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UNIVERSIDADE FEDERAL DE GOIAS - UFG
CAMPUS CATALAO - CC
DEPARTAMENTO DE CIENCIA DA COMPUTACAO - DCC
Bacharelado em Ciencia da Computacao
Projeto Final de Curso
Gerenciamento de Mobilidade e Integracao de RedesHeterogeneas
Autora: Dayse Silveira de Almeida
Orientador: Marcio Souza Dias
Co-Orientador: Acrısio Jose do Nascimento Jr.
Catalao - 2007
i
Dayse Silveira de Almeida
Gerenciamento de Mobilidade e Integracao de Redes Heterogeneas
Monografia apresentada ao Curso de
Bacharelado em Ciencia da Computacao da
Universidade Federal de Goias - Campus Catalao
como requisito parcial para otencao do tıtulo de
Bacharel em Ciencia da Computacao.
Area de Concentracao: Redes de Computadores
Orientador: Marcio Souza Dias
Co-Orientador: Acrısio Jose do Nascimento Jr.
Catalao - 2007
Almeida, Dayse Silveira
Gerenciamento de Mobilidade e Integracao de Redes Heterogeneas
/ Marcio S. Dias
/ Acrısio J. do Nascimento Jr. - Catalao, 2007.
72p.
Projeto Final de Curso (Bacharelado) - Universidade Federal de Goias, Campus
Catalao, Curso de Bacharelado em Ciencia da Computacao, 2007.
Palavras-Chave: 1.Integracao. 2.Redes 4G. 3.Gerenciamento de Mobilidade.
ii
Dayse Silveira de Almeida
Gerenciamento de Mobilidade e Integracao de Redes Heterogeneas
Monografia apresentada e aprovada em de de ,
pela Banca Examinadora constituıda pelos professores:
Prof. Ms. Marcio de Souza Dias - Presidente da Banca
Prof. Dr. Roberto Mendes Finzi Neto
Profª. Drª. Selma Terezinha Milagre
iii
Aos meus pais, Nicanor e Zelha,
alvos do meu amor incondicional.
iv
Agradecimentos
A Deus.
A minha famılia, em especial, aos meus pais, por abrirem as portas possıveis.
A minha mae, pela paciencia e dedicacao nos, nem sempre faceis, quinze anos de estudo.
Ao, Leonardo Garcia, pela colaboracao junto ao Latex. E tambem aos amigos, Douglas
Farias e Osias Conforte.
As incomparaveis, Fabıola Goncalves, Glenda Michele e, Kenia Santos.
Aos, orientador prof. Ms. Marcio de Souza Dias e, co-orientador prof. Acrısio Jose do
Nascimento Jr., pelo interesse demonstrado. E, por agirem com bravura em minha defesa.
E finalmente, a todos aqueles que, com suas crıticas destrutivas, e sua visao pessimista da
vida, baseando-se em seus proprios fracassos, me fizeram superar obstaculos.
v
”O certo pra voce,
pode nao fazer o mesmo efeito, em mim.”
(Detonautas).
Resumo
Almeida, D. S., Gerenciamento de Mobilidade e Integracao de Redes Heterogeneas, De-
partamento de Ciencia da Computacao, Campus Catalao, UFG, Catalao, Brasil, 2007, 72p.
Devido aos fracos e insuficientes resultados apresentados pela Terceira Geracao de sistemas
baseados em redes celulares, as pesquisas estao se voltando para a Quarta Geracao que, cor-
responde a integracao de redes heterogeneas. Espera-se que esta tecnologia forneca os servicos
tradicionais, os prometidos pela 3G, tais como, multimıdia de alta definicao, conectividade
global e portabilidade entre diversos dispositivos; alem dos novos servicos que, dependerao da
implementacao de tres conceitos: qualidade de servico, seguranca e gerenciamento de mobili-
dade. A ideia principal para qualquer arquitetura 4G e ter um nucleo comum de Internet para
todas as redes de acesso diferentes. A comunicacao movel 4G sera baseada na OWA (Open
Wireless Architecture) para garantir que um terminal podera se conectar, automaticamente e
sem emenda, aos sistemas locais sem fio, quando os usuarios estiverem em areas de cobertura
hot spots, e as redes moveis sem fio, quando os usuarios estiverem em movimento, atraves do
mesmo terminal. Diversas arquiteturas ja foram propostas com o objetivo de integrar, varios
dos diversos tipos de rede existentes. As redes 4G podem ser analisadas sob a perspectiva
do usuario; do acesso a banda larga e; da integracao de plataformas e sistemas operacionais
heterogeneos, com capacidade de reconfiguracao da rede e dos terminais as condicoes dos ca-
nais e, aos ambientes de servicos. Diante dos novos ambientes tecnologicos, proporcionados
pela integracao das redes heterogeneas, os protocolos de gerenciamento de macromobilidade
e, micromobilidade, foram avaliados, a fim de verificar quais serao mais viaveis a este tipo de
rede.
Palavras-chave: Integracao, Redes 4G, Gerenciamento de Mobilidade.
vi
Sumario
Resumo vi
Lista de Figuras xi
Lista de Tabelas xiii
Lista de Acronimos xiv
Introducao xviii
1 WLANs e Redes de Sistemas Celulares 1
1.1 Redes de Acesso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Usuarios Moveis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3 Transmissao Sem Fio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.4 WLANs: Padrao IEEE 802.11 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.4.1 Arquitetura IEEE 802.11 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.5 WWANs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.5.1 Sistema de Telefonia Movel Celular: Breve Historico . . . . . . . . . . . . 10
1.5.2 Sistema de Telefonia Movel Celular: Caracterısticas Gerais . . . . . . . . 12
1.5.3 Primeira Geracao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.5.4 Segunda Geracao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.5.5 Terceira Geracao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2 Quarta Geracao 19
2.1 Redes 4G . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
vii
2.2 Arquitetura Geral para Redes 4G . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.3 Visoes 4G . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.3.1 Visao 1: Integracao de Redes Sem Fio Infra-estruturadas . . . . . . . . . 23
2.3.2 Visao 2: Integracao com Redes Sem Fio Multi-Hop . . . . . . . . . . . . 23
2.3.3 Visao 3: Perspectiva do Usuario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3 Arquiteturas para Redes 4G 28
3.1 Arquiteturas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.2 Arquitetura Moby Dick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.3 Redes Ambiente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.4 Arquiteturas para Integracao de Redes 3G e WLAN . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.4.1 Loose Coupling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.4.2 Tight Coupling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.5 Arquiteturas para Integracao de Redes 3G, WLAN e MANETs . . . . . . . . . . 35
3.5.1 UCAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.5.2 iCAR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.5.3 A-GSM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.5.4 CAMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4 Protocolos de Gerenciamento de Mobilidade 39
4.1 Gerenciamento de Mobilidade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.2 IP e a Mobilidade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
4.3 Macromobilidade e Micromobilidade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.4 Protocolos de Macromobilidade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.4.1 MIPv4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.4.2 MIPv6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4.4.3 MSCTP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.4.4 SIP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.5 Protocolos de Micromobilidade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.5.1 CIP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.5.2 HAWAII . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.5.3 TeleMIP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4.5.4 HMIPv6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4.5.5 IDMP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
5 Protocolos de Gerenciamento de Mobilidade: Analise e Comparacao 61
5.1 Protocolos de Macromobilidade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
5.1.1 Analise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
5.1.2 Comparacao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
5.2 Protocolos de Micromobilidade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
5.2.1 Analise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
5.2.2 Comparacao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
Conclusoes 69
Referencias bibliograficas 70
Lista de Figuras
1.1 Classificacao das redes sem fio [Bresil 2004]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2 Rede 802.11 (WLAN). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.3 Arquitetura da Rede Celular [Dias and Sadok 2001] . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.1 Cenario integrado Celular/WLAN [Dias et al. 2006]. . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.2 Cenario integrado Celular/WLAN/MANET [Cavalcanti et al. 2005]. . . . . . . . 25
2.3 Sistema centrado no usuario [Frattasi et al. 2006]. . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.1 Plano de controle de redes ambiente [Dias et al. 2006]. . . . . . . . . . . . . . . 30
3.2 Integracao entre GPRS e WLAN utilizando-se a Loose Coupling [Bresil 2004]. . 32
3.3 Componentes de sistema da rede 3G/WLAN [Bresil 2004]. . . . . . . . . . . . . 33
3.4 Integracao entre CN GPRS/UMTS e WLAN na arquitetura Tight Coupling
[Bresil 2004]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
4.1 Mobilidade possıvel utilizando-se protocolo IP. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.2 Roteamento no MIPv4 [Dias et al. 2006]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.3 Uma associacao SCTP. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.4 MSCTP - Mobile Stream Control Protocol [Dias et al. 2006]. . . . . . . . . . . . 49
4.5 Procedimento de handoff vertical utilizando o MSCTP [Ma et al. 2004]. . . . . 50
4.6 Arquitetura funcional do TeleMIP. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.7 Elementos logicos e arquitetura do IDMP [Misra et al. 2002]. . . . . . . . . . . . 59
xi
Lista de Tabelas
5.1 Comparacao entre protocolos de gerenciamento de macromobilidade. . . . . . . . 65
5.2 Comparacao entre protocolos de gerenciamento de micromobilidade. . . . . . . . 68
xiii
Lista de Acronimos
3GPP - Third Generation Partnership Project
3GPP2 - Third Generation Partnership Project 2
AAA - Authentication, Authorization and Accounting
ABC - Always Best Connected
AC - Ambient Connectivity
ACK - Acknowledgement
ACS - Ambient Control Space
ADDIP - Dynamic Address Reconfiguration
A-GSM - Ad hoc GSM
AMPS - Advanced Mobile Telephone System
AN - Ambient Networks
ANI - Ambient Network Interface
AoR - Address of Records
AP - Access Point
ARI - Ambient Resource Interface
ARS - Ad hoc Relaying Stations
ASCONF - Address Configuration
ASI - Ambient Service Interface
AuC - Authentication Center
BS - Base Station
BSA - Basic Service Area
BSS - Basic Service Set
BU - Binding Updates
CAMA - Cellular Aided Mobile Ad-hoc Network
CCoA - Co-located Care-of Address
CDMA - Code Division Multiple Access
xiv
xv
CIP - Cellular IP
CN - Correspondent Node
CN GPRS/UMTS - Core Network GPRS/UMTS
CoA - Care-of Address
D-AMPS - Digital Advanced Mobile Phone System
DHCP - Dynamic Host Configuration Protocol
DPC - Destination Point Code
DSSS - Direct Sequence Spread Spectrum
EDGE - Enhanced Data rates for GSM Evolution
ESA - Extended Service Area
ESN - Eletronic Serial Number
ESS - Extended Service Set
ETSI - European Telecommunication Standards Institute
FA - Foreign Agent
FDM - Frequency Division Multiplexing
FHSS - Frequency Hopping Spread Spectrum
FN - Foreign Network
FS - Fixed Server
GCoA - Global Care-of Address
GPRS - General Packet Radio Service
GPS - Global Positioning System
GSM - Global System for Mobile Communications
GW - Gateway
HA - Home Agent
HAWAII - Handoff-Aware Wireless Access Internet Infrastructure
HDR - High Data Rate
HLR - Home Location Register
HMIPv6 - Hierarchical Mobile IPv6
HN - Home Network
iCAR - Integrated Cellular and Ad Hoc Relaying Systems
IDMP - Intradomain Mobility Management Protocol
IETF - Internet Engineering Task Force
IMS - Internet Multimedia Sub-system
IMT-2000 - International Mobile Telecommunications 2000
xvi
IP - Intenet Protocol
IR - Internal Router
ISM - Industrial, Scientific and Medical
ITU - International Telecommunication Union
IWF - Inter Working Function
JTACS - Japan TACS
LCoA - Local Care-of Address
LU - Location Update
MA - Mobility Agent
MAHO - Mobile Assistente HandOff
MANET - Mobile Ad hoc NETwork
MAP - Mobility Anchor Point
MBS - Mobile Broadband Systems
MCN - Multi-hop Cellular Network
MIMO - Multiple-Input Multiple-Output
MIN - Mobile Identification Number
MIPv4 - Mobile Ipv4
MIPv6 - Mobile Ipv6
MM - Mobility Management
MN - Mobile Node
Moby Dick - Mobility and Differentiated Services in a Future IP Network
MS - Mobile Station
MSC - Mobile Switching Center
MSCTP - Mobile SCTP
MSGPR - Multi-Selection Greedy Positioning Routing
MTSO - Mobile Telephone Switching Oflice
NMT - Nordic Mobile Telephones
NTT - Nippon Telephone and Telegraph
OFDM - Orthogonal Frequency Division Multiplexing
OWA - Open Wireless Architecture
PDA - Personal Digital Assistants
PDC - Personal Digital Cellular
PLMN - Public Land Mobile Network
PSTN - Public Switched Telephone Network
xvii
QoS - Quality of Service
RSVP - ReSerVation Protocol
SCCP - Signaling Connection Control Part
SCTP - Stream Control Transmission Protocol
SDM - Space Division Multiplexing
SGSN - Serving GPRS Support Node
SIM - Subscriber Identification Module
SIP - Session Initiation Protocol
SMS - Short Messages Service
SS7 - Signaling System 7
STP - Signaling Transfer Point
TACS - Total Access Communications Systems
TDM - Time Division Multiplexing
TDMA - Time Division Multiple Access
TeleMIP - Telecommunication Enhanced Mobile IP
VLR - Visitor Location Register
VoIP - Voice over IP
UA - User Agent
UCAN - Unified Cellular and Ad-Hoc Networks architecture
UMTS - Universal Mobile Telecommunications System
UWB - Ultra Wide Band
W-CDMA - Wideband CDMA
WLAN - Wireless Local Area Networks
WMAN - Wireless Metropolitan Area Networks
WPAN - Wireless Personal Area Networks
WWAN - Wireless Wide Area Networks
Introducao
No atual mundo globalizado, onde a informacao e a base para esta globalizacao e, quem
a possui, domina o mercado, as redes de computadores sao essenciais para sua transmissao,
muitas vezes em tempo real, para transmissao de voz, ou mesmo, em tempo consideravel, para
transmissao de dados. No entanto, os diversos tipos de redes existentes, dificultam a transmissao
de dados, por nao serem compatıveis entre si (impossibilitando o usuario de transmitir usando
qualquer tipo de rede ou dispositivo) e, por nao estarem disponıveis globalmente, ou seja, em
qualquer lugar e, a qualquer momento.
As redes de Quarta Geracao vem, para solucionar este problema, integrando as redes hete-
rogeneas e, convergindo-as a uma unica rede. Esta convergencia depende da implementacao de
alguns conceitos essenciais, relativos as redes moveis sem fio e, de embasamento tecnologico,
em que novas tecnicas ou adequacao daquelas ja existentes, vem sendo consideradas. O foco
principal das redes 4G, entretanto, nao e a tecnologia, e sim, o usuario e suas necessidades,
a partir das quais, a tecnologia 4G esta sendo pesquisada e desenvolvida, sendo que varias
arquiteturas ja foram propostas.
Baseando-se nisto, este trabalho aborda um dos conceitos primordiais, necessario as redes
4G: o Gerenciamento de Mobilidade. Seu objetivo principal e discutir e analisar protocolos
tradicionais de mobilidade, fundamentando-se em suas caracterısticas, a fim de verificar quais
serao mais adequados as redes de Quarta Geracao.
Sendo assim, este trabalho esta estruturado da seguinte maneira:
O primeiro capıtulo aborda os conceitos de WLAN e Redes Celulares, suas caracterısticas
gerais e funcionalidade, bem como a necessidade de mobilidade dos seus usuarios e, um dos
meios de transmissao que possibilita alcanca-la. Estes sao os pre-requisitos basicos para com-
preensao dos capıtulos posteriores.
O segundo capıtulo conceitualiza Redes 4G, aborda as perspectivas a partir das quais essas
redes podem ser desenvolvidas e, atributos base para sua construcao.
O capıtulo 3 discorre sobre algumas arquiteturas, ja propostas, para a integracao de redes
xviii
xix
heterogeneas. Sao abordados, os projetos Moby Dick e Redes Ambiente, as arquiteturas para
integracao 3G/WLAN: Loose Coupling e Tight Coupling ; e, as arquiteturas para integracao
de redes 3G/WLAN/MANET: UCAN (Unified Cellular and Ad-Hoc Networks architecture),
iCAR Integrated Cellular and Ad Hoc Relaying Systems), A-GSM (Ad-hoc GSM) e CAMA
(Cellular Aided Mobile Ad-hoc Network).
E por fim, o capıtulo 4 apresenta os protocolos de gerenciamento de macromobilidade:
MIPv4 (Mobile Ipv4), MIPv6 (Mobile IPv6), MSCTP (Mobile Stream Control Transmission
Protocol), SIP (Session Initiation Protocol); e, os de micromobilidade: CIP (Cellular IP),
HAWAII (Handoff-Aware Wireless Access Internet Infrastructure), TeleMIP (Telecommunica-
tion Enhanced Mobile IP), HMIPv6 (Hierarchical Mobile IP), e, IDMP (Intradomain Mobility
Management Protocol); que, sao analisados e, comparados de acordo com os criterios: escopo
da mobilidade (intra-domınio ou inter-domınios), tipo de mobilidade (terminal, pessoal, de
servico e, de sessao), gerenciamento de handoff (vertical e horizontal), gerenciamento de loca-
lizacao (atraves de LU (Location Update) e paging), escalabilidade, suporte a QoS e seguranca,
multi-homing e, extensao ao protocolo MIP (apenas para protocolos de micromobilidade); no
capıtulo 5.
xx
Capıtulo 1WLANs e Redes de Sistemas Celulares
1.1 Redes de Acesso
Redes de acesso designam os enlaces fısicos que conectam um sistema final ao roteador de
borda, isto e, o primeiro roteador do percurso existente entre sistemas finais remotos.
As redes de acesso podem ser dividas nos seguintes grupos [Kurose and Ross 2006]
[Tanenbaum 2003]:
1. Redes locais - sao aquelas concentradas em uma area geografica restrita, tal como um
predio ou um campus universitario, com alta velocidade de transmissao;
2. Redes metropolitanas - abrangem uma cidade. Um exemplo e a rede de televisao a cabo
que, oferece servicos da Internet em partes do espectro nao utilizadas para transmissao
de TV;
3. Redes geograficamente distribuıdas - abrangem uma grande area geografica, como um
paıs ou continente. Elas contem um conjunto de terminais, cuja finalidade e executar
aplicacoes do usuario, e, estao conectados por uma sub-rede, pertencente a uma empresa
de telefonia ou um provedor de Internet;
4. Redes sem fio - sao aquelas que utilizam meios de transmissao nao cabeados, como as
ondas de radio, ondas infravermelho, ondas de luz;
5. Redes domesticas - a ideia principal das redes domesticas que estao surgindo e ter dispo-
sitivos domesticos comunicando entre si e, acessıveis atraves da Internet. Redes pessoais
sao utilizadas para conectar dispositivos pessoais em uma area pequena, de ate 10 metros.
1
2
Essas categorias nao sao absolutas e imutaveis, tanto que, de acordo com criterios como
area de cobertura, taxa de dados e tecnologia de transmissao, as redes sem fio podem ser
classificadas como: redes de area pessoal sem fio (WPANs - Wireless Personal Area Networks),
redes locais sem fio (WLANs - Wireless Local Area Networks), redes metropolitanas sem fio
(WMANs - Wireless Metropolitan Area Networks) e, redes de longa distancia sem fio (WWANs
- Wireless Wide Area Networks) [Dias et al. 2006] (Figura 1.1).
WPANs sao designadas pelo padrao IEEE 802.15, e possuem a finalidade de prover co-
nectividade entre dispositivos pessoais, separados por ate 10 metros, aproximadamente. O
802.15 e, essencialmente, uma tecnologia de baixa potencia, curto alcance e baixa velocidade
na transmissao de dados (ate 721Kbps), para ’substituicao de cabo’; opera na faixa de radio
nao licenciada de 2.4GHz, em modo TDM (Time Division Multiplexing), com intervalos de
tempo (time slots) de 625 microssegundos [Kurose and Ross 2006]. Como exemplo de WPAN
tem-se, o Bluetooth (IEEE 802.15.1), que permite que um dispositivo mestre comunique-se com
dispositivos denominados escravos; o UWB (Ultra Wide Band), empregado na camada fısica do
padrao IEEE 802.15.3 para WPANs, com alta taxa de transmissao em uma distancia pequena;
e, o Zigbee, definido pelos padroes IEEE 802.15.4 (com taxa de transmissao de ate 250Kbps,
alcance de 10 metros, e interconexao de, ate, 255 dispositivos) e IEEE 802.15.4a (com taxa
de transmissao de 20Kbps, alcance de, no maximo, 75 metros e, interconexao de ate 65000
dispositivos) [Dias et al. 2006].
Os focos principais deste trabalho sao as WLANs e, um tipo especıfico de WWAN, as redes
celulares. Entao, primeiramente neste capıtulo, serao abordados os dispositivos moveis e a
necessidade de mobilidade de seus usuarios. Posteriormente, sera abordado a transmissao a
radio, pois este e o tipo de transmissao utilizado tanto nas WLANs como nas redes celulares.
E, por fim, sera discutido com mais detalhes, as caracterısticas e a funcionalidade destas redes.
1.2 Usuarios Moveis
Atualmente, as pessoas estao permanecendo grande parte de seu tempo, on-line, ou seja, a
informacao, o trabalho, os estudos e, ate mesmo o lazer, estao cada vez mais ligados a rede.
Para estes usuarios, os meios de transmissao cabeados estao perdendo a utilidade, pois, eles
precisam transferir dados para seus laptops, notebooks, PDAs (Personal Digital Assistants)
sem depender desta infra-estrutura de comunicacao. A solucao para esses usuarios esta na
comunicacao sem fio que, possui muitas aplicacoes importantes alem de oferecer mobilidade.
Um uso comum para as redes sem fio e o escritorio portatil. Tambem sao muito uteis para
3
Figura 1.1: Classificacao das redes sem fio [Bresil 2004].
frotas de caminhoes, taxi, veıculos de entrega e funcionarios de servicos de assistencia tecnica
que, precisam manter-se em contato com a base de operacoes de suas empresas. Sua utilidade
tambem se emprega na area militar, onde o uso de cabos seria improprio pois, seu rompimento
(causado por um ataque, por exemplo) deixaria a area incomunicavel.
Embora as redes sem fio e a mobilidade frequentemente tenham uma relacao estreita, elas
nao sao identicas. Existe uma distincao entre redes sem fio fixas e redes sem fio moveis.
Para instalar uma rede sem fio, e preciso apenas adquirir alguns componentes eletronicos
e conecta-los. Um exemplo claro de rede sem fio fixa, e o Bluetooth, em que os componentes
de um computador sao interconectados a unidade principal usando-se transmissao a radio de
alcance limitado.
Existem formas limitadas de mobilidade, que nao requerem enlaces sem fio, como na uti-
lizacao de um laptop, desconectado em casa e levado para o escritorio, onde e novamente
conectado a rede.
Porem, existem as verdadeiras aplicacoes moveis sem fio e, a medida que esta tecnologia se
torna mais difundida, numerosas aplicacoes surgem.
4
1.3 Transmissao Sem Fio
Em diversas circunstancias a comunicacao sem fio apresenta vantagens ate mesmo para
dispositivos fixos. Para isto, os seguintes meios de transmissao podem ser utilizados
[Tanenbaum 2003]:
� Espectro eletromagnetico;
� Transmissao de radio;
� Transmissao de microondas;
� Ondas de infravermelho e milimetricas e;
� Transmissao por ondas de luz.
As ondas de radio, utilizadas para transmissao tanto nas WLANs como nas redes celulares,
podem percorrer longas distancias e penetrar em predios, e adequada para ligacoes ponto a
ponto e ligacoes multiponto; portanto, sao amplamente utilizadas para comunicacao, seja em
ambientes fechados ou abertos.
Suas propriedades dependem da frequencia. Em baixas frequencias, as ondas de radio
atravessam os obstaculos, mas a potencia cai a medida que a distancia da fonte aumenta, cerca
de 1/r2 no ar, onde r e o raio (distancia). Em altas frequencias, as ondas de radio tendem a
viajar em linha reta e refletir nos obstaculos. Elas tambem sao absorvidas pela chuva. Em
todas as frequencias, as ondas de radio estao sujeitas a interferencia, provocada por fontes que
geram sinais na mesma banda de frequencia. Algumas possıveis fontes de interferencia sao:
radares, motores eletricos, copiadoras, impressoras a laser [Tanenbaum 2003].
Devido a capacidade que as ondas de radio apresentam de percorrer longas distancias, os
dipositivos dos usuarios podem causar interferencia entre si. Por essa razao, todos os governos
exercem um rıgido controle sobre o licenciamento do uso de transmissores de radio, com apenas
uma excecao: as bandas de frequencia ISM (Industrial, Scientific and Medical). Os valores
dessas bandas variam de acordo com cada paıs. Como exemplo, o padrao para redes sem fio
IEEE 802.11 especifica como opcoes de nıvel fısico as bandas: 902 a 928 MHz, 2.4 a 2.48 GHz
e 5.72 a 5.85 GHz [Soares et al. 1995].
Como varias estacoes compartilham o mesmo meio de transmissao, e necessario utilizar
metodos para organizar este compartilhamento. Tres metodos podem ser usados: Multi-
plexacao por Divisao de Frequencia (FDM - Frequency Division Multiplexing), Multiplexacao
5
por Divisao de Tempo (TDM - Time Division Multiplexing) e, Multiplexacao por Divisao de
Espaco (SDM - Space Division Multiplexing).
O metodo SDM pode ser realizado de duas formas. A primeira delas baseia-se na utilizacao
de antenas direcionais, que emitem sinais de radio de alta frequencia concentrados em feixes.
Esse metodo permite que uma mesma frequencia possa ser reutilizada, desde que os feixes
de ondas sejam transmitidos em regioes distintas do espaco [Soares et al. 1995]. Outra forma
de realizacao do SDM e dividir a area total da rede em areas menores, chamadas celulas
que, normalmente sao representadas por hexagonos. O funcionamento dos sistemas celulares
baseia-se na rapida diminuicao da potencia do sinal de radio, a medida que ele se propaga.
Como ja mencionado, no espaco livre, a potencia decai aproximadamente com o quadrado
da distancia do transmissor, e quando as antenas estao proximas ao solo, a potencia diminui
com, aproximadamente, a quarta potencia da distancia. Essa caracterıstica torna possıvel a
reutilizacao da mesma frequencia, quando os transmissores estao suficientemente distantes uns
dos outros.
Exemplos de aplicacoes SDM sao: estacoes de radio localizadas em cidades diferentes, trans-
mitindo na mesma frequencia, e o sistema de telefonia celular.
Como ja mencionado, as redes sem fio geralmente utilizam frequencias altas em suas trans-
missoes. Nessas frequencias, parte das ondas de radio e refletida quando entra em contato com
objetos solidos e, apenas parte do sinal segue em linha reta entre o transmissor e o receptor.
Assim, diferentes caminhos sao formados entre o transmissor e o receptor, principalmente em
ambientes fechados. Como consequencia, acontece um espalhamento do sinal, chegando ao
receptor, varias copias, deslocadas no tempo, pois, as velocidades de propagacao sao iguais e
os caminhos possuem comprimentos diferentes. Quando essas copias chegam ao receptor, elas
somam-se aleatoriamente, sendo o resultado dessa soma, o valor do sinal captado pela antena
do receptor.
Devido a essa diferenca nos comprimentos dos caminhos, pode ocorrer um fenomeno cha-
mado desvanenciamento de Rayleigh, onde os componentes se cancelam total ou parcialmente
[Soares et al. 1995]. O resultado disso e que, em um mesmo ambiente, o sinal pode ser muito
fraco em alguns locais, enquanto que em outros, pode ser totalmente nıtido. Assim, ao
movimentar-se ou, ao ocorrer mudancas na posicao dos obstaculos no ambiente, o receptor
pode perceber grandes variacoes na potencia do sinal.
Outro problema que pode ser causado pelo espalhamento do sinal e a sobreposicao de
sımbolos, ou interferencia de intersımbolos. Como o comprimento (duracao) do sinal que trans-
porta a codificacao de um sımbolo (bit ou grupo de bits), atraves de uma portadora, diminui
6
com o aumento da taxa de transmissao, esse e um fator limitante da capacidade de transmissao
dos canais de radio [Soares et al. 1995].
Alem dos problemas ja citados anteriormente, como a reflexao das ondas de radio de alta
frequencia, ao entrarem em contato com objetos solidos, a absorcao dessas ondas pela agua
da chuva, a diminuicao da potencia inversamente ao aumento da distancia e, a interferencia
de intersımbolos, outra consideracao importante, quando se utiliza a transmissao a radio e,
a seguranca. Teoricamente, nao existem fronteiras para um sinal de radio, logo, e possıvel
que ele seja captado por receptores nao autorizados. Entao, para garantir a privacidade, e
indispensavel a utilizacao de alguma tecnica de criptografia na transmissao de dados. Alem
disso, se exige que as transmissoes nas bandas ISM usem tecnicas de espalhamento de banda.
As tecnicas recomendadas sao FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) e DSSS (Direct
Sequence Spread Spectrum)[Soares et al. 1995]. A tecnica FHSS divide a banda em varios
canais. O transmissor envia os dados por um intervalo de tempo em um canal e, muda para
outro canal. O padrao que define a sequencia de canais utilizados em uma transmissao e
chamado, sequencia de saltos que, pode ser fixa ou aleatoria, sendo previamente determinada
ou capturada ao longo da transmissao. No metodo DSSS, usa-se uma sequencia binaria para
modular o sinal antes de sua transmissao. Multiplica-se, atraves da operacao ”ou-exclusivo”,
a sequencia binaria pelos dados transmitidos e o resultado e usado para modular a frequencia
portadora. Nesse esquema, o receptor precisa conhecer a sequencia binaria usada na modulacao,
para decodificar corretamente o sinal, isto e, os dados.
As redes sem fio estruturadas em celulas, onde os usuarios possuem muita mobilidade,
apresentam dois problemas adicionais: como permitir que estacoes em uma celula possam se
comunicar com estacoes em outras celulas, de forma transparente; e, como permitir que uma
estacao continue se comunicando, quando se desloca de uma celula para outra.
Uma solucao para o primeiro problema e definir um sistema de distribuicao (possivelmente,
usando meio de transmissao cabeado), para transmissao de informacoes entre celulas distintas
e, usar um ponto de acesso em cada celula para se comunicar com sistema de distribuicao. Esse
ponto de acesso seria o responsavel por capturar as transmissoes feitas na celula, enderecadas
para estacoes fora dela, e envia-las atraves do sistema de distribuicao. O ponto de acesso seria
tambem, responsavel por capturar, no sistema de distribuicao, as mensagens enderecadas a sua
celula, e transmitı-las atraves de ondas de radio, para as estacoes de destino. A funcao que
resolve o segundo problema, ou seja, permite que uma estacao que se move para outra celula,
continue se comunicando transparentemente, e denominada handoff [Soares et al. 1995].
7
1.4 WLANs: Padrao IEEE 802.11
Com o surgimento dos dispositivos de computacao portateis, muitos grupos comecaram a
desenvolver trabalhos na tentativa de conecta-los a Internet sem o uso dos fios, ou seja, estes
dispositivos se conectariam a Internet simplesmente ao entrar em uma area coberta por alguma
BS (Base Station). A forma mais pratica era equipar esses dispositivos e um determinado
local (para acesso), com transmissores e receptores de ondas curtas de radio, para permitir
a comunicacao entre eles, constituindo entao, uma rede local sem fio. Logo, varias empresas
comecaram a comercializar as WLANs.
O problema inicial era encontrar duas WLANs compatıveis. Isto levou o comite do IEEE a
padronizar as WLANs. O padrao recebeu o nome 802.11, comumente chamado de WiFi1.
O padrao proposto tinha de funcionar de dois modos [Tanenbaum 2003]:
1. Na presenca de uma BS;
2. Na ausencia de uma BS.
No primeiro caso, toda a comunicacao deveria passar pela estacao base, chamada AP (Access
Point) na terminologia 802.11. No outro caso, os computadores transmitiriam entre si no modo
ad hoc [Tanenbaum 2003].
Durante a padronizacao, alguns desafios foram enfrentados, como: encontrar uma banda de
frequencias adequada e disponıvel, lidar com o fato de que as ondas de radio tem um alcance
finito, garantir a privacidade dos usuarios, compreender as implicacoes da mobilidade de compu-
tadores e, finalmente, construir um sistema com largura de banda suficiente e economicamente
viavel.
Durante a decada de 90, quando o processo de padronizacao das WLANs comecou, a
Ethernet dominava o mercado de LANs (Local Area Networks), entao, o comite decidiu tornar
o 802.11 compatıvel com a Ethernet acima da camada de enlace pois, deveria ser possıvel
enviar um pacote IP (Internet Protocol) pela WLAN, do mesmo modo que um computador
conectado atraves de fios envia, este pacote, pela Ethernet. Mas, existiam varias diferencas
entre a Ethernet e a WLAN, e essas diferencas tinham que ser tratadas pelo padrao. Por
exemplo, um computador na Ethernet sempre escuta o meio antes de transmitir, e inicia sua
1WiFi e uma marca registrada pela WiFi Alliance, anteriormente conhecida como WECA (Wireless EthernetCompatibility Alliance), uma organizacao formada por fornecedores de equipamentos e software de WLAN, cujamissao e garantir interoperabilidade do padrao IEEE 802.11. Produtos certicados como WiFi podem interoperar,mesmo sendo de fabricantes diferentes.
8
transmissao somente se o meio estiver livre; o que nao funciona muito bem no caso das WLANs
[Tanenbaum 2003].
Um outro problema a ser resolvido era a atenuacao multiponto - reflexao do sinal de radio
causada pela interferencia de objetos solidos - fazendo com que o sinal pudesse ser recebido
varias vezes por diversos caminhos.
Um terceiro problema a ser resolvido era tornar o software ciente da mobilidade.
O quarto problema e que, se um computador for afastado do AP que ele esta utilizando e,
entrar na faixa de alcance de um AP diferente, seria necessaria alguma forma de transferencia
(handoff ). Embora ocorra com telefones celulares, esse problema nao acontece com a Ethernet
e precisava ser resolvido.
Basicamente, a rede prevista consistia em varias celulas, cada uma com seu proprio AP, co-
nectados atraves da Ethernet (Figura 1.2). Visto do exterior, o sistema inteiro deve asemelhar-
se a uma unica Ethernet. A conexao entre a WLAN e o mundo exterior e chamada portal
[Tanenbaum 2003].
Figura 1.2: Rede 802.11 (WLAN).
Em 1997, o comite apresentou um padrao que tratava essas questoes. A WLAN que ele
descreveu utiliza FHSS e funciona a 1Mbps ou 2Mbps, entao, imediatamente padroes mais
rapidos comecaram a ser desenvolvidos, resultando em dois novos padroes, apresentados em
1999: 802.11b e 802.11a. O padrao 802.11b emprega uma tecnica de modulacao diferente do
802.11, o DSSS, opera na faixa 2,4 GHz e alcanca 11Mbps. O padrao 802.11a utiliza uma
faixa de frequencias mais larga (5 GHz), a tecnica OFDM (Orthogonal Frequency Division
Multiplexing) que, transmite multiplos sinais simultaneamente sobre um unico caminho de
transmissao, atraves da distribuicao dos dados sobre um grande numero de portadoras; e,
opera em velocidades de 54 Mbps. Tambem foi apresentada uma outra variante, o 802.11g,
9
que opera na mesma faixa de frequencia do 802.11b (2,4 GHz), mas suporta taxas de dados do
802.11a (54Mbps), proporcionando interoperabilidade com estes dois padroes.
A evolucao da famılia 802.11 ainda contempla extensoes para: QoS (Quality of Service)
(802.11e), gerenciamento de handoff (802.11r) e seguranca (802.11i), alem das WLANs com
taxas de dados ainda mais elevadas, proporcionadas pela tecnologia MIMO (Multiple-Input
Multiple-Output) usada no padrao 802.11n [Dias et al. 2006].
O 802.11 proporcionou certa evolucao no acesso a Internet tornando-a movel; assim como
os dispositivos portateis para a computacao.
1.4.1 Arquitetura IEEE 802.11
A arquitetura adotada pelo projeto IEEE 802.11 [Soares et al. 1995] para as redes sem fio
baseia-se na divisao da area coberta pela rede, em celulas. As celulas sao chamadas BSA (Basic
Service Area).
O tamanho da BSA depende das caracterısticas do ambiente e, dos transmissores e recep-
tores usados nas estacoes. Um grupo de estacoes comunicando-se por ondas de radio, em um
BSA, constitui um BSS (Basic Service Set).
Para permitir a construcao de redes cobrindo areas maiores que uma celula, multiplas
BSAs sao interligadas atraves de um sistema de distribuicao (que pode ser uma rede baseada
em meio de transmissao cabeado) via APs. Alem de interligar APs (Access Point), o sistema
de distribuicao fornece os recursos necessarios para interligar as redes sem fio a outras redes.
Os APs, por sua vez, sao estacoes diferenciadas responsaveis pela captura dos dados trans-
mitidos pelas estacoes de sua BSA, destinados a estacoes localizadas em outras BSAs,
retransmitindo-os atraves do sistema de distribuicao. Eles tem as seguintes funcoes: auten-
ticacao, associacao e reassociacao; gerenciamento de potencia; e, sincronizacao.
Atraves da autenticacao, associacao e reassociacao, as estacoes podem continuar conectadas
a infra-estrutura, mesmo quando estao fora de sua BSA de origem; elas utilizam procedimento
de varredura para determinar a qual AP se associarao.
Gerenciamento de potencia, permite que estacoes operem com a funcao de recepcao desa-
bilitada, para economizar energia. Assim, os APs armazenam os pacotes destinados a estas
estacoes ate que, elas liguem seus receptores. Para isto, o AP e as estacoes operam com relogios
sincronizados. A funcao de sincronizacao e implementada atraves do envio periodico de pacotes,
transportando o valor do relogio do AP (Access Point).
As BSAs interligadas por um sistema de distribuicao atraves de APs definem uma ESA
10
(Extended Service Area). O conjunto de estacoes formado pela uniao de varios BSSs conectados
por um sistema de distribuicao define um ESS (Extended Service Set). Cada ESS e identificado
por um ESS-ID. Dentro de um ESS, cada BSS e identificado por um BSS-ID. Esses dois
identificadores formam o Network -ID de uma WLAN [Soares et al. 1995].
Um ESS formado pela interconexao de multiplos BSSs constitui uma WLAN com infra-
estrutura. A infra-estrutura consiste nos APs, e no sistema que os interliga.
Um caso especial nessa arquitetura sao, as redes locais sem fio ad hoc, ja mencionadas ante-
riormente, onde o ESS e formado por um unico BSS. Uma rede ad hoc permite a comunicacao
entre estacoes proximas sem utilizar nenhuma infra-estrutura.
1.5 WWANs
Um tipo de rede sem fio sao as WWANs que, sao usadas em sistemas geograficamente
distribuıdos. Um exemplo de sistema sem fio de baixa largura de banda e a rede a radio
utilizada para telefonia celular. Esse sistema ja passou por tres geracoes. A primeira geracao
ou, 1G, era analogica e usada apenas para transmissao de voz. A segunda geracao ou, 2G, foi
desenvolvida para transmissao digital de voz. E, finalmente a terceira geracao ou, 3G, tambem
digital, se destina a transmissao de voz e dados. Em um comparativo com as WLANs, pode-se
afirmar que as distancias envolvidas nas redes celulares sao muito maiores e, as taxas de bits
muito mais baixas.
Alem dessas redes de baixa velocidade, tambem estao se desenvolvendo redes sem fio geo-
graficamente distribuıdas, de alta largura de banda. O enfoque inicial e o acesso a Internet de
alta velocidade, sem a utilizacao do sistema telefonico. Esse servico e chamado de distribuicao
local multiponto [Tanenbaum 2003].
1.5.1 Sistema de Telefonia Movel Celular: Breve Historico
A evolucao das redes sem fio pode ser considerada, como tendo inıcio com o aparecimento
das primeiras redes de telefonia celular e, prosseguindo com suas sucessoras [Dias et al. 2006].
Varios padroes para Primeira Geracao de telefones celulares foram adotados em diversos
paıses, entre eles, o AMPS (Advanced Mobile Telephone System), nos Estados Unidos, em 1982,
tambem utilizado na Inglaterra sob o nome TACS (Total Access Communications Systems)
e, no Japao com o nome JTACS (Japan TACS ); e o NMT (Nordic Mobile Telephones) nos
paıses do norte europeu [Dias and Sadok 2001]. Os principais problemas com esses sistemas
11
analogicos eram, a baixa capacidade e qualidade dos canais de comunicacao utilizados e, a
incompatibilidade entre os diversos padroes.
A Segunda Geracao veio numa tentativa de ampliar a capacidade dos sistemas 1G. Cinco
sistemas se destacam: D-AMPS, GSM (Global System for Mobile Communications), CDMA
(Code Division Multiple Access), TDMA (Time Division Multiple Access) e PDC (Personal
Digital Cellular) [Dias and Sadok 2001].
O D-AMPS foi uma evolucao do AMPS, descrito pelo padrao IS-54 (Interim Standard - 54)
e totalmente digital. Esse sistema foi mal sucedido devido ao fato de proporcionar maior ganho,
em relacao ao AMPS, para a operadora e nao para o usuario e, ainda apresentava problemas na
qualidade de voz. Como alternativa, surgiu nos Estados Unidos o IS-95, com um aumento na
capacidade. O IS-54 foi sucedido pelo IS-136, com novas caracterısticas. O D-AMPS coexistia
com o AMPS, de modo que os telefones celulares de 1G e 2G pudessem operar simultaneamente
na mesma celula; eles utilizavam os mesmos canais, nas mesmas frequencias, de modo que um
unico canal podia ser analogico e, os canais adjacentes, digitais.
No inıcio da decada de 90, surgiu na Europa, o GSM, incompatıvel com os sistemas IS-54
e IS-136. Esse sistema foi padrao para as comunicacoes celulares em toda Europa.
O CDMA funciona de modo completamente diferente do D-AMPS e do GSM. Quando
proposto, ele foi muito mal recebido pela industria, mas gracas a persistencia da empresa
Qualcomm, ele foi considerado aceitavel e, hoje, e visto como a melhor solucao tecnica existente
e, como base para os sistemas de Terceira Geracao (3G).
O TDMA usa um sistema de celular analogico como o AMPS, e foi criado para coexistir
com este, dividindo o canal de 30KHz em tres canais, onde tres usuarios compartilhem um
canal, alocando um slot de tempo por vez para cada usuario.
O PDC e usado somente no Japao e, e basicamente o D-AMPS, modificado para promover
compatibilidade com o sistema analogico japones de Primeira Geracao (JTAC).
Com a Segunda Geracao de celulares foi introduzida nova tecnologia na comunicacao de voz,
com maior qualidade e capacidade de transmissao, possibilitando atender um maior numero de
usuarios. E tambem, foi criado o SMS (Short Messages Service) para transmissao de pequenos
pacotes de dados.
Ainda no inıcio da decada de 90, surgiu a ideia da Terceira Geracao (3G) dos sistemas
celulares, como uma proposta para a padronizacao global das comunicacoes moveis. Estes
sistemas proveriam servicos de voz e, disponibilizariam altas taxas de transmissao de dados,
possibilitando o suporte a aplicacoes multimıdia e acesso a Internet [Dias and Sadok 2001].
12
1.5.2 Sistema de Telefonia Movel Celular: Caracterısticas Gerais
Em todos os sistemas de telefonia movel, uma regiao geografica e dividida em celulas e,
cada celula utiliza um grupo de frequencias de transmissao nao utilizado nas celulas vizinhas.
O que garante grande capacidade aos sistemas celulares e o uso de celulas pequenas e, a reu-
tilizacao de frequencias em celulas nao adjacentes. Alem do aumento na capacidade, celulas
menores requerem menor gasto de energia, o que possibilita a existencia de dispositivos trans-
missores/receptores menores e mais economicos.
Em uma area em que o numero de usuarios cresce a ponto do sistema ficar sobrecarregado, a
potencia e reduzida e, as celulas sobrecarregadas sao divididas em celulas menores, denominadas
microcelulas, para permitir maior reutilizacao de frequencias. Em determinados momentos, as
empresas de telefonia criam microcelulas temporarias devido a necessidade, em ocasioes como,
eventos esportivos, shows de rock onde, um grande numero de usuarios de telefones celulares
se reune por algumas horas [Tanenbaum 2003].
No centro de cada celula ha uma BS (Base Station) que recebe as transmissoes de todas as
MSs (Mobile Stations) ou, telefones celulares, presentes na celula, atraves de sinais de radio.
As BSs convertem estes sinais e os transmitem, atraves de um enlace de comunicacao sem fio
ou com fio, para um MSC (Mobile Switching Center) ou, MTSO (Mobile Telephone Switching
Oflice), no qual estao conectadas. O MSC coordena e roteia as chamadas para outros telefones
moveis ou para telefones fixos conectados a rede publica de telefonia (PSTN - Public Switched
Telephone Network). Em um grande sistema, podem ser necessarios diversos MSCs, todos
conectados a um MSC de segundo nıvel, e assim por diante. Basicamente, os MSCs sao estacoes
finais e estao conectados a pelo menos, uma estacao final de um sistema telefonico. Os MSCs
se comunicam com as BSs, entre si e, com a PSTN, usando uma rede de comutacao de pacotes.
O HLR (Home Location Register) e uma base de dados de uma area de servico que, contem
informacoes sobre as MSs cadastradas naquela area. Nos HLRs sao armazenadas informacoes
como: MIN (Mobile Identification Number), ESN (Eletronic Serial Number) e, perfil do usuario
com dados como, call forward-to number, estado (ativo ou inativo) e ponteiro para o ultimo
VLR (Visitor Location Register) onde a MS se registrou. O VLR funciona em conjunto com
o HLR para suportar roaming automatico, ou seja, permitir que MSs saiam de sua area (rede
domestica, na qual estao registradas) e movam-se para outra area (rede visitada), automati-
camente, mantendo seus dados. Sendo assim, o VLR e um repositorio local, temporario, com
dados da MS que esta fora de sua area de servico [Dias and Sadok 2001]. A Figura 1.3 mostra
um sistema celular basico, com todos esses elementos.
13
Figura 1.3: Arquitetura da Rede Celular [Dias and Sadok 2001]
Quando uma MS deixa fisicamente uma celula, sua BS detecta que o sinal da MS esta
enfraquecendo e verifica com as BSs vizinhas, quanto a quantidade de energia que estao re-
cebendo dela. Entao, a BS faz a transferencia para a celula que esta recebendo o sinal mais
forte, ou seja, celula em que a MS esta localizada no momento. Caso haja alguma chamada
em andamento, a MS e solicitada a passar para outro canal, ja que o antigo nao e reutilizado
em celulas adjacentes. Esse processo e chamado de handoff.
Os handoffs possuem as suas variacoes. Em um soft handoff [Tanenbaum 2003], o sinal do
telefone e adquirido pela nova BS antes da anterior se desconectar. Desse modo, nao existe
nenhuma perda de continuidade. Entretanto, o telefone precisa ter a capacidade de sintonizar
duas frequencias ao mesmo tempo. Os dispositivos de Primeira Geracao e de Segunda Geracao
nao realizam soft handoff.
No hard handoff [Tanenbaum 2003], a BS antiga libera o sinal da MS antes dela ser ad-
quirida pela nova BS. Se a nova nao for capaz de adquiri-la (por exemplo, porque nao existe
nenhuma frequencia disponıvel), a chamada sera desconectada de forma abrupta. Os usuarios
14
notam essa interrupcao, mas ela e inevitavel com este metodo.
Ja no fast handoff [Dias et al. 2006], um roteador itermediario (que pode ser um agente
de mobilidade da estacao que deseja enviar pacotes) possui a informacao a respeito do handoff
que sera realizado, assim, enquanto a funcao estiver sendo executada, ele envia os pacotes da
estacao comunicante para a antiga e a nova BS (Base Station), da MS (Mobile Station) em
questao.
1.5.3 Primeira Geracao
Dentre os sistemas analogicos de Primeira Geracao desenvolvidos, pode-se citar: AMPS,
NMT e NTT (Nippon Telephone and Telegraph). A seguir, discute-se as caracterısticas basicas
do sistema AMPS.
AMPS
No sistema AMPS [Dias and Sadok 2001], as celulas possuem, em geral, de 10 a 20 km. Ele
utiliza 832 canais full-duplex, sendo que, cada um consiste em um par simplex. Os 832 canais
de transmissao simplex operam na faixa 824 a 849 MHz e, os 832 canais de recepcao simplex
operam na faixa 869 a 894 MHz. Cada um desses canais simplex, tem largura de 30KHz,
separados atraves da tecnica FDM.
Os 832 canais sao divididos em categorias de controle, localizacao, acesso e dados. Os canais
de controle e de localizacao sao da BS para a MS, usados para gerenciar o sistema e, alertar os
usuarios de chamadas destinadas a eles, respectivamente. Os canais de acesso e de dados sao
bidirecionais, sendo que o primeiro e utilizado para configuracao de chamadas e atribuicao de
canais e, o segundo, para transmissao de voz ou dados.
Como as mesmas frequencias nao podem ser reutilizadas em celulas vizinhas, o numero real
de canais disponıveis por celulas e de, aproximadamente, 45, e nao 832.
1.5.4 Segunda Geracao
O desenvolvimento de tecnicas de codificacao de voz digital e, o grande e contınuo aumento
dos dispositivos de circuito integrado tornaram os atuais sistemas digitais de Segunda Geracao
viaveis. A seguir serao discutidos os sistemas que mais se destacaram, e tiveram maior aceitacao.
15
D-AMPS
Quando o D-AMPS [Dias and Sadok 2001] [Tanenbaum 2003] foi lancado, uma nova banda
de frequencia se tornou disponıvel para lidar com o aumento esperado de carga. Os canais
de transmissao operavam na faixa de 1850 a 1910MHz, e os canais de recepcao operavam na
faixa de 1930 a 1990MHz, tambem aos pares, como no AMPS. Porem, muitos telefones D-
AMPS podem usar bandas de 850 a 1900 MHz, a fim de obter uma faixa mais ampla de canais
disponıveis.
Em uma MS (Mobile Station) deste sistema, o sinal de voz captado pelo microfone e di-
gitalizado e compactado, por um circuito denominado vocoder. A compactacao leva a largura
de banda dos 56Kbps para 8Kbps. A compactacao e realizada no telefone, a fim de reduzir o
numero de bits transmitidos pelo enlace aereo. Assim, tres usuarios podem compartilhar um
unico par de frequencias usando TDM.
Utilizando-se melhores algoritmos de compactacao, e possıvel reduzir a voz a 4Kbps e,
assim, seis usuarios podem ser acomodados. Obviamente, a qualidade de voz a 4Kbps nao e
comparavel ao que pode ser obtido a 56Kbps.
Conceitualmente, o D-AMPS funciona como o AMPS. Quando uma MS e ligada, ela faz con-
tato com a BS (Base Station) para se anunciar e, entao, escuta um canal de controle em busca
de chamadas recebidas. Tendo captado uma nova MS, a MSC informa a BS inicial do usuario
onde ele esta, de forma que as chamadas possam ser roteadas corretamente [Tanenbaum 2003].
Uma diferenca entre o AMPS e o D-AMPS e a forma como o handoff e tratado. No AMPS,
a MTSO o administra completamente, sem ajuda dos dispositivos moveis. O D-AMPS utiliza
o tempo que nao esta transmitindo nem recebendo, ou seja, os slots ociosos, para medir a
qualidade da linha. Ao descobrir que o sinal esta diminuindo, ele reclama a MSC, que pode
entao interromper a conexao; nesse momento, a MS pode tentar sintonizar um sinal mais forte
de outra BS. Essa tecnica e chamada MAHO (Mobile Assistente HandOff ) [Tanenbaum 2003].
GSM
No GSM [Tanenbaum 2003], semelhantemente ao D-AMPS, e empregada a FDM, com cada
MS (Mobile Station) transmitindo em uma frequencia e recebendo em uma frequencia mais
alta. Um unico par de frequencias e dividido pela TDM em slots de tempo compartilhados por
varias MSs. Um sistema GSM possui 124 pares de canais simplex (teoricamente, sao 992 canais
admitidos em cada celula, mas muitos nao estao disponıveis, a fim de evitar interferencia com
celulas adjacentes). Os canais possuem largura de 200 KHz e admitem oito usuarios, ou seja,
16
oito conexoes separadas; o que da ao GSM uma grande taxa de dados por usuario.
O GSM possui varios canais de controle usados para gerenciar o sistema, que sao: canal de
controle de difusao, canal de controle dedicado e, o canal de controle comum.
O canal de controle de difusao e usado pela BS, para transmitir seu identificador e o status
do canal. Todas as MSs monitoram a intensidade do sinal que estao recebendo desta BS, a fim
de verificar quando elas sao transferidas para uma nova celula.
O canal de controle dedicado e usado para atualizacao de local, registro e configuracao de
chamadas. Ou seja, cada BS mantem um banco de dados das MSs que estao sob seu controle.
E, as informacoes necessarias para manter esse banco de dados sao transmitidas atraves do
canal de controle dedicado.
Por fim, existe o canal de controle comum, dividido em tres subcanais logicos. O primeiro
deles e o canal de localizacao que, a BS utiliza para anunciar as chamadas recebidas as suas MSs
que, por sua vez, monitoram constantemente este canal para verificar se ha alguma chamada
destinada a elas. O segundo e o canal de acesso aleatorio que, permite aos usuarios solicitarem
um slot no canal de controle dedicado, a fim de configurar uma chamada. Se duas solicitacoes
colidirem, elas terao de ser repetidas mais tarde, caso contrario, o slot atribuıdo e anunciado
no terceiro subcanal, o canal de concessao de acesso.
Uma grande inovacao do sistema GSM e o modulo de identificacao do usuario, o SIM
(Subscriber Identification Module) que contem a identificacao completa do usuario e, chaves
de codigo de privacidade. O SIM apresenta-se sob a forma de um cartao que, e conectado
ao terminal GSM. Estes cartoes podem ser removidos de um telefone GSM e usados em um
outro, permitindo que o usuario utilize qualquer telefone GSM. Sem o SIM, o terminal torna-se
inoperante [Dias and Sadok 2001].
CDMA
Em sistemas CDMA [Dias and Sadok 2001] os usuarios transmitem, simultaneamente, utili-
zando toda a banda de frequencias e, seu canal digital prove tanto funcionalidade para controle
quanto, para voz. Neste sistema, o espectro de frequencia do sinal de informacao e espalhado
atraves de codigos pseudo-aleatorios, nao relacionados com o sinal. Como resultado, a ocupacao
de banda e bem maior.
O receptor, por sua vez, atraves da relacao entre o sinal recebido e o codigo pseudo-aleatorio
apropriado, referente a cada usuario, extrai o sinal transmitido a ele. Os sinais dos demais
usuarios parecerao ruıdo para o receptor em questao pois, seu codigo nao e relacionado com
17
estes sinais.
1.5.5 Terceira Geracao
Em 1992, a ITU (International Telecommunication Union) apresentou um projeto deno-
minado IMT-2000 (International Mobile Telecommunications 2000), onde o 2000 tinha tres
significados: o ano em que o sistema entraria em servico; a frequencia, em MHz, na qual
deveria operar, e; a largura de banda, em KHz que, o servico deveria ter [Tanenbaum 2003].
Os servicos basicos que essa rede deveria oferecer a seus usuarios eram: transmissao de voz
de alta qualidade, servico de mensagens, multimıdia e, acesso a Internet; disponıveis em ambito
mundial, sempre ativos e, com garantias de QoS. Mas, esse valor apresentado pela ITU nao foi
alcancado em nenhum dos aspectos.
A ITU previu uma unica tecnologia mundial para o IMT-2000. Entao, varias propostas
foram feitas, das quais se sobressaıram duas: o W-CDMA (Wideband CDMA) e o CDMA2000
[Tanenbaum 2003].
O W-CDMA foi proposto pela Ericson, funciona em uma largura de banda de 5MHz e foi
projetado para interoperar com redes GSM, podendo efetuar handoff de chamadas para uma
celula GSM. Esse sistema foi adotado pela Uniao Europeia e chamado de UMTS
(Universal Mobile Telecommunications System), padronizado segundo a 3GPP (Third
Generation Partnership Project).
O CDMA2000 foi proposto pela Qualcomm e e basicamente uma extensao do IS-95. Ele
tambem utiliza uma largura de banda de 5 MHz, e nao interopera com o GSM.
Algumas operadoras desenvolveram sistemas intermediarios, chegando as redes 2.5G. Um
sistema desse tipo e o EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution) [Tanenbaum 2003], que
e simplesmente o GSM com maior taxa de transmissao. O problema e uma taxa de transmissao
maior, tambem significa maior numero de erros e, assim, o EDGE tem nove esquemas diferentes
para modulacao e correcao de erros.
Outro sistema 2.5G e o GPRS (General Packet Radio Service) [Tanenbaum 2003], uma rede
de sobreposicao de pacotes em redes D-AMPS ou o GSM. Ele permite que MSs (Mobile Station)
transmitam e recebam pacotes IP em uma celula que executa sistema de voz. Quando GPRS
esta sendo executado, alguns slots de tempo, em algumas frequencias, sao reservados para o
trafego de pacotes. O numero e o local desses slots podem ser dinamicamente gerenciados pela
BS, dependendo da relacao entre o trafego de voz e dados na celula.
Os sistemas 2.5G sao considerados servicos 3G para redes 2G, e conduz ao conceito de
18
comunicacoes hıbridas (dados e voz).
Devido aos fracos e insuficientes resultados apresentados pelas redes 3G que, nem chega-
ram a ser plenamente desenvolvidas, as pesquisas estao se voltando para os sitemas de Quarta
Geracao. Algumas caracterısticas propostas incluem alta largura de banda, conectividade glo-
bal, integracao uniforme com redes fisicamente conectadas, em especial com o IP, gerenciamento
adaptavel de recursos e do espectro, radio por software e alta qualidade de servico multimıdia
[Tanenbaum 2003].
A Quarta Geracao sera abordada no capıtulo 2, devido a sua extensao e, importancia dentro
do escopo deste trabalho.
Capıtulo 2Quarta Geracao
2.1 Redes 4G
Uma das visoes mais aceitas para a Quarta Geracao de sistemas moveis, envolve a inte-
gracao de tecnologias e redes sem fio heterogeneas, para proporcionar conectividade transpa-
rente ao usuario e, a melhor conexao (viabilizacao do conceito ABC - Always Best Connected)
[Gustafsson and Johnson 2003]. Com o desevolvimento acelerado das tecnologias, pode-se pre-
ver que os ambientes das futuras redes serao heterogeneos, em termos de infra-estrutura e
aplicacoes. A disponibilidade de varias dessas tecnologias de rede sem fio e, a integracao com
a Internet permitirao: usar equipamentos com multiplas interfaces, dispositivos sem fio basea-
dos na tecnologia Radio por Software (Software Defined Radio), selecionar a rede apropriada
para alcancar nıveis adequados de QoS e requisitos de custo, tudo isto, de forma transparente
[Dias et al. 2006].
Um diferencial, tambem importante, entre as tecnologias 3G e 4G, e o aumento das taxas
de transmissao de dados, assim como ocorreu entre as tecnologias 2G e 3G. A empresa japonesa
NTT-DoCoMo, importante companhia de servicos sem fio, testava em 2005, comunicacao 4G a
100Mbps enquanto a unidade se move, e 1Gbps enquanto a unidade esta parada. NTT-DoCoMo
planeja lancar a primeira rede comercial 4G, em 2010.
Espera-se que, a tecnologia 4G entregue versoes mais avancadas das mesmas melhorias
relacionadas a qualidade de servico, prometidas pela tecnologia 3G como, multimıdia de alta
definicao, conectividade global e, portabilidade entre todos os tipos de dispositivos; e, devido a
largura de banda, espera-se grande quantidade de informacoes e, aumento na personalizacao.
Entao, o inıcio das pesquisas em comunicacoes moveis 4G se deu, devido as limitacoes da
19
20
3G [Hussain et al. 2006] [Sun et al. 2001]:
� Possibilidade: as fases de padronizacao e de distribuicao 3G ja ocorreram na Europa, e
sua instalacao no Brasil ja esta sendo realizada, como poderia ser previsto, baseando-se
nas indicacoes historicas;
� Necessidade: de acordo com os objetivos 3G, a mesma e necessaria, mas nao e suficiente
a estrategia de comunicacao movel pois, muitos problemas sao resolvidos parcialmente e
ainda existem muitos a serem resolvidos pela geracao seguinte, isto e, a 4G;
� Dificuldade na largura de banda continuamente crescente e na alta taxa de dados re-
queridos pelos servicos multimıdia, juntamente com a coexistencia de servicos diferentes
necessitando de QoS diferente;
� Limitacao do espectro de frequencias e de seu alocamento pois, apenas as bandas ISM
podem ser utilizadas, sendo dividas atraves da tecnica FDM e, podendo ocorrer inter-
ferencias;
� Dificuldade de mobilidade atraves de ambientes de servicos diferentes, em diferentes faixas
de frequencia.
O maior avanco entre a Segunda e a Terceira Geracoes, nao foi conduzido por novas tecnicas
ou, desenvolvimento tecnologico, uma vez que ambas sao fundamentadas em tecnicas digitais,
mas sim, na capacidade de suportar servicos avancados e com maior largura de banda, dando
assim, maior foco ao usuario. E este, nao se interessa pela tecnologia utilizada, suas expectativas
sao relacionadas a variedade de servicos e aplicacoes com uma alta qualidade de servico. Da
mesma maneira, a Quarta Geracao pode ser analisada sob a perspectiva do usuario.
Esta nova tecnologia tambem pode ser analisada sob a perspectiva do acesso a banda larga
com largura de banda por demanda, seja redes locais de banda larga sem fio, sistemas moveis de
banda larga (MBS - Mobile Broadband Systems) ou redes de broadcast interativas. E tambem,
sob a perspectiva da integracao de plataformas e sistemas operacionais heterogeneos, operando
em diferentes bandas de frequencia e, com capacidade de reconfiguracao da rede e dos termi-
nais, ocorrendo adaptacao contınua a carga do trafego, as condicoes dos canais e aos ambientes
de servicos; isso implicaria em novos protocolos de rede e algoritmos de controle de congestio-
namento, capazes de se adaptarem as mudancas das condicoes dos canais, dinamicamente.
Enfim, existem duas perspectivas gerais, a perspectiva do usuario e, a perspectiva da tec-
nologia.
21
Diante de qualquer perspectiva, a Quarta Geracao devera prover: mobilidade, banda larga,
conectividade global, seguranca, QoS, acesso a Internet e, servicos de multimıdia como, conteudo
de audio e vıdeo, vıdeo interativo, transferencia de imagens em tempo real.
Entao, o acesso heterogeneo atraves de qualquer meio, provera maior conectividade ao
usuario e, devera fornecer os servicos tradicionais (com requisitos de custo e desempenho com-
paraveis aos das redes fixas), assim como novos que, por sua vez, dependerao da implementacao
de conceitos como QoS - para assegurar os requisitos das aplicacoes -, AAA (Authentication,
Authorization and Accounting) - para verificar a identidade e direitos de acesso dos usuarios -
e Gerenciamento de Mobilidade (MM - Mobility Management).
Existem diferentes tecnologias de acesso que aparecerao em um cenario 4G. Nao se trata
de tecnologias excludentes, assim, todas poderao coexistir, em funcao das necessidades dos
usuarios que, poderao optar, por exemplo, por alguma das seguintes [Cuevas et al. 2002]:
� W-CDMA (UMTS): se trataria do meio de acesso mais caro (infra-estrutura e consumo
do terminal), mas com maior capacidade de mobilidade. No princıpio ofereceria uma
largura de banda reduzida comparada com o resto das tecnologias, mas proporcionaria
grande cobertura e mobilidade.
� WLAN: a cobertura seria limitada devido aos pontos de acesso. Assim, seria adequada
para cobrir determinadas areas, com menor custo e, uma largura de banda consideravel.
� Ethernet: com esta tecnologia perde-se toda mobilidade mas, alcanca a maior largura de
banda. Seria adequada para acesso em areas com grandes requisitos de largura de banda.
2.2 Arquitetura Geral para Redes 4G
A ideia principal das redes 4G e, ter um nucleo comum de Internet para todas as redes
de acesso diferentes. Parte dos servicos e fornecida pelos proprios dispositivos moveis e, parte
pelo domınio de servico. Deve haver suporte a QoS, seguranca e gerenciamento de mobilidade
e, a comunicacao movel sera baseada na Arquitetura Sem Fio Aberta (OWA - Open Wireless
Architecture) [Hu and Lu 2003].
A OWA garante que um terminal podera se conectar, automaticamente e sem emenda (inte-
gracao uniforme), aos sistemas locais sem fio de alta velocidade (WLANs, Wireless Broadband,
Loop Local Wireless, HomeRF, ATM Wireless), quando os usuarios estiverem em locais onde
essas redes de acesso estao disponıveis (escritorios, shopping center, aeroportos). Quando os
22
usuarios estiverem em movimento, o mesmo terminal podera se conectar as redes moveis sem
fio (GPRS, W-CDMA, CDMA2000). Esta convergencia da comunicacao sem fio pode prover
as seguintes vantagens [Hussain et al. 2006] [Hu and Lu 2003]:
� Aumentar a eficiencia no uso da banda;
� Assegurar uma maior taxa de dados ao terminal sem fio;
� Melhorar o compartilhamento dos recursos de rede e canais de utilizacao;
� Gerenciar com eficiencia, QoS e aplicacoes multimıdia.
Os modulos da arquitetura devem incorporar as seguintes entidades [Hussain et al. 2006]
[Sun et al. 2001]:
� Usuarios: O foco e o movimento do usuario, para permitir seu acesso a rede domestica
quando este se move, envolvendo gerenciamento de localizacao e uma comunicacao pes-
soal;
� Terminais: Permite acesso aos servicos em qualquer hora e em qualquer lugar. A mobili-
dade terminal reserva aos usuarios moveis, a movimentacao atraves dos limites geograficos
das redes sem fio. O desafio maior de fornecer mobilidade do terminal dentro de uma
infra-estrutura 4G e, encontrar e atualizar as posicoes dos terminais nos varios sistemas;
� Redes: A mobilidade da rede e a habilidade da rede de suportar roaming de uma sub-rede
inteira, estruturada ou ad hoc. A reconfiguracao da rede pode ser obtida pela reconfi-
guracao das pilhas de protocolo, e os recursos da rede podem ser dinamicamente alocados
para lidar com a carga de trafego, a condicao do canal e, a variacao do ambiente de
servico. De acordo com os tipos de servico, nıveis multiplos de QoS podem ser definidos;
� Aplicacoes: A aplicacao movel deve consultar o perfil do usuario de modo que os servicos
possam ser entregues de sua maneira preferida, ou seja, servicos personalizados baseados
em contexto.
A incorporacao de novas funcoes em protocolos e mecanismos de mobilidade existentes
nao resolve apropriadamente as demandas dos futuros cenarios de comunicacao. Consequente-
mente, a nova ”Arquitetura Movel”necessita ser definida, baseada em princıpios como diversi-
dade, adaptabilidade, harmonizacao entre camadas, gerenciamento de nome [Sun et al. 2001]
[Hussain et al. 2006].
23
2.3 Visoes 4G
2.3.1 Visao 1: Integracao de Redes Sem Fio Infra-estruturadas
O primeiro passo rumo a Quarta Geracao e a integracao das redes sem fio infra-estruturadas
[Dias et al. 2006], nas quais as MSs (Mobile Station) se conectam as BSs (Base Station) ou
APs (Access Point) que, por sua vez, sao conectados as redes cabeadas e a Internet atraves de
roteadores e gateways. Estes sistemas infra-estruturados incluem WLANs, WMANs e WWANs.
Os principais aspectos considerados nesta integracao sao: selecao da rede, AAA e, rotea-
mento atraves da infra-estrutura fixa conectando os APs e a rede 3G [Dias et al. 2006].
Uma integracao 3G/WLAN seria importante por unir as melhores caracterısticas destes
dois tipos de rede. As WLANs fornecem cobertura em hot spots (areas publicas como, aero-
portos e hoteis, onde existem WLANs instaladas). A rede celular, por sua vez, proporciona
cobertura de longo alcance com suporte a mobilidade mas, com taxa de transmissao de dados
consideravelmente, menor.
A Figura 2.1 apresenta um cenario para esta integracao. A rede celular e conectada a
Internet atraves de suas BSs e, as WLANs e os hot spots, atraves de seus APs. Esta conexao
com o nucleo da rede (no caso, Internet) e realizada pelos gateways e roteadores. Assim, um
usuario que encontra-se em uma area de intersecao entre a rede celular e a WLAN 802.11b,
por exemplo, poderia decidir a partir de qual rede obteria acesso, ou entao, isso poderia ser
realizado automaticamente, dependendo do servico que o usuario fosse utilizar, baseando-se em
requisitos adequados e, de seu interesse.
Este tipo de cenario tem sido considerado por operadoras de redes celulares como uma
oportunidade para melhorar os servicos oferecidos aos seus clientes pois, eles teriam a opor-
tunidade de acessar a Internet atraves de WLANs, usando credenciais das redes celulares
[Dias et al. 2006]. Entretanto, desenvolver esta integracao de forma transparente ao usuario
ainda e uma difıcil questao pesquisada por orgaos como, a 3GPP e 3GPP2 (Third Generation
Partnership Project 2) e, pela industria.
2.3.2 Visao 2: Integracao com Redes Sem Fio Multi-Hop
Um segundo cenario, ainda mais complexo, e a integracao de redes sem fio infra-estruturadas
(por exemplo, WLANs e redes celulares) com as redes moveis ad hoc (MANET - Mobile Ad-hoc
NETwork), a qual permite a comunicacao entre MSs (Mobile Station) sem nenhuma infra-
estrutura fixa. A motivacao para integracao dessas plataformas de redes sem fio e a mesma das
24
Figura 2.1: Cenario integrado Celular/WLAN [Dias et al. 2006].
demais integracoes que vem sendo investigadas: fornecer informacoes e servicos a dispositivos
portateis diferentes, em qualquer hora e em qualquer lugar. Mas a integracao de tais tecnolo-
gias, com potencialidades e funcionalidades diferentes, e uma tarefa extremamente complexa e,
envolve mudancas em todas as camadas da pilha de protocolo.
A primeira etapa para o fornecimento eficaz e eficiente de servicos de dados, e integrar
WLANs, WPANs, WMANs e WWANs, observando sua caracterıstica comum: o modo de
operacao one-hop (single-hop ou infra-estrutura), no qual o usuario acessa o sistema atraves
de uma BS (Base Station) ou um AP (Access Point). A segunda etapa e estender isto a um
ambiente de comunicacao multi-hop usando o paradigma de MANETs, em que, cada dispositivo
movel atua como um roteador e, usando o protocolo de roteamento multi-hop, os dispositivos
colaboram entre si para encaminhar os pacotes de dados ate o destino. O protocolo multi-hop
viabiliza conexoes alternativas dentro dos hot-spots e estende a cobertura do sistema para alem
daquela proporcionada pelas BSs ou APs [Dias et al. 2006] [Cavalcanti et al. 2005].
O cenario para esta integracao e apresentado na Figura 2.2. As redes infra-estruturadas sao
conectadas ao nucleo de rede (Core Network - CN) atraves de seus APs e BSs (da mesma ma-
25
neira que no cenario anterior). Mas neste, existe uma segunda opcao para realizar comunicacao,
o modo ad hoc, em que, os dispositivos moveis comunicam-se, sem nehuma infra-estrutura. E,
considerando que, um destes dispositivos esta conectado a infra-estrutura, os demais podem
transmitir seus dados (e receber) ao CN, atraves deste.
Figura 2.2: Cenario integrado Celular/WLAN/MANET [Cavalcanti et al. 2005].
Embora os dispositivos em um MANET comuniquem-se, frequentemente, atraves das relacoes
de WLAN/WPAN, o seu modo de operacao multi-hop tem diferencas associadas que, nao sao
consideradas no modo de operacao single-hop. Entao, MANETs (que operam no modo multi-
hop) e WLANs/WPANs (que operam na modalidade single-hop), necessitam ser diferenciadas
nas solucoes dos projetos de integracao [Cavalcanti et al. 2005].
As arquiteturas de integracao pesquisadas pelo 3GPP e 3GPP2 consideram somente operacoes
no modo infra-estruturado e nao desenvolvem pesquisas referentes a comunicacao multi-hop. A
integracao com o paradigma MANETs e bem mais complexo, devido a natureza dinamica da
comunicacao multi-hop [Dias et al. 2006].
26
2.3.3 Visao 3: Perspectiva do Usuario
A principal diferenca entre esta terceira visao e, as duas consideradas anteriormente e que,
esta, considera o usuario como o principal elemento no contexto 4G pois, se o sistema nao e
amigavel, o usuario nao podera se beneficiar dos aspectos tecnologicos da rede.
Assim, o sistema deve ser construıdo a partir da sensibilidade do usuario, que se encon-
tra no centro do processo, baseando-se na teoria Heliocentrica de Copernico [Dias et al. 2006]
[Frattasi et al. 2006]. As caracterısticas tecnologicas das redes 4G sao representadas pelos pla-
netas e, a sua distancia do centro e relativa a escala de sensibilidade do usuario (Figura 2.3).
Deste modo, considerando apenas os aspectos distantes do centro, tem-se um sistema base-
ado na tecnologia, onde a heterogeneidade da rede e mais importante do que o usuario e suas
necessidades.
Figura 2.3: Sistema centrado no usuario [Frattasi et al. 2006].
Esta representacao tambem mostra algumas interdependencias como, a personalizacao de
servico que, e um satelite da heterogeneidade do terminal que, por sua vez, possui satelites
relacionados a projeto e a transferencia da personalizacao.
Deste modo, para se construir sistemas 4G centrados no usuario, o projeto deve focalizar
a camada superior da pilha de protocolos, obtendo a maxima sensibilidade do usuario, antes
27
de ampliar funcionalidades das camadas mais baixas, referentes a tecnologia heterogenea. As-
sim, o usuario podera se beneficiar dos servicos e da heterogeneidade das redes disponıveis,
selecionando a melhor opcao a partir de seus proprios requisitos, como custo, por exemplo.
Varias arquiteturas para redes 4G ja foram propostas, baseadas nas visoes 1 e 2. Estas, e
outros projetos para integracao de redes heterogeneas, serao abordados no capıtulo 3.
Capıtulo 3Arquiteturas para Redes 4G
3.1 Arquiteturas
Algumas das principais arquiteturas para redes 4G sao descritas neste capıtulo, cujo ob-
jetivo e apresentar, de modo geral, o que vem sendo pesquisado nesta area, a fim de integrar
redes heterogeneas. Sao elas: arquitetura Moby Dick, Redes Ambiente, as arquiteturas para
integracao 3G/WLAN, Loose Coupling e Tight Coupling, e, as arquiteturas para integracao
de redes 3G/WLAN/MANET, UCAN (Unified Cellular and Ad-Hoc Networks architecture),
iCAR Integrated Cellular and Ad Hoc Relaying Systems), A-GSM (Ad-hoc GSM) e CAMA
(Cellular Aided Mobile Ad-hoc Network).
3.2 Arquitetura Moby Dick
O projeto europeu Moby Dick (Mobility and Differentiated Services in a Future IP Network)
[Dias et al. 2006], foi criado em 2000 e encerrado em dezembro de 2003. Seu principal objetivo
era prover suporte a mobilidade, QoS e AAA, em uma rede heterogenea composta por tecno-
logias UMTS, WLAN e LANs, baseando-se no IPv6. Deste modo, o projeto Moby Dick trata
essas tecnologias nas camadas fısica e de enlace e, as camadas superiores sao suportadas pelo
IPv6.
A arquitetura desenvolvida por esse projeto baseou-se em tres metas:
� Implementacao do maior numero possıvel de funcoes, baseando-se no IPv6;
� Provisionamento de servicos de tempo real com qualidade, pelo menos equivalente, as
atuais redes celulares;
28
29
� Servicos proporcionados independente de rede de acesso e, sem interrupcoes causados por
handoffs.
Os principais elementos da arquitetura Moby Dick sao: dispositivos moveis equipados com
interfaces de diferentes redes (CDMA, WLAN e Ethernet), e roteadores de acesso (BSs 2G e
3G, com capacidades IP) conectando as interfaces sem fio com as cabeadas.
Cada roteador de acesso controla uma sub-rede IP, referente a uma celula. Para prover
mobilidade transparente adotou-se o fast handoff que, prepara o handoff na camada de rede
antes que o handoff da camada de enlace (dependente da tecnologia utilizada) seja realizado.
Quando um handoff esta prestes a acontecer, o roteador de acesso e avisado e, enquanto a
funcao estiver sendo executada, ele envia os pacotes destinados ao terminal em questao para
os dois pontos de acesso envolvidos no processo, reduzindo a perda de pacotes.
Alem desses elementos apresentados, sao utilizados servidores na parte fixa da rede para
provisao de, gerenciamento de mobilidade, AAA, QoS e paging (sua definicao encontra-se no
proximo capıtulo) [Dias et al. 2006].
Enfim, esse projeto foi um dos primeiros a analisar solucoes baseadas no IP para integracao
de redes heterogeneas. A arquitetura apresenta melhoramentos do MIP (abordado no capıtulo
seguinte) para a realizacao de fast handoff, suporta paging, QoS e, incorpora servidores AAA,
mas nao considera a integracao com redes ad hoc sem fio.
Algumas experiencias foram realizadas conectando os membros do projeto localizados em
Madri (Espanha) e Stuttgart (Alemanha), atraves de uma rede IPv6, trafegando dados e voz
e, os resultados foram satisfatorios [Dias et al. 2006].
3.3 Redes Ambiente
Redes ambiente (AN - Ambient Networks) [Dias et al. 2006], e um projeto europeu com
inıcio em 2004, cuja definicao e relativa a utilizacao de varias abstracoes a fim de combinar di-
ferentes metodos e protocolos, para a construcao de uma estrutura independente de tecnologias
de rede. E, esta cooperacao entre as redes deve ser, transparente (ou seja, sem incompatibilida-
des), sob demanda e, sem necessidade de pre-configuracao ou negociacao entre suas operadoras,
para que os assinantes possam ter acesso. Para isto, essa arquitetura possui um plano de con-
trole comum distribuıdo, apresentado na Figura 3.1, como um espaco de controle de redes
ambiente (ACS - Ambient Control Space).
Um ACS e composto por entidades que representam as funcionalidades da rede, como,
30
acesso a radio, mobilidade, roteamento inteligente de mıdia, gerenciamento de contexto. O
ACS possui tres interfaces: ASI (Ambient Service Interface), ANI (Ambient Network Interface)
e ARI (Ambient Resource Interface) que, permitem a interacao com o ACS.
Os ACSs de diferentes ANs comunicam-se utilizando a interface ANI. A interface ASI prove
abstracao de conectividade para os servicos. E, a ARI, oferece abstracao de conectividade entre
o espaco de controle da rede e o AC (Ambient Connectivity), proporcionando mecanismos que
o ACS pode usar para gerenciar recursos que se localizam no AC, como, roteadores, filtros,
proxies ; ja que o AC, representa uma infra-estrutura qualquer de transferencia de dados.
Figura 3.1: Plano de controle de redes ambiente [Dias et al. 2006].
Um novo e importante conceito, em AN, e o de composicao de redes, que e o que propor-
ciona a cooperacao entre redes heterogeneas. Como esta composicao deve ser sob demanda,
ela tambem deve ser rapida o suficiente para redes em movimento. Quando acontece uma
composicao entre duas ANs, elas podem usar um novo identificador, constituindo entao, uma
nova rede, ou, uma pode ser agregada a outra, se tornando entao, uma extensao desta, que
passa a utilizar o seu identificador. Seus ACSs decidem quais servicos e dispositivos serao
compartilhados e, interagem de forma que, as ANs compostas sejam vistas como uma unica
AN.
As ANs sao tambem constituıdas por nos (nodes), enlaces (que conecta os nos independen-
temente do tipo de rede) e, caminhos (paths) (sequencia de nos pelos quais, o trafego flui em
um determinado momento; ele pode ser estatico ou dinamicamente estabelecido). As funcoes
de controle das ANs,entretando, nao trabalham em nıvel de nos, enlaces e caminhos. A in-
31
terface ARI prove uma abstracao de conectividade chamada fluxo, sobre as quais o espaco de
controle opera. Fluxos sao transferencias de dados entre duas instancias da interface ARI, sao
unidirecionais e, retidos em uma unica tecnologia de rede, finalizando nos elementos de borda.
A estrutura de nomeacao das ANs segue um modelo em camadas, com o objetivo de prover
associacoes dinamicas entre entidades de diferentes nıveis. O modelo focaliza-se nas entidades
e nao em seus nomes, tornando a escolha do espaco de nomes, flexıvel e, os nomes das entidades
sem relacao com a sua localizacao, suportando os diferentes tipos de mobilidade, sem que seja
preciso implemementar mecanismos adicionais.
3.4 Arquiteturas para Integracao de Redes 3G e WLAN
Em um comparativo entre WLANs e sistemas celulares, pode-se verificar que as WLANs
possuem maiores taxas de transmissao de dados e que, as redes baseadas em sistemas celulares
possuem uma area de abrangencia geografica maior. Assim, as operadoras de redes celulares
podem verificar o uso de WLANs como complemento as suas redes de acesso, proporcionando
maiores taxas de transmissao de dados aos seus clientes, em hot spots.
Entao, as principais motivacoes para esta integracao sao: melhorar o pacote de servicos
oferecido aos clientes de operadoras de sistemas celulares e, aliviar o trafego de dados na banda
de frequencia da rede celular [Dias et al. 2006].
A integracao entre redes 3G e WLAN esta sendo pesquisada por varios grupos de padro-
nizacao como, 3GPP, 3GPP2 e ETSI (European Telecommunication Standards Institute).
Dentro deste contexto (3G/WLAN), foi definido, pelo 3GPP, varios nıveis de integracao,
os quais focam o tipo e, a qualidade de servico oferecidos aos usuarios. Cada um destes
nıveis habilitam uma capacidade especıfica e podem ser encontrados em [Dias et al. 2006] e
[Bresil 2004].
Este trabalho aborda requisitos de apenas um destes nıveis 3GPP: acesso aos servicos de
dados (Internet) tanto pelas redes WLAN como pelas redes celulares, sem perda na continuidade
do servico e, sem considerar QoS. Especificamente, sera abordado a integracao de sistemas
celulares GPRS e UMTS, com WLANs. Para isto, serao apresentadas a seguir, as arquiteturas
Loose Coupling e Tight Coupling. Como as redes 2,5G GPRS e 3G UMTS utilizam o mesmo
nucleo de rede (CN - Core Network) para trafego de pacotes [Bresil 2004], a nomenclatura CN
GPRS/UMTS sera utilizada para se referir a rede estruturada usando tecnologia GPRS ou
UMTS.
32
3.4.1 Loose Coupling
A arquitetura Loose Coupling [Bresil 2004], foi desenvolvida para a integracao entre WLANs
e GPRS e, sua arquitetura e mostrada na Figura 3.2.
Figura 3.2: Integracao entre GPRS e WLAN utilizando-se a Loose Coupling [Bresil 2004].
A WLAN e integrada a rede GPRS atraves da rede IP da operadora de celular. Assim,
os dados da WLAN nao passam pelo CN GPRS/UMTS, eles vao diretamente para a Internet
ou, para a rede IP. O CN GPRS/UMTS e composto pelas entidades: CG (Charging Gateway),
GGSN (Gateway GPRS Support Node), SGSN (Serving GPRS Support Node), AuC
(Authentication Center) e, HLR que esta ligado ao servidor AAA; essas tres ultimas entidades
realizam, em conjunto, registro e autenticacao. A tradicional WLAN tambem, nao possui
entidades adicionais, sua conexao a rede GPRS ocorre atraves de um roteador de seu sistema
de distribuicao.
A mobilidade e o roaming entre as redes WLAN e GPRS podem ser suportados atraves de
[Bresil 2004]:
� Uma conexao dedicada entre a WLAN e a rede IP, indicada pela linha pontilhada na
Figura 3.2, ou;
33
� Da Internet.
Caso a WLAN nao seja propriedade da operadora de celular, acordos de roaming sao ne-
cessarios.
Esta arquitetura usa os protocolos padronizados pela IETF (Internet Engineering Task
Force) para AAA e gerenciamento de mobilidade. A autenticacao baseada nos cartoes SIM
tambem pode ser suportada, para que o usuario ganhe acesso aos servicos das duas redes.
A Figura 3.3 apresenta a arquitetura Loose Coupling, em termos de componentes que a
integram.
A integracao entre os dois tipos de rede, acontece por intermedio do servidor AAA. Para
a rede WLAN, o servidor AAA e um servidor de autenticacao de usuarios e, para o sistema
celular ele requisita credenciais de usuarios para o AuC e o HLR (semelhante um VLR de uma
rede estrangeira), da PLMN (Public Land Mobile Network), onde o usuario esta registrado.
Estas requisicoes sao feitas atraves de sinalizacao SS7 (Signaling System 7) [Bresil 2004].
O STP (Signaling Transfer Point) e o SCCP Gateway (Signaling Connection Control Part)
tem a funcao de rotear as mensagens de sinalizacao para os nos de destino dentro das PLMNs,
utilizando os enderecos do SS7, denominados DPC (Destination Point Code).
Figura 3.3: Componentes de sistema da rede 3G/WLAN [Bresil 2004].
3.4.2 Tight Coupling
A arquitetura Tight Coupling [Bresil 2004], realiza integracao entre as redes WLANs e
o CN GPRS/UMTS. Deste modo, tanto o trafego de sinalizacao como os dados do usuario
passam pelo CN GPRS/UMTS e, entao, os servicos de infra-estrutura ja existentes no CN
GPRS/UMTS como, mobilidade, QoS e seguranca, sao aproveitados pela arquitetura. Sendo
a mesma apresentada na Figura 3.4.
34
Figura 3.4: Integracao entre CN GPRS/UMTS e WLAN na arquitetura Tight Coupling[Bresil 2004].
Nesta arquitetura de integracao, a WLAN funciona como uma rede de acesso alternativa
e, o CN GPRS/UMTS nao pode identificar diferencas entre o acesso feito por uma WLAN e
por uma rede com tecnologia GPRS/UMTS. Isto ocorre devido a presenca de um elemento
chamado IWF (Inter Working Function).
O IWF e responsavel pela conexao da rede WLAN ao CN GPRS/UMTS. Ele conecta o
sistema de distribuicao da WLAN ao SGSN (Serving GPRS Support Node) atraves da interface
GPRS Gb ou UMTS Iu e, faz com que o SGSN considere a WLAN como sendo uma outra rede
de acesso com tecnologia GPRS ou UMTS. Entao, sua principal funcao e prover uma interface
padrao entre a WLAN e o CN GPRS/UMTS, ocultando, assim, as caracterısticas especıficas
das WLANs.
Entao, o que difere a arquitetura Tight Coupling de Loose Coupling e que, nesta, o sistema
de distribuicao da WLAN esta conectado diretamente ao CN GPRS/UMTS da rede celular,
atraves da interface GPRS Gb ou UMTS Iu, proporcionando uma real integracao de arquite-
turas, e nao de servicos.
35
3.5 Arquiteturas para Integracao de Redes 3G, WLAN
e MANETs
Alem da integracao entre as rede infra-estruturas 3G e WLAN, a integracao destas, com as
redes ad hoc sem fio tambem tem sido considerada, a fim de aumentar a capacidade e a area
de cobertura.
Assim, varias arquiteturas vem sendo propostas, para suportar a integracao entre redes
infra-estruturadas que, utilizam o modo de comunicacao single-hop e, as que utilizam paradigma
multi-hop, e estas, devem resolver problemas adicionais, relativos a esta forma de comunicacao
como, sobrecarga de controle para descobrir e manter rotas validas. A seguir, serao apresentadas
algumas dessas arquiteturas propostas: a UCAN, iCAR, A-GSM e CAMA.
3.5.1 UCAN
As MSs (Mobile Station) na arquitetura UCAN (Unified Cellular and Ad-Hoc Networks
architecture) [Luo et al. 2003], devem possuir uma interface para rede celular CDMA/HDR e
uma interface para WLAN (802.11b, operando no modo ad hoc).
HDR (High Data Rate - Taxa de dados elevada), e uma parte integrada do CDMA2000, o
qual fornece uma taxa de dados maxima de 2.4Mbps para downlink e para uplink, 153.6Kbps.
Usuarios que compartilham o downlink HDR usam TDM com slots de tempo de 1,67ms cada.
A cada instante de tempo, os dados para um cliente especıfico sao transmitidos, e a taxa de
dados e determinada pela condicao do canal do cliente. A duracao da transmissao para cada
cliente e determinada por um algoritmo que realiza escalonamento de downlink.
O objetivo primordial da arquitetura UCAN e melhorar a vazao quando o sinal entre a
MS e a BS (Base Station) estiver fraco, utilizando o roteamento multi-hop. Para descobrir as
condicoes do canal de downlink, as MSs monitoram as mensagens enviadas pela BS. Assim,
quando o sinal entre a MS e a BS estiver fraco, os pacotes destinados as MS sao enviados
atraves de um gateway, no modo ad hoc. Deste modo, as MSs necessitam realizar duas tarefas:
� Descobrir os gateways que trabalham como uma interface entre a rede celular e a forma
de comunicacao ad hoc e;
� Decidir quando executar handoffs entre a conexao com a BS (modo single-hop) e o modo
ad hoc.
36
Isso ocorre da seguinte maneira: a BS envia quadros de dados as MSs no canal de downlink
do HDR. Quando uma MS percebe uma degradacao na taxa de dados que esta recebendo, ela
envia um pedido de rota pela interface da WLAN (ad hoc). A propagacao desse pedido tem um
tempo de vida, relativo ao numero de saltos. Apos isso, uma nova rota pode ser estabelecida,
usando um gateway para enviar os dados da BS.
Assim, a arquitetura UCAN proporciona apoio a rede celular, atraves da WLAN e, ela pode
ser aplicada a um cenario hot spot.
3.5.2 iCAR
A arquitetura iCAR (Integrated Cellular and Ad Hoc Relaying Systems) [Wu et al. 2001],
dirige-se ao problema de congestionamento, devido ao trafego desequilibrado em um sistema
celular e, fornece interoperabilidade para redes heterogeneas. Para isto, usa estacoes ARS (Ad
hoc Relaying Stations) para balancear o trafego entre celulas, evitando sobrecargas. As ARSs,
operam em dual-modo, com uma interface realizando comunicacao com as BSs do sistema
celular e outra, baseada em WLAN, para realizar comunicacao com outros ARSs, em modo ad
hoc. E, elas tem sua mobilidade controlada pelo MSC da rede celular, embora o RNC (Radio
Network Controller) nos sistemas 3G, tambem possam realizar este trabalho.
Em um sistema celular atual, se uma MS A realiza uma nova chamada em uma celula
congestionada X, esta nova chamada sera obstruıda. No sistema proposto, a chamada nao pode
ser obstruıda. Para isto, as ARSs desviam o trafego de uma celula congestionada para uma nao
congestionada, ou seja, apesar da MS de origem e da MS de destino estarem localizadas em
celulas congestionadas, a ARS em uma celula adjacente (nao congestionada) realiza a conexao.
Tres metodos de transmissao podem ser utilizados quando uma nova chamada e realizada em
uma celula congestionada: transmissao primaria, transmissao secundaria e, transmissao em
cascata.
Quando uma MS A inicia uma chamada na celula congestionada X e, pode conectar-se
diretamente a uma ARS, a ARS desvia a chamada da MS A para uma celula adjacente Y,
constituindo uma transmissao primaria.
Caso nao haja nenhuma ARS disponıvel para A, uma chamada em andamento de uma MS
B, na celula X, e transferida para uma celula adjacente usando outro ARS. Assim, um canal e
liberado e pode ser usado pela MS A, ocorrendo entao, uma transmissao secundaria.
Se as duas solucoes anteriores nao forem possıveis, uma chamada originada pela MS C, na
celula Y, e desviada para uma terceira celula, Z, para que a chamada da MS B, na celula X,
37
possa ser transferida para Y e, a nova chamada, iniciada pela MS A, ser aceita na celula X.
Isto constitui, uma transmissao em cascata.
Alem do balanceamento da carga de trafego, esta arquitetura expande a area de cobertura
da rede celular pois, as MSs que nao estiverem sendo alcancadas por uma BS, podem acessar
o sistema atraves das ARSs.
3.5.3 A-GSM
A arquitetura A-GSM (Ad-hoc GSM) [Aggelou and Tafazolli 2001], prove conectividade em
areas onde o sinal da rede celular esteja muito fraco, realizando as transmissoes no modo ad hoc.
Os terminais possuem uma interface para GSM (uma rede infra-estruturada) e uma interface
para A-GSM (uma MANET). Uma interface e usada, enquanto a outra indica uma forma de
conexao alternativa.
Os terminais possuem uma unidade interna denominada DIMIWU (Internetworking Unity)
que, executa todas as adaptacoes requeridas para as interfaces GSM e A-GSM. Na camada de
enlace, o modo A-GSM utiliza uma adaptacao do GSM que, transmite quadros de controle,
para anunciar a capacidade da estacao de ser usada como no de transmissao em modo ad hoc.
A mensagem de anuncio pode incluir a identificacao da BS (Base Station) com a qual ela pode
se conectar, e tambem, o numero de saltos necessarios para alcanca-la.
Os terminais tambem tem um gerenciador de recursos que, decide quais pedidos de trans-
missao serao aceitos.
Assim como a UCAN, a principal vantagem em utilizar a arquitetura A-GSM e prover apoio
a rede celular (desta vez, GSM), atraves de uma MANET. Apesar desta arquiteura ter sido
projetada para redes GSM, seus prıncipios podem ser aplicados em um ambiente que possua
outra rede celular.
3.5.4 CAMA
A CAMA (Cellular Aided Mobile Ad-hoc Network) [Bhargava et al. 2004] [Dias et al. 2006]
nao e uma arquitetura generica para redes sem fio heterogeneas, mas, tem como objetivo,
melhorar o desempenho das MANETs, utilizando a infra-estrutura celular.
A rede celular e usada por essa arquitetura, apenas para controlar as operacoes da MANET
proporcionando autenticacao, roteamento e seguranca. Apenas dados de controle transmitidos
atraves da rede celular, ou seja, os canais da rede celular sao usados para sinalizacao pelas MSs
(Mobile Station), para conectarem-se com agentes CAMA, presentes na infra-estrutura celular.
38
Os agentes CAMA fazem descoberta de rota atraves do MSGPR (Multi-Selection Greedy
Positioning Routing). Neste roteamento baseado em posicionamento, as MSs possuem GPS
(Global Positioning System) e, anunciam sua posicao para o agente CAMA usando os canais
da rede celular.
Diferentemente das arquiteturas anteriores, nesta, a rede celular e que e usada para melhorar
o desempenho das MANETs, mas, uma observacao importante e que, a carga de sinalizacao
aumenta na rede celular, e isto, pode interferir no QoS oferecido aos usuarios desta.
As altas taxas de dados das MANETs poderia torna-las apropriadas para os servicos mul-
timıdia, entretando, devido a sua alta mobilidade, o QoS necessario para tais servicos nao e
garantido, podendo haver grandes atrasos e interferencias.
Nos capıtulos posteriores, protocolos tradicionais de gerenciamento de mobilidade serao
discutidos e avaliados, a fim de se concluir a respeito de sua utilidade e adequacao as novas
redes, a 4G.
Capıtulo 4Protocolos de Gerenciamento de Mobilidade
4.1 Gerenciamento de Mobilidade
Gerenciamento de mobilidade e o metodo que permite que as estacao moveis se comuniquem
de forma transparente, mesmo quando estao em movimento ou, mudam seu ponto de acesso. O
gerenciamento de mobilidade tradicional, usado atualmente pelas redes 2G e 3G, suporta apenas
a mobilidade da estacao final. Assim, o gerenciamento de mobilidade tradicional consiste em
duas estapas: gerenciamento de localizacao e gerenciamento de handoff [Dias et al. 2006].
O gerenciamento de localizacao consiste em registro e atualizacao de localizacao (LU -
Location Update) e, paging, usadas para descobrir o atual ponto de acoplamento da MS (Mobile
Station) com a rede, a fim de permitir a continuidade na entrega dos dados. Em determinados
instantes (apos mudar de sub-rede, por exemplo), a MS informa a rede, a sua localizacao atual;
assim, o processo de busca de uma estacao que se move e chamado de LU; ele pode ser realizado
atraves de, por exemplo, um temporizador que expira ou, em funcao da distancia percorrida
pela MS. Quando uma estacao inativa precisa ser encontrada, a rede realiza uma busca atraves
do metodo de paging.
Ja o gerenciamento de handoff permite a continuidade na conexao de uma MS, mesmo
quando esta se move e muda seu ponto de acoplamento com a rede. O gerenciamento de
handoff consiste em tres etapas: iniciacao, geracao da conexao e controle do fluxo de dados
[Dias et al. 2006]. Quando uma MS muda seu ponto de conexao, ela envia um pedido de inıcio
do processo de handoff para a BS da sub-rede atual que, se comunica com a BS (Base Station)
da sub-rede de destino e, entao, o seu controle e transferido para a BS da sub-rede de destino.
A fase de geracao da conexao consiste na mudanca do endereco da MS, adquirido atraves da
39
40
nova sub-rede. O envio e recebimento de dados pode ser iniciado apos a obtencao do novo
endereco (registro), concluindo assim a terceira etapa.
Devido as caracterısticas dos novos cenarios tecnologicos proporcionados por redes 4G, em
especial, o aumento nos requisitos dos usuarios, novos tipos de mobilidade estao emergindo.
Sao elas [Dias et al. 2006]:
� Mobilidade pessoal: o usuario pode conectar-se globalmente usando um unico identi-
ficador pessoal, podendo originar e receber uma sessao atraves de qualquer terminal
autorizado;
� Mobilidade de sessao: o usuario pode manter uma sessao em andamento enquanto troca
de terminal. De um telefone celular para um notebook conectado, por exemplo;
� Mobilidade de servico: o usuario pode obter servicos personalizados de forma consistente,
mesmo conectado a uma rede estrangeira.
A mobilidade da estacao (semelhante a mobilidade de servico) pode ser, ainda, classificada
em: micromobilidade e macromobilidade [Dias et al. 2006]. A micromobilidade permite que a
estacao (e seu usuario) se movimente entre sub-redes distintas que estao sob o mesmo domınio
administrativo. A macromobilidade permite a movimentacao entre sub-redes de domınios ad-
ministrativos diferentes.
O procedimento de handoff pode ser classificado como soft e hard, e tambem como horizontal
e vertical [Dias et al. 2006]. O handoff horizontal ocorre entre pontos de acesso da mesma
tecnologia de rede, por exemplo, entre celulas de uma rede UMTS. E o handoff vertical, ocorre
entre pontos de acesso de diferentes tecnologias de rede como, por exemplo, celulas UMTS e
WLAN.
4.2 IP e a Mobilidade
O desenvolvimento das redes sem fio causou grande conflito com a estrutura existente na
Internet. O fato das estacoes poderem estar ligadas a rede sem possuir um suporte de conecti-
vidade cabeado, podendo, portanto, movimentar-se livremente, e muito importante, sobretudo
no contexto das novas aplicacoes. Mas, do ponto de vista tecnologico, representaram um desafio
significativo, uma vez que ainda nao existiam mecanismos de suporte necessarios.
41
Contudo, a estrutura da rede permitia que fossem criados novos protocolos que forneces-
sem os requisitos desejados, podendo assim, estender-se as novas funcionalidades, mantendo a
compatibilidade com toda a estrutura e protocolos ja existentes.
O problema com o enderecamento IP e que, ele foi desenvolvido de uma forma simples, na
qual cada endereco esta associado a uma unica rede IP. Os algoritmos usados na transmissao
de pacotes na Internet, enviariam cada pacote IP (datagrama) de no em no, passando por
diversas redes ate chegar a rede de destino onde, a MS (Mobile Station) de destino deveria
estar localizada. Desta forma, as MSs nao poderiam se mover entre redes, mas apenas no
interior de sua rede de origem, para que sua localizacao fısica coincidisse com seu endereco IP
(Figura 4.1, movimentos 1, 2, 3 e 4).
Assim sendo, caso a MS saısse da rede de origem, a sua conectividade seria interrompida
(Figura 4.1, movimento 4). Entao, todos os pacotes a ele destinados seriam entregues em sua
rede de origem, e nao na rede visitada, sendo perdidos.
Figura 4.1: Mobilidade possıvel utilizando-se protocolo IP.
4.3 Macromobilidade e Micromobilidade
A separacao da rede em domınios hierarquicos divide o problema do gerenciamento de mobi-
lidade em dois subproblemas diferentes: macromobilidade e a micromobilidade [Dias et al. 2006].
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A macromobilidade refere-se a movimentacao de estacoes entre domınios administrativos
distintos. Assim, os domınios e a rede global devem colaborar para garantir conectividade
transparente ao usuario enquanto ele se movimenta. Esta categoria inclui as solucoes: MIPv4
(Mobile IPv4) [Perkins 2002a] e MIPv6 (Mobile IPv6) [Perkins and Johnson 1996]
[Johnson and Perkins 2004].
A micromobilidade esta relacionada com a mobilidade dentro de um unico domınio adminis-
trativo. Em geral, os protocolos de micromobilidade pertencem a um dos dois grupos a seguir
[Dias et al. 2006]:
� Abordagem baseada em tunel hierarquico: os protocolos deste grupo utilizam varios
agentes estrangeiros (FA - Foreign Agent) que, mantem parte do banco de dados de
localizacao, em estrutura de arvore. Uma determinada entrada do banco de dados, contem
o endereco do proximo FA no caminho para atingir uma MS (Mobile Station) especıfica.
Pacotes de dados destinados a esta MS sao entregues encapsulados para o FA raiz da rede
visitada e, cada FA nos nıveis inferiores da estrutura em arvore, desencapsula os pacotes,
busca em seu banco de dados pela entrada correspondente e, encaminha-os para outro FA
em um nıvel hierarquico mais baixo, ate que a MS em questao seja alcancada. Quando a
MS desloca-se, ela realiza atualizacao de localizacao (Location Update - LU) informando
um no da arvore localizado entre o novo e o antigo. A partir deste no da rede, cria-se um
novo tunel ate o AP (Access Point) atual da MS. Um exemplo deste grupo e o HMIPv6
(Hierarchical Mobile IPv6) [Soliman et al. 2005];
� Abordagem baseada em roteamento explıcito da MS: esta categoria, ao contrario da an-
terior, nao mantem bancos de dados de localizacao, cada no da rede (BSs e roteadores)
mantem uma de tabela de roteamento que, contem um ındice para o proximo salto no
caminho, ate o ponto de acesso da MS. Quando a MS desloca-se, mensagens de atua-
lizacao de localizacao sao enviadas ate o FA raiz ou, ate um no ancora localizado entre
o antigo e o novo caminho. Esta solucao nao requer uma estrutura em arvore, mas acar-
reta problemas de escalabilidade em funcao do numero de informacoes de roteamento
armazenadas, para cada MN (Mobile Node). Exemplos desta categoria sao: Cellular
IP [Campbell et al. 2000] [Allen et al. 1999] e, HAWAII (Handoff-Aware Wireless Access
Internet Infrastructure) [Ramjee et al. 2002].
43
4.4 Protocolos de Macromobilidade
Esta classe de protocolos considera os movimentos das MSs (Mobile Station) entre domınios
administrativos distintos, detectando estes movimentos e criando os mecanismos necessarios
para que as MSs continuem a enviar e receber pacotes de dados normalmente. Assim, estes
domınios estao, geralmente, afastados geograficamente, ou mesmo, baseados em tecnologias di-
ferentes; entao, essas transicoes acontecem, normalmente, com menor frequencia, o que significa
que, esta classe de mobilidade nao tem um requisito muito rigoroso em relacao a velocidade do
handoff, admitindo-se breves interrupcoes na conexao.
A seguir, detalhes dos protocolos de macromobilidade: MIPv4 [Perkins 2002a]
[Perkins 2002b], MIPv6 [Perkins and Johnson 1996] [Johnson and Perkins 2004], MSCTP
(Mobile SCTP) [Dias et al. 2006], SIP (Session Initiation Protocol) [Handley et al. 1999]
[Rosenberg et al. 2002] [Donovan 2000] serao apresentados.
4.4.1 MIPv4
O IP movel (MIP - Mobile IP) [Perkins 1996], e a proposta da IETF (Internet Engineering
Task Force) como solucao para prover mobilidade na camada de rede, sendo a proposta mais
antiga para lidar com o gerenciamento de mobilidade na Internet.
O protocolo MIPv4 [Perkins 2002a] [Perkins 2002b], define tres novas entidades em sua
arquitetura para prover suporte a mobilidade: a estacao movel, chamado nesta arquitetura
de no movel (MN - Mobile Node), um agente domestico (HA - Home Agent), que trata a
mobilidade do movel em sua rede de origem (HN - Home Network), e um agente estrangeiro
(FA- Foreign Agent), que esta presente na rede estrangeira (FN - Foreign Network) para onde
o no movel deslocou-se. A seguir, uma analise mais detalhada das entidades MIPv4, ou seja,
seus componentes.
Entidades MIPv4
MN: um terminal que muda seu ponto de conexao de uma sub-rede para outra. Quando um
MN muda sua localizacao, ele adquire um novo endereco IP e, continua a se comunicar
com outros nos na Internet, assumindo a conexao atraves de um novo ponto de conexao
disponıvel.
HA: um roteador em uma HN de um no movel, ou seja, aquela em que o MN esta registrado.
Sua funcao e entregar os datagramas (pacotes IP) ao MN e, manter informacao sobre a
44
localizacao atual deste MN. Mesmo quando o MN encontra-se em uma rede estrangeira
(ou rede visitada), os pacotes enviados a ele por um dispositivo que esteja realizando
comunicacao, denominado CN (Correspondent Node), sao capturados pelo HA, colocados
em um tunel e entregues.
FA: um roteador na rede visitada pelo MN, que prove servicos de roteamento a este, enquanto
estiver registrado. O FA retira os datagramas do tunel - enviados pelo HA - e, os entrega
ao MN. Para datagramas enviados pelo MN, o FA serve como um roteador padrao para
envia-los aos CNs.
Funcionamento do MIPv4
Quando um MN (Mobile Node) se desloca para uma FN (Foreign Network), ele recebe um
novo endereco IP. Este endereco local e administrado da mesma forma que um endereco IP
permanente, quando dado a um terminal estacionario. Este endereco, associado ao MN, reflete
seu atual ponto de conexao com a rede. A este tipo de endereco e dado o nome de CoA (Care-of
Address).
O funcionamento do MIP consiste em tres etapas principais: localizacao de agentes, registro
junto ao agente estrangeiro e roteamento indireto [Kurose and Ross 2006].
A localizacao de agentes se inicia quando o MN chega a uma rede estrangeira (ou rede
visitada), e pode ser realizada de duas maneiras: via anuncio de agente ou via solicitacao
de agente. No primeiro caso, os agentes que podem servir como Agentes Estrangeiros (FAs),
enviam mensagens periodicas em broadcast (por difusao), em todos os enlaces aos quais estao
conectados. Com a solicitacao de agente, o MN nao espera mensagens de anuncio, ele envia
uma mensagem de solicitacao, em broadcast e, ao receber esta mensagem, o agente emite um
anuncio unicast diretamente ao MN. Uma vez obtido o endereco IP que sera utilizado naquela
rede, o MN o registra com o seu HA. Isso pode ser feito diretamente pelo MN, ou atraves
do FA, caso o endereco utilizado pertenca ao FA. Pode-se obeservar que, o MIPv4 apresenta
esta necessidade de registro e autenticacao cada vez que o MN se movimenta e, tres nıveis de
autenticacao sao necessarios: o MN deve autenticar-se com o FA, o FA com HA, e o MN com
o HA; para que usuarios ilegais nao possam adquirir servicos do sistema usando ataques.
Apos as fases de localizacao e registro, uma entrada para o novo endereco do MN e inserida
na tabela de roteamento do HA e todos os pacotes que forem enderecados a ele serao enviados
atraves de um tunel mantido entre o HA e o detentor do CoA (que pode ser o FA ou o proprio
MN). Esses pacotes sao encapsulados, por exemplo, dentro de outro pacote IP, tendo como
45
endereco de destino o CoA. Deste modo, serao roteados atraves da rede ate o final do tunel.
E importante ressaltar que, existem duas alternativas para aquisicao do care-of adress : o
foreign agent care-of adress adquirido pelo FA e, o co-located care-of adress, que e o care-of
adress adquirido pelo MN como um endereco IP local. E, se um tunel e criado somente ate o
FA, entao todos os nos moveis servidos pelo mesmo FA podem compartilhar o mesmo care-of
adress ; se o tunel e criado ate o MN, entao todo MN precisa ter seu proprio CoA [Perkins 2002a].
A Figura 4.2 ilustra o roteamento de datagramas de um CN (Correspondent Node), desti-
nados a um MN (Mobile Node) que se deslocou de sua HN (Home Network). Primeiramente, o
MN se registra com a FN (Foreign Network), e envia seu novo CoA para o HA (Home Agent).
No passo 1, o CN envia os pacotes para a HN. No passo 2, o HA intercepta estes datagramas
e, tendo a informacao de que o MN nao esta presente em sua HN, envia os datagramas para
o CoA do MN. No passo 3, os datagramas sao encaminhados para o MN pelo FA (Foreign
Agent). No passo 4, o MN envia um datagrama para o CN; para isto, ele utiliza seu proprio
endereco IP da HN no campo de fonte do cabecalho IP e no campo de destino, o endereco do
CN, capturado ao receber datagramas deste. O roteador no qual o FA esta presente encaminha
o datagrama da mesma forma que faria com os datagramas de qualquer outro MN pertencente
a FN.
Figura 4.2: Roteamento no MIPv4 [Dias et al. 2006].
46
Problemas e solucoes
A primeira falha do MIPv4 refere-se a perda de pacotes nos filtros de entrada, encontrados
nos roteadores de borda das redes visitadas (FNs). Esses filtros descartam pacotes IP destinados
a terminais externos (CNs), cujo endereco de origem do pacote nao tenha um prefixo igual ao
prefixo da rede em que se encontra o filtro. Pelo fato do MN (Mobile Node) utilizar seu endereco
(Home Adress) como endereco de origem dos pacotes enviados para um CN, os seus pacotes sao
descartados pelo filtro. Uma solucao para esse problema e o tunelamento reverso, cujo objetivo
e criar um tunel do MN para o HA; assim o MN envia os datagramas para o HA usando o
CoA. Ao chegar ao HA, os pacotes sao desencapsulados e entregues ao CN com o Home Adress
como seu endereco de origem [Oliveira 2005]. Mas isso geraria sobrecarga no processamento do
HA e, grande carga de sinalizacao na Internet.
A tecnica de tunelamento foi proposta para suportar roaming sem interrupcao na conexao
[Oliveira 2005], pois, problemas ocorreriam quando houvesse a troca de rede por um MN,
ja que cada rede esta relacionada a um endereco IP especıfico, e o endereco do MN ja nao
coresponderia ao endereco de sua HN. Porem, o tunelamento gera um outro problema no
MIPv4, o roteamento triangular [Dias et al. 2006], ou seja, um CN, conhecendo apenas o home
address do MN, enviara os datagramas para sua HN. Como o MN deslocou-se, o HA intercepta
os datagramas e realiza seu tunelamento para o MN em sua FN. Assim, todos os pacotes serao
tunelados para o MN em outra rede, o que gera sobrecarga de processamento no HA, grande
carga de sinalizacao na Internet e, ate mesmo, atrasos no processo de registro. Para resolver
este problema foi proposta uma solucao denominada otimizacao de rota, realizada atraves do
envio do CoA atual do MN para o CN, para que este possa enviar os datagramas diretamente
para o MN, sem a necessidade da interceptacao pelo HA; isto resolve tambem o problema da
perda de pacotes nos filtros de entrada das FNs, nao havendo necessidade de tunelamento
reverso. Isso e possıvel atraves de mensagens BU (Binding Updates) enviadas pelo HA aos
CNs, informando a nova posicao (CoA) do MN. Esta solucao exige um agente de mobilidade
para o CN.
4.4.2 MIPv6
O IP Movel versao 6 (MIPv6 - Mobile IPv6) [Johnson and Perkins 2004]
[Perkins and Johnson 1996], e a evolucao natural do MIPv4, projetado para fornecer suporte a
mobilidade em redes IPv6 [Deering and Hinden 1995]. Apesar das semelhancas com o MIPv4,
o MIPv6 possui caracterısticas adicionais voltadas para redes IPv6.
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A principal mudanca e consequencia do maior numero de enderecos IP fornecido pelo IPv6.
Com esse numero maior de IPs, todos os MNs podem usar um CCoA (Co-located Care-of
Address), indicando sua localizacao corrente, ou seja, seu ponto de conexao atual com a Internet.
Uma outra caracterıstica e a ausencia de FAs (Foreign Agent) nas redes visitadas. Os mo-
vimentos sao detectados usando as novas caracterısticas do IPv6: descoberta de vizinhanca
[Narten et al. 1998], auto-configuracao de endereco [Thomson and Narten 1998] e, a capaci-
dade dos roteadores enviarem mensagens de anuncio de roteador.
Alem disso, a otimizacao de rota e agora parte integrante do protocolo MIPv6. As men-
sagens de BU (Binding Updates) sao enviadas diretamente pelos MNs aos CNs, retirando essa
funcionalidade do HA. Tambem nao e mais necessario realizar o tunelamento reverso pois, o
home address associado ao care-of address do MN sao indicados no cabecalho dos pacotes envi-
ados para um CN, diferente do MIPv4 que usava apenas o home address. Como o MN usa seu
CoA como endereco de origem no cabecalho IPv6, o datagrama atravessa os filtros de entrada
da FN sendo visitada.
4.4.3 MSCTP
O MSCTP (Mobile SCTP) [Dias et al. 2006], e o SCTP (Stream Control Transmission
Protocol) [Stewart et al. 2000] [Stewart et al. 2006], em conjunto com sua extensao, denomi-
nada ADDIP (Dynamic Address Reconfiguration) [Stewart et al. 2007], cuja funcao e realizar
reconfiguracao de enderecos dinamicamente.
O SCTP e um protocolo que atua na camada de transporte e, foi proposto para conduzir
a sinalizacao de telefonia sobre a rede IP, uma rede nao confiavel. Portanto, o SCTP e um
protocolo de transporte confiavel, orientado a conexao e que, oferece novas caracterısticas, como
multi-streaming (que permite a existencia de diversos fluxos de dados independentes sobre a
mesma conexao) e, multi-homing (que permite o acesso a determinado destino por multiplos
enderecos IP). Atraves do multi-homing um protocolo pode oferecer suporte a mobilidade sem
a necessidade de agentes para este proposito nos roteadores da rede. Outras caracterısticas
encontradas no SCTP sao: tolerancia a falhas atraves do uso de multi-homing, prevencao de
pacotes duplicados e ataques de inundacao [Dias et al. 2006].
Na terminologia do protocolo, associacao (Figura 4.3) significa conexao e, as associacoes sao
estabelecidas atraves de handshakes em 4 vias, na camada de rede (onde atua o IP), provendo
assim, enderecamento ao SCTP, que atua na camada de transporte.
Um protocolo suporta multi-homing se a estacao puder ter mais que um endereco da camada
48
Figura 4.3: Uma associacao SCTP.
de rede. A mobilidade ocorre atraves do fato dos enderecos IP poderem ser trocados mantendo-
se a conexao fim a fim ativa. O problema no uso do SCTP para prover mobilidade era realizar
esta reconfiguracao de enderecos dinamicamente, ou seja, enquanto a conexao se mantem ativa.
E, para isto, foi utilizada a extensao ADDIP.
Ao ser iniciada uma associacao entre duas estacoes, os enderecos de transporte (numeros
de portas e enderecos IP) sao trocadas entre as estacoes envolvidas. Estes enderecos IP sao
utilizados como pontos finais de fluxos distintos. O SCTP considera cada endereco IP do seu
par como um possıvel caminho de transmissao para o ponto final, mas apenas um e selecionado
como o caminho primario, podendo ser mudado posteriormente, caso seja necessario. Esta
reconfiguracao dinamica de endereco e realizada pela extensao do STCP. Como mostrado na
Figura 4.4, a MS (Mobile Station) inicia uma associacao SCTP com o CN. Posteriormente, a
MS se move da rede A para a rede B e, em algum ponto de sobreposicao entre estas redes, a MS
obtem um novo endereco IP de um servidor (que pode ser DHCP - Dynamic Host Configuration
Protocol [Droms 1997], por exemplo). Este novo endereco e enviado pela MS ao CN e, quando
esta se encontra totalmente na rede B, o antigo endereco IP e desativado e ela envia uma nova
mensagem para o CN que, remove este endereco de sua tabela (local onde sao armazenados os
enderecos trocados inicialmente).
O MSCTP pode ser utilizado para viabilizar o handoff vertical entre UMTS e WLAN
[Ma et al. 2004]. O multi-homing permite que o usuario tenha dois enderecos IP, um da rede
UMTS e outro da WLAN. A MS e o Servidor (FS - Fixed Server) (representado na Figura
4.4 por CN) devem implementar o protocolo e, a MS deve ter suporte das camadas fısica e de
enlace para as duas tecnologias. O procedimento consiste em tres passos [Dias et al. 2006]:
49
Figura 4.4: MSCTP - Mobile Stream Control Protocol [Dias et al. 2006].
� Adicao do endereco IP;
� Disparo do handoff vertical;
� Remocao do endereco IP.
O FS e configurado com um endereco IP (FS-IP), e a MS e configurada com enderecos
IP para a rede UMTS (UMTS-IP) e para a WLAN (WLAN-IP). Quando a MS se move para
uma celula da WLAN (onde existe tambem cobertura UMTS), ela adquire um novo endereco
IP (WLAN-IP) atribuıdo via mensagem de anuncio de roteador da WLAN e, utiliza uma
mensagem ASCONF (Address Configuration) para informar seu novo IP (Figura 4.5). O disparo
do handoff vertical depende de algumas regras de decisao e, julgando que a decisao de handoff
vertical do UMTS para WLAN foi tomada, a MS dispara o handoff enviando uma mensagem
ASCONF com a indicacao de que deseja configurar o caminho primario com o endereco WLAN-
IP. O FS envia, entao, uma mensagem de confirmacao ACK (Acknowledgement) e, a WLAN
torna-se a escolha primaria para rotear o trafego. O handoff vertical da WLAN para UMTS
e disparado quando a MS envia uma mensagem ASCONF indicando que o endereco primario
sera o UMTS-IP. Apos a confirmacao, o trafego entre a MS e o FS sera roteado pela rede
UMTS. Caso ocorra a perda do sinal da WLAN, a MS remove o endereco WLAN-IP enviando
uma mensagem ASCONF solicitando esta remocao da tabela de roteamento do FS. Com o
recebimento do ACK enviado pelo FS, a MS remove o WLAN-IP de sua tabela de enderecos,
rompendo, entao, a associacao.
50
Figura 4.5: Procedimento de handoff vertical utilizando o MSCTP [Ma et al. 2004].
4.4.4 SIP
O SIP (Session Initiation Protocol) [Handley et al. 1999] [Rosenberg et al. 2002]
[Donovan 2000] e um protocolo que atua na camada de aplicacao usado para gerenciar (ini-
ciar, alterar e finalizar) sessoes. Esse protocolo atua em sessoes como, Instant Messenger,
gerenciamento de notificacao de eventos, gerenciamento de jogos distribuıdos e, principalmente
aplicacoes multimıdia, como VoIP e conferencias.
O SIP tem a finalidade de criar sessoes entre usuarios identificados por numero telefonico,
endereco eletronico ou, qualquer terminal com endereco valido. Deste modo, as mensagens
enviadas para o estabelecimento de conexao contem informacoes como origem e urgencia da
conexao. As principais entidades responsaveis por acessar essas informacoes, fazer registro e
roteamento, sao: UA (User Agent), registrador, servidor proxy e servidor de redirecionamento.
O papel destas entidades e apresentado a seguir:
� UAs: iniciam as conexoes e estabelecem as sessoes SIP. Um aplicativo de VoIP e um
exemplo de UA;
� Registradores: sao servidores que mantem informacoes sobre os usuarios que estao em seu
domınio. Durante um registro, um UA comunica ao seu registrador o nome do usuario
SIP que usa o dispositivo (chamado AoR (Address of Records)) e o endereco onde ele pode
51
ser encontrado. O endereco IP do registrador e pre-configurado e assim, e previamente
conhecido pelo UA. As informacoes de contato, mantidas como enderecos IP, tambem
podem ser armazenadas como numeros de telefone ou outro tipo de informacao;
� Servidores proxy : sao roteadores da camada de aplicacao que encaminha requisicoes e
respostas, ou seja, sua funcao e encaminhar as mensagens SIP. O usuario SIP que deseja
estabelecer uma sessao, conhece apenas o AoR (identificador de usuario) de seu contato
e nao possui a informacao completa do sistema final chamado, assim, os servidores proxy
sao usados para encaminhar as mensagens diretamente para o UA ou para outro servidor
que conheca a localizacao do contato;
� Servidores de redirecionamento: retornam a localizacao do UA de destino.
Geralmente, registrador, servidor proxy e de redirecionamento sao localizados no mesmo no
da rede. A sessao SIP e estabelecida da seguinte forma: o UA inicia uma conexao, contatando
seu servidor proxy que, encaminha o pedido para o proxy no domınio do UA de destino. O
proxy de destino recupera do registrador, a associacao (AoR e endereco de contato) com o UA
de destino. O SIP tambem pode realizar a conexao entre UAs diretamente, usando o servidor
de redirecionamento para informar ao UA que iniciou a conexao, para onde enviar a mensagem
de convite para inıcio da sessao [Dias et al. 2006].
As aplicacoes SIP se registram com o registrador aproximadamente uma vez a cada hora ou,
sempre que mudar de sub-rede. O registro consiste em tres partes: endereco de rede atual, pro-
priedades do dispositivo e um ou mais elementos de configuracao do usuario [Dias et al. 2006].
Quando o usuario se move para uma sub-rede estrangeira durante uma sessao ativa, ele
obtem um endereco IP via DHCP (ou similar) [Droms 1997] e, entao, envia uma nova mensagem
(de convite), para o sistema final com o qual esta se comunicando, informando seu novo endereco
IP, para que as mensagens possam ser enviadas para o novo domınio. Esta mensagem de convite
e usada para atualizar as informacoes armazenadas sobre a sessao em andamento.
O SIP implementa nao so esta tradicional mobilidade de terminal, mas tambem suporta as
mobilidades de sessao, pessoal e, de servico.
A mobilidade de sessao permite que o usuario mantenha a sessao em andamento e mude
de terminal. Isto e implementado usando transferencia de chamada. Assim, um terminal A
que deseja transferir sua sessao para um terminal B, deve informar a estacao comunicante
C que ela devera contatar B; entao C envia uma mensagem de convite para B. De maneira
oposta, A (estacao que esta se comunicando com C) poderia contatar B, e entao B enviaria
uma mensagem de convite (inıcio de sessao) para C.
52
A mobilidade pessoal permite identificar um usuario localizado em diferentes terminais,
usando o mesmo endereco logico. E, estes terminais podem ser utilizados ao mesmo tempo ou
de forma alternada. Mesmo no caso de e-mails ou numeros telefonicos diferentes, pertencentes
a um mesmo usuario, heurısticas podem ser usadas para que estes sejam entendidos com uma
unica entidade logica que, se refere ao usuario em questao.
A mobilidade de servico permite que o usuario mantenha uma sessao aberta, mesmo quando
se movimenta, muda de terminal ou de provedor de servico. Informacoes sobre o servico devem
ser mantidas em formatos independentes de dispositivo, como os cartoes SIM do GSM, que
podem ser vistos como um exemplo primitivo de mobilidade de servico.
O SIP suporta os diferentes tipos de mobilidade conceitualizados e demandados por siste-
mas 4G. E e, tambem, o protocolo de sinalizacao escolhido pelo 3GPP para o IMS (Internet
Multimedia Sub-system) que, permite o fornecimento de servicos multimıdia para a Internet,
estando associado, em especial, a aplicacoes VoIP [Dias et al. 2006].
4.5 Protocolos de Micromobilidade
Protocolos de micromobilidade sao desenvolvidos para domınios onde, as estacoes moveis
mudam seus pontos de conexao de forma tao frequente que, o mecanismo basico do MIP
provoca significativo aumento no atraso, na sinalizacao e perda de pacotes. Aplicacoes de
tempo real, por exemplo, nao podem ser suportadas por esse mecanismo devido a degradacao
gerada por handoffs frequentes. O estabelecimento de novos tuneis tambem introduz atrasos e,
torna o desempenho especialmente fraco quando o no movel esta se comunicando com um no
correspondente proximo pois, o menor caminho nao e utilizado. A otimizacao de rota melhora
a qualidade do servico, mas o desempenho ainda se mantem fraco quando o MN movimenta-se
enquanto esta se comunicando com um CN distante.
A seguir, serao apresentados os protocolos de micromobilidade: CIP (Cellular IP)
[Campbell et al. 2000] [Allen et al. 1999], HAWAII [Ramjee et al. 2002], HMIPv6
[Soliman et al. 2005], TeleMIP (Telecommunication Enhanced Mobile IP) [Das et al. 2000],
IDMP (Intradomain Mobility Management Protocol) [Misra et al. 2002] [Das et al. 2002].
4.5.1 CIP
CIP (Cellular IP) [Campbell et al. 2000] [Allen et al. 1999] e um protocolo baseado no
paradigma IP. Quando os terminais saem da rede, transitando assim, de domınio, o CIP suporta
53
o MIP como protocolo de macromobilidade para a manutencao da conectividade dos terminais
entre diferentes redes. CIP herda alguns princıpios dos sistemas celulares para gerenciamento de
mobilidade, sao eles: conectividade passiva, paging e handoff. Serao detalhados posteriormente,
os processos de roteamento, semi-soft handoff, hard handoff, conectividade passiva e, paging,
do Cellular IP.
Entidades CIP
A arquitetura da rede Cellular IP e composta por no movel (MN - Mobile Node), estacao
base (BS - Base Station), roteadores internos (IR - Internal Router) e gateway (GW).
MN: e o dispositivo final que utiliza os servicos e recursos da rede; ele e identificado, dentro
da rede CIP, atraves de seu Home Address.
BS: e um ponto de acesso sem fio para o MN e, realiza algumas funcoes relacionadas ao
roteamento de datagramas.
IR: sua unica funcao e o roteamento. Os datagramas (pacotes IP) sao roteados sem tunela-
mento ou conversao de endereco.
GW: conecta a rede CIP a Internet; recebem, desencapsulam e enviam os pacotes para a BS
onde se encontra o MN. Todos os pacotes enviados a um terminal externo a rede CIP sao
roteados para o GW e, so entao, transmitidos para o terminal de destino.
Funcionamento do CIP
Na rede CIP, o gerenciamento de localizacao e de handoff sao integrados ao roteamento.
Para minimizar as mensagens de controle, pacotes de dados transmitidos pelos MNs, sao usados
para informar sua localizacao.
No CIP, todos os pacotes enviados pelos MNs a um terminal, seja ele interno ou externo a
rede CIP, devem passar pelo GW e, so entao, serem entregues. Sendo assim, as BSs e os IRs
devem possuir a informacao de qual interface de saıda devem enviar os pacotes dos MNs, para
que alcance o GW. Essa informacao e obtida atraves de mensagens de controle - contendo o
endereco IP do AP (Access Point) e o endereco IP da rede - enviadas periodicamente pelos
GWs para toda a rede CIP.
Quando os pacotes passam pelos nos da rede (BSs e IRs) em direcao ao GW, um registro que
mapeia o endereco IP do MN emissor e a interface de entrada na qual foi recebido o pacote, sao
54
armazenados, em uma tabela chamada routing cache. Assim, ao receber um pacote enderecado
a um MN especıfico, o no em questao consulta sua tabela, encontra o mapeamento referente
ao endereco IP do MN e, retorna a de saıda correspondente. Esse processo e realizado ate que
o MN seja atingido pelo no da rede (BS ou IR) num processo de multi-hop. Esse mapeamento
continua valido por um perıodo de tempo, chamado route-timeout e, e atualizado a cada pacote
recebido na mesma interface de entrada, emitida pelo mesmo MN.
Quando nao possuir dados a serem transmitidos, o MN envia pacotes de route-update para
o GW, para que as tabelas de mapeamento, em todos os nos da rota, sejam atualizadas. Esses
pacotes sao enviados em um intervalo de tempo, chamado route-update-time.
No CIP, a solicitacao de handoff e feita pelo MN, para a BS que possui a maior potencia
de sinal, descoberta pelo MN atraves de mensagens de controle emiditas pela BS, por difusao.
Existem dois tipos de handoff : o hard handoff e o semi-soft handoff.
No hard handoff, quando o MN (Mobile Node) recebe uma mensagem de controle de uma
BS, com um sinal mais forte do que a BS com a qual ele esta conectado, ele envia um pacote
de route-update para a esta BS e passa a usa-la. Isso cria um novo mapeamento na routing
cache dos nos da rota entre o MN e o GW. O mapeamento associado a BS antiga nao e
desfeito automaticamente, ele e mantido ate que o route-update-time expire. Durante a latencia
de handoff - intervalo de tempo entre o handoff e a chegada do primeiro pacote - pacotes
direcionados para o MN podem, ser enviados para a antiga rota e, consequentemente, serem
perdidos. Essa caracterıstica do hard handoff implica em uma solucao simples de suporte a
handoff rapido mas, sacrifica alguns pacotes.
No semi-soft handoff, ao receber uma mensagem de controle de uma BS com sinal mais
forte que de seu ponto de acesso atual, o MN envia para essa BS um pacote de route-update
mas, continua recebendo pacotes pela BS anterior. Assim, o MN se conecta a dois pontos de
acesso, o que, minimiza a perda de pacotes mas, consome o dobro de recursos da rede, durante
esse perıodo de semi-soft delay. Apos o isso, o MN passa a utilizar somente a nova BS.
Paging e a habilidade da rede de encontrar um MN em uma area geografica pequena,
quando precisar enviar dados a ele. Sendo assim, o MN pode ficar em modo ocioso, ou seja,
sem consumir recursos da rede e do proprio dispositivo, quando nao possuir dados para enviar.
O fato do MN estar ocioso mas, ter a capacidade de ser alcancado pela rede ou se conectar a
ela em determinado momento, e denominado conectividade passiva.
Quando um MN (Mobile Node) nao recebe pacotes por um intervalo de tempo, chamado
active-state timeout, ele muda seu estado para ocioso e, assim, os mapeamentos routing cache
sao desfeitos. Para que possa ser localizado, o MN envia, em intervalos definidos pelo paging-
55
update-time, pacotes de paging-update, para o GW.
O paging cache possui um tempo de vida, chamado paging-timeout, maior do que o route-
timeout e, os mapeamentos paging caches sao atualizados por qualquer pacote enviado por um
MN, incluindo paging-updates. O mapeamento paging cache e utilizado quando o GW ou as
BSs nao encontram um mapeamento para um MN no routing cache. Se uma determinada BS
nao possuir uma entrada no paging cache para o MN especıfico, ela envia o pacote recebido
para todas as suas interfaces, exceto aquela pela qual recebeu o pacote.
4.5.2 HAWAII
HAWAII (Handoff-Aware Wireless Access Internet Infrastructure) [Das et al. 2000]
[Ramjee et al. 2002] e uma solucao de micromobilidade para o MIP. Assim como o CIP, HAWAII
foi proposto para minimizar a interrupcao de conexao e a latencia de handoff. Uma aborda-
gem comum para proporcionar mobilidade transparente e dividir a rede em hierarquias, entao o
HAWAII utiliza uma estrategia semelhante, a separacao da rede em uma hierarquia de domınios.
A arquitetura do HAWAII e composta por MN (Mobile Node), BS (Base Station), roteadores
e roteador raiz do domınio.
Os MNs sao terminais que utilizam os recursos da rede HAWAII. As BSs, tem funcao
de ponto de acesso para os MNs, e tambem, funcionam como um tradutor entre o MIP e o
HAWAII. Os roteadores sao as entidades que executam o protocolo HAWAII. E, o roteador raiz
do domınio conecta a rede com a Internet, ou seja, tem a funcao de gateway.
O gerenciamento de mobilidade e realizado atraves de esquemas de configuracao de rota
que, constituem em metodos para atualizar os nos (BSs, roteadores e, roteador raiz) da rede,
para que a conexao do MN seja mantida, enquanto estiver ocorrendo um handoff.
HAWAII utiliza mensagens de atualizacao de rota para estabelecer e atualizar entradas de
roteamento, nos roteadores do domınio, a fim de que, os pacotes que chegam ao roteador raiz
do domınio, possam ser entregues ao MN de destino.
Os MNs, conectados a uma BS, enviam mensagens de atualizacao de rota para ela, perio-
dicamente, para manterem suas entradas na tabela de roteamento e, nao serem removidos por
ela. A BS, por sua vez, envia uma mensagem para atualizar as tabelas dos roteadores que se
encontram na rota, atraves de multi-hop, ate alcancar o roteador raiz.
Existem dois tipos de esquemas de configuracao de rota: Forwarding e Non-Forwarding. O
Forwarding e voltado para redes sem fio nas quais os MNs nao sao capazes de receber/transmitir
por mais de uma BS e, o Non-Forwarding, para redes onde o MN pode receber/transmitir por
56
duas ou mais BSs, simultaneamente, e, por um perıodo curto de tempo.
O MN possui, dentro de seu domınio de origem, um Home Address e, os pacotes enderecados
a ele sao, primeiramente, entregues ao roteador raiz do domınio. Posteriormente, esses pacotes
sao redirecionados para o MN atraves de rotas estabelecidas pelos esquemas de configuracao
de rota.
Quando o MN se move para um domınio estrangeiro, o protocolo MIP e utilizado. Caso o
domınio estrangeiro suporte o protocolo HAWAII, o MN recebe um CCoA atribuıdo por esse
domınio e, assim, o movimento do MN e transparente para o HA. Esse endereco permanece
inalterado enquanto o MN se manter no mesmo domınio. Mensagens de configuracao de rota
sao usadas para estabelecer e atualizar entradas de roteamento para MNs em alguns roteadores
especıficos dentro do domınio; os outros roteadores do caminho sao mantidos no escuro sobre
os novos CCoAs dos MN. Quando um CN envia pacotes para um MN que esta fora da sua area,
este usa o home addres do MN. O HA intercepta os pacotes e enviam os pacotes encapsulados
para o roteador raiz corrente do MN. O roteador raiz desencapsula e, outra vez, encapsula o
pacote para passar para qualquer um dos dois intermediarios: roteador ou BS, que desencapsula
o pacote e, finalmente, entrega para o MN.
4.5.3 TeleMIP
O Telecommunication Enhanced Mobile IP (TeleMIP) [Das et al. 2000], propoe uma gene-
ralizacao no conceito do FA (Foreign Agent) por introduzir um novo no, chamado MA (Mobility
Agent), na camada de rede, reduzindo assim, a geracao de atualizacoes globais de localizacao.
As definicoes da maioria do elementos da arquitetura TeleMIP sao identicas as definicoes
do MIP. Entao, possui as funcoes de HA (Home Agent), CN (Correspondent Node), HN (Home
Network), FN (Foreign Network) e CoA (Care-of Address) ja apresentadas. Serao abordados,
apenas os elementos que tiveram suas funcionalidades acrescentadas e, o elemento extra.
O MA (Mobility Agent) e um terminal da internet que e associado dinamicamente pela rede,
na rede visitada pelo MN (Mobile Node). Ele prove um CoA mais persistente para o MN que o
CoA que o FA prove. Todos os pacotes que chegam e saem, sao roteados pelo MA que, assim,
age como um proxy para o MN na rede estrangeira.
MN (Mobile Node) e um terminal que muda seu ponto de conexao com uma rede ou sub-rede
para outra. Ele pode mudar sua localizacao sem mudar seu endereco IP. O MN na arquitetura
TeleMIP tem que gerenciar seu CoA local e global (MA). Pacotes que saem podem ser tunelados
para o MA usando o CoA local como uma outra fonte de endereco, eles sao desencapsulados
57
no MA e repassados para a Internet.
Um FA (Foreign Agent) esta presente na sub-rede visitada pelo MN e prove parametros
de configuracao a ele. Em geral o FA associa dois enderecos ao MN: um CoA gerado pelo
MA e um CoA gerado pelo FA (este pode ser o proprio endereco do FA). O FA repassa o
datagrama ao MN e, tambem pode servir como roteador local para datagramas enviados pelos
MNs registrados.
O DHCP server(ou simplesmente server) e um terminal que retorna parametros de confi-
guracao ao MN [Droms 1997]. Em geral, ele associa dois enderecos diferentes ao MN: o endereco
do MA e o CoA da sub-rede.
No TeleMIP, a rede e dividida em varias sub-redes dependendo da extensao da area
geografica (Figura 4.6). MAs sao distribuıdos por todo domınio e sao responsaveis por provi-
denciar CoAs, globalmente alcancaveis por MNs registrados no domınio. Cada sub-rede tem,
no mınimo, um FA ou DHCP server e, eles devem estar associados a, pelo menos, um MA.
Quando um MN se registra em um novo domınio, ele recebe um CoA do MA via FA ou DHCP
server. Esta associacao pode ser feita por um algoritmo de balanceamento de carga. Sendo
assim, MNs em uma unica sub-rede, podem ser associados a MAs diferentes (isto e, usando
diferentes esquemas hash).
Figura 4.6: Arquitetura funcional do TeleMIP.
58
4.5.4 HMIPv6
HMIPv6 (Hierarchical Mobile IP) [Soliman et al. 2005] e um esquema hierarquico de geren-
ciamento de mobilidade, cujo objetivo e diminuir o tempo gasto para um MN realizar handoff
entre redes de acesso, realcando o desempenho do MIPv6. Ele foi desenvolvido para reduzir a
quantidade de sinalizacao entre o MN (Mobile Node), os CNs (Correspondent Node), e o HA
(Home Agent).
Para alcancar esse objetivo, HMIPv6 propoe uma funcao nova, o MAP (Mobility Anchor
Point), que e essencialmente um HA (Home Agent), localizado hierarquicamente superior aos
FAs (Foreign Agent) das redes que ele abrange; e, extensoes menores a operacao do MN. O CN
e a operacao do HA nao sao afetadas.
Agindo como um HA local, o MAP recebe todos os pacotes destinados MN, os encapsula
e envia ao FA raiz da rede visitada. Se o no movel mudar seu endereco atual dentro de um
domınio local MAP, necessita somente registar o endereco novo com o MAP, diminuindo com
isso, o tempo gasto no processo de registro.
Assim como MIPv6, esta solucao e independente da tecnologia de acesso, permitindo a
mobilidade entre tipos diferentes de redes de acesso.
4.5.5 IDMP
A separacao, micromobilidade de macromobilidade, permite que um protocolo de micromo-
bilidade possa coexistir com varias alternativas para gerenciamento de mobilidade global, como
SIP ou MIP. Sendo assim, o protocolo IDMP (Intradomain Mobility Management
Protocol) [Misra et al. 2002] [Das et al. 2002], foi desenvolvido como solucao para micromobi-
lidade e, nao assume o uso do MIP para gerenciamento de macromobilidade.
O IDMP oferece micromobilidade usando varios CoAs. O MA prove redirecionamento de
pacote. Um SA (Subnet Agent), similar ao FA (Foreign Agent) do MIP, prove servicos de
mobilidade especıficos a sub-rede. Sob o IDMP, um MN (Mobile Node) obtem dois CoAs
concorrentes [Das et al. 2002]:
� LCoA (Local Care-of Address): Este identifica a conexao do MN com a sub-rede. Dife-
rente do CoA do MIP, o LCoA no IDMP tem somente um escopo local (abrangendo o
domınio). Atualizando seu MA com qualquer mudanca no LCoA, o MN garante que os
pacotes sao repassados corretamente dentro do domınio;
� GCoA (Global Care-of Address): Este endereco resolve a localizacao atual do MN somente
59
em nıvel de domınio e, portanto, mantem-se imutavel enquanto o MN permanece dentro
de um domınio simples. Por distribuir BU globais que contem o GCoA, o MN garante
que os pacotes sejam roteados corretamente para seu domınio atual.
Quando o MN se move para uma sub-rede especıfica, usando o IDMP, e se registra, ele
obtem um LCoA, que e o endereco do SA corrente (Figura 4.7). Entao, o SA corrente associa-
se, dinamicamente, ao MN durante o processo de registro nesta sub-rede. O MN, entao, executa
uma LU intra-domınio ao comunicar seu LCoA atual ao MA encarregado. O MA inclui seu
endereco ou, um GCoA separado, na resposta de LU. Entao, o MN fica responsavel por gerar
uma LU global aos nos remotos necessarios (ou seja, referente ao protocolo de macromobilidade
usado, mas isto, no entanto, independe das especificacoes do IDMP).
Figura 4.7: Elementos logicos e arquitetura do IDMP [Misra et al. 2002].
Sempre que o MN muda de sub-rede dentro do domınio, ele executa um novo registro com
um novo SA e, realiza uma LU, informando ao MA sua nova localizacao. O GCoA nao muda
e, nenhuma mensagem global e gerada.
Sob o IDMP, pacotes enviados por um CN (Correspondent Node) sao repassados (com ou
sem tunelamento) para o GCoA e, interceptados pelo MA. Como mostrado na Figura 4.7, o
MA entao, envia estes pacotes (com tunelamento) para o LCoA atual do MN.
60
Desde que BUs (Binding Updates) globais sejam geradas somente quando o MN muda de
domınio e obtem um novo GCoA, a carga de sinalizacao global e reduzida drasticamente, com
este protocolo.
Todos estes protocolos apresentados, serao avaliados a fins comparativos, no capıtulo 5.
Capıtulo 5Protocolos de Gerenciamento de Mobilidade:
Analise e Comparacao
5.1 Protocolos de Macromobilidade
5.1.1 Analise
MIPv4
Este protocolo foi desenvolvido para prover mobilidade na camada de rede.
Devido a caracterısticas do proprio IPv4, seu espaco de enderecamento e de 32 bits. Os
endrecos podem ser multicast e unicast. O tamanho maximo do datagrama, teoricamente, e
65535 bytes, mas eles raramente sao maiores que 1500 bytes [Kurose and Ross 2006].
O MIPv4 possui tres nıveis de autenticacao: do MN com FA, FA com HA e, do MN com HA.
E, um algoritmo de autenticacao pre-estabelecido (default), e explicitado em sua especificacao.
O protocolo e robusto pois, os MAs podem se reinicializar a qualquer instante, apos um
erro ou falta de energia. Existem mecanismos que garantem recuperacao de falhas, nao com-
prometendo assim, o servico de mobilidade.
E escalavel, pois a medida que o numero de MNs cresce, MAs podem ser acrescentados para
dar suporte a estas novas entidades participantes.
Apresenta tres ineficiencias basicas:
� Possui um ponto de falha unico, o HA. Se ele falha, todos os MNs assistidos por ele,
perdem sua conectividade, e deixam de receber pacotes;
61
62
� Os pacotes enviados nao percorrem o caminho otimo, todos passam pelo HA antes de
alcancarem seu destino. Assim, e acrescentado um retardo adicional, constantemente;
� Todas as movimentacoes entre sub-redes requerem um novo endereco IP, que deve ser
repassado ao HA (Home Agent), e apenas quando o HA obtem o novo endereco IP do
MN (Mobile Node), e que este muda seu tunel para o novo FA (Foreign Agent), ficando
sem conectividade durante este processo de handoff, podendo haver perda de pacotes.
Esta situacao se verifica em todos os casos, sendo particularmente grave quando o MN
esta longe do seu HA, pois dessa forma, o handoff e concluıdo depois de um tempo
grande (pelo menos, o tempo gasto na ida e volta do HA e o tempo de processamento do
protocolo nos agentes). Movimentacoes frequentes passam a ser notadas pelos usuarios,
o que invalida sua utilizacao em aplicacoes de tempo real.
MIPv6
O MIPv6 atua na camada de rede. Opera em redes IPv6, ou seja, todo no IPv6, movel ou
estacionario, pode se comunicar com MNs.
Devido a caracterısticas do IPv6, como capacidade de enderecamento de 128 bits
[Kurose and Ross 2006] e, a escalabidade e garantida, pois cada MN pode usar seu propio CoA
(o CCoA). Os movimentos sao detectados, tambem, devido a nova caracterıstica do IPv6, de
descoberta de vizinhanca. Auto-configuracao de enderecos e, roteadores enviando mensagens
de anuncio, desprezam o uso do FA (Foreign Agent). Sendo assim, muitas das caracterısticas
do proprio IPv6, colaboram para a implementacao da mobilidade, desprezando a necessidade
de alguns MAs.
Otimizacao de rota e parte integrante do MIPv6, assim, nao existe roteamento triangular.
Como o home adress e o CCoA sao enviados no cabecalho de cada pacote, eles atravessam os
filtros de entrada das sub-redes.
A especificacao do MIPv6, apresenta um algoritmo de criptografia.
MSCTP
MSCTP e um protocolo da camada de transporte, que trabalha sobre IP (camada de rede).
Assim, sua escalabilidade e garantida pelo enderecamento IP.
Alem do handoff horizontal, ele realiza handoff vertical entre UMTS e WLAN, viabilizando
entao, a conexao de uma estacao tanto por um ponto de acesso da rede celular UMTS, como
por um AP (Access Point) da WLAN.
63
Controle de congestionamento e uma de suas funcoes basicas, operando em condicoes adver-
sas. Na ausencia de congestionamento na rede, algoritmos de prevencao de congestionamento
sao usados e, nao causam impacto na performance do protocolo.
Existem consideracoes de seguranca em sua especificacao. E, uma caracterıstica nativa de
seguranca e o handshake em 4 vias.
SIP
Este protocolo atua na camada de aplicacao. E escalavel pois, qualquer terminal com
endereco valido pode ser usuario em uma sessao SIP.
Prove a tradicional mobilidade da estacao final, bem como os novos tipos de mobilidade
definidos e necessarios as redes 4G: a mobilidade pessoal, de servico e, de sessao.
As aplicacoes SIP sao registradas, aproximadamente, uma vez a cada hora, ou sempre
que mudar de sub-rede. Este processo de registro consiste em tres partes: endereco atual,
propriedades do dispositivo e, um ou mais elementos de configuracao do usuario.
Contem arquitetura de seguranca. E, a criptografia e baseada em chave publica.
5.1.2 Comparacao
Os parametros utilizados na comparacao dos protocolos MIPv4, MIPv6, MSCTP e SIP,
foram: gerenciamento de handoff ; gerenciamento de localizacao, atraves de LU e suporte a
terminais inativos na forma de paging ; tipo de mobilidade; escalabilidade; suporte a QoS;
seguranca e multi-homing.
Todos os protocolos de macromobilidade analisados oferecem handoff horizontal. Apenas
o protocolo MSCTP oferece, tambem, handoff vertical. Assim, uma estacao movel MSCTP
pode obter acesso atraves de um ponto de acesso UMTS ou, WLAN.
Os protocolos MIPv4 e MIPv6 realizam LU (Location Update) atraves do HA (Home Agent)
e do FA (Foreign Agent). O SIP realiza LU atraves do registrador e do servidor de redireciona-
mento. O MSCTP nao realiza gerenciamento de localizacao, mas, como ele e um protocolo que
atua na camada de transporte, ele pode ser usado em conjunto com um protocolo da camada
de rede que, suporte gerenciamento de localizacao.
O protocolo SIP prove mobilidade da estacao, pessoal, de sessao e, de servico. Os demais
oferecem apenas mobilidade da estacao final.
Todos estes protocolos tem a escalabilidade garantida por enderecamentos validos, ou seja,
qualquer estacao com endereco valido pode obter acesso a rede que utiliza um desses protocolos.
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Na analise dos requisitos, suporte a QoS e, seguranca, e avaliado se o projeto do protocolo
por si (e sua especificacao), incluem tecnicas para sua provisao. Sendo assim, as vantagens e
desvantagens dos metodos, algoritmos e, protocolos (de seguranca e QoS), propostos (ou, agre-
gados) pelos protocolos de gerenciamento de mobilidade, nao sao considerados pois, fugiriam
ao escopo deste trabalho.
Sendo assim, nenhum dos protocolos analisados incluem tecnicas para provisao de QoS,
em suas especificacoes. E, todos, fazem consideracoes a respeito de seguranca como, forma de
registro, algoritmos de criptografia e, extensoes a protocolos.
Apenas o MSCTP oferece multi-homing. Assim, um mesmo destino pode ser atingido
atraves de varios enderecos IP e, a mobilidade e garantida sem a necessidade de agentes es-
pecıficos para realizacao desta tarefa.
Pode-se observar que, a partir dos parametros utilizados, nao haveria diferenca entre os pro-
tocolos MIPv4 e MIPv6, mas, as vantagens do MIPv6 sao relevantes e devem ser consideradas.
Observa-se tambem que, o MSCTP e o SIP sao os protocolos que se adequam melhor as
redes 4G. O MSCTP por oferecer multi-homing e suportar handoff vertical; e o SIP por oferecer
todos os tipos de mobilidade requeridos pelas rede 4G, se apropriando aos servicos multimıdia
mais recentes. Mas, e importante frisar que as solucoes de mobilidade nao sao excludentes,
portanto, protocolos que atuam em diferentes camadas podem ser utilizados em conjunto, a
fim de se complementarem e viabilizarem conceitos 4G (muitos deles, ainda hipoteticos).
As caracterısticas dos protocolos comparados sao encontrados, resumidamente, na Tabela
5.1.
5.2 Protocolos de Micromobilidade
5.2.1 Analise
CIP
O CIP atua na camada de rede em que, todas as aplicacoes IP se beneficiam da mobilidade
sem quaisquer modificacoes, ou seja, e compatıvel com os nos que executam IP.
Oferece suporte a paging e LU, hard handoff e semi-soft handoff. Durante o hard handoff
ha grande perda de pacotes, o que e minimizado durante o semi-soft handoff, entretanto, esse
processo consome o dobro de recursos da rede.
O proprio protocolo oferece seguranca durante o processo de handoff.
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MIPv4 MIPv6 MSCTP SIP
Camada de rede rede transporte aplicacaoatuacaoEscopo da macro macro macro macromobilidadeGerenciamento horizontal horizontal horizontal horizontalde handoff e verticalGerenciamento LU LU nao LUde localizacaoTipo estacao estacao estacao estacao, pessoalde mobilidade sessao, servicoEscalabilidade sim sim sim simeficienteQoS nao nao nao naoSeguranca sim sim sim simMulti-homing nao nao sim nao
Tabela 5.1: Comparacao entre protocolos de gerenciamento de macromobilidade.
E importante que um protocolo suporte um numero elevado de clientes, isto e, seja escalavel.
Como os recursos (largura de banda, capacidade de processamento) da rede CIP sao limitados,
e necessario aumentar o numero de BSs (Base Station) proximas a medida que o numero de
clientes aumenta, para distribuir a carga. Entretanto, o CIP gera um problema de escalabilidade
pois, todos os MNs tem uma entrada nas tabelas de encaminhamento do GW, que e unico.
Assim essa tabela deve ser consultada sempre, para extrair o proximo no de um percurso, o
que sobrecarrega o GW.
Como o GW e o unico que contem informacoes sobre todos os nos, ele e tambem, um grande
ponto falho.
Alem disso, todos os pacotes passam sempre pelo GW, entao nao percorrem o caminho mais
curto, mesmo se as estacoes que estiverem se comunicando estiverem proximas, o que gera um
custo adicional.
O CIP estende ao MIP como solucao a macromobilidade. Mas, isso requer que os MNs
(Mobile Node) suportem ambos os protocolos em simultaneo, de forma a ter dois tipos de
mobilidade. Em relacao aos demais nos da rede CIP, somente o GW e que tem que suportar
MIP; ele e o unico agente de mobilidade MIP nesta rede, funcionando como HA para os MNs
pertencentes a esta rede e, como FA (Foreign Agent) para os MNs de outras redes que possam
visitar.
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HAWAII
HAWAII e um protocolo de gerenciamento de mobilidade que atua na camada de rede e,
ele usa o MIP para realizacao de macromobilidade.
Realiza gerenciamento de localizacao (LU e paging), atraves de mensagens de renovacao de
registro apos realizar um handoff ou ser ligado.
A hierarquia de agentes e uma tecnica comum para tentar melhorar a escalabilidade, pois
isso diminui o numero de atualizacoes para uma unica entidade. No HAWAII, especificamente,
o roteador raiz permite que as atualizacoes sejam locais, dimininuindo o numero de atualizacoes
do HA do MIP. Entretanto, todos os pacotes destinados aos MNs de um domınio sao enviados,
primeiramente, para o roteador raiz, o que gera problemas de escalabilidade. Alem disso, o
numero de informacoes na tabela de roteamento do roteador raiz e tambem, das BSs (Base
Station), para estabelecer rotas para todos os MNs, no esquema de configuracao de rotas, gera
problemas ainda maiores de escalabilidade.
Nao projeta novos mecanismos de suporte a QoS mas, permite eficiente adaptacao a alguns
mecanismos como RSVP (ReSerVation Protocol) [Kurose and Ross 2006], por exemplo.
TeleMIP
Este protocolo de micromobilidade atua na camada de rede.
Existem varios MAs por todo domınio que, providenciam os CoAs, e estes, sao entregues
aos FAs ou Server. Assim, varias entidades dividem o processamento, evitando sobrecarga e,
garantindo a escalabilidade.
Os MNs em uma sub-rede podem ser associados a diferentes MAs, proporcionando um
rapido LU, baixa latencia de handoff e, menor perda de pacotes.
O TeleMIP nao prove QoS fim a fim pois, protocolos baseados em QoS nao funcionam bem
se o endereco de destino (CoA) muda frequentemente; seu funcionamento e melhor quando o
CoA e estavel.
HMIPv6
HMIPv6 atua na camada de rede. Sua abordagem de micromobilidade e baseada em tunel
hierarquico. Sendo assim, varias entidades FAs em uma estrutura em arvore mantem parte
do banco de dados de localizacao, nao sobrecarregando uma unica entidade e, garantindo a
escalabilidade.
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O MN (Mobile Node) registra-se com o MAP e, informacoes de localizacao sao mantidas
pelos FAs (Foreign Agent), portanto, HMIPv6 possui LU (Location Update).
Este protocolo estende ao MIP. E, sua especificacao contem consideracoes de seguranca, que
envolvem: autenticacao mutua, protecao da integridade e protecao contra ataques de repeticao.
Tres diferentes relacionamentos sao considerados para autenticacao [Soliman et al. 2005]: 1)
MN - MAP; 2) MN - HA; 3) MN - CN.
IDMP
IDMP e um protocolo da camada de rede que, reduz a latencia de handoff atraves das
sub-redes no mesmo domınio e tambem, diminui a carga de sinalizacao, assim como em outros
esquemas de gerenciamento de mobilidade hierarquico.
Realiza fast handoff. E, nao assume o uso do MIP para gerenciamento de macromobilidade.
E escalavel pois, usa enderecos IP para encaminhamento de pacotes e, e baseado em tunel
hierarquico. Os CNs conhecem apenas o GCoA do domınio e, o MA envia os pacotes ao LCoA
correto, adquirido atraves do SA que, por sua vez, conhece o endereco IP do movel.
Realiza LU, informando seu LCoA ao MA; e paging. O MN executa LU intra-domınio ao
comunicar seu LCoA atual ao MA.
5.2.2 Comparacao
Os protocolos de micromobilidade operam em um domınio administrativo restrito, man-
tendo a sinalizacao, a perda de pacotes e, a latencia de handoff, baixas.
Estes protocolos foram comparados a partir dos mesmos parametros utilizados para os
protocolos de macromobilidade, incluindo, suporte ao MIP para gerenciamento de macromobi-
lidade.
Todos os protocolos suportam handoff horizontal. O numero de pacotes perdidos pelo CIP
durante o hard handoff e significante. O IDMP, por sua vez, e capaz de minimizar a perda de
pacotes durante o fast handoff.
Os protocolos HMIPv6 e TeleMIP realizam apenas LU (Location Update). CIP, HAWAII e
IDMP realizam LU e paging, assim, suas MSs (Mobile Station) podem operar em modo ocioso,
economizando recursos da rede e, seus proprios recursos.
Apenas o IDMP nao assume o MIP como protocolo para gerenciamento de macromobili-
dade, podendo suportar este ou outro protocolo, como o SIP, mas isto e independente de sua
especificacao.
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Todos estes protocolos suportam apenas mobilidade da estacao final, nao possuindo os
requisitos necessarios para as mobilidades 4G.
HMIPv6, TeleMIP e IDMP, sao protocolos baseados em tunel hierarquico, garantindo a
escalabilidade. CIP e HAWAII, no entanto, nao possuem uma escalabilidade eficiente, devido
a problemas de sobrecarga gerados pelo roteameneto explıcito do movel.
Apenas o HAWAII faz consideracoes a respeito do suporte a QoS.
Apenas CIP e HMIPv6 fazem algum tipo de consideracao relativa a seguranca.
Estes resultados podem ser observados na Tabela 5.2, onde verifica-se a superioridade do
IDMP, especialmente pela sua caracterıstica de nao estender ao MIP, podendo assim, ser usado
em conjunto com outro protocolo de macromobilidade.
CIP HAWAII TeleMIP HMIPv6 IDMP
Camada de rede rede rede rede redeatuacaoEscopo da micro micro micro micro micromobilidadeGerenciamento horizontal horizontal horizontal horizontal horizontalde handoffGerenciamento LU e LU e LU LU LU ede localizacao paging paging pagingExtensao sim sim sim sim naoao MIPTipo estacao estacao estacao estacao estacaode mobilidadeEscalabilidade nao nao sim sim simeficienteQoS nao sim nao nao naoSeguranca sim nao nao sim naoMulti-homing nao nao nao nao nao
Tabela 5.2: Comparacao entre protocolos de gerenciamento de micromobilidade.
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Conclusoes
A Terceira Geracao de sistemas moveis, surgiu com o intuito de desenvolver uma tecnologia
mundial unica, que oferecesse a seus usuarios, alta qualidade na transmissao de voz, servico de
mensagens, multimıdia de alta definicao, acesso a Internet, conectividade global e, portabilidade
entre varios tipos de dispositivos. No entanto, a 3G nem chegou a ser plenamente desenvolvida,
alguns pesquisadores a consideraram encerrada e, alguns ate mesmo, fracassada. Assim, as
pesquisas se direcionaram as redes de Quarta Geracao.
Seu objetivo e prover ao usuario, todos estes servicos prometidos pela 3G, bem como novos,
integrando os diversos tipos de rede existentes, em especial, as redes moveis sem fio. Isto
depende de requisitos como, banda larga e, adaptabilidade, para que uma integracao uniforme,
ou seja, sem emenda, aconteca.
Tudo isto, a fim de satisfazer as necessidades de usuarios que, desejam obter servicos per-
sonalizados com, qualidade, seguranca, conectando-se em qualquer rede, a partir de qualquer
dipositivo, possibilitando assim, sua mobilidade, sem interrupcoes em sua conexao, com total
disponibilidade a qualquer momento.
As pesquisas relativas as redes 4G estao no ınicio, tendo algumas arquiteturas ja propostas,
mas, como nenhuma rede comercial foi ainda apresentada, nao e possıvel prever ate onde esta
tecnologia se desenvolvera e, o que sera implantado.
Quanto aos protocolos de gerenciamento de mobilidade analisados, o MSCTP mostra-se
superior em relacao aos demais, para provisao de macromobilidade, devido a sua caracterıstica
de multi-homing e, consequentemente, suporte a handoff vertical. Para os protocolos de micro-
mobilidade, o IDMP demonstra sua superioridade devido as caracterısticas de paging, escalabi-
lidade eficiente e, principalmente, por nao ser uma extensao do MIP para suportar mobilidade
intra-domınio. Num ambito geral, os protocolos que melhor se adequariam as redes 4G sao,
o MSCTP e o SIP, por possuırem requisitos essenciais para este tipo de rede, sendo handoff
vertical, no caso do MSCTP e, mobilidade pessoal, de sessao e, de servico, alem da tradicional
mobilidade da estacao, suportados pelo SIP.
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