INF-111 Redes Sem Fio Aula 06 Tecnologias para WMAN Prof. João Henrique Kleinschmidt

Transcrição

1 INF-111 Redes Sem Fio Aula 06 Tecnologias para WMAN Prof. João Henrique Kleinschmidt Santo André, outubro de 2014

2 Roteiro Sistemas de Telefonia Celular Evolução dos Sistemas Celulares WMAN WiMAX Arquitetura Camada Física Camada de Enlace Futuro WiMAX, LTE, 5G

3 Sistemas de Telefonia Celular Comunicação sem fio a longas distâncias Oferece uma conexão sem fio à PSTN (Public Switched Telephone Network Rede Telefônica Pública Comutada) Permite mobilidade contínua dos usuários Acomodam um grande número de usuários em uma grande área geográfica e dentro de um espectro de frequência limitado Alta capacidade é alcançada limitando-se a cobertura dos transmissores a sub-regiões geográficas: células Cada célula é servida por uma estação rádio base (ERB), composta por: transmissor, receptor e unidade de controle

4 Sistemas de Telefonia Celular A cada célula são atribuídas faixas de frequência Reuso de frequências uso da mesma frequência (canal) na cobertura de diferentes áreas Células são organizadas de forma que todas as antenas vizinhas sejam equidistantes (padrão hexagonal) Interferência co-canal interferência entre células que usam a mesma frequência (limites toleráveis)

5 Organização das Células Modelo de propagação teórico Projeto de grade celular Layout real

6 Telefonia celular - Conceitos Por que não usar uma grande torre de rádio e uma grande área de serviço? Número de usuários simultâneos seria bastante limitado Relacionado ao número de canais disponíveis Terminal móvel teria um grande requisito de potência de transmissão Conceito de telefonia celular pequenas células com reuso de frequência Vantagens : Baixa potência de transmissão dos dispositivos Aumento da capacidade do sistema com reuso de frequências Desvantagens: Custo das células Handoff (ou handover) entre as células deve ser suportado Necessário rastrear o usuário móvel para rotear mensagens e chamadas

7 Reuso de Frequências Cluster conjunto de células em que não há reutilização de frequências Estruturas mais empregadas (antenas omnidirecionais células hexagonais)

8 Processo de Chamada Celular

9 Handoff Função que permite manter a continuidade de uma conversação quando o usuário passa de uma célula para outra O handoff pode causar uma (pequena) interrupção na comunicação

10 Telefonia Celular Evolução dos Sistemas Primeira Geração: 1G Sistemas analógicos (canal de voz) com o AMPS Segunda Geração: 2G Sistemas digitais com o GSM, TDMA (IS-136/D- AMPS) e CDMA (IS-95) 2.5 G - Sistemas celulares que oferecem serviços de dados a taxas de até 115 kbps - Principais sistemas: GPRS/EDGE e extensões do CDMA Terceira Geração: 3G - Sistemas celulares que oferecem serviços de dados por pacotes e taxas de até 2 Mbps - Principais sistemas: WCDMA (UMTS) e CDMA G Evoluções do padrões 3G - Principais sistemas: HSDPA (High-Speed Downlink Packet Access) e 1x EV-DO (Evolution Data Optimized) 3.75G Pré-4G - Principais sistemas: adição do protocolo HSUPA (High- Speed Uplink Packet Access), gerando o padrão HSPA (High Speed Packet Access) e posteriormente sua evolução HSPA+ (Evolved HSPA)

11 Telefonia Celular Quarta Geração: 4G Beyond 3G (Após 3G) LTE (Long Term Evolution) Taxas de 100 Mbit/s (móvel) a 1 Gbit/s (fixo) Interconectividade (WiFi, WiMax) Baseada em endereçamento IP (IPv6) Padrões: Mobile WiMAX m (IEEE) Coréia do Sul (2006) LTE-Advanced: 3rd Generation Partnership Project (3GPP) Escandinávia (2009) Comercialmente no mundo (EUA, Canadá, etc) desde 2011

12 4G Multiportadora CDMA (OFDMA) Antenas inteligentes (MIMO Multiple input, multiple output) Alta eficiência espectral (bit/segundo/hertz/site) Banda de frequência: 5 20 MHz (escalonável) Codificação Turbo: minimização SNR necessária no receptor Telefonia comutada por pacote Femtocélulas (nós interconectados a infraestrutura de Internet banda larga)

13 WMAN IEEE WiMAX

14 Redes Sem Fio

15 O WiMAX pode operar na W-LAN (como hotspot), na W-MAN (como backhaul-interconexão de redes) ou na W-WAN (como backbone).

16 WiMAX Worldwide Interoperability for Microwave Access. Baseada em padrão global, o IEEE Visa solucionar o problema da última milha. Diminui o investimento em infraestrutura de alto custo, comparada com a telefonia. Espectro: de 2 a 11 GHz ou de GHz. Modulação dinâmica adaptativa (QPSK e QAM), baseada na qualidade do enlace. Topologia: Point-to-Multipoint (PMP) e Mesh. Alcance: vários quilômetros

17 O padrão IEEE Define a comunicação sem fio entre a BS (estação base) e uma ou mais SSs (estações de assinantes) servindo a usuários domésticos ou comerciais. Estação base controla transmissões Alternativa às tecnologias tradicionais como DSL e cabo:

18 Topologias

19 Padrões IEEE a (2-11 Ghz, sem linha de visão) WiMAX fixo - obsoleto b - obsoleto c - (detailed system profiles) - perfis d revisão integrando os padrões a,b, c e (Mobile Wireless MAN) WiMAX móvel f redes mesh

20 Visão Geral

21 O padrão IEEE e WiMAX Móvel O WiMAX Móvel é uma solução de banda larga para a convergência das redes fixas e móveis, oferecendo: Altas taxas de transmissão; Escalabilidade; Qualidade de Serviço; Segurança; Mobilidade. Tem como principais características técnicas: Usa OFDMA MIMO (Multiple Input Multiple Output) Tamanho de canal escalável.

22 Arquitetura do WiMAX Camada física (PHY). Camada de acesso ao meio (MAC). A subcamada MAC encontra-se dividida em três subcamadas: subcamada de Convergência de Serviços (CS), subcamada de Parte Comum (CPS) subcamada de Privacidade (PS).

23 Camadas Física: São especificados o espectro de frequência, o esquema de modulação, as técnicas de correção de erros, a sincronização entre transmissor e receptor, a taxa de dados e a estrutura de multiplexação. MAC: São especificadas as funções associadas aos serviços oferecidos aos usuários, que incluem a transmissão de dados em quadros e o controle do acesso ao meio sem fio compartilhado.

24 Camadas

25 Camada Física OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) Permite diferentes conjuntos de subportadoras a diferentes estações Permite tráfego assimétrico (+downlink uplink) Permite dois modos de duplexação: Duplexação por Divisão de Tempo (TDD) Duplexação por Divisão de Frequência (FDD) Correção de erros (FEC): códigos convolucionais/reed- Solomon Parâmetros de transmissão (modulação, FEC) podem ser modificados quadro a quadro

26 Camada Física

27 Camada Física Estrutura de quadro para OFDMA com duplexação por divisão de tempo

28 Camada MAC A camada MAC é orientada a conexão. Define como e quando a estação base ou os assinantes podem iniciar a transmissão no canal. Estação base faz o polling (varredura) A subcamada de Convergência de Serviços (CS) é responsável por mapear os dados provenientes da camada mais alta em fluxos de serviço e conexões na camada MAC.

29 Camada MAC A subcamada de Parte Comum fornece funções de acesso ao sistema, de alocação de largura de banda, e de estabelecimento, manutenção e término da conexão. Nessa subcamada estão presentes mecanismos para requisitar largura de banda, associar parâmetros de QoS e de tráfego, e encaminhar os dados para a subcamada de convergência apropriada.

30 Camada MAC 4 classes de serviço: Taxa de bits constante Voz não compactada Taxa de bits variável em tempo real Multimídia compactada e aplicações tempo real Taxa de bits variável off-line Arquivos grandes (dados) Melhor esforço Todos os outros

31 Camada MAC A subcamada de Segurança é a responsável por garantir a privacidade dos dados através de criptografia, autenticidade dos dispositivos e gerenciamentos de chaves de tráfego. Autenticação: Criptografia RSA de chave pública, usando certificados digitais X.509 Criptografia: AES ou DES Integridade: SHA-1

32 Camada MAC O MAC PDU é a unidade de dados responsável pela troca de informações entre as camadas MAC da estação base e da estação cliente. (a) Quadro genérico. (b) Quadro de solicitação de largura de banda

33 Desafios Transmissão da DTV sobre WiMAX? Garantia de QoS em serviços interativos. Novos Serviços sobre Redes Mesh Rede Celular e WiMAX: Negociações de QoS, handoff, segurança e mobilidade; Convergência com outras tecnologias.

34 Tendências WMAN, WWAN, 5G

35 Evolução da Telefonia Móvel

36 4G: Mobile Evolution

37 Futuro WiMAX vs LTE Convergência? 5G 100 bilhões de dispositivos 10 Gbps Novas tecnologias de acesso de rádio e evolução da atuais Entre 2020 e 2030

38 5G Requisitos de serviços e cenários

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