
é que a potencia máxima dos sinais não pode exceder a 1 W. Isto limita a faixa
de utilização do equipamento e evitam interferências entre dispositivos que
compartilhem esta freqüência em outras regiões
Conceitos de matemática
usada em radiofreqüência
Vamos recuperar alguns conceitos matemáticos utilizados em cálcuos
para radiofreqüência.
Lagaritmo: O logaritmo de a na base b, (Loga b=c, por exemplo Log2 8), é o
expoente a que b deve ser elevado para que o resultado seja a
(a = b, no exemplo 2³=8)
ou
A que número 2 deve ser elevado para que o resultado seja 8? 3,
então
Log2 8 = 3 (lê-se log de 8 na base 2 é igual a 3)
Exemplo:
Se 10³ = 1000 então Log 1000 = 3
Quando a base não estiver explícita ela é = 10.
No caso de utilizarmos calculadoras onde não podemos colocar a base
na função logarítmica?
Obs: Na calculadora a tecla de log, normalmente, é relativa à base
10
Exemplo:
Log 1000 = log 1000 / log
2 = 3 / 0,30 = 10
Log 250 = log 250 / log
5 = 2,3979 / 0,6989 aproximadamente 2,4 / 0,7 = 3,4
Genericamente falando:
Log valor = log
valor/ log base
Decibel – dB
O dB é uma expressão usada para representar a relação entre dois sinais.
Os sinais podem ser tensão(volts-V), corrente(amper-A) ou níveis de
potência(watts-W).
P medida
dB= 10 log ---------------
P referência
Podem ser as unidades de referencia citadas na tabela ou até mesmo o
ganho de uma antena.
Por isso as derivações, como o dBW, dBm, dBi.
Exemplo 1:
Um sinal de potência de 10 watts é aplicado a uma longa linha de
transmissão. A potência medida no fim da carga é de 7 watts. Qual é a perda em
decibéis ?
Solução:
dB = 10 LOG ( P final / P inicial )
dB = 10 LOG ( 7 / 10 )
dB = 10 LOG ( 0.7 ) = (10)(-0.155) = -1.55 dB
Note que o sinal da resposta, -1.55 dB, é negativo.
Negativo indica que a relação representa uma perda.
Se a taxa representasse um ganho o número seria positivo.
Exemplo 2:
Um sinal de potência de 15 watts é aplicado a uma longa linha de
transmissão. A potência medida no fim da carga é de 10 watts. Qual é a perda em
decibéis ?
Solução:
dB = 10 LOG ( P final / P inicial ) dB = 10 LOG ( 10 / 15 ) dB = 10
LOG ( 0.666 ) = (10)(-0.176) = -1.76 dB
Note que o sinal da resposta, -1.76 dB, é negativo.
Negativo indica que a relação representa uma perda.
Se a taxa representasse um ganho o número seria positivo.
Vamos recuperar alguns conceitos matemáticos utilizados em cálcuos
para radiofreqüência.
Características gerais dos
vários tipos de propagação
A escolha da freqüência portadora é suma importante, definindo
diversas características de propagação do sinal
O próprio alcance do sinal está relacionado com sua potência
associada às características da freqüência escolhida.
Independentemente da baixa ou alta freqüência não ficam imunes aos
equipamentos elétricos e motores.
Alguns exemplos:
Transmissão de Rádio
Fáceis de serem geradas e podem percorrer longas distâncias, além de
penetram facilmente nos prédios. Mesmo assim estão atreladas à característica
frequência:
Baixas freqüências, como o comprimento de onda é grande, atravessam
obstáculos com maior facilidade, mas a potência diminui drasticamente à medida
que a distância aumenta.
Altas frequências comprimento de onda muito pequeno, quase se
transformando em um “sólido”, tende a ter dificuldades em atravessar
obstáculos, geralmente viajando em linha reta.
Transmissão de Microondas
Trafegam praticamente em linha reta.
Para obtenção de maiores distâncias, deve ser utilizada torres mais
altas, e as antenas devem estar perfeitamente alinhadas.
Como sua faixa de freqüência são maiores que as ondas de rádio,
menor será sua imunidade a obstáculos. Outra característica é a absorção pelas
águas das chuvas.
Transmissão de Ondas de
Infravermelho
Utilizadas em curto alcance, não atravessam paredes sólidas.
Propagação no espaço
livre: atenuação, difrações
Propagação em Espaço Livre
Em linhas gerais a propagação em espaço livre é dita propagação na
atmosfera, que o mais freqüentemente utilizado. Faz-se uso de antenas para a
transformação de energia guiada em energia irradiada, que pode ser concentrada
em uma direção ou em diversas direções.
Podemos concluir que o canal fisco dessa propagação é o espaço livre
entre as antenas transmissora e receptora, sendo considerado um canal aberto.
Atenuação
A atenuação é a diminuição da intensidade do sinal ao atravessar um
obstáculo, como resultado da absorção da energia, da reflexão, e da divergência
do feixe, distribuindo a energia sonora em uma área maior. É diretamente
proporcional à freqüência do emissor, ou seja, quanto maior a freqüência do
emissor maior será a atenuação do feixe. Para compensar a atenuação os
equipamentos possuem recursos de ampliação, denominados controles de ganho.
Difração
Esse efeito que pode ocorrer em decorrência da interação da onda
eletromagnética com partículas que se comportam como ondas. É a dispersão da
onda em torno de um obstáculo.
Nesta situação a reflexão gerada não se dá preferencialmente numa
única direção, mas ocorre em ondas esféricas (espalhamento).
Por trás do obstáculo se formará uma zona de interferência (onde as
ondas se sobrepõem, podendo tanto se reforçarem como se cancelarem), enquanto
que a parte desobstruída do bordo anterior da onda prossegue em sua direção
original.
Assim, difração é a mudança da direção da onda quando a mesma passa
junto a um obstáculo. Seu efeito prático é uma diminuição na potência do sinal
na área de sombra, e um padrão perturbado numa curta distância fora dessa área
sombreada.
Zonas de Fresnel
Fresnel estabeleceu que a quantidade de energia transmitida no
espaço livre esta contida no volume de um elipsóide, cujo tamanho depende do
comprimento de onda e da distância entre as antenas. Em geral os enlaces ponto
a ponto utilizam altas freqüências requerendo cada vez mais uma visada livre.
Visada livre não significa podermos de uma antena enxergar a outra, é
necessário uma área maior desobstruída, e quanto maior a distância do enlace
maior será essa área. Importa para efeito prático que uma visada é considerada
direta quando a primeira zona de Fresnel está desobstruída, pois dentro dessa
encontra-se 97% da potência transmitida.
Caso algum obstáculo natural (montanha) ou artificial (edifícios)
esteja dentro da primeira zona, haverá atenuação severa no sinal recebido,
provocando perda de informação podendo chegar a interrupção total do mesmo.
Existem formulas matemáticas para o cálculo das elipsóides de Fresnel bem como
atenuação imposta por obstáculos que invadam estas Zonas. A solução em alguns
casos é elevar a altura das torres. Esses cálculos não participarão da
constituição de provas, mas serão apresentados a seguir para conhecimento e
percepção da influência do fator distância.
Conceitos básicos de uma
antena, a antena isotrópica e diagrama de radiação
Antena isotrópica é aquela que irradia igualmente em todas as
direções. Os diagramas de irradiação vertical e horizontal são em forma de
circunferência, pois o diagrama no espaço seria equivalente a uma esfera.
Essa antena é um modelo teórico não existe antena ideal, e sua
finalidade é servir como padrão de referência na medição de outras antenas,
embora alguns fabricantes considerem a antena dipolo um elemento bem melhor
como padrão de referência, porque ela é uma antena real e não imaginária. Os
valores expressos em dBi (de isotrópica) ou dBd (de dipolo).
O diagrama de irradiação nada mais é do que o mapeamento da
distribuição de energia irradiada, levando em conta o campo tridimensional.
Pode ser confeccionado através em campo ou através de simulação computacional.
Geralmente a radiação de uma antena é mensurada através da unidade
dBi, quando a referência é a isotrópica. Esse diagrama representa graficamente
o comportamento da antena quanto a sua irradiação. Apesar de ser
tridimensional, o diagrama é comumente encontrado nos planos horizontal e
vertical.
Linha de visada, Curvatura
da terra
Atmosfera é o meio gasoso que se estende desde a superfície da Terra
até milhares de quilômetros de altitude. Esta é dividida em basicamente três
regiões com características bem diferentes:
Observa-se que uma parte desta energia se propaga paralelamente à
superfície da Terra, enquanto o restante desloca-se para cima, até que se choca
com a ionosfera e reflete-se de volta à Terra. Esta onda refletida, quando
alcança a superfície terrestre, reflete-se outra vez em direção às altas
camadas da atmosfera, onde pode refletir-se de novo para a Terra
A parte da energia que segue a superfície da Terra denomina-se onda
terrestre, as que são refletidas denominam-se ondas celestes ou ionosféricas.
As ondas que se propagam em linha reta têm o nome de ondas diretas.
Limites de potência para
transmissão em 2,4/5,0 GHz (Res. 506 – ANATEL)
Limites de potência para sistemas de salto de radiofreqüência:
902-907,5 MHz e 915-928 MHz:
• Mínimo 35 radiofreqüências de salto (não coincidentes).
• Limite 35 radiofreqüências de salto:
- Se
menor - potência máxima de pico 250mw.
- Se
maior ou igual - potência máxima de pico 1W.
2.400 MHz a -2.483,5 MHz:
• Mínimo 15 radiofreqüências de salto (não coincidentes).
• Limite 75 radiofreqüências de salto:
- Se
menor - potência máxima de pico 125mw.
- Se
maior ou igual - potência máxima de pico 1W.
5,150-5,250MHz:
• Valor médio de potência e.I.R.P. 200mw.
• E.I.R.P. Máximo 50mw/mhz.
• Sem transmit Power Control (TPC) 100mW.
5,250-5,350MHz:
• Valor médio de potência e.I.R.P. 200mw.
• E.I.R.P. Máximo 50mw/mhz.
• Sem TPC 100mw.
5.470-5.725mhz:
• Saída do transmissor 250mw.
• Valor médio de potência e.I.R.P. 1w.
• E.I.R.P. Máximo 50mw/mhz.
• Sem TPC 500mw.
5.725–5.850 mhz:
• Mínimo 75 radiofreqüências de salto (não coincidentes).
• Limite 75 radiofreqüências de salto:
- Se
menor – não pode ser utilizado.
- Se
maior ou igual - potência máxima de pico 1W.
Aula 4: Fundamento de radio comunicação – Parte
II
Introdução
Nesta aula serão reconhecidas as principais características das
modulações digitais utilizadas em redes sem fio (foco em WiFi). Serão
entendidas e conhecidas as vantagens e desvantagens das técnicas de modulação
por FHSS, DSSS e OFDM. Entenderão e serão capacitados a especificar antenas de
transmissão. Deverão diferenciar os tipos de antenas e as principais aplicações.
Entenderão um diagrama de irradiação de uma antena correlacionando
com o alcance. Conceituar potência de transmissão e recepção e a margem de
operação de um sistema rádio, calculando a potência necessária para a operação
de um sistema de redes sem fio eficiente.
Transmissão por
espalhamento espectral
O processo que possibilita que vários sinais possam ser enviados ao
mesmo tempo em um mesmo canal, é chamado de multiplexação. Existem diferentes
técnicas de multiplexação sendo as mais importantes a multiplexação por divisão
em freqüência, por divisão no tempo e por divisão em códigos.
O espalhamento espectral é uma técnica que distribui a informação a
ser transmitida por uma largura de banda maior que a necessária para sua
transmissão. Envolve a utilização de múltiplas portadoras (frequência)
com o objetivo de aumentar a confiabilidade na recepção.
Uma vantagem desta técnica é que, como a quantidade necessária de
energia por banda é menor, garante uma maior imunidade a interferências. A
técnica codifica e modifica o sinal, espalhando-o no espectro de RF.
O espectro utilizado nas aplicações de uso não-licenciado sofre com
uma considerável quantidade de sinais interferentes e o uso desta técnica se
justifica pois a banda de frequência disponível é dividida em canais
independentes e os dados são enviados alternado-se o canal de transmissão ao
longo do tempo.
O espalhamento do sinal pode ser obtido de várias formas, como por
sequência direta, por salto de frequência ou formas híbridas
As técnicas de espalhamento espectral podem ser:
·
Com salto de frequência (FHSS)
·
Com sequência direta (DSSS)
Frequency Hopping Spread Spectrum
1.
O espectro de dispersão de
saltos de frequência, em sistemas WLAN que operam na faixa de 2.400 a 2.483MHz,
divide a banda em 79 canais com 1 MHz de largura cada um. Os dados são
transmitidos por canais escolhidos por uma sequência pseudo-randômica e
utilizada pelo transmissor e que deve ser conhecida do receptor para que a
informação seja totalmente recuperada.
2.
O uso de um mesmo padrão pseudo-aleatório
por todas as estações, garante que estas mudem para a mesma frequência de forma
simultânea seguindo a ordem de canais escolhidos. Isto gera também uma boa
segurança já que para monitorar a transmissão será necessário o conhecimento
prévio da sequência de canais utilizada.
3.
O tempo gasto para mudança de
um canal para outro, entre os 79 canais, durante a transmissão deve ser de no
máximo 0.4 segundos (tempo de parada), mas é um tempo ajustável.
O FHSS tem como vantagem ser pouco
sensível a interferência de rádio e como desvantagem uma baixa largura de
banda.
Direct Sequency Spread
Spectrum
A técnica de espalhamento espectral por sequência direta combina
dois sinais, o de informação, que tem uma taxa menor, com um outro de taxa mais
elevada.
A largura de banda necessária para transmitir um sinal digital esta
diretamente relacionada com a taxa de bits deste sinal.
O DSSS multiplica o sinal modulado por uma sequência
pseudo-aleatória também chamada de pseudo-noise (PN). Sendo o código PN
modulado sobre o sinal com a informação primeiro e posteriormente multiplicado
pela portadora de RF.
A técnica chamada chipping, consiste em modular cada bit com a
sequência Barker respectiva, conforme figura:
Todo este processo espalha a banda transmitida do sinal resultante,
reduzindo a potência de pico, mas mantendo a potência total sem alteração.
Orthogonal Frequency
Division Multiplexing
Utilizada na primeira WLAN de alta velocidade, a 802.11a este método
de modulação é utilizado em diversas tecnologias como xDSL.
O OFDM divide a largura de banda disponível em várias faixas
estreitas e modula cada uma com uma taxa de dados (bits) menor, em vez de
transmitir mais dados em uma única portadora.
A banda é dividida em 52 sub-canais, sendo 48 utilizados para
transmissão de dados e 4 para controle.
O OFDM pode utilizar modulação BPSK, QPSK, 16 QAM e 64 QAM.
Possui melhor imunidade à interferência de banda estreita e
possibilidade de utilizar frequências não contíguas.
As taxas possíveis de transmissão são 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48 e 54
Mbps, sendo as taxas de 6, 12 e 24 Mbps obrigatórias para o padrão 802.11.
Esta técnica de modulação reduz a interferência causada pela
propagação multipercurso (Vários sinais que chegam ao receptor por meio de
reflexão.)
Antenas
As antenas são as responsáveis por promover a dispersão da energia
confinada no cabo para o espaço e vice-versa. É um dispositivo crítico para o
bom funcionamento de sistemas sem fio e com uma característica básica.
Antenas têm características de reciprocidade, ou seja, funcionam
tanto para transmissão como para recepção.
Equipamentos com antenas externas e que podem ter suas posições
alteradas, permitindo uma nova polarização (mudança do ângulo), auxiliam na
correção de problemas com interferências intra ou intersistemas em ambientes
indoor ou outdoor.
Antenas
não amplificam o sinal transmitido, apenas direcionam (focalizam) a energia
deste sinal.
·
Largura de banda: Indica a faixa de
frequência que a antena pode operar de modo satisfatório.
·
Ganho e diretividade: O ganho é a
relação entre a energia irradiada por uma antena com base no diagrama de
irradiação da mesma, em comparação com as mesmas características de uma antena
isotrópica (irradiador hipotético capaz de irradiar em todas as direções),
ambas de mesma potência. O ganho é a representação numérica dessa diretividade
indicando o quanto a antena verificada é mais diretiva que a antena isotrópica,
e não deve ser interpretado como uma amplificação de potência. Uma antena com
um lóbulo principal de maior ângulo possui menor diretividade mas cobre uma área
maior, já uma antena com um lóbulo de ângulo mais fechado tem maior
diretividade e concentra maior energia.
Uma antena terá uma maior densidade de potencia irradiada em uma determinada
direção, quanto maior for sua diretividade e o seu ganho.
·
Polarização: A onda irradiada de uma
antena é composta por um componente de campo elétrico (E) e por outro de campo
magnético (H) com mesma direção, mas perpendiculares entre si (defasadas em
90°). A polarização refere-se à posição do campo elétrico em relação a Terra,
sendo vertical quando está perpendicular
ao eixo e horizontal quando está paralela ao eixo.
A polarização de uma antena pode
ser vertical, horizontal ou circular e é uma propriedade da RF produzida na
antena. A polarização linear (vertical ou horizontal) é a mais utilizada em
sistemas WLAN. As antenas do transmissor e do receptor devem estar orientadas
para mesma polarização com a possibilidade de se ter uma perda (atenuação)
maior que 20 dB para pares de antenas com polarizações diferentes, devido a
discriminação de polarização cruzada.
Alguns sistemas podem operar com
antenas de dupla polarização. Esta característica permite a mudança da
orientação de polarização de acordo com determinados efeitos indesejáveis, como
minimizar efeitos de interferências.
·
Discriminação de polarização cruzada: É
a medida de discriminação de uma antena polarizada em um sentido (por exemplo:
verticalmente) em relação a ondas polarizadas em outro sentido
(horizontalmente).
Os fabricantes informam este
valor, algumas vezes com o termo em inglês XPD – Cross Polarization
Discrimination, que é a diferença em dB entre o sinal recebido na polarização
correta (V-V ou H-H) e o recebido na polarização cruzada (V-H ou H-V).
Este parâmetro deve ser considerado quando
se deseja instalar um novo sistema onde já existem outros, com o objetivo de
verificar possíveis interferências que possam inviabilizar o projeto.
Acessórios para redes sem
fio
·
Divisor (spliter): Utilizado para
dividir o sinal de saída, para alguma finalidade específica, como ampliar a
área de cobertura incluindo mais uma antena para alcançar uma área não atendida
por uma única antena. Características como: perda por inserção (atenuação),
fator de divisão de potência (perda teórica por divisão) e isolamento (Atenuação
entre as saídas do divisor), devem ser observados antes da utilização deste
acessório.
·
Amplificador de potencia: Utilizado para
amplificar o sinal transmitido ou recebido. São úteis para compensar perdas por
atenuações. Quando utilizados em sistemas ponto-área (um ponto para diversas
estações) devem ser bidirecionais (amplificar o sinal transmitido e o
recebido), pois caso contrário devem ser também incluídos nas estações, o que
em alguns casos não é possível.
·
POE: Baseado no padrão IEEE 802.3af, que
define o uso do cabo Ethernet (cabo de dados) para conduzir também a energia
elétrica necessária a alimentação do equipamento.
·
Conversores de Frequência: Utilizados
com a finalidade de alterar a frequência de comunicação entre dois dispositivos.
Devem ser utilizados em pares (transmissor – receptor). Úteis quando a
frequência padrão, utilizada, está comprometida por excesso de ruído
(interferências).
·
Protetor de Linha: Utilizado para
proteção contra descargas atmosféricas quando a antena está instalada em área
externa e conectada por cabo de RF.
Diagrama de irradiação
A descrição da energia irradiada por uma antena é de grande
importância, por representar graficamente esta característica em um determinado
plano.
O diagrama exibe, entre outros parâmetros:
• Plano de irradiação vertical e horizontal;
• Relação de irradiação frente/costa;
• Abertura do feixe.
Diagrama de irradiação de uma antena isotrópica (antena teórica
ideal), usada como referência para descrever propriedades diretivas de antenas
reais.
Diagrama de irradiação de uma antena setorial. Normalmente
utilizadas em sistemas ponto-multiponto e ponto-área. Mais comuns em ângulos de
30, 60, 90 e 120 graus de abertura.
Diagrama de irradiação de uma antena parabólica vazada. Ângulos
vertical e horizontal estreitos, maior alcance. Podem ter o alimentador focal
(no ponto focal da antena) ou alimentador off-set (fora do ponto focal).
Cálculos de potência
Perda no espaço livre (Free Space Loss)
Ondas de rádio se propagam no espaço em linha reta e parte da
potência de irradiação se perde no espaço livre, mesmo sem obstáculos. O FSL é
uma medida em decibel e que representa a quantidade de força de sinal que é
perdida no espaço livre. Também não leva em consideração os ganhos das antenas
e/ou perdas no cabo. O FSL é proporcional aos quadrados da distância e da
frequência.
FSL(dB) = 92,4 + 20log(d.f)
d =
distância em quilômetros
f =
frequência (GHz)
Para f em MHz, a fórmula será:
FSL(dB) = 32,4 + 20log(d.f)
Alcance e relação sinal/ruído
Não é suficiente que o sinal transmitido atinja o receptor com um
nível de sinal maior que a sensibilidade do mesmo. Um sinal com potência
ideal mais com muito ruído não será adequado ao bom funcionamento.
A relação entre o sinal e o ruído (SNR – Signal Noise Ratio) é o
valor obtida da relação entre a potência da portadora no receptor, e a potência
do ruído, numa dada largura de banda, expressa em dB. Os ruídos podem ter
origem térmica, industrial ou de outro sistema sem fio.
A SNR pode ser obtida pela expressão:
SNR = 10log(Ps/Pr)
Ps = potência do sinal (Watt)
Pr =
potência do ruído (Watt)
Aula 05: Arquiteturas em redes sem fio e redes lan sem fio
(WLAN)
Introdução
Para entender melhor os aspectos do funcionamento de
rádio enlaces, sistemas de comunicação por satélite além de redes celulares.
Permitir identificar as diferenças entre cada um dos sistemas descritos. Se faz
necessário entender como funciona a comunicação em uma rede sem fio
infraestruturada.
Conhecer as tecnologias existentes, suas
características e limitações, suas diferenças e principalmente adquirir a
capacidade de propor uma solução tecnológica utilizando adequadamente cada uma
das tecnologias descritas.
WLAN
A comunicação em redes por meios não guiados já foi
tentada por infravermelho (IR) que é limitado a um curto alcance e depende de
uma linha de visada entre o transmissor e o receptor. O que limita muito o uso
deste tecnologia.
Desde que se começou a utilizar ondas de
radiofrequência busca-se aproveitar suas características para implementar
comunicações móveis, de alta velocidade e de forma segura.
Novas técnicas de modulação são desenvolvidas com o
objetivo de melhorar as taxas de transmissão de dados e o melhor destas
técnicas esta sendo implementado nas redes locais sem fio (WLAN).
As redes locais sem fio buscam entregar aos usuários
diversos tipos de serviços e tem como vantagens a:
• Mobilidade (possibilidade de movimentação dentro da
área de cobertura);
• Facilidade de instalação;
• Flexibilidade;
• Economia;
• Rapidez (implementação simplificada).
Radio
enlaces
O rádio enlace é a ligação entre dois ou mais pontos,
efetuada com o objetivo de transmitir informações tendo o ar livre como meio de
transmissão.
Cada ponto de ligação é equipado com um transmissor /
receptor e uma antena responsável pela propagação das ondas eletromagnéticas.
Esta propagação depende do tipo de antena e pode ocorrer para todas as direções
(onidirecional) ou para um ângulo específico (direcional).
Um enlace sem fio pode ser fixo ou móvel. Fixo quando
os pontos envolvidos no enlace estão localizados no mesmo lugar sempre e móveis
quando um dos pontos ou ambos, podem se movimentar dentro do raio de alcance da
transmissão. Enlaces fixos podem ser utilizados em substituição a enlaces
guiados (por meios metálicos ou óticos) ou quando a instalação destes é difícil
ou muito custosa.
Pode-se também caracterizar os enlaces baseando-se nos
seguintes sistemas:
·
Sitema
Ponto-a-Ponto: Interligam dois pontos utilizando tecnologia de rádio
frequência ou mesmo laser e infra-vermelho. Operam normalmente na faixa de
microondas (GHz) e pode cobrir distâncias superiores a 50 Km com visada direta
(LOS – Line of Signal) utilizando antenas direcionais, já que tem como objetivo
alcançarem um outro ponto previamente definido. São utilizados com mais
frequência quando por questões econômicas ou do terreno é inviável instalar
meios guiados (fibras óticas ou cabos).
·
Sistema
Ponto a Multipontos: Característico de interligação entre vários terminais e
uma estação-base. São utilizados em enlaces fixos e móveis. Na estação-base
antenas setoriais (que cobrem um determinado ângulo) são utilizadas em número
suficiente para atender o setor inteiro (360°, por exemplo) ou apenas parte
dele, se for necessário, fornecendo serviços a todos os usuários que se
encontram sob sua área de cobertura. Os terminais se comunicam com a BS, que
serve de ponto intermediário para a comunicação com outro usuário localizado em
outra BS. As BSs são normalmente interconectadas umas as outras por meios
guiados, o que permite também a conexão dos usuários com sistemas guiados. A
estação-base em alguns sistemas também pode ser chamada de ponto de
acesso.
Atualmente
os sistemas móveis utilizam vários conjuntos de sistemas ponto a multipontos
(BS) para atender uma grande área de cobertura, ao invés de usar apenas uma BS
com maior potência para atender a mesma área. Esta técnica tem por objetivo o
melhor aproveitamento das frequências disponíveis e possibilita uma melhor
cobertura de áreas com muitos obstáculos, pois permite um posicionamento mais
adequado de cada uma das estações-base que compõem o sistema completo. O território
atendido pela BS chame-se célula, numa alusão ao modelo de construção de uma
colméia) e várias células compõem o sistema como um todo. Este sistema de
organização das células (como os favos na colméia) permite que células
adjacentes não utilizem as mesmas frequências, reduzindo o problema de
interferências entre as mesmas.
Controlando
de modo adequado a potência de cada célula as frequências podem voltar a ser
reutilizadas em células não adjacentes, sem maiores problemas. O número de
frequências reutilizadas (N) pode ser obtido de acordo com a fórmula N =
D^2/3R^2, onde R é o raio da célula e D a distância de reutilização.
Em
equipamentos móveis pode existir a necessidade de um terminal, em movimento,
passar de uma célula para outra. Este processo é conhecido como handoff.
·
Sistema
Multipontos a Multipontos: Neste tipo de sistema não existe uma
estação-base controlando a comunicação e os nós presentes na área de cobertura
precisam se organizar para conseguirem se comunicar uns com os outros. Um
algoritmo descentralizado cuida desta organização que por ser incerta não é
utilizada em sistemas de telefonia. Uma estação (nó) pode se retirar da rede
repentinamente e comprometer ou até mesmo impedir a comunicação dos nós que
permaneceram na rede. Por seu baixo desempenho é pouco utilizado em WLAN.
WLL -
Wireless Local Loop
1. O circuito
local sem fio é uma conexão para telefones ou de outros dispositivos com a rede
pública de telefonia comutada. Consiste de uma ligação sem o uso de cabos entre
o armário de distribuição da companhia de telefonia e o equipamento rádio
instalado na casa do assinante.
2. O sistema
de telefonia fixa sem fio pode ser considerado uma extensão da técnica
utilizada em sistemas móveis. Uma diferença básica entre o sistema convencional
e o WLL é a eliminação, neste último sistema, dos cabos que interligam o
armário de distribuição como o equipamento rádio instalado na casa do
assinante, já que o telefone residencial continua conectado por cabo ao rádio.
3. O WLL
aparece como uma alternativa tecnológica para fornecer serviços de comunicação
de dados e voz, com redução de redes externas e oferecendo agilidade na
disponibilização de novos pontos.
4. Observando-se
as características de cada sistema, conclui-se que não existe um melhor que o
outro. Existem situações em que um será melhor que o outro e casos em que o uso
de ambos, em conjunto, será a melhor solução.
5. Em
ambientes em que os clientes estejam a até 1 km de distância do ponto de
distribuição, o sistema com cabos é mais rentável. Já para cobrir distâncias
maiores o sistema sem fio (WLL) é mais vantajoso do ponto de vista econômico.
6. A redução
de infraestrutura instalada aliada a flexibilidade (capacidade de remanejar o
sistema com facilidade e baixo custo) são fatores que contribuem para a
expansão de sistemas WLL.
Satélites GEO e LEO
A
curvatura da superfície da Terra impede o estabelecimento de link, entre duas
estações baseadas em terra, a grandes distâncias. Uma solução para criar canais
de longas distâncias e altas velocidades é implementada por uso de satélites.
Esta técnica requer uma linha de visada entre a estação em terra e o satélite.
Desde 1962
quando foi lançado o 1º satélite americano, que suportava 600 canais de voz, as
funções desenvolvidas para estes equipamentos se tornaram mais sofisticadas.
Hoje estes satélites podem se comunicar tanto com estações baseadas em terra,
como com equipamentos instalados em outros satélites, desempenhando funções de
comutador telefônico, roteador de rede de computadores ou de uma rede de
transmissão puramente.
Redes telefônicas celulares
Inicialmente
os telefones móveis eram usados apenas para comunicação de voz, entretanto hoje
eles são utilizados também para comunicação de dados e a demanda por mais tipos
de serviço cresce a cada dia. O sistema de telefone móvel, também chamado de
telefone celular em alguns países, evoluiu bastante desde sua primeira geração
e se encontra atualmente na terceira geração.
O nome de
rede celular vem da característica utilizada neste tipo de rede com o objetivo
de reaproveitar frequências de uma banda licenciada e cara.
Esta
técnica é mesma descrita anteriormente nos sistemas ponto-multiponto.
As
melhorias e os serviços oferecidos por cada uma das fases evolutivas (gerações)
são significativos.
As seguintes características definem as
diferentes gerações: PDF
Pico WLAN
São redes
de curta escala, chamadas de piconets, que possuem um número reduzido de
usuários, aproximadamente 10 por piconet.
Para alocação
de recursos, existe uma central chamada Piconet Cordinator(PNC) que sincroniza
todos os dispositivos. A pesar da centralização no PNC, a topologia é ad-hoc
comunicando-se ponto-a-ponto.
A escolha
deste PNC, é uma eleição dinâmica que ocorre sempre que uma nova piconet é
criada ou o PNC perdido, acarretando uma nova eleição.
Padrões 802.11 (WiFi)
Embora
diversas tecnologias para redes sem fio tenham sido criadas, no mercado os
padrões 802.11 foram os mais adotados.
Dentro
destes padrões basicamente duas frequências de utilização foram definidas a de
2,4 GHz e de 5 GHz.
Algumas
características são compartilhadas por todos os padrões, tais como:
• O método
de acesso ao meio, o CSMA/CA;
• A
estrutura de quadros da camada de enlace;
• Recurso
que reduz a taxa de transmissão quando o ocorre uma degradação do sinal entre
transmissor e receptor.
Este recurso é conhecido como Fall
Back;
• Permitem
modo de operação infraestruturado ou modo Ad Hoc (sem infraestrutura).
Diferenças
também são observadas entre os padrões. Algumas diferenças implementaram
melhorias outra permitem opções para operação em diferentes situações.
As WLANs
que operam na faixa não licenciada de frequência de 2,4 GHz sofrem mais com
ruídos já que este espectro de frequência é utilizado, não só por redes sem
fio, mas também por fornos de microondas e telefones sem fio. As redes que
operam na faixa de frequência de 5 GHz sofrem menos com ruídos do meio já que é
uma faixa menos utilizada, mas tem um alcance reduzido devido a frequência ser
mais alta. A tabela abaixo apresenta algumas características das redes sem fio
atualmente utilizadas.
Requisitos
técnicos e parâmetros de desempenho
Requisitos e parâmetros de uma rede sem
fios:
·
Vazão: O
protocolo de controle de acesso ao meio deve utilizar eficazmente o meio para
maximizar sua capacidade;
·
Número de
nós: Aceitar centenas de nós por meio de múltiplas células;
Conexão com LAN de backbone – geralmente existe a necessidade de interconexão
com redes cabeadas. LANs sem fio com infraestrutura, os módulos de controle
devem possuir conexão aos dois tipos de redes com e sem fios. Deve haver a
possibilidade de acomodar usuários móveis e ad-hoc;
·
Área de
serviço: Possuir diâmetro da rede sem fio de 100 a 300 metros;
·
Consumo de
bateria: Adaptadores sem fio devem possuir baterias com uma longa
duração, protocolos que utilizem monitoração constante devem ser evitados,
exemplo protocolo MAC; Robustez e segurança da transmissão; Existe a
necessidade de uma transmissão estável, mesmo em ambientes ruidosos bem como
oferecer um nível de segurança mínimo quanto a espionagem;
·
Operação
de redes em local comum: Como existe a probabilidade de duas ou
mais redes sem fio operarem na mesma área, deve-se procurar impedir a
interferência entre essas redes e principalmente evitar acessos não
autorizados;
·
Operação
livre de licença: Utilizar frequências liIEEE 802.11: A tecnologia de redes sem fio foi
desenvolvida e padronizada pelo grupo de trabalho 802.11 do IEEE.
O primeiro padrão definido pelo comitê 802.11 atingia modestas taxas
de transferência de 1 e 2 Mbps, mas foi com o desenvolvimento do padrão
802.11b, que atinge taxas de até 11 Mbps, aliados com os custos mais acessíveis
dos equipamentos necessários à implantação de uma pequena rede, e pela
facilidade de instalação e configuração destes equipamentos é que as redes sem
fio começaram a se popularizar.
É de suma importância para o profissional de redes, compreender os padrões
definidos pelo IEEE 802.11. Hoje existem padrões 802.11 definidos para operar
em freqüências de 2.4 e 5 GHz com taxas de transferências que vão de 1Mbps até
600Mbps e que podem ser utilizados em redes com ou sem infraestrutura.
Antes de iniciarmos o estudo da tecnologia WLAN, precisamos entender
a terminologia utilizada para definir os diversos equipamentos e
infraestruturas utilizadas. São elas as seguintes:
·
STA – Wireless LAN STAtions –
são os clientes da rede wireless, dispositivos compatíveis com o padrão 802.11
como computadores ou periféricos, fixos ou móveis.(ex: impressoras e notebook).
·
AP – Access Point – tipo
especial de estação, nó que concentra a comunicação das STAs dentro de uma
Basic Service Set (BSS), responsável por comutar o tráfego entre as estações,
além de interligar a rede wireless com a rede cabeada se necessário.
·
BSS – Basic Service Set – grupo
estações que só se comunicam entre si através de um ponto comum de conexão, o
AP.
·
SSID – Service Set Identifier –
nomenclatura que identifica as estações e os pontos de acesso que fazem parte
de uma célula (BSS).
·
IBSS – Independent Basic
Service Set – grupo estações que se comunicam diretamente umas com as outras.
·
DS – Distribution System – é a
conexão entre os BSS da WLAN, interliga os APs de um determinado sistema. O
padrão 802.11 não especifica a arquitetura deste sistema, apenas que define que
deve existir.
·
ESS – Extended Service Set –
sistema formado por dois ou mais BSS e que estão interconectados através de um
sistema de distribuição (DS). Um equipamento móvel pode se movimentar entre as
BSS sem perder a conexão (roaming). São criadas com o intuito de aumentar a
área de cobertura do sistema e pode existir uma sobreposição entre as Basic
Service Area (BSA) que compõem o ESS.
·
BSA - Basic Service Area – Área
de serviço básico é o espaço físico de cobertura do sinal de radiofreqüência
fornecido por um ponto de acesso. A área de cobertura depende diretamente da
potência da RF irradiada, do tipo de antena e dos obstáculos existentes nesta
área.
·
HOT SPOT – local que possui uma
infraestrutura pública (gratuita) de rede sem fio (WLAN) para acesso a
Internet.
As arquiteturas
possíveis das redes sem fio foram definidas pelo IEEE com base em algumas
características, e os seguintes elementos fazem parte das mesmas:
• BSA (Basic Service Area);
• BSS (Basic Service Set);
• Ponto de acesso
(AP – Access Point);
• Sistema de
Distribuição (DS);
• ESS (Extended
Service Set).
São três as
definições de arquiteturas dos ambientes sem fio.
IBSS – (AD-HOC)
Infra Básica (BSS)
Infra Extendida
(ESS)
Serviços oferecidos
pelo padrão:
• Autenticação;
• Desautenticação;
• Associação;
• Desassociação;
• Privacidade;
• Reassociação.
Alguns serviços para
redes com infraestrutura, são oferecidos pelas redes sem fio padrão 802.11 e
necessários ao seu correto funcionamento.
Associação: Encerradas as etapas da
autenticação, a estação envia o pedido de associação ao AP. Cada estação se
associa a um único AP (BSS), dentro da ESS, que pode ter outras estações
associadas. Um número limitado de estações podem se associar a um único AP, e o
número ideal é normalmente definido pelo fabricante do AP.
O AP aceita a
solicitação de associação, e propaga a informação desta associação pelo sistema
de distribuição (DS) para os outros APs presentes na ESS. Este é o passo
inicial para promover a mobilidade da estação, se for necessário, dentro da
ESS, ou seja, para a estação mudar sua conexão passando de uma BSS (AP) para
outra caso precise se movimentar.
Desautenticação e Desassociação: Uma
estação pode resolver se desconectar da rede a qualquer momento e este processo
está previsto pelo padrão 802.11. O procedimento ideal é que após uma
autenticação para validar a associação, a estação envie a notificação de
desassociação caso queria deixar de usar os serviços desta rede.
Como o próprio nome
sugere, é uma notificação e não pode ser negada. O AP tem por responsabilidade
propagar a informação de desassociação pelo DS, com o objetivo de notificar
todos os APs da ESS de que a estação não está mais utilizando os serviços.
O padrão 802.11
também prevê o tratamento de situações em que a estação se desconecta do
sistema sem efetuar os procedimentos acima (como por exemplo, uma queda
repentina de energia na estação).
Reassociação: Uma das principais
vantagens dos equipamentos sem fio é a mobilidade, e uma das funções das
estações é avaliar a intensidade do sinal enviado pelo AP constantemente.
Quando uma estação está se comunicando em uma ESS, ela pode se mover e se
afastar da área de cobertura do sinal do AP ao qual está associada e se
aproximar de um outro AP, do mesmo sistema (ESS), mas com um sinal mais forte
ou de melhor qualidade.
Neste caso a estação
solicita uma reassociação (mudança de BSS), que é a mudança de sua associação
para o AP que tem o sinal com maior intensidade. A reassociação será
solicitada, sempre pela estação, ao AP que tem o melhor nível de sinal. O novo
AP depois de aceitar a solicitação de reassociação deverá propagar pelo DS a
nova associação da estação em questão e a partir daí atender a nova estação associada
a ele.
Privacidade: privacidade é uma
característica oferecida pelas redes sem fio que impede que as informações
transmitidas para um determinado destinatário sejam lidas por outras pessoas.
O padrão 802.11
define algoritmos de criptografia como uma forma de privacidade, que é aplicada
a todos os quadros de dados e em alguns de gerenciamento de autenticação.
802.11a
–até 54 Mbps , frequência de 5 GHz, faixa onde a preocupação com interferências
é pequena e que exige regulamentação em alguns países. Permite o uso de 8
canais simultâneos contra 3 canais dos padrões
802.11b e g
facilitando a instalação de um maior número de pontos de acesso em uma mesma área sem provocar
interferência entre canais. Tem como desvantagem um alcance mais curto, devido
à frequência
mais alta,
teoricamente metade do alcance dos sistemas que usam a frequência de 2.4 GHz.O custo mais elevado dos
equipamentos do padrão 802.11a, em relação aos outros padrões, foi determinante
para sua baixa utilização. Por ter um alcance menor exige mais equipamentos
para cobrir a mesma área
que dispositivos
padrões b e g, o que encarece ainda mais a sua aplicação. De acordo com a
degradação do sinal entre a STA e o AP a taxa de transmissão pode ser reduzida gradativamente
para 48, 36, 24, 18, 12 e
6Mbps. Este recurso
se chama Fall Back e é utilizado também
nos outros padrões 802.11.
802.11b – 11 Mbps é a taxa de transmissão alcançada por redes padrão 802.11b,
diga-se taxa “bruta” de transmissão, pois estão embutidos os sinais de modulação,
cabeçalho, correção de erros entre outros (o
mesmo ocorre com os
outros padrões). Opera na faixa de 2.4 GHz com até 3 canais diferentes
irradiando na mesma área de cobertura. Com a perda da qualidade do sinal a taxa
de transferência pode ser reduzida para taxas de 5,5 Mbps, 2 Mbps ou 1 Mbps
(Fall Back). O alcance máximo teórico gira em torno de 100 m para áreas abertas
(sem obstáculos) podendo reduzir a menos de 15 m em ambientes com muitos obstáculos.
802.11g – Possui características
idênticas ao padrão 802.11b, o que torna os padrões compatíveis, mas é capaz de
operar em taxa de até 54 Mbps,. Ambos os
padrões definem possibilidade de operação diretamente entre várias STAs
existentes em uma mesma área (célula), modelo Ad Hoc ou a comunicação
intermediada por ponto de acesso (AP), modelo infraestruturado. Uma grande
desvantagem dos padrões que operam na frequência de 2.4GHz é a alta carga de
interferência provocada por outros equipamentos que operam na mesma frequência,
como: telefones sem fio, Bluetooth e fornos de micro ondas entre outros.
802.11n – Este é o padrão mais recente aprovado pelo IEEE e traz melhorias
significativas no funcionamento que permite alcançar maiores taxas e melhor
qualidade de transmissão. Entre as melhorias mais significativas estão:
·
Operar com canais de 20 ou 40
MHz utilizando a técnica de junção de canais (Channel Bonding).
·
Uso da tecnologia MIMO (Multiple Input, Multiple Output), que emprega transmissão e recepção com múltiplas
antenas reduz os efeitos da degradação do sinal, provocados pelo desvanecimento
e pelo multipercurso. A recepção em diversidade (múltiplas antenas) permite a
soma dos sinais afetados pelos efeitos do meio de transmissão (o ar).
·
A agregação de quadros e o ACK de bloco permitem, ao novo padrão, enviar um
grupo de quadros para um determinado destino e receber deste uma única
confirmação do recebimento dos quadros enviados. Esta técnica reduz o número de
confirmações que eram necessárias pelos padrões mais antigos,que exigiam uma
confirmação (ACK) para cada quadro enviado. Este processo aproveita melhor a
largura de banda do canal.
·
Compatibilidade com os padrões
anteriores, de acordo com as características dos dispositivos existentes.
Oferecida por três modos de operação: Legacy Mode, Mixed Mode, Greenfield Mode
Todas estas
técnicas tornam o padrão 802.11n uma
ótima escolha para redes com um tráfego mais elevado.
Questão: Qual a taxa
de transmissão e a freqüência do padrão 802.11ª?
R) 54Mbps e 5 GHz
Questão: O padrão 802.11b alcança taxas de
transmissão de até 11Mbps.
R) Opera na faixa de
2.4 GHz, com até 3 canais diferentes na mesma área de cobertura.
Questão: Em uma
arquitetura ESS, um equipamento em movimento conforme figura abaixo:
R) Associação e
desassociação.
1. Histórico e contextualização das redes sem fio
- mobilidade
- redução de custos de
instalação
- redes provisórias
- extensões de rede
locais (LAN)
- interconexão entre
prédios
- acesso itinerante
- conexão de redes
geograficamente remotas.
Vazão,
número de nós,
área de serviço,
consumo de bateria,
robustez e segurança,
handoff /roamming,
configuração dinâmica,
direcionalidade (operação
nos dois sentidos),
operação livre de
licença.
LANs infra-vermelho
LANs de amplo espectro
(operação em freqüências não licenciadas – ISM)
Microondas de banda
estreita (operação em freqüências licenciadas)
WPAN (IEEE Bluetooth)
Redes celulares
Redes de satellites
Outros sistemas
wireless: RFID
1. Quais os principais problemas de operar
com WLAN em freqüências não licenciadas?
2. Cite e defina sucintamente os requisitos
básicos para uma WLAN 3. Cite alguma tecnologia sem fio que tem como
característica ser unidirecional?
4. Quais são os principais cuidados que um
projetista de rede precisa estar atento na elaboração do projeto ?
2. Fundamentos de transmissão de sinais digitais
freqüência e sua
unidade (Hz) e seus múltiplos (kHz, MHz e GHz) mais utilizados
comprimento de onda (Lambda)
e sua unidade (metros) e seus sub múltiplo
Equação fundamental que relacionam ambos e
a velocidade de propagação
v=lambda x freqüência
Analise/série de Fourier: prova-se que
sinais periódicos razoavelmente estáveis podem ser construídos através da soma
de uma série (possivelmente infinita) de senos e cossenos. Cada um destes dos
termos de senos ou cossenos é designado como sendo um harmônico .
- Redes de Computadores -Tannenbaun 3ª.
Edição (pag 88 a 92) existe um exemplo/ detalhamento interessante sobre a
transmissão de um sinal digital e a apresentação gráfica de um sinal binário e
o sinal composto por meio de série (até o 8º. harmônico).
- William Stallings – Redes e Sistemas de
Comunicação – 5ª. Edição cap,15 página 320 a 332) é importante estabelecer
o relacionamento entre os harmônicos e o um parâmetro fundamental em
comunicação de dados
2.1.1. Largura de banda (largura de faixa ou banda passante).
Banda Passante - O espectro de um sinal é a
faixa das freqüências que ele contém. Muitos sinais possuem uma largura de
banda infinita (infinitos harmônicos). Entretanto, a maioria da energia no
sinal está contida em uma banda de freqüência relativamente estreita a qual
designamos por largura banda ou banda passante. Existe uma relação direta entre
a capacidade de um sinal transportar informação e a largura de banda do canal
pela qual o sinal será enviado. Quanto maior a capacidade de um canal, maior
será a capacidade de transportar informação.
2.1.2. Ruído
Consiste em energia indesejada provenientes
de outras fontes que não seja o transmissor original. Dentro os diversos tipos
de ruídos, destacam-se o ruído térmico que é causado pelo deslocamento
aleatório dos elétrons em um meio físico e depende da temperatura. Além de
fontes naturais (ruídos cósmicos, ionosféricos, etc) existem interferências
espúrias geradas artificialmente pelo homem tais como ignição de automóveis,
descargas elétricas.
Como categoria o ruído pode ser
classificado como sendo:
térmico
intermodulação
acoplamento
(crosstalk)
ruídos impulsivos.
Qualquer canal de comunicação real
(confinado ou não) possui ruído e é o principal fator limitador no desempenho
dos sistemas de comunicação.
Um parâmetro
importante em sistemas de comunicação é a relação Sinal/Ruído (S/R ou SNR) que
a maioria dos equipamentos apresenta (amplificadores, transmissores, receptores,
etc) que nos casos de sistemas de rádio comunicação pode ser conhecido como
portadora/ruído(C/N).
Este índice de
desempenho estabelece a relação entre o nível do sinal (ou portadora) e a
potência do ruído que chega a um receptor.
O valor desejado para o
envio de determinado tipo de informação depende do valor desta relação e a
unidade de medida é o dB (decibel) que é a relação logarítmica das potencias (dB=
10 log S/R)
2.1.3. Capacidade de um canal de transmissão (formula de Shannon)
A capacidade máxima de transmissão um canal
de comunicação real (com ruído) cuja largura de banda é de B (em Hz) é dada
pela seguinte formula: C(bps) = B . log 2 (1 + SRN)
Exemplo: Um canal de telecomunicações de
largura de banda igual a 3.000Hz (fio telefônico) e com ruído de 30 dB
(parâmetro típico da parte analógica de um sistema telefônico) jamais poderá
efetuar transmissões a taxa maiores que 30.000 bps .
2.1.4. Atenuação
Quando um sinal eletromagnético é
transmitido por qualquer meio, ele se torna gradualmente mais fraco com relação
a distância de propagação.Isto faz com que no projeto de um sistema de
transmissão, seja levando em conta três premissas:
um sinal recebido
precisa ter energia suficiente para que o receptor possa detectar o sinal
um sinal transmitido
precisa ter energia suficientemente mais alta que o ruído para que o sinal seja
recebido sem erro - a atenuação é maior em freqüências mais altas o que causa
distorções.
Meios confinados e não confinados com
qualquer sistema de comunicação o sinal diferido irá diferir do sinal que é
transmitido, devido a várias deficiências na transmissão. Em sinais analógicos
estas deficiências introduzem diversas modificações aleatórias que reduzem a
qualidade do sinal. Em sistemas digitais, erros de bits são introduzidos: o
binário “0” passa para “1” ou o binário “1” passa para “0”. Em meios confinados
(cabo de par-trançado, coaxial, fibra óptica etc...) as deficiências mais
importantes são:
atenuação
distorção de retardo
ruído
Em meios não
confinados (redes sem fios, propagação no espaço livre etc...) as deficiências
mais importantes são:
perda no espaço livre
absorção atmosférica
multi-percurso
refração
ruído
Uma informação é transmitida na forma de
onda eletromagnética. O sinal recebido consistirá no sinal transmitido,
modificado pela atenuação e as várias distorções imposta pelo sistema de
telecomunicações além da energia eletromagnética indesejada (ruído) inserida em
qualquer ponto entre a transmissão e recepção
2.1.5. Exercício:
1. Estabelece as diferenças entre um sinal
eletromagnético analógico e um digital ?
2. Cite três características importantes de
um sinal periódico? 3. Qual é a relação entre o espectro de um sinal e a sua
largura de banda?
4. Que fatores chaves afetam a capacidade
de um canal?
3. Fundamentos de Rádio Comunicação
- Redes de
Computadores Das LANs as redes ATM 2ª. Edição – Luiz Fernando Gomes Soares,
Guido Lemos e Sérgio Colcher Editora Campus - Capítulo 3 (41,42 , 54 à 59, 65)
- Redes de
computadores e a Internet 2ª edição – Douglas Comer Editora Bookman - Capítulo
-5 (páginas 55 à 58)
- Redes e Sistemas de
Comunicação de Dados – 5ª. Edição Willian Stallings Editora Campus - Capítulo
16 (páginas 336 até 347)
- Redes de
Computadores – Príncipios, Tecnologias e Protocolos para projeto de Redes – 1ª.
Edição – Natalia Olifer e Victor Olifer – Editora LTC - (Páginas 166 à 170, 188
e 189)
- Redes de
Computadores – Princípios, Tecnologias e Protocolos para projeto de Redes – 1ª.
Edição – Natalia Olifer e Victor Olifer – Editora LTC - (Páginas 195 à
199 e 272 à 280)
- Redes de
Computadores – 2ª. Edição – Douglas Comer - Páginas 60 à 62
- Redes de
Computadores – Princípios, Tecnologias e Protocolos para projeto de Redes – 1ª.
Edição – Natalia Olifer e Victor Olifer – Editora LTC - (Páginas 186 à
188 )
- Propagação de ondas
eletromagnéticas – Princípios e Aplicações – José Antonio Justino Ribeiro 1ª.
Edição – editora Érica (páginas 135 à 155)
Conhecido como onda TEM (onda eletromagnética
transversal). Nesta concepção na qual os campo elétrico e magnético (gerador as
partir de uma corrente elétrica) se deslocando transversalmente no espaço
executando um sinal em forma de espiral. A velocidade de propagação em meios
perfeitos (vácuo) é da ordem de 300.000Km/s em outros meios (ar, água, etc) os
valores são menores.
3.1.1. Características importantes a serem destacadas de uma onda eletromagnética:
freqüência (unidade Hz
e seus múltiplos KHz, MHz , GHz)
comprimento de onda (comprimento
de onda = velocidade de propagação/frequência) unidade metros
3.1.2. Atenuação e Ganho
Destacar as características importantes dos
meios de propagação não confinados:
atenuação
variação da
característica do meio (comportamento como condutor, dielétrico ou quase
condutor) de acordo com a freqüência de transmissão.
dispersão de energia
de transmissão para o ambiente aberto e ilimitado – somente uma parte da
energia irá alcançar
3.1.3. Estrutura da atmosfera terrestre e os tipos de propagação:
ondas ionosféricas
ondas troposféricas
ondas terrestres -
> espaciais - > visada direta e onda refletida
ondas terrestres -
> de superfície
3.1.4. Faixas de freqüências para radio comunicação
(Livro Justino pagina 121 ou algum outro da
lista)
Conceituar a unidade decibéis e potencia de
um sinal e sua unidade e seus sub-multiplos. Potencia de um sinal = W (watt) =
1 W = mW (miliwatt) = 0,001 W = uW (microwatt) = 0,000001 W
3.1.5. Ganho ou perda em decibéis
G=10logPt/Pr (dB)
onde Pt é a potencia de transmissão e Pr
potencia de recepção. Importante é efetuar a analise do balanço de potencia
para utilizar o sinal negativo para indicar uma perda (em geral por atenuação)
e manter o valor positivo quando houver um ganho (em geral por uma
amplificação). Não é regra mas é bom adotar algo nesta linha.
Lembrar: o valor de 3 dB é equivalente a
potencia dobrar ou reduzir a metade
Exemplo para aplicar ao conceito de
decibéis: Se um sinal com nível de potencia de transmissão de 10 mW for
colocado em uma linha de transmissão e a potência medida em alguma distancia
for 5 mW, a perda pode ser expressa como: L= 10log (10/5) = 10 x 0,3 = 3 dB
Decibéis é uma unidade que os alunos terão que ligar com freqüência nesta
disciplina.
Consideremos uma série em que a entrada
está no nível de potencia de 4 mW, o primeiro elemento é uma linha de
transmissão (ar livre) com uma perda de 12 dB (ganho de -12dB), o segundo
elemento é um amplificador com ganho de 35 dB e o terceiro elemento é outra
linha de transmissão com uamperda de 10 dB. O ganho líquido é de -12+35 -10= 13
dB.
Caso desejamos calcular a potência de saída
, teríamos a seguinte situação:
GdB = 13 = log (Pt/4mW) ou Pt = 4 x 10^1,3
= 79,8 mW
3.2.1. Propagação no espaço livre
Existe uma equação das telecomunicações ou
formula de Friis que pode ser utilizada para o cálculo de atenuação de um
enlace operando em freqüências elevadas: Atenuação(dB) = 32,44+20 log f + 20
log r – Gt(dB) – Gr(dB) sendo f em MHz e r em Km ou Atenuação(dB) = 92,44+20
log f + 20 log r – Gt(dB) – Gr(dB) sendo f em GHz e r em Km Exemplo: Considere
uma ligação ente duas antenas idênticas distantes de 30 Km em linha reta. O
sistema utiliza antenas com ganho de 30dB . Sendo a frequência de operação de 3
GHz e a potencia transmitida de 10 watts, calcular a potencia recebida. (Trecho
totalmente desobstruído e desprezando perda nos cabos).
Pela formula de Friis : A(dB) = 92,44 +20
log 3 + 20 log 30 – 30 -30 = 71,25 dB
Conforme vimos anteriormente a formula de
decibel é : A = 10 log Pt/Pr sendo Pt= 10 mW e A= 71,25 dB temos que Pr = Pt x
10^7,152 = - 31,52 dBm
3.2.2. Zona de Fresnel
A transmissão de sinais entre dois pontos
distantes através do espaço livre é implementada por meio de duas antenas.
Quando maior a freqüência de operação, mais
será preciso termos uma visada entre elas. Este fator que chamamos de visada, é
de fundamental importância, pois sem ele, não haverá comunicação entre antenas
de alta freqüência. Entretanto, não basta enxergarmos de uma antena, somente a
outra antena, é preciso existir uma área maior desobstruída que deverá ser
maior quanto maior for a distancia entre antenas.
É dentro desta área pré-determinada que
encontramos as Zonas de Fresnel. A propagação das freqüências altas, forma em
torno da linha de visada, um campo na forma elíptica, o qual recebeu a
denominação de "zona de Fresnel", por onde trafega a maior quantidade
de energia do sinal transmitido . Dentro da primeira zona de Fresnel
encontra-se 97% da potência transmitida.
Caso algum obstáculo natural (montanha) ou
artificial (edifícios) esteja dentro da primeira zona, haverá atenuação severa
no sinal recebido, provocando perda de informação podendo chegar a interrupção
total do mesmo. Existem formulas matemáticas para o cálculo das elipsóides de
Fresnel bem como atenuação imposta por obstáculos que invadam estas as Zonas. A
solução em alguns casos é elevar a altura das torres.
As principais características de uma antena
estão relacionadas ao seu desempenho na formação de uma enlace eletromagnético.
Dentre estas características destacamos:
diagrama de irradiação
ganho
diretividade
ângulo de abertura de
feixe
largura da faixa
eficiência de
irradiação
Para um elemento de referencia do enlace,
identifica-se a antena isotrópica (um irradiador hipotético capaz de irradiar
igualmente em todas as direções.A potencia emitida por esta antena é
distribuída igualmente em todas as direções do espaço.
Nas antenas reais ocorrem direções
preferenciais nas quais existem maior densidade de potência. A representação
desta função da densidade em um gráfico tridimensional ou em dois planos define
o diagrama de irradiação da antena. A comparação entre a densidade irradiada e
a densidade da antena isotrópica determina a diretividade da antena.
3.3.1. Conceito de ganho de uma antena
Deve ser entendido de forma diferente do de
um amplificador. Antenas são elementos passivos, não amplificam sinais. O ganho
de uma antena expressa a relação com uma antena de referência. Seja o exemplo a
seguir. A Figura dá a curva aproximada da potência irradiada por um dipolo de
meia onda. Um vetor traçado do centro do dipolo até um ponto qualquer da curva
representa a potência irradiada na direção do vetor.
Assim, a potência máxima irradiada é dada
pelo vetor P (ou o oposto de 180°, na outra parte da curva).
Considera-se agora uma antena isotrópica na
mesma posição do dipolo e alimentada com a mesma potência da linha de
transmissão. Ela irradia uma potência máxima Pi, que é a mesma para todas as
direções. Então, o ganho da antena tipo dipolo de meia onda tendo como
referência a antena isotrópica é dado pela relação ente essas potências,
expressa em decibéis: dBi = 10 log (P / Pi).
É usado o símbolo dBi para o ganho,
significando que é um valor em decibel em relação à referência de uma antena
isotrópica. Uma antena isotrópica tem, portanto, ganho igual a 0 dBi. Um dipolo
de meia onda apresenta um ganho de 2,14 dBi.
3.3.2. Exercício:
1. Explique o que entende por meio de
transmissão. Quais as principais propriedades do meio em torno da superfície
terrestre.
Sinais analógicos correspondem a variação
contínua no tempo , já um sinal digital caracteriza-se pela presença de pulsos
nos quais a amplitude é fixa. Deve-se enfatizar que qualquer tipo de
informação analógico (voz) ou digital (dados) pode ser transmitida
através de um sinal analógico (modem) ou digital (rede ethernet).
O conceito de modulação é a parte mais
importante nesta primeira etapa de apresentar as diversas técnicas e
características das modulações digitais.
O principal problema de transmissão em
grandes distancias é que corrente elétrica não pode ser propagada as distancias
arbitrárias pois a corrente se torna mais fraca enquanto viaja. Isto
corresponde ao que é conhecido como perda de sinal. No inicio do século
passado, os pesquisadores descobriram uma propriedade interessante de sistemas
de transmissão de longa distância:
“Um sinal oscilatório contínuo se propagará
mais longe do que outros sinais.”
Esta observação é a base dos sistemas de
transmissão em meios de comunicação de longa distancia. Este sinal oscilatório,
geralmente uma onda senoidal, é chamada de portadora.
Mas
um sinal senoidal contínuo no tempo pode carregar que tipo de informação ?
Para enviar dados, um transmissor modifica
ligeiramente uma das características da portadora.
Esta modificação, pode ser na amplitude, na
freqüência ou na fase desta portadora.
Exemplo de modulação:
“ uma lanterna acessa
ou apagada consegue enviar que tipo de informação a uma pessoa afastada?”
Resposta: Nenhuma.
Agora , se ligarmos e
desligarmos a mesma em tempo pré-determinados, poderemos estabelecer uma forma
de comunicação com algum viajante afastado.
Neste caso, o que
fizemos foi “modular a portadora” que neste caso foi um sinal de luz de
forma que a variação da luminosidade conseguiu transmitir alguma informação
útil.
3.5.1. Modulação em sistemas de comunicação
No caso dos sistemas de comunicação,
utiliza-se uma portadora (onda senoidal) gerada por um equipamento de
transmissão e quando variamos a amplitude do sinal estamos efetuando uma
modulação em amplitude (AM – Amplitude Modulation).
No caso do FM (Frequency Modulation)
estamos modificando ligeiramente (alguns Hz) a sua freqüência.
A terceira possibilidade seria modificar a
fase (PM – Phase Modulation)
Existe ainda o caso de combinarmos as duas
ou as três ou seja, modular a amplitude e a freqüência ou ainda, amplitude,
freqüência e fase.
Uma importante conclusão é que a medida que
modificamos mais de uma característica da portadora no mesmo instante, podemos
transmitir “mais informação” no mesmo instante. No exemplo acima, amplitude,
freqüência e fase, permitem que eu possa transmitir qualquer uma das 8
combinações existente (2^3 = 8) ou seja posso transmitir até 3 bits no mesmo
instante.
3.5.2. Tipos de modulação analógica
Na página 337 do livro do Stallings existe
um resumo das principais características da transmissão analógica e digital.
Uma transmissão analógica de dados
analógicos (como a voz) distorções e falhas podem ser toleradas mas em casos de
dados digitais isto aumentará o numero de erros e diminuirá o desempenho do
sistema.
A transmissão digital por outro lado está
voltada ao conteúdo digital a ser transmitido . Dente as vantagens da
transmissão digital destacamos:
custo: com o
crescimento da industria de microeletrônica, os equipamentos digitais
tronaram-se mais baratos
integridade dos dados:
com o uso de repetidores digitais, os efeitos do ruído e deficiências dos
sinais não são mais acumulativos de forma que são possíveis transmissões em
maiores distancias mantendo ao dados inalterados
capacidade de
utilização : a multiplexação é obtida de forma mais simplificada e barata podem
assim construir sistemas de comunicação com maior capacidade de banda
segurança e
privacidade: técnicas de criptografia aplicadas aos dados transmitidos são
fácilmente aplicados
integração: qualquer
sinal, depois de digitalizado (voz, video) tem o mesmo formato e podem ser
transmitidos e tratados de forma semelhante
3.5.3. Principais técnicas de modulação digital .
O mapeamento dos dígitos binários para
elementos de sinal é conhecido como esquema de codificação . Os
esquemas são projetados para minimizar os na determinação do inicio e fim de
cada bit .
ASK – Deslocamento de
amplitude – os dois valores binários são representados por duas amplitudes
diferentes na freqüência da portadora. Isto pode ser obtido por presença
e ausência da portadora e cosntuma-se utilizar em transmissões em fibra óptica
FSK – Deslocamento de
freqüência – duas freqüências diferentes perto da freqüência da portadora
PSK – Deslocamento de
fase – duas fases diferentes (0 e 180 graus) para cada um dos valores binários
Para atingir taxas ainda maiores,
utiliza-se o recursos de combinar as várias técnicas apresentadas e ainda
utilizar modulação do deslocamento de fase (PSK), onde a fase da onda portadora
é deslocada de forma sistemática em intervalos espaços em vários ângulos (Redes
de computadores Tanenbaum – 3ª. Edição - página 125).
3.5.4. Padrões de constelação
A combinação mais comum é de amplitude e
fase, gerando combinações legítimas de amplitude e fase conhecidas como padrões
de constelação .
QAM (Quadrature
Amplitude Modulation)
DPSK
QPSK
Ondas Magnéticas podem se propagar em todas
as direções e por longas distancias (de acordo com a frequência) e são capazes
de atravessar barreiras. Um probelma então é o compartilhamento de freqüências
ou bandas do espectro eletromagnético.
Assim um controle centralizado é
necessário. No Brasil, o órgão responsável pela regulação do espectro é a Anatel
(www.anatel.gov.br).
A Anatel concede licenças de utilização em determinado território de acordo com
a tecnologia escolhida.
No caso de redes sem fio, existem três
bandas de freqüências que podem ser utilizadas sem licenciamento:
900MHz, 2,4 Ghz e 5 GHz. São destinadas a propósito geral em comunicação sem
fio (por exemplo sistema de travamento de porta de veículos). Alguns
dispositivos médicos também operam nesta faixa.
Estas faixas recebem o nome de ISM (Industrial,
Scientific, Medical).
A banda de 900 é a
mais utilizada
A banda de 2,4 GHz
está sendo utilizada em tecnologias como o Wifi (802.11) e Bluetooth
A banda de 5 GHz está
no inicio da utilização e tem servido as tecnologias 802.11
O requisito obrigatório para utilização
compartilhada destas bandas é que a potencia máxima dos sinais não pode exceder
a 1 W .Isto limita a faixa de utilização do equipamento e evitam interferências
entre dispositivos que compartilhem esta freqüência em outras regiões.
3.6.1. Conteúdo Complementar
- Série de Fourier
- na digitalização do sinal (teorema
de Nyquist) :
3.6.2. Exercício:
Quais parâmetros da
senóide são alterados quando utilizamos a modulação QAM?
Que tipo de informação
são transmitidas com a utilização do ASK?
È possível combinar
diferentes métodos de multiplexação ? Caso sim apresente exemplos.
Com base em qual
técnica de multiplexação o modo duplex (transmissão simultânea em ambos
os sentidos) é implementado para o canal se ambos os transmissores usarem
a mesma faixa de freqüência simultâneamente ?
Em 1997, o comitê 802.11 adotou o padrão e
definiu três variantes da camada física com taxa de 1 a 2 Mbps:
ondas infravermelhas
faixa de microondas em
2,4 GHZ em codificação FHSS
faixa de microondas em
2,4 GHZ em codificação DHSS
Em 1999, outras variações da camada física
gerando os padrões 802.11a e 802.11b:
802.11 a utiliza a
freqüência de 5 GHz com codificação OFDM
802.11 b utiliza a
freqüência de 2,4 GHz com codificação DSSS
Em 2003 foi apresentado outra variante na
camada física 802.11g:
802.11g opera na faixa de
freqüência de 2,4 Ghz com codificação OFDM
Em 2007, foi introduzido o padrão 802.11n :
utiliza a faixa de freqüência de
2,4 e 5 GHz com multiplexação em tecnologia MIMO (Multiple Input Multiple
Output)
É um caso especial de multiplexação por
divisão de freqüência que envolve a utilização de múltiplas portadoras
(freqüências) visando a aumentar a confiabilidade na recepção.A
utilização da técnica de espalhamento é melhorar a confiabilidade quando o
sistema de transmissão possui interferências esporádicas em algumas
freqüências.
Por exemplos se existirem fontes de
interferências, ou se objetos grandes se movem entre o transmissor e o
receptor, a freqüência da portadora pode variar com o tempo. Em um dado instante
uma freqüência póde funcionar e a original não. A técnica de espalhamento
espectral pode resolver o problema enviando o mesmo sinal em várias freqüências
da portadora. O receptor é configurado para verificar todas as freqüências da
portadora e usa a que está funcionando no momento.
3.8.1. FHSS Espalhamento Espectral por Salto de Frequência (Frequency Hopping Spread Spectrum)
Esta técnica foi utilizada durante a
Segunda Guerra Mundial e para evitar interferências, as transmissões eram
feitas com constante mudança da portadora dentro de uma ampla faixa de frequências.
Desta forma, a potência do sinal é distribuída na faixa inteira. A sequencia de
freqüências é escolhida de maneira pseudo-aleatória e só é conhecida pelo
transmissor e receptor. Alguma interferência em uma determinada freqüência só
afeta uma parte da informação.O intervalo de tempo que uma freqüência é mantida
é conhecido como chip. São utilizados nesta freqüência os padrões FSK e PSK.
Para garantir a sincronização dos períodos de chip é reservado um tempo
onde são enviados diversos bits de sincronização A freqüência muda
constantemente por um gerador de números pseudo-aleatórios. Esta sequencia
depende de um parâmentro conhecido como semente (seed) que só
transmissor e receptor conhecem e que dá inicio a geração da sequencia.A sequencias
de saltos determinam como as freqüências são modificadas. Outro paramentro
importante é a taxa de chipping que informa a taxa com a qual as
freqüências são trocadas.
FHSS lento é quando a
taxa de chippingé menor que a taxa da informação do canal
FHSS rápido é quando a
taxa de chipping é maior que a taxa da informação do canal
FHSS rápido é melhor para imunidade a
ruídos e interferências mas mais complexo de ser implementado. FHSS lento é
mais fácil de ser implementado e é empregado em tecnologias como 802.11 e
Bluetooth.
802.11: taxa de
chipping de 50 Hz , 79 canais na faixa de 2,4 GHz e taxa de transmissão de 1
Mbps
Bluetooth: taxa de
chipping de 1.600Hz e 79 canais na faixa de 2,4 Ghz
3.8.2. DSSS Espalhamento Espectral por Sequência Direta (Direct Sequence Spread Sprectum):
Este método também utiliza toda a banda de
freqüência alocada para um enlace. Entretanto a técnica utilizada é diferente
da utilizada no FHSS. Isto não é feito pela mudança constante de freqüência mas
cada bit de informação é substituído por N bits de forma que a taxa de
transmissão seja aumentada N vezes. O objetivo final também é melhorar a
interferência e imunidade a ruído.A
O código empregado para substituir o bit de
informação é denominado chip. A taxa de transmissão do código é
denominada taxa de chipping.O receptor deve conhecer a sequencia de
espalhamento usado pelo transmissor para reconhecer corretamente as informações
transmitidas. O numero de bits de uma sequencia de espalhamento é o fator de
espalhamento. Quanto maior o fator de espalhamento (valores ente 10
e 100), mais largo será o espectro do sinal resultante e maior a imunidade
ao ruído. O DSSS é menos protegido contra ruídos do que o FHSS.
3.8.3. OFDM Multiplexação Ortogonal por Divisão de Frequencia (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)
A técnica de espalhamento espectral não é a
única utilizada em sistemas wireless. As modulações FSK e PSK também são
utilizados. Com freqüências mais elevadas, a largura de banda ampla, também
proporciona a possibilidade de utilizarmos modulação de múltiplas
sub-portadoras onde a largura de banda disponível é dividida em diversos
sub-canais, cada um utilizando uma freqüência de portadora específica.
Cada fluxo de bits é dividido em diversos
sub-fluxos que são modulados a taxa menores. Este sub-fluxo é modulado usando
uma sub-portadora específica. A modulação utilizada é o FSK.
O espectro do sinal nesta situação é
semelhante ao espectro de uma única portadora. O efeito da interferência
causada pela propagação multi-percursos (vários sinais chegam ao receptor por
meio de rebatimento em superfícies) é drasticamente reduzido.
Especificações da 802.11a:
Faixa de utilização do
canal de 5 GHz : 300MHz velocidade : 6,9.12, 18, 24, 36, 48 e 54 Mbps
O diâmetro de uma rede
802.11 depende de muitos fatores, inclusive a faixa de freqüência em uso. Em
situações normais, uma WLAN tem um diâmetro entre 100 e 300 m.
As ondas eletromagnéticas podem se propagar
em todas as direções (chamamos de onidirecionais ou unidirecionais) ou dentro
de certo setor (direcionais). O tipo de propagação dependem do tipo da antena.
A velocidade de propagação no vácuo é de 300.000 Km/s.
Lembrar que a formula clássica :
velocidade
de propagação = freqüência x comprimento de onda.
Uma antena funciona
simultaneamente para transmissão e recepção de ondas eletromagnéticas.
Uma antena parabólica
é do tipo direcional ou seja, é necessário apontá-la na direção do transmissor.
Uma antena
interessante é a isotrópica. Trata-se de um condutor vertical cujo tamanho é
igual a ¼ do comprimento de onda da portadora. Um exemplo deste tipo de antena é
a que utilizamos nos carros.
Neste tipo de propagação (onidirecional),
as ondas eletromagnéticas preenchem todo o espaço dentro do limite de um certo
raio que é determinado pela atenuação da potencia do sinal no meio físico ou
seja, “no ar”. O meio físico é compartilhado e desta forma possui os mesmos
problemas que encontramos em uma LAN só que ainda pior pois, o meio físico é
aberto e público.
As principais características de uma antena
relacionam-se com seu desempenho na formação de um enlace eletromagnético.
Incluem nestas características:
diagrama de radiação
ganho
diretividade
ângulo de abertura de
feixe
largura de feixe
eficiência da
irradiação
A referência que utilizamos é sempre a
antena isotrópica (irradiador hipotético que seria capaz de irradiar em todas
as direções). A potencia é distribuída igualmente em todas as direções. Nas
antenas reais, ocorrem direções preferenciais nas quais existem maior densidade
de potencia irradiada e outras direções a potencia assume valores menores ou
até mesmo nulos.
3.10.1. Diagrama de irradiação
Um diagrama de
irradiação é a representação em planos definidos (horizontal e vertical)
das potencias irradiadas .
Comparar dois
diagramas de irradiação (Justino pág 137).
A comparação entre
densidade máxima de potencia e a densidade média (antena isotrópica) determina
a diretividade de uma antena.
Uma antena com lóbulo
principal mais aberto possui menor diretividade e de ser utilizado em
aplicações onde deseja-se atingir uma maior região . Uma antena com lóbulo
principais mais fechado é considerada mais diretiva e concentra maior energia.
Parte da energia que o
transmissor fornece é convertida em calor. Eficiência de irradiação de
uma antena é a relação entre o valor real da densidade de potencia e o valor
esperado teoricamente.
Ao dividirmos a
densidade máxima de potencia de uma antena e a densidade média da antena
isotrópica obtemos o ganho de uma antena.
Um termo conhecido
como EIRP (potencia equivalente de irradiação isotrópica) muito utilizado em
sistemas de transmissão é definido como sendo o produto Go x P onde Go é o
ganho da antena e P a potencia irradia produzindo a mesma densidade máxima de
potencia por uma antena isotrópica .
Costumamos utilizar o
calor do ganho em decibéis e indicar com a letra i o ganho em relação a antena
isotrópica . (dBi)
3.10.2. Antena isotrópica
Como uma é um elemento hipotético,
costuma-se comparar o ganho de uma antena em relação a uma antena real de
referencia.
Para a faixa de HF e
VHF (TV) a comparação é feita em relação a antena dipolo
Para a faixa de
microondas é comum utilizar a antena corneta (horn).
Neste caso o ganho é expresso em dB
Quando a onda eletromagnética incide na
antena receptora, haverá a indução de uma corrente elétrica e tem-se uma
potencia desenvolvida junto aos terminais da antena. A relação entre a potencia
recebida e a densidade de potencia incidente é conhecido como sendo a abertura
efetiva da antena.
Quanto maior a diretividade e o ganho da
antena, maior será a densidade de potencia irradiada em uma determinada
direção.
3.10.3. Atenuação entre duas antenas no espaço livre:
A equação de telecomunicações ou formula de
transmissão de Friis é a base de cálculo de um enlace operando em freqüências
elevadas. Esta equação mostra que a potencia da onda irradiada decresce com o
quadrado da distancia entre a antena transmissora e receptora. Não incluído ai
as perdas em cabos e conectores nos sistema de transmissão e recepção.
A(dB) = 92,44 + 20 log f + 20 log r –
Gt(dB) – Gr(dB) sendo f em GHz e r em Km.
3.10.4. Exercício-exemplo
Seja uma ligação entre duas antenas
distantes de 30 Km em linha reta. O sistema utiliza antenas de ganho 30 dBi . A
freqüência de operação é de 3GHz e a potencia transmitida de 10 W. Calcular a
potencia recebida.
Trajeto desobstruído.
- aplicar a formula de Friis na atenuação
do link:
A(dB)= 92,44 +20 log3 + 20 log 30 -30 -30 =
71,25 dB
- Potencia transmitida= Potencia recebida x
Atenuação do link = >Pt= 10 W e A=142 x 10^6
Precebida = 7,04 x 10^-7 watts (ou
comprando a 1 mW - > Pr = -31,52 dBm
Alcance máxima de telecomunicações: Se resolvermos a formula de Friis para a distancia temos:
Distancia máxima = (comprimento de onda/4x
Pi) x Raiz Quadrada (Pt x Gt x Gr)/Pr
3.10.5. Exercício exemplo:
Um sistemas constituído de duas antenas
idênticas com ganho de 30 dBi. Potencia transmitida é de 5 W e a potencia
mínima detectável no receptor é de -40 dbm. Determinar o alcance máximo para
operação na freqüência de 4 GHz.
Solução: converter a potencia mínima
detectável em watts ou seja, Pr= 10 ^-7 wattts, o comprimento de onda na
freqüência de 4 GHz será 7,5 cm e Gt=Gr= 1.000 (30 dBi). Substituindo os
valores teremos r máx = 42,2 Km.
3.10.6. Relação portadora/ruído
O desempenho de um enlace de
radio-comunicação costuma ser medido por meio de um valor numérico que
estabelece a relação ente o nível da portadora e a potencia do ruído que chega
ao receptor. Este ruído é proveniente de vários fatores. Esta relação é
representada pela letra C/N.
C/N = (EIRP/Ao) x (G/T) x 1/k onde Ao
é a atenuação no espaço livre
3.10.7. Exercício – exemplo
Um satélite geoestacionário localizado a
36.000 Km de altura, irradia uma potencia de 2 W por uma antena de ganho
30 dBi na freqüência de 2 GHz. Na estação em terra, tem-se uma antena de ganho
40 dBi e temperatura de ruído igual a 30 K. Determinar a relação
portadora/ruído na entrada do receptor admitindo que se tenha uma largura de
faixa de 10 Mhz.
Solução:
EIRP = 2 x 1.000 = 2.000 W (antena de 30
dBi = 1000)
A freqüência especificada (2 GHz) tem um
comprimento de onda de 7,5 m e neste caso a atenuação do espaço livre pode ser
dada pela formula:
Ao = (4 x Pi x r/ comprimento de onda)
^2 . O valor será de 3,64 x 10^19 ou 195,61 dB
Na formula de C/N acima, basta aplicar os
valores:
C/N = (2.000/3,64x10^19) x (10.000/30) x
1/(1,38 x 10^-23 x 107) = 132,72 ou 21,23 dB.
3.10.8. Atividade Prática:
Analisar na Internet, as
especificações de antenas com relação a suas principais características e
indicar as aplicações mais comuns (links ponto a ponto ou antenas setoriais)
3.10.9. Exercício:
Um sistema de telefonia móvel celular opera
na freqüência de 870 MHz coma ERB irradiando uma potencia de 5 W. A antena
transmissora tem ganho de 6 dBi. A 10 Km de distancia tem-se uma antena
receptora com diretividade de 1 dB. Determinar a potencia na entrada do
receptor . Resp -67,2 dBm (solução Justino página 140)
A potencia de 20 W na frequência de 1 GHz
foi irradiada por uma antena isotrópica e por uma antena de 30 dBi . Qual é a
potencia EIRP ? Resp 20 KW (Justino pág 138)
4. Arquiteturas em redes sem fio
Redes de Computadores
– Princípios, Tecnologias e Protocolos para projeto de Redes – 1ª. Edição –
Natalia Olifer e Victor Olifer – Editora LTC - (Páginas 187 à 195)
Redes e Sistemas de
Comunicação de Dados – 5ª. Edição Willian Stallings Editora Campus - Capítulo
11 – página 230 à 246)
Redes de Computadores
e a Internet – 3ª. Edição – James Kurose e Keith W. Ross Pearson - (Cápitulo
6 páginas 412 à 418)
(Olifer & Olifer
páginas 189 à 195)
Sistemas de redes sem fio são classificas
nas categorias de móveis ou fixos. Não existe maneira de estabelecer comunicão
móvel sem fios. Sistemas fixos garantem acesso a pontos remotos dentro de
limites (pequenos, médio e grande distâncias)
LANs infravermelhas
(IR) – uma célula individual é limitada a única sala
LANs amplo espectro –
estas Lans operam na faixa de freqüências ISM de modo que não é necessário
licenciamento
microondas de bandas
estreita – podem utilizar freqüências licenciadas ou não
(tabela 11.1 da página 234 do livro
do Stallings)
4.3.1. sistemas ponto a ponto:
Este esquema é frequentemente utilizado na
criação de linhas de retransmissão de rádio (rádio enlaces). Radio enlaces
operam na faixa de microondas (GHz) utilizando antenas parabólicas e permitem a
transmissão de informações a distancias superiores a 50 Km. A utilização de
visada direita (LOS – Line of Signal) . Costuma-se referir a esta
arquitetura como backaul.
Neste esquema, podemos utilizar as
tecnologias de radio bem como o laser e infra-vermelho quando iremos conectar
dois prédios. Um oputro exemplo são as redes WLAN no caso de redes do tipo ad
hoc (redes não-hierárquica sem um servidor centralizado) e mesmo o Bluetooth.
4.3.2. sistema ponto-multiponto:
Neste esquema, múltiplos terminais de
usuários são conectados a uma estação base (base-station). Os canais são
utilizados tanto em acesso fixos como para acesso móvel.
Aplicações: antenas de TV, Telefonia
celular, redes WLAN do tipo WiFi (802.11) .
Nestes esquemas são utilizadas antenas
setoriais (que abrangem setores específicos – 45 graus) mas que compostas
atingem o setor inteiro (360 graus).
A principal aplicação atual é o sistema de
telefonia celular . Uma estação base é conhecida também como Ponto de Acesso (Access
Point). A maioria dos sistemas de acessos móveis, utiliza o modelo honey
comb(células) representa uma pequena área atendida por uma estação
base. Esta arquitetura permite a reutilização de freqüências. Desta
forma, a operadora utiliza de forma otimizada as freqüências licenciadas que
tem direito e os assinantes não experimentam qualquer problema de interferência
devido ao controle de potencia . Dada a distancia mínima entre os centros de
duas células que usam a mesma freqüência, o numero de freqüências de
reutilização pode ser selecionado de acordo com a formula abaixo:
Número de freqüências de reutilização= D^2
/3R^2 onde,
R é o raio da célula e
D a distancia de
reutilização
Observe que células
pequenas permitem baixas potencias nos terminais dos usuários.
A transição do dispositivo terminal de uma
célula para outra é um problema para os canais móveis e é conhecido com handoff.
Este caso não existe em acessos fixos.
4.3.3. sistema multiponto – multiponto
Neste esquema, o meio comum é compartilhado
por vários nós. Estes nós podem interagir com outros nós sem a necessidade de
um elemento controlador (estação-base). Este caso é utilizado para conectar
computadores em situações especiais. Não tem sido utilizado nas redes
WLAN atuais devido ao baixo desempenho.
4.3.4. sistema por satélite.
São utilizados canais de microondas de alta
velocidade e grandes distancias. São utilizados onde os sistemas onde a linha
de visão não pode ser estabelecida devido a curvatura da terra. O satélite é
uma solução natural para este problema, funcionando como um refletor dos sinais
irradiados da própria terra. O ITU-T alocou diversas bandas de freqüências para
comunicação por satélite (banda L, S, C, Ku e Ka) . As bandas C e Ku são as
mais utilizadas. Apresentar um quadro com as freqüências de downlink e uplink (Tabela
10.1 livro do Olifer página 192).
No sistema por satélite existem duas
arquiteturas: satélites geoestacionário (usado em difusão e estão posicionados
a 35.863 Km de altura) e os satélite MEO e LEO (média e baixa orbita
posicionados entre 5.000 e 15.000 Km e entre 100 e 1.000 Km
respectivamente).
4.3.5. Exemplos do serviço de satélite:
- satélites GEO
banda C: broadcasting - televisão convencional (parabólica)
- satélites GEO
banda Ku: TV por assinatura (serviço DTH – Direct to,the Home)
- satélites GEO
banda C e Ku: sistema VSAT (Very Small Aperture Terminal)
- satélites MEO
– sistema GPS
- sistema LEO: projeto
Iridum de telefonia global e transmissão de dados a 2,4 Kbps
O ITU-T regula as posições do
satélites geoestacionário em suas orbitas .. Os satélites GEO não podem ficar
mais próximos do que 2 graus, desta forma, existe escassez de posição no
espaço.
(Stallings páginas 230 à 232)
extensão de LAN
Interconexão ente
localidades
Acesso Intinerante
Redes ad hoc
Vazão
Número de nós
Conexão a LAN de
backbone
Área de serviço
Consumo de bateria
Robustez na
transmissão
Operação de redes em
local compartilhado
Operação de licença
livre
Handoff/ Roaming
Configuração dinâmica
4.5.1. Exercício:
Quais as desvantagens de um sistema de
satélite geo estacionário ?
Quais aplicações você acredita que um
sistema do Tipo Iridium pode oferecer com vantagens comerciais e chance de
sucesso?
5. Redes LAN sem fios (WLAN)
- Redes de
Computadores – Princípios, Tecnologias e Protocolos para projeto de Redes – 1ª.
Edição – Natalia Olifer e Victor Olifer – Editora LTC
-Redes e Sistemas de
Comunicação de Dados – 5ª. Edição Willian Stallings Editora Campus - (Capitulo
11 – página 235 à 238)
-Redes de Computadores
e a Internet – 3ª. Edição – James Kurose e Keith W. Ross Pearson - (Capítulo
6 páginas 393 à 412)
redução da força do
sinal (atenuação de percurso devido a dissipação do
sinal pelo ambiente com a consequente redução da sua força)
interferências de
outras fontes : várias fontes transmitidos na mesma
freqüência sofrerão interferências . Mesmo o ruído eletromagnético presente no
ambiente é um elemento que pode resultar em interferência
propagação multipercursos
: (multicaminhos ou multiptah) ocorrem quando parte da onda
eletromagnética se reflete em objetos e no solo e tomam caminho de comprimentos
diferentes entre o emissor e receptor. Isto resulta em embaralhamento do sinal
recebido. O mesmo efeito ocorre quando o receptor de movimenta em relação ao
emissor.
Com estas considerações levam a compreender
porque foi desenvolvida uma nova camada de acesso ao meio (MAC) que retransmite
quadros corrompidos assim como, implementam poderosos códigos de detecção
de erro (CRC).
Pilha do protocolo (Olifer&Olifer
página 274-figura 14.9, Stallings 236 – figura 11.5)
A camada MAC abrange três áreas funcionais:
entrega de dados
confiáveis
controle de acesso
segurança
5.2.1. Controle de acesso
Assim como em uma LAN é preciso de um
protocolo de acesso múltiplo para coordenar as estações envolvidas. Existem
quatro classes em protocolos de acesso: partição do canal, acesso
aleatório, revezamento e CDMA. No projeto 802.11 foi escolhido o acesso
aleatório. O protocolo de acesso foi designado como CSMA com prevenção de
colisão (CSMA/CA).
Neste protocolo cada estação ”sonda”
o canal antes de transmitir e abastem-se de transmitir quando o mesmo está
ocupado. Existem duas diferenças fundamentais com relação ao protocolo ethernet
tradicional:
o padrão 802.11 usa
uma técnica de prevenção de colisão.
devido a elevada
probabilidade de erros de bits em redes sem fio é utilizado o
reconhecimento/retransmissão (ARQ)
5.2.2. Reconhecimento da camada de enlace
Quando uma estação de destino recebe um
quadro que passou na verificação de erro de quadro (CRC) a estação receptora
espera um curto período de tempo conhecido como SIFS espaçamento curto
inter-quadros (Short Inter-Frame Spacing) e então devolve um quadro de
reconhecimento (ACK). Se a estação transmissora não receber esta
confirmação, ela admitirá que ocorreu um erro e retransmitirá o quadro
novamente. Se após um numero fixo de retransmissões não lograr sucesso,
descartará o quadro.
5.2.3. Detalhamento do CSMA/CA: (Kurose figura 6.8 página 405)
1: caso exista ociosidade no canal, uma
estação que deseja transmitir, espera um tempo conhecido como espaçamento
inter-quadros distribuídos – DIFS (Distributed Inter-Frame Space)
2 caso esteja em uso, a estação receberá um
valor aleatório de backoof e fará a contagem regressiva deste valor quando
perceber que o canal está ocioso. Se o canal estiver ocupado, o contador
permanece parado.
3 Se o contador chegar a zero, (a estação
sabe que o canal está ocioso) ele transmite a informação e aguarda o
reconhecimento de alguma estação
4 Se receber o reconhecimento saberá que a
estação foi corretamente recebido. Se tiver um outro quadro a ser
transmitido, iniciará o protocolo pela etapa 2. Se não receber reconhecimento
entrará novamente na fase de backoff (etapa2) e escolherá um valor
aleatório dentro de um intervalo maior
5.2.4. Terminais ocultos: RTS e CTS:
O protocolo MAC prevê um esquema adicional
de ajuda para evitar colisões mesmo na presença de terminais ocultos (estações
que não são “vistas” por todos os membros de uma rede sem fio)
(Kurose figura 6.9 na página 407). Este
esquema pode ocorrer com alguma freqüência pois é possível que uma estação
esteja na área de cobertura de um AP assim como outra estação mas as duas
estações não estão na mesma área de cobertura e assim não conseguem acompanhar
a transmissão da outra.
Para evitar este problema, o protocolo
802.11 permite que uma estação utilize um quadro de controle – solicitação de
envio – RTS (Request to Send) e um quadro de controle – pronto para
envio – CTS (Clear to Send) para resevar o canal. Uma estaçãol assim
envia um RTS antes de enviar a mensagem e o AP responde com um CTS . O
quadro CTS possui duas finalidade: dar permissão ao remetente de para
transmissão e instruir as outras estações a não enviar dados durante o tempo
reservado.
5.2.5. Quadro 802.11 (Kurose página 409 –figura 6.11)
Embora o quadro 802.11 tenha semelhança com
o ethernet (802.3) eles possui campos específicos para enlaces de redes sem
fio.
Faça uma breve descrição dos
principais campos incluídos (Controle do quadro), duração, campo de endereços (existem
4 no 802.11 !).
Detalhamento do quadro de controle e de ênfase
a justificar os 4 campos de endereços:
endereço da estação de
origem (endereço-2 pode ser de uma estação ou AP)
endereço de destino
(endereço-1 pode ser de uma estação ou AP)
endereços extra-1
(endereço-3) serão necessário para interconexão de redes ou seja, para mover o
datagrama de uma estação, passando por um AP até a interface de um roteador.
endereço extra-2
(endereço-4) é utilizada em redes ad-hoc mas não em infra-estrutura (assuntos
a serem visto na aula seguinte)
Nas páginas 409/410 do livro do Kurose
existe explicação detalhada do processo de uso do endereço 3.
5.2.6. Atividade Prática
Utilizando o analisador de protocolo
wireshark e no mínimo três estações (dois computadores e um AP) efetue analise
do protocolo de acesso a meio . Procure efetuar uma transferência de arquivo
entre uma estação e a rede e tente navegar na outra estação. O analisador
deverá ser instalado nas duas estações. Ajuste os horários dos relógios dos
computadores por NTP ou por ajuste manual
5.2.7. Exercício:
Que tipo de problema voce observou como
usuário do 802.11 ? Como os projetos do 802.11 podem evoluir para melhorar
estes problemas?
6.
Redes
WLAN padrão IEEE 802.11 (Wi-Fi)
- Redes de
Computadores – Princípios, Tecnologias e Protocolos para projeto de Redes – 1ª.
Edição – Natalia Olifer e Victor Olifer – Editora LTC
-Redes e Sistemas de
Comunicação de Dados – 5ª. Edição Willian Stallings Editora Campus
-Redes de Computadores
e a Internet – 3ª. Edição – James Kurose e Keith W. Ross Pearson
Associação: estabelece
uma associação inicial entre a estação e um ponto de acesso
Re-associação:
transferência de uma associação de um ponto de acesso a outro
De-associação:
notificação por parte da estação ou do ponto de acesso que a associação está
terminada.
Autenticação:
estabelece a identidade das estações uma para as outras
Privacidade: impedir
que seja lidos por outras pessoas além do destinatário
Existe um quadro interessante na página 274
do livro Olifer&Olifer (filgura 14.9) que apresenta todas as tecnologias
disponíveis para a canal física.
TODOS os padrões até o 802.11 g operam em
um único canal de 20 MHz
Os padrões existentes, incluindo ai o 802.11n,
apresentam uma novidade: a possibilidade da operação em múltiplos streams e a
operação com canal de 20 MHz e 40 MHz.
No caso da rede 802.11n, utilizando um
canal com 40 MHz e 4 streams a taxa pode chegar a 600 Mbps. A técnica neste
caso é a agregação de quadros em diferentes canais.
6.2.1. Arquitetura 802.11
(Kurose página 402 /
Olifer&Olifer página 275 e 276, Stalling página 235)
Estações: computadores
ou dispositivos com interface
Meio: podem-se definir
dois, a radiofrequência e os infra-vermelhos.
Ponto de acesso (AP):
tem as funções de uma ponte (liga duas redes com níveis de enlace parecidos ou
diferentes), e realiza por tanto as conversões de trama pertinente.
Sistema de
distribuição: importantes já que proporcionam mobilidade entre AP, para tramas
entre diferentes pontos de acesso ou com os terminais, ajudam já que é o
mecânico que controla onde esta a estação para lhe enviar as tramas.
6.3.1. Conjunto de serviço básico (BSS):
Grupo de estações que se intercomunicam entre
elas. Define-se dois tipos:
Independentes
(ad-hoc): quando as estações, se intercomunicam diretamente.
Infra-estrutura:
quando se comunicam todas através de um ponto de acesso.
6.3.2. Conjunto de serviço Estendido (ESS):
União de vários BSS.
6.3.3. Área de Serviço Básico (BSA):
Zona onde se comunicam as estações de uma
mesma BSS, se definem dependendo do médio.
6.3.4. Mobilidade
Conceito importante nas redes 802.11, já
que o que indica é a capacidade de mudar a localização dos terminais, variando
a BSS. A transição será correta se realiza-se dentro do mesmo ESS em outro caso
não poder-se-á realizar.
6.3.5. Limites da rede
Os limites das redes 802.11 são difusos já
que podem solaparse diferentes BSS.
Quando uma rede sem fio, disponibiliza APs,
estas são denominadas redes de infra-estrutura. È possível que alguns
terminais se reúnam e componham uma rede ad-hoc (usuários
temporários) sem um controle central e sem conexão ao mundo externo. O padrão
802.11 define duas arquiteturas:
6.3.6. Redes BBS
conjunto básico de serviços (Basic
Service Set) é a menor unidade de uma WLAN são compostas por grupo de
estações individuais. que podem estar isoladas entre si contendo uma estação
base; os nós dessas redes se comunicam diretamente um com os outros. (Ver
figura 14.11 em Olifer&Olifer página 276, Figura 6.6 de Kurose página
402 ou Stallings figura 11.4 página 234).
As estações base são chamadas de APs (Acess
Point) e uma BBS pode estar isolada o conectar-se a um sistema de
distribuição DS (Distribution System). Um sistema de distribuição (que
interliga os APs) pode ser composto de redes sem fio ou redes cabeadas.
Quando um AP está sendo utilizado para
constituir uma rede de distribuição damos o nome de DSS (Distribution System
Service). A tarefa do DSS é transmitir pacotes entre estações que por algum
motivo não podem ou não querem interagir diretamente . O motivo mais comum é
que as estações pertencem as BSS diferentes .
6.3.7. - Redes ESS
conjunto estendido de serviços (Extended
Service Set) constituem-se diversos BSS conectados a um DS. Esta estrutura
proporciona mobilidade as estações pois elas podem se movimentar entre
diferentes BSS. Por meio de uma ESS que interligamos a rede com fios e ao resto
da LAN de uma organização.
Ao instalar um AP, um administrador de rede
designa ao ponto de acesso um identificador de conjunto de serviço – SSID(Service
Set Identifier) .
(Referencia ao assunto a seguir podem ser
encontrados em http:www.cisco.com/ipj volume 9, número 3 - september
2009)
No modelo infra-estrutura, existe a possibilidade
de implantarmos a infra-estrutura em três arquiteturas:
Infra-estrutura autônoma Os APs
trabalham de forma independente e cada um deve ser configurado individualmente
e trabalha de forma independe. O ajuste das freqüências utilizadas deve ser
cuidadosamente estudado. Os APs neste caso são chamados de Fat AP.
Infra-estrutura centralizada: Neste caso, o modelo é
hierárquico e envolve um controlador dos APs. Os APs neste caso são chamados de
“Thin APs” pois o software neles existente é diferente das versões
autônomos. Estes controladores de AP (WLAN Switch) são responsáveis pela
gerencia de freqüência, potencia, numero de usuários por AP e executa o handoff
entre os APs garantindo uma boa distribuição dos usuários por APs.
Infra-estrutura distribuída: Neste
caso, os vários APs, fazem uma arquitetura distribuída através de conexões
feitas via cabos ou através da própria rede sem fio. Os Aps são interligados
por links 802.11 e 802.3
6.4.1. Exercício:
È possível para uma estação pertencente a
uma rede 802.11 transmitir um quadro para outra estação pertencente a mesma BSS
usando um AP?
7. Projeto de uma rede 802.11
- Redes de
Computadores – Princípios, Tecnologias e Protocolos para projeto de Redes – 1ª.
Edição – Natalia Olifer e Victor Olifer – Editora LTC
-Redes e Sistemas de
Comunicação de Dados – 5ª. Edição Willian Stallings Editora Campus
-Redes de Computadores
e a Internet – 3ª. Edição – James Kurose e Keith W. Ross Pearson
local a ser utilizado
a rede (interno/externo – indoor/outdoor)
numero médio de
usuários
área de cobertura
existência de outras
redes WLAN (verificar a freqüência e canais em utilização)
infra-estrutura
existente (rede cabeada, energia elétrica,)
condições para
instalação de antenas internas e externas . No caso de redes externas deve-se
verificar as condições de segurança para a instalação da antenas (pára-raios)
materiais encontrados
na instalação/salas
tipo de utilização da
rede (constante, esporádico, etc..)
serviços a serem
utilizados na WLAN (acesso a Internet, acesso a banco de dados, VOIP, VOD,
etc...)
Site-Survey (levantamento em campo)
onde diversos aspectos devem ser observados (materiais existentes, nível de
interferência, existência de rede cabeada ou sem fio).
Análise da atenuação do sinal. Uma forma
de avaliar o índice de atenuação do sinal (testar nas duas freqüências 2,4 GHz
e 5 GHz) é colocar um AP dentro de uma sala e avaliar com um notebook o sinal
no lado externo da sala, tomando alguma distancia entre os dois pontos.
Alocação de canais e reutilização de freqüência. A alocação de freqüência em sistema WLAN 802.11 é comum e devemos
efetuar uma analise na definição das freqüências a serem utilizadas. O
equilíbrio de potencia é fundamental para evitar interferências nos canais
escolhidos.
Escolha das antenas: a escolha das
antenas merece um detalhe especial. Existem diversos modelos para utilização
interna e externa. O diagrama de radiação da antena é fundamental para definir
a sua aplicação. Antenas diretivas são utilizadas em links ponto a ponto e
antenas menos diretivas (setoriais) atendem a usuários localizados em
determinados setores. As antenas mais tradicionais que fazem parte dos AP são
to tipo onidirecional e devem ser ajustadas para aproveitar a potencia máxima.
Instalar as antenas em parede podem diminuir a eficiência na cobertura pois
atendem parte do sinal será desperdiçada na parte traseira.
Cabo irradiante (verificar o site do
fabricante RFS – Radio Frequency System)é um cabo que elimina a
necessidade de antena tradicional. Trata-se um cabo coaxial que ao contrário
dos demais cabos irradia, o sinal para o exterior de uma forma organizada ao
longo de todo o cabo. A potencia uniforme transmitida ao longo do cabo
permite projetos interessantes em algumas situações . Um exemplo é o caso de
hoteis e hospitais onde o lay-out do edifício permite um diagrama de irradiação
Cálculo de cobertura (Link Budget)
Softwares ou calculadoras (exemplo projeto jubarte – http://sites.google.com/site/jubartecalc/)
auxiliam no cálculos de enlaces ponto a ponto.
Rede de interconexão dos APs . As redes
que interconectam os APs podem ser de dois tipos: cabeadas e não cabeadas (wireless).
No caso de redes
cabeadas, um projeto eficiente de cabeamento estruturado ajuda a interconectar
todos os APs de um campus ou edifício. Um aspecto importante das redes de
distribuição dos APs cabeadas é que podemos utilizar o padrão 802.3af (POE – Power
Over Ethernet) para alimentar os APs. Isto permite uma instalação com alta
disponibilidade (os APs tem alimentação concentrada nos armários de piso e
“limpa” pois apenas um cabo é necessário.
Regra básica 1: quanto
mais alta a frequência mais curta a distancia de transmissão
·
Novas instalações devem decidir
por utilizar novos padrões salvo que tenha muitos equipamentos legados, Deve-se
ponderar a questão de velocidade x alcance. Por exemplo os sistemas 802.11a
possuem taxas de transmissão maiores que os padrões b e g e melhor imunidade,
mas como utiliza frequências maiores (5 GHz) , o seu alcance será mais
curto. Novos projetos com o padrão 802.11n pode resolver alguns destes
problemas mas este padrão ainda não está homologado pela Anatel.
Regra básica 2:
·
Quanto mais alta a frequência,
mais fácil será interromper o sinal. Assim uma analise do ambiente operacional,
é fundamental para decidir a utilização
·
Regras de segurança serão vista
na aula seguinte.
Cada AP é dimensionado para um número
recomendado pelo fabricante, o desempenho do sistema é proporcional ao numero
de usuários por AP. Estude os equipamento com cuidado e muitas vezes, será
necessário um numero maior de APs para cobrir uma área , não pela área de
cobertura mas devido ao numero de usuários conectados.
Existem produtos desenvolvidos para
dimensionar redes sem fio em ambientes de campus ou mesmo dentro de
edificações. A Cisco possuem o WCS – Wireless Control System que a
partir de uma planta baixa do local e as identificações dos tipos de paredes e
limites da edificação permite o dimensionamento (quantidade e localização) dos
APs.
Durante o site-survey e após a
instalação da rede, faz-se necessário um levantamento em campo para comprovar
os resultados previstos no projeto. Para este fim, existem equipamentos
específicos (analisadores de espectro) ou podemos instalar uma placa de rede em
um notebook com um software especifico que configura a placa de rede no modo
promiscuo isto é, captura todo tipo de pacote e fazemos uma analise das
freqüências e dos níveis encontrados.
7.5.1. Atividade Prática
Utilizando um AP portátil e um notebook (ou
dois notebook) tente avaliar no interior da sua faculdade qual o índice de
atenuação dos matérias que compõem o prédio (paredes de concreto, pardes de
gesso – drywall, paredes de vidro . Monte uma tabela com os valores das
atenuações encontradas. Estes valores serão utilizados no projeto de uma WLAN
802.11
7.5.2. Exercício:
Pesquise e informe a principais
características do POE e como ele funciona. Quais são os dispositivos que podem
ser alimentados por este padrão?
8. Projeto de uma rede 802.11 (estudo de caso de um provedor wireless)
- Redes de
Computadores – Princípios, Tecnologias e Protocolos para projeto de Redes – 1ª.
Edição – Natalia Olifer e Victor Olifer – Editora LTC
-Redes e Sistemas de
Comunicação de Dados – 5ª. Edição Willian Stallings Editora Campus
-Redes de Computadores
e a Internet – 3ª. Edição – James Kurose e Keith W. Ross Pearson
O projeto de WLAN proposto será baseado em
um provedor de acesso wireless que cobre um município médio . A
tecnologia utilizada no acesso aos clientes será 802.11 b e g
Haverá a opção em alguns locais da
utilização de serviço móvel e serviço fixo para os clientes
Para o backhaul (interligação dos diversos
POP da empresa), será utilizado algumas das especificações do padrão 802.11.
8.1.1. Aspectos a observar durante a elaboração do projeto:
local a ser utilizado
a rede (interno/externo – indoor/outdoor)
numero de usuários
médios
área de cobertura
existência de outras
redes WLAN (verificar a freqüência e canais em utilização)
infra-estrutura
existente (rede cabeada, energia elétrica,)
condições para
instalação de antenas internas e externas . No caso de redes externas deve-se
verificar as condições de segurança para a instalação da antenas (pára-raios)
materiais encontrados
na instalação/salas
tipo de utilização da
rede (constante, esporádico, etc..)
serviços a serem
utilizados na WLAN (acesso a Internet, acesso a banco de dados, VOIP, VOD,
etc...)
8.1.2. Exercício
Pesquise dos equipamentos, acessórios e
antenas necessárias para o desenvolvimento do projeto em curso. Procure coletar
as principais especificações técnicas e preços aproximados para montar em um
anexo as especificações dos equipamentos envolvidos.
9. Segurança em redes 802.11
-Redes e Sistemas de
Comunicação de Dados – 5ª. Edição Willian Stallings Editora Campus - (Capitulo
11 página 242)
-Redes de Computadores
e a Internet – 3ª. Edição – James Kurose e Keith W. Ross Pearson - (Capitulo 8
– páginas 560 à 564)
A utilização de uma WLAN aumenta a
responsabilidade das equipes de suporte tendo que os mesmos capacitar-se para
tal responsabilidade.
As razões para o uso já foram descritas:
mobilidade, redução de custos de instalação, rede provisória e conexões de nós
remotos. Muitas empresas adotam no raciocínio a brecha de segurança que as
redes sem fio introduz na organização.
Os dispositivos sem fio possuem a
capacidade (nem sempre desejada) de encontrar as conexões automáticas.
9.1.1. Boas práticas
instale os AP fora do
firewall da empresa de forma a garantir que os dados corporativos não sejam
propagados
Ative o WEP. Ele pode
ter graves de segurança mas irá deter a maioria dos espiões casuais
Ative o WAP2 . Está é
a geração atual de segurança em redes WiFi
instale os pontos de
acesso em switches do que em HUBs para fornecer filtragem de tráfego e controle
de banda
Realize um
levantamento no site para ver o nível de exposição da rede
De preferência utilie
uma VPN para esta rede
Utilize filtro nas
camadas 2 e 3 para acesso de segurança
Entenda que a maioria
dos problemas (maliciosos ou acidentais) não vem de hackers mas de usuários
internos
Privacidade Equivalente sem fio, fornece
autenticação e cripotografia de dados entre a estação e o AP por meio de chaves
simétricas. Ele não especifica um algoritmo de gerenciamento das chaves e
admiti-se que que ambos os envolvidos conrcadam com a chave por meio de um
método externo. O processo tem 4 fases:
Uma estação requisita
autenticação em um AP
O AP responde com um
nonce de 128 bytes
A estação criptografa
o nonce usando uma chave simétrica que compartilha com o AP
O AP decripta o nonce
criptografado pela estação
Se o nonce decriptado
corresponder ao nonce enviado originalmente a estação, então será autenticado
pelo ponto de acesso.
Este processo atualmente é facilmente
quebrado por softwares encontrados na Internet .
É geração atual de segurança em redes WiFi
(802.11) e utiliza o protocolo de criptografia AES e o padrão 802.11i .
WPA2 tem sido largamente aceita devido a
quatro fatores:
Autenticação mútua –
utiliza 802.1X (WPA2-Enterprise) e PSK (WPA-2 Personal)
Criptografia forte –
utiliza oAES 128 bits
Interoperabilidade – o
sistema é baseado em padrões reconhecidos
Fácil de utilizar
9.3.1. Configurações WPA
Existem duas configurações:
WPA-2-Enterprise e WPA-2-Personal
Enterprise: cada
usuário assina uma credencial única e é necessário um servidor AAA – 802.1x com
suporte a EAP. As chaves são únicas para cada sessão.
Personal: Modo não
gerenciado de aute4nticação utilizando PSK permitindo a entrada do passphrase
manualmente que pode ser compartilhada pelos usuários na rede. Não é
necessário um servidor de autenticação. As chaves são únicas por cada sessão
É um padrão IEEE para controle de acesso à rede com base em
portas; Provê um mecanismo de autenticação para dispositivos que desejam
juntar-se à uma porta na LAN, seja
estabelecendo uma conexão ponto-a-ponto ou prevenindo acesso para esta porta se
a autenticação falhar. É usado para a maioria dos AP é baseado no
Protocolo de Autenticação Extensiva (EAP).
Uma estação precisa
autenticar-se antes de poder ter acesso aos recursos da LAN. 802.1X prevê
autenticação baseada em portas, que envolve comunicação entre a estação
requisitante, o autenticador e o servidor de autenticação.
O requisitante é a
estação-cliente, o autenticador é um SwitchEthernet ou AP, e a
autenticação geralmente uma base de dados RADIUS. O autenticador atua como uma proteção
secundária à rede. Não é permitido a estação-requisitante acesso através do
autenticador ao lado protegido da rede até que a identidade do requisitante
seja autorizada. Com a autenticação baseada em portas 802.1X, o requisitante
provê credenciais como nome de usuário / senha ou certificado
digital, ao autenticador, e ele encaminha as credenciais até o
servidor de autenticação para verificação. Se as credenciais são válidas (na
base de dados do servidor de autenticação), a estação-requisitante é permitido
acessar os recursos localizados no lado protegido da rede.
Sob detecção de um
novo cliente, a porta na swtich (autenticador) é habilitada e mudada para o
estado “não-autorizado”. Neste estado, apenas tráfego 802.1x é permitido;
outros tráfegos, como DHCP e HTTP, são bloqueados na camada de enlace.
O autenticador envia a identidade de autenticação EAP-request' ao
requisitante, que por sua vez responde com o pacote EAP-response que o
autenticador encaminha ao servidor de autenticação. Se o servidor de
autenticação aceitar a requisição, o autenticador muda o estado da porta para o
modo “autorizado” e o tráfego normal é autorizado. Quando o requisitante efetua
um logoff, envia uma mensagem EAP-logoff para o autenticador. O autenticador
então, muda sua porta para o estado “não-autorizado”, bloqueando
novamente todo o tráfego não-EAP.
Como o WEP oferecia criptografia
relativamente fraca, somente um único modo de oferecer autenticação e nenhum
mecanismo de distribuição de chaves, o padrão 802.11i fornece formas de
criptografias muito mais robustas, um conjunto extensível de mecanismo de autenticação
de chaves e um mecanismo de distribuição de chaves (um esquema pode ser visto
em Kurose – figura 8.36 página 563).
Além da estação cliente e do AP, devemos
definir um servidor de autenticação com o qual o AP possa se comunicar. O
funcionamento do padrão 802.11i apresenta 4 fase:
Descoberta:O AP se
anuncia sua presença e as formas de autenticação e criptografias podem ser
oferecidas aos clientes
Autenticação mútua e
geração de chave mestra (Master Key – MK) A autenticação ocorre entre a estação
cliente e o servidor de autenticação. O AP serve apenas como passagem. O
protocolo EAP é trocado entre a estação e o AP bem como entre o AP e o servidor
(Protocolo RADIUS) via uma rede cabeada. O servidor pode escolher um ente
vários modos de efetuar a autenticação. O mais utilizado é o EAP-TLS (chaves
públicas) de forma a permitir a autenticação mútua entre servidor e a
estação-cliente
Geração de Chave
mestra de Par (Pairwise Master Key – PMK) . A MK é um segredo
compartilhado entre o servidor e a estação cliente e eles a utilizam para gerar
uma segunda chave, a PMK. O servidor a envia então ao AP. Assim a estação
cliente e o AP tem agora uma chave compartilhada (o que não ocorria no WEP)e
agora autenticam-se mutuamente e estão prontos a operar.
Geração da chave
Temporária (Temporal Key – TK). Com a PMK, a estação cliente e o AP
podem agora gerar chaves adicionais que serão utilizadas na comunicação. Esta
chave TK será utilizada para a criptografia na camada de enlace
(filtro de MAC, firewall, etc.)
10. Projeto de uma rede 802.11 (estudo de caso : rede interna de um edifício comercial
- Redes de
Computadores – Princípios, Tecnologias e Protocolos para projeto de Redes – 1ª.
Edição – Natalia Olifer e Victor Olifer – Editora LTC
-Redes e Sistemas de
Comunicação de Dados – 5ª. Edição Willian Stallings Editora Campus
-Redes de Computadores
e a Internet – 3ª. Edição – James Kurose e Keith W. Ross Pearson
O projeto de WLAN proposto será baseado em
uma rede WLAN em um prédio comercial (hotel, hospital, escola etc...) com
vários pavimentos com base no padrão 802.11. Será utilizado na rede de
distribuição, o cabeamento estruturado que o prédio possui. A alimentação dos
APs será por meio de switches Ethernet POE.
- local a ser
utilizado a rede (interno
- numero de usuários
médios
- área de cobertura
- existência de outras
redes WLAN (verificar a freqüência e canais em utilização)
-
infra-estrutura existente (rede cabeada, energia elétrica,)
- condições para
instalação de antenas internas e externas .
- materiais
encontrados na instalação/salas
- tipo de utilização
da rede (constante, esporádico, etc..)
- serviços a serem
utilizados na WLAN (acesso a Internet, acesso a banco de dados, VOIP, VOD,
etc...)
- segurança de acesso
(deverá existir uma rede segura e uma rede “aberta”) com dois SSID nos
11. Instalação e configuração
-Redes de Computadores
– Princípios, Tecnologias e Protocolos para projeto de Redes – 1ª. Edição –
Natalia Olifer e Victor Olifer – Editora LTC
-Redes e Sistemas de
Comunicação de Dados – 5ª. Edição Willian Stallings Editora Campus
-Redes de Computadores
e a Internet – 3ª. Edição – James Kurose e Keith W. Ross Pearson
Na implantação de um projeto de rede sem
fio existem dois personagens: projetista e o instalador.
11.1.1. O Projetista é o responsável por:
Cálculo dos link e
perdas
site survey(levantamento em campo das informações)
definição da
localização inicial dos AP (antenas)
detalhamento de
sistemas de proteção contra descargas atmosféricas
11.1.2. O instalador é o responsável por :
instalação adequada
dos AP/antenas
terminação dos
equipamentos e proteção dos cabos
ajuste nas antenas
efetuar levantamento
de cobertura e verificar o atendimento dos parâmetros de projeto
verificação no
atendimento das normas de instalação de infra-estrutura (cabeada e não cabeada)
11.1.3. Melhores práticas de instalação:
Escolher os menores
comprimentos de cabos entre as antenas e o AP (quando aplicável). AS parte de
RF (radio freqüência) sempre é amais sensível. Se o AP já inclui a
antena, o limite é o comprimento do cabo de rede que atende ao AP (100 metros)
Colocar as antenas em
locais visíveis e nas paredes que fazem ângulos (corners das paredes)
Colocar as antenas próximo
ao teto (afastado de uns 10 cm do teto)
Deixar um afastamento
entre a parede e a antena de uns 24 cm (2 comprimentos de onda)
Não esconder a antena
atrás de obstáculos
Não colocar a antena
horizontalmente e observar o posicionamento correto junto ao manual do
fabricante para a correta propagação do sinal
verificar as
interferências nos canais WiFi via softwares existentes (p. exemplo Netstumber)
Antenas onidirecionais
que são usadas em sistemas onde as comunicações são baseadas em células
para redes 802.11 as
freqüências de operação são 2,4 GHz (802.11 b,g) e 5 GHz (802.11a).
para redes 802.11 as
potencias transmitidas estão por volta de 1 watt
padrão de radiação: o
padrão define a propagação de radio da antena. Os AP vem na sua maioria com
antenas que irradiam em todas as direções
ganho: lembrar que 3
dB de ganho (ou perda) significa dobrar a potencia (ou reduzir pela metade).A
maioria das antena é dado em dBi o que significa quanto a antena aumenta a
potencia de transmissão em relação a antena fictícia isotrópica.
Antena onidirecionais
tem ganho em torno de 6 dB e são utilizadas internamente aos edifícios e sua
propagação ocorre em, todas as direções mas principalmente no plano horizontal
(pela edificação) e de forma limitada na vertical. Possui boa cobertura e
serve para ser aplicado em células sobrepondo APs que estejam espalhados na
edificação.
Antenas direcionais (do
tipo yagi) transmitem e recebem sinais melhor em uma direção que em outras. O
diagrama de radiação é como a iluminação de um lanterna e deve ser posicionada
de forma conveniente para cobertura desejada. Antenas de alto ganho possuem
feixes bem estreitos. O ganho é geralmente de 12 dBi ou superior. São
utilizadas em maior frequencia em links ponto a ponto. Em alguns casos, uma
antena direcional pode rduzir o número de AP. Em um armazém comprido por
exemplo, onde seriam necessários 3 APs com antenas onidirecional, uma antena
direcional pode necessitar de apenas um AP.
11.2.1. Calculo de perdas de sinal
Existem calculadoras on line para
cálculo da margem de operação . São utéis para indicar o nível médio do sinal
esperado no receptor.
11.2.2. Ferramentas de site-survey:
http://www.ekahau.com
analisar o potencial
de raio interferência da localidade por meio de software de varredura
prevenir contra fontes
de interferência eliminar. Utilização próximo a fornos de micro-ondas, uso de
redes Bluetooth etc...
prever adequado
nível de cobertura. Verificar o nível do sinal projeto na região de cobertura.
Sinais baixos, são fontes de problemas.
o espectro de RF na
faixa de 2,4 GHz está congestionado e as fontes de interferências mais comum
residem nestas frequências. Se possível, utilizar a faixa de 5 GHz.
verificar roge AP(ou
seja não pertencentes a sua rede)
Quando preparar um site survey para analise
de RF considere:
obter uma planta da
área onde contenha informações de localização dos prédios, material utlizado no
isolamento (madeira, gesso, alvenaria etc...)
inspecione visualmente
a área e verifique a precisão da planta. Verifique barreiras que podem afetar a
propagação do sinal de RF na frequência
identifique as áreas
de usuários. Verifique se os locais são sujeitos a usuários em movimento pois
poucos APs podem dificultar as áreas de roamming.
determine inicialmente
os locais da instalação do APs .
11.3.1. Informações básicas sobre atenuação:
Atenuação é a redução de sinal ao longo da
transmissão. Ela é representada em decibéis (dB). Um sinal de RF que na
transmissão tem a potencia de 200 mW e na recepção o sinal tem 100 mW , a
atenuação representa 3 dB de atenuação.
11.3.2. Causa de atenuação:
Como regra geral, podemos esperar uma
atenuação de aproximadamente 100dB em uma distancia de 200 metros quando
utilizamos rádios 802.11b operando a 11 Mbps. A atenuação não é linear e
cresce exponencialmente quando a distancia aumenta. Os valores típicos de
atenuação para materiais tais como janelas, portas, paredes etc...
Alguns exemplos (lembrando que os valores
são afetados pela freqüência de operação:
Parede com divisórias simples
|
3dB
|
Vidro com esquadria de metal
|
6dB
|
Parede com bloco de tijolo
|
4dB
|
Janela de escritório
|
3dB
|
Porta de metal
|
6dB
|
Porta de metal com bloco parede de bloco
|
12.4dB
|
11.3.3. Valor aceitável de atenuação
Para altas taxas de transmissão o receptor
é mais sensível.Exemplo em 802.11b : transmissão com potencia EIRP de 23 dBm
(200 mW) e a sensibilidade do receptor de – 76 dBm . Atenuação máxima deverá
ser 99 dB ou seja:
A= 23 dBm – (-76) dBm= 99 dB ou seja a 200 metros o sinal deve estar no limiar de recepção da
estação remota.
11.3.4. Re-Utilização de canais:
Um importante aspecto é o numero de canais
disponíveis e a reutilização de canais em função do numero de canais
disponíveis:
- 802.11b tem três canais – 1, 6 e 11
disponíveis
- 802.11a tem 23 canais com 12 canais
padrões (36, 40, 36, 40, 44, 48, 52,56, 60, 64, 149, 153, 157,161)
11.3.5. Algumas fórmulas utilizadas no dimensionamento:
Cell Size (estimate) =
DataRateThroughput_per_Cell/Throughput_per_client_Spec*Protocol_efficiency *
space_per_client
Downlink dB Link Budget AP (estimate) = TxPower(AP) — Attenuator(AP) —
Attenuator(Client) — Client(Noise Floor) > Data Rate SNR
Uplink dB Link Budget (estimate) = TxPower(Client) — Attenuator(Client)
— Attenuator(AP) — AP(Noise Floor) > Data Rate SNR
SIR (estimate) = TxPower (AP/Client) — greater of
[Co-Channel_Power(AP/Client), Power of adjacent-channel (AP/Client)]
Em algum ponto, o tráfego da WLAN irá
encontrar um dispositivo de rede onde ele será comutado para a internet ou para
subredes internas. Conectar dispositivos não seguros a rede pode provocar o
aparecimento de back door que afetam a segurança da rede. Por esta
razão, os APs devem ser separados das redes internas usando alguma política de
segurança como: roteador, firewalls, VPNs, controladores WLAN
A colocação do AP não é necessária apenas
pelo próprio gerenciamento do espectro mas pela deve ser ajustada para que um
AP de um determinado canal não afete ao AP próximo configurado no mesmo canal. O
posicionamento dos AP em círculos (como células) não deve exceder o ponto
médio da célula mais próxima com o AP do mesmo canal. Estes círculos
entretanto são somente válidos no espaço livre e não contam em caso de
obstáculos e devem ser utilizados como regra geral.
Dentro do utilitário de configuração você
poderá habilitar os recursos de segurança. Na maioria dos casos todos os
recursos abaixo vem desativados por default a fim de que a rede funcione
imediatamente, mesmo antes de qualquer coisa ser configurada. Para os
fabricantes, quanto mais simples for a instalação da rede, melhor, pois haverá
um número menor de usuários insatisfeitos por não conseguir fazer a coisa
funcionar
11.6.1. ESSID (SSID):
A primeira linha de defesa é o ESSID (Extended
Service Set ID), um código alfanumérico que identifica os computadores e
pontos de acesso que fazem parte da rede. Cada fabricante utiliza um valor
default para esta opção, mas você deve alterá-la para um valor alfanumérico
qualquer que seja difícil de adivinhar. Geralmente estará disponível no
utilitário de configuração do ponto de acesso a opção "broadcast ESSID".
Ao ativar esta opção o ponto de acesso envia periodicamente o código ESSID da
rede, permitindo que todos os clientes próximos possam conectar-se na rede sem
saber préviamente o código. Ativar esta opção significa abrir mão desta camada
de segurança, em troca de tornar a rede mais "plug-and-play". Você
não precisará mais configurar manualmente o código ESSID em todos os micros.
Esta é uma opção desejável em redes de acesso público, como muitas redes
implantadas em escolas, aeroportos, etc. mas caso a sua preocupação maior seja
a segurança, o melhor é desativar a opção. Desta forma, apenas quem souber o
valor ESSID poderá acessar a rede.
11.6.2. WEP:
Apenas o ESSID, oferece uma proteção muito
fraca. Mesmo que a opção broadcast ESSID esteja desativada, já existem sniffers
que podem descobrir rapidamente o ESSID da rede monitorando o tráfego de dados.
O WEP, (Wired-Equivalent Privacy,) inclui um nível de segurança
equivalente à das redes cabeadas. Na prática, o WEP também tem suas
falhas, mas não deixa de ser uma camada de proteção essencial, muito mais
difícil de penetrar que o ESSID sozinho. O WEP se encarrega de encriptar
os dados transmitidos através da rede. Existem dois padrões WEP, de 64 e de 128
bits. O padrão de 64 bits é suportado por qualquer ponto de acesso ou interface
que siga o padrão WI-FI, o que engloba todos os produtos comercializados
atualmente. O padrão de 128 bits por sua vez não é suportado por todos os
produtos. Para habilitá-lo será preciso que todos os componentes usados na sua
rede suportem o padrão, caso contrário os nós que suportarem apenas o padrão de
64 bits ficarão fora da rede.
O WEP vem desativado na grande maioria dos
pontos de acesso, mas pode ser facilmente ativado através do utilitário de
configuração. O mais complicado é que você precisará definir manualmente uma
chave de encriptação (um valor alfanumérico ou hexadecimal, dependendo do
utilitário) que deverá ser a mesma em todos os pontos de acesso e estações da
rede. Nas estações a chave, assim como o endereço ESSID e outras configurações
de rede podem ser definidas através de outro utilitário, fornecido pelo
fabricante da placa.
11.6.3. WPA
O APs mais modernos começar a suportar o
uso de chaves de encriptação dinâmicas, que não exigirão configuração manual.
Ao adquirir um ponto de acesso agora é importante verificar se ele pode ser
atualizado via software, para que mais tarde você possa instalar correções e
suporte a novos padrões e tecnologias.
Se todos os elementos de rede (AP e
estações) tiverem suporte a WPA-2, utilize pois é o padrão de segurança mais
eficiente em redes sem fio atualmente.
11.6.4. RADIUS:
Este é um padrão de encriptação
proprietário que utiliza chaves de encriptação de 128 bits reais, o que o torna
muito mais seguro que o WEP. Infelizmente este padrão é suportado apenas por
alguns produtos. Se estiver interessado nesta camada extra de proteção, você
precisará pesquisar quais modelos suportam o padrão e selecionar suas placas e
pontos de acesso dentro desse círculo restrito. Os componentes geralmente serão
um pouco mais caro, já que você estará pagando também pela camada extra de
encriptação.
11.6.5. Permissões de acesso:
Além da encriptação você pode considerar
implantar também um sistema de segurança baseado em permissões de acesso. Os
Windows mais atuais ou ainda o Linux, via Samba, já permitem uma
segurança mais refinada, baseada em permissões de acesso por endereço IP, por
usuário, por grupo, etc. Usando estes recursos, mesmo que alguém consiga
penetrar na sua rede, ainda terá que quebrar a segurança do sistema operacional
para conseguir chegar aos seus arquivos. Isso vale não apenas para redes sem
fio, mas também para redes cabeadas, onde qualquer um que tenha acesso a um dos
cabos ou a um PC conectado à rede é um invasor em potencial. Alguns pontos de
acesso oferecem a possibilidade de estabelecer uma lista com as placas que
têm permissão para utilizar a rede e rejeitar qualquer tentativa de conexão de
placas não autorizadas. O controle é feito através dos endereços MAC das placas,
que precisam ser incluídos um a um na lista de permissões, através do
utilitário do ponto de acesso. Muitos oferecem ainda a possibilidade de
estabelecer senhas de acesso.
12. Outras redes sem fios utilizadas em transmissão de dados
-Redes e Sistemas de
Comunicação de Dados – 5ª. Edição Willian Stallings Editora Campus
-Redes de Computadores
e a Internet – 3ª. Edição – James Kurose e Keith W. Ross Pearson
Requisitos técnicos que devem nortear a
busca da melhor tecnologia de transmissão de dados. Isto inclui sistema com
baixa velocidade ou pequeno alcance.
Exemplos: transmissão
de cartão de crédito ainda utiliza com sucesso redes telefônicas convencionas
devido aos seus requisitos: baixo volume de dados enviados, robustez e
disponibilidade do sistema telefônico.
Outro exemplo seria a
coleta remota da medição de contas de água e luz, sistemas de telemetria,
etc...
Isto permite concluir
que a banda passante não é o requisito mais importante de uma rede móvel.
Os sistemas de
transmissão sem fio alternativos ao 802.11 possuem uma gama de características
que permite ao projetista de rede, encontrar alternativas satisfatórias e de
baixo custo para aplicações emergentes.
12.2.1. Bluetooth (IEEE 802.15)
(Kurose Capitulo 6 página 412 / Stallings
capitulo 11 página 240)
O padrão 802.15 é essencialmente uma
tecnologia de “substituição de cabo” pois visam a conetar dispositivos
afastados em até 10 metros.
Suas características são:
curto alcance
baixa potencia
baixa velocidade
Esta rede, cuja especificação original é
chamada de Bluetooth, operam nas freqüências não licenciadas na freqüência de
2,4 GHz em modo TDM (multiplexação no tempo) com time slots de 625
micro-segundos. Durante cada intervalo de tempo, o transmissor transmite por um
dos 79 canais existentes utilizando a codificação FHSS (mudança de freqüência
aleatória) . A velocidade máxima de dados atinge os 721 Kbps.
Estas redes são do tipo ad hoc
ou seja não depende de uma infra-estrutura (um ponto de acesso) e são
organizados em uma pico-rede com até 8 dispositivos ativos. Um dos dispositivos
é o mestre e o seu relógio determina o tempo da rede. O mestre transmite nos
tempos impares e os escravos só podem transmitir somente após o mestre autorizar
e sempre enviando ao mestre os dados. A capacidade total de dispositivos é de
até 255 mas o controle de ativo/desligado e alterado pelo mestre. Dispositivos
sobrepostos em mais de uma pico-rede (scatternets) podem possuir
dispositivos mestre em uma pico-rede e ser escravo em outra.
Os protocolos adotados são os seguintes:
PPP, TCP/IP, OBEX e WAE/WAP
Modelos de uso (alguns exemplos):
transferência de
arquivo
ponte de internet (thetering)
utilizar o celular como modem
acesso a LAN
sincronização de informações
pessoais
telefone três em um
fone de ouvido
12.2.2. WiMax
(fonte : http://pt.wikipedia.org/wiki/WiMAX)
O padrão IEEE 802.16, especifica uma
interface sem fio para redes metropolitanas (WMAN).
Foi atribuído a este padrão, o nome WiMAX - Interoperabilidade Mundial
para Acesso de Micro-ondas (Worldwide Interoperability for Microwave Access)
e surge como potencial concorrente para redes de celulares em ambientes
metropolitanos.
A rede Wimax atualmente possui dois
padrões:
Nomádico (Móbilidade)
(IEEE 802.16-2004): é o padrão de acesso sem fio de banda larga fixa (também
conhecido como WiMAX Fixo)
Móvel (IEEE
802.16-2005): O 802.16e é o padrão de acesso sem fio de banda larga móvel
- WiMAX Móvel (assegurando conectividade em velocidades do dispositivo móvel de
até 100 km/hora).
As redes WiMAX funcionam de maneira
semelhante à das redes Bluetooth. As transmissões de dados podem chegar aos
1Gbps a uma distância de até 50Km (radial ou célula), com atualizações futuras
poderá chegar a 10Gbps.
O funcionamento é parecido com o do
Bluetooth e o Wi-Fi (no ponto de vista de ser transmissão e recepção de ondas
de rádio), usado para comunicação entre pequenos dispositivos de uso pessoal,
como PDAs, telefones celulares de nova geração, computadores portáteis, mas
também é utilizado para a comunicação de periféricos, como impressoras,
scanners, etc.
O WiMAX opera na faixa ISM (Industrial,
Scientific, Medical) centrada em 2,45 GHz, que era formalmente
reservada para alguns grupos de usuários profissionais. Nos Estados Unidos, a
faixa ISM varia de 2400 a 2483,5 MHz. Na maioria da Europa, a mesma banda
também está disponível.
Vantagens
Diminui custos de
infra-estrutura de banda larga
para conexão com o usuário final;
Deverá ter uma
aceitação grande por usuários, seguindo a tecnologia Wi-Fi (IEEE 802.11)
Possibilitará, segundo
a especificação, altas taxas de transmissão de dados;
Possibilitará a
criação de uma rede de cobertura de conexão de Internet similar à
de cobertura celular, permitindo acesso à Internet mesmo em
movimento;
Existe amplo suporte
do desenvolvimento e aprimoramento desta tecnologia por parte da indústria.
Desvantagens
Nos testes atualmente
realizados mostrou-se como grande frustração quanto à taxa de transmissão;
Apesar das muitas
iniciativas e pesquisas, essa tecnologia ainda tem um período de maturação a
ser atingido;
Pode, em alguns
paises, haver sobreposição de utilização de freqüência com algum serviço já
existente;
Em alguns países a tecnologia já foi
inviabilizada devido a uma política específica para proteção do investimento de
capital (CAPEX), já realizado com licenças da tecnologia de telefonia móvel
UMTS.
Nas faixas de frequência mais altas existem
limitações quanto a interferências pela chuva, causando diminuição de taxas de
transferências e dos raios de cobertura.
No Brasil, existe regulamentação para as
freqüências de 2,6 GHz (junto ao MMDS), 3,5 GHz e 5,0 GHz (sem licença). A
principal operadora que utiliza a tecnologia é a Embratel (Brasil) e a Neovia
na região de São Paulo.
12.2.3. Acesso celular à Internet e rede de dados utilizando a arquitetura de celular
A área de cobertura dos Hotspots
WiFi (APs) na maioria dos casos é pequena e atinge diâmetros de até 100 metros.
O que fazer quando a aplicação exige a transmissão de dados quando está
afastada de um Hotspot? As redes de telefonia celular já possuem capilaridade e
tecnologia suficiente para suprir estas necessidades com velocidades médias
e um custo aceitável. A discussão a seguir sobre as tecnologias celulares
será uma descrição simplificada e nos aspectos mais importantes destas
tecnologias.
O termo celular refere-se a estratégia
adotada de dividir as áreas de coberturas conhecidas como células. Cada célula
contém uma ERB – Estação rádio base que transmite e recebe sinais das estações
móveis dentro da área de operação da célula. Esta área de cobertura da célula
depende de muitos fatores destacando-se potencia de transmissão da ERB,
potencia de transmissão do dispositivos móvel, obstáculos, altura das antenas
etc...
O posicionamento das ERB pode ser
centralizado na célula ou no encontro de três células de modo que uma única ERB
com antenas direcionais possa atender três células. Cada ERB está conectada na
rede pública de telefonia comutada (semelhante as redes fixas) por meio de uma
rede cabeada (em fibra óptica) ou em locais mais distancias, via rádio ponto a
ponto. Uma Central de Comutação de unidade móvel (MSC – Mobile Switching
Center) gerencia o estabelecimento e o termino de chamadas originadas ou
dirigidas as estações móveis.
12.2.4. Aumento de capacidade:
Diversos métodos foram utilizados para
resolver o problema de aumento de capacidade :
inclusão de novos
canais
empréstimo de
freqüência
divisão de células
setorização de células
micro-células (potencias
reduziram de 10 para 1 W e raio de cobertura de 20 km para 1 km)
12.2.5. Gerações de telefonia celular:
12.2.6. 1ª. Geração:
Tecnologia FDMA projetados somente
para serviços de voz
12.2.7. 2ª. Geração:
Sistemas digitais também projetados e
otimizados principalmente para serviços de voz e só desenvolveram
sistemas de transmissão de dados na transição de geração (2,5G) .As principais
tecnologias nesta geração(voz):
·
TDMA
(IS-136)
·
GSM
(Global System for Mobile Comunication)
·
CDMA (IS-95)
12.2.8. Geração 2,5 G
Desenvolvimento de padrões para comunicação
de dados – padrões:
GSM-GPRS (General
Packet Radio Service) – o padrão emula um modem entre o usuário e a rede de
destino por meio de comutação de circuitos tanto para voz como para dados em
uma rede GSM adjacente A taxa máxima de dados é de 9,6 kbps,
incompatível com as aplicações de internet mas suficiente para outras
aplicações.
GSM-Edge (Enhanced
Data Rates for Gobla Evolution) – com a substituição do esquema de
modulação do GSM por um esquema mais potente foi possível otimizar a capacidade
de dados na rede. A taxa máxima pode chegar a 384 Kbps.
CDMA 2000 esta
tecnologia evolui e o pacote de dados pode chegar até 144 kbps
12.2.9. 3ª. Geração:
Os sistema de 3ª. Geração foram
desenvolvidos para prover serviços de voz e dados a taxas mais elevadas e obrigatoriamente
devem prover: 144 kbps em velocidade de transito, 384 para utilização
estacionária ou a velocidades de quem anda á pé, 2 Mbps em ambiente interno
Dois padrões emergem:
UTMS (Universal
Mobile Telecommunication Service) é uma evolução do GSM para suportar as
capacidades do 3G.
CDMA-2000 é uma
evolução do IS-95 2G e utiliza o CDMA na sua interface ar
12.2.10. 4ª. Geração:
WCDMA - HSPA (High
Speed Packet Access), HSPA irá fornecer aos usuários finais
taxas de tranmissão de dados que poderão atingir no pico até 14 Mbit/s no
download e 5.8 Mbit/s de upload.
WCDMA - LTE (Long Term Evolution). As
especificações do LTE preveem ao usuário final picos de até 100 Mbps
de download e até 50 Mbps de upload.
12.2.11. Estágio atual de desenvolvimento e produção:
Picos de download
de 326.4 Mbit/s para 4x4 antenas, e172.8 Mbit/s para 2x2 antenas
(utilizando canais de 20 MHz)
Picos de upload de
86.4 Mbit/s para cada canal de 20 MHz usando antenas simples
Até 200 usuários
de dados ativos em cada célula de 5 MHz l
12.2.12. Exercício:
De que maneira o conceito de associação
está relacionado com a mobilidade ?
Um concorrente do Bluetooth é o IrDA (Infrared
Development Association). Compare os dois meios de rede sem fio e
caracterize um cenário onde cada um deles pode ser a solução ideal
Aula: 01 Histórico e Contextualização das Redes
Sem Fio
Definição E Requisitos De
Uma Rede Sem Fio
Uma vez selecionada a modalidade de rede sem fio para suporte
à uma determinada aplicação, em telecomunicações, é necessário verificar quais
requisitos são necessários para suporte à aplicação e ao modelo de negócios,
antes de escolher qual será a tecnologia aplicada.
A seguir analisarmos os requisitos mais frequentes:
·
Área de cobertura: Deve-se
considerar a área de cobertura a ser abrangida, principalmente se será uma
cobertura para ambientes confinados (indoor) ou para regiões abertas (outdoor).
Em cada caso existem tecnologias mais apropriadas, por exemplo o padrão Wi-Fi
foi desenhado para cobertura indoor e, um outro padrão, o WiMAX IEEE 802.16 foi
desenhado para cobertura outdoor, mas isso não impede que sejam utilizados em
ambientes diferentes para os quais foram desenhados. Indica apenas que sua
máxima performance será obtida no ambiente para o qual foi desenhado.
Nas redes outdoor
deve-se adicionalmente, verificar se há necessidade de ‘penetração indoor’ ou
seja que o sinal da estação rádio base externa penetre nas estruturas das
edificações à sua volta, isso limita o raio de cobertura e exige a utilização
de níveis de potência adequados.
Também é necessário
calcular quantas estações rádio, ou satélites, serão necessários para cobrir
toda a região de interesse, seja ela indoor ou outdoor.
·
Largura de Banda: Este
requisito limita a banda total líquida (througput) entregue ao terminal (taxa
de donwlink), e a banda total líquida (througput) que o terminal pode entregar
à rede (taxa uplink).
Todavia, esse não é
um parâmetro de fácil obtenção pois dependerá de outros parâmetros como
potência do sinal, níveis de interferência, quantidade de terminais
concorrentes na mesma portadora de acesso (canal de rádio a que está
associado), comportamento estatístico do tráfego dos demais terminais e
capacidade máxima (taxa de pico) de cada da portadora.
Após todas as
considerações de projeto é possível obter um valor típico de througput médio esperado
para cada usuário. Se este valor típico suportar a aplicação ela poderá ser
cursada.
Por exemplo,
aplicações de voz digitalizada com Codec ITU-T G.711, necessitam de pelo menos
60kbps de uplink e de donwlink ao mesmo tempo para a emulação de VoIP. Se for
necessário enviar um canal de TV digitalizado em Standard Format ou SD
compactada por H.264 é necessária uma rede que suporte largura de banda de pelo
menos 4Mbps na média com picos de 8Mbps.
·
Capacidade: O conceito de
capacidade está relacionado ao througput máximo concentrado, tanto de downlink
como de uplink, de todos os usuários sobre o ponto de acesso. Por consequência
a quantidade de usuários suportado pode ser estimada a partir da capacidade
máxima de dados cursados pelo ponto de acesso dividida pelo perfil de consumo
de banda (obtido estatisticamente) , ou por uma limitação programada da banda
passante de dados média por usuário.
Existem vários
modelos matemáticos para se calcular a capacidade de uma rede sem fio, eles
variam conforme a tecnologia e conforme as características do serviço que será
oferecido.
·
Duplexação (Direcionalidade): A
duplexação tem haver com a direção da comunicação, quando a comunicação ocorre
apenas em um sentido, por exemplo como ocorre com as redes de broadcast de TV
digital a duplexação é classificada como Simplex.
Em relação ao
terminal sem fio, quando a comunicação ocorre tanto no sentido da recepção,
downlink, quanto no sentido da transmissão, uplink, simultaneamente, como
ocorre nas redes digitais de telefonia celular tipo GSM, a duplexação é
classificada como Full-Duplex.
Em relação ao
terminal sem fio, quando a comunicação ocorre tanto no sentido de recepção,
downlink, como no sentido de transmissão, uplink, entretanto de forma não
simultânea, hora recebendo, hora transmitindo, como ocorre com as redes Wi-Fi,
a duplexação é classificada como Half-Duplex.
As diferentes
tecnologias de rede sem fio utilizam diferentes esquemas de duplexação, a
análise deste requisito é necessária para se avaliar se há necessidade de
comunicação bidirecional e caso haja se a aplicação é sensível aos intervalos
de tempo do esquema Half-Duplex.
Esquemas Half-Duplex
tem se demonstrado mais eficientes no uso do canal em aplicações de comunicação
dados, pois o tráfego de dados, estatisticamente possui maior vazão em um dos
sentidos raramente sendo simétrico. No caso de aplicações de telemetria e
telecomando o uplink prevalece, no caso de aplicações de acesso à Internet o
downlink prevalece. O uso de esquema de tráfego simétrico para aplicações não
simétricas implica em ociosidade no uso da banda de uma das direções.
·
Número de Nós: O número
de nós da rede influencia na escolha da tecnologia a será adotada e no
dimensionamento da infraestrutura.
Cada ponto de acesso
suporta um número limitado de terminais, logo podem ser necessários vários
pontos de acesso para atender uma determinada quantidade de terminais, o perfil
de tráfego dos terminais pode motivar o redimensionamento da capacidade
do backhaul e do backbone.
·
Espectro de Operação: O espectro
está diretamente relacionado às condições de propagação adequadas à aplicação.
Quanto mais baixas as frequências menor é sua atenuação no espaço livre, maior
a capacidade da onda em contornar obstáculos, logo maiores são as distâncias
percorridas pela onda entre transmissor e receptor, para uma mesma atenuação.
Também são melhores as condições de penetração em edificações.
Entretanto, nem
sempre é desejável que a cobertura de uma estação rádio ou de um ponto de
acesso seja muito grande. Por exemplo, quando se ativa um ponto de acesso Wi-Fi
em um edifício, não se deseja que a portadora penetre em todos os andares da
edificação, nem mesmo que ela se expanda além dos cômodos onde estão as
estações terminais. Neste caso é utilizado espectro com canais em frequência
mais alta, como GHz.
A escolha do espectro
de operação também influencia no tamanho e na complexidade das antenas. Quanto
maior a frequência de operação de um canal, menores são as antenas utilizadas,
por isso que aplicações de comunicações pessoais sem fio ou com transceptores
pequenos operam em geral com frequências na faixa de microondas.
·
Mobilidade: A mobilidade é um
requisito essencial para a análise de comportamento do canal de rádio e para os
cálculos de enlace. O modelo de comportamento de um canal móvel, inclui margens
de potência adicionais nos cálculos de enlace em comparação com os cálculos
para estações fixas.
A mobilidade pode ser
classificada em nomadicidade e mobilidade plena. Na nomadicidade a região de
cobertura é composta por vários pontos de acesso, cada área de cobertura de um
ponto de acesso é chamada de célula, a estação terminal pode se associar
a qualquer célula da rede e se mover dentro da região de cobertura de uma
célula, todavia não pode passar de região de cobertura de uma célula para outra
sem perder a conexão.
Na mobilidade plena,
a estação terminal pode se mover em toda região formada pelas áreas de
cobertura de cada célula e realizar procedimentos de troca de célula sem
reassociação ou perda de conexão, chamados de handover ou handoff.
Na análise dos
requisitos de mobilidade também devem ser pesquisada as velocidades máximas
envolvidas cada tecnologia de rede sem fio móvel possui sua limitação.
·
Licenciamento de Espectro: Quanto ao
licenciamento de espectro existem dois modelos de uso: espectro não licenciado
e espectro licenciado.
Para o espectro não
licenciado não é necessário solicitar licenças e pagar tarifas de instalação (
TFI ) e tarifas de funcionamento (TFF) é necessário apenas que os transceptores
utilizados estejam homologados pela Anatel.
Existem bandas de
espectro não licenciado em várias faixas, por exemplo 2.4GHz, 5.8GHz, 900MHz
etc. Estas bandas são chamadas de bandas Industrial Scientific Medical (ISM), o
Wi-Fi foi desenvolvido para operar principalmente nas bandas de 2.4GHz e 5GHz.
Existem muitos
telefones sem fio operando na banda de 2.4GHz o que gera interferência no
Wi-Fi, este é um exemplo de ônus para as redes sem fio em banda não licenciada,
a interferência. Como o uso desta banda não é fiscalizado, não há garantias de
que ela não esteja interferida e não é possível requerer a desativação de uma
fonte interferente de um equipamento homologado, mas em posse de terceiros
operando sobre o mesmo canal de rádio.
Já a operação em banda
licenciada apesar dos custos junto á Anatel, representa uma segurança maior de
que o canal de rádio não será interferido, e de que será possível manter uma
Qualidade de Serviço QoS adequada. Empresas podem solicitar canais de operação
do Serviço Limitado Privado (SLP) para operar suas redes sem fio. Outro caminho
para lançar uma aplicação sobre banda licenciada é alugar rede de uma Operadora
de Telecomunicações que já possua Outorgas no Brasil, assim é possível alugar
banda em um transponder satelital, lançar uma rede privada de dados sem fio
sobre a infraestrutura de telefonia celular digital 2G, 3G ou WiMAX.
·
Segurança: Os principais
problemas de segurança nas redes sem fio dizem respeito à interceptação de
informações e ao “jamming” (interferência lançada com o objetivo de derrubar
uma operação).
Devido á
impossibilidade de blindar o sinal de rádio entre o transmissor e o receptor, a
camada física das redes sem fio pode ser ‘escutada’ por qualquer um que possua
um receptor na mesma frequência e um demodulador equivalente. Para evitar que a
informação trafegada nesta rede seja interceptada faz-se uso de técnicas de
criptografia.
Em redes sem fio
digitais os bits são submetidos a algum algoritmo de criptografia de forma que
a informação criptografada possa ser aberta apenas pelo receptor autenticado
que possua a chave decriptografia.
Para combater o
‘jamming’ os os transceptores devem possuir a função de seleção automática de
canais e modificarem o canal de rádio utilizado caso os níveis de interferência
ultrapassem o limite previamente configurado. Todavia se o jamming for potente
em todos os canais da banda de operação não há alternativa.
Em redes sem fio em
que á um procedimento de associação como no caso do Wi-Fi também ocorre o risco
de algum intruso tentar se fazer de usuário autorizado.
·
Autonomía de bateria do terminal: A
autonomia de bateria está relacionada a fatores como: potência do transmissor,
protocolo de comunicação, tecnologia da bateria, mobilidade, características da
aplicação etc. Este requisito pode variar muito, algumas aplicações em
tecnologias de telemetria e telecomando como ZigBee possuem requisitos de
mais de 20 anos de autonomia, enquanto algumas aplicações embarcadas em mísseis
antiaéreos, por motivos óbvios necessitam de autonomia de apenas alguns
segundos.
A bateria pesa nos
custos dos terminais, isso gera problemas quando se integram tecnologias
diferentes sobre um mesmo terminal. A exemplo, para um chamado SmartPhone sua
bateria está dimensionada para alguns dias de operação como telefone celular,
todavia quando opera como terminal Wi-Fi, mesmo que para prover serviço similar
como o VoIP, com outro protocolo e outros níveis de potência sua bateria se
descarrega em algumas horas.
Logo o consumo,
portanto a autonomia de bateria está diretamente associada à aplicação e à
tecnologia de rede sem fio sobre a qual a aplicação é entregue.
·
Custos de infraestrutura e terminais: Se a
aplicação desejada puder rodar sobre uma tecnologia padronizada e com grande
base de usuários, ou seja massificada, os ganhos de escala da adoção dessa
tecnologia irão reduzir bastante os preços da rede.
Por exemplo as
tecnologias Wi-Fi e ZigBee, são tecnologias padronizadas pelo IEEE e pelos
respectivos fóruns, possuem uma base instalada de milhões de terminais e
centenas de fabricantes homologados. Ou seja os custos de implementar uma rede
sobre essas tecnologias tendem a ser menores do que utilizando-se soluções
proprietárias.
Também é possível
obter custos reduzidos em terminais se a opção for o uso de módulos de
comunicação com tecnologias GSM/EDGE, EVDO ou WCDMA/HSPA, que possuem base de
bilhões de terminais pelo mundo.
·
Topología da Rede: A
topologia é a forma com que os terminais se interligam ou se comunicam com uma
estação base. Os modos de enlace mais comuns são: ponto-a-ponto e
ponto-multiponto.
As topologias
ponto-a-ponto são compostas de enlaces entre dois nós de rede, em geral essa
topologia é utilizada em redes fixas com parâmetros de enlace bem definidos e comportamento
previsível para o canal de rádio. Um exemplo típico desse tipo de topologia
seria a interligação de dois prédios por uma rede de dois nós posicionados no
topo do edifício. Esses dois nós podem ser dois transceptores utilizando
tecnologia de laser na faixa de infravermelho. Para esse enlace todos os
cálculos de variações meteorológicas já foram realizados e a disponibilidade,
bem como a taxa de transmissão mínima já encontram-se calculadas para o ano
todo.
As topologias
ponto-multiponto são mais comuns em redes sem fio móveis e com muitos
terminais, nesta topologia uma estação central, que pode ser chamada de estação
rádio base, repetidora ou de ponto de acesso intermedia a comunicação de cada
estação terminal com o backbone da rede e intermedia o envio das comunicações
entre as estações da rede. Neste modo a banda passante do canal é dividida
entre todos os terminais, a forma com que esta banda é dividida depende da
tecnologia utilizada.
Também existe uma
topologia não estruturada em que cada terminal também pode se comportar como um
nó de rede assumindo o papel de roteador. Neste caso são montadas as chamadas
redes Mesh. Em uma rede Mesh não há uma topologia bem definida e cada elemento
agrega o seu tráfego mais o tráfego de roteamento no transmissor, por óbvio com
maior consumo de bateria e protocolos mais complexos.
·
Modo de configuração: Toda rede
precisa de configurações para ativação, tipo: canal, potência, alguns
temporizadores de protocolo etc. Porém existem redes em que não haverá
condições de se manter um monitoramento e operação pelas condições físicas ou
por limitações de custo. Neste caso são necessários recursos de rede mais
avançados que permitam a autoconfiguração da rede, com ajustes automáticos de
potência, seleção automática dos melhores canais etc. Permitindo que caso as
condições de operação se alterem a rede possa se adaptar sem a intervenção de
um operador humano.
Esses recursos são
bastante úteis principalmente quando se está utilizando banda não licenciada,
pois de um dia para o outro o canal de operação selecionado pode ser
interferido, havendo a necessidade de escolha de outro, ou que pelo aumento do
número de terminais haja necessidade de solicitar um ajuste das potências
desses terminais para reduzir a interferência etc.
Comparativo entre
redes sem fio e redes confinadas (cabo)
Não existe uma métrica apropriada de comparação entre redes
cabeadas e redes sem fio pois tratam-se de tecnologias diferentes com
características e aplicações diversas, analogamente seria como comparar um
avião a uma locomotiva. Todavia as redes são meios de transporte de dados e a
evolução das redes sem fio e redes cabeadas guarda algumas tendências que podem
ser objeto de comparação de performance.
A primeira tendência é que para aplicações de um mesmo
domínio PAN, LAN, MAN ou WAN, a tecnologia substituta sem fio ou seja a
(Wireless) WPAN, WLAN, WMAN ou WWAN, apresenta as seguintes vantagens: menor
custo de infraestrutura, implementação mais rápida, alcance maior, melhor
intervenção no meio, flexibilidade de alteração de leiaute, mobilidade do
terminal entre outras. Todavia a tecnologia cabeada apresenta vantagens tipo:
maior vazão de dados (througput), maior controle do QoS, maior controle de
acesso pois depende de uma tomada física e não é possível invadir a rede pelo
ar, menor custo para os terminais ou placa de rede entre outras.
Para a correta seleção de uma solução por redes cabeadas ou
sem fio, é necessário um estudo profundo dos modelo de negócio e dos requisitos
da aplicação. Em geral as redes sem fio são utilizadas onde há baixa
concentração de demanda de tráfego de dados e as redes cabeadas em aplicações
de alta concentração de tráfego. Também costuma-se escolher uma rede sem fio
quando há necessidade de lançamento rápido. Outra característica da rede sem
fio é que para uma mesma classe de rede, seus terminais ou placas de rede são
mais caros, isso implica que para uma rede com muitos terminais em um espaço
concentrado as contas vão tender a favorecer uma infraestrutura cabeada.
Classificação das
redes sem fio: WPAN, WLAN, WMAN ou WWAN
Correlação direta com o seu alcance e alguma correlação com a
capacidade de terminais que a rede pode suportar. O alcance e a capacidade
crescem do WPAN para o WWAN. O quadro comparativo a seguir ilustra as principais
aplicações e tecnologias utilizadas para prover serviço a estas redes.
No quadro são agrupadas as condições de alcance, vazão (
througput), os padrões de tecnologia mais utilizados para o atendimento a esse
tipo de rede e uma descrição das principais aplicações que rodam em cada tipo
de rede.
Para melhor ilustrar o principal fator de classificações das
redes sem fio, alcance, a imagem a seguir representa isso graficamente.
Sua interpretação leva a não apenas entender o raio de cobertura de cada classe
de rede mas também a considerar que redes de maior alcance também podem atuar
no raio das redes de menor alcance. Ou seja uma aplicação de WPAN pode ser
realizada por uma WLAN pois o raio de cobertura da WLAN é maior e também
abrange a WPAN, seguindo o mesmo raciocínio para as outras redes de maior
alcance.
Então por que tantas
camadas, não seria melhor apenas uma única rede WWAN capaz de suportar desde o
mouse sem fio até as chamadas internacionais?
Não porque para cada classe de rede existe um hardware
específico cujo valor varia muito, pois quanto menor a rede menor a
complexidade de protocolos e controle, logo mais barata é a interface de rede.
Por exemplo, um adaptador para WPAN Bluetooth custa em torno de 10 vezes menos
que um Dongle de Dados para rede celular 3G.
Conceito de sinais
analógicos, digitais e periódicos
·
Sinais Analógicos: Os sinais analógicos apresentam variação
contínua no tempo ou espaço e diversos níveis de estado. Podem ter um conjunto
infinito de valores num intervalo de tempo qualquer.
o
Sinal
analógico (senoidal):
a) no domínio do tempo;
b) no domínio da freqüência
·
Sinais Digitais: Os sinais digitais apresentam
variação abrupta (discreto no tempo) e com no mínimo de dois níveis de estado.
Possuem apenas um conjunto limitado de valores:
o
Sinal
digital binário no domínio do tempo.
o Sinal digital binário no domínio da
freqüência.
·
Sinais
Periódicos e Não periódicos: Sinal
periódico completa um padrão dentro de um período de tempo.
Tanto os sinais analógicos, quanto os digitais podem ser
periódicos.
Em comunicação de dados utilizamos geralmente sinais
analógicos periódicos e sinais digitais não periódicos.
Aula: 01 Histórico e Contextualização das Redes Sem Fio
Crescimento das redes
wi-fi
Aumento da Confiabilidade;
Aumento da velocidade de transmissão;
Redução dos custos dos equipamentos;
Substituem redes cabeadas e atendem a novas demandas criadas pela
evolução tecnológica.
Na realidade, acrescentar ou mover o cabo de conexão de rede para um
novo local, rapidamente disponibilizar um novo ponto na sala de reuniões.
Certamente para essas mudanças físicas a solução mais viável seria rede sem
fio.
Podem imaginar a instalação de uma rede cabeada em um prédio tombado
pelo patrimônio histórico?
Como solucionar esse problema?
Simples, rede sem fio.
Exemplos de casos em que podem substituir as redes cabeadas:
1 - Em prédios que não possuem estrutura para cabeamento;
2 - Prédios tombados pelo patrimônio histórico;
3 - Quando o custo é menor do que de uma rede cabeada;
4 - Mudança ou acréscimo de pontos.
Vantagens e desvantagens
de rede sem fio:
Vantagens:
- Portabilidade;
- Instalação rápida, fácil e de baixo custo;
- Possibilidade de criar redes temporárias;
- Instalação em locais de difícil passagem de cabos.
Desvantagens:
Interferências dificultando a transferência de dados;
Segurança das informações trafegadas.
Utilização das redes wi-fi
Para atendermos as novas demandas de mobilidade desses tempos
modernos, citaremos a seguir algumas possibilidades com a utilização de redes
sem fio:
Disponibilizar acesso à rede para passageiros no saguão de um
aeroporto;
Integrar os PDA’s dos garçons com a cozinha em um restaurante.
Telefonia Wi-Fi – realizar ligações a partir de redes wireless,
integrando a telefonia legada.
Telemetria a favor dos
negócios
Ar Condicionado
Setor: Químico
Objetivo: Monitorar condições de temperatura da sala de servidores
(CPD) através da intervenção à distância do ar condicionado.
Tanque de gás
Setor: Distribuição de gás
Objetivo: Controle remoto do nível do reservatório de gás.
Chaves religadoras
Setor: Concessionária de energia elétrica
Objetivo: Implantação de relés de proteção às chaves
eletromecânicas: viabilizando a leitura e comando à distância
Comparando redes sem fio e
redes confinadas (cabo)
Tecnologias de LAN sem fio
·
LANs infravermelho (IR) - Uma célula
individual de uma LAN IR é limitada a uma única sala, pois a luz infravermelha
não penetra em paredes opacas.
·
LANs de amplo espectro - Esse tipo de
LAN usa a tecnologia de amplo espectro. Na maioria dos casos, essas LANs operam
nas bandas ISM (Industrial, Scientific e Medical) de modo que nenhum
licenciamento FCC é necessário para seu uso nos Estados Unidos.
·
Micro-ondas de banda estreita - Essas
LANs operam em frequência de micro-ondas, mas não usam amplo espectro. Alguns
produtos operam em frequências que exigem licenciamento FCC, enquanto outros
usam uma das bandas ISM não licenciadas.
Comparativo entre as
tecnologias de LAN sem fio
Página
234 livro do Stallings, William – Redes e sistemas de comunicação de dados, 5ª
ed editora Campus
Limitações das tecnologias
A utilização de determinadas frequências e/ou tecnologias ficam
limitadas por suas próprias características.
Como exemplo, as LANs com sistema infravermelho precisam de visada
livre.
Tipos de Redes
Aula 02:
Fundamentos de transmissão de sinais digitais
Conceito de sinais
analógicos, digitais e periódicos
·
Sinais Analógicos: Os sinais analógicos
apresentam variação contínua no tempo ou espaço e diversos níveis de estado.
Podem ter um conjunto infinito de valores num intervalo de tempo qualquer.
Sinal analógico (senoidal):
a) no domínio do tempo;
b) no domínio da freqüência.
·
Sinais Digitais: Os sinais digitais apresentam variação abrupta (discreto no tempo) e
com no mínimo de dois níveis de estado. Possuem apenas um conjunto limitado de
valores:
- Sinal digital binário no domínio
do tempo
- Sinal digital binário no domínio
da freqüência.
·
Sinais Periódicos e Não periódicos: Sinal
periódico completa um padrão dentro de um período de tempo. Tanto os sinais
analógicos, quanto os digitais podem ser periódicos. Em comunicação de dados
utilizamos geralmente sinais analógicos periódicos e sinais digitais não
periódicos.
Analise de Fourier (série
de Fourier)
O matemático Francês Fourier provou que qualquer sinal periódico
expresso por uma função do tempo g(t) e com período T, pode ser considerado
como uma soma de senos e co-senos de diversas freqüências, chamada de Série de
Fourier, representada da seguinte forma:
Onde f é a freqüência fundamental do sinal, os demais sinais em
outra freqüências múltiplas da fundamental são chamadas de componentes do
sinal. Assim um sinal de período T terá suas componentes centradas em 0, f, 2f,
3f, sendo f a freqüência fundamental do sinal.
O resultado é que um sinal
pode ser representado de 2 formas:
1.No domínio do tempo.
2.No domínio da freqüência a partir de suas harmônicas.
Apesar de nem sempre viável, para a recuperação exata de um sinal
deve ser transmitidos vários múltiplos de freqüência através do canal
utilizado. E por sua vez o receptor deve ser capaz de recuperar todos os
harmônicos.
Ruído e relação Sinal
Ruído
O que é Ruído?
Ruído é um sinal aleatório, produzido por fontes naturais. Exemplos
de ruídos:
·
Ruído de intermodulação: Sinais de
diferentes freqüências no mesmo meio físico. A intermodulação produz sinais em
outras freqüências,que podem perturbar outro sinal que trafega naquela
freqüência.
·
Crosstalk: Comum em telefone (linha
cruzada). É uma interferência entre condutores próximos que induzem sinais
entre si.
·
Ruído impulsivo: É não contínuo, com
pulsos irregulares, e de grande amplitude, sendo de difícil prevenção. Pouco
danoso para transmissão de voz,porém é a maior causa de erros na comunicação
digital.
·
ATENUAÇÕES: São as quedas de potência de
um sinal devido à distância na sua transmissão.
O que é Interferência?
Interferência é um sinal indesejável, gerado por processos criados
pelo homem.
O que são Distorções ?
Distorções é uma mudança na forma de onda devido à resposta
imperfeita do sistema em relação ao sinal.
Esses fatores podem ocorrer em qualquer ponto do sistema de
comunicação e a ocorrência dos mesmos é estudada no canal de comunicação,
raciocinando como se o transmissor e receptor fossem ideais.
Apesar de também ocorrerem no transmissor e receptor, são
dimensionados nesses dispositivos nos limites da qualidade aceitável ou
possível e, portanto, pode-se ignorá-los no estudo do sistema de comunicação em
questão.
Relação sinal-ruído ou
razão sinal-ruído
Abrevida por S/N ou SNR (signal-to-noise ratio).
Conceito muito utilizado em telecomunicações, que envolve medidas de
um sinal em meio ruidoso, definido como a razão da potência de um sinal e a
potência do ruído sobreposto ao sinal.
A potencia de uma onda eletro magnética (EM) é medida em watts, ou
mais precisamente pela relação logarítmica da força do sinal dividido por 1
miliwatt [ 10 LOG (Pwatts/0.001) ]. dBm. se referem aos decibéis relativos a um
miliwatt ( 1 mW ) de potencia dissipada em uma impedância resistiva de 50 ohms
( definido como o nível de referencia de 0 dB ).
Por exemplo, um sinal de entrada ou de saída pode ser definido em
termos de dBm. Similarmente, o ruído de fundo de um receptor pode ser fornecido
em dBm.
Tecnicamente a relação sinal-ruído é um termo para a razão entre as
potências de um sinal contendo algum tipo de informação e o ruído de fundo:
P é a potência média e
A é o valor quadrático médio (RMS) da amplitude.
SNRdB relação sinal ruído em dB
SbBm potência do sinal em dBm
NdBm potência do ruído em dBm
As potências (ou amplitudes) tanto do sinal, quanto do ruído devem
ser medidas no mesmo ou em pontos equivalentes em um mesmo sistema, e dentro de
uma mesma largura de banda.
Algumas conclusões são óbvias, porém vamos deixar registradas.
Por exemplo:
Equipamento com potência de sinal de 100 W. Agora pense nesse mesmo
equipamento com as seguintes potências de ruído 2W e 50W. Não esquecer que o
resultado dessa relação é adimensional pois cortamos Watts com Watts.
SNR = 100W/2W = 50
SNR = 100W/20W = 5
Conclusão:
Quanto SNR MELHOR a qualidade do sinal recebido e MENOR a taxa de
erros.
Quanto SNR PIOR a qualidade do sinal recebido e MAIOR a taxa de
erros.
Capacidade do canal e
fórmula de Shannon
Em 1924, Nyquist percebe que até mesmo um canal perfeito tem uma
capacidade finita de transmissão.
Se um sinal é transmitido através de um canal de largura de banda B
Hz, o sinal resultante da filtragem pode ser completamente reconstruído pelo
receptor através da amostragem do sinal transmitido, a uma freqüência igual a
no mínimo 2B vezes por segundo
Em 1948, Shannon realizou estudos baseado em um canal sujeito a
ruído aleatório (termodinâmico).
O teorema de Shannon estabelece um limite teórico máximo para a taxa
de dados em um canal de telecomunicações limitado em largura de banda com
ruído.
Quanto maior a relação sinal ruído, melhor a qualidade do sinal e
melhorando a qualidade podemos atingir MAIOR taxa de transferência de dados e
MENOR taxa de erros.
A relação sinal ruído pode diminuir quando aumentamos a distância do
enlace de comunicação. Existem outros fatores que também podem diminuir a
relação sinal ruído, equipamentos elétricos, outros equipamentos de
telecomunicações e a própria radiação solar, que aumentam o ruído e aumentando
o divisor os valores da relação diminuem. A própria atenuação acarreta
diminuição da relação sinal ruído, pois aumenta o ruído.
PDF - 20RSF_aula02_doc02.pdf
·
Meios confinados: O sinal elétrico transportado por uma linha de transmissão fica sob
o ataque constante de elementos internos e externos. Dentro dessa linha de
transmissão os sinais se degradam por causa de diversas características
elétricas, inclusive a oposição ao fluxo de elétrons.
·
Meios não confinados (Analógicos ou Digitais): Nos sistemas não confinados, o espaço livre é o meio utilizado para
a transmissão de sinais. O que caracteriza tais sistemas é um equipamento de
rádio transmissor e um equipamento rádio receptor nos extremos. Inicialmente
utilização de HF, a faixa que dram início às comunicações a grandes distâncias.
A finalidade dos sistemas de telecomunicações é a de transformar em
um ou mais pontos as informação provenientes de uma ou mais fontes. Numa
configuração típica temos:
Transmissor - transformar informação em sinal adequado para trafegar no meio de
transmissão.
Meio de transmissão ou
canal - meio no qual o sinal é transportado.
Receptor - captar, selecionar e condicionar o sinal decodificando-o e
transformando-o, quando possível na informação original num formato adequado
para o destino da informação.
Componentes
de um sistema de comunicação digital
Alguns autores definem um sistema básico de comunicação de dados
como sendo composto por cinco elementos:
PDF 20RSF_aula02_doc03.pdf
Modulação: Variação de um parâmetro de uma onda portadora senoidal, de maneira
linearmente proporcional ao valor instantâneo do sinal modulante ou informação,
com o objetivo de facilitar a transferência de informação através do meio.
Por exemplo:
– Uma estação de radio imprime (codifica) o som de uma musica em uma
onda de rádio (processo de modulação). A estação de radio transmite essa onda
de rádio com o dado codificado (musica) em certa freqüência através de uma
antena. A antena de seu carro capta as ondas transmitidas conforme a freqüência
que você sintonizou no seu carro. O rádio por usa vez, decodifica os dados
impressos naquela onda e toca aquela informação através dos alto-falantes.
Portadora: Onda senoidal que, pela modulação de um dos seus parâmetros,
permite a transposição espectral da informação (ou sinal modulante).
Como a portadora senoidal tem três parâmetros: Amplitude,
Freqüência e Fase, existem três formas básicas de modulação:
• Modulação em Amplitude AM,
• Modulação em Freqüência FM e
• Modulação em fase PM.
Modulação e demodulação
Fases para transmissão de uma informação:
• Uma portadora é gerada no transmissor;
• A Portadora é MODULADA (modificada) com a informação a ser
transmitida;
• A onda portadora é transmitida no meio;
• No receptor, mudanças confiáveis detectadas no sinal são
DEMODULADAS (recuperam o sinal original).
Aula 03: Fundamentos de rádio comunicação
Introdução
Para melhor entendimento da propagação de sinais de rádio
frequência, é necessário conhecer os conceitos de propagação de acordo com a
frequência, atenuação, ganho, perda de sinal e técnicas de modulação e
codificação de sinais. Deve-se conhecer as características das antenas e sua aplicabilidade,
seu diagrama de irradiação e seus principais parâmetros técnicos, bem como
conhecer os fundamentos de rádio comunicação.
Esse estudo requer conhecimentos matemáticos para diversos cálculos
e também os limites estabelecidos para operações de equipamentos de radio
frequência em território nacional.
Conceitos de transmissão
eletromagnética e propagação
Ondas Eletromagnéticas.
A corrente elétrica ao passar por um meio condutor gera alguns
efeitos, como os seguintes:
·
Efeito Térmico: Aquecimento do condutor
·
Efeito Luminoso: Por exemplo lâmpadas
incandescentes
·
Efeito Químico: A cromagem por exemplo.
·
Efeito Magnético: O condutor percorrido
por uma corrente elétrica cria, na região próxima a ele, um campo magnético.
·
Campo Magnético: É toda região ao redor
de um imã ou de um condutor percorrido por corrente elétrica.
As ondas eletromagnéticas são formadas pela combinação dos campos
elétrico e magnético em movimento, os quais se propagam perpendicularmente um
em relação ao outro.
O campo magnético variando
com o tempo, gera um campo elétrico, que varia com o tempo, o qual gera um
campo magnético.
Como o processo se repete a onda se propaga pelo espaço com a
velocidade da luz.
• Eletroímã e o dínamo SAP exemplos de como esses campos se
relacionam.
• Essas ondas eletromagnéticas são utilizadas para a transmissão de
dados sem fio,
conforme
exemplificado no diagrama da antena dipolo.
Ondas eletromagnéticas, em geral, se diferem uma das outras quanto
ao valor da freqüência de propagação e quanto à forma que são produzidas. Como
exemplo, raios ultravioleta são emitidos por átomos excitados, com freqüências
superiores às visíveis pelo ser humano.
ULTRAvioleta – acima da freqüência da cor violeta.
INFRAvermelho – abaixo da freqüência da cor vermelha.
Polarização:
Ondas eletromagnéticas possuem um plano elétrico (E) e um plano
magnético (H), que são normalmente perpendiculares entre si. A orientação do
plano elétrico é usada para definir a polarização da onda, ou seja, se o campo
elétrico esta orientado perpendicularmente a superfície da terra a onda esta
verticalmente polarizada e se ele está paralelo a superfície da terra a onda
esta horizontalmente polarizada. As vezes o campo elétrico gira com o tempo e
neste caso dizemos que ele esta polarizado circularmente.
Espectro Eletromagnético
O uso do espectro de freqüência é controlado pelas autoridades
governamentais através de processos de licenciamento.
Autoridades internacionais
·
FCC: Federal Communications Commision.
·
ERO: European Radiocommunications Office
·
IEEE: Institute of Electrical and Electronics
Engineers.
·
ITU: International Telecommunication
Union.
Autoridade nacional
·
ANATEL: Agência Nacional de
Telecomunicações (administrativamente independente).
Espectro eletromagnético
• É o intervalo que contém as radiações eletromagnéticas, desde as
ondas de rádio aos raios gama.
Frequências livres (ISM) e
licenciadas
Banda ISM
Ondas Magnéticas podem se propagar em todas as direções e por longas
distancias (de acordo com a freqüência ) e são capazes de atravessar barreiras.
Um problema então é o compartilhamento de freqüências ou bandas do espectro
eletromagnético. Assim se torna necessário o controle centralizado.
A Anatel concede licenças de utilização em determinado território de
acordo com a tecnologia escolhida.
No caso de redes sem fio, existem três bandas de freqüências que
podem ser utilizadas sem licenciamento: 900MHz, 2,4 Ghz e 5 GHz.
Aplicações: sistema de travamento de porta de
veículos; dispositivos médicos e outros.
O requisito obrigatório para utilização compartilhada destas bandas
é que a potencia máxima dos sinais não pode exceder a 1 W. Isto limita a faixa
de utilização do equipamento e evitam interferências entre dispositivos que
compartilhem esta freqüência em outras regiões
Conceitos de matemática
usada em radiofreqüência
Vamos recuperar alguns conceitos matemáticos utilizados em cálcuos
para radiofreqüência.
Lagaritmo: O logaritmo de a na base b, (Loga b=c, por exemplo Log2 8), é o
expoente a que b deve ser elevado para que o resultado seja a
(a = b, no exemplo 2³=8)
ou
A que número 2 deve ser elevado para que o resultado seja 8? 3,
então
Log2 8 = 3 (lê-se log de 8 na base 2 é igual a 3)
Exemplo:
Se 10³ = 1000 então Log 1000 = 3
Quando a base não estiver explícita ela é = 10.
No caso de utilizarmos calculadoras onde não podemos colocar a base
na função logarítmica?
Obs: Na calculadora a tecla de log, normalmente, é relativa à base
10
Exemplo:
Log 1000 = log 1000 / log
2 = 3 / 0,30 = 10
Log 250 = log 250 / log
5 = 2,3979 / 0,6989 aproximadamente 2,4 / 0,7 = 3,4
Genericamente falando:
Log valor = log
valor/ log base
Decibel – dB
O dB é uma expressão usada para representar a relação entre dois sinais.
Os sinais podem ser tensão(volts-V), corrente(amper-A) ou níveis de
potência(watts-W).
P medida
dB= 10 log ---------------
P referência
Podem ser as unidades de referencia citadas na tabela ou até mesmo o
ganho de uma antena.
Por isso as derivações, como o dBW, dBm, dBi.
Exemplo 1:
Um sinal de potência de 10 watts é aplicado a uma longa linha de
transmissão. A potência medida no fim da carga é de 7 watts. Qual é a perda em
decibéis ?
Solução:
dB = 10 LOG ( P final / P inicial )
dB = 10 LOG ( 7 / 10 )
dB = 10 LOG ( 0.7 ) = (10)(-0.155) = -1.55 dB
Note que o sinal da resposta, -1.55 dB, é negativo.
Negativo indica que a relação representa uma perda.
Se a taxa representasse um ganho o número seria positivo.
Exemplo 2:
Um sinal de potência de 15 watts é aplicado a uma longa linha de
transmissão. A potência medida no fim da carga é de 10 watts. Qual é a perda em
decibéis ?
Solução:
dB = 10 LOG ( P final / P inicial ) dB = 10 LOG ( 10 / 15 ) dB = 10
LOG ( 0.666 ) = (10)(-0.176) = -1.76 dB
Note que o sinal da resposta, -1.76 dB, é negativo.
Negativo indica que a relação representa uma perda.
Se a taxa representasse um ganho o número seria positivo.
Vamos recuperar alguns conceitos matemáticos utilizados em cálcuos
para radiofreqüência.
Características gerais dos
vários tipos de propagação
A escolha da freqüência portadora é suma importante, definindo
diversas características de propagação do sinal
O próprio alcance do sinal está relacionado com sua potência
associada às características da freqüência escolhida.
Independentemente da baixa ou alta freqüência não ficam imunes aos
equipamentos elétricos e motores.
Alguns exemplos:
Transmissão de Rádio
Fáceis de serem geradas e podem percorrer longas distâncias, além de
penetram facilmente nos prédios. Mesmo assim estão atreladas à característica
frequência:
Baixas freqüências, como o comprimento de onda é grande, atravessam
obstáculos com maior facilidade, mas a potência diminui drasticamente à medida
que a distância aumenta.
Altas frequências comprimento de onda muito pequeno, quase se
transformando em um “sólido”, tende a ter dificuldades em atravessar
obstáculos, geralmente viajando em linha reta.
Transmissão de Microondas
Trafegam praticamente em linha reta.
Para obtenção de maiores distâncias, deve ser utilizada torres mais
altas, e as antenas devem estar perfeitamente alinhadas.
Como sua faixa de freqüência são maiores que as ondas de rádio,
menor será sua imunidade a obstáculos. Outra característica é a absorção pelas
águas das chuvas.
Transmissão de Ondas de
Infravermelho
Utilizadas em curto alcance, não atravessam paredes sólidas.
Propagação no espaço
livre: atenuação, difrações
Propagação em Espaço Livre
Em linhas gerais a propagação em espaço livre é dita propagação na
atmosfera, que o mais freqüentemente utilizado. Faz-se uso de antenas para a
transformação de energia guiada em energia irradiada, que pode ser concentrada
em uma direção ou em diversas direções.
Podemos concluir que o canal fisco dessa propagação é o espaço livre
entre as antenas transmissora e receptora, sendo considerado um canal aberto.
Atenuação
A atenuação é a diminuição da intensidade do sinal ao atravessar um
obstáculo, como resultado da absorção da energia, da reflexão, e da divergência
do feixe, distribuindo a energia sonora em uma área maior. É diretamente
proporcional à freqüência do emissor, ou seja, quanto maior a freqüência do
emissor maior será a atenuação do feixe. Para compensar a atenuação os
equipamentos possuem recursos de ampliação, denominados controles de ganho.
Difração
Esse efeito que pode ocorrer em decorrência da interação da onda
eletromagnética com partículas que se comportam como ondas. É a dispersão da
onda em torno de um obstáculo.
Nesta situação a reflexão gerada não se dá preferencialmente numa
única direção, mas ocorre em ondas esféricas (espalhamento).
Por trás do obstáculo se formará uma zona de interferência (onde as
ondas se sobrepõem, podendo tanto se reforçarem como se cancelarem), enquanto
que a parte desobstruída do bordo anterior da onda prossegue em sua direção
original.
Assim, difração é a mudança da direção da onda quando a mesma passa
junto a um obstáculo. Seu efeito prático é uma diminuição na potência do sinal
na área de sombra, e um padrão perturbado numa curta distância fora dessa área
sombreada.
Zonas de Fresnel
Fresnel estabeleceu que a quantidade de energia transmitida no
espaço livre esta contida no volume de um elipsóide, cujo tamanho depende do
comprimento de onda e da distância entre as antenas. Em geral os enlaces ponto
a ponto utilizam altas freqüências requerendo cada vez mais uma visada livre.
Visada livre não significa podermos de uma antena enxergar a outra, é
necessário uma área maior desobstruída, e quanto maior a distância do enlace
maior será essa área. Importa para efeito prático que uma visada é considerada
direta quando a primeira zona de Fresnel está desobstruída, pois dentro dessa
encontra-se 97% da potência transmitida.
Caso algum obstáculo natural (montanha) ou artificial (edifícios)
esteja dentro da primeira zona, haverá atenuação severa no sinal recebido,
provocando perda de informação podendo chegar a interrupção total do mesmo.
Existem formulas matemáticas para o cálculo das elipsóides de Fresnel bem como
atenuação imposta por obstáculos que invadam estas Zonas. A solução em alguns
casos é elevar a altura das torres. Esses cálculos não participarão da
constituição de provas, mas serão apresentados a seguir para conhecimento e
percepção da influência do fator distância.
Zonas de Fresnel
Para calcular o raio da primeira zona de Fresnel utilizamos a
seguinte formula:
Onde:
Rn é o Raio de Fresnel, n o número do raio, d1 e d2 são as
distâncias até o ponto e assim como lâmbda estão em metros. Ou ainda:
Onde:
D é a distância total em km, f a freqüência em MHz e d1 e d2 a
distância até o ponto em km.
Conceitos básicos de uma
antena, a antena isotrópica e diagrama de radiação
Antena isotrópica é aquela que irradia igualmente em todas as
direções. Os diagramas de irradiação vertical e horizontal são em forma de
circunferência, pois o diagrama no espaço seria equivalente a uma esfera.
Essa antena é um modelo teórico não existe antena ideal, e sua
finalidade é servir como padrão de referência na medição de outras antenas,
embora alguns fabricantes considerem a antena dipolo um elemento bem melhor
como padrão de referência, porque ela é uma antena real e não imaginária. Os
valores expressos em dBi (de isotrópica) ou dBd (de dipolo).
O diagrama de irradiação nada mais é do que o mapeamento da
distribuição de energia irradiada, levando em conta o campo tridimensional.
Pode ser confeccionado através em campo ou através de simulação computacional.
Geralmente a radiação de uma antena é mensurada através da unidade
dBi, quando a referência é a isotrópica. Esse diagrama representa graficamente
o comportamento da antena quanto a sua irradiação. Apesar de ser
tridimensional, o diagrama é comumente encontrado nos planos horizontal e
vertical.
Linha de visada, Curvatura
da terra
Atmosfera é o meio gasoso que se estende desde a superfície da Terra
até milhares de quilômetros de altitude. Esta é dividida em basicamente três
regiões com características bem diferentes:
Observa-se que uma parte desta energia se propaga paralelamente à
superfície da Terra, enquanto o restante desloca-se para cima, até que se choca
com a ionosfera e reflete-se de volta à Terra. Esta onda refletida, quando
alcança a superfície terrestre, reflete-se outra vez em direção às altas
camadas da atmosfera, onde pode refletir-se de novo para a Terra
A parte da energia que segue a superfície da Terra denomina-se onda
terrestre, as que são refletidas denominam-se ondas celestes ou ionosféricas.
As ondas que se propagam em linha reta têm o nome de ondas diretas.
Limites de potência para
transmissão em 2,4/5,0 GHz (Res. 506 – ANATEL)
Limites de potência para sistemas de salto de radiofreqüência:
902-907,5 MHz e 915-928 MHz:
• Mínimo 35 radiofreqüências de salto (não coincidentes).
• Limite 35 radiofreqüências de salto:
- Se
menor - potência máxima de pico 250mw.
- Se
maior ou igual - potência máxima de pico 1W.
2.400 MHz a -2.483,5 MHz:
• Mínimo 15 radiofreqüências de salto (não coincidentes).
• Limite 75 radiofreqüências de salto:
- Se
menor - potência máxima de pico 125mw.
- Se
maior ou igual - potência máxima de pico 1W.
5,150-5,250MHz:
• Valor médio de potência e.I.R.P. 200mw.
• E.I.R.P. Máximo 50mw/mhz.
• Sem transmit Power Control (TPC) 100mW.
5,250-5,350MHz:
• Valor médio de potência e.I.R.P. 200mw.
• E.I.R.P. Máximo 50mw/mhz.
• Sem TPC 100mw.
5.470-5.725mhz:
• Saída do transmissor 250mw.
• Valor médio de potência e.I.R.P. 1w.
• E.I.R.P. Máximo 50mw/mhz.
• Sem TPC 500mw.
5.725–5.850 mhz:
• Mínimo 75 radiofreqüências de salto (não coincidentes).
• Limite 75 radiofreqüências de salto:
- Se
menor – não pode ser utilizado.
- Se
maior ou igual - potência máxima de pico 1W.
Aula 4: Fundamento de radio comunicação – Parte
II
Introdução
Nesta aula serão reconhecidas as principais características das
modulações digitais utilizadas em redes sem fio (foco em WiFi). Serão
entendidas e conhecidas as vantagens e desvantagens das técnicas de modulação
por FHSS, DSSS e OFDM. Entenderão e serão capacitados a especificar antenas de
transmissão. Deverão diferenciar os tipos de antenas e as principais aplicações.
Entenderão um diagrama de irradiação de uma antena correlacionando
com o alcance. Conceituar potência de transmissão e recepção e a margem de
operação de um sistema rádio, calculando a potência necessária para a operação
de um sistema de redes sem fio eficiente.
Transmissão por
espalhamento espectral
O processo que possibilita que vários sinais possam ser enviados ao
mesmo tempo em um mesmo canal, é chamado de multiplexação. Existem diferentes
técnicas de multiplexação sendo as mais importantes a multiplexação por divisão
em freqüência, por divisão no tempo e por divisão em códigos.
O espalhamento espectral é uma técnica que distribui a informação a
ser transmitida por uma largura de banda maior que a necessária para sua
transmissão. Envolve a utilização de múltiplas portadoras (frequência)
com o objetivo de aumentar a confiabilidade na recepção.
Uma vantagem desta técnica é que, como a quantidade necessária de
energia por banda é menor, garante uma maior imunidade a interferências. A
técnica codifica e modifica o sinal, espalhando-o no espectro de RF.
O espectro utilizado nas aplicações de uso não-licenciado sofre com
uma considerável quantidade de sinais interferentes e o uso desta técnica se
justifica pois a banda de frequência disponível é dividida em canais
independentes e os dados são enviados alternado-se o canal de transmissão ao
longo do tempo.
O espalhamento do sinal pode ser obtido de várias formas, como por
sequência direta, por salto de frequência ou formas híbridas
As técnicas de espalhamento espectral podem ser:
·
Com salto de frequência (FHSS)
·
Com sequência direta (DSSS)
Frequency Hopping Spread Spectrum
1.
O espectro de dispersão de
saltos de frequência, em sistemas WLAN que operam na faixa de 2.400 a 2.483MHz,
divide a banda em 79 canais com 1 MHz de largura cada um. Os dados são
transmitidos por canais escolhidos por uma sequência pseudo-randômica e
utilizada pelo transmissor e que deve ser conhecida do receptor para que a
informação seja totalmente recuperada.
2.
O uso de um mesmo padrão pseudo-aleatório
por todas as estações, garante que estas mudem para a mesma frequência de forma
simultânea seguindo a ordem de canais escolhidos. Isto gera também uma boa
segurança já que para monitorar a transmissão será necessário o conhecimento
prévio da sequência de canais utilizada.
3.
O tempo gasto para mudança de
um canal para outro, entre os 79 canais, durante a transmissão deve ser de no
máximo 0.4 segundos (tempo de parada), mas é um tempo ajustável.
O FHSS tem como vantagem ser pouco
sensível a interferência de rádio e como desvantagem uma baixa largura de
banda.
Direct Sequency Spread
Spectrum
A técnica de espalhamento espectral por sequência direta combina
dois sinais, o de informação, que tem uma taxa menor, com um outro de taxa mais
elevada.
A largura de banda necessária para transmitir um sinal digital esta
diretamente relacionada com a taxa de bits deste sinal.
O DSSS multiplica o sinal modulado por uma sequência
pseudo-aleatória também chamada de pseudo-noise (PN). Sendo o código PN
modulado sobre o sinal com a informação primeiro e posteriormente multiplicado
pela portadora de RF.
A técnica chamada chipping, consiste em modular cada bit com a
sequência Barker respectiva, conforme figura:
Todo este processo espalha a banda transmitida do sinal resultante,
reduzindo a potência de pico, mas mantendo a potência total sem alteração.
Orthogonal Frequency
Division Multiplexing
Utilizada na primeira WLAN de alta velocidade, a 802.11a este método
de modulação é utilizado em diversas tecnologias como xDSL.
O OFDM divide a largura de banda disponível em várias faixas
estreitas e modula cada uma com uma taxa de dados (bits) menor, em vez de
transmitir mais dados em uma única portadora.
A banda é dividida em 52 sub-canais, sendo 48 utilizados para
transmissão de dados e 4 para controle.
O OFDM pode utilizar modulação BPSK, QPSK, 16 QAM e 64 QAM.
Possui melhor imunidade à interferência de banda estreita e
possibilidade de utilizar frequências não contíguas.
As taxas possíveis de transmissão são 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48 e 54
Mbps, sendo as taxas de 6, 12 e 24 Mbps obrigatórias para o padrão 802.11.
Esta técnica de modulação reduz a interferência causada pela
propagação multipercurso (Vários sinais que chegam ao receptor por meio de
reflexão.)
Antenas
As antenas são as responsáveis por promover a dispersão da energia
confinada no cabo para o espaço e vice-versa. É um dispositivo crítico para o
bom funcionamento de sistemas sem fio e com uma característica básica.
Antenas têm características de reciprocidade, ou seja, funcionam
tanto para transmissão como para recepção.
Equipamentos com antenas externas e que podem ter suas posições
alteradas, permitindo uma nova polarização (mudança do ângulo), auxiliam na
correção de problemas com interferências intra ou intersistemas em ambientes
indoor ou outdoor.
Antenas
não amplificam o sinal transmitido, apenas direcionam (focalizam) a energia
deste sinal.
·
Largura de banda: Indica a faixa de
frequência que a antena pode operar de modo satisfatório.
·
Ganho e diretividade: O ganho é a
relação entre a energia irradiada por uma antena com base no diagrama de
irradiação da mesma, em comparação com as mesmas características de uma antena
isotrópica (irradiador hipotético capaz de irradiar em todas as direções),
ambas de mesma potência. O ganho é a representação numérica dessa diretividade
indicando o quanto a antena verificada é mais diretiva que a antena isotrópica,
e não deve ser interpretado como uma amplificação de potência. Uma antena com
um lóbulo principal de maior ângulo possui menor diretividade mas cobre uma área
maior, já uma antena com um lóbulo de ângulo mais fechado tem maior
diretividade e concentra maior energia.
Uma antena terá uma maior densidade de potencia irradiada em uma determinada
direção, quanto maior for sua diretividade e o seu ganho.
·
Polarização: A onda irradiada de uma
antena é composta por um componente de campo elétrico (E) e por outro de campo
magnético (H) com mesma direção, mas perpendiculares entre si (defasadas em
90°). A polarização refere-se à posição do campo elétrico em relação a Terra,
sendo vertical quando está perpendicular
ao eixo e horizontal quando está paralela ao eixo.
A polarização de uma antena pode
ser vertical, horizontal ou circular e é uma propriedade da RF produzida na
antena. A polarização linear (vertical ou horizontal) é a mais utilizada em
sistemas WLAN. As antenas do transmissor e do receptor devem estar orientadas
para mesma polarização com a possibilidade de se ter uma perda (atenuação)
maior que 20 dB para pares de antenas com polarizações diferentes, devido a
discriminação de polarização cruzada.
Alguns sistemas podem operar com
antenas de dupla polarização. Esta característica permite a mudança da
orientação de polarização de acordo com determinados efeitos indesejáveis, como
minimizar efeitos de interferências.
·
Discriminação de polarização cruzada: É
a medida de discriminação de uma antena polarizada em um sentido (por exemplo:
verticalmente) em relação a ondas polarizadas em outro sentido
(horizontalmente).
Os fabricantes informam este
valor, algumas vezes com o termo em inglês XPD – Cross Polarization
Discrimination, que é a diferença em dB entre o sinal recebido na polarização
correta (V-V ou H-H) e o recebido na polarização cruzada (V-H ou H-V).
Este parâmetro deve ser considerado quando
se deseja instalar um novo sistema onde já existem outros, com o objetivo de
verificar possíveis interferências que possam inviabilizar o projeto.
Acessórios para redes sem
fio
·
Divisor (spliter): Utilizado para
dividir o sinal de saída, para alguma finalidade específica, como ampliar a
área de cobertura incluindo mais uma antena para alcançar uma área não atendida
por uma única antena. Características como: perda por inserção (atenuação),
fator de divisão de potência (perda teórica por divisão) e isolamento (Atenuação
entre as saídas do divisor), devem ser observados antes da utilização deste
acessório.
·
Amplificador de potencia: Utilizado para
amplificar o sinal transmitido ou recebido. São úteis para compensar perdas por
atenuações. Quando utilizados em sistemas ponto-área (um ponto para diversas
estações) devem ser bidirecionais (amplificar o sinal transmitido e o
recebido), pois caso contrário devem ser também incluídos nas estações, o que
em alguns casos não é possível.
·
POE: Baseado no padrão IEEE 802.3af, que
define o uso do cabo Ethernet (cabo de dados) para conduzir também a energia
elétrica necessária a alimentação do equipamento.
·
Conversores de Frequência: Utilizados
com a finalidade de alterar a frequência de comunicação entre dois dispositivos.
Devem ser utilizados em pares (transmissor – receptor). Úteis quando a
frequência padrão, utilizada, está comprometida por excesso de ruído
(interferências).
·
Protetor de Linha: Utilizado para
proteção contra descargas atmosféricas quando a antena está instalada em área
externa e conectada por cabo de RF.
Diagrama de irradiação
A descrição da energia irradiada por uma antena é de grande
importância, por representar graficamente esta característica em um determinado
plano.
O diagrama exibe, entre outros parâmetros:
• Plano de irradiação vertical e horizontal;
• Relação de irradiação frente/costa;
• Abertura do feixe.
Diagrama de irradiação de uma antena isotrópica (antena teórica
ideal), usada como referência para descrever propriedades diretivas de antenas
reais.
Diagrama de irradiação de uma antena setorial. Normalmente
utilizadas em sistemas ponto-multiponto e ponto-área. Mais comuns em ângulos de
30, 60, 90 e 120 graus de abertura.
Diagrama de irradiação de uma antena parabólica vazada. Ângulos
vertical e horizontal estreitos, maior alcance. Podem ter o alimentador focal
(no ponto focal da antena) ou alimentador off-set (fora do ponto focal).
Cálculos de potência
Perda no espaço livre (Free Space Loss)
Ondas de rádio se propagam no espaço em linha reta e parte da
potência de irradiação se perde no espaço livre, mesmo sem obstáculos. O FSL é
uma medida em decibel e que representa a quantidade de força de sinal que é
perdida no espaço livre. Também não leva em consideração os ganhos das antenas
e/ou perdas no cabo. O FSL é proporcional aos quadrados da distância e da
frequência.
FSL(dB) = 92,4 + 20log(d.f)
d =
distância em quilômetros
f =
frequência (GHz)
Para f em MHz, a fórmula será:
FSL(dB) = 32,4 + 20log(d.f)
Alcance e relação sinal/ruído
Não é suficiente que o sinal transmitido atinja o receptor com um
nível de sinal maior que a sensibilidade do mesmo. Um sinal com potência
ideal mais com muito ruído não será adequado ao bom funcionamento.
A relação entre o sinal e o ruído (SNR – Signal Noise Ratio) é o
valor obtida da relação entre a potência da portadora no receptor, e a potência
do ruído, numa dada largura de banda, expressa em dB. Os ruídos podem ter
origem térmica, industrial ou de outro sistema sem fio.
A SNR pode ser obtida pela expressão:
SNR = 10log(Ps/Pr)
Ps = potência do sinal (Watt)
Pr =
potência do ruído (Watt)
Aula 05: Arquiteturas em redes sem fio e redes lan sem fio
(WLAN)
Introdução
Para entender melhor os aspectos do funcionamento de
rádio enlaces, sistemas de comunicação por satélite além de redes celulares.
Permitir identificar as diferenças entre cada um dos sistemas descritos. Se faz
necessário entender como funciona a comunicação em uma rede sem fio
infraestruturada.
Conhecer as tecnologias existentes, suas
características e limitações, suas diferenças e principalmente adquirir a
capacidade de propor uma solução tecnológica utilizando adequadamente cada uma
das tecnologias descritas.
WLAN
A comunicação em redes por meios não guiados já foi
tentada por infravermelho (IR) que é limitado a um curto alcance e depende de
uma linha de visada entre o transmissor e o receptor. O que limita muito o uso
deste tecnologia.
Desde que se começou a utilizar ondas de
radiofrequência busca-se aproveitar suas características para implementar
comunicações móveis, de alta velocidade e de forma segura.
Novas técnicas de modulação são desenvolvidas com o
objetivo de melhorar as taxas de transmissão de dados e o melhor destas
técnicas esta sendo implementado nas redes locais sem fio (WLAN).
As redes locais sem fio buscam entregar aos usuários
diversos tipos de serviços e tem como vantagens a:
• Mobilidade (possibilidade de movimentação dentro da
área de cobertura);
• Facilidade de instalação;
• Flexibilidade;
• Economia;
• Rapidez (implementação simplificada).
Radio
enlaces
O rádio enlace é a ligação entre dois ou mais pontos,
efetuada com o objetivo de transmitir informações tendo o ar livre como meio de
transmissão.
Cada ponto de ligação é equipado com um transmissor /
receptor e uma antena responsável pela propagação das ondas eletromagnéticas.
Esta propagação depende do tipo de antena e pode ocorrer para todas as direções
(onidirecional) ou para um ângulo específico (direcional).
Um enlace sem fio pode ser fixo ou móvel. Fixo quando
os pontos envolvidos no enlace estão localizados no mesmo lugar sempre e móveis
quando um dos pontos ou ambos, podem se movimentar dentro do raio de alcance da
transmissão. Enlaces fixos podem ser utilizados em substituição a enlaces
guiados (por meios metálicos ou óticos) ou quando a instalação destes é difícil
ou muito custosa.
Pode-se também caracterizar os enlaces baseando-se nos
seguintes sistemas:
·
Sitema
Ponto-a-Ponto: Interligam dois pontos utilizando tecnologia de rádio
frequência ou mesmo laser e infra-vermelho. Operam normalmente na faixa de
microondas (GHz) e pode cobrir distâncias superiores a 50 Km com visada direta
(LOS – Line of Signal) utilizando antenas direcionais, já que tem como objetivo
alcançarem um outro ponto previamente definido. São utilizados com mais
frequência quando por questões econômicas ou do terreno é inviável instalar
meios guiados (fibras óticas ou cabos).
·
Sistema
Ponto a Multipontos: Característico de interligação entre vários terminais e
uma estação-base. São utilizados em enlaces fixos e móveis. Na estação-base
antenas setoriais (que cobrem um determinado ângulo) são utilizadas em número
suficiente para atender o setor inteiro (360°, por exemplo) ou apenas parte
dele, se for necessário, fornecendo serviços a todos os usuários que se
encontram sob sua área de cobertura. Os terminais se comunicam com a BS, que
serve de ponto intermediário para a comunicação com outro usuário localizado em
outra BS. As BSs são normalmente interconectadas umas as outras por meios
guiados, o que permite também a conexão dos usuários com sistemas guiados. A
estação-base em alguns sistemas também pode ser chamada de ponto de
acesso.
Atualmente
os sistemas móveis utilizam vários conjuntos de sistemas ponto a multipontos
(BS) para atender uma grande área de cobertura, ao invés de usar apenas uma BS
com maior potência para atender a mesma área. Esta técnica tem por objetivo o
melhor aproveitamento das frequências disponíveis e possibilita uma melhor
cobertura de áreas com muitos obstáculos, pois permite um posicionamento mais
adequado de cada uma das estações-base que compõem o sistema completo. O território
atendido pela BS chame-se célula, numa alusão ao modelo de construção de uma
colméia) e várias células compõem o sistema como um todo. Este sistema de
organização das células (como os favos na colméia) permite que células
adjacentes não utilizem as mesmas frequências, reduzindo o problema de
interferências entre as mesmas.
Controlando
de modo adequado a potência de cada célula as frequências podem voltar a ser
reutilizadas em células não adjacentes, sem maiores problemas. O número de
frequências reutilizadas (N) pode ser obtido de acordo com a fórmula N =
D^2/3R^2, onde R é o raio da célula e D a distância de reutilização.
Em
equipamentos móveis pode existir a necessidade de um terminal, em movimento,
passar de uma célula para outra. Este processo é conhecido como handoff.
·
Sistema
Multipontos a Multipontos: Neste tipo de sistema não existe uma
estação-base controlando a comunicação e os nós presentes na área de cobertura
precisam se organizar para conseguirem se comunicar uns com os outros. Um
algoritmo descentralizado cuida desta organização que por ser incerta não é
utilizada em sistemas de telefonia. Uma estação (nó) pode se retirar da rede
repentinamente e comprometer ou até mesmo impedir a comunicação dos nós que
permaneceram na rede. Por seu baixo desempenho é pouco utilizado em WLAN.
WLL -
Wireless Local Loop
1. O circuito
local sem fio é uma conexão para telefones ou de outros dispositivos com a rede
pública de telefonia comutada. Consiste de uma ligação sem o uso de cabos entre
o armário de distribuição da companhia de telefonia e o equipamento rádio
instalado na casa do assinante.
2. O sistema
de telefonia fixa sem fio pode ser considerado uma extensão da técnica
utilizada em sistemas móveis. Uma diferença básica entre o sistema convencional
e o WLL é a eliminação, neste último sistema, dos cabos que interligam o
armário de distribuição como o equipamento rádio instalado na casa do
assinante, já que o telefone residencial continua conectado por cabo ao rádio.
3. O WLL
aparece como uma alternativa tecnológica para fornecer serviços de comunicação
de dados e voz, com redução de redes externas e oferecendo agilidade na
disponibilização de novos pontos.
4. Observando-se
as características de cada sistema, conclui-se que não existe um melhor que o
outro. Existem situações em que um será melhor que o outro e casos em que o uso
de ambos, em conjunto, será a melhor solução.
5. Em
ambientes em que os clientes estejam a até 1 km de distância do ponto de
distribuição, o sistema com cabos é mais rentável. Já para cobrir distâncias
maiores o sistema sem fio (WLL) é mais vantajoso do ponto de vista econômico.
6. A redução
de infraestrutura instalada aliada a flexibilidade (capacidade de remanejar o
sistema com facilidade e baixo custo) são fatores que contribuem para a
expansão de sistemas WLL.
Satélites GEO e LEO
A
curvatura da superfície da Terra impede o estabelecimento de link, entre duas
estações baseadas em terra, a grandes distâncias. Uma solução para criar canais
de longas distâncias e altas velocidades é implementada por uso de satélites.
Esta técnica requer uma linha de visada entre a estação em terra e o satélite.
Desde 1962
quando foi lançado o 1º satélite americano, que suportava 600 canais de voz, as
funções desenvolvidas para estes equipamentos se tornaram mais sofisticadas.
Hoje estes satélites podem se comunicar tanto com estações baseadas em terra,
como com equipamentos instalados em outros satélites, desempenhando funções de
comutador telefônico, roteador de rede de computadores ou de uma rede de
transmissão puramente.
Redes telefônicas celulares
Inicialmente
os telefones móveis eram usados apenas para comunicação de voz, entretanto hoje
eles são utilizados também para comunicação de dados e a demanda por mais tipos
de serviço cresce a cada dia. O sistema de telefone móvel, também chamado de
telefone celular em alguns países, evoluiu bastante desde sua primeira geração
e se encontra atualmente na terceira geração.
O nome de
rede celular vem da característica utilizada neste tipo de rede com o objetivo
de reaproveitar frequências de uma banda licenciada e cara.
Esta
técnica é mesma descrita anteriormente nos sistemas ponto-multiponto.
As
melhorias e os serviços oferecidos por cada uma das fases evolutivas (gerações)
são significativos.
As seguintes características definem as
diferentes gerações: PDF
Pico WLAN
São redes
de curta escala, chamadas de piconets, que possuem um número reduzido de
usuários, aproximadamente 10 por piconet.
Para alocação
de recursos, existe uma central chamada Piconet Cordinator(PNC) que sincroniza
todos os dispositivos. A pesar da centralização no PNC, a topologia é ad-hoc
comunicando-se ponto-a-ponto.
A escolha
deste PNC, é uma eleição dinâmica que ocorre sempre que uma nova piconet é
criada ou o PNC perdido, acarretando uma nova eleição.
Padrões 802.11 (WiFi)
Embora
diversas tecnologias para redes sem fio tenham sido criadas, no mercado os
padrões 802.11 foram os mais adotados.
Dentro
destes padrões basicamente duas frequências de utilização foram definidas a de
2,4 GHz e de 5 GHz.
Algumas
características são compartilhadas por todos os padrões, tais como:
• O método
de acesso ao meio, o CSMA/CA;
• A
estrutura de quadros da camada de enlace;
• Recurso
que reduz a taxa de transmissão quando o ocorre uma degradação do sinal entre
transmissor e receptor.
Este recurso é conhecido como Fall
Back;
• Permitem
modo de operação infraestruturado ou modo Ad Hoc (sem infraestrutura).
Diferenças
também são observadas entre os padrões. Algumas diferenças implementaram
melhorias outra permitem opções para operação em diferentes situações.
As WLANs
que operam na faixa não licenciada de frequência de 2,4 GHz sofrem mais com
ruídos já que este espectro de frequência é utilizado, não só por redes sem
fio, mas também por fornos de microondas e telefones sem fio. As redes que
operam na faixa de frequência de 5 GHz sofrem menos com ruídos do meio já que é
uma faixa menos utilizada, mas tem um alcance reduzido devido a frequência ser
mais alta. A tabela abaixo apresenta algumas características das redes sem fio
atualmente utilizadas.
Requisitos
técnicos e parâmetros de desempenho
Requisitos e parâmetros de uma rede sem
fios:
·
Vazão: O
protocolo de controle de acesso ao meio deve utilizar eficazmente o meio para
maximizar sua capacidade;
·
Número de
nós: Aceitar centenas de nós por meio de múltiplas células;
Conexão com LAN de backbone – geralmente existe a necessidade de interconexão
com redes cabeadas. LANs sem fio com infraestrutura, os módulos de controle
devem possuir conexão aos dois tipos de redes com e sem fios. Deve haver a
possibilidade de acomodar usuários móveis e ad-hoc;
·
Área de
serviço: Possuir diâmetro da rede sem fio de 100 a 300 metros;
·
Consumo de
bateria: Adaptadores sem fio devem possuir baterias com uma longa
duração, protocolos que utilizem monitoração constante devem ser evitados,
exemplo protocolo MAC; Robustez e segurança da transmissão; Existe a
necessidade de uma transmissão estável, mesmo em ambientes ruidosos bem como
oferecer um nível de segurança mínimo quanto a espionagem;
·
Operação
de redes em local comum: Como existe a probabilidade de duas ou
mais redes sem fio operarem na mesma área, deve-se procurar impedir a
interferência entre essas redes e principalmente evitar acessos não
autorizados;
·
Operação
livre de licença: Utilizar frequências livres de licença;
·
Handoff/roaming: O
programa MAC usado na LAN sem fio deve permitir que uma estação transite entre
as células;
·
Configuração
dinâmica: O endereçamento MAC e os aspectos de gerenciamento das redes
sem fio devem permitir adição, exclusão e relocação dinâmica e automatizada de
sistemas terminais sem prejuízo para outros usuários.vres de licença;
·
Handoff/roaming: O
programa MAC usado na LAN sem fio deve permitir que uma estação transite entre
as células;
·
Configuração
dinâmica: O endereçamento MAC e os aspectos de gerenciamento das redes
sem fio devem permitir adição, exclusão e relocação dinâmica e automatizada de
sistemas terminais sem prejuízo para outros usuários.
muito bom.
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