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SISTEMA WIRELESS APLICADO À AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
Aula 5: Padrões de Acesso em Radio Digital Industrial
Tema da Apresentação
 Padrões de Acesso em Radio Digital Industrial - AULA 5
SISTEMA WIRELESS APLICADO À AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
Conteúdo Programático desta aula
Nesta aula você irá:
 Ter uma visão global dos sistemas 
wireless :PAN ( Personal Area Network ) , MAN ( Metropolitan Area Network ) e WAN (Wide Area Network ).
 Aprender os conceitos do sistema RFID e suas aplicações no campo industrial.
 Aprender conceitos das redes WAN nos padrões GPRS, EDGE e HSPA.
Tema da Apresentação
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SISTEMA WIRELESS APLICADO À AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
EVOLUÇÃO DAS REDES SEM FIO
Atualmente os sistemas sem fios removem barreiras nas soluções com fios e oferecem soluções que antes não eram sequer imaginadas. 
A ideia da comunicação sem fio nasceu em meados do Sec. XIX, e no decorrer dos anos a partir de uma série de descobertas e avanços científicos, chegou-se à definição da tecnologia Wireless, com redes de comunicações globais, em uma diversidade de ambientes, possibilitando inúmeras aplicações e soluções.
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EVOLUÇÃO DAS REDES SEM FIO
Um grupo de pesquisadores sob a liderança de Norman Abramson, em 1971, na Universidade do Havaí, criou o pacote “First-switched” de rede de comunicação de rádio intitulado “Alohanet”, primeira rede local sem fio, a qual era composta de sete computadores que comunicava à outra parte. Já em 1990, surgiu o Grupo de Trabalho 802.11, que foi responsável por buscar uma norma sem fios para todos os computadores se comunicar. Em 1995, desenvolveu-se a primeira tecnologia WIRELESS, o BLUETOOTH com objetivo de conectar telefones móveis e outros aparelhos por meio de ondas de rádio. 
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EVOLUÇÃO DAS REDES SEM FIO
Em 1997, o organismo regulador IEEE (Institute of Electrical Electronics Engineers) publicou o protocolo 802.11 e liberou as faixas de frequência 2.4 Ghz ou 5 Ghz. Em 1999, surgiu a Associação de empresas Wi-Fi Alliance, com o nome de Ethernet Compatibility Alliance (WECA) e, em 2003, passou a ser Wi-Fi. Eles trabalharam com o padrão 802.11 e licenciaram os produtos baseados na tecnologia sem fio. A partir daí, surgiram outras inúmeras associações e padrões buscando soluções e melhorias para adequar as redes sem fio à Ethernet e torná-las mais rápidas, mais confiáveis e seguras .
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PRINCIPAIS TIPOS DE REDE SEM FIO
O PADRÃO 802.11
O protocolo 802.11 do IEEE consolidou a utilização das redes de acesso sem fio mundialmente, pois padronizou os equipamentos para este fim dos mais diversos fornecedores. O grupo 802 é uma seção do IEEE relacionado à rede e tecnologia de porte médio e local, estabelecendo os protocolos de comunicação em rede, espectro de frequências e a regulamentação da ANATEL.
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 PRINCIPAIS TIPOS DE REDE SEM FIO
Este grupo define alguns outros subgrupos que especificam as redes que utilizam comunicação sem fio de acordo com o alcance e a taxa de transferência empregada nas tecnologias sem fio. Destaca-se a existência de quatro grandes grupos, em que as duas primeiras tendem a ser bem exploradas para o ambiente industrial, com inúmeras soluções e aplicações, conf. Figura 1. 
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Figura 1 - Exemplo Rede Wireless
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 PRINCIPAIS TIPOS DE REDE SEM FIO
WPAN – Wireless Personal Area Network é uma tecnologia de pequeno alcance (entre 10 e 100 metros) e de baixa taxa de transmissão. É um padrão para redes que interligam dispositivos pessoais ou redes de sensores sem fio, definido pelo IEEE 802.15. Entre esses padrões, destacam-se o IEEE 802.15.1 (Bluetooth), IEEE 802.15.3 (UWB) e o IEEE 802.15.4 (ZigBee, Wireless Hart e ISA100);
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 PRINCIPAIS TIPOS DE REDE SEM FIO
WLAN – Wireless Local Área Network – Tecnologias sem fio destinadas à interligação de redes locais com alcance entre 100 e 300 metros, também conhecidas com Wi-Fi (Wireless Fidelity). Trata-se de padrão existente como extensão ou alternativa para as redes com cabeamento convencional Ethernet (Par metálico ou fibra ótica), definido pelo IEEE 802.11x (onde o x equivale ao tipo de rede: a, b, g, i ou n); 
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 PRINCIPAIS TIPOS DE REDE SEM FIO
WMAN – Wireless Metropolitam Área Network – Tecnologias que tratam dos acessos de banda larga para a última malha em redes metropolitanas, com alcance em torno de 6 Km, definida pelo 
padrão IEEE 802.16 (Wimax); 
WWAN – Wireless Wide Area Network – Tecnologias voltadas para as redes de longa distância em 
telecomunicações, atendendo aos serviços de voz e a alguns serviços de dados, definidas pelo 
padrão IEEE 802.20 (MBWA). 
 
 
 
 
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Tecnologias Wireless e os ambientes industriais 
As tecnologias de redes sem fio têm demonstrado um grande potencial para aplicações industriais, comerciais e de consumo. Especificamente no monitoramento e controle de processos, obtendo e disponibilizando dados de processo (pressão, umidade, temperatura, vazão, nível, densidade,viscosidade, medições de intensidade de vibração, etc.), que podem ser coletados por meio de unidades de detecção e transferidos sem fio para um sistema de controle para a operação e gestão. Na Figura 2, é possível verificar a gama de instrumentos que já existem disponibilizados no mercado. 
 
 
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Figura 2 – Dispositivos Wireless para Automação Industrial
Tecnologias Wireless e os ambientes industriais 
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Como é considerada uma tecnologia onipresente, as questões gerais a respeito têm sido extensivamente pesquisadas por grupos de fabricantes e na área acadêmica. Sendo assim, além de analisar os resultados recentes de pesquisas e desenvolvimento de tecnologias wireless para ambiente industrial, vamos evidenciando as características básicas de cada um, como vantagens, desvantagens e aplicações de campo. 
 
 
Tecnologias Wireless e os ambientes industriais 
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As redes sem fio foram desenvolvidas originalmente para trabalhar com o tráfego de voz e não de dados. Os atrasos de menos de 100ms são exigidos para tráfego de voz a
fim de se evitar os indesejados efeitos de eco, mas atrasos maiores podem ser tolerados para a transmissão de dados. Aliás, a ideia de se interligar computadores com a finalidade de trocarem dados eficientemente é relativamente nova. Surgiu nos anos 70 com a forte tendência dos grandes sistemas chamados de Mainframes - predominante na década de 60. 
 
 
 Tecnologias Wireless e os ambientes industriais 
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 PRINCIPAIS TIPOS DE REDE SEM FIO 
Dentro de cada filial, contudo, o alto custo dos periféricos de impressão e armazenagem criou a necessidade de compartilhar esses equipamentos entre os usuários desses sistemas. Isso criou respectivamente os conceitos de rede WAN (Wide Area Network), conectando os minicomputadores das diferentes filiais, e rede LAN (Local Area Network), conectando os diferentes periféricos em uma mesma filial.
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WAN 
3G
WCDMA
GPRS
EDGE
MAN
WIMAX
802.16
Real Broadband
e Mobility
LAN
WI-FI
802.11
<300ft
PAN
RFID/TAG
UWB e Bluetooth
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 REDES DE ACESSO LOCAL SEM FIO – WLAN
Uma rede de acesso local sem fio, tratada como WLAN, é um sistema flexível de comunicação de dados capaz de oferecer acesso de um ponto a outro em uma rede independente da localização das estações de trabalho, utilizando ondas eletromagnéticas de alta frequência, infravermelho ou rádio frequência, minimizando a necessidade de conexão cabeada, ou backbone existente e um grupo de computadores, dando ao usuário acesso a todos os recursos e serviços dentro de um campus ou edifício.
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 REDES DE ACESSO LOCAL SEM FIO – WLAN
As redes WLAN podem operar de duas maneiras diferentes, a saber: o ad - hoc ou Infra - estrutura.
Na topologia “ad hoc”, também conhecida como peer to peer - P2P, cada um dos pontos ou nós da rede, funciona tanto como cliente quanto como servidor e todos os equipamentos de dados (chamados de end -points) que possuem placas de redes comunicam-se diretamente entre si. A Figura 3, apresenta este conceito. Como característica desta rede, destaca-se a simplicidade, pois não necessita de pré - configuração dos equipamentos e nem a do administrador do sistema.
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Figura 3 –Exemplo de rede ponto a ponto
REDES DE ACESSO LOCAL SEM FIO – WLAN
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REDES DE ACESSO LOCAL SEM FIO – WLAN
Já a topologia ”Infra - estrutura” (em estrela), onde há uma unidade central, denominada de Access point, que se comunica com todos os pontos da rede (end points) e a adição de um ponto extra é feita aproximando-se o computador da área de cobertura, conforme visto na Figura 4.
 Figura 4 –Exemplo de rede em estrela
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REDES DE ACESSO LOCAL SEM FIO – WLAN
Comparando as duas topologias, percebe-se que a configuração “ad hoc” é útil para colocar no ar rapidamente, uma rede em salas de reunião ou qualquer lugar, onde não hajam facilidades já instaladas, sendo que o alcance dos sinais de rádio frequência, é o maior limitante deste tipo de configuração. Já na configuração “Infra - estrutura”, o alcance da rede é maior, principalmente quando se trata de andares de edifícios e salas comerciais, porém há o custo extra do equipamento Access point.
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 TECNOLOGIAS DAS LANS
Existem duas tecnologias possíveis para se implantar uma rede local sem fio, que estão diretamente relacionadas à largura da banda que esta irá operar:
• Banda Estreita ( Narrow Band ) – Opera em uma frequência de rádio específica, mantendo este sinal o mais limitado possível, o suficiente para passar as informações necessárias. As interferências indesejáveis entre os vários canais de comunicação podem ser evitadas com o planejamento cuidadoso entre os usuários nos diferentes canais de comunicação; 
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 TECNOLOGIAS DAS LANS
•Banda Larga (Wide Band) – Utiliza uma faixa considerável de frequência, diferentemente da tecnologia em banda estreita. Dentro desta categoria está a técnica baseada no Espalhamento Espectral ou SSM – Spread Spectrum Modulation, que foi concebido conceitualmente pela atriz americana Hedy Lamarr e o pianista George Antheil em 1942, e desenvolvida para usos militares nos anos 50, devido a sua característica de segurança e confiabilidade na transmissão de informações confidenciais. 
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 SISTEMA RFID
“Radio Frequency Identification” que significa, identificação automática por radio frequência. Trata-se então de um sistema ou método de identificação automática através de sinais de radio, recuperando e armazenando dados remotamente através de dispositivos chamadas de tags RFID. Uma Tag ou etiqueta RFID é um transponder reutilizável, ou seja, um pequeno objeto que pode ser fixado em uma pessoa , animal , equipamento, embalagem ou num produto dentre outros. 
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SISTEMA RFID
 
A tecnologia consiste básicamente de três componentes que são as antenas, o transceptor (leitor) e o transponder (Tags ou etiquetas), além obviamente do computador de controle, onde as informações são processadas , podendo gerar relatórios diversos e alarmes.
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 SISTEMA RFID
A antena é o canal entre o tag e o transceptor , que controla a aquisição dos dados e comunicação  do sistema emitindo um sinal de RF ( radio frequência ) para a tag.
Assim sendo, temos 4 faixas de operação , a saber :
- Low Frequency ( LF ) ou baixa frequência: Operam na faixa de 125 a 134 Khz, sendo mais utilizadas para curtas distancias de leitura.Possui baixa transferência de dados( 5 Kbps) e faz leitura de 1 só tag por vez;
 High Frequency ( HF ) ou alta frequência: Operam, na frequência de 13,56 Mhz, podendo serem utilizados para distancias medias , podem fazer múltiplas leituras .
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 SISTEMA RFID
- Ultra High Frequency ( UHF ) ou ultra alta frequência: Operam na faixa de 860 a 960 mhz. Possui alta taxa de transferência de dados e podem operar com distâncias de
até 100 metros, caso se utilize as tags ativas;
 Micro-ondas: Operam em 2,4 e 5.8 Ghz. Possuem alta taxa de transferência e leitura a grandes distâncias.
Os sistemas RFID possui um vasto campo de aplicação. 
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 SISTEMA RFID
 Características
do Sistema: 
Maior capacidade de obter maior número de informações 
 e identificar vários itens ao mesmo tempo, não exigindo 
 leitura em linha; 
Maior vida útil por não sofrer desgastes por atrito ou ser 
 corrompido por risco ou sujeira;
- Possui grande variedade de formatos e tamanho; 
- Podem serem reutilizados; 
- Não exige contato visual; 
 Eliminação dos erros de leitura e escrita dos Dados.
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 SISTEMA VIA REDE MÓVEL CELULAR. 
Padrões GPRS, EDGE e HSPA.
As conexões móveis estão se tornando as sucessoras do acesso discado, porque estão disponíveis em praticamente qualquer lugar, atendendo até mesmo as áreas mais afastadas. As coisas mudaram a partir da introdução das redes GSM, que trouxeram o GPRS e EDGE e, mais recentemente, com a implantação das redes 3G, também o WCDMA e o HSDPA/HSUPA.
O GSM (Groupe Spécial Mobile, mais tarde renomeado para Global System for Mobile) surgiu da idéia de criar um padrão unificado de telefonia, capaz de substituir os diversos padrões proprietários usados na primeira geração de redes celulares. A primeira rede GSM entrou em operação em 1991, na Finlândia, e este padrão se popularizou rapidamente desde então, tornando-se a força dominante em todo o mundo.
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 SISTEMA VIA REDE MÓVELCELULAR. 
Padrões GPRS, EDGE e HSPA
Conforme podemos perceber pela figura, no sistema GSM cada célula é dividida em três setores, formando 12 grupos de frequências (canais analógicos), reutilizados em cada grupo de 4 células (reuso de frequência 4 x12).
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 SISTEMA VIA REDE MÓVELCELULAR. 
Padrões GPRS, EDGE e HSPA.
O GPRS (tecnologia 2.5G) foi a primeira opção de acesso à web através da rede celular realmente utilizável. Ele é um sistema inteiramente digital, baseado na transmissão de pacotes, tarifado de acordo com o volume de dados transferido e não mais por tempo de conexão.
No GPRS são usados slots (ou canais) de dados, com de 8 a 20 kbits cada um, de acordo com o sistema de modulação usado. O CS-4, usado apenas quando o aparelho está próximo à antena, oferece os 20 kbits completos. Conforme decai a qualidade do sinal, passa a ser usado o CS-3 (14.4 kbits), CS-2 (12 kbits) ou CS-1 (8 kbits).
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 SISTEMA VIA REDE MÓVELCELULAR. 
Padrões GPRS, EDGE e HSPA.
Quando se ativa o serviço de dados GPRS nas redes móvel celular GSM ( Segunda geração), usa-se os mesmos canais digitais (times lots) antes destinados somente aos usuários de voz, porém transportando informação de dados ao invés da voz codificada. Portanto, temos uma disputa de canais entre os usuários de voz e os de dados, e cabe à rede priorizar (ou não) um serviço em detrimento do outro, de acordo com a capacidade disponível e a demanda apresentada. Atualmente, o GPRS é a modalidade mais simples de conexão oferecida pelas operadoras GSM, usado como suporte nas áreas onde o UMTS ou o EDGE não estão disponíveis.
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 SISTEMA VIA REDE MÓVELCELULAR. 
Padrões GPRS, EDGE e HSPA.
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 SISTEMA VIA REDE MÓVELCELULAR. 
Padrões GPRS, EDGE e HSPA.
O sistema EDGE(Enhanced Data Rates for GSM Evolution) uma evolução do GPRS, que mantém a mesma estrutura GSM, mas implementa um novo sistema de modulação, que multiplica por três a velocidade de conexão. Apesar do aumento da velocidade, o EDGE não é considerado uma tecnologia 3G, mas sim 2.75G.
No EDGE são utilizados nove sistemas de modulação, que vão do MCS-9 (59.2 kbits por slot) até o MCS-1 (8.8 kbits), passando por estágios intermediários de 54.4, 44.8, 29.6, 22.4, 17.6, 14.8 e 11.2 kbits, de acordo com a qualidade do sinal. Assim como no GPRS, são usados 4 slots para download e um slot para upload.
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 SISTEMA VIA REDE MÓVELCELULAR. 
Padrões GPRS, EDGE e HSPA.
Em seguida, temos as conexões 3G. Apesar de inicialmente ter concorrido com o EVDO (o sistema 3G baseado no CDMA), o UMTS (Universal Móbile Telecomm System) acabou emergindo como a tecnologia adotada por todas as operadoras nacionais que já oferecem acesso 3G, entre elas a Claro (que passou a oferecer planos 3G baseados no UMTS a partir do final de 2007), a TIM, a Oi e até mesmo a Vivo, que passou a operar uma rede mista, com o UMTS e o EVDO.
Assim como no caso do GSM, que suporta o uso do GPRS e do EDGE, o UMTS oferece dois modos de acesso, que são usados de acordo com a disponibilidade, qualidade da recepção e do modo suportado pelo aparelho.
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 SISTEMA VIA REDE MÓVELCELULAR. 
Padrões GPRS, EDGE e HSPA 
High Speed Packet Access (HSPA) é uma coleção de dois protocolos de telefonia móvel High Speed Downlink Packet Access (HSDPA) e High Speed Uplink Packet Access (HSUPA), que ampliam e melhoram o desempenho dos protocolos existentes WCDMA. Taxas de transmissão de até 14,4 Mbit/s para downlink e 5,76 Mbit/s no sentido uplink. Mais tarde, a HSPA Evolved (também conhecida como HSPA +), foi lançada.
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 SISTEMA VIA REDE MÓVELCELULAR. 
Diferentemente do GPRS/EDGE, a tecnologia adotada pelo 3GPP (3rd Generation Partnership Project) para prover serviços de dados de alta capacidade em redes celulares, chamada de 3G, não aproveita os recursos de RF das redes GSM. Na verdade, são instalados novos elementos dedicados somente ao serviço de dados, utilizando faixas de frequência diferentes da rede de voz e dados GSM. Esses novos elementos formam o chamado UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network) e podem ser visualizados na imagem a seguir.
Padrões GPRS, EDGE e HSPA.
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Padrões GPRS, EDGE e HSPA.
O mais básico é o WCDMA– Wide-Band Code-Division Multiple Acess, (não confundir com o CDMA, que é o padrão concorrente do GSM), que oferece taxas de transmissão de até 384 kbits, tanto para download quanto para upload. Apesar de, no papel, o valor ficar próximo dos 236.8 kbits oferecidos pelo EDGE, na prática o WCDMA oferece tempos de latência muito melhores e uma conexão muito mais utilizável. Um bom exemplo da diferença é o uso de aplicativos de VoIP, que são quase inutilizáveis no EDGE, devido ao lag na transmissão, mas fluem de forma satisfatória no WCDMA.
 SISTEMA VIA REDE MÓVELCELULAR. 
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 SISTEMA VIA REDE MÓVEL CELULAR
Padrões GPRS, EDGE e HSPA.
Em seguida temos o HSDPA, um protocolo mais recente, que reduz a latência e aumenta a taxa de download da rede de forma expressiva. Utilizando o HSDPA como protocolo de transporte, o UMTS suporta taxas de 1.8, 3.6, 7.2 e 14.4 megabits, de acordo com a implementação usada pela operadora (no Brasil a versão
de 7.2 megabits é a mais comum). O HSDPA é considerado um protocolo 3.5G e (na maioria dos aparelhos) é possível verificar qual sistema está sendo usado simplesmente olhando o ícone da conexão. Um "3.5G" indica que está sendo usado o HSDPA, um "3G" que está em uso o WCDMA, um "E" que está sendo usado o EDGE e um "G" que você está em uma área em que apenas o velho GPRS está disponível.
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 SISTEMA VIA REDE MÓVEL CELULAR
HSPA (UMTS - Universal Mobile Telecommunication System)
Com relação à parte de RF, tudo é diferente. Podemos ver na figura aa seguir as diferenças entre os sistemas 2G/2,5G (GSM/GPRS_ em TDMA e os sistemas 3G (UMTS) que operam em WCDMA (Wide-Band Code-Division Multiple Access):HSPA (UMTS - Universal Mobile Telecommunication System).
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 SISTEMA VIA REDE MÓVEL CELULAR
 No quadro abaixo podemos ver a evolução do padrão UMTS- HSPA agora 
 denominado HSPA+ ( Evolved)
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Resumindo, tivemos nesta aula
 Uma visão global dos sistemas 
wireless :PAN (Personal Area Network) , MAN (Metropolitan Area Network) e WAN (Wide Area Network).
 Mostrados os conceitos do sistema RFID e suas aplicações no campo industrial.
 Vistos conceitos das redes WAN nos padrões GPRS, EDGE e HSPA.
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