Comunicação sem fio - antenas

Transcrição

1 Comunicação sem fio - antenas Antena é um condutor elétrico ou um sistema de condutores Necessário para a transmissão e a recepção de sinais através do ar Na transmissão Antena converte energia elétrica em energia eletromagnética Antena irradia essa energia no ar Na recepção Antena capta energia eletromagnética do ar Antena converte essa energia em energia elétrica

2 Comunicação sem fio - antenas Uma única antena pode ser usada para transmissão e recepção Antena irradia potência em todas as direções Mas não apresenta o mesmo desempenho em todas as direções Em geral, quanto maior a frequência, mais direcional é o feixe gerado pela antena Antenas podem ser Omnidirecionais Direcionais

3 Comunicação sem fio - antenas Omnidirecional Maioria das antenas Alcance de transmissão cobre uma área circular em torno do transmissor Duas estações se comunicando estações na vizinhança devem permanecer caladas Para não haver interferência

4 Comunicação sem fio - antenas Direcional Pode minimizar o problema de interferência Área coberta pode ser aproximada por um setor circular Antena gera um feixe focado Reutilização espacial pode ser mais explorada Ganhos de transmissão e de recepção são maiores Alcance de transmissão é maior

5 Comunicação sem fio - antenas Modos omni e direcionais de antenas

6 Comunicação sem fio - antenas Padrão de irradiação Maneira comum de caracterizar o desempenho de uma antena Representação gráfica das propriedades de irradiação da antena Normalmente representado com um corte em duas dimensões Tamanho real de um padrão de irradiação é arbitrário O que importa é a distância em cada direção relativa à posição da antena Distância relativa determina a potência relativa radiada na direção

7 Padrões de irradiação idealizados (fonte: Stallings)

8 Comunicação sem fio - antenas Padrão de recepção Equivalente ao padrão de irradiação na antena receptora Tipos de antenas Isotrópica Omnidirecional Dipolos Hertz (λ/2) Comprimento da antena é metade do comprimento de onda do sinal que pode ser transmitido de maneira mais eficiente Marconi (λ/4) Parabólica

9 Antenas dipolos (fonte: Stallings)

10 Padrões de irradiação em três dimensões (fonte: Stallings)

11 Antena parabólica (fonte: Stallings)

12 Comunicação sem fio - antenas Ganho Medida da direcionalidade da antena Geralmente definido como a potência em uma direção particular comparada à produzida em qualquer direção por uma antena omnidirecional perfeita (isotrópica) Aumento em uma direção significa redução em outras Não se refere a obter mais potência de saída do que de entrada, mas sim à direcionalidade

13 Comunicação sem fio - problemas Problemas de transmissão sem fio Atenuação Perda no espaço livre Ruídos Desvanecimento Absorção atmosférica

14 Comunicação sem fio - atenuação Potência de um sinal cai com a distância Redução chamada de atenuação Sinal recebido deve ter uma potência suficiente para que o circuito do receptor possa detectá-lo e interpretá-lo Sinal muito forte pode sobrecarregar o circuito Distorção Sinal deve manter um nível suficientemente mais alto do que o ruído para ser recebido sem erros

15 Comunicação sem fio - atenuação Além de uma determinada distância, a atenuação torna-se muito forte Usam-se repetidores Atenuação varia com a frequência É maior nas frequências mais altas Técnicas para equalizar a atenuação através de uma banda de frequências são usadas

16 Comunicação sem fio - perda no espaço livre Tipo particular de atenuação em transmissões sem fio Sinal se espalha conforme a distância aumenta atenuação cada vez maior a medida que o sinal se afasta da antena transmissora Sinal se dispersa por uma área cada vez maior L = P t / P r L db = 10 log (P t / P r )

17 Comunicação sem fio - ruídos Alterações sofridas pelo sinal transmitido entre a transmissão e a recepção Quatro tipos principais Térmico Intermodulação Diafonia (crosstalk) Impulsivo

18 Comunicação sem fio - ruído térmico Devido à agitação térmica dos elétrons Uniformemente distribuído através do espectro de frequências Ruído branco

19 Comunicação sem fio - ruído por intermodulação Devido ao compartilhamento de um mesmo meio de transmissão entre sinais de diferentes frequências Produz sinais em uma frequência que é a soma ou a diferença entre as frequências originais ou entre múltiplos dessas frequências Ocorre quando há não-linearidade no transmissor, no receptor ou no sistema de transmissão interveniente Não-linearidade pode ser causada por Mau funcionamento de componentes Potência de sinal excessiva Natureza dos amplificadores utilizados

20 Comunicação sem fio - diafonia Linha cruzada como na telefonia Pode ocorrer quando sinais indesejados são recebidos por antenas de micro-ondas Efeito dominante nas bandas ISM

21 Comunicação sem fio - ruído impulsivo Consiste de pulsos ou picos irregulares de ruídos de curta duração e relativamente grande amplitude Gerado por trovões, centelhamento de relés e em lâmpadas fluorescentes e falhas no sistema de comunicação

22 Comunicação sem fio - desvanecimento Fading Variação temporal da potência do sinal recebido Causada pelo mudanças no meio de transmissão ou no(s) caminho(s) Em um ambiente fixo Afetado por mudanças nas condições atmosféricas Ex.: chuva (rainfall) Em um ambiente móvel Afetado pelas mudanças na localização relativa de vários obstáculos

23 Comunicação sem fio - múltiplos caminhos Sinal recebido pelo receptor é composto de sinais vindo de diferentes direções e caminhos Diferente das comunicações cabeadas Mecanismos de propagação Reflexão Difração Dispersão

24 Comunicação sem fio - reflexão Ocorre quando um sinal encontra uma superfície grande comparada ao comprimento de onda do sinal Sinais podem ser recebidos mesmo que não haja visada direta

25 Comunicação sem fio - difração Ocorre no canto de um corpo impenetrável que obstrui a passagem e é grande quando comparado ao comprimento de onda do sinal Quando a onda encontra a quina, se propaga em diferentes direções Tendo a quina como fonte Sinais podem ser recebidos mesmo que não haja visada direta

26 Comunicação sem fio - dispersão Também chamada espalhamento Ocorre no canto de um corpo impenetrável que obstrui a passagem e é pequeno ou de mesma ordem de grandeza quando comparado ao comprimento de onda do sinal Quando a onda encontra a quina, se propaga em diferentes direções Tendo a quina como fonte Sinais podem ser recebidos mesmo que não haja visada direta

27 Exemplo de reflexão (R), dispersão (S) e difração (D) (fonte: Stallings)

28 Comunicação sem fio - múltiplos caminhos Propagação por múltiplos caminhos gera múltiplas cópias do sinal Fases podem atuar de modo construtivo ou destrutivo Interferência intersimbólica pode ocorrer

29 Interferência intersimbólica (fonte: Stallings)

30 Comunicação sem fio - absorção atmosférica Vapor d água e oxigênio contribuem para a atenuação Vapor d água Pico de atenuação em 22 GHz Atenuação menor em frequências menores que 15 GHz Oxigênio Pico de atenuação em 60 GHz Atenuação menor em frequências menores que 30 GHz

31 Comunicação sem fio - absorção atmosférica Chuva e neblina (fog) causam a dispersão de ondas que gera atenuação Isso pode ser uma causa principal de perdas Em áreas com muita chuva Distâncias envolvidas devem ser pequenas ou Bandas de frequências mais baixas devem ser usadas

32 Comunicação sem fio - modos de propagação Sinal irradiado pode se propagar de três formas Acima do solo (ground wave) No céu (sky wave) Através de visada direta

33 Bandas de frequências (fonte: Stallings)

34 Comunicação sem fio - modos de propagação Acima do solo Segue o contorno da terra Pode-se propagar por distâncias consideráveis Frequências até 3 MHz Ondas sofrem difração na terra Ondas são espalhadas pela atmosfera Não penetram na atmosfera mais alta Ex.: Rádio AM

35 Propagação acima do solo (fonte: Stallings)

36 Comunicação sem fio - modos de propagação No céu Sinal é refratado na ionosfera Pode-se propagar por distâncias consideráveis através de saltos entre a terra e a ionosfera Frequências de 3 a 30 MHz Ex.: Rádio-amador

37 Propagação no céu (fonte: Stallings)

38 Comunicação sem fio - modos de propagação Visada direta Antenas devem estar alinhadas Comunicação via satélite sinais acima de 30 MHz não são refletidos na ionosfera Comunicação no solo antenas com linha de visada efetiva devido à refração

39 Propagação através de visada direta (fonte: Stallings)

40 Comunicação sem fio - modos de propagação Caso haja visada direta Difração e dispersão possuem efeitos menores Reflexão pode ter um impacto significativo Caso não haja visada direta Difração e dispersão são os meios primários de recepção do sinal

41 Redes sem fio Divididas em duas categorias Redes com infraestrutura Toda a comunicação é realizada através de um ponto de acesso Ex.: redes celulares

42 Redes infraestruturadas

43 Redes sem fio Divididas em duas categorias (cont.) Redes sem infraestrutura ou redes ad hoc Estações se comunicam diretamente Redes ad hoc de comunicação direta Redes ad hoc de múltiplos saltos Estações também se comportam como roteadores

44 Redes ad hoc

45 Rede ad hoc de múltiplos saltos

46 Redes ad hoc Principais características Auto-organização dinâmica Topologia arbitrária e temporária Vantagens Grande flexibilidade Podem ser formadas em lugares ermos Baixo custo de instalação Robustez Podem resistir a catástrofes da natureza e a situações de destruição por motivo de guerra

47 Redes ad hoc Principais aplicações Ambientes onde Não há infraestrutura A infraestrutura existente não é confiável

48 Redes sem fio Não usam detecção de colisão como no CSMA/CD Grande diferença da potência entre o sinal transmitido e o sinal recebido Difícil separação de sinal e ruído Difícil separação do que é transmissão e o que é recepção no transmissor Sinal da estação transmissora tem potência bem maior Nem todas as estações escutam as outras Ex.: colisão no transmissor não significa que houve colisão no receptor Atenuação grande e variável Há também o problema do terminal escondido

49 Redes sem fio Problema do terminal escondido

50 Redes sem fio Problema do terminal escondido Não importa a interferência no transmissor e sim no receptor Não usa CSMA puro

51 Redes sem fio Problema do terminal exposto B transmite para A e C quer transmitir para D

52 Métodos de acesso múltiplo Baseados em disputa MACA MACAW FAMA CSMA/CA Livres de disputa Varredura (polling) Reserva TDMA FDMA

53 CSMA Carrier Sense Multiple Access Uso de detecção de portadora (sinal no meio) Evita colisões Duas ou mais estações transmitem ao mesmo tempo colisão

54 MACA Multiple Access with Collision Avoidance Criado para redes sem fio Não usa detecção de portadora Detecção de portadora reduz colisões mas não as elimina Lida com o problema do terminal escondido Usa quadros RTS e CTS

55 MACA Estação transmite um RTS para o destino Request To Send Quadro curto Contém o comprimento (duração) do quadro de dados que eventualmente será enviado em seguida Estações vizinhas (no alcance de transmissão da fonte) irão adiar as suas transmissões

56 MACA Destino responde com um CTS Clear To Send Também contém o comprimento (duração) do quadro de dados Quadro curto para que as estações vizinhas (no alcance do destino) escutem a transmissão Evitem transmitir enquanto o quadro de dados (grande) estiver sendo enviado

57 MACA Uso de RTS e CTS para o problema do terminal escondido RTS

58 MACA Uso de RTS e CTS para o problema do terminal escondido CTS CTS

59 MACA Uso de RTS e CTS para o problema do terminal escondido Dados

60 MACA Ainda podem haver colisões Envio de RTSs ao mesmo tempo e em outros casos Colisão inferida através do não recebimento do CTS em um tempo T Retransmissão dos quadros após a temporização aleatória Recuo binário exponencial do Ethernet

61 MACAW MACA for Wireless Uso de reconhecimento positivo Diminuição do tempo de retransmissão dos quadros

62 FAMA Floor Acquisition Multiple Access Utiliza a detecção de portadora e o mecanismo de RTS/CTS Para melhorar o acesso ao meio MACA pode ainda ter problemas em relação a terminais escondidos

63 FAMA Problema atacado pelo FAMA

64 FAMA Supondo que A e C tenham dados para transmitir para B A transmite um RTS para B B transmite um CTS para A C transmite um RTS para B Pois dependendo dos atrasos de propagação, CTS de B para A pode ter sido recebido em A, mas não em C A começa a enviar dados para B colisão com RTS de C para B

65 FAMA Solução Uso de intervalos de tempo entre uma recepção de um quadro e a transmissão de outro Intervalos chamados espaços entre quadros Intervalos devem levar em consideração os atrasos de propagação e de processamento Intervalos devem ter um tamanho mínimo No exemplo Para garantir que todas as estações estão a par da transmissão atual Se B tivesse esperado um tempo antes de responder com um CTS, o RTS de C teria chegado Colisão de um quadro de controle com um quadro de dados é mais severa

66 CSMA/CA Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance Combina características de CSMA MACA/MACAW FAMA Inclui um tempo aleatório Para evitar colisões de estações que estavam simultaneamente disputando o meio

67 CSMA/CA Escuta de portadora Durante um tempo chamado intervalo entre quadros Quanto menor o intervalo maior a prioridade Não há delimitador de fim de quadro Evita colisões Tempo aleatório (backoff) entre transmissões sucessivas de quadros ACK Informa que o quadro foi recebido corretamente Recuperação de erros

68 CSMA/CA

69 CSMA/CA Backoff Escolhe-se um tempo aleatório entre 0 e um tempo relativo à janela de contenção Esse tempo é associado a um temporizador de backoff Meio livre por mais de IFS decrementa-se o temporizador periodicamente Temporizador para quando há alguma transmissão Quando o temporizador chega a zero transmite o quadro ACK não recebido considera-se que houve colisão e que o quadro deve ser retransmitido Valor da janela de backoff começa com um valor mínimo e a cada transmissão não sucedida é aumentado

70 CSMA/CA Usado no IEEE