Universidade Federal de Santa Catarina

1. Universidade Federal de Santa Catarina Centro Tecnológico - CTC Departamento de Informática e Estatística - INE Tópicos Especiais em Software Aplicativo II Fundamentos em Redes sem Fio

2. Transmissões sem Fio • Nossa era tem dado surgimento à necessidade de uso de informação todo o tempo. • Pessoas precisam estar on-line durante quase todo o seu tempo. • A mobilidade dos usuários tem proporcionado os meios para facilitar essas necessidades.

3. Transmissões sem Fio • Para esses usuários móveis, par trançado, cabo coaxial e fibra ótica não têm uso. • Usuários móveis precisam obter seus dados para seus laptops, palmtops, celulares, ... sem estarem amarrados a uma infra-estrutura de comunicação terrestre.

4. Transmissões sem Fio • Para esses usuários comunicações sem fio é a resposta. • Algumas pessoas acreditam, que no futuro, somente haverá dois tipos de comunicação: fibras óticas e wireless. • Tudo que for fixo (computadores, telefones, faxes) será por fibra e tudo que for móvel usará “wireless”.

5. Transmissões sem Fio • Contudo, “wireless” também tem a vantagem de que, mesmo dispositivos fixados podem se comunicar sem fio. • Tem certas circunstâncias que “wireless” é preferível. • Comunicação digital “wireless” começou nas Ilhas do Havaí, onde o sistema telefônico convencional era inadequado.

6. O Espectro Eletromagnético • Quando os elétrons se movem no espaço, eles criam ondas eletromagnéticas que se propagam através do espaço livre, da atmosfera terrestre ou mesmo no vácuo. • Estas ondas foram previstas pelo físico inglês, James Clerck Maxwell em 1865. • Mas, quem primeiro produziu e observou ondas eletromagnéticas foi o físico alemão Heinrich Hertz em 1887. • Essas ondas se propagam produzindo de oscilações.

7. O Espectro Eletromagnético • Princípio da comunicação sem fio:Ao se ligar uma antena de tamanho apropriado a um circuito elétrico, ondas eletromagnéticas podem ser difundidas (broadcast) e recebidas por um receptor a alguma distância. • Toda comunicação sem fio é baseada neste princípio. • No vácuo, todas as ondas eletromagnéticas viajam em uma mesma velocidade, não importando qual é sua frequência.

8. O Espectro Eletromagnético • Essa velocidade, geralmente chamada velocidade da luz, c, é aproximadamente 3xE10+8 m/seg ou em torno de 30 cm por nanosegundo (1xE10-9 segundo). • No cobre ou na fibra, a velocidade é em torno de 2/3 deste valor e torna-se dependente da frequência. • A velocidade da luz é o último limite de velocidade. • Nenhum objeto ou sina pode se mover mais rápido que a velocidade da luz.

9. O Espectro Eletromagnético • Relação fundamental: lambda.f = c • Ondas de 1 MHz têm em torno de 300 metros de comprimento de onda. • E ondas com comprimento de onda de 1 cm têm frequência de 30 GHz. • O espectro eletromagnético é mostrado a seguir:

10. O Espectro Eletromagnético • O número de oscilações por segundo de uma onda eletromagnética é chamado sua frequência, f, e é medida em Hz ( em homenagem à Heinrich Hertz). • 1 Hz corresponde a 1 ciclo por segundo. • 60 Hz correspondem a 60 ciclos por segundo. • A distância entre dois máximos consecutivos (ou dois mínimos) de uma onda eletromagnética é chamada seu comprimento de onda, o qual é denotado, universalmente por “lambda”.

11. Unidades de frequência • 1000 Hz = 1 KHz = 1E-3 Hz = 1x10E-3 Hz • 1000 KHz = 1 MHz = 1E-6 Hz = 1x10E-6 Hz • 1000 MHz = 1 GHz = 1E-9 Hz = 1x10E-9 Hz

12. O Espectro Eletromagnético

13. Espectro Eletromagnético • Quando se movem, no espaço livre (atmosfera terrestre ou mesmo no vácuo), os elétrons criam ondas eletromagnéticas que se propagam nesse espaço ... • ... com suas frequências (número de oscilações por segundo) e que constituem o meio de transmissão dado pela natureza, compartilhado por transmissores e receptores.

14. Espectro Eletromagnético • O conjunto infinito de frequências que podem existir no espaço é delimitado e ordenado, para conter as frequências que podem ser utilizadas em telecomunicações. • A delimitação, a ordenação e a aplicação de certas faixas de frequências a determinadas formas de comunicação, define o que se chama de Espectro Eletromagnético e a maneira como ele é usado em comunicações.

15. O Espectro Eletromagnético • Rádio, • Microondas, • Infravermelho, • Luz Visível • São as partes do espectro que podem ser usados para transmitir informação por modulação de amplitude, frequência ou fase das ondas.

16. O Espectro Eletromagnético • Luz Ultravioleta, Raios-X e Raios-Gama seriam melhor, devido as suas altas frequências, mas são difíceis para produzir e modular, e não propagam bem através de edifícios, além de serem raios perigosos para as vidas das pessoas. • LF (Low Frequency), MF (Media Frequency), HF (High Frequency).

17. Bandas de Frequência • Quando estes nomes foram inventados, ninguém esperava chegar a 10 MHz. • Depois, bandas mais altas forma nomeadas: • VHF (Very High Frequency) • UHF (Ultra High Frequency) • SHF (Super High Frequency) • EHF (Extremely High Frequency) • THF (Tremendously High Frequency)

18. Altíssimas bandas de frequência • Além destes, não existem nomes, mas a denominação abaixo pode soar bem. • IHF (Incredibly High Frequency) • AHF (Astonishingly High Frequency) • PHF (Prodigiously Hih Frequency)

19. Largura de Banda • É a quantidade de informação que uma onda eletromagnética pode portar. • É possível codificar poucos bits por Hz em baixas frequências. • Mas, com frequências mais altas, por exemplo, 500 MHz, pode-se portar em um cabo, alguns gigabits/segundo.

20. Largura de Banda • Deve se óbvio, porque pessoas tendem a gostar de fibras óticas (faixa de frequência de 10E14 a 10E15). • A variação da frequência df em relação a variação do comprimento de ondad lambda,pode ser estudada através da matemática, usando derivadas (caso de se observar a variação contínua da frequência em relação a variação do comprimento de onda). • Observar variações discretas é suficiente para se estudar o espectro eletromagnético.

21. Largura de Banda • Largura de banda é a medida da faixa de freqüência, em hertz, de um sistema ou sinal. • Em radio comunicação ela corresponde a faixa de freqüência ocupada pelo sinal modulado.

22. Largura de Banda • Para evitar o caos no uso das frequências, existem acordos nacionais e internacionais sobre quem obtém tais frequências. • Se todo mundo deseja taxas de dados mais altas, todo mundo deseja mais spectrum. • Aloca-se spectrum para rádio AM e FM, televisão, telefonia celular. • Também para polícia, navegação marítima, operações militares e muitos outros usos.

23. Bandas (Faixas) de Frequência • Mundialmente, uma agência da ITU-R (WARC) faz este trabalho. • Em 1991, na Espanha, a WARC alocou o spectrum para comunicações pessoais hand-held. • Comunicações pessoais nos USA, não trabalha como na Europa e Ásia.

24. Canais • Espectro de radiofreqüência: • É dividido em faixas, são intervalos reservados; • Definido por convenções internacionais e agencias reguladoras; • Faixa é subdividida em freqüências menores; • Essas freqüências menores são denominadas canais; • Canais de transmissão em freqüências muito próximas podem causar interferências;

25. Bandas de Radiofreqüência públicas • A pelo menos três diferentes segmentos de radiofreqüência que podem ser usados sem a necessidade de obter licença da agencia reguladora governamental (no caso do Brasil ANATEL). • Segmento reservado para uso industrial,científico e médico (Industrial, Scientific e Medical – ISM) • Podem ser usados de maneira irrestrita por qualquer aplicação que se adapte a umas dessas categorias: • 902 – 928Mhz; • 2,4 – 2,485 Ghz (2,4 a 2,5 Ghz no Brasil); • 5,150 – 5,825 Ghz

26. Freqüência de 2,4 Ghz • Utilizada por uma vasta quantidade de equipamentos e serviços; • É uma freqüência (Poluída) ou suja por ser usada também por aparelhos de telefone sem fio, Bluetooth, forno de microondoas e pelos padrões 802.11b e 802.11g

27. Freqüência de 5 GHZ • No Brasil existem ainda outras faixas reservadas para ISM • 24 – 24,25 GHZ • 61 – 61,5 GHZ • A faixa de 5 Ghz está reservada para uso militar, o que atualmente restringe a comercialização de produtos nessa faixa de freqüência. • O alcance do sinal é comparativamente menor em relação ao das outras freqüências;

28. Freqüências Licenciadas • Algumas soluções de redes sem fio optam por utilizar faixas de radiofreqüência menos sujeitas a interferência; • E que tenham maior alcance; • Para utilizar essas aplicações o fornecedor da solução deve requerer da agência reguladora autorização; • Ex:. O padrão Wimax, utiliza uma faixa de 2 a 11 Ghz e pode atingir 50 km a uma velocidade de 10 a 70mb; • O serviço de telefonia móvel no padrão GSM utilizam faixa de 1,8 Ghz; • Países como Canadá, México e Estados Unidos utilizam faixa de 1,9 Ghz. • http://www.anatel.gov.br/Radiofrequencia/qaff.pdf

29. Spread Spectrum • A maior parte das transmissões usam banda (faixa) de frequência estreita, para obter melhor recepção (muitos watts/Hz). • Em alguns casos, o transmissor salta de frequência em frequência em um padrão regular ou em padrão intencionalmente disperso dentro de uma faixa de frequência larga.

30. Spread Spectrum • Essa técnica é chamada de Spread Spectrum (Espectro de Dispersão) • Muito usado nas comunicações militares. • Dificulta a detecção das transmissões e é praticamente impossível obstruí-las.

31. O Spread Spectrum Verdadeiro • Direct Sequence Spread Spectrum (Espectro de Dispersão de Sequência Direta). • ... ... ... • Por enquanto, vamos partir da premissa de que todas as transmissões utilizam uma banda de frequência estreita. • ... ... ...

32. Transmissão de Rádio • As ondas de rádio são fáceis de gerar, modular, percorrem longas distâncias e atravessam obstáculos facilmente. • São largamente utilizadas para comunicação, seja em ambientes fechados ou abertos. • Ondas de rádio percorrem todas as direções a partir da origem. • O transmissor e o receptor não precisam estar fisicamente alinhados.

33. Transmissão de Rádio • As propriedades das ondas de rádio dependem da frequência. • Nas frequências baixas, as ondas de rádio atravessam os obstáculos, mas a potência do sinal cai abruptamente (atenuação do sinal) à medida que a distância da origem aumenta. • Nas frequências altas, as ondas de rádio tendem a viajar em linhas retas e a ricochetear nos obstáculos. • Também são absorvidas pela chuva.

34. Transmissão de Rádio • Em todas as frequências, as ondas de rádio estão sujeitas à interferência de equipamentos elétricos. • Devido a facilidade que as ondas de rádio têm de percorrer longas distâncias, a interferência é um problema. • Por isso, existe um controle rígido sobre a radiodifusão. • Nas faixas VLF, LF e MF, as ondas de rádio se propagam em nível do solo, obedecendo a curvatura da Terra. • Em HF, ricocheteiam na ionosfera.

35. Transmissão de Rádio • O principal problema em utilizar essa bandas em comunicações de dados diz respeito à baixa largura de banda que oferecem. • Nas bandas HF e VHF, as ondas em nível do solo tendem a ser absorvidas pela terra. • No entanto, as ondas que alcançam a ionosfera, uma camada da atmosfera, numa altura de 100 a 500 Km, são refratadas por ela e enviadas de volta à Terra. • Em determinadas condições atmosféricas, os sinais podem ricochetar diversas vezes.

36. Transmissão de Rádio • As ondas VLF, LF e MF podem ser detectadas num raio de 1000 Km. • Em faixas de frequência mais altas esse raio de ação é bem maior. • Radiodifusão AM (Modulação por Amplitude) utiliza a banda MF (ondas médias). • Ondas de rádio nessas bandas atravessam facilmente os prédios, razão pela qual os rádios portáteis funcionam bem em ambientes fechados.

37. Transmissões sem Fio • Transmissão por microondas. • Ondas de infravermelho e milimétricas. • Transmissão por onda de luz.

38. O que é Modulação É o mapeamento da informação sobre mudanças na amplitude, frequência ou fase (ou combinação destes), em um sinal denominado portadora (carrier).

39. O que é Multiplexação Método de compartilhar a largura de banda de um meio de comunicação com outros canais de dados independentes.

40. Métodos Básicos de Multiplexação TDM (Time Division Multiplexing) FDM (Frequency Division Multiplexing) CDM (Code Division Multiplexing)

41. Símbolo In digital communications, a symbol is a state or significant condition of the communication channel that persists for a fixed period of time. A sending device places symbols on the channel at a fixed and known rate (the symbol rate, measured in baud) and the receiving device has the job of detecting the sequence of symbols in order to reconstruct the transmitted data.

42. Taxa de Símbolos • In digital communications, symbol rate, also known as baud rate or modulation rate; is the number of symbol changes (signalling events) made to the transmission medium per second using a digitally modulated signal. • The symbol rate is measured in baud or symbols/second. • Each symbol can represent one or several bits of data.

43. Taxa de Bauds • Baud deriva do sobrenome de J.M.E. Baudot, francês inventor do código telegráfico Baudot. • Um Baud é uma medida de velocidade de sinalização e representa o número de mudanças na linha de transmissão (seja em frequência, amplitude, fase etc...) ou eventos por segundo. • Obtido em "http://pt.wikipedia.org/wiki/Baud"

44. Taxa de Bauds Várias amplitudes e vários deslocamentos de frequência são combinados para transmitir diversos bits/símbolo. Essa combinação de técnicas de modulação permite transmitir vários bits por baud.

45. Taxa de Bauds Cada fragmento de informação transmitido (um símbolo) corresponde a uma amostra. O número de amostras por segundo define a taxa de bauds. 1 baud é definido em função do número de bits numa amostra.

46. Taxa de transmissão de um canal - bps • É a quantidade de informação enviada por um canal, no intervalo de tempo de 1 segundo. • É medida em bits/s (bps). • É igual ao número de bits/amostra multiplicado pelo número de amostras/segundo. • É igual ao número de bits/amostra multiplicado pela taxa de bauds.

47. Taxa de transmissão de um canal - bps Para se determinar a taxa de transmissão de um canal em bits por segundo - bps, deve ser levado em consideração o tipo de codificação utilizada, além da velocidade de sinalização do canal de comunicação.

48. Modem V.90 – 56 Kbps • 56 Kbps = 56000 bps • Teorema de Nyquist (1924) • Taxa máxima de bits por segundo = 2H.log2 V bits , onde H é largura de banda em Hz e V é o número de níveis discretos (0 e 1). • 2 . 4000 . log2 2 = 8000 . 1 = 8000 amostras/s • Ou 8000 bauds (taxa de bauds).

49. Símbolos / Amostras • Nos USA, cada amostra tem 8 bits, mas 1 bit é usado para controle e os 7 restantes para o usuário. • Então, temos 56000 bits/s ou 56 Kbps.

50. Símbolos / Amostras • Na Europa, cada amostra tem 8 bits e todos os 8 bits estão disponíveis para o usuário. Então, temos 64000 bits/s ou 64 Kbps. • No acordo internacional sobre um padrão de modem, foi escolhido o valor de 56000 bps.