Texto Unidade 8 - Computação Móvel

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Computação Móvel 
 
A computação móvel é operacionalizada pelas redes wireless ou redes sem fios. Essas 
redes são formadas por um sistema de comunicação de dados extremamente flexível, 
que pode ser usado como uma extensão ou uma alternativa a redes locais, possuindo 
as seguintes características: Todo nó é potencial fonte e destino de pacotes. Todos os 
nós são roteadores de pacotes. As transmissões simultâneas podem gerar 
interferência. A fonte de energia é limitada e permite a liberdade de locomoção. 
 
Nas redes wireless podemos encontrar os seguintes elementos: 
 
1. Hospedeiros sem fio 
Onde as aplicações são executadas, ex. laptop, PDA, telefone IP. 
2. Estação-base 
Normalmente conectada à rede com fio e responsável por enviar pacotes entre 
uma rede com fio e hospedeiros sem fio em sua “área”. Ex. torres de células, 
pontos de acesso 802.11, etc. 
3. Enlace sem fio 
Normalmente usado para conectar dispositivos móveis à estação-base, sendo 
também usado como enlace de backbone. Deve possuir um protocolo de acesso 
múltiplo que coordena acesso ao enlace. 
 
Em relação à arquitetura de uma rede sem fio podemos ter o modo de infraestrutura ou 
ad-hoc. No modo de infraestrutura, uma estação-base conecta hospedeiros móveis à 
rede com fio. 
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Figura 01 – Modo Infraestrutura. 
 
No modo ad hoc, não há a presença de estações-base. Os nós só podem transmitir a 
outros nós dentro da cobertura do enlace e eles organizam-se em uma rede: roteiam 
entre si mesmos. 
 
Figura 02 – Modo Ad-hoc. 
 
 
Em relação a esses dois modos, podemos classificar as redes sem fio em: 
 
• Redes Infraestrutura (ou estruturadas): 
§ WWAN: Redes celulares 
§ WMANs: WiMax 
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§ WLANs: Wi-Fi 
• Redes Ad hoc (“ad hoc”- latim, “para este propósito”) 
§ WLANs 
§ WPANs: Bluetooth, ZigBee. 
§ Redes de Sensores 
• Redes de Satélites. 
 
As redes sem fio estruturadas possuem como principais elementos os pontos de 
acesso, a unidade móvel e a área de cobertura. 
 
• Pontos de Acesso ou Estações Base - BS (AP, ERB, BTS - Node B – eNB) que 
consiste de um transmissor/receptor e antena. 
• Unidade Móvel que consiste em um dispositivo transmissor/receptor de baixa 
potência, antena e processador. 
• Célula/Área de cobertura: É uma área geograficamente atendida por uma BS. 
Teoricamente são áreas circulares, mas muitas vezes são representadas por 
hexágonos. 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 03 – Formato de áreas de cobertura. 
 
 
As redes sem fio comunicam-se através do envio e recebimento de ondas 
eletromagnéticas através do ar por antenas. Com isso, temos características de 
propagação definidas fundamentalmente pelas propriedades do meio de transmissão, 
no caso, o ar. Esse meio apresenta propriedades que variam com a frequência da onda 
irradiada, determinando mecanismos de propagação diferentes para diversas faixas do 
espectro de radiofrequência. 
 
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Figura 04 – Espectro de frequências 
 
Os sinais de rádio das redes sem fio podem ter os seguintes problemas na sua 
propagação: 
• Redução fora do sinal: sinal de rádio se atenua enquanto se propaga pela matéria 
(perda no caminho) 
• Interferência de outras fontes: frequências padrão de rede sem fio (p. e, 2,4 GHz). 
• Propagação multivias: sinal de rádio reflete-se em objetos e no solo. 
 
 
Em relação à banda, ou faixa de frequência utilizada, cada tecnologia opera em uma 
banda diferente, sendo que a maioria das bandas são definidas e fiscalizadas por 
agências reguladoras. 
§ FCC – EUA 
§ CEPT – Europa 
§ Anatel – Brasil 
 
Existem bandas que não requerem licenciamento e podem ser utilizadas pelos 
dispositivos wireless, temos a banda ISM e U-NII. 
 
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• ISM (Instrumentation, Scientific and Medical): 902 MHz a 928 MHz, 2.400 MHz a 
2.483,5 MHz e 5.725 MHz a 5.850 MHz; 
• U-NII (Unlicensed National Information Infrastructure): 5.150 MHz e 5.825 MHz. 
 
Como foi informado anteriormente, as ondas eletromagnéticas são enviadas por 
antenas. Essas antenas tem a função de irradiar e receber ondas eletromagnéticas 
(p.ex. um sinal modulado) através do ar, transferir energia do transmissor para o meio e 
vice-versa. Elas podem ter diferentes padrões de propagação, sendo omnidirecional: 
propagação em todas as direções, direcional: propagação em apenas uma direção e 
setorizada: propagação em 3, 6 ou mais direções. 
 
 
 
Figura 05 – Tipos de Antenas 
 
O alcance de cada antena é determinado pela potência de transmissão, frequência de 
transmissão e visada (objetos na região de cobertura). As antenas direcionais têm 
maior ganho de energia (concentra a potência de sinal irradiado em uma direção) e 
conseguem uma transmissão a distâncias maiores. 
 
 
Figura 06 – Transmissão com antena omnidirecional 
 
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O sinal pode sofres problemas como reflexão, absorção e refração, o que depende do 
material, da polarização da onda, da frequência e do ângulo de incidência, das 
edificações, das camadas atmosféricas, etc. 
 
Figura 06 – problemas devido às camadas atmosféricas 
 
O sinal também pode sofre espalhamento ou difusão. Ao incidir sobre um objeto em um 
determinado ângulo, uma onda eletromagnética é decomposta em várias ondas 
“difusas” de intensidade menor. 
 
Figura 06 – Espalhamento do sinal. 
 
O sinal também pode sofrer uma propagação multicaminho (“multi-path”). Em que a 
onda sofre reflexão em diferentes objetos podendo causar recebimentos defasados 
 
 
Figura 07 – Propagação multicaminho. 
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Com isso o sinal sofre atenuação, que é a situação em que ocorre o decremento da 
intensidade média de sinal. A atenuação também ocorre quando o sinal passa por 
algum material presente no ambiente. 
 
 
Figura 08 – Exemplos de atenuação com vários materiais. 
 
As redes sem fio são padronizadas pelo IEEE1, mais especificamente pelo o comitê 
802. 
 
Figura 09 – Grupos de trabalho do IEEE 802 
	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  
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  Instituto	
  de	
  Engenheiros	
  Eletricistas	
  e	
  Eletrônicos.	
  http://www.ieee.org.br/	
  
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Na figura 09 estão destacados os grupos voltados à rede sem fio. Na figura 10 e 11 
tem-se a comparação entre os vários padrões. 
 
 
Figura 10 - Comparação entre os padrões. 
 
 
Figura 11 – Comparação da largura de banda dos padrões 
 
 
 
 
 
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O Bluetooth - IEEE 802.15.1, é um padrão para comunicação sem-fio, de curto 
alcance e baixo-custo. Ele possui um alcance aproximadamente de 10 metros e pode 
chegar até 100 metros em condições ideais. Sua velocidade é em torno de 1 Mbps. Ele 
foi inicialmente projetado para eliminar cabos na conexão de periféricos a 
computadores de mesa. Atualmente o Bluetooth é considerado uma tecnologia para 
PAN que prevê inúmeras aplicações, como sincronizar dados com hand-helds e PCs, 
acessar dados e e-mail em um hand-held remoto com o uso de um celular Bluetooth. 
 
“O nome Bluetooth foi uma homenagem ao unificador da Dinamarca, um rei 
dinamarquês chamado Harald Blatand, mais conhecido como Harald Bluetooth, esse 
apelido era devido Harald possuir uma arcada dentária com uma incrustação azulada.” 
 
Ele opera na banda ISM Global de 2.4 GHz a 250kbps, 868 MHz na Banda Europeia a 
20kbps e 915 MHz na Banda Norte Americana a 40kbps. A 2.4 GHz opera na mesma 
faixa utilizada pelo WLAN (IEEE 802.11), o que provoca interferência entre as duas 
tecnologias. Ele suporta criptografia unidirecional ou mútua baseado na chave trocada 
entre os dois dispositivos e sua segurança é definida em 3 modos: 
• Modo 1- Sem Segurança 
• Modo 2 - Service Level Security: Estabelecida por serviço 
• Modo 3 - Link Level Security: Definida na conexão 
 
Todoo padrão é implementado em um único microchip de 9 x 9 milímetros com valor 
aproximado de 5 dólares. 
 
Figura 12 – Chip Bluetooth 
 
O Zigbee - IEEE 802.15.4, é um padrão tecnológico criado para controle e/ou 
automação e redes de sensores. Foi criado pela ZigBee Alliance e seu nome foi 
inspirado no movimento errático de zig-zag das abelhas. Os componentes de uma rede 
Zigbee são análogos aos papéis das abelhas em uma colmeia 
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Figura 13 – Antenas do Zigbee 
 
 
Figura 14 – Exemplo do uso do Zigbee 
 
 
 
Figura 15 – Aplicações do Zigbee 
 
 
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O IEEE 802.112 é um conjunto de padrões do IEEE para redes locais sem fio. Os 
padrões são: 
• 802.11a/b/g/n 
• 802.11i - WPA2 
• 802.11e - QoS e Power Save 
• 802.11s - Mesh 
 
 
O Wi-Fi, ou Wireless Fidelity, é a marca da Wi-Fi Alliance, sendo hoje “sinônimo” do 
IEEE 802.11. É a Wi-Fi Alliance que homologa os equipamentos dos fabricantes. 
 
O 802.11, na camada física, pode utilizar, conforme a figura 16, o 802.11, o 802.11a, 
802.11b, 802.11g ou 802.11n. Alguns como o 802.11 e 802.11a, já caíram em desuso e 
o 802.11b está caminhando para isso. Na camada de enlace, é utilizado o CSMA/CA, 
Carrier Sense Multiple Access com prevenção de Colisão. Devido ao alto índice de 
perda de quadros, o padrão também confirma cada quadro recebido, diferente do 
padrão com fio (Ethernet, 802.3). 
 
 
Figura 16 – Protocolos 802.11 
 
 
	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  
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  http://www.ieee802.org/11/QuickGuide_IEEE_802_WG_and_Activities.htm 
	
  
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Este padrão é baseado em uma arquitetura do tipo célula. Cada célula chama-se Ponto 
Básico de Serviço BSS e é controlado por um ponto de acesso (Access Point), como 
pode ser observado na figura 17. Em geral um ponto básico de serviço pode acomodar 
de 10 a 20 clientes com qualidade de acesso, dentro de um raio de 100 metros. 
 
 
Figura 17 – Arquitetura de uma rede 802.11 
 
Quando um AP é instalado, ele recebe uma designação chamada SSID, ou 
identificador de conjunto de serviços. O padrão b, que opera na banda de 2,4 GHz até 
2,485 GHz, divide essa banda em 11 canais parcialmente sobrepostos (sendo os 
canais 1, 6 e 11 os únicos não sobrepostos). Nesses canais são enviados 
periodicamente quadros de sinalização. Uma estação sem fio, ao receber o comando 
para conexão, varre esses 11 canais em busca de um SSID e seleciona um AP para se 
associar. 
 
Características do 802.11: 
• 802.11a, funciona na frequência de 5 GHz (ISM), com velocidade máxima de 54 
Mbps (real 20 Mbps). 
• 802.11b funciona na frequência de 2.4 GHz (ISM), com velocidade máxima de 
11 Mbps (real 5.9 Mbps com TCP e 7.1 Mbps com UDP). 
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• 802.11g funciona na frequência de 2.4 GHz, com velocidade máxima de 54 
Mbps 
• 802.11n funciona com múltiplas antenas no intervalo 2.4 GHz e com velocidade 
máxima de até 600 Mbps. 
 
 
Figura 18 – Antena 802.11n 
 
Um dos desafios da subcamada MAC do padrão 802.11 é lidar com interferências 
causadas por uma estação oculta. Na figura 19, a estação C está transmitindo para a 
estação B. Entretanto, a estação A, que está fora do alcance do sinal da estação C, 
pode interferir na transmissão desta. 
 
 
Figura 19 – Problema da estação oculta 
 
Para lidar com estes problemas, foram criados dois modos de operação, o DCF e o 
PCF. 
 
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No DCF (Distributed Coordination Function), não há controle central, é semelhante à 
Ethernet, sendo que existem duas implementações: 
O CSMA/CA “puro” 
• É utilizado como uma função de distribuição coordenada 
• Acesso múltiplo com detecção da portadora 
• Tenta prevenir colisões com intervalos entre dados 
• Se houve colisão, as estações esperam um tempo aleatório para tentar 
transmitir novamente (backoff algorithm) 
CSMA/CA com MACAW 
• Utilização de RTS e CTS 
• RTS = Request to Send – Quadro enviado pela estação que irá 
transmistir. 
• CTS = Clear to Send – Quadro enviado pela estação que irá 
receber os dados. 
 
 
 
Figura 20 – RTS e CTS 
 
Com o RTS, as estações no raio de alcance da estação que quer enviar algum quadro 
ficam sabendo da transmissão e entram em estado de contenção. Com o CTS, as 
estações que estão no raio de alcance da estação que irá receber o quadro, ficam 
sabendo da transmissão e entram em estado de contenção também. 
 
No PCF (Point Coordination Function), utiliza-se uma estação base – BS ou AP – para 
controlar toda a atividade em sua célula. Dessa forma não há colisão. 
 
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Formato do Quadro 802.11 
 
O formato do quadro do 802.11 é mostrado na figura 21, com destaque para os três 
endereços contidos nele. O uso de três endereços deve-se a interoperabilidade da rede 
sem fio para a rede com fio. Dessa forma precisamos do endereço do cliente, do AP e 
do equipamento com fio ligado ao AP. Os campos de controle, duração e sequencia 
servem para auxiliar no reconhecimento dos quadros enviados pelas estações e 
reservar o canal durante a transmissão. 
 
 
Figura 21 – Formato do quadro 802.11 
 
 
 
Figura 22 – Interoperabilidade entre o 802.11 e o 802.3 
 
 
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Redes de Celular 
 
Arquitetura de uma rede Celular é semelhante à do 802.11. Nela temos o conceito de 
célula, dispositivo móvel e ponto de acesso (MSC). 
 
 
Figura 28 – Arquitetura de Redes de Celular 
 
Padrões de celular 
 
Sistemas 2.5 G: canais de voz e dados: para os que não podem esperar pelo serviço 
3G: extensões 2G 
• General Packet Radio Service (GPRS) 
• evolução do GSM 
• dados enviados em múltiplos canais (se disponíveis) até 115.2 kbps 
• Enhanced Data rates for Global Evolution (EDGE) 
• também evoluído do GSM, usando modulação avançada. 
• taxas de dados de até 384K 
• CDMA-2000 (fase 1) 
• taxas de dados de até 144K 
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• evoluído do IS-95 
 
 
sistemas 3G: voz/dados 
• Universal Mobile Telecommunications Service (UMTS) 
• serviço de dados: High Speed Uplink/Downlink Packet Access 
(HSDPA/HSUPA): 3 Mbps 
• CDMA-2000: CDMA em intervalos TDMA 
• serviço de dados: 1 x Evolution Data Optimized (1xEVDO) até 14 Mbps 
 
4G 
A 4G estará baseada totalmente em IP sendo um sistema de sistemas e uma rede de 
redes, alcançando a convergência entre as redes de cabo e sem fio. Possuirá 
velocidades de acesso entre 100 Mbps em movimento e 5 Gbps em repouso. Possuirá 
a qualidade de serviço ponto-a-ponto de alta segurança para permitir a oferta de 
serviços variados, a qualquer momento e em qualquer lugar.