Redes IEEE Makoto Miyagawa 1. Manaus Amazonas Brasil

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1 Redes IEEE Makoto Miyagawa 1 1 Faculdade de Tecnologia Universidade Federal do Amazonas Manaus Amazonas Brasil Resumo. A mobilidade oferecida pelas redes sem fio aos usuários, aliada ao baixo custo dos produtos com esta tecnologia, tornaram possível a popularização destas redes, tanto a nível residencial, quanto a nível comercial. Dentre os diversos padrões disponíveis destaca-se o padrão IEEE , que é atualmente o padrão mais difundido em todo o mundo. Neste trabalho serão abordados os detalhes deste popular padrão, o funcionamento das camadas de enlace e física que este especifica, apontando algumas das diferenças encontradas entre suas revisões. 1. Introdução faz parte do padrão IEEE 802, que é uma série de especificações para redes locais (LAN). Ele especifica as camadas física e de enlace, de acordo com o modelo OSI, como mostra a figura 1. Todas as redes 802 possuem componentes MAC e PHY. O MAC, ou controle de acesso ao meio, determina quais dispositivos acessam o meio num determinado momento, enquanto os detalhes da transmissão e recepção ficam a cargo da componente PHY. As especificações individuais são identificadas por um segundo número. O 802.3, por exemplo, detalha as redes que utilizam a técnica CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access network with Collision Detection), popularmente chamados de Ethernet. Enquanto os padrões e detalham redes sem fio pessoais (WPAN), como Bluetooth e ZigBee, e redes sem fio metropolitanas (WMAN), como o WiMax, respectivamente. O base detalha redes sem fio locais (WLAN), que incluem especificações do MAC e duas camadas físicas: FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) e DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum). Revisões deste padrão feitas posteriormente acrescentaram novas camadas físicas b utiliza o HR/DSSS (High Rate DSSS) e a utiliza o OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), utilizado também pelo g e também pelo recente n, aliado a técnica MIMO. Figura 1. Família 802 e a sua relação com o modelo OSI

2 1.1. Tipos de rede O bloco básico de uma rede sem fio é o BSS (Basic Service Set), que nada mais é um grupo de dispositivos se comunicando entre si. Esta comunicação é feita dentro de uma área denominada como basic service area, limitada pelas características do meio sem fio. Quando um dispositivo está dentro desta área, ela pode se comunicar com outros membros da BSS. Os BSSs são divididos a seguir: Redes independentes (Independent BSS) Nas redes independentes, as estações se comunicam diretamente entre elas, desde que estejam dentro da sua área de alcance, como mostra a figura 2. Normalmente essas redes são de curta duração e criada para propósitos específicos, como compartilhamento de arquivos em reuniões ou palestras. Estas redes também são conhecidas como redes ad hoc Redes infra-estruturadas (Infrastructured BSS) Nestas redes encontramos dispositivos que fazem o papel de pontos de acesso, como mostra a figura 2. Os pontos de acesso participam de todas as comunicações feitas dentro do BSS. Quando um membro do BSS quer enviar dados para outro membro, esses dados são passados para o ponto de acesso e este repassa para o destino. Para um dispositivo fazer parte de uma BSS infra-estruturada, ela deve se associar a um dos pontos de acesso pertencentes a essa rede Redes híbridas As redes híbridas associam características das redes independentes e das redes infraestruturadas. Todos os dispositivos dentro deste BSS possuem a capacidade de roteamento, dando ao transmissor múltiplas rotas até o destino. A informação pode saltar por múltiplos dispositivos, podendo ser ou não pontos de acesso. Estas redes possuem a vantagem de poderem abranger áreas maiores de cobertura, comparado às outras redes. As redes híbridas também podem ser chamadas de redes mesh. Figura 2. Independent BSS e Infrastructured BSS

3 1.2. Problemas enfrentados pela rede Devido às características do meio e da disposição dos dispositivos na rede, observamos alguns problemas que se não forem considerados ou verificados, poderão prejudicar a transmissão de informação pela rede Qualidade do meio sem fio O utiliza as frequências de 2,4 GHz (802.11bgn), e 5,8 GHz (802.11a), essas faixas de frequências são chamadas de ISM (Industrial, Scientific and Medical) e originalmente foram reservadas para uso industrial, científico e industrial para propósitos além da comunicação. Essas faixas, em especial a de 2,4 GHz são muito ruidosas devido aos diversos dispositivos que operam nestas faixas. Na faixa de 2,4 GHz, encontramos aparelhos de micro-ondas, telefones sem fio, alarmes de carro, dispositivos Blutooth e ZigBee, entre outros. Além do ruído, o desvanecimento sofrido pelo sinal pode causar a perda de informação. Por isso, este padrão incorpora a confirmação de recebimento. Todos os pacotes transmitidos devem ser respondidos com uma confirmação, caso haja falhas na transmissão de um dos elementos, o pacote é considerado perdido Problema do nó escondido A figura 3 ilustra o problema do nó escondido. Nesta figura vemos três nós e a área de cobertura dos nós 1 e 3. A área do nó 1 não abrange o nó 3, portanto este nó está invisível pelo 1, assim como a área do nó 3 não abrange o nó 1. Poderá haver um momento onde ambos os nós 1 e 3 queiram se comunicar com o nó 2, causando colisão de informação, comprometendo os dados enviados. Uma forma de evitar este tipo de problema é aplicando utilizando as flags RTS/CTS, que será explicada mais adiante. Figura 3. Problema do nó escondido Problema do nó exposto Como vemos na figura 4, temos duas redes, uma formada pelos nós R1 e S1 e outra pelos nós R2 e S1. Estas redes não se comunicam entre si, mas a área de cobertura de S1 abrange S2 e vice-versa. Portanto, caso S1 tente transmitir ao mesmo tempo em que S2, haverá colisão e dados serão perdidos. Assim como o problema do nó escondido, este problema pode ser resolvido através das flags RTS/CTS.

4 Figura 4. Problema do nó exposto 1.3. Desvanecimento (fading) Fading é a atenuação sofrida pelo sinal causado pela reflexão, difração e espalhamento. Durante uma transmissão de sinal, os dados se propagam em diversos caminhos, sofrendo atenuações, atrasos e mudanças de fase. Ao chegar ao receptor, o mesmo sinal vindo de diversos caminhos se sobrepõe, causando interferências destrutivas ou construtivas, amplificando ou degenerando o sinal na recepção. 2. MAC do O MAC, ou Camada de Acesso ao Meio, controla a utilização meio entre os diversos usuários da rede. Similar ao 802.3, o utiliza a técnica CSMA, mas ao invés de detectar colisões como o Ethernet (CSMA/CD), ele os evita (CSMA/CA). O também utiliza um esquema de acesso distribuído sem controlador central, como o Ethernet Funções de coordenação O acesso ao meio sem fio é controlado pela função de coordenação. O DCF (Distributed Coordination Function) providencia o acesso para o CSMA/CA. Pode-se usar o PCF (Point Coordination Function) se for necessário utilizar um serviço livre de concorrência. Serviços livres de concorrência só poderão ser providenciados em redes infraestruturadas. As funções de coordenação são descritas a seguir: DCF: Assim como no Ethernet, o DCF verifica se o meio está livre antes de transmitir. Para evitar colisões, as estações utilizam uma janela de backoff. Podese utilizar frames RTS/CTS para reduzir a possibilidade de colisões. PCF: Estações especiais chamados de point coordinators, coordenam o uso do enlace, para garantir que o meio esteja livre de colisões. Como o PCF não é largamente implementado, ele não será abordado neste documento Funções de detecção de portadora e NAV A detecção de portadora é usada para verificar se o meio está livre. O implementa dois tipos de detecção: detecção física e detecção virtual. A detecção física é feita pela camada física, enquanto a virtual é feita pelo NAV (Network Allocation Vector). O NAV é um timer que indica por quanto tempo o meio está reservado, determinado pelo campo de duração encontrado na maioria dos frames no As estações ajustam o NAV, estimando o tempo que o meio estará sendo utilizado, incluindo quaisquer frames necessários

5 para completar a operação. O NAV é então decrementado até zero. Enquanto o NAV não for zero, o meio é considerado ocupado. Quando o NAV chega a 0, o meio é considerado ocioso Espaçamento inter-quadros O utiliza 4 tipos de espaçamento inter-quadros, três são utilizados para determinzar o acesso ao meio. Os tipos de espaçamento inter-quadros são descritos a seguir: Short interframe space (SIFS): o SIFS é utilizado para transmissões de alta prioridade como o envio do RTS/CTS ou de avisos de recebimento. As transmissões de alta prioridade são iniciadas após a duração de um SIFS. PCF interframe space (PIFS): utilizado pelo PCF durante o período livre de disputa. Estações com dados a serem enviados podem transmitir após um PIFS e preemptam qualquer tráfego baseado em disputa. DCF interframe space (DIFS): é o tempo ocioso mínimo para serviços baseados em disputa. Estações podem ter acesso ao meio após o período de um DIFS. Extended interframe space (EIFS): utilizado quando há erro de transmissão de frames Acesso baseado em disputa através do DCF O acesso ao meio utilizando o DCF se dá por algumas regras: Se o meio estiver livre por mais de um DIFS, a transmissão pode começar imediatamente. Se o meio estiver ocupado, a estação aguarda o meio ficar ocioso, aguardando um DIFS antes de entrar na janela de disputa. Após a transmissão, um ACK é enviado após um SIFS. Se a transmissão foi bem sucedida, o meio é considerado livre após um DIFS e a janela de disputa é aberta. Se ocorreram erros durante a transmissão, aguarda-se um EIFS e a janela de disputa é aberta. Figura 5. Exemplo de envio de dados Pode-se implementar o RTS/CTS como solução para os problemas de nó exposto e nó escondido. Neste caso, os frames RTS e CTS sào enviados antes da transmissão dos dados, como mostra a figura 6.

6 Figura 6. Transmissão de dados utilizando a solução RTS/CTS Janela de disputa Após a transmissão dos dados e aguardado um DIFS, as estações de tráfego baseado em disputa entram na janela de disputa. Esta janela é dividida em slots. Cada estação escolhe aleatoriamente um slot e aguarda antes de acessar o meio. A estação com o slot de menor valor ganha o acesso ao meio. Quando uma transmissão falha, a estação escolherá seu slot em um intervalo maior. O tamanho da janela de disputa são sempre potências de 2 menos 1 (31,63,127,255). Cada vez acontece uma retransmissão, esta janela aumenta para a próxima potência de 2. Aumentar a janela de disputa permite que os algoritmos do MAC permaneçam estáveis mesmo em carga máxima. Quando a transmissão é bem sucedida, o tamanho da janela retorna ao seu menor valor. 3. Camada física do A camada física é responsável pela transmissão dos dados pelo meio. As diversas revisões feitas ao acrescentaram ao padrão diversos tipos de camada física. Na tabela 1 vemos as camadas que foram adicionadas ao padrão por algumas de suas revisões e sua taxa máxima de transmissão teórica. Padrão Tecnologia Taxa de transmissão Frequência Infravermelho, FHSS, DSSS até 2Mbps 2,4GHz a OFDM até 54Mbps 5GHz b HR-DSSS até 11Mbps 2,4GHz g OFDM até 54Mbps 2,4GHz n MIMO-OFDM até 600Mbps 2,4GHz Tabela 1. Algumas revisões do Infravermelho O possui especificações sobre a utilização do infravermelho como meio de transmissão. Interfaces que utilizam infravermelho são baratas e seriam muito vantajosas em termo de custo, além disso, o infravermelho não sofre interferência eletromagnética. Porém sua desvantagem é o alcance: não ultrapassa mais do que poucos metros.

7 Não existem dispositivos com interface infravermelho, e os muitos módulos de comunicação IR existentes se baseiam no padrão IrDA, tornando uma possível entrada no mercado muito difícil. Além do mais, a mobilidade e flexibilidade desejada pelo são melhores obtidos utilizando radiofrequência FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) No FHSS, a banda é dividida em diversas faixas de frequências e grupos de estações operam na mesma faixa e por um curto espaço de tempo. Após dado o tempo, uma nova faixa é escolhida aleatoriamente e o processo se repete. Na figura 7 vemos o funcionamento da FHSS, onde dois grupos de estações (representados em verde e laranja) dividem o meio. Figura 7. Ilustração do funcionamento do FHSS 3.3. DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum)e HR-DSSS (High Rate DSSS) Semelhante ao FHSS, porém ao invés dos grupos escolherem a nova frequência aleatoriamente, eles são definidos previamente através de códigos de espalhamento, assim a colisão entre os grupos são menores. Para aumentar a taxa de transmissão do DSSS, foi introduzida a modulação CCK, dando origem ao HS-DSSS, podendo transmitir dados em até 11Mbps OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) e MIMO-OFDM (Multiple Input, Multiple Output OFDM) O OFDM divide a banda em 11 sub-canais, e cada sub-canal carrega uma porção da informação e é independente. Esta abordagem possui grande imunidade a interferências e utiliza o espectro de forma eficiente. A figura 8 mostra a divisão dos sub-canais na banda. Também podemos observar que cada canal gera uma pequena interferência em seus canais vizinhos. Para o bom projeto de redes, é aconselhado a utilizar os canais 1, 6 e 11, pois estes não sofrem interferências entre elas, são os chamados canais ortogonais.

8 A introdução do MIMO no n fez este padrão dar um grande salto em relação a taxa de transmissão por utilizar diversas antenas para a transmissão e recepção. Através de duas abordagens, o Receive diversity e o Spatial multiplexing, maiores taxas de transmissão podem ser obtidas. Figura 8. Divisão da banda através do OFDM Receive diversity: as antenas captam a informação vindas de diversas direções e através de um algoritmo os dados são combinados, melhorando a qualidade do sinal a ser recuperado e reduzindo as perdas de infomação. Spatial multiplexing: a estação quebra a informação em partes e os dados são enviados através de cada antena, na recepção, cada antena recebe um fragmento do dado e a informação é recuperada. 4. Conclusão O padrão é hoje o padrão mais popular de redes locais sem fio, os baixos custos dos produtos aliados às altas taxas de transmissão permitiram a difusão deste padrão. Vimos os detalhes deste padrão, a semelhança do MAC com o do Ethernet e as diferentes tecnologias adotadas por suas revisões em sua camada física. Atualmente a expectativa está sobre sua nova revisão, o n, onde as altas taxas se devem através da utilização de múltiplas antenas. O é, até o dado momento, a alternativa mais aceita para redes locais sem fio. Referências Gast, M. (2005) Wireless Networks: The Definitive Guide, Second Edition (Definitive Guide). O Reilly Media, Inc. Walke, B. H., Mangold, S., and Berlemann, L. (2007). IEEE 802 Wireless Systems: Protocols, Multi-Hop Mesh/Relaying, Performance and Spectrum Coexistence. Wiley & Sons, 1st edition. Wikipedia (2009a). Fading Wikipedia, the free encyclopedia. wikipedia.org/wiki/fading; Acessado em: 7 de novembro de Wikipedia (2009b). Ism band Wikipedia, the free encyclopedia. wikipedia.org/wiki/ism_band; Acessado em: 7 de novembro de 2009.