Administração e Projetos de Rede - Tecnologia de Redes Sem

Administrao e projeto de redes

Tecnologias de redes sem fio

Escola Superior de Redes RNP

Copyright 2009, Escola Superior de Redes RNP

Autor

Omar Branquinho

Reviso tcnica

Luiz Cludio Schara Magalhes

Ricardo Carrano

Arthur Guerrante

Superviso tcnica

Sidney C. de Lucena

Coordenao acadmica

Derlina P. M. Miranda

Reviso final

Pedro Sangirardi

Design

Tecnodesign

Coordenao geral

Luiz Coelho

Verso

1.3.0

Todos os direitos reservados, no Brasil, por


http://www.esr.rnp.br

A Escola Superior de Redes da Rede Nacional de Ensino e Pesquisa (RNP) oferece cursos em tecnologia da informao e da comunicao para quem busca formao essencialmente prtica. As atividades so situaes-problema semelhantes s que so encontradas na prtica do profissional de TI. Estas atividades exigem anlise, sntese e construo de hipteses para a superao do problema. A aprendizagem torna-se mais efetiva se contextualizada realidade profissional.

Os cursos propostos possuem 40 (quarenta) horas de durao divididas em 10 (dez) sesses de aprendizagem. Os participantes trabalham em grupo ou em duplas e cada um pode dispor de sua prpria estao de trabalho. O material de ensino composto de apostilas contendo slides comentados e roteiro de atividades prticas em laboratrio.

Conhecimentos prvios

Modelo OSI, endereamento IP, arquitetura e protocolos TCP/IP, protocolos de \\roteamento ou o curso Arquitetura e protocolos de redes TCP-IP.

Conhecimentos de planilha Excel. \\

Objetivos

Oferecer conhecimentos tericos e prticos para o projeto, montagem e \\avaliao de redes locais sem fio baseadas no padro IEEE 802.11, incluindo:

Conhecimentos bsicos sobre propagao e ondas;\\

Equipamentos necessrios para a montagem de redes sem fio;\\

Detalhes sobre os mecanismos de operao desta classe de redes;\\

Conhecimentos bsicos dos mecanismos de segurana e auditoria;\\

Aspectos arquiteturais das redes sem fio; \\

Tcnicas para o bom projeto de uma rede.\\


Apresentao


Ao final do curso o aluno ter aprendido a

Projetar redes sem fio baseadas no padro IEEE 802.11, sendo capaz de \\identificar e selecionar os componentes necessrios (antenas, pontos de acesso, conectores etc.) e configurar os pontos de acesso seguindo preceitos bsicos de segurana;

Realizar auditorias simples, baseadas em captura de trfego; \\

Compreender fenmenos de propagao de sinais como reflexo, refrao e \\difrao e o papel destrutivo da interferncia;

Compreender a importncia da seleo de canais, assim como do \\troubleshooting bsico de uma rede;

Conduzir site surveys;\\

Conhecer as unidades de medida de potncia utilizadas e outros itens do jargo \\tcnico que permitem a seleo e a configurao de equipamentos;

Os principais procedimentos automticos de uma rede, como a associao a \\um ponto de acesso;

Utilizar este conjunto de tecnologias para o estabelecimento de enlaces de \\longa distncia e a criao de redes em malha.

SumrioSesso de aprendizagem 1Redes sem fio Viso geral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7

Sesso de aprendizagem 2Conceitos bsicos de ondas e propagao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .27

Sesso de aprendizagem 3Arquiteturas de redes IEEE802.11 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .59

Sesso de aprendizagem 4Equipamentos para redes IEEE 802.11 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .89

Sesso de aprendizagem 5O padro IEEE 802.11 camada fsica e camada MAC . . . . . . . . . . . . . . . . .111

Sesso de aprendizagem 6Operaes em uma rede sem fio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .139

Sesso de aprendizagem 7Segurana . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .157

Sesso de aprendizagem 8Projetando uma rede sem fio Parte 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .185

Sesso de aprendizagem 9Projetando uma rede sem fio Parte 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .209

Sesso de aprendizagem 10Tendncias em redes sem fio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .229

Bibliografia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .251

1Sesso de aprendizagem 1Redes sem fio Viso geral

Sumrio da sesso

Surgimento da comunicao sem fio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

Evoluo das comunicaes sem fio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

Transporte de voz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

Voz sobre rdio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

Telefonia mvel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

Telefonia mvel celular . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

Transporte de vdeo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

Transporte de dados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

Redes de dados sem fio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

WPANs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

WPANs e IEEE (802 .15) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

WLANs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

WLANs e IEEE 802 .11 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

WMANs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

WMANs e IEEE 802 .16 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

WWANs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

WWANs e IEEE 802 .20 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

WRANs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

WRANs e IEEE 802 .22 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

A emergncia do IEEE 802 .11 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

Wi-Fi Alliance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

8Tecnologias de redes sem fio Sesso de aprendizagem 1


Evoluo comercial do padro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

Emendas ao IEEE 802 .11 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

Propostas de emendas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

Roteiro de atividades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

Atividade 1 Regulamentaes e padronizao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

Atividade 2 Tecnologias de rede sem fio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

9Redes sem fio Viso geral

Surgimento da comunicao sem fio

Os modernos sistemas de comunicao sem fio tm suas origens nas ltimas dcadas do sculo XVIII, impulsionados pelo trabalho de cientistas e engenheiros como Joseph Henry, Michael Faraday, James Clerk Maxwell, Nicola Tesla, Heinrich Hertz e outros .

Foi o engenheiro italiano Guglielmo Marconi (1874-1937), no entanto, o primeiro a transmitir mensagens atravs de ondas eletromagnticas . Seu telgrafo sem fio, hoje conhecido como rdio, foi patenteado em 1898 .

Na verdade, a paternidade da inveno do rdio alvo de controvrsias, como acontece com outras grandes invenes . Nomes tradicionalmente associados ao feito, alm de Marconi, so: Jagadish Chandra Bose, Alexander Stepanovich Popov e Nicola Tesla .

Esse meio de telecomunicao primitivo, apesar de ter passado por mais de um sculo de aperfeioamento, tornando-se menor, mais sensvel, potente e preciso, ainda a base de todos os meios de comunicao sem fio atuais .

Um rdio um aparato que utiliza ondas eletromagnticas para o transporte de mensagens (dados ou voz) vencendo distncias que vo de poucos centmetros (a distncia entre um mouse sem fio bluetooth e um notebook) at milhes de quilmetros (distncia percorrida pelo sinal de uma sonda espacial, como a Voyager) .

Evoluo das comunicaes sem fio

Ao longo do sculo XX, vrios sistemas de comunicao especializados derivaram do modelo original de rdio telgrafo . Indstrias completas surgiram em torno do que seria a revoluo das telecomunicaes, criando os alicerces para o surgimento da internet e da chamada Era da Informao . Ao lado dos meios confinados, como os cabos metlicos e as fibras ticas, as comunicaes sem fio, isto , o rdio, tm um papel central nesta histria .

Surgimento da comunicao sem fiog

Os avanos da fsica do final do sculo XVIII lanaram as basesOs avanos da fsica do final do sculo XVIII lanaram as basesO primeiro rdio surge na dcada de 1890

Uso das ondas eletromagnticas para o transporte de Uso das ondas eletromagnticas para o transporte de mensagens

Kit de rdio telgrafo

G li l M iGuglielmo Marconi












T t d Transporte de vozRdio difuso, rdio comunicao, telefonia mvel, telefonia celular

Transporte de vdeopTeleviso, videotelefonia celular

Transporte de dadosTransporte de dadosRedes de dados (nosso tema)


Guglielmo Marconi

10

Tecnologias de redes sem fio Sesso de aprendizagem 1


Dentre os inmeros novos sistemas de telecomunicaes, trs grandes ramificaes surgiram e se entrecruzaram constantemente, apresentando limites cada vez mais tnues: o transporte da voz (ou melhor, de sons audveis), do vdeo (imagens em movimento) e de dados .

Transporte de voz

Aps a introduo do rdio telgrafo, a primeira grande mudana veio com o transporte de voz humana (1914) e de msica (1917) . Nas dcadas seguintes o rdio se popularizou como meio de comunicao de massa . No Brasil, por exemplo, a Era do rdio se iniciaria na dcada de 1920 e colocaria o rdio como ponto focal da sala de estar brasileira, at o final dos anos 50, com a introduo da televiso .

A essa categoria de transmisso de sinais audveis chamamos Voz sobre Rdio, ainda que o que esteja sendo transmitido no seja necessariamente a voz humana . Paralelamente popularizao do rdio como veculo de difuso (broadcast), e de seu uso para a comunicao bidirecional entre pontos fixos, havia o esforo para tornar os dispositivos de rdio menores e, portanto, portteis, o que daria origem telefonia mvel e, mais tarde, telefonia celular .

O transporte de sons audveis no seria possvel sem a inveno dos transceivers acsticos, capazes de converter sons em sinais eltricos (microfones) e sinais eltricos em sons (auto-falantes) .


T t d Transporte de vozRdio difuso, rdio comunicao, telefonia mvel, telefonia celular

Transporte de vdeopTeleviso, videotelefonia celular

Transporte de dadosTransporte de dadosRedes de dados (nosso tema)

Transporte de vozp

V b diVoz sobre rdioTelefonia mvelTelefonia mvel celular

1G, 2G, 3G, (4G)1G, 2G, 3G, (4G)Transporte de vozp

V b diVoz sobre rdioTelefonia mvelTelefonia mvel celular

1G, 2G, 3G, (4G)1G, 2G, 3G, (4G)

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Redes sem fio Viso geral

Voz sobre rdio

Como dissemos, apesar de ter surgido para o transporte de sinais telegrficos, o rdio rapidamente se desenvolveu como um sistema de transporte de dados audveis para o homem, ou seja, no apenas a voz humana, mas tambm a msica e outros sons de interesse do crescente pblico ouvinte .

Ao mesmo tempo que se desenvolvia como um poderoso meio de difuso, o rdio se tornava um meio de comunicao entre dois pontos distantes . Unidades cada vez mais leves de rdio comunicadores (que finalmente culminaram nos modernos walkie talkies) comearam a povoar os campos de batalha na Segunda Guerra Mundial ao mesmo tempo que, no segmento das estaes fixas, o rdio amadorismo, um misto de hobby e servio voluntrio de utilidade pblica, conquistou adeptos em todos os cantos do planeta .

Voz sobre rdio

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Telefonia mvel

A telefonia se desenvolveu ao longo do sculo XX, suportada por enormes redes de cabos de cobre (pares telefnicos) que, gradativamente, se estenderam pelas ruas das cidades e beiras de estradas em reas rurais . Em boa parte do mundo, a telefonia se tornou to ubqua quanto a eletricidade, chegando, nas regies mais desenvolvidas do planeta, a alcanar virtualmente todos os lares . As grandes redes telefnicas que surgiram para interconectar as diversas malhas urbanas lanaram mo de todas as tecnologias de telecomunicaes disponveis, cabeadas (cabos, troncos submarinos, fibras pticas) ou no (enlaces de microondas ou satlites), mas permaneceram como um domnio dos cabos de cobre at recentemente .

A telefonia mvel comeou a surgir quando os primeiros telefones automotivos foram introduzidos, j em 1924, e gradativamente evoluiu para a telefonia celular, a partir da dcada de 1980 .

Telefonia mvel celular

Telefones mveis celulares comearam a se popularizar nos anos 80 . A chamada primeira gerao (1G) foi baseada em sistemas analgicos, sendo o sistema AMPS (Advanced Mobile Phone System) o mais popular, implantado no Brasil e nos Estados Unidos . Outros sistemas desta gerao foram o NMT, o TACS, o RTMI, o C-Net e o Radiocom 2000 .

A segunda gerao da telefonia celular, que em muitos pases foi a primeira implantada, marcada pela digitalizao e por uma capacidade ainda incipiente de transporte de dados . Seu representante mais bem sucedido foi a tecnologia GSM . Outras tecnologias desta gerao so a TDMA e a CDMA .

Telefonia mvel

Os primeiros telefones no eram pessoais mas automotivosOs primeiros telefones no eram pessoais, mas automotivos


1G ( 80)1G (anos 80)NMT, AMPS, TACS, RTMI, C-Net and Radiocom 2000

2G (anos 90)GSM, TDMA e CDMAGSM, TDMA e CDMA2.5G e 2.75G

3G (2000)3G (2000)4G (2010?)

Os primeiros telefones no eram pessoais, mas automotivos

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Os termos 2 .5G e 2 .75G se referem a padres de segunda gerao que foram, de alguma forma, aumentados para suportar melhores taxas de transferncia de dados e, com isso, permitir o acesso internet, que explodiria em termos de usurios em meados dos anos 90 . Um exemplo o padro GPRS (2 .5G), que alcana taxas comparveis a de um acesso dial-up .

A atual gerao da telefonia celular (3G) fortemente baseada no padro GSM e permite taxas de transferncia que vo de 144 Kbps a 2 Mbps, utilizando protocolos como o EV-DO e o UMTS . marcada pelo surgimento dos smartphones, que efetivamente promoveram o aparelho celular do status de um telefone ao de um dispositivo de convergncia de mdias, agregando o acesso internet (principalmente e-mail e web), s capacidades de tocador de udio, cmera fotogrfica e dispositivo GPS, com novas aplicaes que esto surgindo constantemente .

A quarta gerao (4G) est em fase de projeto e estima-se que pode comear a chegar ao mercado a partir de 2012 . O objetivo alcanar taxas de dados comparveis s alcanadas pelos dispositivos Wi-Fi .

Transporte de vdeo

Aps algumas dcadas, o rdio comearia a ser substitudo, como centro da ateno familiar, pela televiso . Durante o sculo XX, uma srie de inovaes continuou impulsionando a popularizao desta nova mdia . Alguns desses marcos foram a introduo da TV a cores nos anos 60, de vrios tipos de controle remoto (que no princpio eram conectados TV por um cabo), das TVs por assinatura (geralmente por meio cabeado, mas nem sempre,) e da TV digital de alta definio . Hoje, estamos acompanhando a introduo da TV digital interativa em vrios pases, inclusive no Brasil .

Como sistema de telecomunicaes, a difuso televisiva muito similar radiodifuso: antenas potentes iluminam uma grande rea onde os receptores esto distribudos, e, a partir da dcada de 60, a comunicao por satlites tambm foi incorporada s transmisses televisivas .

Atualmente, parte considervel do contedo multimdia acessado pelo pblico est sendo transportada pela internet, mas tudo indica que a televiso permanecer como o principal meio de comunicao de massa, por dcadas e em muitas partes do mundo .


1G ( 80)1G (anos 80)NMT, AMPS, TACS, RTMI, C-Net and Radiocom 2000

2G (anos 90)GSM, TDMA e CDMAGSM, TDMA e CDMA2.5G e 2.75G

3G (2000)3G (2000)4G (2010?)

Transporte de vdeop

T l i TelevisoRadiodifusoSatlite

VideotelefoniaVideotelefonia

Transporte de vdeop

T l i TelevisoRadiodifusoSatlite

VideotelefoniaVideotelefonia

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Em paralelo, a telefonia celular (um nome cada vez menos adequado, medida que o volume de trfego de outros contedos ultrapassa o trfego de voz) tambm j permite uma srie de servios de vdeo, que vo desde a recepo do sinal televisivo at a aplicao de videotelefonia, passando pela transferncia de vdeos armazenados em sites como o Youtube .

Transporte de dados

O uso de rdios para o transporte de dados comeou com a prpria criao do telgrafo sem fio e evoluiu durante a Segunda Guerra Mundial, onde rdios foram usados para transportar mensagens criptografadas (que podiam inclusive conter mensagens de udio), mas as primeiras conexes sem fio entre computadores s se popularizaram de fato aps a introduo do Wi-Fi .

Redes de dados sem fio

O IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) uma entidade de classe devotada ao avano tecnolgico e cientfico e tambm uma das mais importantes entidades padronizadoras do mundo, tendo criado mais de 1000 padres em diversos segmentos industriais, como transporte, nanotecnologia, tecnologia da informao e telecomunicaes . Na rea das redes de computadores, dentre seus mais notrios padres, esto o padro Ethernet (802 .3), para redes locais cabeadas, e o padro 802 .11, para redes sem fio . Ambos dominantes em seus segmentos .

Transporte de dadosp

A i i li d diA primeira aplicao dos rdiosRdio telgrafo

Uso militar CriptografiaCriptografia

Redes locais sem fio

Transporte de dadosp

A i i li d diA primeira aplicao dos rdiosRdio telgrafo

Uso militar CriptografiaCriptografia

Redes locais sem fio

Redes de dados sem fio

R d fi b i (d t t Redes sem fio e sua abrangncia (dos centmetros aos quilmetros)

WPAN: IEEE 802.15WLAN: IEEE 802.11 WMAN: IEEE 802.16WWAN:IEEE 802 20WWAN:IEEE 802.20WRAN: IEEE 802.22

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No caso das redes sem fio, convencionou-se uma classificao em funo da rea que se pretende cobrir, ou seja, a distncia entre os dispositivos . Assim, as WPANs so as redes onde os dispositivos esto mais prximos (ao redor de um indivduo), e as WLAN as redes que cobrem localidades como edifcios . As WMAN seriam reas metropolitanas, enquanto que as WRAN diriam respeito a redes sem fio cobrindo regies inteiras .

WPANs

Uma WPAN (Wireless Personal Area Network) tipicamente uma rede para interconectar, sem o uso de fios, dispositivos pertencentes a um indivduo . Esses tipicamente consistem em dispositivos multimdia, como cmeras e filmadoras, tocadores de msica, set-top boxes, consoles de videogame e televises de alta definio .

Essas tecnologias de conexo para distncias curtas tambm so comumente empregadas para conexo de diversos dispositivos ao computador: perifricos,

como mouses e teclados, e tambm dispositivos multimdia, como cmeras, filmadoras e tocadores de msica . Neste sentido, podem ser uma alternativa sem fio ao USB (Universal Serial Bus) .

Outro uso popular so as transferncias entre aparelho de telefonia celular e outros dispositivos, como o computador, para transferncia de fotos ou ringtones, por exemplo, ou mesmo o rdio do carro, para atendimento de chamadas em viva voz .

Fugindo do carter pessoal, uma nova aplicao de redes sem fio, formada por dispositivos diminutos, de baixo consumo e capacidades limitadas, a rede de sensores . Redes de sensores tm aplicaes diversas, que vo desde de o mbito domstico e pessoal at o industrial, permitindo o sensoriamento ambiental (iluminao, temperatura, umidade) e o suporte a sistemas de segurana (deteco de fumaa e de intrusos) .

WPANs e IEEE (802.15)

Em 1999, o IEEE formou o WG (Working Group) 802 .15 que, dentre outras tarefas, iniciou o processo de padronizao da tecnologia Bluetooth, criada pelas empresas de telefonia escandinavas . O WG foi dividido em diversos Task Groups (TGs), sendo que enquanto o TG1 (802 .15 .1) ficou responsvel pelo Bluetooth, outros grupos comearam a desenvolver tecnologias alternativas e complementares, dentre as quais o High Rate WPAN (802 .15 .3) e o ZigBee (802 .15 .4) .

WPANs

Wi l P l A N t kWireless Personal Area NetworksRedes formadas por dispositivos pessoais

Pequenas distnciasEspectro no licenciadoEspectro no licenciadoAlternativa ao USB

R d d Redes de sensoresUso pessoal: casa inteligenteAplicaes industriais e comerciais: gerncia ambiental, energia, seguranag g

WPANs e IEEE (802.15)( )

802 15 WPAN802.15 - WPAN802.15.1 Bluetooth802.15.3 WiMedia e UWB802.15.4 Zigbee802.15.4 Zigbee

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O grupo 802 .15 .3 foi criado para desenvolver tecnologias que suportassem a transferncia de imagens e vdeo entre dispositivos, no que o IEEE se refere como High Rate Wireless Personal Area Networks (WPANs de alta taxa) . O padro prev taxas de at 55 Mbps e opera na faixa no licenciada de 2 .4 GHz (a mesma que os dispositivos 802 .11b e 802 .11g) . Posteriormente, foram criados os grupos 3a, 3b e 3c, para desenvolver emendas ao 802 .15 .3, de forma a introduzir melhorias, incluindo taxas de transferncia mais altas .

Como desdobramento do trabalho do grupo 3, duas tecnologias surgiram: a Multi-Band Orthogonal Frequency Division Multiplexing (MB-OFDM) UWB, suportada pela WiMedia Alliance, e a Direct Sequence-UWB (DS-UWB), suportada pelo UWB Forum .

O Zigbee foi desenvolvido tendo em mente seu uso por dispositivos robustos de baixo consumo e com requisitos menores em termos de taxa de transferncia . portanto um padro ligado a aplicaes de redes de sensores . Tambm opera na faixa de 2 .4 GHz .

O Bluetooth, mais notrio membro da famlia, tornou-se um padro de boa aceitao comercial, sendo utilizado em aplicaes diversas como headsets para telefones celulares e nos controles de consoles de videogame .

WLANs

Verso sem fio das redes locais (LANs), as redes WLAN se tornaram populares a partir do ano 2000 e so o tema central deste curso . Surgiram como uma alternativa s redes locais cabeadas e, apesar de no apresentarem o mesmo desempenho e segurana, tm como vantagem a facilidade de instalao e o suporte mobilidade . Principalmente impulsionadas pela popularizao dos notebooks (em 2009 j sero vendidos mais notebooks do que desktops no mundo), as redes locais sem fio so cada vez mais comuns .

WLANs e IEEE 802.11

Interfaces de rede sem fio IEEE 802 .11 esto presentes h alguns anos em praticamente todos os notebooks fabricados . E os custos dos pontos de acesso j so inferiores a 150 reais (valores praticados em 2009) .

WLANs

Wi l L l A N t kWireless Local Area NetworksRedes locais sem fio

Alternativa ao Ethernet (IEEE 802.3)Uso de espectro no licenciadoUso de espectro no licenciado

Estudadas em detalhes em nosso curso!

WLANs e IEEE 802.11

O d d f t d l iO padro de facto para redes locaisBaixo custo

Pontos de acesso por pouco mais de R$ 100,00Presente em quase todos os notebooks fabricadosPresente em quase todos os notebooks fabricados

Tambm em PDAs e at em celularesT d t 54 Mb l Taxas de at 54 Mbps em evoluoAlcance de dezenas de metros

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As taxas, ainda bastante inferiores s fornecidas por redes cabeadas (redes Ethernet de 1 Gbps j so acessveis ao consumidor domstico), continuam crescendo e, apesar da maior taxa de transferncia padronizada ser 54 Mbps (padres a e g), produtos baseados no futuro padro n j oferecem velocidades superiores a 200 Mbps .

WMANs

Na escala espacial das redes sem fio, aps as redes pessoais (WPANs) e locais (WLANs), encontram-se as redes desenhadas para cobrir reas metropolitanas (WMANs), com quilmetros de extenso .

Como ocorre no modelo de difuso utilizado pelo rdio ou pela televiso, a comunicao ponto-multiponto, com a diferena de que nas WMAN a comunicao bidirecional . Neste caso, existe, portanto, uma estao fixa: a estao base que atende a diversas estaes clientes .

O suporte mobilidade das estaes clientes e possibilidade de operao sem visada, isto , com obstruo total ou parcial das estaes, so caractersticas desejveis das redes metropolitanas .

WMANs e IEEE 802.16

WiMax (Worldwide Interoperability for Microwave Access) a tecnologia apoiada no padro IEEE 802 .16 e por recomendaes do Instituto de Padronizao da Unio Europeia (ETSI), promovida e certificada pelo WiMax Forum . Surgiu como grande promessa de reduo dos custos de sistemas de rdio ponto-multiponto e foi inicialmente publicada em 2001, para operao da faixa de espectro entre 10 e 66 GHz em sistemas com visada .

Desde ento, o padro evoluiu para incorporar diversas emendas . Em 2003, foi publicado o IEEE 802 .16a para operar na faixa entre 2 e 11 GHz, o que permitiria o uso de faixas do espectro no licenciado . O IEEE 802 .16e foi lanado em 2005 para dar suporte mobilidade das estaes e hoje o padro tambm prev a operao sem visada (NLOS), mas com alcance reduzido a 8 km em relao aos cenrios com visada, que alcanam distncias de 50 km .

WMANs

Wi l M t lit A N t kWireless Metropolitan Area NetworkRedes metropolitanas

Alcance de quilmetrosComunicao ponto-multipontoComunicao ponto multipontoSuporte a mobilidadeC i (LOS) i d (NLOS)Comunicao com (LOS) e sem visada (NLOS)

LOS = line of sight

WMANs e IEEE 802.16

W ld id I t bilit f Mi AWorldwide Interoperability for Microwave AccessWiMax Forum: certificao de produtosMobilidade: IEEE 802.16eUso de espectro no licenciado: IEEE 802.16aUso de espectro no licenciado: IEEE 802.16aComunicao com ou sem visada

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Esta tecnologia tem crescido em popularidade, apesar de seu crescimento provavelmente no estar altura das expectativas criadas . Em parte, esta frustrao est ligada a uma compreenso equivocada em relao capacidade dos sistemas WiMax . Alguns esperam, por exemplo, alcanar taxas de 70 Mbps a distncias de 50 quilmetros, enquanto o que se pode obter uma coisa ou outra (e no ambas) . As taxas alcanadas variam muito com a distncia e com a mobilidade dos ns . A uma distncia de 10 km, por exemplo, taxas da ordem de 2 Mbps geralmente s sero alcanadas com o uso de antenas direcionais, que s podem ser usadas em estaes fixas .

WWANs

As redes WWAN objetivam superar as redes metropolitanas (WMAN) em termos de alcance e suporte mobilidade . Este , sob muitos aspectos, o domnio das redes celulares .

Um dos principais desafios das WWAN suportar terminais que se movem a grandes velocidades . As redes de telefonia celular, por exemplo, suportam terminais com velocidades superiores a 60 km/h . O suporte a velocidades mais altas, conjugado a taxas de transmisso capazes de transportar contedo multimdia, ainda um grande desafio tcnico .

WWANs e IEEE 802.20

O IEEE 802 .20 foi concebido como um padro para comunicao de dados e no de voz, como as redes celulares, com amplo suporte mobilidade e desenhado para operar em frequncias abaixo dos 3 .5 GHz .

Os objetivos do 802 .20, muitas vezes referido como Mobile-Fi, e do 802 .16e, o mobile WiMAX, so similares, sendo que muitos especialistas acreditam que o primeiro poder ser ofuscado pelo segundo .

WWANs

Wi l Wid A N t kWireless Wide Area NetworksConcorrncia com as redes celularesAlcance de quilmetrosMobilidade veicularMobilidade veicularTaxas de transferncia mais baixas

C j d di t i bilid d b t Conjugao de distncia, mobilidade e obstrues

WWANs e IEEE 802.20

A lid d M bil FiApelidado Mobile-FiOtimizado para o transporte de trfego IPTaxas maiores que 1 Mbps por usurioAlta mobilidade dos terminaisAlta mobilidade dos terminais

At 250 km/hC flit t 802 16 (M bil WiM )Conflitante com o 802.16e (Mobile WiMax)

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WRANs

Para que as diversas emissoras de televiso operando em uma determinada rea no interfiram umas com as outras, reservada uma faixa de espectro entre os canais de TV, chamada banda de guarda . Alm disso, nem todos os canais so utilizados em uma dada localidade . Finalmente, os sistemas de televiso digital, sendo introduzidos em boa parte do mundo, fazem uso mais eficiente do espectro, transmitindo quatro canais onde antes era possvel transmitir apenas um .

Esses so exemplos de ociosidade, atual ou prevista, de preciosas faixas do espectro eletromagntico . Por suas caractersticas de propagao, as faixas de VHF e UHF so ideais para a cobertura regional, com alcance de vrios quilmetros e boa capacidade de penetrao em reas urbanas e, por isso, seu reuso o elemento central das redes de dados de longas distncias .

WRANs e IEEE 802.22

O IEEE 802 .22 um padro para a cobertura de reas de 40 km ou mais, projetado para aproveitar o espao vago entre os canais de TV . Os rdios 802 .22 seriam cognitivos medida que seriam capazes de levantar as condies do espectro naquela regio, podendo escolher faixas de frequncia disponveis e ajustar a potncia de transmisso de modo dinmico e inteligente, de maneira a no interferir com outros servios operando na mesma faixa . O objetivo seria de pelo menos igualar o desempenho de uma rede DSL e oferecer servios de banda larga onde redes cabeadas seriam economicamente inviveis .

A emergncia do IEEE 802.11

De todas as tecnologias de redes locais sem fio disponveis hoje, nenhuma foi to bem-sucedida quanto o Wi-Fi, nome comercial das redes implementadas sob o padro IEEE 802 .11 .

Um dos principais objetivos desta tecnologia prover um meio de estender o acesso a redes cabeadas no padro Ethernet (IEEE 802 .3) a computadores sem a necessidade de fios .

WRANs

Wi l R i l A N t kWireless Regional Area NetworkDistncias de at 100 kmExplora o fato de que o uso do espectro de radiofrequncia muitas vezes ineficienteq

Banda de guarda entre canais de TVDigitalizao da transmisso televisivaDigitalizao da transmisso televisiva

WRANs e IEEE 802.22

U t i t d tUso oportunista do espectroRdios cognitivos

Faixa de 54 a 862 MHz VHF e UHFVHF e UHF

Coberturas de 40 km ou mais

A emergncia do IEEE 802.11g

P d Wi FiPrecursores do Wi-FiRadioLAN, Clarion e Aironet

HiperLAN - padro europeuO mercado Wi-Fi (apenas em 2008):O mercado Wi Fi (apenas em 2008):

Chipsets vendidos: 387 milhesC l l Wi Fi 56 ilh Celulares Wi-Fi: 56 milhes No portteis (TVs, videogames, impressoras): 48 milhesPortteis (handheld games, mp3 e cmeras): 71 milhesNotebooks de todos os tipos e tamanhos: 144 milhesNotebooks de todos os tipos e tamanhos: 144 milhes

Fontes: Wi-Fi Alliance e In-Stat

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Por conta da enorme predominncia do padro do IEEE, outras tecnologias de redes locais sem fio esto praticamente extintas, em processo similar ao das redes locais, onde o padro Ethernet tornou-se totalmente hegemnico .

Uma das alternativas mais conhecidas o padro europeu HiperLAN . O HiperLAN similar ao padro IEEE 802 .11 e suas duas verses, o HiperLAN/1 (que alcana taxas de 20 Mbps) e o HiperLAN/2 (com taxas de at 54 Mbps) operam na banda de 5 GHz .

Antes da popularizao do padro IEEE 802 .11, uma srie de solues proprietrias j estavam disponveis no mercado e incluem RadioLAN, Clarion e Aironet (hoje uma diviso da Cisco Systems) . Com a asceno do padro do IEEE, estas alternativas so cada vez menos comuns .

Para se ter uma ideia do sucesso do padro 802 .11, segundo a Wi-Fi Alliance, 387 milhes de chipsets Wi-Fi foram vendidos apenas em 2008, um crescimento de 27% em relao a 2007 . Eles foram instalados em milhes de notebooks, celulares, videogames e toda uma gama de eletrodomsticos e equipamentos portteis . A estimativa que o crescimento anual permanea no patamar de dois dgitos por alguns anos e que novas vendas sejam alavancadas pela publicao do padro 802 .11n, que introduzir maiores taxas de transmisso em 2010 .

Wi-Fi Alliance

A Wi-Fi Alliance uma associao industrial sem fins lucrativos que congrega mais de trezentos participantes e cujo objetivo a certificao de produtos Wi-Fi . O selo Wi-Fi avaliza que um dispositivo implementa o padro IEEE 802 .11 corretamente e, com isso, garante a interoperabilidade entre dispositivos de vrios fabricantes . A expresso rede Wi-Fi muitas vezes intercambiada com o termo WLAN (wireless LAN), apesar de o segundo ter um sentido mais genrico .

Evoluo comercial do padro

Lanado em 1997, o padro 802 .11 previa trs opes de camadas fsicas: infravermelho, FHSS (Frequency Hoping Spread Spectrum) e DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) . Com estas tcnicas, era possvel operar nas velocidades de 1 ou 2 Mbps, sendo que os dispositivos operando em infravermelho suportavam apenas a taxa de 1 Mbps .

Wi-Fi Alliance

A i d i d 300 tid dAssociao de mais de 300 entidadesPromove o uso da tecnologia baseada em 802.11Garante interoperabilidade

Evoluo comercial do padro p

802 11 (1997) 1 2 Mb802.11 (1997): 1 e 2 Mbps802.11a (1999): at 54 Mbps802.11b (1999): at 11 Mbps802.11g (2003): at 54 Mbps802.11g (2003): at 54 Mbps802.11n (provavelmente em 2010): at 600 Mbps

Faixa de 2.4 GHz: 802.11b/g/nFaixa de 5.8 GHz: 802.11a/n

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O padro, no entanto, s comeou a se tornar popular a partir de 1999, com a publicao das emendas a e b que introduziam novas camadas fsicas capazes de alcanar taxas superiores . Enquanto que o IEEE 802 .11a utilizava a tcnica de modulao OFDM e alcanava taxas de 54 Mbps, o padro b elevava a taxa para apenas 11 Mbps atravs da evoluo da tcnica DSSS .

Curiosamente, o padro a no foi nem de longe to bem-sucedido comercialmente quanto o b, sendo um dos motivos o fato de que produtos aderentes a este padro s comearam a ser lanados ao final do ano 2000 e que a grande maioria dos usurios no estava disposta a substituir os recm adquiridos equipamentos b .

Em contrapartida, o padro g, compatvel com o antecessor b, foi amplamente aceito alguns anos mais tarde . Os equipamentos b/g, suportando diversas taxas de transmisso (de 1 Mbps at 54 Mbps) e diversas tcnicas de modulao, se tornaram, em pouco tempo, a variedade mais comum de dispositivos Wi-Fi .

O atual desenvolvimento em termos de capacidade de transmisso do padro IEEE 802 .11 vem de uma srie de tcnicas, como o uso de mltiplas antenas reunidas no que ser (ainda um draft) a emenda IEEE 802 .11n . Alguns dispositivos pr-N j esto disponveis nas prateleiras (dados referentes ao ano de 2009) .

Emendas ao IEEE 802.11

Descrio

802 .11-1997

Padro original (1997) camada MAC e modulao FHSS e DSSS (1 e 2 Mbps)

802 .11a 1999 nova camada fsica - OFDM

802 .11b 1999 nova camada fsica HR/DSS

802 .11g 2003 nova camada fsica ERP

802 .11d 2001 compatibilidade com regulamentos internacionais

802 .11e 2005 introduz qualidade de servio (QoS)

802 .11h 2004 adapta 802.11a s normas europeias

802 .11i 2004 novos mecanismos de segurana

802 .11j 2004 adapta 802.11 s normas japonesas

802 .11-2007

Incorpora a, b, d, e, g h, i e j ao IEEE802 .11-1997

Desde seu surgimento, o padro IEEE 802 .11 passou por uma srie de melhorias, incorporadas sob a forma de emendas .

22



As emendas so designadas por letras adicionadas ao nome do padro e so criadas por uma variedade de razes, como incorporar taxas de transmisso mais altas (802 .11a, b e g), aumentar a segurana da rede (IEEE 802 .11i), melhorar o suporte mobilidade (draft r), suportar tcnicas de qualidade de servio (draft e) ou implementar redes em malha de mltiplos saltos (draft s) . Algumas dessas emendas sero abordadas ao longo de nosso curso .

Propostas de emendas

Draft Descrio

802 .11n Grupo de Tarefa n (Task Group n, ou TGn): prope tcnicas para atingir bandas superiores a 100 Mbps (MIMO ou Multiple Input, Multiple Output provavelmente a tcnica mais popular) .

802 .11r Grupo de Tarefa r (TGr): trabalha em mecanismos de handoff, particularmente para dispositivos mveis rpidos, como veculos, por exemplo .

802 .11s Grupo de Tarefa s (TGs): est propondo uma rede em malha para dispositivos 802 .11 .

Antes de aprovadas, as emendas passam por um longo processo de ajustes e reviso . Durante este perodo, elas permanecem no status de drafts (literalmente, rascunho) at serem publicadas . De tempos em tempos, comum que os padres incorporem essas emendas ao texto original . No caso do IEEE 802 .11, isso aconteceu em 2007 com a incorporao das emendas a, b, d, e, g, h, i e j .

1Sesso de aprendizagem 1Redes sem fio Viso geralRoteiro de atividades

Tpicos e conceitos

Apresentao das principais tecnologias de redes sem fio (redes de voz, dados \\e hbridas; telefonia celular, satlite e outras);

Redes WPAN, WLAN, WMAN e WWAN e padres IEEE;\\

Emergncia do IEEE 802 .11 como padro para redes locais sem fio;\\

Evoluo comercial do padro (b/a/g/n) e o Frum Wifi-Alliance .\\

Competncias tcnicas desenvolvidas

Anlise da distribuio de bandas de frequncia pela Anatel;\\

Vantagens e desvantagens na utilizao de uma faixa de banda no licenciada; \\

Entendimento dos conceitos de padronizao e perfil; \\

Comparao entre as tecnologias Wi-Fi, WiMax e 3G . \\

Tempo previsto para as atividades

1 hora e 30 minutos (trabalhos em grupo, pesquisa na internet, redao \\do relatrio)

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Atividade 1 Regulamentaes e padronizao

1. O espectro eletromagntico um recurso teoricamente ilimitado. No entanto, equipamentos de rdio atuais conseguem transmitir apenas at a casa de dezenas de Giga Hertz (GHz). Isso torna o ar um meio limitado e disputado entre as inmeras prestadoras de servios e atividades de fins militares, mdicos ou domiciliares. De modo a organizar a utilizao deste recurso, as agncias reguladoras de cada pas atribuem a cada atividade ou servio uma banda de frequncia dedicada, levando em considerao os requisitos tcnicos de cada uma. O descumprimento dessas regras pode ser punido conforme estabelecido por lei.

Consulte a internet para visualizao do Plano de atribuio, destinao e distribuio de faixas de Freqncias frequncias no Brasil da Agncia Nacional de Telecomunicaes (Anatel) .

Consulte o site da Agncia Nacional de Telecomunicaes \\ http://www .anatel .gov .br

2. O IEEE (Institute of Electric and Electronic Engineers) uma organizao responsvel por estabelecer padres para a indstria do setor. Qual a importncia da padronizao no mbito de redes de computadores?

3. Muitas vezes o padro IEEE 802.11 considerado sinnimo de Wi-Fi. Explique a diferena entre os dois. Qual a motivao para a criao desse rgo regulamentador (Wi-Fi Alliance). Cite um aspecto tcnico que descrito no IEEE 802.11, mas no no Wi-Fi.

Mais informaes:

Wi-Fi Alliance \\ http://www .wi-fi .org/

IEEE - Institute of Electric and Electronic Engineers \\ http://www .ieee .org/

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4. Conforme visto na atividade 1, algumas bandas de frequncia, como a de 902-907,5; 915-928; 2400-2483,5 e 5725-5850 MHz, .no precisam de autorizao para uso. O padro IEEE 802.11 utiliza a faixa de 2,4 GHz nas emendas b e g, e 5,8 GHz na emenda a. O IEEE 802.11n pode utilizar as duas.

Quais as vantagens e desvantagens em se utilizar uma banda de frequncia no licenciada?

Mais informaes:

Regulamento sobre Equipamentos de Radiocomunicao de Radiao Restrita . \\Resoluo n 506 da Anatel .

Atividade 2 Tecnologias de rede sem fio

1. Compare as tecnologias de rede sem fio Wi-Fi, Wi-MAX e 3G quanto banda mxima terica, alcance, custo de estao base e nvel de mobilidade.

Banda Alcance Custo Mobilidade

Wi-Fi

Wi-Max Fixo

Wi-Max Mvel

3G

2. Uma operadora Wi-MAX tem 1000 clientes fixos em uma clula de cobertura urbana com raio de 10 km. Considerando que os usurios de internet utilizam a rede apenas 15% do tempo, em mdia, qual o mximo de banda que a operadora poderia prover, por contrato, a cada cliente?

26



3. H diferena entre os tamanhos de clulas geralmente usados por operadoras de telefonia celular em ambientes urbanos e rurais? Explique por qu.

2Sesso de aprendizagem 2Conceitos bsicos de ondas e propagao

Sumrio da sesso

Ondas eletromagnticas e comunicao de dados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

Caracterizao das ondas eletromagnticas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

Amplitude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

Frequncia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

Comprimento de onda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

Transmisso de informao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

Largura de banda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

Taxa de transmisso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

Tcnicas de transmisso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

Tcnicas bsicas de modulao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

Amplitude Shift Keying (ASK) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

Frequency Shift Keying (FSK) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

Phase Shift Keying (PSK) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

Differential Phase Shift Keying (DPSK) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

Quadrature Phase Shift Keying (QPSK) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

Spread Spectrum Frequency Hoping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

Link de rdio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

Definio de decibel dB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

Valores absolutos de potncia: dBW e dBm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

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Converso de dBm para miliwatts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

Clculo da potncia em miliwatts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

Estudo de propagao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

Atenuao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

Atenuao no espao livre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

Outros efeitos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

Efeito de mltiplos percursos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

Refrao e Reflexo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

Difrao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

Espalhamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

Ambientes para Wi-Fi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

Roteiro de atividades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

Atividade 1 Caracterizao das ondas eletromagnticas e mecanismos de propagao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

Atividade 2 Banda e taxa de transmisso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

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Conceitos bsicos de ondas e propagao

Ondas eletromagnticas e comunicao de dados

A energia se propaga no espao atravs de ondas . O ser humano possui sensores capazes de captar alguns tipos de energia (viso, energia eletromagntica; audio, energia mecnica) . A comunicao da informao pode ser feita associando determinados padres de onda a smbolos, e convencionando um significado para estes smbolos .

Ondas eletromagnticas tm vantagem em relao a ondas mecnicas por se propagarem em alta

velocidade . De fato, ondas eletromagnticas se propagam com a maior velocidade possvel em cada meio (velocidade da luz). Quanto mais denso o meio, menor esta velocidade mxima . Por exemplo, no vcuo a velocidade da luz de aproximadamente 300 mil quilmetros por segundo e no cobre 200 mil quilmetros por segundo .

Ondas tm uma srie de caractersticas (amplitude, frequncia, fase) que podem ser variadas para carregar informao .

Caracterizao das ondas eletromagnticas

Uma onda peridica se sua forma se repete de tempos em tempos . Este tempo chamado de perodo . A frequncia o inverso do perodo e informa quantas vezes a onda se repete em um segundo . Por se repetir, se a forma matemtica de uma onda f(t), f(t) = f(t+P), onde P o perodo .

Existe uma funo peridica muito usada para representar ondas, o seno . A funo seno varia de -1 a 1, passando por zero no incio, no meio e no fim de um perodo que, em radianos, 2 (dois pi). A

funo seno muito til, pois qualquer onda peridica pode ser representada por uma soma de senos (Srie de Fourier) .

Uma onda senoidal pode ser representada pela equao f(t) = C sen (2wt + d). A amplitude mxima da onda C, w inversamente proporcional ao perodo e d a fase da onda . Se a onda comea com amplitude zero, quando t = 0 o valor de d zero . Mas, se a onda tem qualquer outro valor quando t zero, d o parmetro que diz o quanto a onda est atrasada ou adiantada (defasada) em relao a uma onda igual a ela com amplitude zero em t = 0 .

Ondas eletromagnticas e comunicao d d dde dados

A i t d dA energia se propaga no espao atravs de ondasOndas podem carregar informao, atravs da variao das suas caractersticas (amplitude, frequncia, fase)Ondas eletromagnticas se propagam com a maior velocidade possvel em um meio (velocidade da luz)p ( )

Caracterizao das ondas eletromagnticas

U d d idi idiUma onda pode ser peridica ou aperidicaOndas peridicas se repetem de tempos em tempos

Ondas peridicas podem ser representadas como uma soma de senos (Srie de Fourier)( )Os parmetros de uma onda senoidal so perodo, amplitude e faseamplitude e fase

30



Amplitude

Amplitude de uma onda a medida da magnitude da mxima perturbao do meio durante um ciclo da onda (http://pt .wikipedia .org/wiki/Amplitude) .

A amplitude traduz a quantidade de energia carregada pela onda. Quanto maior a amplitude, maior a energia . Ondas que se propagam a partir de um ponto, e cuja frente de onda cresce com o tempo, tendem a ter a amplitude cada vez menor conforme se afastam da origem, porque a energia distribuda por toda a frente de onda . Uma das vantagens do uso de meios confinados para a transmisso de sinais que a frente da onda se mantm do mesmo tamanho, o que permite que o sinal chegue com amplitude maior quanto maiores forem as distncias .

Frequncia

A frequncia de uma onda definida como sendo o inverso do perodo . Assim, se o perodo de uma onda de rdio no vcuo for igual a 0 .000002 segundos, como a frequncia igual a 1/perodo, neste caso 1/0 .000002, a frequncia desta onda igual a 5x105 Hz ou 500 KHz ou ainda 0,5 MHz .

Amplitudep

A lit d d d did d it d d Amplitude de uma onda a medida da magnitude da mxima perturbao do meio durante um ciclo da

d onda

Fonte: http://pt.wikipedia.org/wiki/Amplitude

Frequnciaq

A f i i d dA frequncia o inverso do perodoEla medida em Hertz (Hz)Qual a frequncia de uma onda de rdio no vcuo cujo perodo de 2x10-6 segundos?p g

Fonte: http://pt .wikipedia .org/wiki/Amplitude

Amplitude de uma onda a medida da magnitude da mxima perturbao do meio durante um ciclo da onda

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Comprimento de onda

Uma medida comumente usada o comprimento de onda . Como a velocidade da luz constante em um meio, a distncia percorrida pela frente de onda em um ciclo (perodo) constante no meio e igual velocidade da luz no meio vezes o tempo de um perodo .

Assumindo que estamos trabalhando no vcuo, e que a velocidade da luz seja 300 mil quilmetros por segundo, o comprimento de onda 300 x 106 x 2 x 10-6 = 600 metros para a frequncia de 500 KHz .

Transmisso de informao

Para transmitir informao necessrio codific-la em smbolos no transmissor, smbolos que sero decodificados no receptor . A fala humana um exemplo disso . Cada fonema codificado numa onda acstica e segue atravs do ar at o ouvido do receptor, que age como um refletor guiando a onda at a antena, que o tmpano . Por um engenhoso sistema de ossos, o sinal amplificado e levado ao sensor, que por sua vez leva a informao at o crebro, que a decodifica .

Para enviar a voz por rdio, por exemplo, existem diferentes tcnicas que sero discutidas posteriormente . Cada uma delas provoca uma alterao num parmetro da onda (amplitude, frequncia, fase) . Uma das formas mais fceis, no entanto, a modulao em amplitude . Nesta, uma onda senoidal, chamada de portadora, multiplicada pela onda de voz . A portadora escolhida por ter boas caractersticas de propagao e pela facilidade em se somar e subtrair a portadora no transmissor e no receptor, respectivamente . A onda somada vai pelo ar do transmissor ao receptor, que, por sua vez, subtrai a portadora para obter a onda original; isso usado ainda hoje nas rdio AM .

Como o ouvido humano consegue receber uma faixa limitada de frequncias, apenas as frequncias audveis tm que ser transmitidas . De fato, transmisses AM tendem a jogar fora at algumas frequncias que seriam audveis, resultando numa baixa qualidade (fidelidade) do som recebido .

A transmisso de dados binrios tem um passo a mais . Dados binrios tm que ser codificados de forma analgica para a transmisso . Esta converso pode ser simples (binria), como escolher um tom para o bit zero e outro para o bit um, ou complexa (multi-nvel), onde uma constelao de tons possveis codifica mais de um bit de cada vez .

Comprimento de ondap

U did t d d f i Uma medida comumente usada em vez da frequncia o comprimento de onda (), dado em metros

Especialmente para antenas, cujas dimenses so submltiplos do comprimento de onda (, )

O comprimento de onda a distncia percorrida pela frente de onda durante um perodopQual o comprimento de onda da figura anterior?

Transmisso de informao

A t d t i i f difi d Antes da transmisso a informao codificada em uma srie de smbolos no transmissorEstes smbolos sero transmitidos usando tcnicas que variam os parmetros de onda (amplitude, frequncia, fase)No receptor, os smbolos sero decodificados

Modulao por Modulao por amplitude

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CarrierSignal

Output

Modulao por amplitude

Largura de banda

O termo largura de banda tem sido usado ultimamente como a capacidade, medida em bits por segundo, de um canal carregar dados . No entanto, o seu uso original uma medida simplesmente da faixa de frequncias reservada para um canal .

As tcnicas mencionadas no slide anterior, normalmente chamadas de tcnicas de modulao, fazem com que a portadora varie sua frequncia, ocupando o espectro acima e abaixo de uma frequncia central (da portadora) . Assim, para que

uma transmisso no atrapalhe a outra, foram criados canais faixas do espectro dedicadas a uma determinada transmisso, seja de rdio, televiso ou outras finalidades, como comunicao de controle de trfego areo, radioamador etc . O espectro eletromagntico foi dividido em faixas, cada uma para uma finalidade, e cada faixa subdividida em canais, com um espao (chamado de banda de guarda) no utilizado entre cada canal, para evitar interferncias .

Neste contexto, a largura de banda a faixa reservada para um determinado canal . Existe uma relao direta entre a largura de banda e a capacidade mxima de um canal, mas a capacidade vista depende do tipo de codificao usada, e muitas vezes fica bem abaixo da capacidade terica de um canal .

Largura de bandag

O t l d b d t id d O termo largura de banda tem sido usado como a capacidade, em bits por segundo, de um canalNo entanto, o seu uso original uma medida da faixa de frequncias reservada para um canal

Existe uma relao direta entre a largura de banda e a capacidade mxima de um canal, mas a capacidade p pvista depende do tipo de codificao usada, e muitas vezes fica bem abaixo da capacidade terica de um pcanal.

33


Taxa de transmisso

A taxa de transmisso uma medida, em bits por segundo, da quantidade de informao que est sendo enviada em um canal . Ela depende da largura de banda do canal, da codificao e modulao que est sendo usada . Eficincia espectral uma medida de quantos bits podem ser transmitidos por hertz do canal. Quanto maior a eficincia, mais bits podem ser transmitidos por hertz . Em canais de largura de banda fixa, como o do IEEE 802 .11, em que cada canal tem 22 MHz, a taxa de transmisso vai depender da codificao usada . Originalmente,

apenas taxas de 1 e 2 Mbps eram possveis, mas, com a melhoria da eletrnica e o desenvolvimento de novas codificaes, taxas maiores, primeiro de at 11 Mbps e depois de at 54 Mbps, se tornaram possveis .

O IEEE 802 .11 original tinha eficincia espectral mxima de 1/11, o b de e o g de 27/11 (~ 2,45) . No entanto, na prtica, a eficincia espectral menor e depende tambm da taxa de associao da estao . Eficincia espectral acima de 1 s possvel utilizando modulao multi-nvel, que reduz a banda utilizada mantendo a taxa de transmisso. Quanto mais nveis de modulao, maior a reduo da banda.

Tcnicas de transmisso

A modulao importante para adequar o sinal ao meio de transmisso . Para isso, ela realiza uma translao do sinal em banda bsica para a faixa de frequncia da portadora do canal que ser usado .

A seguir veremos as diferentes tcnicas usadas para enviar um sinal digital, variando os parmetros da onda (amplitude, frequncia, fase) para codificar um bit de cada vez ou mltiplos bits, decodificando diferentes variaes dos parmetros (ex: variao de fase com ngulos diferentes) como smbolos multi-

bits diferentes . As tcnicas usadas foram se sofisticando, chegando ao espalhamento espectral (atravs de saltos de frequncia ou uso de cdigos ortogonais) e uso de subcanais, como o caso do OFDM . Estas tcnicas aumentam a robustez da transmisso .

Taxa de transmisso

Medida em bits por segundo da quantidade de informao que Medida, em bits por segundo, da quantidade de informao que est sendo enviadaDepende da largura de banda do canal e da codificao usadaDepende da largura de banda do canal e da codificao usadaQual a eficincia espectral do IEEE 802.11 original? E do IEEE 802.11b? E do IEEE 802.11g?802.11b? E do IEEE 802.11g?

Modulao multi-nvel aumenta a eficincia espectral diminuindo a banda utilizada: Banda (n nveis) = Banda( )

n2log

Tcnicas de transmisso

M d l ModulaoTecnologias que sero estudadas:

Tcnicas bsicas de modulao digital (ASK, FSK, PSK, DPSK, QPSK))Espalhamento espectral (Spread Spectrum)OFDMOFDM

34



Tcnicas bsicas de modulao

Existem vrios tipos de tcnicas de modulao . Os mais comuns so os seguintes:

ASK Sinal digital altera a amplitude A\\

FSK Sinal digital altera a frequncia W\\ c

PSK Sinal digital altera a fase q\\

QAM Sinal digital altera a amplitude A e a fase q\\

Cada tipo de modulao altera uma das grandezas da portadora, ou mesmo duas grandezas, como o caso do QAM, que altera nvel e fase em funo dos bits que sero transmitidos .

Tcnicas bsicas de modulao

)cos()( twAtp

Dados

)cos()( twAtp cDados

ASK OOKASK - OOK

FSK

PSKPSK

35


Amplitude Shift Keying (ASK)

0 1 1 0 1

76543210

O ASK (Amplitude Shift Keying) uma modulao digital em que os dados transmitidos alteram a amplitude da portadora . A forma mais simples o On-Off Keying (OOK), mas tambm existe a possibilidade de modular sinais M-ary, como por exemplo o 8-ASK .

No domnio da frequncia, possvel observar que trata-se da translao do espectro do sinal digital em torno da frequncia da portadora .

O ASK apresenta uma ocupao de faixa igual ao dobro da faixa do sinal de dados filtrado e suscetvel s mudanas repentinas do ganho . Portanto, uma tcnica ineficiente de modulao .

Amplitude Shift Keying (ASK)p y g ( )

fA 2 1bi ts tfA cS2cos

0

1binary

0binary

Modulao On-OffKeying (OOK) onde o bit 1 a

Keying (OOK), onde o bit 1 a presenada portadora e o bit 0 aausncia da portadoraausncia da portadora.

Modulao ASK multi-nvel:a amplitude da portadoravaria proporcionalmenteaos nveis. Cada nvel repre-aos nveis. Cada nvel representa vrios bits.

Modulao On-OffKeying (OOK), onde o bit 1 a presena da portadora e o bit 0 a ausncia da portadora .

Modulao ASK multi-nvel: a ampli-tude da portadora varia proporcionalmente aos nveis . Cada nvel repre-senta vrios bits .

36



Frequency Shift Keying (FSK)

1 0 1 0

+ =

ASK-1

ASK-2

A modulao FSK (Frequency Shift Keying) obtida variando a frequncia da portadora de acordo com os dados .

O FSK insensvel variao da amplitude, ou seja, a informao est presente na variao da frequncia, e no da amplitude . A modulao FSK pode ser analisada como duas modulaes ASK somadas, sendo tambm possvel utilizar sinais M-ary .

O FSK ocupa uma faixa maior que a do ASK para uma mesma taxa de transmisso de dados e menos suscetvel a erro do que ASK . O FSK usado na faixa de HF (3 a 30 megahertz), na transmisso via rdio, e pode ser usado em frequncias mais elevadas em LANs que utilizem cabo coaxial .

No FSK, dois dgitos binrios so representados por duas frequncias diferentes, f1 e f2, prximas da frequncia da portadora fc, onde f1 e f2 so deslocadas para baixo e para cima de fc .

Frequency Shift Keying (FSK)q y y g ( )

ts tfA 12cos S tfA 22cos S

1binary 0binary

Variao da frequncia

f2da portadora para repre-sentar os bits 1 e 0.

O FSK pode ser geradocom duas ASKcom duas ASK.

Variao da frequncia da portadora para representar os bits 1 e 0 .

O FSK pode ser gerado com duas ASK .

37


Phase Shift Keying (PSK)

Na modulao PSK (Phase Shift keying), a informao digital altera a fase da portadora . O PSK utiliza uma referncia de fase em relao a qual avaliada a alterao ocorrida, definindo-se assim como um sistema coerente .

A modulao PSK mais simples a PSK de dois nveis (BPSK), que usa as fases 0o e 180o para representar os bits 0 e 1, mas o PSK pode tambm utilizar sinais M-ary .

O PSK tambm no apresenta alterao na amplitude e seu espectro semelhante ao do ASK . necessria uma referncia para avaliar a variao da fase .

Phase Shift Keying (PSK)y g ( )

tfA 2 1binary ts tfA cS2cos SS tfA c2cos

1binary 0binary

tfA cS2cos

1binary 0bi tfA cS2cos 0binary

38



Differential Phase Shift Keying (DPSK)

O DPSK (Diferential PSK) outra maneira de realizar modulao PSK:

Fase invertida na presena do bit 1;\\

Fase mantm-se inalterada na presena do bit 0;\\

Demais caractersticas do PSK so mantidas .\\

O DPSK no utiliza uma referncia de fase em relao a qual avaliada a alterao ocorrida, definindo-se assim como um sistema no coerente .

Quadrature Phase Shift Keying (QPSK)

O Quadrature Phase Shift Keying (QPSK) utiliza quatro fases para representar os quatro possveis agrupamentos de dois bits:

Fase em 45 graus representando o conjunto \\de bits 11;



Fase em 315 graus representando o conjunto \\de bits 10 .


PSK dif i l (DPSK)PSK diferencial (DPSK)Deslocamento de fase em referncia ao bit precedente

Bit 0 fase anteriorBit 1 altera a fase em relao fase anterior

010 1


PSK dif i l (DPSK)PSK diferencial (DPSK)Deslocamento de fase em referncia ao bit precedente

Bit 0 fase anteriorBit 1 altera a fase em relao fase anterior

010 1

Quadrature Phase Shift Keying (QPSK)y g ( )

42cos

SS tfA c 11em 45 graus

4

32cos SS tfA c 01

em 135 graus ts 4

fc

32cos

SS tfA 00em 225 graus

42cos S tfA c

2

SfA

00

10em 315 graus

42cos

SS tfA c 10

39


Spread Spectrum Frequency Hoping

O Frequency Hoping utiliza mltiplas frequncias (alteradas aleatoriamente) para espalhar o sinal . Os saltos de frequncia ocorrem em intervalos fixos .

O transmissor opera em um canal de cada vez; em cada intervalo sucessivo, selecionada uma nova frequncia de portadora .

Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS)

Cada bit do sinal original representado por mltiplos bits que formam uma palavra cdigo . Esta palavra cdigo formada por bits chamados de chips, para no confundir com os bits de informao . O cdigo espalha o sinal atravs de uma faixa de frequncia mais larga e este espalhamento diretamente proporcional ao nmero de chips da palavra cdigo .

Os valores +1 e 1 costumam ser usados para representar os bits 1 e 0.

5 8 3 6 1 7 4 2

1 2 3 4 5 6 7 8 Frequency

energy

(a) Channel assignment

Frequency

Time(b) Channel use

87654321

Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS)q p p ( )

entrada

Transmisso Cadabit representadopor uma palavra cdigo.

PN

p p gsada

Recepo Multiplica o sinal

entrada

espalhado novamente pelo cdigo, recuperando os bits transmi-tidos.sada

PN

sada

Transmisso Cadabit representado por uma palavra cdigo .

Recepo Multiplica o sinal espalhado novamente pelo cdigo, recuperando os bits transmitidos .

40



Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM)

O OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) usa um tipo especial de FDM, onde as portadoras guardam relao entre si, permitindo otimizar a utilizao do espectro de frequncia . Embora conhecido desde a dcada de 70, s recentemente foi possvel a sua implementao, em funo da necessidade de muito processamento, agora possvel graas aos processadores com poder suficiente para executar as operaes matemticas .

Uma analogia til considerar o transporte de carga . Na forma tradicional das modulaes, os smbolos so transmitidos serialmente por uma nica portadora, sendo que a analogia seria a de um caminho grande transportando toda a carga . J no OFDM, os smbolos so transmitidos em paralelo, neste caso por seis portadoras, sendo que a analogia neste exemplo a separao da carga em caminhes menores . A figura representa este processo . Esta tcnica, espalhando a informao em portadoras diferentes, a torna mais imune a efeitos interferentes .

Orthogonal Frequency Division M l i l i (OFDM)Multiplexing (OFDM)

41


Para sistemas com uma nica portadora, rudos dentro dessa faixa de frequncia ocasionam a perda do smbolo . Enquanto o rudo estiver presente, nenhum smbolo ser recebido . No OFDM, apenas o smbolo que estiver na frequncia do rudo ser perdido, e os outros sero recebidos . Retornando para a analogia da carga, seria o caso no qual o caminho grande sofresse um acidente e toda a carga fosse perdida . No OFDM, alguns caminhes sofreriam acidente, mas no todos, isto , boa parte das informaes enviadas seriam recebidas . Neste tipo de sistema so utilizados cdigos corretores de erro que aumentam a eficincia do sistema .

Orthogonal Frequency Division M l i l i (OFDM)Multiplexing (OFDM)

42



Link de rdio

A figura mostra os elementos principais de um enlace de rdio . O link budget o clculo da energia que chega no receptor passando por todo o sistema . Cada elemento pode aumentar ou diminuir essa energia, apesar de que, na verdade, apenas elementos ativos (como o transmissor) colocam energia no sistema . Elementos passivos (como antenas) podem apenas focar a energia . Se a energia do sinal no for suficiente para prover uma relao sinal/rudo de acordo com a sensibilidade do receptor, no ser possvel entender a transmisso .

Nesta figura, o transmissor (TX) injeta o sinal na linha de transmisso com uma certa potncia . Este sinal conduzido pela linha de transmisso at a antena e sofre uma certa atenuao . A antena tem um papel muito importante, de transformar esta onda guiada em uma onda no guiada, mas com um direcionamento no espao . A uma certa distncia, a antena de recepo capta a onda transmitida, que passou pela atmosfera e sofreu uma forte atenuao, e converte-a novamente em uma onda guiada . As antenas podem ser vistas como transdutores . O sinal recebido conduzido ao receptor (RX), que deve ser capaz de receber o sinal com uma potncia mais baixa, necessitando ter sensibilidade suficiente para tal .

Link de rdio

Distncia

A f

Antena Antena

Atmosfera

Linha de TX RXTransmisso

Transmissor Receptor

43


Definio de decibel dB

O uso de escalas logartmicas tem vrias vantagens . Alguns dos sentidos do ser humano (como a audio) seguem escalas aproximadamente logartmicas, de forma a permitir tanto o discernimento de valores diferentes, quando os sinais tem baixa energia, quanto permitir a deteco de uma larga faixa de valores . O uso de logaritmos permite transformar multiplicaes em somas e divises em subtraes, o que foi usado largamente em engenharia, para facilitar os clculos, e tambm em rguas de clculo .

Como o ganho uma relao entre potncias (e, por conseguinte, adimensional), o uso de logaritmo permite que esta relao seja feita atravs de simples subtrao entre seus valores (representados em decibis ou dB o deci gera a multiplicao por 10 do valor do logaritmo) . Da mesma forma, em sistemas de transmisso de dados, o sinal sofre grandes variaes de intensidade em funo da distncia, provocando grandes variaes de atenuao . Para contemplar esta grande faixa de valores utiliza-se o dB .

No existe dificuldade alguma na obteno do valor em dB, bastando entender que se trata de um valor que espelha a relao entre duas potncias . Por exemplo, se a potncia de sada de um amplificador 100 vezes a potncia da entrada, temos um ganho de 20 dB (10 x log10(100) = 10 x 2 = 20) .

Definio de decibel dB

R l t d t i

outPG l10

Relao entre duas potncias:

in

outdB P

PG 10log10

in

GdB = ganho, em decibisPin = potncia de entradaPout = potncia de sadaout

dB uma mdia relacionaldB uma mdia relacional

10

10

100

100

f(x)=10^Xf(x)=Xf(x)=log(X)

44



Valores absolutos de potncia: dBW e dBm

Podemos utilizar o dB para expressar um valor absoluto de potncia, utilizando como potncia de referncia um valor conhecido . No caso de dBW, este valor conhecido de referncia de 1 watt e, no caso de dBm, este valor conhecido de referncia de 1 miliwatt (mW) . A unidade mais usada em sistemas de comunicao dBm, para representar potncias absolutas .

Converso de dBm para miliwatts

Para fazer a converso de dBm para miliwatt, basta utilizar a mesma expresso e isolar a potncia a ser determinada em miliwatt . No esquea de multiplicar por 1 miliwatt .

Valores absolutos de potncia: dBW e dBm

Valor absoluto de potncia em relao a 1 watt

p

Valor absoluto de potncia em relao a 1 watt

PowerPower Wlog10

Exemplo: 1000 W so 30 dBW W

PowerdBW 1log10

Exemplo: 1000 W so 30 dBW Existe tambm o dBm, em relao a 1 miliwatt

mWPowerPower mWdBm 1

log10

Exemplo: 100 mW so 20 dBm

mW1

Exemplo: +30 dBm = 0 dBW e 0 dBm = -30 dBW

Converso de dBm para miliwattsp

P l l l ili tt ti d dB

][dBmP

Para calcular o valor em miliwatts a partir de dBm:

10][

10][dBmP

mWP

45


Clculo da potncia em miliwatts

Este exemplo mostra um sistema de transmisso com a indicao de todos os nveis de potncia nos diversos pontos, bem como as atenuaes sofridas pelo sinal nos conectores e no cabo . Neste exemplo, fica claro o modo de utilizao da unidade dBm . Observe a facilidade de trabalhar com dB, uma escala logartmica, em vez de uma escala linear . No caso de dB, utilizamos soma e subtrao e, no caso da escala linear, utilizamos multiplicao e diviso .

Cuidado com o termo perda . Na literatura, comum encontrar perda com sinal negativo . Isso pode gerar um erro grave, pois em algumas situaes voc estar dizendo que aconteceu um ganho no espao . Sempre que falar em perda ou atenuao, importante saber que trata-se de um valor positivo que ser subtrado de um valor total . Por exemplo, na figura do sistema de transmisso a atenuao dos conectores de 3 dB . Como sabemos que um conector no produz amplificao, logicamente a potncia na sada ser de menos 3 dB . Pense sempre na coerncia do resultado .

Clculo da potncia em miliwattsp

-6 dB(x2x2x2x2)(x2x2x2x2)

Clculo em dB: 20 dBm - 3 - 3 - 3 + 12 = 23 dBm ou P[mW] = 200 mW

46



Estudo de propagao

Uma onda de rdio, como toda onda eletromagntica, sofrer diversos efeitos enquanto atravessa a distncia entre o receptor e o transmissor . Um dos maiores efeitos a diminuio da energia existente numa rea de determinado tamanho da frente de onda pelo aumento da rea coberta pela frente de onda, conforme esta se afasta da origem . Esta atenuao dependente da distncia e independente do meio .

Os meios influenciam a energia disponvel de vrias maneiras . Uma a absoro da energia pelas partculas do meio . Outro o espalhamento da energia . Ainda podemos citar efeitos como refrao, causado pelas diferentes velocidades da luz em meios diferentes, e a reflexo, que tambm acontece na interface entre meios . Finalmente, a difrao acontece quando um obstculo passa a agir como uma nova fonte .

No estudo de propagao importante entender o que acontece com o sinal:

A primeira caracterstica a atenuao do sinal em funo da distncia; \\dependendo do meio em que acontece a propagao, a atenuao vai ser maior ou menor;

Alm de ser atenuado com a distncia, o sinal tambm percorre mltiplos \\percursos at chegar no receptor;

Os mltiplos percursos provocam fenmenos que afetam a integridade do sinal .\\

Atenuao

Como a energia de uma frente de onda se espalha medida que aumenta a distncia da origem, a intensidade do sinal cai com a distncia na razo direta do aumento da rea coberta pela frente de onda, seja qual for o meio de transmisso . Esta atenuao chamada de atenuao de espao livre . O aumento da frequncia tambm aumenta a atenuao de espao livre .

Outros fatores de atenuao podem mudar dependendo do meio, fazendo com que a atenuao seja mais

forte ou mais fraca . Determinados meios absorvem energia da onda de uma forma que muitas vezes depende da frequncia, ento a variao da atenuao depende da frequncia . Por exemplo, a gua atenua mais o sinal de rdio que o ar .

Estudo de propagaop p g

At f d di t iAtenuao em funo da distnciaVrios tipos de meiosFenmenos decorrentes de mltiplos percursos

Atenuao

A t t f d di t iA atenuao aumenta em funo da distnciaA atenuao depende da frequncia de operaoO meio altera o fator de atenuao

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Atenuao no espao livre

Onde d e l devem estar na mesma unidade (metros)Esta expresso a mais empregada para um clculo simples da atenuao em um dado ambiente . No so considerados obstculos entre as antenas de transmisso e recepo, da a denominao de atenuao no espao livre . O valor da atenuao corresponde diviso da potncia transmitida pela potncia recebida .

O mais comum encontrar a atenuao em dB . Para isso, empregamos a mesma expresso j vista para calcular em dB . Esta atenuao no espao livre seria a atenuao sofrida entre as antenas de transmisso e recepo, sem considerar o ganho das antenas . Para encontrar a atenuao resultante (incluindo as antenas), devemos subtrair os ganhos das antenas, uma vez que este fator faz com que a atenuao total seja menor .

A constante 21 .98 funciona se a distncia dada em metros e a frequncia em Hertz . Se a distncia for dada em quilmetros e a frequncia em MegaHertz (MHz), a constante usada 32 .4 .

Outros efeitos

Alm da atenuao de espao livre, que um efeito que depende basicamente da distncia e da frequncia, existem outros fatores que afetam a intensidade do sinal . Dependendo do ambiente, este fatores podem afetar significativamente a intensidade do sinal, como veremos adiante . Os principais fenmenos que podem acontecer so:

Absoro atmosfrica O vapor de gua e o \\oxignio contribuem para a atenuao;

Refrao Variao do traado da onda de rdio \\quando ela se propaga pela atmosfera;

Reflexo Ocorre quando um sinal encontra uma superfcie grande, se \\comparada ao comprimento de onda do sinal;

Difrao Ocorre na extremidade de corpos impenetrveis, que so grandes \\se comparados com o comprimento de onda;

Atenuao no espao livre p

P d li t i t iPerda no espao livre para uma antena isotrpica:2

4 SdPLAt t

OPLAtenuao r

t

L = atenuaoPt = potncia na antena de transmissotPr = potncia do sinal na antena de recepo O = comprimento de ondaO comprimento de ondad = distncia entre as antenas

Onde d e O devem estar na mesma unidade (metros)Onde d e O devem estar na mesma unidade (metros)

Atenuao no espao livre p

A d t li d A equao de atenuao no espao livre pode ser reescrita em dB como:

OSd

PPLr

tdB

4log20log10

O h d d i

dB 98.21log20log20 dOOs ganhos das antenas de transmisso e recepo devem ser subtrados da atenuao total:

dB G-G- 98.21log20log20 rt dLdB O

Outros efeitos

Mlti l Mltiplos percursosRefrao ReflexoDifraoDifraoEspalhamento

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Scattering (espalhamento) Ocorre quando o sinal bate em objetos cujo \\tamanho seja da ordem do comprimento de onda do sinal ou menor;

Mltiplos percursos Obstculos refletem o sinal produzindo mltiplas cpias \\deste sinal, com atrasos diferentes na recepo .

Efeito de mltiplos percursos

Para demonstrar o princpio do fading seletivo, considere a transmisso de dois pulsos separados por um certo tempo . Na recepo foram recebidas rplicas do pulso original, como se fossem ecos . Estas verses atrasadas so funes dos mltiplos percursos . Claramente podemos verificar que seria possvel que um pulso anterior interferisse no pulso atual . Este tipo de anlise denominada resposta impulsiva, ou seja, so enviados pulsos na transmisso e coletados os pulsos recebidos . A interferncia de um pulso anterior no pulso atual provoca uma interferncia entre os pulsos. Quando, no lugar de pulsos, pensamos em bits ou smbolos, h interferncia entre bits ou entre smbolos . O nome dado para este efeito Interferncia Intersimblica (ISI - Intersymbol Interference) .

Efeito de mltiplos percursosp p

I t f i d l t f d Interferncia de um pulso em outro em funo dos mltiplos percursos

Pulso transmitido

Pulso transmitido

Pulso recebido Pulsos bid Pulso recebido

Pulsos recebidos ltiPulso recebido

por LOSrecebidos por multipercurso

Pulso recebido por LOS

por multipercurso

Interferncia de um pulso em outro em funo dos mltiplos percursos

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Refrao e Reflexo

Esta figura permite identificar os dois principais fenmenos, que se relacionam com obstculos, para criar um ambiente de mltiplos percursos . Considerando um raio, com propagao no espao livre (ar), incidente na superfcie da gua . Esse raio gera duas componentes:

O raio refletido,\\ ou seja, a onda de rdio simplesmente se reflete na gua, sofrendo uma atenuao, j que boa parte do sinal retorna ao meio e outra parte penetra no material .

O raio refratado, ou seja, o raio incidente recebe \\uma variao do traado da onda de rdio quando parte dela se propaga pela gua .

Difrao

Uma onda de luz se propagando em direo a uma barreira contendo aberturas, de tamanhos variveis ou no, sofre uma perturbao quando passa atravs dela . Esse fenmeno denominado de difrao, no qual a onda de luz tende a contornar obstculos em frente dela .

Refrao e Reflexo

Raiorefratado

ngulo de refrao

Ar

gua

Raio incidente

ngulode incidncia

ngulode reflexo

Raio refletido

Difrao

ondas de luz barreira

50



Espalhamento

O espalhamento acontece quando uma onda atinge uma partcula e sua energia irradiada para todos os lados . Lord Rayleigh conseguiu uma aproximao para as equaes de Maxwell para partculas de tamanho menor que o comprimento de onda . As solues de Gustav Mie funcionam para todos os tamanhos .

Atravs de um experimento simples, possvel demonstrar que a luz sofre este tipo de fenmeno . Porm, para ondas de rdio, este fenmeno mais pronunciado, aumentando com a diminuio da frequncia . O espalhamento do sinal (scattering) acontece quando o obstculo possui dimenso prxima do comprimento de onda .

Quando uma onda eletromagntica atinge uma partcula, sua energia espalhada para todos os lados .

A forma de espalhamento depende do tamanho da partcula em relao ao comprimento da onda

51


Ambientes para Wi-Fi

Para ambientes internos, muito raro recebermos sinais diretamente . Na maior parte de vezes, no existe linha de visada entre a antena do ponto de acesso e a antena do adaptador de rede sem fio . O sinal recebido muitas vezes por reflexo .

Dada a complexidade dos ambientes internos, diferentes de enlaces de rdio externo onde pode ser feito um clculo de altura da torre, potncia do transmissor e ganho de antena necessrio para cobrir determinada distncia, a instalao de uma rede local

Wi-Fi requer a realizao de um site survey (estudo do stio), que basicamente uma medio da potncia do sinal recebida em cada ponto, dado que o ponto de acesso (Access Point ou AP) foi colocado em um determinado local .

Ambientes para Wi-Fip

P bi t i t it b Para ambientes internos, muito raro recebermos sinais diretamente, por falta de linha de visadaSinais so recebidos por reflexoPara encontrar um bom local para um ponto de p pacesso, necessrio fazer um site survey

52



2Sesso de aprendizagem 2Conceitos bsicos de ondas e propagaoRoteiro de atividades

Tpicos e conceitos

Caracterizao das ondas eletromagnticas (frequncia, amplitude e \\comprimento de onda);

Largura de banda e taxa de transmisso;\\

Modulao de sinais;\\

Unidades de potncia: mW, dB e dBm;\\

Mecanismos de propagao (espao livre, reflexo, difrao e difuso) .\\

Competncias tcnicas desenvolvidas

Conceitos de perdas em um rdio enlace e unidades de potncia; \\

Relao entre largura de banda, taxa de transmisso e modulao; \\

Visualizao de uma onda eletromagntica e manipulao dos seus parmetros; \\

Posicionamento do ponto de acesso a diferentes distncias para compreender \\a relao entre distncia e taxa de transmisso .

Tempo previsto para as atividades

1 hora e 30 minutos\\

54



Atividade 1 Caracterizao das ondas eletromagnticas e mecanismos de propagao

1. Para melhor visualizao do comportamento de uma onda quando variados seus parmetros de fase, amplitude e comprimento de onda, execute o software Emanim. Observe a relao entre a velocidade da onda e sua frequncia e o comprimento de onda.

Importante:

A opo Animation Rate pode ser interpretada como velocidade da onda .

2. A figura abaixo ilustra trs dos mecanismos de propagao mais importantes em redes sem fio locais: reflexo, refrao e difrao.

Ainda no Emanim, com base na figura acima, visualize o que ocorre com o sinal gerado pelo ponto de acesso e recebido pelo laptop B por refrao (B) .

Importante:

A opo Extinction coefficient determina a quantidade de sinal que ser \\absorvida pelo material .

A opo Refraction ndex determina o ndice de refrao do sinal .\\

A opo Lengtht determina a espessura do material . \\

3. O que acontece com o sinal ao se propagar e passar pela parede?

55


4. Abra no browser o site http://www.falstad.com/ripple/index.html para verificao mais profunda, atravs de uma animao, do efeito da difrao de uma onda eletromagntica ao s

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