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Sistemas de Comunicações Móveis Professor: MSc. Rafael Antônio Gonçalves Lima Plano de Aula 1. Introdução 2. Redes sem fio e redes móveis 3. Elementos de uma rede sem fio 4. Características de enlaces sem fio 5. IEEE 802.11 6. Métodos de acesso em comunicações móveis 7. Reuso de Frequência e Handoffs 8. Conclusão Professor: MSc. Rafael Antônio Gonçalves Lima Plano de Aula 1. Introdução 2. Redes sem fio e redes móveis 3. Elementos de uma rede sem fio 4. Características de enlaces sem fio 5. IEEE 802.11 6. Métodos de acesso em comunicações móveis 7. Reuso de Frequência e Handoffs 8. Conclusão Professor: MSc. Rafael Antônio Gonçalves Lima Introdução • Atualmente o crescimento da comunicação sem fio têm ocorrido rapidamente. Independentemente do crescimento futuro de equipamentos sem fio, ficou claro que redes sem fio e os serviços móveis relacionados vieram para ficar. (KUROSE, 2010). • Entre os sistemas de comunicações móveis, podemos citar algumas tecnologias: • LANs sem fio (Wi-Fi, Bluetooth, WiMAX); • Telefonia Celular; • Satélites. Professor: MSc. Rafael Antônio Gonçalves Lima Redes sem fio e redes móveis Cenário Atual: • Assinantes de telefonia celular ultrapassaram o número de linhas telefônicas convencionais. • Muitos dispositivos sem fio conectados à Internet: laptops, smartphones, tablets, etc. • Dois importantes desafios, porém diferentes: • Comunicação sem fio. • Mobilidade. Professor: MSc. Rafael Antônio Gonçalves Lima Elementos de uma rede sem fio Infraestrutura de rede wireless hosts hosts sem fio estações base enlaces sem fiomean mobility Professor: MSc. Rafael Antônio Gonçalves Lima Características de enlaces sem fio Interna 10-30m Externa 50-200m Externa de meia distância 200m – 4 Km Externa de longa distância 5Km – 20 Km .056 .384 1 4 5-11 54 2G: IS-95, CDMA, GSM 2.5G: UMTS/WCDMA, CDMA2000 802.15 802.11b 802.11a,g 3G: UMTS/WCDMA-HSPDA, CDMA2000-1xEVDO 4G: LTWE WIMAX 802.11a,g point-to-point 200 802.11n D a ta r a te ( M b p s ) Professor: MSc. Rafael Antônio Gonçalves Lima Características de enlaces sem fio • SNR (razão sinal-ruído) • BER (taxa de erro de bits) • Aumento de potência -> aumento SNR -> diminui BER • SNR e BER podem ser alterados como resultado da mobilidade ou ambiente (modulação adaptativa) 10 20 30 40 QAM256 (8 Mbps) QAM16 (4 Mbps) BPSK (1 Mbps) SNR(dB) 10-1 10-2 10-3 10-5 10-6 10-7 10-4 B E R Professor: MSc. Rafael Antônio Gonçalves Lima Características de enlaces sem fio Diferenças importantes em relação aos enlaces cabeados: • Redução da força do sinal • Interferência de outras fontes • Propagação multivias Professor: MSc. Rafael Antônio Gonçalves Lima Características de enlaces sem fio Problema do terminal oculto e do desvanecimento da força do sinal A B C A B C Sinal forte do host A localização Sinal forte do host C Professor: MSc. Rafael Antônio Gonçalves Lima IEEE 802.11 Wireless LAN BSS 1 BSS 2 Internet • 802.11b • 2.4-5 Ghz • 11 Mbps • 802.11a • 5-6 Ghz • 54 Mbps • 802.11g • 2.4-5 Ghz • 54 Mbps • 802.11n • 2.4-5 Ghz • 200 Mbps BSS: Basic Service Set ESS: Extended Service Set Base Station = Access Point Modo Infraestrutura ESS Professor: MSc. Rafael Antônio Gonçalves Lima IEEE 802.11 Wireless LAN Canais e Associação: • O administrador define ao AP um Identificador de Conjunto de Serviços (Service Set Identifier – SSID) • Também é definido um número de canal ao AP. Exemplo: Na rede 802.11b a faixa de frequência é de 2,4 a 2,485 Ghz. Nesses 85 Mhz são definidos 11 canais sobrepostos parcialmente. • Para um host conectar à rede deve ocorrer a associação com um dos APs. Professor: MSc. Rafael Antônio Gonçalves Lima IEEE 802.11 Wireless LAN AP 2AP 1 H1 BBS 2BBS 1 1 2 3 1 Escaneamento passivo: (1) Quadros de avisos são enviados (2) Quadro de requisição de associação é enviado (3) Quadro de resposta de associação é enviado AP 2 AP 1 H1 BBS 2BBS 1 1 22 3 4 Escaneamento Ativo: (1) Quadro de requisição broadcast é enviado por H1 para sondar o meio (2) Quadros de resposta são enviados (3) Quadro de requisição de associação é enviado (4) Quadro de resposta de associação é enviado Professor: MSc. Rafael Antônio Gonçalves Lima IEEE 802.11: Acesso Múltiplo • Uma vez que uma estação sem fio está associada a um AP, pode-se enviar e receber quadros de dados. • Porém, como várias estações podem transmitir quadros de dados ao mesmo tempo? Professor: MSc. Rafael Antônio Gonçalves Lima IEEE 802.11: Acesso Múltiplo • Os projetistas do 802.11 escolheram o protocolo denominado acesso múltiplo por detecção de portadora com prevenção de colisão (CSMA/CA – Carrier Sense Multiple Access / Colision Avoidance) • Cada estação sonda o canal antes de transmitir e abstém-se de transmitir quando percebe que o canal está ocupado. • Como não há detecção de colisão, uma vez que a estação começa a transmitir um quadro, ela o transmite integralmente. • O protocolo não implementa a detecção de colisão por duas razões importantes: Envio e Recebimento Simultâneo, e problemas do terminal oculto e desvanecimento do sinal. Professor: MSc. Rafael Antônio Gonçalves Lima IEEE 802.11: Acesso Múltiplo • Os projetistas do 802.11 escolheram o protocolo denominado acesso múltiplo por detecção de portadora com prevenção de colisão (CSMA/CA – Carrier Sense Multiple Access / Colision Avoidance) • Cada estação sonda o canal antes de transmitir e abstém-se de transmitir quando percebe que o canal está ocupado. • Como não há detecção de colisão, uma vez que a estação começa a transmitir um quadro, ela o transmite integralmente. • O protocolo não implementa a detecção de colisão por duas razões importantes: Envio e Recebimento Simultâneo, e problemas do terminal oculto e desvanecimento do sinal. Professor: MSc. Rafael Antônio Gonçalves Lima Prevenção de Colisão: RTS-CTS APA B tempo DATA (A) reservation collision bloqueio Quadro 802.11 Internet routerH1 R1 AP MAC addr H1 MAC addr R1 MAC addr address 1 address 2 address 3 802.11 frame R1 MAC addr H1 MAC addr dest. address source address 802.3 frame Professor: MSc. Rafael Antônio Gonçalves Lima Métodos de Acesso em Comunicações Móveis Canalização (partição de canal): • Método de acesso múltiplo no qual a largura de banda disponível em um canal é compartilhada no tempo, na frequência ou por meio de um código, entre diferentes estações. Esses métodos são usados em redes celulares e outras redes sem fio. • Exemplos: • FDMA (Acesso Múltiplo por Divisão de Frequência) • TDMA (Acesso Múltiplo por Divisão de Tempo) • CDMA (Acesso Múltiplo por Divisão de Código) Professor: MSc. Rafael Antônio Gonçalves Lima Métodos de Acesso em Comunicações Móveis Propriedades desejáveis em protocolos de acesso múltiplo: • Quando apenas um nó está ativo, esse nó ativo tem uma vazão de R bps. • Quando M nós estão ativos, então cada nó ativo tem uma vazão de aproximadamente R/M bps. • Exemplo: CDMA • O CDMA difere do FDMA pois um único canal ocupa toda a largura de banda do enlace. Ele difere do TDMA pois todas as estações podem enviar dados simultaneamente. Professor: MSc. Rafael Antônio Gonçalves Lima Code Division Multiple Access (CDMA) • Todos os usuários compartilham a mesma frequência. • Permite a coexistência de múltiplos usuários e a transmissão simultânea com mínima interferência. • Sinal codificado= dados originais X sequência de código (chipping) slot 1 slot 0 d1 = -1 1 1 1 1 1- 1- 1- 1- Zi,m= di .cm d0 = 1 1 1 1 1 1- 1- 1- 1- 1 1 1 1 1- 1- 1- 1- 1 1 11 1-1- 1- 1- slot 0 channel output slot 1 channel output Canal de Saída Zi,m sender code data bits Professor: MSc. Rafael Antônio Gonçalves Lima O Sistema de Telefonia Móvel • Enquanto os sistemas móveis de rádio procuram geralmente abranger uma maior área de cobertura utilizando um único transmissor de alta potência como uma antena no alto de um prédio, o conceito de telefonia celular procura resolver o problema do congestionamento do espectro e da capacidade de usuários utilizando vários transmissores de baixa potência, onde cada um cobre uma pequena área. • Estratégias para controle de potência e redução da interferência são utilizadas. Reuso de frequência, bem como utilização de micro células e antenas setoriais são algumas delas. Professor: MSc. Rafael Antônio Gonçalves Lima Reuso de Frequência C C ET – D e p artam e n to d e C iê n cias d a C o m p u tação Professor: MSc. Rafael Antônio Gonçalves Lima O Sistema de Telefonia Móvel C C ET – D e p artam e n to d e C iê n cias d a C o m p u tação Mobile Switching Center Public telephone network Mobile Switching Center cobertura geográfica estação base (BS) usuários móveis associam à rede através da BS célula rede cabeada MSC conectam as células à rede cabeada gerenciam as chamadas transferências (handoffs) MSC: central de comutação de unidade móvel Professor: MSc. Rafael Antônio Gonçalves Lima O Sistema de Telefonia Móvel Como uma chamada de telefone celular é feita? 1. Quando o telefone celular é ligado, é feito um rastreamento no grupo de canais de controle (FCCs) para determinar um com o sinal mais forte e então o monitora. Ainda é feito o rastreamento dos FCCs em busca do sinal da BS mais forte. 2. Quando a chamada é efetuada para um celular, o MSC dispara uma requisição para todas as BS do sistema. O número de telefone é enviado por difusão para todos os FCCs. O celular recebe a mensagem enviada pela BS que está monitorando e responde se identificado através do canal de controle RCC. A BS encaminha a confirmação enviada pelo celular e informa o MSC do estabelecimento da comunicação. O MSC instrui a BS para mover a chamada para dois canais de voz não utilizados. C C ET – D e p artam e n to d e C iê n cias d a C o m p u tação Professor: MSc. Rafael Antônio Gonçalves Lima O Sistema de Telefonia Móvel Handoffs Numa chamada estabelecida, o MSC ajusta a potência de transmissão e altera o canal do celular e da BS para manter a qualidade da chamada em movimento (que entra e sai da área de cobertura da BS). Esse processo é chamado de handoff. Sinais de controle especiais são aplicados aos canais de voz de modo que a unidade móvel possa ser controlada pela BS e MSC enquanto a chamada está em andamento. C C ET – D e p artam e n to d e C iê n cias d a C o m p u tação Professor: MSc. Rafael Antônio Gonçalves Lima C C ET – D e p artam e n to d e C iê n cias d a C o m p u tação Professor: MSc. Rafael Antônio Gonçalves Lima Estratégias de Handoff • Um sinal mínimo para uma qualidade de voz aceitável está entre -90dBm e -100dBm. • Decisões de handoff são móvel assistidas (MAHO – Mobile Assisted Handoff), onde cada estação móvel mede a potência emitida pelas estações base próximas e continuamente reporta os resultados para a estação base em que está associada. • Um método de priorização de handoff é chamado de conceito de guarda de canal, onde uma fração dos total de canais na célula é reservado exclusivamente para requisições de handoffs. • Outro método de priorização de handoff é a utilização filas de requisições, de modo que diminua a finalização de chamadas forçadas. C C ET – D e p artam e n to d e C iê n cias d a C o m p u tação Professor: MSc. Rafael Antônio Gonçalves Lima Estratégias de Handoff C C ET – D e p artam e n to d e C iê n cias d a C o m p u tação Outra questão das transferências é a velocidade dos dispositivos móveis ao mudar de células. Para isso utiliza-se Umbrella Cells. Professor: MSc. Rafael Antônio Gonçalves Lima Handoffs H1 BBS 2 BBS 1 Professor: MSc. Rafael Antônio Gonçalves Lima Referências • FOROUZAN, Behrouz A.; MOSHARRAF, Firouz. Redes de Computadores: Uma Abordagem Top-Down. 1 ed. Porto Alegre: Bookman. 2013. • KUROSE, James F.; ROSS, Keith W. Redes de Computadores e a Internet: uma abordagem top-down. 5 ed. São Paulo: Pearson Education do Brasil. 2010. • RAPPAPORT, S. Theodore. Wireless Comunications: Principles and Practice. 2 ed. New Jersey: Prentice Hall, 2002. • TANENBAUM, Andrew S.; WETHERAL, David. Redes de Computadores. 5 ed. São Paulo: Pearson Prentice Hall. 2011. Professor: MSc. Rafael Antônio Gonçalves Lima Perguntas Professor: MSc. Rafael Antônio Gonçalves Lima
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