Redes Sem Fio Conteúdo Programático Histórico Conceitos Básicos Técnicas de Modulação Técnicas de acesso ao meio. Fatores que interferem na propragação das ondas Eletro Magnéticas. Especialização em Redes de Computadores Weslley Emmanuel Martins Lima Conteúdo Programático Padronização das Redes Sem Fio Tecnologias Sem Fio Emergentes As gerações tecnológicas Componenentes genéricos de rádio Antenas Histórico 1820 Hans Oersted descobriu a relação entre a eletricidade e o magnetismo. 1831 Michael Faraday teorizou que uma mudança no campo magnético é necessário para induzir uma corrente em um circuito próximo(Teoria da Indução). Joseph Henry e a primeira transmissão de um sinal elétrico. 1832 Samuel Morse inventa o telégrafo com a ajuda de Henry. 1 Histórico Histórico A condução inicialmente é provada na água. Morse continua seus trabalhos no estudo de tecnologias sem fio. Em 1887, Heinrich Hertz prova que a eletricidade viaja em ondas através da atmosfera. Morse descobre a propriedade da condução em seus experimentos. Em 1901, o inventor italiando Guglielmo Marconi descobre que as ondas eletromagnéticas se curvam de acordo com a curvatura da Terra em transmissões eletromagnéticas. A condução é o fluxo de cargas elétricas através de uma substância, resultante de uma diferença de potencial elétrico baseado na substância. Conceitos Básicos A ionosfera como meio de transmissão das ondas de rádio Conceitos básicos Rádio Transmissão e recepção sem fio de impulsos ou sinais elétricos por meio de ondas eletromagnéticas. Uma onda eletromagnética é a propagação de energia elétrica pela oscilação de campos magnéticos que induzem a oscilação de campos elétricos; Campos elétricos são induzidos pela separação de cargas positivas e negativas. Componentes de uma onda: Amplitude(a) - volts Movimentação de cargas elétricas induz campos elétricos. Velocidade de propagação(v) Mudanças no campo elétrico induzem campos magnéticos. Comprimento de onda - metros Período - segundos Frequência(f) Hertz 2 Conceitos Básicos Conceitos Básicos Velocidade de Propagação Velocidade com a qual a onda viaja pelo meio. Para propósitos prático igual à velocidade da luz: 3 x 108m/s. Período Tempo gasto por um ciclo para passar por um ponto. Frequência Quantidade de ciclos que passam por um ponto em um segundo. Conceitos Básicos Modulação de ondas de rádio A onda portadora tem a função de modular o sinal de entrada com uma frequência muitas vezes maior. Principais razões: Melhor transmissão Permite a transmissão de vários sinais ao mesmo tempo sem que haja interferência. Permite a criação de antenas menores. Conceitos Básicos A modulação corresponde às modificações realizadas numa onda portadora de maneira a representar um sinal. A portadora também é chamada de onda modulada. O sinal é também chamado de onda moduladora. Cada frequência de portadora é chamada de um canal. 3 Modulação da Amplitude Conceitos Básicos Esquemas de modulação analógico Modulação da amplitude(AM); Modulação da frequência(FM); Modulação da Frequência Esquemas de Modulação Digital A maioria das informações transmitidas pelos seres humanos são de natureza analógica. No entanto, os computadores são binários. A necessidade de digitalizar fontes analógicas de informação(música, voz...). Boas técnicas de digitalização levam a um resultado de qualidade muito próxima ao sinal original. A necessidade de transmitir informações digitalizadas. 4 On/Off Keying(OOK) Esquemas de Modulação Digital Tipos On/Off Keying(OOK) Frequency Shift Keying(FSK) Phase Shift Keying(PSK) Pulse Amplitude Modulation(PAM) Frequency Shift Keying(FSK) Usada pelo padrão 802.11 Camada Física Phase Shift Keying(PSK) 5 Pulse Amplitude Modulation(PAM) Técnicas de acesso ao meio Objetivo: Permitir o controle de acesso ao meio como forma de otimizar a utilização desse recurso. Define canais de comunicação independentes Tipos básicos FDMA(Mútiplo acesso por divisão de frequência) TDMA(Mútiplo acesso por divisão de tempo) CDMA(Mútiplo acesso por divisão de código) SDMA(Mútiplo acesso por divisão de espaço) FDMA FDMA Cada canal carrega a informação de um usuário. Requer bons filtros para evitar interferência de canais adjacentes. Exemplo: AMPS: 2 bandas com 833 canais de 30kHz cada. 6 TDMA TDMA A banda disponível é compartilhada entre os usuários dividindo-a em time-slots. A transmissão de dados é descontínua. Utiliza mais bits de sincronização se comparado ao FDMA. Devido à característica da transmissão em rajadas, existe um menor gasto de bateria(só transmite durante o tempo de um time-slot). FDMA e TDMA combinados FDMA e TDMA combinados Combina a divisão da banda em faixas menores que por sua vez é dividida no tempo(time-slots). Leva a uma melhor utilização do espectro. No GSM as 2 bandas de 25Mhz são divididas em portadoras de 200kHz cada, que por sua vez são subdivididas em 8 time slots de 4,615 ms. 7 CDMA CDMA Todos os usuários transmitem na mesma banda(simultaneamente) o dado codificado; somente os detentores da chave conseguem decifrar o dado. Isso garante maior segurança. A capacidade não é fixa, depende a relação sinal/ruído do meio. É eficiente quando utilizada para muitos usuários. SDMA SDMA Usados em redes celulares(células são áreas irregulares em torno de uma antena). Atribuir faixas de frequência diferentes a células adjacentes, de forma a evitar a interferência de sinal. Para células distantes, pode-se reutilizar a faixa de frequência. Para isto, o alcance a antena deve ser bem ajustado. 8 Fatores que interferem na propagação de ondas EM A Taxa Sinal/Ruído Atenuação Reflexão Refração Linha de visão Penetração Atenuação Fenômeno em que o sinal fica mais fraco a medida que se afasta da sua fonte. Decorre de uma divergência natural da densidade do sinal. A taxa sinal/ruído A onda deve chegar ao receptor com força suficiente para permitir a distinção entre a onda e o ruído. A taxa S/N é usada para mostrar a potência do sinal em comparação com a potência do ruído. Diferentes modulações requerem diferentes taxas mínimas de S/N. Esquemas de modulação digital requerem uma menor taxa S/N que esquemas de modulação analógico. Atenuação A força de um sinal diminui à medida que a distância aumenta Portanto: Potência é proporcional a 1/r2 Objetos contribuem para a atenuação de uma onda. Em tais situações, a Potência é proporcional a 1/r3. 9 Atenuação Uma forma de minimizar a atenuação é através de antenas direcionais. Reflexão(Bouncing) Fenômeno que ocorre quando parte de uma onda atravessa um objeto e a outra parte é refletida. A reflexão pode degradar ou melhorar o desempenho dos sistemas. Sistemas de rádio AM aproveitam-se desse fenômeno que ocorre nas camadas superiores da atmosfera. Reflexão(Bouncing) Reflexão(Bouncing) O fenômeno da reflexão só é adequado a sistemas que operam com ondas de baixa frequência. Ondas de alta frequência penetram nas camadas da atmosfera sem que haja reflexão. Usadas nas comunicações via satélite. O caso do canion em forma de L. 10 Reflexão(Bouncing) Reflexão(Bouncing) O problema do Espalhamento em vários caminhos. O sinal alcança o receptor através de vários caminhos devido à reflexão Pode causar o cancelamento do sinal se chegarem em fases diferente. Pode provocar eco, se os sinais não chegarem ao receptor fora de sincronia. Refração Campo de visão(Line of Sight) Refere-se à curvatura de uma onda. Decorre do contato com partículas suspensas no ar e gotículas de água na atmosfera. Caminho limpo e reto do transmissor para o receptor. O horizonte absoluto linha reta entre o transmissor e o receptor Sinais de alta frequência exigem um melhor campo de visão que os sinais de baixa frequência. O horizonte aparente distância de alcance entre o transmissor e o receptor decorrente da curvatura da onda em torno da superfície da terra. 11 Penetração Fatores que determinam o grau de penetração: Componentes genéricos de rádio Tipo de material Densidade do material Frequência e potência do sinal Ex.: Raio-X O metal não permite a penetração de sinais, o sinal é absorvido como em uma antena. Uma das razões para celulares não funcionarem bem em elevadores Componentes genéricos de rádio Componentes genéricos de rádio Codificador do transmissor codifica o sinal antes de enviá-lo ao modulador Antena do transmissor em ondas de rádio. Modulador do transmissor modulação do sinal Antenar do receptor responsável pela Amplificador do transmissor amplifica o sinal para que possua potência suficiente para alcançar o receptor Cabo do transmissor converte o sinal elétrico Filtro do canal receptor Permite a passagem apenas dos sinais de frequência adequada para os outros componentes. leva o sinal até a antena. 12 Antenas Antenas Ominidirecionais Dividem-se em: Omnidirecionais direções. Direcionais específica. Dipólo de meio comprimento de onda Enviam sinais em todas as Focalizam o sinal em uma direção Dipólo de meio comprimento de onda Dois condutores posicionados fim-a-fim com um pequeno espaço entre eles. O tamanho total dos dois condutores deve ser metade do comprimento de onda Dipólo de um quarto de comprimento de onda Tipo especial de dipólo de meio comprimento de onda. Consiste de um lado de uma dipólo de meio comprimento de onda montada sobre alguma superfície. A superfície deve funcionar como um refletor para simular a outra metade da dipólo de meio comprimento de onda. Ex.: Antena de carro, de telefones celulares, de telefones sem fio. 13 Antenas direcionais Antenas Yagi Nome do seu inventor Dr. Hidetsugu Yagi Composta por: Elemento Refletor - Passivo Elemento Dirigido - Ativo Elementos Diretores - Passivos Ex.: Antenas de Televisão Antenas Planares Todos os elementos são colocados no mesmo plano Antenas direcionais Antenas Setorizadas Projetadas para dividir uma área de cobertura circular em setores a fim de facilitar a alocação e o reuso. Cada setor tem uma largura de 120 graus. Usadas em telefonia celular Antenas Parabólicas Usadas principalemente em transmissões via satélite. Usada em radares Antena Yagi Antenas Planares 14 Antenas Setorizadas Antenas parabólicas Tecnologias Existentes Tecnologias sem fio fixas Tecnologias e padrões em redes sem fio Tecnolgias sem fio móveis Tecnologias sem fio ópticas 15 Tecnologias fixas sem fio Serviço de distribuição multicanal e multiponto(MMDS) Tecnologia onde o transmissor e o receptor estão em uma posição fixa. Opera na faixa de 2.5 a 2.7 Ghz Principais Tecnologias Provê velocidades entre 1 e 2 Mbps MMDS LMDS WLL Tecnologia complementar à DSL Permite distância entre os nós de aprox. 56Km Requer um campo de visão sem obstáculo PTP Microwave WLAN Serviço de distribuição multicanal e multiponto(MMDS) Serviço de ditribuição local multiponto(LMDS) Sistema de comunicação sem fio banda larga ponto a multiponto. Opera na faixa entre 28 e 38 Ghz. Oferece velocidades superiores a 500Mbps. Distância máxima limitada a aprox. de 5 a 8Km. Também necessita um campo de visão limpo. Pode ser afetado pelas condições do tempo. 16 Serviço de ditribuição local multiponto(LMDS) Wireless Local Loop(WLL) Refere-se a tecnologias fixas sem fio empregadas para competir/substituir as redes de telefonia convencionais. Usa uma arquitetura ponto-a-multiponto. Um rádio central(RPC) é conectado a uma séria de RP's(estações base). Os clientes acessam a rede através de unidades de acesso fixas(FAU). No Brasil, é explorado pela Vésper. Wireless Local Loop(WLL) Micro-ondas Ponto a Ponto(PTP) Usada em comunicações ponto-a-ponto Sofre com a absorção do sinal e espalhamento em mútiplos caminhos. Susceptível a condições chamadas: Armortecimento da chuva o que limita a distância entre o transmissor e o receptor. 17 Micro-ondas Ponto a Ponto(PTP) Padrões para redes locais sem fio(WLAN) A padronização permitiu uma maior dissseminação das redes sem fio. Padrão criado pelo grupo 802 do IEEE O padrão 802.11 foi criado em 26 de junho de 1997 Especifica desde o tempo até os custos associados à criação de uma rede sem fio. Esse padrão cobre a operação de controle d acesso ao meio(MAC) e as camadas físicas. A camada física do padrão 802.11 O padrão 802.11 Usam a banda de 2.4 Ghz FHSS(Frequency Hopping Spread Spectrum) 802.11 define 3 opções para a camada física: 802.2 Infra-vermelho 802.11 MAC Rádio Frequência FHSS DSSS IR DSSS FHSS Baseada no envio de rajadas de dados sobre várias frequências Os dados saltam entre um conjunto de frequências préalocadas(geralmente quatro por comunicação). DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum) Os dados são divididos em pedaços que são enviados simultaneamente por tantas frequências quanto possível. Permite maiores taxas de transferência, porém estão mais susceptíveis a interferência. 18 Melhoramentos no padrão 802.11 original O padrão 802.11 foi seguido pelo padrão 802.11b e este pel padrão 802.11a com uma largura de banda cinco vezes maior Os padrões: 802.11d Concentrado no desenvolvimento de WLAN's em mercados não servidos pelo padrão atual. Melhoramentos no padrão 802.11 original 802.11g Estão trabalhando no desenvolvimento de taxas de transferência maiores usando a banda de 2.4GHz. 802.11h Estão desenvolvendo extensão no gerenciamento de potência e espectro para o padrão 802.11a para uso na Europa. 802.11f Buscam desenvolver um protocolo que permita a migração de dispositivos sem fio entre pontos de acesso(AP) de diferentes fabricantes. O padrão 802.11b Usa DSSS na camada física A competição de vários dispositivos pelo mesmo espectro de 2.4GHz pode causar interferência(telefones sem fio, micro-ondas). O Padrão 802.11a Surgiu da enorme demanda às tecnologias operando na banda de 2.4 GHz Provê velocidades de 25 a 54 Mbps Usam a mesma frequência deste padrão Trabalha num spectro de 5GHz, uma banda menos usada e portanto com uma chance reduzida de interferência. Utilizam FHSS na camada física Opera atualmente apenas nos EUA As redes Bluetooth Alterna entre milhares de frequências em um segundo, levando a uma maior possibilidade de interferência nas redes 802.11. 19 O Padrão 802.11e Compatível com os padrões 802.11b e 802.11a. As WLANs e a arquitetura 802.11 Uma rede 802.11 é composta por: Implementa qualidade de serviço. Acess Point(AP) Adequado a transmissões multimídia. Distribution System(DS) Realizou melhoramentos de segurança. Possibilita a transmissão de áudio e vídeo. Basic Service Set(BSS) Extended Service Set(ESS) Permite serviços de voz sobre IP. O Basic Service Set Modelo em que um ou mais dispositivos sem fio comunicam-se com um Acess Point numa única célula Tipos de estrutura Redes Ad-Hoc Redes Estruturadas 20 Extended Service Set O mecanismo CSMA-CA Composta por um conjunto de BSS's Controla o acesso ao meio. Permite a migração(roam) de uma unidade móvel entre dois AP's de maneira transparente. Uma unidade só transmite quando tem a atenção da unidade receptora. A comunicação entre os BSS's é feita através do sistema de distribuição(DS). Chamado Listen Before Talking (LBT). O DS é a espinha dorsal de uma WLAN. Antes de transmitir, o dispositivo verifica se está ocorrendo alguma transmissão. Caso esteja, ele aguarda um período de tempo randômico. A migração entre células O mecanismo RTS/CTS Request To Send/Clear To Send Evita que dois dispositivos tentem transmitir ao mesmo tempo. Uma AP sempre envia um RTS para o dispositivo móvel antes de enviar os dados. O dispositivo móvel deve responder com uma mensagem CTS para que se inicie a transmissão. A migração(roaming) baseia-se no fato da UM decidir o momento de mudar o seu acesso à rede de um AP para outro com um sinal mais forte. É baseado principalmente na taxa S/N. OS AP's emitem mensagens de sinalização(beacon) usadas para calcular a taxa S/N. Ao migrar a UM deve autenticar-se no novo AP para que o sistema de reconfigure. O HandOff 21 Segurança na WLAN A vulnerabilidade das redes sem fio decorrente do meio de transmissão utilizado. O 802.11 provê três mecanismos para aumentar a segurança. O uso de SSID Autenticação através do endereço MAC Serviço de privacidade usando um esquema de criptografia RC-4 dos dados transmitidos, chamado Wired Equivalency Privacy(WEP). Usa uma chave de 40 bits. Algumas empresas usam uma chave 104 bits. Bluetooth WPAN's e a arquitetura 802.15 WPAN Redes que abrangem o espaço em torno de um dispositivo, aproximadamente 10 metros de raio. Exemplos de redes ad-hoc. Os dispositivos se encontram e se comunicam exigindo pouco esforço do usuário. As redes 802.15 são definidas como redes sem fio de curta distância. Redes com baixa custo de manutenção e configuração. Esforços têm sido dispensados à sua interoperabilidade com equipamentos do padrão 802.11 Bluetooth Nome baseado na figura do rei da Dinamarca Harold Blaatand II(Bluetoothe) Dez ou mais piconets pode ser ligadas criando uma scatternet. Inicio-se em 1994 com a Ericsson Distância padrão: 10 metros Em 1998 grandes empresas se reuniram e criaram um grupo de desenvolvimento do Bluetooth(SIG). Velocidade máxima é de 740 Kbps. Sua evolução está ameaçada pelo grande sucesso do padrão 802.11. Baseada em piconets Redes ad - hoc; As piconets são constituídas de um nó mestre e de no máximos sete nós escravos ativos simultaneamente. Não é uma tecnologia que exige campo de visão Pode gerar interferência em redes 802.11b há menos de 10m. Padrão 802.11f propõe uma interperabilidade com essas redes 22 Bluetooth Tecnologias sem fio móveis Compreende basicamente a telefonia celular. Rumos da tecnologia da telefonia móvel: CDMA GSM Estados Unidos. Europa. As primeiras tecnologias focavam na comunicação de voz.(1G e 2G) As tecnologias emergentes visam tanto suportar comunicação de voz quanto de dados.(2.5G e 3G) Tecnologias de primeira geração Tem seu início no final dos anos 70. Sistemas predominantes: AMPS Advanced Mobile Phone System TACS Total Access Communication System NMT Nordic Mobile Telephone Eram sistemas analógicos que não proviam uma qualidade de sinal para sistemas de voz. Tecnologias da Segunda Geração Caracteriza-se pela implantação dos sistemas digitais na telefonia móvel. Alguns aparelhos permitem a migração entre áreas de cobertura digital e analógicas. A americana Sprint PCS migrou para CDMA e o resto do mundo optou pelo GSM. São tecnologias incompatíveis. 23 Tecnologias 2.5G Juntamente com as tecnologias 3G buscam a convergência dos dois padrões(CDMA e GSM) em direção a um padrão global interoperável. Adequada para transmissões de voz e dados. O protocolo WAP como forma de otimizar o uso da banda limitada em sistemas celulares. O GPRS(General Packet Radio Service) foi criado para permitir a comutação de pacotes em sistemas GSM que são baseados na comutação de circuitos. O GPRS quadruplicou o throughput dos sistemas GSM. A tecnologia EDGE Permite às redes GSM existentes suportar e oferecer serviços da terceira geração. Tecnologias da terceira geração Promete suportar aplicações que exigem grandes larguras de banda Ex.: Transmissões de vídeo. Principais tecnologias: EDGE Enhanced Data Rates for GSM Evolution Wideband CDMA cdma2000 O UMTS(Universal Mobile Telecommunications System) http://www.umtsworld.com/technology/overview.htm Evolução tecnológica das redes sem fio móveis Possibilita uma velocidade de transmissão de 384Kbit/s. Utiliza alguns conceitos da tecnologia TDMA. Estrutura do quadro, canais lógicos e largura de banda de 200kHz. Uma uma nova técnica de modulação que permite um uso mais efetivo do espectro(8PSK). 24 Wireless Application Protocol Especificação aberta para entrega de dados através de meio sem fio. Possibilita o acesso de conteúdo internet através da telefonia móvel e de PDAs. Não é proprietário. Não depende da rede. Sua especificação iniciou-se em 1997 a partir de um esforço conjunto das empresas: Nokia, Ericsson, Phone.com e Motorola. Global System for Mobile Communications Padrão internacional para transmissão de voz e dados. O cartão SIM(Subscriber Identity Module) Mantém informações e configurações pessoais Componentes da arquitetura GSM: Mobile Station Wireless Application Protocol Atualmente sua especificação é mantida pelo WAP Forum: http://www.openmobilealliance.org/tech/affiliates/wap/wap index.html A unidade móvel possui um browser embutido. O acesso a Internet eh feito através de um gateway WAP. Os browsers só interpretam um tipo especial de páginas escritas na linguagem WML. Global System for Mobile Communications A Base Station Subsystem(BSS) é composta por: Estação transceptora Base(BTS) contém os componentes que definem uma célula e os protocolos associados. Controlador de estação base(BSC) gerencia os recursos para as unidades transceptoras e a comunicação com as centrais de comutação móvel(MSC). Equipamento móvel Cartão SIM Base Station Subsystem Network Subsystem 25 Global System for Mobile Communications Global System for Mobile Communications O Network Subsystem controla a comunicação entre diferentes células; É composto por: MSC Central de comutação e controle VLR Registro de localização de visitantes HLR Registro de localização de UM local AUC EIR Central de autenticação Registro de identidade de equipamento Limitações do GPRS General Packet Ratio Service Também chamada de GSM-IP Oferece velocidades entre 56 e 170 Kbps Transmissão baseada em pacotes Tais taxas de transmissão tornam possível o tráfego multimídia. A comutação de pacotes permite um uso mais eficiente do spectro: os recursos de rádio são usados apenas quando estão transmitindo ou recebendo dados. Capacidade da célula limitada para todos os usuários. Velocidade muito inferior na realidade A velocidade de 170Kbps só é atingida se um único usuário estiver usando todos os timeslots. Usa uma técnica de modulação não muito eficiente(GMSK Gaussian minimum-shift keying). Atrasos na transmissão decorrentes de retransmissões de pacotes perdidos durante a transmissão de dados pelo meio sem fio. 26 Short Message Service Serviço que permite o envio de pequenas mensagens( geralmente 160 carcteres) a aparelhos que suportam mensagens SMS. Serviço integrado à tecnologia GSM, mas também suportado em outras tecnologias. Tecnologias sem fio óticas Tecnologias sem fio óticas Sistema ótico Qualquer sistema que utilize a luz modulada para transmitir informações pelo ar usando parte do espectro ótico. Também conhecido como FSO(free space optics). Usam o laser infravermelho de baixa potência e uma série de lentes e espelhos para direcionar diferentes comprimentos de onda para o receptor. Tecnologias sem fio óticas É uma tecnologia que exige campo de visão Tem sua performance afetada por neblina e em menor intensidade pela chuva. Tecnologia full-duplex sem necessidade de licenciamento para uso do spectro. Transmite a uma taxa entre 10 e 155 Mbps com uma distância máxima de 3.75 Km, em alguns sistemas a taxas de 1.25Gbps com uma distância máxima de 350 metros. 27