Licenciatura em Sistemas e Tecnologias da Informação

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1 Licenciatura em Sistemas e Tecnologias da Informação Redes sem Fio Disciplina: Seminário de Sistemas e Tecnologias de Informação I: Sociedade do Conhecimento, Indicadores, Novos Media e Internet Docente: Professor Marcírio Chaves Discente: José Cavalheiro, Oeiras, Novembro de 2009

2 Resumo As telecomunicações desde sempre estiveram ligadas a tecnologias baseadas em ondas electromagnéticas, mais concretamente radiofrequências, de modo a eliminar cabos, aproximar as comunidades e promover a mobilidade. Desta forma num contexto de redes sem fio será analisada e caracterizada a onda electromagnética, abordando os seus componentes, modos de transmissão e efeitos dessa propagação. O trabalho abordará as várias tecnologias desenvolvidas para as redes sem fio, caracterizá-las em relação à sua dimensão e analisar as mais importantes tecnologias utilizadas nos nossos dias, tendo por objectivo principal do trabalho uma abordagem menos técnica das tecnologias, mas sim possibilitar um entendimento do funcionamento base, conseguindo assim diferenciar mais facilmente o que distingue cada uma das tecnologias sendo possível dessa forma saber adequar cada tecnologia tirando dela um maior partido.

3 Índice Introdução 1 1. Ondas Electromagnéticas 2 1. O conceito 2 2. O espectro electromagnético 3 3. As radiofrequências 3 4. Os efeitos da radiação 3 2. Redes sem fio 5 1. O conceito 5 2. Modos de acesso às redes sem fio 6 3. Tecnologias existentes 7 Conclusão 10 Bibliografia 11

4 Introdução Este trabalho vai tentar retratar um pouco da evolução que as redes em fios tiverem desde a sua descoberta até aos dias de hoje. Quando James Maxwell criou o conceito e posteriormente Heinrich Hertz verificou experimentalmente as ondas electromagnéticas estariam por certo longe de imaginar o relevo que teria para a história da humanidade e a influência que teria na forma de comunicarmos e aproximar os povos. É dessa evolução que irá tratar o trabalho, abordando alguns conceitos do que é uma onda electromagnética, as suas mais variadas aplicações até chegar ao conceito de redes sem fio. Nas redes sem fio, serão analisados os variados tipos de redes, analisando quais as sua vantagens e aplicações e por fim será analisado mais pormenorizadamente a aplicação das redes sem fio em redes locais de dados ou LAN (Local Area Network), que problemas vieram solucionar, quais as vantagens e desvantagens, qual a evolução e cuidados a ter numa implementação de uma rede sem fio. 1

5 1. Ondas Electromagnéticas 1.1. O Conceito [1]As ondas electromagnéticas tal como representado na figura 1 são ondas que na sua génese englobam dois componentes o campo eléctrico e o campo magnético e a forma de se propagar no espaço e no tempo é em forma de onda, dai o nome onda electromagnética, esta poderá ser caracterizada por diversos factores. Fig.1 Representação da onda electromagnética. A frequência medida na escala Hertz (Hz) é no fundo a quantidade de vezes que a onda alcança o seu pico por segundo, o comprimento de onda a distância entre cada pico (normalmente representado por λ). A polarização é a direcção em que o campo eléctrico se desloca, este poderá ser na vertical (polarização vertical) ou na horizontal (polarização horizontal). A amplitude é a medida de intensidade da onda propagada, sendo medida a intensidade do campo eléctrico em volt por metro (V/m) e a intensidade do campo magnético em ampere por metro (A/m), com estes dois valores poderemos chegar à potência da onda electromagnética expressa em watt por metro (W/m 2 ). Por fim as ondas poderão ser caracterizadas pela sua velocidade e direcção, sendo a velocidade em espaço aberto uma constante representada por c sendo de x10 8 (m/s). [1]Estes conceitos apresentados anteriormente estão todos relacionados entre si e poderão ser representada essa relação através da expressão: c (m/s) = f (Hz) x λ Fig.2 Caracterização das ondas electromagnéticas 2

6 1.2. O Espectro electromagnético Como verificado anteriormente a onda electromagnética tem diversos factores que a caracterizam, entre estes estão a frequência e o comprimento de onda, estes como é obvio e perfeitamente verificável pela figura 2 estão directamente relacionados, sendo que quanto maior a frequência, menor será o comprimentos de onda. É exactamente essa gama de variações que está representada na figura 3 e que chamamos de espectro electromagnético. Fig.3 Espectro Electromagnético [1]Segundo a frequência e comprimento de uma determinada onda, poderemos associar a uma aplicação ou utilização, mais uma vez recorrendo à figura 3 poderá ser constatado que o espectro visível pelo Homem é uma ínfima parte do espectro electromagnético, essa parte do espectro visível poderá variar de espécie para espécie, com certeza uma mosca terá uma visão completamente diferente da nossa, ou seja a parte visível para a mosca do espectro electromagnético é noutra gama de frequências. Além da parte do visível, as ondas electromagnéticas têm diversas aplicações, que vão desde as frequências extremamente baixas, onde se encontram por exemplo o transporte em linhas de alta tensão, passando para as ondas de rádio, microondas até às frequências extremamente altas tais como os raios X e raios Gama As Radiofrequências [2]A gama do espectro electromagnético chamada de radiofrequências, vão desde os 3 GHz até aos 300 MHz. A aplicação principal das radiofrequências é precisamente as telecomunicações, sendo exemplos disso mesmo as difusões de rádio, comunicações por satélite, comunicações militares, transmissão de televisão e na última década a comunicação de dados, dando origem dessa forma ao conceito de redes sem fio. As radiofrequências poderão ser também utilizadas com fins medicinais, radares, fornos microondas entre outros Os Efeitos da Radiação [1]Sendo um assunto muito discutido nos nossos dias, merece aqui uma pequena reflexão acerca dos efeitos para a nossa saúde da exposição aos diferentes tipos de radiação e tentar perceber quais os tipos de radiação que devemos evitar e os que não devemos ter receios. A onda electromagnética transporta energia, essa energia poderá variar, sendo este o factor que devemos ter em atenção quando se tenta perceber os efeitos que poderá ter na saúde. A energia do fotão (unidade elementar de uma onda electromagnética) depende directamente da sua frequência, quanto maior a frequência da onda maior será a sua energia e 3

7 consequentemente a sua capacidade de interagir com material biológico e ter consequências para a nossa saúde e todos os outros seres vivos. [1]O espectro electromagnético poderá ser dividido em dois grandes grupos, a radiação ionizante e a radiação não-ionizante como poderá ser constatado na figura 4. Sendo toda a matéria formada por moléculas que no fundo são combinações de átomos, o processo que pelo qual uma molécula perde um átomo chama-se de ionização. Este fenómeno não ocorre de forma espontânea, será necessário um fenómeno exterior à molécula para que tal acontece, esse fenómeno é a radiação com níveis de energia suficientes para o provocar, dai a divisão referida anteriormente. Exemplos de radiação ionizante será os raios X e os raios gama, exemplos de radiações não-ionizantes será a luz visível, infravermelhos, ondas de rádio ou outras formas de baixas frequências. Os efeitos para o corpo humano de radiações de baixa frequência como por exemplo as radiofrequências, utilizadas nas telecomunicações e mais concretamente nos sistemas de redes sem fio, estão em grande parte identificados e quantificados por organizações os níveis de exposição que poderão trazer consequências para a nossa saúde. Os efeitos conhecidos deste tipo de radiações são essencialmente efeitos térmicos, que se traduzem num aumento da temperatura dos tecidos biológicos, estando essa exposição controlada e os equipamentos de transmissão certificados não trazem perigos de maior para a saúde e bem-estar de quem se expõe às radiações. [1]A polémica existente actualmente sobre as exposições a radiofrequências advém dos efeitos não-térmicos, até à altura a comunidade científica ainda não definiu sequer que efeitos não-térmicos as radiofrequências poderão provocar, nem existe um registo suficientemente longo que permita tirar quaisquer conclusões sobre esses efeitos, por essa razão nos próximos tempos com certeza será uma polémica em que a comunidade cientifica irá trabalhar no sentido de esclarecer realmente se a exposição a radiofrequências poderão provocar danos na saúde de quem è exposto a esse tipo de radiações. Fig.4 Divisão de ondas ionizantes e não ionizantes no espectro electromagnético 4

8 2. Redes sem Fio 2.1. O conceito Redes sem fio são redes de comunicação entre dispositivos informáticos, como por exemplo, computadores, telefones VoIP, impressoras, sem recurso à utilização de cabos para fazer a interligação desses dispositivos. Para estabelecer essa interligação são utilizadas radiofrequências ou infravermelhos. A sua utilização vai desde o uso de equipamentos de conversação como walkie-talkies até à utilização de satélites artificiais, sendo a sua utilização mais comum para redes de dados entre computadores pessoais, possibilitando dessa forma uma maior mobilidade e facilidade para aceder às redes de dados como por exemplo a Internet. [3]As redes sem fio são classificadas essencialmente pela sua área de abrangência (figura 5) tendo assim: Redes WPAN: Redes destinadas a interligar dispositivos fisicamente próximos, tais como teclados e ratos ao computador, máquinas fotográficas, troca de dados entre telemóveis e computadores, etc. São normalmente utilizadas para este tipo de ligações as tecnologias Bluetooth ou Infravermelhos. Redes WLAN: São redes que utilizam ondas de rádio para criar redes de dados, permitem estabelecer ligações à Internet ou criação de redes internas para comunicação de dados. Será com certeza o modo mais popularizado de redes sem fio e sem dúvida o mais utilizado, sendo desta forma alvo de uma especial atenção mais à frente Redes WMAN: São redes com finalidades em tudo semelhantes às redes WLAN mas a sua área de abrangência são um pouco maiores e utilizam tecnologias diferentes de transmissão das ondas electromagnéticas. Neste caso normalmente é utilizado a tecnologias WiMax, devido ao uso destas tecnologias estas redes poderão abranger áreas que poderão ir até aos 30KM. Redes WWAN: Seguindo o mesmo conceito e finalidade dos dois tipos de rede apresentados anteriormente, mas com um raio de abrangência muito maior, uma rede WWAN poderá ser ao nível de um pais, continente ou mesmo planetário. Embora se possa utilizar o WiMAX para criar uma rede desta abrangência, é mais indicado utilizar outro tipo de tecnologias, tais como, o GPRS, UMTS, GSM, HSDPA, 3G ou CDPD. Estas permitem em qualquer parte que estejamos aceder à Internet, visualizar o correio electrónico ou até mesmo através de tecnologias como VPN aceder ao local de trabalho. 5

9 Fig.5 - Os vários tipos de redes sem fio 2.2. Modos de acesso às redes sem fio Sendo as redes sem fio utilizadas por vários utilizadores em simultâneo existem regras para que esta coabitação pacífica possa ocorrer, de modo a que os vários utilizadores da rede a utilizem sem chocarem entre si, chamasse a essas tecnologias, tecnologias de acessos múltiplos. [4]Poderão ser considerados três classes de acesos múltiplos, técnicas onde os utilizadores são identificados porque se lhes atribui slots diferentes de frequência (FDMA), ou seja é reservado uma determinada frequência para que o utilizador estabeleça a comunicação e técnicas onde aos utilizadores se atribuem um slot de tempo (TDMA), ou seja, é reservado um determinado espaço de tempo para que o utilizador estabeleça a comunicação. Existe ainda uma terceira técnica utilizada por exemplo nas comunicações celulares e WLAN que tem terminologia de CDMA, que ao contrário das duas anteriores que utilizam o tempo (TDMA) ou a frequência (FDMA), utiliza uma codificação prévia dos dados de modo a poder estabelecer a comunicação e possibilitar o múltiplo acesso à rede não dependendo de restrições o nível da frequência ou tempo. Fig.6 Os diferentes modos de acesso às redes sem fio [5]Existem ainda os métodos de Duplex, que permitem separar os sinais de envio e recepção, existindo para esse fim duas abordagens, o FDD (Frequency Division Duplex) e o TDD (Time Division Duplex). O FDD utiliza um par de bandas de frequências, uma para enviar (uplink) e outra para receber (downlink). Esta tecnologia é utilizada por exemplo em todos os sistemas celulares de segunda geração. 6

10 O TDD utiliza uma única banda de frequência para enviar e receber, são exemplos desta tecnologia os sistemas sem fio DECT e as WLAN. Fig.7 Duplex FDD Fig.8 Duplex TDD 2.3. Tecnologias existentes São variadas as tecnologias utilizadas para transmissões em redes sem fio, a escolha de uma tecnologia dependerá de variados factores, existindo diferenças substanciais entre as tecnologias disponíveis. É então objectivo deste capítulo analisar um pouco cada tecnologia, tentar identificar quais as diferenças e a aplicabilidade de cada uma das tecnologias apresentadas. [6]IrDA ou infravermelhos é uma tecnologia utilizada para criar redes WPAN, normalmente é utilizada para conectar dispositivos periféricos a um computador para transferência de dados, tendo duas versões a versão 1.0 poderá efectuar transmissões até bps e a versão 1.1 até 4 Mps, sendo a distância máxima de transmissão de 4,5 metros estando os dispositivos obrigatoriamente em linha de vista. A ligação de teclados e ratos sem fio, conexão de telemóveis ou calculadoras a computadores são algumas das aplicações onde pode ser verificado o uso de comunicações com recurso a infravermelhos. [7]Bluetooth regulamentada pelo IEEE é uma outra tecnologia para redes WPAN, sendo o Bluetooth muito mais popularizado que o IrDA, especialmente devido à facilidade, distâncias conseguidas e velocidades de comunicação. É uma tecnologia que já utiliza radiofrequências trabalhando nos 2.4 GHz, permitindo assim que a transmissão possa ser efectuada sem estar os equipamentos em linha de vista, permite igualmente distâncias de transmissões até 100 metros, dependendo das potências do emissor e receptor e as velocidades de transmissão poderá variar entre o 1 Mbit/s na versão 1.2, 3 Mbit/s na versão 2.0 e 24 Mbit/s na versão 3.0. A tecnologia Bluetooth é essencialmente utilizada para a substituição de cabos, permitindo a interligação de telemóveis, auriculares, computadores, impressoras ou outro qualquer equipamento que possua esta tecnologia, poderá inclusive em alguns casos ser utilizado para substituir as redes Wi-Fi, sendo no entanto num contexto de redes de dados o Bluetooth bastante mais limitado que a tecnologia Wi-Fi analisado posteriormente. Fig.9 Logótipo da tecnologia Bluetooth 7

11 [8]WI-FI é a tecnologia por excelência para redes WLAN, regulamentada pelo IEEE , essencialmente a função de uma rede WI-FI será a substituição dos cabos Ethernet normalmente utilizados para conexão entre equipamentos numa rede de dados LAN, essa ligação poderá ser efectuada em modo Ad- Hoc, ou seja ponto a ponto, ou em modo Infrastructure que já utiliza equipamentos emissores (Access Point) possibilitando desta forma que vários utilizadores utilizem a rede em simultâneo partilhando informação entre si. Fig.10 Diferentes modos de arquitectura das redes WLAN Hoje em dia praticamente todos os fabricantes de equipamentos de rede disponibilizam no seu portfólio equipamentos que utilizam esta tecnologia. As velocidades de transmissão poderão variar entre os 11Mbit na norma b, os 54 Mbit nas normas g e a e os 300 Mbit quando utilizado a tecnologia [9]MIMO na norma n que actualmente já saiu a sua versão standard. É uma tecnologia tal como o Bluetooth utiliza radiofrequências para estabelecer a comunicação conseguindo raios de abrangência que poderão ir até aos 100 metros com um único equipamento transmissor e frequências de transmissão na ordem dos 2.4 GHz nas normas b, g e n e 5GHz na norma a e n. Fig.11 Equipamento Wireless com tecnologia MIMO característico da norma n Sendo esta uma tecnologia sem fios, a questão da segurança terá um papel essencial em qualquer implementação, para aumentar essa segurança foram criados standards adicionais ao protocolo de forma a permitir aumentar esses factores. Em relação à segurança existem essencialmente três níveis de segurança numa rede: - WEP (Wired Equivalent Privacy) padrão do IEEE ; - WAP (Wi-Fi Protected Access); - WPA2 (Wi-Fi Protected Access), standard i Sendo que o WAP um substituto e evolução da tecnologia WEP e o WAP2 uma evolução do WAP, de salientar ainda ao nível de segurança que os protocolos WAP e WAP2 poderão ser associados a um servidor RADIUS (IEEE x) para autenticar os utilizadores num servidor e assim aumentar os níveis de segurança. 8

12 [10]WiMAX é uma tecnologia regulamentada pelo IEEE , destinada essencialmente a criar redes WMAN, poderá fornecer um acesso à rede até distâncias na ordem dos 30 KM entre estações fixas e 15 KM entre estações móveis. Sendo uma tecnologia em forte desenvolvimento actualmente, prevê-se que nos próximos anos comesse realmente a ser generalizado o uso do WiMAX e as principais marcas de equipamentos de acesso à rede, comessem a apresentar no seu portfólio equipamentos baseados nesta tecnologia passando a ser o WiMAX um termo popularizado e uma referência quando se fala de redes sem fio. A sua gama de frequências é bastante mais alargada que as redes apresentadas anteriormente, neste caso o WiMAX poderá operar numa faixa dos 10 GHz até ao 66 GHz. Em termos de velocidade por canal poderemos ter velocidades na ordem dos 45 Mbps, sendo um canal partilhado por diversos utilizadores, na prática teremos velocidades por cada utilizador na ordem dos 2 a 4 Mbps. Sendo uma tecnologia já pensada para suportar serviços de voz, vídeo ou outros que exijam qualidade de serviço, já vem englobado na própria tecnologia serviços avançados de QoS e sistemas de segurança equivalentes ao WPA ou WPA2 utilizado nas redes Wi-FI. Em resumo o WiMAX será possivelmente a tecnologia de redes sem fio tecnologicamente mais avançada, que apresenta mais potencialidades devido ao seu raio e velocidade de transmissão, sendo apenas uma questão de tempo para que se generalize e a sua utilização por todos nós seja um facto. Fig.12 Logótipo associado à tecnologia WiMAX Para terminar esta abordagem sobre as tecnologias utilizadas nas redes sem fio falta abordar uma tecnologia destinada a redes WWAN, a tecnologia a ser abordada é o UMTS porque é uma tecnologia já bastante popularizada e conhecida dos utilizadores. [11]O UMTS disponibilizado hoje em dia pelos operadores das redes móveis é uma tecnologia 3G que tem uma larga área de abrangência e velocidades de transmissão interessantes. A frequência de funcionamento das redes UMTS é de 900 MHz, mas podendo variar podendo ser possível utilizar frequências na ordem dos 2100 MHz. O UMTS utiliza várias tecnologias de transmissão sendo elas o WCDMA, HSPA e HSPA+, com velocidades diferentes de transmissão e recepção em relação a cada tecnologia como poderemos ver na tabela abaixo. Tecnologia Uplink Dowlink WCDMA 384 Kbps 384 Kbps HSPA (HSUPA/HSDPA) 0.73, 1.46, 2.93, 5.76, 11.5 Mbps 1.8, 3.6, 7.2, 14.4 Mbps HSPA+ Até 22 Mbps Até 42 Mbps Actualmente na Europa a tecnologia que é mais utilizada para disponibilizar tecnologias de WWAN aos utilizadores é HSPA com velocidades até 7.2 Mbps, a disponibilização da tecnologia HSPA+ com velocidades muito superiores tem sido adiada pelos operadores principalmente devido a factores económicos e rentabilização dos investimentos efectuados nas tecnologias actuais no mercado. 9

13 Conclusão As tecnologias baseadas em ondas electromagnéticas desde sempre nos acompanharam, encurtando distâncias e facilitando o acesso às comunicações de uma forma eficaz. Foram várias as tecnologias desenvolvidas até chegarmos ao conceito de redes sem fio, aliás na história da utilização das ondas electromagnéticas na área das telecomunicações, esse conceito só surgiu há relativamente pouco tempo. As soluções sem fio têm normalmente grande adesão por parte dos seus utilizadores, principalmente pela mobilidade que automaticamente trazem, eliminando a cablagem e deixando assim de ser necessário a criação de infraestruturas com os custos e inconvenientes inerentes a esse processo, sendo assim privilegiada a utilização de tecnologias sem fio por parte dos utilizadores sempre que possível. As redes sem fio vieram para ficar, estão no quotidiano de todos nós o uso destas tecnologias, que poderão ir do simples uso do telemóvel, a utilização dos auriculares sem fio até ao acesso à Internet através de redes Wi-Fi. O desenvolvimento tecnológico mais tecnologias desenvolverá e maior será essa utilização, exemplos desse futuro próximo é a tecnologia WiMAX que promete ser a tecnologia por excelência para acesso a redes de dados utilizando tecnologias sem fio. Com certeza como já foi falado, o futuro trará novas tecnologias e formas de poder utilizar as redes sem fio, nunca podendo ser deixado para trás questões como a qualidade, segurança e confidencialidade dos dados transmitidos ou danos para a saúde pública relacionados com a exposição a frequências e potências de ondas electromagnéticas que poderão eventualmente causar algum dano para quem é exposto a estas. 10

14 Bibliografia [1] C. F. G. C. L. C. Carla Oliveira, "ABC das Ondas ElectroMagnéticas," Instituto de Telecomunicações / Instituto Superior Técnico, Universidade Técnica de Lisboa. [2] a. e. l. Wikipédia. (2009, Nov.) Radiação electromagnética. [Online]. ica [3] a. e. l. Wikipédia. (2009, Nov.) Redes sem Fio. [Online]. [4] W. A. Corp., "FDMA vs. TDMA vs. CDMA," Wireless Applications Corp.. [5] L. Adrio Telecomunications. (2009, Nov.) TDD FDD Duplex Schemes :: Radio- Electronics.Com. [Online]. [6] a. e. l. Wikipédia. (2009, Nov.) Infrared Data Association. [Online]. [7] a. e. l. Wikipédia. (2009, Nov.) Bluetooth. [Online]. [8] a. e. l. Wikipédia. (2009, Nov.) Wi-Fi. [Online]. [9] t. f. e. Wikipedia. (2009, Nov.) MIMO. [Online]. [10] WiMax.com Broadband Solutions, Inc. (2009, Nov.) What Is WiMax?. [Online]. [11] Psion Teklogix Inc, "WWAN technology and market trends," Psion Teklogix Inc,

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