Redes de Computadores sem Fio

Transcrição

1 Redes de Computadores sem Fio Prof. Marcelo Gonçalves Rubinstein Programa de Pós-Graduação em Engenharia Eletrônica Faculdade de Engenharia Universidade do Estado do Rio de Janeiro

2 Programa Introdução a Redes de Computadores sem Fio IEEE Bluetooth Avaliação de Desempenho Redes de Sensores IEEE

3 Comunicação sem fio Usada desde o início do século passado Telégrafo Avanço da tecnologia sem fio Rádio e televisão Mais recentemente aparece em Telefones celulares Satélites Redes sem fio

4 Redes sem fio - introdução Apresentam as maiores perspectivas atualmente Recebem os mais vultosos investimentos em pesquisa e desenvolvimento Permitem a interconexão de diferentes tipos de dispositivos Impressoras Faxes Telefones Agendas eletrônicas Computadores pessoais Outros

5 Redes sem fio - introdução Podem ser divididas em Redes para interconexão de sistemas ou redes pessoais sem fio Objetivo principal a eliminação de fios Ex.: Bluetooth Redes locais sem fio Ex.: IEEE Redes metropolitanas sem fio Ex.: IEEE Várias redes sem fio visam explorar a mobilidade do usuário Característica importante, intrínseca e exclusiva das redes sem fio

6 Comunicação sem fio - introdução Transmissão sem fio utiliza o ar como meio Métodos de transmissão no ar Rádio-frequência Infravermelho Luz

7 Comunicação sem fio - introdução Principais problemas Grande atenuação Limitado alcance Espectro de frequências disponível Interferência Dificuldade de se atingir altas taxas de transmissão Segurança Reflexões do sinal no interior de uma casa

8 Comunicação sem fio - conceitos básicos Informações transferidas da origem ao destino através de sinais eletromagnéticos Sinais são função do tempo Sinais são função da frequência Consistem de componentes de várias frequências

9 Comunicação sem fio - domínio do tempo Propriedade física é variada em função do tempo Voltagem Corrente Sinais analógicos x sinais digitais Sinais periódicos x sinais aperiódicos

10 Sinais analógicos e digitais (fonte: Stallings)

11 Exemplo de sinal periódico (fonte: Stallings)

12 Comunicação sem fio - conceitos básicos Senóide é o sinal analógico fundamental Amplitude (A) Valor máximo do sinal ao longo do tempo Frequência (f) Número de oscilações por segundo Fase (φ) Medida da posição relativa no tempo dentro de um período

13 s(t) = A sen(2πft + φ) (fonte: Stallings)

14 Exemplo de sinal periódico (fonte: Stallings)

15 Comunicação sem fio - domínio do tempo Se o eixo horizontal é o tempo Gráfico mostra o valor do sinal em um certo ponto do espaço Se o eixo horizontal é o espaço Gráfico mostra o valor do sinal em um certo ponto do tempo

16 Comunicação sem fio - domínio da frequência Mais importante para o entendimento da transmissão de dados Sinal eletromagnético pode ser composto de diversas frequências

17 s(t) = (4/π)[sen(2πft) + (1/3)sen(2π(3f)t)] (fonte: Stallings)

18 Comunicação sem fio - domínio da frequência Frequência fundamental Quando todas as frequências são múltiplas inteiras de uma frequência (chamada fundamental) Período do sinal Período da frequência fundamental

19 Duas componentes de s(t) (fonte: Stallings)

20 Comunicação sem fio - domínio da frequência Espectro Faixa de frequências que um sinal contém No exemplo anterior, de f a 3f Largura de banda (banda passante) absoluta Largura do espectro de um sinal No exemplo anterior, 3f - f = 2f Muitos sinais têm uma banda passante infinita Banda passante efetiva (ou só banda passante) Banda estreita de frequências na qual a maioria da energia do sinal está contida

21 Comunicação sem fio - domínio da frequência Análise de Fourier Qualquer sinal periódico razoavelmente estável é composto de (possivelmente infinitas) componentes em várias frequências Cada componente é um seno ou um cosseno Sinais são limitados pela banda passante

22 Sinais e amplitudes de média quadrática (fonte: Tanenbaum) A binary signal and its root-mean-square Fourier amplitudes. (b) (c) Successive approximations to the original signal.

23 Sinais e amplitudes de média quadrática (fonte: Tanenbaum) (d) (e) Successive approximations to the original signal.

24 Comunicação sem fio - conceitos básicos Relação entre taxa de dados e banda passante Quanto maior a banda passante, maior a capacidade de carregar informação Sistemas de transmissão limitam a banda passante Ex:. telefone Taxa de bits de b bps Para enviar 8 bits: 8/b s Frequência do primeiro harmônico: b/8 Hz Corte em 3000 Hz harmônico mais alto é 24000/b

25 Relação entre a taxa de dados e os harmônicos (fonte: Tanenbaum)

26 Comunicação sem fio - conceitos básicos Alguns problemas podem distorcer ou corromper um sinal Ex.: ruído Capacidade ou taxa máxima de dados de um canal Nyquist Não leva em consideração o ruído Shannon Leva em conta o ruído

27 Comunicação sem fio - conceitos básicos Nyquist Taxa máxima = 2H log 2 V bps, onde H é a frequência de corte e V é o número de níveis discretos Ex.: telefone H = 3000 Hz, V = 32 Taxa máxima é de bps Aumento de V Torna mais difícil a identificação dos níveis Ruído etc.

28 Comunicação sem fio - conceitos básicos Relação sinal/ruído (S/N) S/N db = 10 log 10 (potência do sinal/potência do ruído) Shannon Taxa máxima = H log 2 (1 + S/N) Relação S/N não dada em db Ex.: telefone H = 3000 Hz, S/N db = 30 db = 1000 Taxa máxima é de bps Somente o ruído térmico é considerado Na prática, as taxas obtidas são menores do que a taxa máxima

29 Comunicação sem fio - conceitos básicos Sinais são transmitidos em meios físicos, também chamados meios de transmissão Meios físicos Guiados Ex.: cabo coaxial, cabo de pares trançados etc. Não guiados Ex.: espaço livre Não há confinamento das ondas eletromagnéticas

30 Comunicação sem fio - conceitos básicos Cada meio físico possui características próprias em relação a Banda passante Atenuação Sensibilidade a ruídos Custo Outros

31 Comunicação sem fio - conceitos básicos Características fundamentais dos sinais Comprimento de onda (λ) Distância entre dois valores máximos ou mínimos consecutivos Velocidade de propagação (v) v = λ x f Índice de refração do meio (n) n = c / v, onde c é a velocidade da luz no vácuo (3 x 10 8 m/s)

32 Comunicação sem fio - conceitos básicos Propagação de uma onda em meios com índices de refração diferentes pode gerar Refração sen (θ 2 ) = (n 1 / n 2 ) sen (θ 1 ) Reflexão Ângulo de incidência = ângulo de reflexão (θ 1 ) θ 1 θ 1 n 1 n 2 n 2 > n 1 θ 2

33 Comunicação sem fio - refração Velocidade de uma onda eletromagnética é função do meio pela qual ela viaja Vácuo v = c Ár, água, vidro e outros meios transparentes ou parcialmente transparentes v < c

34 Comunicação sem fio - reflexão Ocorre quando um sinal encontra uma superfície grande comparada ao comprimento de onda do sinal Em ambientes fechados Ondas se refletem em paredes e móveis Em ambientes abertos Ondas se refletem em prédios, casas, montanhas e carros

35 Comunicação sem fio - espectro Características de um sinal eletromagnético dependem da sua frequência Diversas faixas de frequência podem ser usadas

36 Espectro eletromagnético para telecomunicações (fonte: Stallings)

37 Comunicação sem fio - espectro Espectro dividido em quatro partes principais Hz a 1 GHz 1 GHz a 300 GHz 300 GHz e 400 THz Acima de 400 THz Rádio (termo comum) De 3 khz a 300 GHz

38 Comunicação sem fio - espectro Transmissões cabeadas e rádio De Hz a 1 GHz Usada em pares trançados e cabos coaxiais Usada em transmissões sem fio Podem percorrer longas distâncias e penetrar facilmente em prédios Interferência é um problema Ex.: rádio AM Licenciamento necessário

39 Comunicação sem fio - espectro Micro-ondas De 1 a 300 GHz Serve para transmissões ponto-a-ponto Usadas em comunicações via satélite

40 Comunicação sem fio - espectro Banda ISM nos Estados Unidos (fonte: Tanenbaum)

41 Comunicação sem fio - espectro Infravermelho De 3 x a 4 x Hz Pode ser usado em aplicações locais ponto-a-ponto em áreas confinadas Comunicação de curto alcance Não penetra em paredes É seguro Sofre interferência da luz do dia Não necessita de licença

42 Comunicação sem fio - espectro Luz Acima de 400 THz Lasers usados Não necessita de licença Não atravessa chuva ou neblina espessa