REDES SEM FIO. O Espectro Eletromagnético. O Espectro Eletromagnético. O Espectro Eletromagnético. O Espectro Eletromagnético

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1 REDES SEM FIO Sinalização em redes Sem Fio, espectro eletromagnético, frequências e canais Quando os elétrons se movem no espaço, eles criam ondas eletromagnéticas que se propagam através do espaço livre, da atmosfera terrestre ou mesmo no vácuo. Estas ondas foram previstas pelo físico inglês, James Clerck Maxwell em Prof. Marcel Santos Silva Mas, quem primeiro produziu e observou ondas eletromagnéticas foi o físico alemão Heinrich Hertz em Essas ondas se propagam produzindo de oscilações. Princípio da comunicação sem fio: Ao se ligar uma antena de tamanho apropriado a um circuito elétrico, ondas eletromagnéticas podem ser difundidas (broadcast) e recebidas por um receptor a alguma distância. Toda comunicação sem fio é baseada neste princípio. No vácuo, todas as ondas eletromagnéticas viajam em uma mesma velocidade, não importando qual é sua frequência. Essa velocidade, geralmente chamada velocidade da luz, c, é aproximadamente 3xE10+8 m/seg ou em torno de 30 cm por nanosegundo (1xE10-9 segundo). No cobre ou na fibra, a velocidade é em torno de 2/3 deste valor e torna-se dependente da frequência. A velocidade da luz é o último limite de velocidade. Nenhum objeto ou sinal pode se mover mais rápido que a velocidade da luz. Relação fundamental: lambda.f = c Ondas de 1 MHz têm em torno de 300 metros de comprimento de onda. E ondas com comprimento de onda de 1 cm têm frequência de 30 GHz. O número de oscilações por segundo de uma onda eletromagnética é chamado sua frequência, f, e é medida em Hz ( em homenagem à Heinrich Hertz). 1 Hz corresponde a 1 ciclo por segundo. 60 Hz correspondem a 60 ciclos por segundo. A distância entre dois máximos consecutivos (ou dois mínimos) de uma onda eletromagnética é chamada seu comprimento de onda, o qual é denotado, universalmente por lambda. 1

2 Unidades de frequência 1000 Hz = 1 KHz = 1E-3 Hz = 1x10E-3 Hz 1000 KHz = 1 MHz = 1E-6 Hz = 1x10E-6 Hz 1000 MHz = 1 GHz = 1E-9 Hz = 1x10E-9 Hz Espectro Eletromagnético Quando se movem, no espaço livre (atmosfera terrestre ou mesmo no vácuo), os elétrons criam ondas eletromagnéticas que se propagam nesse espaço com suas frequências (número de oscilações por segundo) e que constituem o meio de transmissão dado pela natureza, compartilhado por transmissores e receptores. Espectro Eletromagnético O conjunto infinito de frequências que podem existir no espaço é delimitado e ordenado, para conter as frequências que podem ser utilizadas em telecomunicações. A delimitação, a ordenação e a aplicação de certas faixas de frequências a determinadas formas de comunicação, define o que se chama de Espectro Eletromagnético e a maneira como ele é usado em comunicações. Rádio; Microondas; Infravermelho; Luz Visível. São as partes do espectro que podem ser usados para transmitir informação por modulação de amplitude, frequência ou fase das ondas. Luz Ultravioleta, Raios-X e Raios-Gama seriam melhor, devido as suas altas frequências, mas são difíceis para produzir e modular, e não propagam bem através de edifícios, além de serem raios perigosos para a vida das pessoas. LF (Low Frequency), MF (Media Frequency), HF (High Frequency). 2

3 Bandas de Frequência Quando estes nomes foram inventados, ninguém esperava chegar a 10 MHz. Depois, bandas mais altas foram nomeadas: VHF (Very High Frequency) UHF (Ultra High Frequency) SHF (Super High Frequency) EHF (Extremely High Frequency) THF (Tremendously High Frequency) Largura de Banda É a quantidade de informação que uma onda eletromagnética pode portar. É possível codificar poucos bits por Hz em baixas frequências. Mas, com frequências mais altas, por exemplo, 500 MHz, pode-se portar em um cabo, alguns gigabits/segundo. Largura de Banda Largura de banda é a medida da faixa de freqüência, em hertz, de um sistema ou sinal. Em radio comunicação ela corresponde a faixa de frequência ocupada pelo sinal modulado. Largura de Banda Para evitar o caos no uso das frequências, existem acordos nacionais e internacionais sobre quem obtém tais frequências. Se todo mundo deseja taxas de dados mais altas, todo mundo deseja mais spectrum. Aloca-se spectrum para rádio AM e FM, televisão, telefonia celular. Também para polícia, navegação marítima, operações militares e muitos outros usos. Bandas (Faixas) de Frequência Mundialmente, uma agência da ITU-R (WARC) faz este trabalho. Em 1991, na Espanha, a WARC alocou o spectrum para comunicações pessoais hand-held. Comunicações pessoais nos USA, não trabalha como na Europa e Ásia. Canais Espectro de radiofrequência: É dividido em faixas, são intervalos reservados; Definido por convenções internacionais e agencias reguladoras; Faixa é subdividida em frequências menores; Essas frequências menores são denominadas canais; Canais de transmissão em frequências muito próximas podem causar interferências. 3

4 Bandas de Radiofrequência públicas A pelo menos três diferentes segmentos de radiofrequência que podem ser usados sem a necessidade de obter licença da agência reguladora governamental (no Brasil - ANATEL). Segmento reservado para uso industrial, científico e médico (Industrial, Scientific e Medical ISM) Podem ser usados de maneira irrestrita por qualquer aplicação que se adapte a umas dessas categorias: Mhz; 2,4 2,485 Ghz (2,4 a 2,5 Ghz no Brasil); 5,150 5,825 Ghz Frequências Licenciadas Algumas soluções de redes sem fio optam por utilizar faixas de radiofrequência menos sujeitas a interferência; E que tenham maior alcance; Para utilizar essas aplicações o fornecedor da solução deve requerer da agência reguladora autorização; Ex:. O padrão Wimax, utiliza uma faixa de 2 a 11 Ghz e pode atingir 50 km a uma velocidade de 10 a 70mb; O serviço de telefonia móvel no padrão GSM utilizam faixa de 1,8 Ghz; Países como Canadá, México e Estados Unidos utilizam faixa de 1,9 Ghz. Frequência de 2,4 Ghz Utilizada por uma vasta quantidade de equipamentos e serviços; É uma frequência (Poluída) ou suja por ser usada também por aparelhos de telefone sem fio, Bluetooth, forno de microondas e pelos padrões b e g Nas redes wireless são utilizadas 13 canais, mas em alguns países, como no Brasil, é permitido o uso de 11 canais. Distribuição dos Canais b/g Fonte: Cisco Distribuição dos Canais b/g Fonte: Cisco Canal Pode Utilizar 1 6,7,8,9,10 ou ,8,9,10 ou ,9,10 ou , 10 ou ou e ou 2 8 1, 2 ou 3 9 1,2,3 ou ,2,3,4 ou ,2,3,4,5 ou 6 Apenas três canais, os canais 1, 6 e 11, não apresentam sobreposição e podem ser utilizados ao mesmo tempo por redes distintas de uma determinada região sem que ocorram fenômenos de interferência. Transmissão de Rádio As ondas de rádio são fáceis de gerar, modular, percorrem longas distâncias e atravessam obstáculos facilmente. São largamente utilizadas para comunicação, seja em ambientes fechados ou abertos. Ondas de rádio percorrem todas as direções a partir da origem. O transmissor e o receptor não precisam estar fisicamente alinhados. 4

5 Transmissão de Rádio As propriedades das ondas de rádio dependem da frequência. Nas frequências baixas, as ondas de rádio atravessam os obstáculos, mas a potência do sinal cai abruptamente (atenuação do sinal) à medida que a distância da origem aumenta. Nas frequências altas, as ondas de rádio tendem a viajar em linhas retas e a ricochetear nos obstáculos. Também são absorvidas pela chuva. Transmissão de Rádio Em todas as frequências, as ondas de rádio estão sujeitas à interferência de equipamentos elétricos. Devido a facilidade que as ondas de rádio têm de percorrer longas distâncias, a interferência é um problema. Por isso, existe um controle rígido sobre a radiodifusão. Nas faixas VLF, LF e MF, as ondas de rádio se propagam em nível do solo, obedecendo a curvatura da Terra. Em HF, ricocheteiam na ionosfera. Transmissão de Rádio O principal problema em utilizar essa bandas em comunicações de dados diz respeito à baixa largura de banda queoferecem. Nas bandas HF e VHF, as ondas em nível do solo tendem a ser absorvidas pela terra. No entanto, as ondas que alcançam a ionosfera, uma camada da atmosfera, numa altura de 100 a 500 Km, são refratadas por ela e enviadas de volta à Terra. Em determinadas condições atmosféricas, os sinais podem ricochetear diversas vezes. Transmissão de Rádio As ondas VLF, LF e MF podem ser detectadas num raio de 1000 Km. Em faixas de frequência mais altas esse raio de ação é bem maior. Radiodifusão AM (Modulação por Amplitude) utiliza a banda MF (ondas médias). Ondas de rádio nessas bandas atravessam facilmente os prédios, razão pela qual os rádios portáteis funcionam bem em ambientes fechados. Transmissões sem Fio O que é Modulação Transmissão por microondas. Ondas de infravermelho e milimétricas. É o mapeamento da informação sobre mudanças na amplitude, frequência ou fase (ou combinação destes), em um sinal denominado portadora (carrier). Transmissão por onda de luz. 5

6 O que é Multiplexação Métodos Básicos de Multiplexação Método de compartilhar a largura de banda de um meio de comunicação com outros canais de dados independentes. TDM (Time Division Multiplexing) FDM (Frequency Division Multiplexing) CDM (Code Division Multiplexing) A Pilha de Protocolos Técnicas de transmissão em Redes sem Fio IEEE Camadas Superiores FHSS IEEE 802 Infravermelho IEE FHSS Subcamada LLC Subcamada MAC DSSS a OFDM b g HR-DSSS OFDM Camada de Enlace Camada Física DSSS OFDM FHSS Frequency Hopping Spread-Spectrum Neste modelo a banda 2,4 GHz é dividida em 75 canais; A informação é enviada utilizando todos os canais numa sequência pseudoaleatória; A sequência é alterada em saltos; Segue um padrão conhecido pelo transmissor e pelo receptor, que se sincronizados estabelecem um canal lógico; O sinal é recebido por quem conhece a sequência de saltos e aparece como ruído para outros possível receptores; Essa técnica limita a velocidade de transmissão a 2Mbps; Como todo o espectro é utilizado e as mudanças de canais constantes causam grande retardo na transmissão do sinal. DSSS - Direct Sequence Spread Spectrum Utilizado pelo padrão b Possui pouco overhead e garante maior velocidade se comparada ao FHSS. A banda 2,4 Ghz é dividida em três canais; Utiliza técnica denominada code chips, que consiste em separar cada bit de dados em 11 subbits que são enviados de forma redundante por um mesmo canal em diferentes frequências; 6

7 DSSS Essas característica torna o DSSS mais susceptível a ataques diretos em uma frequência fixa e a ruídos que ocupem parte da banda utilizada. Contudo, uma maior banda é requerida. Mesmo que um ou mais bits no chip sejam danificados durante a transmissão, técnicas estatísticas embutidas no rádio são capazes de recuperar os dados originais sem a necessidade de retransmissão. DSSS No receptor o sinal de informação é recuperado através de um processo complementar usando um gerador de código local similar e sincronizado com o código gerado na transmissão. Em razão da utilização de uma grande largura de banda para transmissão, os sistemas em sequência direta dispõem de poucos canais dentro da banda. Estes canais são totalmente separados de forma a não gerar interferência entre eles. DSSS As vantagens desta técnica são: O circuito gerador de frequência (sintetizador) é mais simples, pois não tem necessidade de trocar de frequência constantemente. O processo de espalhamento é simples, pois é realizado através da multiplicação do sinal de informação por um código. Maior capacidade de transmissão, da ordem de 11 Mbit/s. DSSS As desvantagens desta técnica são: Maior dificuldade para manter o sincronismo entre o sinal PN-code gerado e o sinal recebido. Maior dificuldade para solução dos problemas de interferências. Equipamentos de maior custo. OFDM (Ortogonal Frequency Division Multiplexing) É uma combinação de modulação e multiplexação. Multiplexação geralmente se refere a sinais independentes, aqueles produzidos por diferentes fontes de diferentes frequências. OFDM é uma questão de como compartilhar o espectro de dispersão entre esses sinais independentes com frequências diferentes, que são sub-sinais de um sinal principal gerado por uma única fonte. OFDM OFDM é um caso particular de FDM. Em FDM, existem diversos sinais em portadoras diferentes, com frequências diferentes, gerados por fontes de informação diferentes. Em OFDM, existem diversos sinais em portadoras diferentes, com frequências diferentes, gerados por uma mesma fonte de informação. 7

8 OFDM Os sinais nas portadoras diferentes são sub-sinais em sub-portadoras de um único sinal gerado por uma única fonte de informação. Podem ser citadas duas desvantagens do OFDM que são o alto consumo de energia, o que compromete dispositivos móveis (bateria) e o problema de sincronização das frequências transmitidas. FDM x OFDM Em FDM, uma determinada fonte de informação não pode dividir seu stream de informação que é gerado num único stream, como ocorre, de forma análoga, numa torneira aberta correndo água. Em OFDM, uma determinada fonte de informação tem seu stream subdividido em vários substreams, como ocorre, de forma análoga, num chuveiro aberto correndo água. FDM x OFDM Qual a vantagem que poderia ocorrer de um método sobre o outro??? É que, embora, ambos os métodos façam a mesma coisa (transmitem a informação), cada um responde de maneira diferente ao problema da interferência. Interferência na torneira pode parar o fluxo de água como um todo. Interferência no chuveiro é mais difícil parar o fluxo comoum todo. FDM x OFDM FDM é análogo a um caminhão-carreta que leva uma carga de 4 encomendas de uma única vez. Ao passo que OFDM equivale a 4 caminhões simples levando cada qual uma única encomenda das 4 que o caminhão-carreta carrega. FDM x OFDM OFDM Ambos os métodos de carregar carga fazem a mesma coisa, ou seja, carregam a mesma quantidade de carga. Mas, no caso dos 4 caminhões simples, no caso um acidente, somente ¼ da carga sofrerá. Estes 4 pequenos caminhões quando vistos análogos a sinais, são chamados de sub-portadoras em um sistema OFDM, e são equivalentes a sinais independentes em sub-canais independentes, para a ideia funcionar. 8

9 OFDM Os sub-canais independentes podem ser multiplexados por FDM e chamados de transmissão de multi-portadoras (multi-carrier transmission); Ou podem se baseados em CDM, sendo neste caso, chamado transmissão de multi-código (multi-code transmission). Tipos de operação (topologia) No modo Ad-Hoc estações conectam umas as outras de uma certa forma semelhante às redes de cabo coaxial. Este modo de operação acontece quando não é necessária a presença de um ponto de acesso. Serve para acessos em uma rede pequena para trocas de arquivos ou permitir uma comunicação rápida. Tipos de operação (topologia) O modo infraestrutura é caracterizada pela presença de um concentrador wireless para controlar o acesso à rede. Este controle vai de autorização, autenticação, controle de banda, filtros de pacotes, criptografia em um único ponto. No modo infraestrutura o concentrador precisa de ser identificado com um nome para que as estações possam se associar a ele. Este nome é denominado ESSID (Extended Service Set Identifier). Histórico 1940 Primeiro uso da tecnologia spread spectrum Aplicações limitadas usando narrowband (banda estreita) FCC atribui frequências para uso comercial ISM autoriza uso em 900MHz, 2.4GHz e 5 GHz Produtos usando 900MHz são produzidos IEEE começa a trabalhar em um padrão industrial para WLAN. Fonte especificação IEEE : Histórico 1994 Produtos usando 2.4 GHz são produzidos Aprovado o padrão IEEE Produtos 2.4GHz começam a roubar a cena Ratificação da IEEE a e b Produtos baseado em b começam a ser produzidos. Protocolo - Meio de transmissão Semelhante em como as redes Ethernet funcionam, na rede Wireless o meio de transmissão também é compartilhado entre os computadores em um mesmo concentrador. A rede sem fio utiliza o protocolo de transmissão conhecido como CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access and Colision Avoidance - Acesso múltiplo por detecção de portadora). Isto significa que cada estação (computador ou concentrador sem fio) sonda o meio antes de transmitir e não transmite quando percebe que o meio está ocupado. Diferente de uma rede Ethernet cabeada, o protocolo CSMA/CA não implementa detecção de colisão. Fonte especificação IEEE : 9

10 Protocolo CSMA/CA - Colisões As colisões ocorrem quando duas estações transmitem ao mesmo tempo causando uma colisão de sinais no meio de transmissão. Protocolo CSMA/CA - Colisões A capacidade de detectar colisões exige as capacidades de enviar (o próprio sinal da estação) e de receber (para determinar se uma outra estação está transmitindo) ao mesmo tempo. Como a potência do sinal recebido normalmente é muito pequena em comparação com a potência do sinal transmitido no adaptador , é caro construir um hardware que possa detectar colisões. Mais importante, mesmo que o adaptador pudesse transmitir e ouvir ao mesmo tempo (e, presumivelmente, abortar transmissões quando percebesse um canal ocupado), ainda assim ele não seria capaz de detectar todas as colisões devido ao problema do terminal escondido e do desvanecimento. Terminal oculto O problema do terminal oculto acontece quando a estação A está transmitindo para a estação B e a estação C também está transmitindo para a estação B. Uma obstrução como um prédio pode impedir que a estação A não perceba que a estação C está transmitindo ao mesmo tempo (causando uma interferência no seu destino, B) Desvanecimento do sinal Os terminais A e C não detectam a transmissão um do outro, pois o sinal está fraco pela distância entre eles, mas suficientemente fortes para interferir na estação B. 10