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Redes sem Fio de banda larga WPAN Wireless Personal Area Network

Redes sem Fio de banda larga WPAN Wireless Personal Area Network. Menu do dia – sopa de letrinhas. Na última aula vimos uma tecnologia sem fio que está já muito disseminada, a rede Wi-Fi (padrão IEEE 802.11)

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Redes sem Fio de banda larga WPAN Wireless Personal Area Network

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Presentation Transcript

  1. Redes sem Fio de banda largaWPANWireless Personal Area Network

  2. Menu do dia – sopa de letrinhas..... • Na última aula vimos uma tecnologia sem fio que está já muito disseminada, a rede Wi-Fi (padrão IEEE 802.11) • Hoje vamos ver (várias) outras tecnologias que estão disputando um lugar ao sol, ou seja, “brigando” para ver quem se transforma no padrão de fato da indústria. • Vamos dividir nossa análise em dois grandes grupos: • Redes locais privadas (PERSONAL WIRELESS NETWORKS) • Redes municipais • Antes porém, vamos rever alguns conceitos importantes (e que não foram explorados completamente na última aula)

  3. Conceitos básicos de redes wireless • Visada direta (LOS – line of sight): não há obstrução entre as antenas. • Caso ela exista, existirá uma perda significativa da potência do sinal e o fim da capacidade de transmissão. • Principal vantagem: grande alcance (pode chegar a dezenas de quilômetros) fonte: WiMax Forum

  4. Conceitos básicos de redes wireless • Visada “fora de linha” ou NLOS (non line of sight): a transmissão vai ocorrer através de reflexões. • O sinal que chega ao receptor vai conter diferenças de fase e de polarizações em relação ao sinal original, além de estar fortemente atenuado. fonte: WiMax Forum

  5. Conceitos básicos de redes wireless • Os sistemas sem visada são mais simples de instalar e suportam antenas internas (indoor), mas obviamente, têm menor eficiência

  6. Conceitos básicos de redes wireless • Em uma cidade, um sistema NLOS pode viabilizar uma quantidade muito grande de conexões que são impossíveis com sistemas de visada direta.

  7. Conceitos básicos de redes wireless • As ondas de rádio são sinais eletromagnéticos que se movem à velocidade da luz pela atmosfera (como vimos na aula passada). • Para que essas ondas transportem uma informação “útil”, precisamos “codificar” essa onda com aquilo que se deseja transferir. • Em outras palavras, usamos uma sinal (a portadora) como o meio de transporte da informação através de um processo chamado de MODULAÇÂO: • Uma portadora é MODULADA para transportar informação útil. ~ MODULAÇÃO PORTADORA INFORMAÇÃO

  8. Conceitos básicos de redes wireless • Existem três tipos básicos de modulação para sinais digitais: • Modulação por amplitude: • A portadora tem sua AMPLITUDE alterada em função da informação • Usa-se a sigla em inglês ASK (Amplitude Shift Keying) para designar genericamente a modulação por amplitude • Modulação por freqüência: • A portadora tem sua FREQÜÊNCIA alterada em função da informação • Usa-se a sigla em inglês FSK (frequency Shift Keying) para designar genericamente a modulação por freqüência • Modulação por fase: • A portadora tem sua FASE alterada em função da informação • Usa-se a sigla em inglês PSK (Phase Shift Keying) para designar genericamente a modulação por fase.

  9. Conceitos básicos de redes wireless • MODULAÇÃO POR AMPLITUDE: ASK

  10. Conceitos básicos de redes wireless • MODULAÇÃO POR AMPLITUDE: ASK

  11. Conceitos básicos de redes wireless • MODULAÇÃO POR FREQÜÊNCIA: FSK

  12. Conceitos básicos de redes wireless • MODULAÇÃO POR FREQÜÊNCIA: FSK

  13. Conceitos básicos de redes wireless • MODULAÇÃO POR FASE: PSK

  14. Conceitos básicos de redes wireless • MODULAÇÃO POR FASE: PSK - Modulação com mudança de base de 180°: BPSK

  15. Conceitos básicos de redes wireless • MODULAÇÃO POR FASE: PSK - Modulação com mudança de base de 180°: BPSK

  16. Conceitos básicos de redes wireless • MODULAÇÃO POR FASE: QPSK • Mudanças com quatro fases – “saltos em múltiplos de 90°”. • Dois bits podem ser codificados agora para cada “símbolo”

  17. Conceitos básicos de redes wireless • MODULAÇÃO POR FASE: QPSK

  18. Conceitos básicos de redes wireless • MODULAÇÃO POR FASE: QPSK • A codificação leva em conta o símbolo anterior: • Para codificar “00”, o sinal modulado não muda de fase • Para codificar “11”, o sinal modulado é “faseado” em 180° e assim por diante.

  19. Conceitos básicos de redes wireless Amplitude Modulação QAM: Quadrature Amplitude Modulation • Combinação das modulações ASK e PSK • O sinal modulado tem sua amplitude e fase modificadas (3) (3,3) (1,-3) (1) Fase (-3) (-1) (1) (3) (0) (-1) (-3)

  20. Conceitos básicos de redes wireless 16-QAM Modulação QAM: Quadrature Amplitude Modulation • 16-QAM: 16 possíveis combinações de fase e amplitude • Cada símbolo codifica 4 bits • 64-QAM: 64 possíveis combinações de fase e amplitude • Cada símbolo codifica 6 bits • Existem outras: • 128-QAM, 256-QAM

  21. Conceitos básicos de redes wireless 128QAM

  22. Conceitos básicos de redes wireless Modulação QAM: a influência do ruído

  23. Conceitos básicos de redes wireless Modulação QAM: a influência do ruído

  24. Conceitos básicos de redes wireless • Modulação adaptativa • Quanto mais “densa” (mais símbolos por hertz), mais sensível a ruído • A modulação do rádio pode mudar automaticamente de uma modulação “densa” (mas sensível a ruídos) para outra mais robusta (mas com taxa de transmissão menor) dependendo das condições de sinal (por exemplo, chuva). A taxa de bits diminui, mas a rejeição a ruídos aumenta, garantindo a comunicação. Raio de alcance de uma estação em função da modulação empregada fonte: WiMax Forum

  25. Redes wireless (além de Wi-Fi) • Finalmente, voltando ao assunto..... • Vamos discutir dois tipos de redes wireless que estão surgindo com muita força • A) Redes “pessoais”, ou seja de alta capacidade mas de alcance restrito, por isso chamada de redes pessoais • B) Redes municipais: esta é uma das grandes apostas para montar infra-estruturas de acesso (última milha) de grande capacidade

  26. Redes WPAN – Wireless Personal area network • O grupo 802.15 do IEEE é o responsável pelo desenvolvimento de padrões para WPAN. • http://www.ieee802.org/15/ • Existem vários sub-grupos: • Grupo de trabalho número 1: • Norma 802.15.1-2002: baseada na especificação Bluetooth v.1.1 • Contém especificações da camada física e de acesso • Grupo de trabalho número 2: • Norma 802.15.2: trata da coexistência das várias redes locais 802.15 com redes que operam em freqüências não licenciadas (como Wi-Fi)

  27. Bluetooth: 802.15.1 • Rede de curto alcance, para substituir cabeamento, • Cada “célula” é chamada de “piconet” • Versões: • Versão 1.2 (novembro 2003) • Versão 2.0 (novembro 2004) • Definições abrangem as camadas física, enlace e aplicação • Utilização do espectro • Uso da banda não licenciada 2.4GHz • Spread spectrum, frequency hopping, full duplex, 1600 hops/seg, 79 freqüências com intervalos de 1MHz. • Potência: 2.5 mW • Taxa de dados: 1 Mbps • Três classes de alcance: • Classe 3: até 1 metro • Classe 2: até 10 metros (mais comum) • Classe 3: até 100 metros (uso industrial) Fonte: www.bluetooth.com

  28. Bluetooth: 802.15.1 • ULP Bluetooth – Ultra low power Bluetooth • Consumo bem menor que o Bluetooth comum: bateria pode durar meses ou anos. • Previsto apenas para alguns tipos de aplicações mais simples. • Possui modo de operação “broadcast”, útil para aplicações de controle. • Máximo: 1 Mbps, entre 30 a 50m. • Tempo de resposta bem menor que o Bluetooth normal, devido aos protocolos mais simples (5 ms) adequado para funções de controle • Concorrente do Zigbee (vamos ver à frente) Fonte: www.bluetooth.com

  29. Redes WPAN – Wireless Personal area network • Grupo detrabalho número 3 • Objetivo original: definir padrão para rede WPAN de 20 Mbps ou mais para usuários de redes multimidia e de imagens portáteis • Outros requisitos: • Baixo consumo • Baixo custo

  30. Redes WPAN – Wireless Personal area network • Grupo de trabalho 3a: • Objetivo: propor nova camada física para a norma 802.15.3, com velocidade mais alta e suporte a multimidia, que originalmente foi chamada de UWB – ultra wide band. • grande discordância dentro do grupo interrompeu a evolução e definição da norma • 21 propostas iniciais foram reduzidas a duas posições irreconciliáveis, mesmo depois de quase 3 anos de discussões • Os trabalhos deste grupo foram suspensos, sem acordo.

  31. Redes WPAN – Wireless Personal area network • Sistemas UWB • Uma das correntes técnicas em disputa no grupo 3a continuou seu trabalho, formando um consórcio chamado WiMidia que publicou uma especificação conhecida atualmente como UWB • Tecnologia adotada: OFDM • Formalizada por organismo europeu (Ecma TC48) e ISO • Opera na faixa de 3 a 6.1 GHz • Distância: até 10 metros • Banda: 480 Mbps • Produtos já no mercado (www.alereon.com e intel)

  32. UWB – Ultra Wide Band Fonte: www.intel.com

  33. UWB – Ultra Wide Band Fonte: www.intel.com

  34. UWB – Ultra Wide Band • Problema: por espalhar o sinal por uma faixa muito ampla, as redes UWB podem interferir nos outros sistemas (por isso a baixa potência) Fonte: Agilent Technologies

  35. Redes WPAN – Wireless Personal area network • Grupo 3b: trabalho para melhorar a interoperabilidade e a implementação da camada MAC da norma 802.15.3 • Grupo 3c: • trabalho para propor nova camada física que vai operar na faixa de 57-64 GHz (freqüência não licenciada), com taxas de transferência de até 2 Gbps. • Trabalho em evolução (discussões em andamento, fase final de votação), processo deve terminar em 2009. • Grande problema: freqüência muito alta requer visão direto (LOS) • Alcance: 10 metros • Uso: comunicação de alta velocidade: múltiplos canais de som, HDTV, etc.

  36. Redes WPAN – Wireless Personal area network IEEE802.15.3c devices Wireless home server mmW HDTV （with Tuner） TV ADSL Modem 15.3a, etc. Wireless home server HDTV （Tuner less） mmW mmW ADSL Modem IEEE802.15.3c devices Internet

  37. Redes WPAN – Wireless Personal area network • Grupo de trabalho número 4 e seus sub-grupos: • Norma 802.15.4-2003: objetivo de desenvolver rede com baixa velocidade mas alta durabilidade (baixo consumo – capacidade para operar por meses ou mesmo anos). Também chamada de Zigbee. • Grupo de trabalho 802.15.4b: melhoras na norma, republicação na norma na versão 802.15.4:2006 • Grupo de trabalho 5 • Expansão das redes locais para arquitetura mesh Fonte: http://www.ieee802.org/15/

  38. 802.15.4 – ZigBee • Norma editada em 2003. A ZigBee Aliance publicou sua última especificação em 2006 • Conjunto de protocolos para implantação de redes digitais de baixa capacidade, grande autonomia (um transmissor pode operar por meses ou anos sem substituição de bateria) e alta segurança • Usos: implantação de malhas de propósito geral e baixo custo que podem ser usadas em controle industrial, sensoriamento, aquisição de dados, sistemas de alarme, automação de prédios e residências, etc. • Rádios operam na faixa não licenciada (900MHz ou 2.4GHz) • Custo de um nó completo é inferior a US$ 3,00. O software necessário é menor que a metade do necessário em um nó Bluetooth equivalente • Faixa de operação: até 250 Kbps (2.4GHZ) por canal; 40 Kbps (900MHz)

  39. 802.15.4 – ZigBee • Existem 3 tipos de nós: • ZigBee coordinator(ZC): o dispositivo coordenador da rede e que implementa o nó raiz (um por rede). Ele pode funcionar como ponte para outras redes e tem capacidade de armazenar as chaves de segurança. • ZigBee Router (ZR): atuam como roteadores intermediários de dados, repassando dados entre dispositivos. • ZigBee End Device (ZED): contém apenas a funcionalidade necessária para falar com um nó “pai” (coordenador ou roteador). Ele não tem capacidade para repassar dados de outros dispositivos e é bem mais simples que os dispositivos ZR ou ZC.

  40. 802.15.4 – ZigBee • Protocolo usa algoritmos específicos para criar automaticamente uma rede “ad hoc”. Existem dois tipos de redes: • Redes sem “farol” (non beacon): um protocolo CSMA/CA ordena o acesso dos nós ao meio de transmissão. Tipicamente, um nó (ZC ou ZR) fica acordado o tempo todo, com seu receptor apto a suportar o protocolo (por exemplo, um nó que está ligado em uma fonte permanente), enquanto os ZED podem apenas “acordar” quando necessário. • Redes do tipo “farol” (beacon): um ZR ou ZC emite periodicamente um sinal de sincronização e reconhecimento para confirmar sua presença e coordenar as transmissões. Os nós ZED podem “dormir” entre os sinais de sincronização para economizar energia. A freqüência da emissão dos sinais de sincronização depende da taxa de operação do canal.

  41. 802.15.4 – ZigBee • Na banda 2.4GHz existem 16 canais ZigBee, cada um com 5 MHz. A freqüência central de cada canal pode ser calculado como • FC = (2405 + 5*(k-11)) MHz, onde k = 11, 12, ..., 26. • Os rádios usam DSSS (Spread spectrum com seqüência direta). A modulação na faixa de 2.4 GHz é do tipo QPSK, com transmissão de 2 bits por símbolo. • O alcance fica entre 10 a 75 m, mas altamente dependente das condições físicas reais. • A potência máxima transmitida é de 1 mW.

  42. 802.15.4 – ZigBee • Exemplo de aplicação: automação residencial • Sistema controla as luzes, o alarme, a segurança, o ar condicionado e o aquecimento • Os nós interconectam lâmpadas, detectores de fumaça, termostatos e atuadores. • Os nós roteadores estão ligados à rede elétrica da casa enquanto os dispositivos ZED funcionam com baterias. • Os roteadores detectam automaticamente a presença dos nós controlados por eles (os ZED) e estabelecem os links (em azul ou vermelho).

  43. Redes WPAN – Wireless Personal area network • Tecnologia semelhante, mas não padronizada: Zwave • www.zwave.com.br • Aplicação principal: automação residencial • Usa rádios na faixa de 900MHz com modulação FSK • A arquitetura da rede é do tipo “mesh” • Nós intermediários retransmitem comandos até o nó destino

  44. Redes WPAN – Wireless Personal area network • Grupo de trabalho 5: • Detalhamento dos mecanismos necessários (camadas física e enlace) para permitir que redes operem em malha (mesh) • Status: publicação do documento final deve ocorrer em 30 abril de 2009. • Uma rede em malha pode ser • Completa (full mesh): todos os nós estão conectados diretamente com todos os outros • Parcial: nem todos estão conectados diretamente, a comunicação requer retransmissão de dados. Nesse caso, os nós estão diretamente conectados com aqueles com os quais troca dados mais frequentemente Fonte: http://www.ieee802.org/15/

  45. 802.15.5 – Mesh networks • Redes em malha têm a capacidade de prover • Uma extensão da cobertura sem necessidade de aumento de potência no transmissor ou aumento da sensibilidade no receptor • Aumento de confiabilidade pela redundância nas rotas • Configuração simples • Grande durabilidade dos nós remotos (pouco uso de bateria) tanto pela baixa potência necessária como pelo baixo número de retransmissões. Fonte: http://www.ieee802.org/15/

  46. 802.15.5 – Mesh networks • Desafios: o objetivo é construir redes pessoais, onde dispositivos são móveis e o foco é multimídia. • Complica roteamento • Complica fornecimento de QoS Fonte: http://www.meshdynamics.com

  47. Resumindo

  48. Outros grupos do 802.15 • Outros subgrupos do 802.15.4 • Subgrupo 802.15.4f está estudando RFID • Subgrupo 802.15.4g está estudando redes com milhões de nós • 802.15.6 – redes de baixa potência conectadas a corpos (humanos ou não) para aplicações médicas, de entretenimento, entre outras (pelo site não parece muito ativo). • 802.15.7 – redes de comunicação usando luz visível: nada previsto antes de 2010. • 802.15.thz – exploração de sistemas na faixa de 300GHz até 3 THz (“fronteira” entre RF e luz) . Quando ??? Nem eles sabem. O grupo é exploratório e por enquanto, foi constituído para trocar idéias, discutir viabilidade, etc.

  49. NFC- Near Field Communication • Objetivo: dispositivos sem fio para comunicação a distância muito curta – 4 cm ou menos • Também conhecida como ISO 18092 • Opera a 13.56 MHz • Taxa de transmissão: 424 Kbps. • Usos: • Conexão de equipamentos como celular com impressora • Acesso a conteúdo digital: celular “captura” um novo ring tone ou foto • Pagamento: entradas de metrô, cinema, máquinas de bebidas e comida, etc. • Já amplamente usado no Japão e outros países da Ásia. Fonte: NFC Forum: www.nfc-forum.org

  50. NFC- Near Field Communication

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