RSF AULA 2

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Tecnologia em Redes de Computadores
Redes Sem Fio
Leandro de Faria Freitas
leandro.freitas@live.estacio.br
leandrodefariafreitas@gmail.com
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Redes Sem Fio - RSF
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http://info.abril.com.br/aberto/infonews/022009/12022009-54.shl
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http://www.tiinside.com.br/News.aspx?ID=149538&C=265
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http://idgnow.uol.com.br/telecom/2010/03/03/wimax-lidera-batalha-pela-tecnologia-4g/
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https://learningnetwork.cisco.com/community/connections
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http://www.cisco.com/en/US/products/hw/wireless/index.html
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RSF – Prática – Wi-Fi
Instalar um dos softwares abaixo em seu notebook ou estação com rede sem fio:
inSSIDer - http://www.metageek.net/
Netstumbler - http://www.netstumbler.com/
Começar a capturar redes wireless em casa, trabalho, faculdade, rua, etc e trazer “print screens” das telas nas próximas aulas.
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Aeroporto de BH
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Casa do Professor
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Hotel Tryp em Campinas
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Sede da Vivo MG
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Sede da Vivo MG
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RSF – Redes Sem Fio
	Processamento + Mobilidade + Computação Sem Fio = Computação Móvel
	Computação Móvel define um novo paradigma computacional
Nova forma de utilizar recursos computacionais através de dispositivos portáteis 
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Motivação
Crescente necessidade de acesso à informação em qualquer momento e lugar.
< $$$ → instalação e manutenção da infra-estrutura
Alocação dinâmica (por demanda) de canais de comunicação (melhor aproveitamento do espectro)
RSF – Redes Sem Fio
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Notebook/Netbook
Smartphones
Telefones Celulares
Sensores
Outros gadgets
RSF – Dispositivos computacionais
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Conectividade
Desconexões frequentes
Qualidade variável do “enlace”
Ruído/interferência de sinal
Maior frequência de erros
Regiões de sombra ou sem cobertura
Largura de banda limitada e compartilhada
Ordens de magnitude menores que a rede cabeada
Conjunto imprevisível de dispositivos compartilhando ou competindo pelo meio de transmissão
Zonas de congestionamento
RSF – Desafios
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Mobilidade
Nível Físico e Rede
Velocidade de locomoção pode causar problemas em handoffs
Passagem por áreas de cobertura de tecnologias distintas ou sem cobertura
Serviços e Middleware
Necessidade de descobrir e se conectar a diferentes provedores de serviço
Aplicações
Necessidade de se adaptar ao contexto de execução (rede, recursos no dispositivos, localização, condições físicas)
RSF – Desafios
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Tecnologias heterogêneas
Chaveamento entre as tecnologias
Restrições físicas dos dispositivos
Menos recursos
Energia limitada
Interface restrita com o usuário
Segurança
Meio compartilhado suscetível a captura de tráfego 
RSF – Desafios
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Acesso remoto convencional
Comércio
Assistência técnica
Área hospitalar
Mercado Financeiro
Policiamento/Segurança
Entregas de encomendas
Otimização de rotas
Rastreamento
Logística
Automatização de armazéns
RSF – Aplicações
Seguradoras
Avaliação de sinistros
Aplicações militares
Entretenimento
Extensão de redes locais
Sensores
Esportes
Sensor na bola de futebol??
…
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Redes Wireless
Cobertura (indoor, outdoor, acesso a alta/baixa velocidade)
Taxa de transmissão, latência máxima, etc. 
Confiabilidade e estabilidade da comunicação
Segurança 
Garantias de QoS
Dispositivos Móveis
Formas de interação (voz, textual, vídeo, gráficas)
Capacidade de identificar localização geográfica
Capacidade de processamento e armazenamento local
RSF – Aplicações → Requisitos
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Redes Infra-estrutura (ou estruturadas):
WWAN: Redes celulares
WRAN: utiliza faixas não aproveitadas do espectro de TV
WMANs: WiMax
WLANs: Wi-Fi
Redes Ad hoc (“ad hoc”- latin, “para este propósito”)
WLANs
WPANs: Bluetooth, ZigBee, IrDA, …
Redes de Sensores
RSF 
Classificação das Redes Sem Fio
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Pontos de Acesso, Estações Base - BS (AP, ERB - BTS - Node B - eNB , …): 
transmissor/receptor + antena + amplif. de sinal + …
Unidade Móvel: 
dispositivo transmissor/receptor de baixa potência + antena + processador
Célula/Área de cobertura:
Área geograficamente atendida por uma BS
Teoricamente áreas circulares, muitas vezes representadas por hexágonos
Menor sinal → menor relação sinal/ruído → mais erros → menor taxa de transmissão
RSF – Redes infra-estrutura
Principais elementos
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RSF – Redes infra-estrutura
Base Station
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RSF – Redes infra-estrutura
Base Station
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RSF – Redes infra-estrutura
Área de Cobertura
http://rootwireless.com/
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RSF – Redes infra-estrutura
Área de Cobertura
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Formas hipotéticas de representar
áreas de cobertura
Exemplo real de representação de 
áreas de cobertura
RSF – Redes infra-estrutura
Área de Cobertura
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Todo nó é potencial fonte e destino de pacotes
Todos os nós são roteadores de pacotes
Trasmissões simultâneas podem gerar interferência
Fonte de energia limitada
Liberdade de locomoção
RSF – Redes Ad hoc
Principais Características
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Características de propagação definidas fundamentalmente pelas propriedades do meio de transmissão
O meio apresenta propriedades que variam com a frequência da onda irradiada, determinando mecanismos de propagação diferentes para diversas faixas do espectro de radiofrequência.
RSF – Ondas Eletromagnéticas
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RSF – Ondas Eletromagnéticas
Os parâmetros do meio se modificam em função da região envolvida e das variações ao longo do tempo
A falta de uniformidade da atmosfera terrestre, que varia em função da altitude, localização geográfica e condições meteorológicas, influencia sensivelmente a passagem das ondas
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Propagação por ondas espaciais:
Utilizam reflexão ionosférica
Constitui método mais importante de radiocomunicação a longa distância
Propagação por ondas terrestres:
A intensidade do sinal recebido depende de:
Potência do transmissor
Características da antena transmissora
Difração das ondas face a curvatura terrestre
Loacalização do terreno
Direção de trasmissão
Condições meteorológicas locais
RSF – Ondas Eletromagnéticas
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RSF – Ondas Eletromagnéticas
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Banda ou faixa de frequência
Cada tecnologia opera em uma banda diferente
A maioria das bandas são reguladas
FCC – EUA
CEPT – Europa
Anatel – Brasil
Existem bandas que não requerem licenciamento
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.
RSF – Espectro de Frequência
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RSF – Espectro de Frequência
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RSF – Espectro de Frequência
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RSF – Espectro de Frequência
	Alocação de bandas de telefonia celular no Brasil (sem o 3G)
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RSF – Espectro de Frequência
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RSF – Espectro de Frequência
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RSF – Espectro de Frequência
Espectro de frequências:
Relação entre frequência f e comprimento de onda :
f. = c, onde:
 c é a velocidade da luz no vácuo (3*108 m/s)
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RSF - Propagação – Problemas
Reflexão, absorção e refração
Reflexão, absorção e refração
depende do material, polarização, frequência, ângulo de incidência
em superfície terrestre, edificações, camadas atmosféricas, etc.
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RSF - Propagação – Problemas
Espalhamento/Difusão
Ao incidir sobre um objeto em um determinado ângulo, uma onda eletromagnética é decomposta em várias ondas “difusas” de intensidade menor.
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RSF - Propagação – Problemas
Propagação Multi-caminho (“multi-path”)
Reflexão em diferentes objetos pode causar recebimentos defasados
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RSF - Propagação – Problemas
Atenuação
decremento da intensidade média de sinal
motivo 1: ondas que chegam fora de fase, com ângulos e amplitudes diferentes, devido a reflexão e movimentação do emissor/receptor
motivo 2: a perda, ou dissipação de energia, ocorre sobre a forma de calor (efeito Joule em meios metálicos) e radiação
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RSF - Propagação – Problemas
Atenuação*
RSF
Transmissão de Dados
Analógico: Transmissão analógica, os sinais elétricos variam continuamente entre todos os valores possíveis, permitidos pelo meio de transmissão.
Digital: série de sinais, que tem apenas dois valores elétricos (ou gama discreta de valores) que correspondem à informação que se deseja transmitir.
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RSF
Transmissão de dados
Para facilitar a transmissão do sinal através dos meios físicos, e adequar as frequências aos sistemas de comunicação, se utiliza a chamada onda portadora, em cima da qual viaja o sinal a ser transmitido.
A onda portadora é um sinal senoidal caraterizado por três variáveis: Amplitude, Frequência e Fase. Por definição, este sinal existe ao longo de todo o tempo, ou seja com "t" variando de menos infinito a mais infinito.
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RSF - Modulação
A modulação consiste em se imprimir uma informação em uma onda portadora pela variação de um ou mais dos seus parâmetros
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RSF - Modulação
Amplitude
Frequência
Fase (de 180º)
f1
f2
f1
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RSF
Modulação e Demodulação
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RSF - Modulação
	Para transmissão, o bitstream digital precisa ser primeiro transformado em sinal analógico (baseband signal) e depois sofrer uma modulação analógica para uma frequência portadora (“carrier”)
Modulação Digital
01101
Modul. Analógica
carrier
Baseband
signal
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RSF - Antenas
Irradiam e recebem ondas eletromagnéticas (p.ex. um sinal modulado) através do ar
Transferem energia do transmissor para o meio (e vice-versa) 
Podem ter diferentes padrões de propragação
omnidirecional: em todas as direções
direcional: em apenas uma direção 
setorizada: em 3, 6, etc. direções 
omnidirecional
direcional
3 sector
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RSF - Antenas
O alcance é determinado por:
Potência de transmissão
Frequência de transmissão
Visada - Objetos na região de cobertura
Antenas direcionais têm maior ganho de energia (concentra a potência de sinal irradiado em uma direção) e conseguem uma transmissão a distâncias maiores
Regiões:
Transmissão: receptor B pode também transmitir
Deteção: sinal pode ser recebido, mas B 
 não consegue se comunicar
Interferência: sinal de A interfere na transmissão 
A 
B 
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RSF 
Potência
Potência = “Força que determinada entidade possui”
 	
	Quantificação: Medir a relação de potências, na prática, equivale a medir o ganho ou atenuação que afetaram um sinal.
 Ganho: Quando potência de saída (PS) é maior que a de entrada (PE)
 Atenuação: Quando potência de entrada (PE) é maior que a de saída (PS)
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RSF 
Potência - Medida
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RSF 
Potência
Devido as grandes variações existentes na medição dos sinais, são utilizadas escalas logarítmicas, que tornam as variações lineares.
 Decibel (dB): 
 Relação logarítmica entre as potências de saída e de entrada
Ganho / Atenuação de um componente 
				= 10 log (PE/PS)
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RSF 
Unidades de Medida Potência
dB → Ganho ou atenuação na escala logarítmica
É uma unidade de comparação
dB = 10 LOG (P1/P2), onde P1 e P2 são os valores das potências em Watts
dBm → Unidade para indicar a relação entre duas potências quando a potência de referência é 1mW
dBm = 10 LOG (P1/1mW)
dBi → Ganho ou atenuação em relação a uma antena isotrópica, ou seja, ideal (irradia igualmetne em todas a direções)
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RSF
Unidades de Medida Potência
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RSF
Unidades de Medida Potência
-3 dB ≈ Metade da potência em mw
+3 dB ≈ Dobro da potência em mw
-10 dB ≈ Um décimo da potência em mw
+10 dB ≈ Dez vezes a potência em mw
Exemplos:
Uma antena que gera ganho de 9 dBi, traria um ganho de 8x no sinal
Um conector com perda de 3dB (ou ganho de -3 dB) dividiria a potência final por 2
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RSF
Unidades de MedidaPotência
	Dado o circuito RF abaixo, calcular o sinal resultante irradiado pela antena, levando-se em conta os dados mostrados na tabela abaixo:
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	Presult = 100mW - 3 dB - 3 dB - 3 dB + 12 dB
	Presult = 100mW / 2 / 2 / 2 * 16
	Presult = 200mW
RSF
Unidades de MedidaPotência
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RSF
Perda no Espaço Livre
Perda em espaço livre ou simplesmente perda no meio, refere-se a perda incutida a um sinal RF devido a dispersão do sinal que é um fenômeno natural.
A medida que o sinal transmitido atravessa a atmosfera, o nível de potência diminui em uma razão inversamente proporcional a distância percorrida e proporcional ao comprimento de onda do sinal.
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RSF
Perda no Espaço Livre
O nível de potência se torna portanto um fator muito importante quando analisando a viabilidade de um link.
A tabela ao lado apresenta uma estimativa da perda do meio para dadas distâncias entre transmissor e receptor em 2.4Ghz.
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RSF - Ruído
Sinais eléctricos indesejáveis
Origem humana 
Influência de outros sistemas de comunicação
Dispositivos de ignição e comutação elétrica
…
Origem natural 
Descargas atmosféricas
Radiação extra-terrrestre
...
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RSF - Categorias de Ruído
Ruído térmico
Ruído de Intermodulação
Crosstalk
Ruído impulsivo
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RSF - Ruído Térmico
Provocado pela agitação térmica dos elétrons nos condutores
Movimento aleatório de partículas carregadas
É uma função da temperatura em que o sistema se encontra
Quanto maior a temperatura, maior o ruído
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RSF - Ruído de Intermodulação
Acontece quando sinais com diferentes componentes de frequência partilham o mesmo meio de transmissão
Interferem entre si
Produzem sinais que são a soma ou a diferença das frequências que compõem os sinais originais
Isto pode acontecer devido a componentes defeituosos ou por causa de sinais com potência muito alta
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RSF - Crosstalk
Pode ocorrer nas ligações elétricas ou magnéticas entre pares de fios próximos ou entre fios coaxiais (+ raramente)
Não se aplica a transmissões sem fio
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RSF - Ruído Impulsivo (ou de impulso)
Ocorrência irregular de pulsos ou estalos de curta duração e de relativamente grande amplitude (spikes)
Causas variadas
Perturbações eletromagnéticas externas (descargas atmosféricas)
Falhas ocasionais no próprio sistema de transmissão
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RSF - Ruído impulsivo
Perturba pouco as comunicações analógicas
Uma transmissão telefônica pode ser corrompida por pulsos ou estalos curtos sem perder inteligibilidade
Perturba bastante as transmissões digitais
Principal fonte de erro
Um pulso de ruído de 10 ms corrompe cerca de 50 bits de dados em uma transmição a 4800 bauds
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Forma mais comum de medir a sensibilidade de um receptor de rádio (ou ótico), expressa em dB 
SNR = Signal to Noise Ratio
dB = 10 LOG (Sinal/Ruído)
Valor depende da potência de transmissão
RSF – Relação Sinal-Ruído
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RSSI = Received Signal Strength Indication
Sem unidade
Em Wi-Fi, valor informado pelo fabricante e arbitrário dentro de um intervalo.
Cisco → 0 a 100
Windows XP → 0 a 100
Atheros → 0 a 127
No inSSIDer ele simplesmente quer dizer “força do sinal”, a medida em dB está incoreta.
RSF – Indicação de Força do Sinal Recebido - RSSI
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Uso compartilhado e eficiente do meio da banda
Garantir (ou minimizar) a não interferência de canais
Multiplexação em dimensões:
Espaço (s)
Tempo (t)
Frequência (f)
Código (c)
RSF – Múltiplo Acesso
Objetivos
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Quatro possibilidades básicas:
FDMA (Frequency Division Multiple Access)
TDMA (Time Division Multiple Access)
CDMA (Code Division Multiplex Access)
SDMA (Space Division Multiplexing)
Existe a possibilidade de combinar os mecanismos acima, de forma a conseguir uma maior eficiência na utilização do espectro. 
Exemplo: TDMA/FDMA amplamente utilizado pelas operadoras de telefonia celular.
RSF – Múltiplo Acesso
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RSF – FDMA
FDMA – Frequency Division Multiple Access
...
 Cada canal carrega a informação de um único usuário.
 Os canais são subutilizados.
 Requer bons filtros para evitar interferência de canal adjacente.
 O sincronismo entre Fonte e Destino requer menor overhead 
 quandocomparado com o TDMA.
 Exemplo: AMPS: 2 bandas com 833 canais de 30 kHz cada 
Min_freq
Max_freq
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RSF – TDMA
TDMA – Time Division Multiple Access
 O TDMA compartilha a banda disponível entre os usuários, dividindo-a em time-slots.  transmissão dos dados é descontínua (bursts)
 Utiliza mais bits de sincronização e guarda se comparado ao FDMA
 Devido à característica de trasmissão em rajadas, existe um menor
 gasto de bateria (transmite só durante o tempo de um time-slot)
...
Min_freq
Max_freq
*
RSF – FDMA + TDMA
FDMA e TDMA combinados (Exemplos: IS-136, GSM) 
 Esta técnica combina a divisão da banda em faixas menores (portadora) que por sua vez é subdivida no tempo (time-slots).
 Consequentemente tem-se uma melhor utilização do espectro.
 No GSM as 2 bandas de 25 MHz (Up/ Down Link) são divididas em portadoras de 200 KHz cada, que por sua vez são subdivididas em 8 time slots de 4.615ms.
...
Min_freq
Max_freq
portadora
*
RSF – CDMA
CDMA – Code Division Multiple Access 
 Todos usuários transmitem na mesma banda (simultâneamente) o dado codificado; e somente os detentores da chave conseguem decifrar o dado. Isso garante maior segurança.
 A capacidade não é fixa, dependendo da relação S/N do meio. É eficiente quando utilizada para muitos usuários.
Min_freq
Max_freq
*
SDMA – Space Division Multiple Access
Usado em redes celulares (células são áreas irregulares em torno de uma antena)
Atribuir faixas de frequência diferentes a regiões (células) adjacentes, de forma a evitar a interferência de sinal
Para células distantes, pode-se reutilizar a faixa de frequência
Para isto, o alcance de transmissão da antena deve ser bem ajustado
 
RSF – SDMA
6
5
7
4
2
3
1
*
Técnicas de espalhamento de sinal:
Em vez de transmitir em faixa estreita de frequência (e com alta potência), transforma-se o sinal em faixa larga de frequência (e baixa potência). A energia final p/ a transmissão geralmente é igual.
O receptor tem a capacidade de identificar sinal apesar de interferências e transformar o sinal de faixa larga para faixa estreita
Principal vantagem: resistência a interferências de faixa estreita
RSF
Espalhamento de Sinal
*
FHSS	
O sistema salta de uma frequência para outra segundo um padrão randômico, transmitindo uma pequena sequência em cada subcanal.
DSSS
A potência é espalhada sobre uma faixa ampla de frequência usando uma codificação matemática.
OFDM
Um canal é dividido em vários subcanais e uma porção do sinal é codificada através de cada subcanal em paralelo.
RSF
Espalhamento de Sinal
*
RSF – FHSS
Frequency Hopping Spread Spectrum: 
Banda de frequência total é dividida em vários canais de banda menor
Transmissor e receptor permanecem no mesmo canal (frequência) durante certo tempo e depois “pulam” para outro canal, seguindo uma hopping sequence pré-determinada requer sincronização
Implementa FDM/TDM
Exemplo de “Hopping lento” e “Hopping rápido” com 3 frequências
 
f1
f2
f3
0
1
0
0
1
0
td
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 um hopping code (pseudo-randômico) determina a frequência portadora para cada time-slot 
 quando é detectada uma colisão, retransmite-se o dado no próximo slot
 há um limite para o # de transmissôes simultâneas
 Bluetooth: usa 79 portadoras com 1.600 hops/s
 Vantagem: evita interferência com transmissão em largura de banda estreita
RSF – FHSS
Frequency Hopping é uma das técnicas de modulação usada em IEEE 802.11
...
Min_freq
Max_freq
Frequência 
portadora
*
RSF– DSSS
Direct Sequence Spread Spectrum
Princípio de funcionamento
 a fonte codifica cada bit de dados de acordo com um chipping code (que causa o espalhamento do sinal) e destino faz o “encolhimento” usando o mesmo código
 espalhamento e encolhimento através de operação NOT XOR (atribui 1 quando os valores são iguais)
ZigBee utiliza DSSS
Chipping Code [00010011100]
Dados: 1 0 1
	11111111111, 00000000000, 11111111111
Code:	00010011100, 00010011100, 00010011100
Sequência transmitida:
	00010011100, 11101100011, 00010011100
*
RSF – DSSS
Direct Sequence Spread Spectrum
*
RSF – DSSS
802.11b
22 MHz
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RSF - OFMD
Orthogonal Frequency Division Multiplexing
Caso especial de FDM
Combina esquemas de múltiplo acesso com modulação
Frequency Division Multiplexing
OFDM frequency dividing
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RSF - OFMD
Divide um canal “largo” em vários sub-canais
Os sub-canais são utilizados em paralelo para obter maior throughput
802.11:
802.11a
802.11g
802.11n
UWB
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RSF - OFMD
Como outras técnicas de espalhamento de sinal, aumenta a resitência à interferência de banda estreita
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RSF – Modulação em 802.11
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