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UNIVERSIDADE FEDERAL DE GOIÁS UNIVERSIDADE FEDERAL DE GOIÁS
INSTITUTO DE INFORMÁTICAINSTITUTO DE INFORMÁTICA
Computação Móvel e Ubíqua
Ciência da Computação
Prof. Vagner J. do Sacramento [email protected]
www.inf.ufg.br/~vagner/
Tecnologias de Redes Sem Fio
@Vagner Sacramento 2
Padrões de Redes sem Fio
IEEE 802.15 Bluetooth
WAN
MAN
LAN
PAN ETSI HiperPAN
IEEE 802.11 WirelessLAN
ETSI HiperLAN
IEEE 802.16 WirelessMAN
ETSI HiperMAN & HIPERACCESS
IEEE 802.20(proposed)
3GPP, EDGE (GSM)
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Redes Locais sem Fio (Wireless LANs)
O Padrão IEEE 802.11
Uma visão geral
@Vagner Sacramento 4
Um pouco de História1985 a FCC (Federal Communications
Commission) impulsionou o desenvolvimento comercial de componentes
wireless LAN, autorizando o uso público das bandas ISM (Industrial,
Scientific, and Medical)a indústria de equipamentos wireless
começou a desenvolver tecnologias de rádios proprietárias;O IEEE do
802 criou grupos de trabalho (WGs) para projetar/desenvolver
padrões para a rede sem fio;
WG 11 (802.11): é o responsável pelo padrão 802.11, para as
redes locais sem fio;WG 15 (802.15): é o responsável pela
padronização de Wireless Personal Area Networks (WPANs); A
principal tecnologia atual para WPANs é o Bluetooth. WG 16
(802.16): é o responsável pela padronização das redes
metropolitanas sem fio (Broadband Wireless Metropolitan Area
Networks ou WirelessMAN)
acesso fixo em banda larga;
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@Vagner Sacramento 5
Um pouco de HistóriaEvolução do 802.11:
1990criação do IEEE 802.11 WGredes wireless já podiam operar em
bandas ISM
1997 junhopadrão IEEE 802.11 é aprovado
Um dos fatores que influenciou na demora de sua aprovação
(7anos) foi a baixa taxa de transferência inicial, em torno de
Kbps.
Em 1998 surgem os primeiros produtos no mercado1999 setembro
revisão do padrão aprovada.Nesta revisão do padrão surgiram duas
novas extensões do IEEE 802.11: 802.11b e 802.11a;
@Vagner Sacramento 6
Variações do 802.11WLAN: Termo utilizado para definir qualquer
um dos
seguintes padrões definidos pelo IEEE: IEEE 802.11:
Taxa nominal ≤ 2 Mbps em 2.4GHz.IEEE 802.11b
Taxa nominal ≤ 11 Mbps (*) em 2.4GHz.IEEE 802.11a
Taxa nominal ≤ 54 Mbps em 5 GHz.IEEE 802.11g
Taxa nominal aprox. 20Mbs em 2.4GHz.
(*) Obs: o limite teórico é de aproximadamente 70% da taxa
nominal, e a capacidade real não ultrapassa 60% da taxa nominal, ≤
6,6 Mbps
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@Vagner Sacramento 7
Faixas de frequência ISM• Bandas ISM disponíveis para uso
público;• Atualmente quem regulamenta o uso das
bandas de freqüência no Brasil é a Anatel;• Nos EUA é a FCC
(Federal Communications
Commission)
5.15 a 5.25(100 MHz)
5,15 a 5,35e
5.47 a 5.725(455 MHz)
5.15 a 5.35e
5.725-5.825(300 MHz)
5 GHz
2.481 a 2.497
(16 MHz)2.4 a 2.4835(83.5 MHz)
2.4 a 2.4835(83.5 MHz)
2.4GHz
…902-928 MHz
(26 MHz)
902-928 MHz
(26 MHz)
900 MHz
JapãoEuropaEUABandasISM
5.15 a 5.25(100 MHz)
5,15 a 5,35e
5.47 a 5.725(455 MHz)
5.15 a 5.35e
5.725-5.825(300 MHz)
5 GHz
2.481 a 2.497
(16 MHz)2.4 a 2.4835(83.5 MHz)
2.4 a 2.4835(83.5 MHz)
2.4GHz
…902-928 MHz
(26 MHz)
902-928 MHz
(26 MHz)
900 MHz
JapãoEuropaEUABandasISM
@Vagner Sacramento 8
Topologias do 802.11Existem duas formas de organizar as redes
WLAN:
Ad-hoc: Apenas computadores (2 ou mais) isolados formam uma rede
Workgroup.
Infraestrutura:Computadores e um Access Point que permite a
integração desses computadores com uma rede fixa.
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@Vagner Sacramento 9
Topologia do 802.11 - Ad-Hoc
Rede wireless isolada
Ad-hoc:Sem estrutura pré-definida.Cada computador é capaz de se
comunicar com qualquer outro.Pode ser implementada através de
técnicas de broadcast ou mestre escravo.Também chamado de IBSS:
Independent Basic Service Set.
@Vagner Sacramento 10
Topologia do 802.11 - Infra-estruturada
Linha Física
Ponto de acesso
Rede wireless integrada a uma rede física
Infra-estruturada:Os computadores se conectam a um elemento de
rede central denominado access point (AP)Uma WLAN pode ter vários
access points conectados entre si através de uma rede
física.Funciona de maneira similar as redes celulares.
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@Vagner Sacramento 11
7 – Equipamentos de redes sem fio
Rede no modo infraestruturado
@Vagner Sacramento 12
Topologia do 802.11 - Infra-estruturadaBasic Service Set (BSS) –
com apenas um Access Point (AP) e uma Basic Service Area (BSA)
AP
STA
BSS
BSA
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@Vagner Sacramento 13
Topologia do 802.11 - Infra-estruturadaExtended Service Set
(ESS)
Sistema de Distribuição (Rede FIXA, cabeamento: Par Trançado,
Cabo Coaxial, Fibra optica, Rede wireless….)
BSS-A
BSS-B
ESS
AP
STA
APSistema de DistribuiçãoSistema de Distribuição
STA
STA
Servidor WEB
@Vagner Sacramento 14
Arquitetura Lógica do 802.11
Frequency Frequency HoppingHopping
Direct Direct SequenceSequence
Infrared Infrared LightLight
DFWMAC (CSMA/CA)
LLC
PHY
MAC
Rede
Transp.
Sessão
Apresent.
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@Vagner Sacramento 15
Arquitetura Lógica do 802.11
APLICAÇÃO
APRESENTAÇÃO
SESSÃO
TRANSPORTE
REDE
ENLACE DEDADOS
FÍSICA
LLCMAC
PHY
802.2
802.11 802.3 802.5 . . .
IEEE 802
RM-OSI da ISO
802.1
@Vagner Sacramento 16
Camada FísicaTrês tipos de camada física:
1 - FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum): espalhamento de
espectro por salto em freqüências;2 - DSSS (Direct Sequence Spread
Spectrum): espalhamento de espectro por seqüência direta;3 -
Infravermelho
Todas as camadas físicas do 802.11 incluem a provisão de um
sinal de avaliação de canal livre (Clear Channel Assessment signal
- CCA);
Este sinal indica o estado atual do uso do meio sem
fio.Operações da camada Física:
Carrier Sense: para determinar o estado do meio;Transmit: para
enviar octetos(bytes) dos frames de dados;Receive: para receber
octetos do frame de dados;
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@Vagner Sacramento 17
Camada Física - FHSSFHSS
Usa a banda ISM de 2.4GHz (2,400GHz até 2,480GHz);Taxas de
transmissão: 1Mbps (2Mbps opcional);Transmissão em 79 canais de
1MHzMínimo de 2.5 hops por segundo (~400ms entre cada hop);AP é o
mestre e envia periodicamente sinais de controle “beacons” para
informar as unidades móveis o conjunto de saltos de frequência,
sequência e tempo…
O transmissor e o receptor transmitem utilizando um desses
canais por um certo tempo (dweel time) e depois saltam para outro
canal;
@Vagner Sacramento 18
Camada Física - FHSSFHSS
A seqüência de saltos pode ser selecionada através de um
utilitário de configuração do AP;O dwell time também pode ser
configurado de acordo com a sua necessidade;
Se não existe muita chance de interferência/colisão, selecione o
maior dwell time possível;Se existe muita chance de
interferência/colisão, selecione o menor dwell time possível para
reduzir a quantidade de tempo que a interferência/colisão pode
ocorrer;
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@Vagner Sacramento 19
Camada Física - FHSS
Time
Frequency (MHz)2480
2470
2460
2450
2440
2430
2420
2410
2400
.100
2402
2404
.200 .300 .400 .500 .600 .700 .800 .900
2465
2422 2421
2468
2458
2443
24172417
2408
2435
2405
2462
2425
2436
2471
2456
2412
2446
802.11 Hop Sequences802.11 Hop Sequences
@Vagner Sacramento 20
Camada Física - DSSSDSSS
método de espalhamento de espectro, no qual transmissões
simultâneas são separadas por um código (chipping code).DSSS também
utiliza a banda ISM de 2,4 GHzA taxa básica de 1 Mbps é gerada
através de uma modulação baseada em chaveamento de fase
(Differential Binary Phase Shift Keying - DBPSK)A taxa de 2 Mbps
usa modulação diferencial quaternária por chaveamento de fase
(DQPSK); a banda de 2.4GHz é dividida em 14 canais de 22MHz. Canais
adjacentes se sobrepõem parcialmente, mas sempre 3 dos 14 canais
são totalmente não-sobrepostos. Os dados são enviados por um destes
3 canais de 22MHz sem saltos para outras freqüências.
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@Vagner Sacramento 21
Número de Canais WLANA faixa de freqüências disponível, 2.4 -
2.4835 GHz (83,5 MHz) permite acomodar até 3 canais WLAN sem
sobreposição.Portanto, em um mesmo espaço físico podem ser usados
simultaneamente somente 3 canais sem interferência!
@Vagner Sacramento 22
Canais WLANObserva-se que apesar da modulação DSS definir 14
canais, apenas 3 não são sobrepostos.
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@Vagner Sacramento 23
Seqüência de Baker Chipping Code / Processing Gain
Cada símbolo é espalhado usando a seqüência de Barker de 11
chips;(+1,-1,+1,+1,-1,+1,+1,+1,-1,-1,-1)
Técnica para tornar o sinal mais robusto em relação ao
ruído:Cada bit é representado por um símbolo (CHIP), contendo
vários bits;A redundância do sinal permite verificar e compensar
erros;
O ganho de processamento aumenta a resistência do sinal a
interferência
Chipping Code: 0 = 111011000111 = 00010011100
Seqüência de bits de dados Seqüência de Símbolos
00010011100 11101100011 000100111001 0 1
Data Stream: 101
@Vagner Sacramento 24
Camada MACPrincipais funções da camada MAC:
Controle de acesso ao meio sem fio e junção à rede;Com apenas
três canais disponíveis, um protocolo de controle de acesso ao meio
foi definido baseado em funções de coordenação;Uma função de
coordenação determina qual estação tem permissão para transmitir e
receber dados utilizando o meio sem fio;O IEEE 802.11 define duas
funções de coordenação:
Função de Coordenação Distribuida – DCF (Distributed
Coordination Function) de implementação obrigatória. Provê um
controle de acesso com contenção;Função de Coordenação Centralizada
– PCF (Point Coordination Function) de implementação opcional.
Provê um acesso sem contenção; baseada em prioridades.
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@Vagner Sacramento 25
Camada MAC• Em todos métodos de acesso, há diversos parâmetros
para
controlar o tempo de espera antes do acesso ao meio.• Para
transmitir um quadro, uma estação deve “sentir” o
meio livre por um período de silêncio mínimo, IFS (Inter Frame
Space) antes de utilizá-lo
• Fazendo uma analogia com o CSMA/CD do 802.3, o CSMA/CA tenta
evitar a colisão ao invés de detectá-la durante a transmissão
MACDCF
PCFDistributed
CoordinationFunction
Point Coordination
Function
@Vagner Sacramento 26
Camada MAC - DCFO acesso utilizando a DCF pode ser realizado de
duas
formas:
Um esquema básico usando o CSMA/CA, de implementação
obrigatória;
Um esquema de acesso opcional que adiciona ao esquema básico o
emprego de quadros de pedidos (Request to Send - RTS) e permissões
(Clear to Send - CTS) para transmitir;
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@Vagner Sacramento 27
Camada MAC – DCF com CSMA/CADCF usando o CSMA/CA (CASO 1):
TransmitYes
START
SenderMedium Idle
= DIFSDIFS ?
Sender:Receive
Acknowledge?
DONE
Yes
Receiver CRC OK?
Wait SIFSSIFS to send ACK
Incorrect FCS value
ERROR
No
Yes
ACKACK
Detecção de colisão por reconhecimento positivo.
@Vagner Sacramento 28
Camada MACDistributed Inter Frame Spacing (DIFSDIFS) – espaço
entre quadros da DCF, este parâmetro indica o maior tempo de espera
para transmitir um quadro;Short Inter Frame Space (SIFSSIFS) – é
usado para transmissão de quadros carregando respostas imediatas,
como ACK, CTS que possuem mais alta prioridade;Priority Inter Frame
Space (PIFSPIFS) – espaço entre quadros da PCF, um tempo de espera
entre o DIFS e o SIFS . Usado para o serviço de acesso que
necessita de um retardo de transferência limitado;Extended IFS
(EIFSEIFS) – Tempo de espera por um ACK; Tempo este maior do que
DIFS;
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@Vagner Sacramento 29
Camada MAC – DCF com CSMA/CACSMA/CA (Caso 1):
A) O computador escuta o meio antes de transmitir;
Se estiver livre espera DIFS; Se após DIFS o meio ainda continua
livre, a estação transmite o quadro;
B) Receptor recebe o quadro e checa o CRC, se não tiver erro
envia ACK (Reconhecimento para confirmar que o quadro foi recebido
com sucesso);C) O receptor ouve o meio, caso ele esteja livre por
um tempo SIFS, o ACK é enviado;
@Vagner Sacramento 30
Camada MAC – DCF com CSMA/CADetecção virtual da portadora
através do NAVNAV:
A função de coordenação do MAC monitora o campo “Duration” de
todos os quadros
O campo “Duration” anuncia para todas as estações por quanto
tempo uma determinada estação utilizará o meio;
Atualiza NAV se o valor detectado for maior do que o NAV
correnteCada estação possui um NAV local;
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@Vagner Sacramento 31
Camada MAC – DCF com CSMA/CACSMA/CA (Caso 2):
DCF utilizando CSMA/CA para controlar acesso ao meio para um
transmissor qualquer...
TransmitFrameYesYes
STARTSTART
NAV=0?
Sense the mediumYes
Medium Idle= DIFSDIFS ?
RandomBackoff
TimeNoNo
Collision?Collision?
Frame TransmissionSucessful
No
NoYes
@Vagner Sacramento 32
Camada MAC – DCF com CSMA/CA
CSMA/CA :
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@Vagner Sacramento 33
Problema do Nó EscondidoColisão gerada entre nós que estão em
regiões de cobertura diferentes
B recebe quadros de dois diferentes transmissores A e C, porém
estes transmissores estão fora de alcance um do outro
@Vagner Sacramento 34
Camada MAC - DCF com RTS/CTS
transmissor receptorRTS (Ready to Send)Tamanho do pacote
CTS (Clear to Send)Tamanho do pacote
Pacote de dados VerificaCRC
ACK
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@Vagner Sacramento 35
Camada MAC - DCF com RTS/CTSDCF com pedidos (RTS) e permissão de
transmissão (CTS)
TransmitYes
START
Is AnyoneTalking?
Wait DIFS
Transmit Requestto SendNo
Clear to Send?Wait SIFS
BackoffTime
No
Receive Acknowledge?
DONE
Yes
YesNO
@Vagner Sacramento 36
Camada MAC - DCF com RTS/CTS
Com esse mecanismo (RTS e CTS), colisões só podem acontecer no
início (quando RTS está sendo enviado);Uma estação só irá utilizar
o RTS na transmissão de quadros com tamanhos maiores > limite,
para minimizar o overhead devido às mensagens de controle Caso
contrário, utilizará o esquema básico (CSMA/CACSMA/CA);O RTS e o
CTS são controlados em cada estação através de um parâmetro
configurável chamado de limiar de RTS (RTSthreshold);
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@Vagner Sacramento 37
Camada MAC – PCF com PollingNo modo PCF um ponto de coordenação
(tipicamente, o AP)
controla o acesso ao meio, através de consulta periódica
(polling) às estações relacionadas em uma lista de consulta,
proporcionando a estas estações uma oportunidade para transmitirem
sem contenção;Nem todas estações de um BSS precisam estar na lista
de consulta, apenas aquelas que precisam de um serviço sem
contenção;O AP divide o tempo de acesso em períodos chamados de
superquadros;As duas técnicas (DCF e PCF) podem
coexistir;Diferentemente da DCF sua implementação é opcional;