Redes sem fio: categorias, características e métodos de acesso

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Redes sem fioRedes sem fio
� Divididas em duas categorias
� Redes com infraestrutura
� Toda a comunicação é realizada através de um ponto de 
acesso
� Ex.: redes celulares
Redes Redes infraestruturadasinfraestruturadas
Redes sem fioRedes 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
Redes ad Redes ad hochoc
Rede ad Rede ad hochoc de mde múúltiplos saltosltiplos saltos
Redes ad Redes ad hochoc
� 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
Redes ad Redes ad hochoc
� Principais aplicações
� Ambientes onde
�Não há infraestrutura
� A infraestrutura existente não é confiável
Redes sem fioRedes 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
Redes sem fioRedes sem fio
Problema do terminal escondido
Redes sem fioRedes sem fio
� Problema do terminal escondido
� Não importa a interferência no transmissor e sim no 
receptor
�Não usa CSMA puro
Redes sem fioRedes sem fio
Problema do terminal exposto
B transmite para A e C quer transmitir para D
MMéétodos de acesso mtodos de acesso múúltiploltiplo
� Baseados em disputa
� MACA
� MACAW
� FAMA
� CSMA/CA
� Livres de disputa
� Varredura (polling)
� Reserva
� TDMA
� FDMA
CSMACSMA
� Carrier Sense Multiple Access
� Uso de detecção de portadora (sinal no meio)
� Evita colisões
�Duas ou mais estações transmitem ao mesmo tempo →
colisão
MACAMACA
� 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
MACAMACA
� Estação transmite um RTS para o destino
� Request To Send
� Quadro curto
� Contém o comprimento do quadro de dados que 
eventualmente será enviado em seguida
� Estações vizinhas (no alcance de transmissão da 
fonte) irão adiar as suas transmissões
MACAMACA
� Destino responde com um CTS
� Clear To Send
� Também contém o comprimento 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
MACAMACA
Uso de RTS e CTS para o problema do terminal escondido
RTS
MACAMACA
Uso de RTS e CTS para o problema do terminal escondido
CTS CTS
MACAMACA
Uso de RTS e CTS para o problema do terminal escondido
Dados
MACAMACA
� 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
MACAWMACAW
� MACA for Wireless
� Uso de reconhecimento positivo
� Diminuição do tempo de retransmissão dos quadros
FAMAFAMA
� 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
FAMAFAMA
Problema do terminal escondido
FAMAFAMA
� Supondo que A e C tenham dados para 
transmitir para B
� A transmite um RTS para B
� B transmite um CTS para A e 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
FAMAFAMA
� Solução
� Uso de intervalos de tempo entre uma recepção e a 
transmissão seguinte
� Intervalos chamados espaços entre quadros
� Intervalos devem levar em consideração os atrasos de 
propagação e de processamento
� No exemplo
� 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
CSMA/CACSMA/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
CSMA/CACSMA/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
CSMA/CA
CSMA/CACSMA/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
CSMA/CACSMA/CA
� Usado no IEEE 802.11
VarreduraVarredura
� Estação controladora envia mensagens a outras 
estações
� Convidando-as a transmitir dados
� Estações ao serem consultadas podem 
transmitir dados
� Ordem das consultas-convites é estabelecida 
por uma lista armazenada na estação 
centralizadora
� Introduz um atraso de seleção
� Usada no modo PCF do IEEE 802.11, no 
Bluetooth e no IEEE 802.16
ReservaReserva
� Estações reservam o direito de acessar o meio 
compartilhado
� Pedidos de reserva são enviados pelas estações 
e são processados pela estação centralizadora 
(caso exista) que escalona o posterior acesso ao 
meio
� Dependendo do protocolo, pode haver colisões de 
pedidos
� Usada no IEEE 802.16
TDMATDMA
� Acesso múltiplo por divisão de tempo (Time 
Division Multiple Access)
� Acesso múltiplo feito em função do tempo
� Tempo é dividido em slots
� Em cada slot somente uma estação pode 
transmitir
� Usado no IEEE 802.16
FDMAFDMA
� Acesso múltiplo por divisão de frequência
(Frequency Division Multiple Access)
� Acesso múltiplo feito em função da frequência
� Cada estação está associada a uma banda de 
frequência diferente
MultiplexaMultiplexaççãoão
� Também tem por objetivo compartilhar o meio 
físico
� Divisão do meio ocorre na camada física
� Pode ser classificada em função da variável 
usada para separar as fontes
� Multiplexação por divisão de tempo (Time Division
Multiplexing - TDM)
�Usada no IEEE 802.16
� Multiplexação por divisão de frequência (Frequency
Division Multiplexing - FDM)
MultiplexaMultiplexaççãoão
Multiplexação por divisão de tempo (fonte: Stallings)
MultiplexaMultiplexaççãoão
Multiplexação por divisão de frequência (fonte: Stallings)
DuplexaDuplexaççãoão
� Comunicação entre duas estações pode ser 
classificada em
� Unidirecional (simplex) → único sentido
� Bidirecional alternado (half-duplex) → dois sentidos, 
porém não simultaneamente
� Bidirecional simultâneo (full-duplex) → dois sentidos, 
simultaneamente
DuplexaDuplexaççãoão
� Pode ser classificada em função da variável 
usada para separar as fontes
� Duplexação por divisão de tempo (Time Division
Duplexing - TDD)
�Usada no Bluetooth e no IEEE 802.16
� Duplexação por divisão de frequência (Frequency
DivisionDuplexing - FDD)
�Usada no IEEE 802.16
� Tipo especial de multiplexação
TTéécnicas de transmissãocnicas de transmissão
� Parte da camada física
� Bits podem ser codificados ou modulados
� Codificações
� Trabalham em banda básica
� Preservam as faixas de frequências originais dos dados
� Modulações
� Modificam a faixa de frequências dos dados
CodificaCodificaççõesões
� NRZ
� NRZI
� Manchester
� 4B/5B
� PAM
� PPM
� Outras
PPMPPM
� Modulação por posição de pulso (Pulse Position
Modulation)
� M-PPM
� Log2 M bits codificados através da transmissão 
de um único pulso entre M deslocamentos no 
tempo
PPMPPM
� Ex.: 4-PPM (bits � símbolos PPM)
� 00 � 0001
� 01 � 0010
� 10 � 0100
� 11 � 1000
PPMPPM
� Pode sofrer problemas de interferência por 
múltiplos caminhos
� Usada na transmissão por infravermelho do 
IEEE 802.11
ModulaModulaççãoão
� Ondas quadradas das codificações compostas 
de diversas frequências
� Atenuação e velocidade de propagação no 
meio variam com a frequência�
� Codificação em banda básica é mais usada em 
pequenas distâncias e baixas velocidades
� Alguns meios como fibra óptica exigem que o 
sinal ocupe uma determinada faixa
� Podem existir diversas estações que devem 
acessar um mesmo meio físico
ModulaModulaççãoão
� Também chamada chaveamento (keying)
� Transforma os bits em uma maneira apropriada 
para transmissão
� Geralmente através da transposição dos dados em 
sinais de frequências mais altas
�Uso de uma portadora de mais alta frequência
� Senóide é geralmente usada como portadora
� Variação da amplitude, da frequência ou da fase 
determina o tipo de modulação
ModulaModulaççõesões
� ASK
� FSK
� PSK
� QAM
� Outras
ASKASK
� Amplitude Shift Keying
� M-ASK
� Varia a amplitude da portadora entre M valores
� BASK
� Binary ASK
� Usa duas amplitudes (M = 2)
FSKFSK
� Frequency Shift Keying
� M-FSK
� Varia a frequência da portadora entre M valores
� BFSK
� Binary FSK
� Usa duas freqüências (M = 2)
FSKFSK
� GFSK
� Gaussian FSK
� Pulsos
� Passam por um filtro gaussiano de modo a diminuir o 
espectro dos mesmos
� Depois são modulados em frequência
� Usada no IEEE 802.11 original e no Bluetooth
PSKPSK
� Phase Shift Keying
� M-PSK
� Varia a fase da portadora entre M valores
PSKPSK
� BPSK
� Binary PSK
� Usa duas fases (M = 2)
� Deslocamento em função de transições de sequências
de bits 
� Transição � fase é deslocada de 180°
PSKPSK
� DPSK
� Differential PSK
� DBPSK
� Diferential Binary PSK
� Usa duas fases (M = 2)
� Deslocamento em relação à fase do fim do bit anterior
� Bit 0 � fase é mantida
� Bit 1 � fase é deslocada de 180°
PSKPSK
� QPSK
� Quadrature PSK
� Usa quatro fases separadas de pi/2
� Mais eficiente que a BPSK
� Transmite dois bits em um único símbolo
PSKPSK
� DQPSK
� Vários tipos de modulação PSK usados no IEEE 
802.11 e no IEEE 802.16
QAMQAM
� Quadrature Amplitude Modulation
� M-QAM
� Pode variar a amplitude e a fase da portadora 
entre M valores
� Quanto maior o número de símbolos, maior a 
probabilidade de ocorrerem erros
� Em função do ruído e da atenuação
� Torna-se difícil a distinção entre os símbolos
� QAM usada no IEEE 802.11 e no IEEE 802.16
QAMQAM
8-QAM 16-QAM
QAMQAM
32-QAM
Outras tOutras téécnicas de transmissãocnicas de transmissão
� Podem ser usadas junto com as modulações
� Espalhamento de espectro
� Modulação por divisão de frequências ortogonais
Espalhamento de espectroEspalhamento de espectro
� Spread Spectrum
� Espalham um sinal em uma largura de banda 
superior à exigida pelo sinal original
� Objetivo
� Minimizar o efeito da interferência em frequências
específicas
� Minimizar o efeito da interferência causada por 
múltiplos caminhos
� Custo
� Desperdício de banda
Espalhamento de espectroEspalhamento de espectro
� Ineficiente quanto à utilização da banda para um 
usuário
� Vantagem
� Permite que vários usuários usem simultaneamente a 
mesma banda sem interferências significativas entre 
eles � torna-se eficiente em termos de banda
� Usam sequências pseudo-aleatórias
� Parecem aleatórias
� Podem ser reproduzidas pelos receptores
Espalhamento de espectroEspalhamento de espectro
Modelo geral de espalhamento de espectro (fonte: Stallings)
Espalhamento de espectroEspalhamento de espectro
� Dois tipos
� Espalhamento de espectro por saltos de frequência
� Espalhamento de espectro por sequência direta
FHSSFHSS
� Frequency Hopping Spread Spectrum
� Utiliza saltos de frequência para implementar o 
espalhamento
� Usa uma modulação com uma portadora que 
salta de frequência em frequência em função do 
tempo
� Transmissor e receptor ficam em cada um 
desses canais por um certo tempo e saltam para 
outro canal
Exemplo de FHSS (fonte: Stallings)
FHSS usando FSK ou BPSK (fonte: Stallings)
FHSS usando FSK ou BPSK (fonte: Stallings)
FHSSFHSS
� Permite a coexistência de várias redes em uma 
mesma área
� Através do uso de diferentes padrões pseudo-
aleatórios chamados sequências de saltos
� Usado no Bluetooth e nas primeiras versões do 
IEEE 802.11
DSSSDSSS
� Direct Sequency Spread Spectrum
� Consiste na multiplicação do sinal por uma 
sequência pseudo-aleatória com taxa de 
transmissão bem maior
� Geralmente é realizado um XOR dos dados com 
a sequência binária
� Bit
� 0 � sequência
� 1 � complemento da sequência
Exemplo de DSSS (fonte: Stallings)
⊕
⊕
DSSS usando BPSK (fonte: Stallings)
DSSS usando BPSK (fonte: Stallings)
DSSS usando BPSK (fonte: Stallings)
DSSSDSSS
� Número de bits da sequência (fator de 
espalhamento) determina a banda passante do 
sinal resultante
Espectro ocupado pelo DSSS (fonte: Stallings)
Espectro ocupado pelo DSSS (fonte: Stallings)
DSSSDSSS
� Usado no IEEE 802.11
OFDMOFDM
� Orthogonal Frequency Division Multiplexing
� Divide o espectro em múltiplas sub-bandas de 
frequências bem estreitas
� Envia alguns bits em cada sub-banda
� Todas as sub-bandas são dedicadas a uma 
única fonte
� Diferentemente do FDM
OFDMOFDM
� Efeito de espalhamento de espectro é similar às 
outras técnicas
� Sinal usa diversas frequências
� Espalhamento em bandas estreitas
�Maior eficiência espectral
�Maior imunidade à interferência de frequências
específicas
� Permite não usar canais onde a interferência é alta
� Subportadoras chegam a se sobrepor
� Subportadoras ortogonais
�Centradas nos zeros das subportadoras adjacentes
Exemplo de OFDM (fonte: Stallings)
Exemplo de OFDM (fonte: Stallings)
OFDMOFDM
� Geralmente as subportadoras são moduladas
OFDM (fonte: Stallings)
OFDMOFDM
� Maior imunidade a ruídos e interferências
� Subportadoras são independentes
� Pode-se descartar uma ou mais subportadoras e 
utilizar as restantes para a transmissão dos dados
� Usado no IEEE 802.11 e no IEEE 802.16
BibliografiaBibliografia
� Stallings – Capítulos 1, 2, 5, 6, 7 e 11
� Tanenbaum – Capítulos 1, 2 e 4
� Kurose – Capítulos 1 e 6