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Wireless Communication Networks Prof. Dr. Felix Singo REDES DE COMUNICAÇÃO SEM FIOS Access Point Ethernet Ethernet Sistema de Distribuição

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Wireless Communication NetworksProf. Dr. FelixSingo

REDES DE COMUNICAÇÃO SEM FIOS

Access PointEthernet

Ethernet

Sistema de

Distribuição

Wireless Communication NetworksProf. Dr. FelixSingo

As comunicações WLAN

estão definidas no standard

802.11

Uma rede sem fio é uma

extensão de uma rede

local convencional com

fio, criando-se o conceito

de rede local sem fio -

WLAN

“Uma rede sem fio é um

sistema que interliga vários

equipamentos fixos ou

móveis utilizando o ar

como meio de

transmissão”

Nos últimos anos a comu-

nicação sem fio ganhou

um espaço considerável

nas tecnologias de

transmissão de dados

A WLAN

Que são Redes de

Comunicação sem

Fios?

Wireless Communication NetworksProf. Dr. FelixSingo

Uma WLAN converte

pacotes de dados em ondas

rádio ou infravermelho.

Camada

MAC

Subcamada

PLCP

Subcamada

PMD

Camada Física• RF

• IR

Camada de Enlace

O padrão IEEE 802.11

define uma arquitectura

para as WLANs que

abrange os níveis físico e

de enlace.

As Redes 802.11 baseiam-

se na utilização de ondas

rádio

O Padrão 802.11

IEEE 802.11

Wireless Communication NetworksProf. Dr. FelixSingo

Custo reduzido:

Custos de instalação e de

reconfiguração serão

inferiores.

Facilidade de Instalação:

Dado que a cablagem a

instalar será reduzida ou

nula

Mobilidade:

Os users e os dispositivos

móveis acedem à rede de onde

quer que se encontrem. O que

representa eficiência

Flexibilidade e Escalabilidade:

A rede pode atingir uma grande

diversidade de zonas de acordo

com as necessidades dinâmicas

de comunicação.

802.11 - Características

Podem resumir-se

no seguinte os

atractivos do

802.11:

Wireless Communication NetworksProf. Dr. FelixSingo

Aplicações

• Utilização em zonas ou edifícios antigos ou de

interesse histórico;

• Aplicações de medicina;

• Redes para suporte de eventos temporários;

• Extensão da rede para zonas de produção;

• Utilização em ambientes de ensino, conferências;

• Utilização em ambientes PAN para interligação de

computadores e periféricos

• Utilização como back-up de redes com fios.

Wireless Communication NetworksProf. Dr. FelixSingo

WLAN

Access PointEthernet

Ethernet

Sistema de

Distribuição

• Uma WLAN é, de forma geral, formada por um ou mais pontos de acesso, que estabelecem a comunicação sem fios entre os dispositivos em rede e o sistema de distribuição, que dá acesso aos serviços e às aplicações da rede.

Wireless Communication NetworksProf. Dr. FelixSingo

WLAN

• Sistema de distribuição

– Permite interligar vários pontos de acesso entre si à rede principal onde se encontram os servers de serviços e de aplicações.

• Pontos de Acesso

– São equipamentos que fazem a ponte entre as comunicações sem fios e o sistema de distribuição.

• O nº de Access Points (AP) depende das necessidades de comunicação e da arquitectura da rede.

Wireless Communication NetworksProf. Dr. FelixSingo

Banda: É uma subsecção

do espectro

electromagnético usado

para as frequências de rádio

comunicação

Espectro

Electromagnético:É o intervalo completo de

todas as possíveis frequências

da radiação electromagnética

Fase

É o angulo de inflexão da

onda em um ponto específico

no tempo, medida em graus.

Frequência

Número de cristas ou ciclos

por segundo, medido em Hz,

1 ciclo corresponde a 1 Hz.

Amplitude

É a medida da altura da onda,

voltagem positiva ou negativa,

também definida como altura da

crista da onda.

Essas ondas têm três características

básicas, são elas:

Amplitude, Frequência e Fase.

Espectro Electromagnético

Quando os eléctrons se

movimentam, são geradas ondas

electromagnéticas que se

propagam no ar.

Alguns conceitos

Como

funcionam

as WLAN?

Wireless Communication NetworksProf. Dr. FelixSingo

Como acontece uma comunicação sem fio ?

• Em um circuito eléctrico, após se instalar uma

antena de tamanho apropriado, as ondas

electromagnéticas podem ser transmitidas e

recebidas a uma distância bastante razoável por um

receptor.

• Sabendo-se a frequência e o comprimento de onda

das ondas electromagnéticas, pode-se definir varias

zonas, existido a possibilidade das zonas se

sobreporem.

Wireless Communication NetworksProf. Dr. FelixSingo

… recordando!a. Na transmissão sem fios, os sinais são transmitidos

sob a forma de ondas electromagnéticas

b. A diferença entre os vários tipos de ondas electromagnéticas é o seu comprimento de onda ou frequência

[105 – 106 ]Hz – Ondas rádio AM;

[107 – 108 ]Hz – Ondas rádio FM;

[108 – 109 ]Hz – Micro-ondas terrestres;

108 Hz – Telefone Móvel;

109 Hz – Micro-ondas de satélite;

[1012 – 1014 ]Hz – Infravermelho.

Wireless Communication NetworksProf. Dr. FelixSingo

802.11h

Gerenciamento do

espectro

802.11i

Avanços em segurança

802.11g

Operação em 2,4GHz,

54Mbps, modulação OFDM

compatível com 802.11b

802.11f

Recomendação para redes

ponto a ponto sob protocolo

IAP (Inter Access Point)

802.11e

Suporte para aplicações que

necessitam de (QoS)

802.11d

World Mode (Europa 20dB,

EUA/BRA 36dB)

802.11b

Operação em 2,4GHz,

11Mbps, DSSS/FHSS (Direct

Sequence Spread Spectrum/ Frequeny Hopping

Spread Spectrum)

802.11a

Operação em 5GHz,

54Mbps, modulação OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)

Principais

características da

família 802.11

Wireless Communication NetworksProf. Dr. FelixSingo

MODULAÇÃO

Access PointEthernet

Ethernet

Sistema de

Distribuição

Wireless Communication NetworksProf. Dr. FelixSingo

A Modulação por Frequência

usa o sistema de chaveamento

de frequência FSK (Frequency

Shift Keying ).

A Modulação por Amplitude

usa o sistema de chaveamento

de amplitude ASK (Amplitude

Shift Keying)

As modulações mais conhecidas são:

• Modulação por Amplitude (AM)

• Modulação por Frequência (FM).

Modulação é o nome deste

processo de variação de um dos

atributos: Frequência, Amplitude

e Fase

Para transmitir um sinal através

de uma rede WLAN é

necessário converter os dados

num sinal físico Modulação

Wireless Communication NetworksProf. Dr. FelixSingo

Às comunicações WLAN foram

atribuídas duas bandas:2.4GHz: normas 802.11; 802.11b e

802.11g

5GHz: normas 802.11a, 802.11n

802.11 - 5 subcamadas físicas:FHSS

DSSS:

Luz Infravermelha

OFDM

HR/DSSS

Camada

MAC

Camada Física• RF

• IR

Camada de Enlace

Modulação

Wireless Communication NetworksProf. Dr. FelixSingo

Multiplexação

• A forma de se agregar várias informações para que a transmissão seja acelerada, se chama multiplexação.

– A FDM (Frequency Division Multiplexing) e

– A TDM (Time Division Multiplexing)

• São as técnicas de multiplexação sem fio que se destacam.

• Elas dividem a largura de banda em canais menores que serão disponibilizados aos usuários.

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A Luz Ultra-violeta, o Raio X e o

Raio Gama, possuem frequências

mais altas. Mas não podem ser

usadas devido a dificuldades na

modulação.

Usando a Modulação, o Rádio, a

Micro-onda e o Infravermelho

podem ser utilizados para

transmitirem informações

Características

das Zonas de

espectro

Ondas Rádio:

• São produzidas frequentemente por circuitos electrónicos e

• Podem percorrer longas distâncias e

• Facilmente podem entrar em prédios,

• São utilizadas na comunicação, tanto em ambientes abertos e fechados

Wireless Communication NetworksProf. Dr. FelixSingo

Potência de

transmissão e mínima

distorção da

propagação do sinal .

Para que uma transmissão

tenha êxito é necessário que

se observe alguns requisitos

importantes

O regulador nacional exerce

um rígido controle sobre os

transmissores de rádio

Usadas normalmente nas

faixas UHF e VHF para que,

com maior velocidade possa

diminuir a interferência

As ondas Rádio são

omnidirecionais, ou seja as

ondas percorrem todas as

direções

O emissor e o receptor não

estão necessariamente

alinhados.

Devido as ondas de rádio

percorrem longas distâncias,

existe a possibilidade de

ocorrer interferências entre

os usuários

Transmissão via Rádio

Wireless Communication NetworksProf. Dr. FelixSingo

É subdividido em 3 regiões:

IR próximo: 780 – 2500nm

IR Intermediário: 2500 - 5000nm

IR longínquo: 50000nm – 1mm

Em ambientes abertos a

comunicação infravermelha é

inviável devido o sol enviar

radiação infravermelho

Um sistema infravermelho

num ambiente fechado, não

interfere em outro, instalado

em uma sala ao lado

William Herschel,1880.

Ondas infravermelhos não

atravessam objectos sólidos

Radiação infravermelha são

ondas de comprimento de 1

milímetro até 700

nanômetros, e, portanto, não

visíveis para o olho humano

Infravermelho

Wireless Communication NetworksProf. Dr. FelixSingo

A construção de duas

torres é mais barata que a

colocação de cabos para

interligar grandes

distâncias

As antenas deverão estar

numa distância entre 5 a

80 Km

Precisam de antenas

para realizarem a

transmissão, recepção e

modulação da rádio

frequência

As frequências de rádio das

micro-ondas são altas, e tem o

comportamento de ondas de luz,

por esse motivo seguem em linha

recta

As micro-ondas tem como

fonte de radiação os

circuitos electrónicos.

Micro-ondas

Wireless Communication NetworksProf. Dr. FelixSingo

Como funcionam?

• Através da utilização de portadoras de rádio ou infravermelho, as Redes Wireless estabelecem a comunicação de dados entre os pontos da rede

• Os dados são modulados na portadora de rádio e transmitidos através de ondas electromagnéticas.

• Múltiplas portadoras de rádio podem coexistir num mesmo meio, sem que uma interfira na outra.

• Para extrair os dados, o receptor sintoniza numa frequência específica e rejeita as outras portadoras de frequências diferentes.

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Como funcionam?

• Para extrair os dados, o receptor sintoniza numa

frequência específica e rejeita as outras

portadoras de frequências diferentes.

• O dispositivo transceptor (transmissor/receptor)

ou ponto de acesso (access point) é conectado a

uma rede local Ethernet convencional (com fio)

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ARQUITECTURA DO 802.11

Access PointEthernet

Ethernet

Sistema de

Distribuição

Wireless Communication NetworksProf. Dr. FelixSingo

O tamanho da BSA (célula) depende

das características do ambiente e da

potência dos transmissores/receptores

usados nas estações

Essas células são

denominadas de BSA (Basic

Service Area)

802.11 define uma arquitetura

para as redes sem fio, baseada

na divisão da área coberta pela

rede em células.

Arquitectura do

Padrão IEEE 802.11

Wireless Communication NetworksProf. Dr. FelixSingo

Um STA pode se deslocar de

um BSS para outro, mantendo

a conexão com a rede -

Roaming.

AP (Access Point) –

responsável por coordenar

a comunicação entre as

STA dentro da BSS.

ESS (Estended Service Set)

– são células BSS próximas

que se interceptam e que os

AP estão ligados a uma

mesma rede tradicional.

STA (Stations) - estações de

trabalho que comunicam-se

entre si dentro da BSS.

BSS (Basic Service Set) -

corresponde a uma célula de

comunicação wireless. Mas

também a um conjunto de

dispositivos dentro da BSA

Uma rede baseada no

padrão 802.11 é

composta pelos

seguintes componentes:

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Qualquer dispositivo que

pretenda aceder a uma rede

deve partilhar o mesmo

SSID

Todas as redes sem fios são

identificadas com um SSID

(Service Set Identifier)

Conceber uma associação

pode implicar um

mecanismo de autenticação

Um dispositivo que queira

comunicar através de uma

rede sem fios tem de

começar por criar uma

associação com o AP

Wireless Communication NetworksProf. Dr. FelixSingo

O Padrão IEEE 802.11

• STA (Stations) - estações de trabalho que comunicam-se entre

si dentro da BSS.

• AP (Access Point) – responsável por coordenar a comunicação

entre as STA dentro da BSS.

• ESS (Estended Service Set) – são células BSS próximas que se

interceptam e que os AP estão ligados a uma mesma rede

tradicional.

• Um STA pode se deslocar de um BSS para outro, mantendo a

conexão com a rede - Roaming.

• Podem operar de dois modos diferentes:

– Infrastructure mode (Redes de Infra-Estrutura) e

– Ad-Hoc mode (IBSS – Independente BSS)

Wireless Communication NetworksProf. Dr. FelixSingo

Existem dois tipos de BSS:

IBSS (Independent BSS)

Também conhecido por

Ad hoc mode

WLAN IBSS

Infrastructure mode (Infra-

Estrutura BSS)

WLAN BSS

Wireless Communication NetworksProf. Dr. FelixSingo

Arquitectura IBSS (Ad hoc)

• Neste modo os dispositivos da BSS comunicam directamente entre si sem usar um ponto de acesso. «WLAN IBSS»

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Infra-estrutura BSS

• Neste modo, os dispositivos comunicam através

de um ponto de acesso que , por sua vez, garante

o acesso ao sistema de distribuição. «WLAN

BSS»

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Tipos de Infra-estrutura

• Redes Infra-Estruturadas– Baseada em infra-estrutura fixa

– Não existe comunicação directa entre os nós

– Toda a comunicação é feita através de estações intermediárias entre os dispositivos e a rede fixa.

• Redes Ad hocs– Não depende de infra-estrutura fixa

– permite que cada nó se comunique directamente com outro nó

– A topologia da rede muda frequentemente já que a conectividade dos nós muda constantemente.• Exemplo: PANs e redes de sensores

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Rede de Bridging

• Uma rede sem fios, também pode ser usada para interligar redes com fios.

• Por exemplo, uma organização que tenha dois edifícios próximos.

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Arquitectura sem Fios ESS

• O alcance de uma rede BSS é determinado pelo

alcance do ponto de acesso.

• No caso de querer criar redes sem fios de maior

dimensão é necessário juntar várias BSS dando

origem às designadas arquitecturas ESS

(Extended Service Set).

• A ESS usa mais do que um AP para cobrir uma

área WLAN maior.

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WLAN ESS

Ethernet

Ethernet

União de duas

BSSs formando

uma ESS

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Tipos de Infra-estrutura

• Redes Mesh

– Combinam infra-estrutura com elementos ad hoc

• Esta rede pode interligar

vários pontos de acesso Wi-Fi

(também chamados nós) e

formar uma mesh ou malha de

conexões que proporcionam

uma ampla cobertura

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Redes Mesh

• Uma rede mesh é composta de vários nós/roteadores, que passam a se comportar como uma única e grande rede, possibilitando que o cliente se conecte em qualquer um destes nós.

• Os nós têm a função de repetidores e cada nó está conectado a um ou mais dos outros nós.

• Redes do tipo mesh possuem a vantagem de serem redes de baixo custo, fácil implantação e bastante tolerantes a falhas.

• Uma característica importante das redes mesh é o roaming, também conhecido como “fast handoff”

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Redes Mesh

• Numa rede Mesh, alguns APs estão ligados à rede com fios, enquanto outros são usados para comutação das tramas ao longo da rede o que origina dois tipos de APs:

• RAP (Root Access Point)

– São APs que estão ligados ao sistema de distribuição com uma rede com fios.

– Estabelecem a ponte entre a rede sem fios e a rede com fios

• MAP (Mesh Access Point)

– São APs no interior de uma rede sem fios que não tem acesso à rede com fios

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Redes Mesh

• AWPP – Adaptive Wireless Path Protocol

– O processo de escolha da melhor rota numa rede mesh é

fundamental

– O AWPP é um dos protocolos que ajudam a determinar as

melhores rotas numa rede sem fios

– O protocolo é usado pelos RAP para determinar a melhor

rota de acesso ao sistema de distribuição.

Wireless Communication NetworksProf. Dr. FelixSingo

Aplicações Industriais

• As redes do tipo mesh também possuem um interessante campo de aplicação que são as redes sem fio para monitoramento e controle de variáveis na área industrial.

• Um ambiente industrial, assim como uma área urbana, possui uma arquitetura complexa, com muitos obstáculos fixos ou móveis que, dependendo da aplicação, dificultam ou inviabilizam a aplicação de enlaces sem fio tradicionais, quer sejam baseados do IEEE 802.11 ou proprietários.

Wireless Communication NetworksProf. Dr. FelixSingo

Problemas

• O grande problema das redes Mesh hoje consiste

no excesso de informações sobre o roteamento

que deve ser transportado junto com os pacotes de

dados. Esta situação é chamada de "overhead".

• Outro problema é a perda de desempenho por

número de saltos.

• Equipamentos com apenas um rádio 802.11g

• Equipamentos mais sofisticados com múltiplos

rádios 802.11n

Wireless Communication NetworksProf. Dr. FelixSingo

Questões de estudo

1. As camadas de acesso do Ethernet e do 802.11 usam o mesmo protocolo de controlo do

acesso ao meio?

2. Para que serve o SSID?

3. As comunicações sem fios necessitam sempre de pelo menos um Access Point?

4. Suponha que um amigo seu se colocava entre o seu computador e a antena do AP.

Dirias para ele sair da frente?

5. Um dispositivo que detecte uma rede sem fios pode de imediato começar a utilizá-la?

6. De que forma o 802.11 evita que os dispositivos, que esperam que o meio fique livre,

iniciem todos a transmissão, simultaneamente, após o período de tempo DIFS?

7. Imagine que está a configurar uma rede e que optou por usar autenticação aberta, mas

utilizando o SSID como segurança, uma vez que ninguém o conhece. É uma boa

opção?

8. Que tipo de dispositivos podem comunicar em modo full-duplex com um AP?

9. Quanto tempo é que um dispositivo tem de esperar antes de iniciar uma transmissão?

10. Numa arquitectura ESS, os Aps não podem ter SSID iguais?

Wireless Communication NetworksProf. Dr. FelixSingo

O que é a Portadora?

• A portadora é um sinal analógico em forma de

onda (tipicamente senoidal) que será modulado (alterado)

para representar a informação a ser transmitida.

• A portadora é, geralmente, de frequência superior à do sinal

modulador (o sinal que contém a informação).

• A portadora é utilizada na radiodifusão.

• Os sinais de modulação em frequência (FM) e

de modulação em amplitude (AM) são ambos transmitidos

com o auxílio de frequências específicas na portadora.

• A frequência própria de uma estação de rádio é, na verdade,

a frequência central da portadora