Camada Física Wireless
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1. Ondas Eletromagnéticas
Ondas eletromagnéticas são compostas por 2 campos ortogonais entre si, elétrico (E) e magnético (H), variáveis no tempo e que se propagam no espaço.
x
y
z
E
H
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1. Ondas Eletromagnéticas
Grandezas que devem ser observadas em uma onda:
Período (T): é o tempo que a onda leva para completar um ciclo do campo elétrico e/ou magnético.
Frequência (f): é o inverso do período ou o número de ciclos completados por segundo. É medida em Hz.
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1. Ondas Eletromagnéticas
Grandezas que devem ser observadas em uma onda:
Velocidade (v): corresponde à distância que a onda pode percorrer em um segundo. Para ondas eletromagnéticas, esse valor aproxima-se da velocidade da luz (c = 300.000 km/s)
Comprimento de Onda (λ): corresponde à distância que a onda percorre durante o tempo de um ciclo.
λ = c / f
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1. Ondas Eletromagnéticas
A propagação é feita inicialmente de forma esférica, sendo que à medida que se afasta da fonte, podemos considerar a frente de onda plana.
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Frente de onda
Fonte
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1. Ondas Eletromagnéticas
A medida de potência é feita em dBm:
P (dBm) = 10 log P (watts)/1mW
Por exemplo, em um transmissor de 1 W, é medido na saída 30dBm.
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1. Ondas Eletromagnéticas
A potência medida em um ponto decresce com o quadrado da distância da fonte de energia eletromagnética.
PA = P0 x (λ / 4 π d)2
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Frente de onda
Fonte A0
d
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1. Ondas Eletromagnéticas
As ondas eletromagnéticas são classificadas de acordo com a faixa de frequência ou comprimento de onda. Abaixo estão faixas de uso em equipamentos de rádio.
3-30 MHz (100m – 10m): Ondas Curtas (Rádio)30-300 MHz (10m - 1m): VHF (FM, TV)300-3000 MHz (1m – 0,1m) : UHF (TV, celular, enlaces UHF)3-30 GHz (10cm – 1cm): Microondas (enlaces MW)
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2. Modulação Digital
A forma de transmitir a informação resultante do agregado PDH/SDH na onda eletromagnética é a modulação digital. Variações de amplitude, fase ou frequência da onda correspondem a um determinado conjunto de bits. O receptor deve interpretar essas variações e estimar os bits correspondentes.
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Rádio (TX) Rádio (RX)
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2. Modulação Digital
a) ASK (Amplitude Shift Keying)
A informação binária é transmitida na amplitude da onda. A eficiência espectral é muito baixa, da ordem de 0,5 bit/Hz
b) PSK (Phase Shift Keying)
A informação binária é transmitida na fase da onda. Por exemplo, 0º corresponde a “1” e 180º a “0”. A eficiência é de 1 bit / Hz.
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2. Modulação Digital
c) QPSK (Quadrature Phase Shift Keying)A informação binária é transmitida em 4 fases da onda. Dessa forma, cada
fase corresponde a 2 bits. A eficiência é de 2 bits / Hz.
d) FSK (Frequency Shift Keying)
A informação binária é transmitida na variação da frequência da onda. A eficiência é de 1 bit / Hz quando se usa dois deslocamentos de frequência.
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2. Modulação Digital
e) QAM (Quadrature Amplitude Modulation)
A informação binária é transmitida na amplitude e na fase da onda. Cada par de amplitude/fase corresponde a um conjunto de bits. Abaixo seguem as eficiências espectrais de acordo com o número de pontos na constelação QAM.Modulação Eficiência16 QAM 4 bits/Hz32 QAM 5 bits/Hz64 QAM 6 bits/Hz128 QAM 7 bits/Hz
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Constelação QPSK / Sinal QPSK no tempo
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BER x Relação sinal ruído para canal AWGN
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BER x Relação sinal ruído para canal wireless (Rayleigh)
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Camada Física - WirelessCanais wireless necessitam maior relação sinal ruído para manter uma taxa de erro de bit baixa.
Isso acarreta a necessidade de maiores antenas, potência de transmissão ou enlaces mais curtos.
Uma solução é o uso de codificação de canal para correção de erros (FEC).
FEC – Forward Error Correction
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Tipos de codificadores de canal:
Bloco (Hamming, cíclicos)Convolucionais 1/2; 2/3; ¾ (usado em GSM e CDMA)Exemplo: Convolucional 1/2: 1 bit de entrada, 2 de saída; duplica a taxa de bits transmitida.Turbo (usado em WiMax, 3G, comunicações via satélite).Os códigos de canal permitem a identificação e correção de bits com erro, o que reduz a relação sinal ruído necessária para recepção.
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Uma aplicação recente da camada física sem fio é nas redes Wi-Fi (Wireless Fidelity) ou padrão IEEE 802.11.
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Protocolos IEEE 802.11 em operação comercial no Brasil
~160 metros ~70 metros 248Mb/s = 2x2 ant74 Mb/s
2.4 GHz e/ou 5 GHz 2006802.11n
~110 metros~35 metros 54 Mb/s 19 Mb/s 2.4-2.5 GHz 2003802.11g ~110 metros~35 metros 11 Mb/s 4 Mb/s 2.4-2.5 GHz 1999802.11b ~100 metros~30 metros 54 Mb/s 23 Mb/s
5.15-5.35/5.47-5.725/5.725-5.875 GHz 1999802.11a
~75 metros~25 metros2 Mb/s 0.7 Mb/s 2.4-2.5 GHz 1997802.11
Cobertura (Outdoor)
Cobertura (Indoor)
Taxa de Dados
(Máxima)
Taxa de Dados
(Típica) Bandas de OperaçãoAno Protocolo
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Nomenclaturas
• Distribution System (DS) – O Sistema de Distribuição é o componente lógico utilizado pelas redes 802.11 para encaminhar os pacotes para o seu destino, normalmente quando vários pontos de acesso são conectados para formar uma grande rede. O padrão não define especificamente uma tecnologia para o DS, mas quase todos os fabricantes utilizam o Ethernet.
• Acess Point (AP) – é o ponto de acesso que converte os frames 802.11 para Ethernet.
• Station – É a estação com a funcionalidade 802.11, pode ser um note book, celular, impressora, câmera, etc...
• Wireless Medium – Para mover os pacotes entre os pontos de acesso e as estações é utilizado um meio sem fio. Existem várias camadas físicas definidas utilizando ondas de Radiofreqüência (RF) para o transporte de informação.
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Topologia
• As redes 802.11 são conceitualmente flexíveis, possibilitando que as redes WLAN sejam implementadas de 3 formas diferentes:– Independent basic service sets (IBSSs)– Basic service sets (BSSs)– Extended service sets (ESSs)
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IBSS ou AdHoc
• As estações 802.11 se comunicam diretamente entre si.
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BSS
• Um grupo de estações 802.11 se comunicam com uma estação central conhecida como Access Point (AP).
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ESS
• Multiplas infra-estruturas BSS são conectadas através de um sistema de distribuição (DS).
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Canais e Associação• Ao instalar um Ponto de Acesso (AP) o administrador da
rede deve designar um Identificador de Conjunto de Serviços (SSID – Service Set Identifier). O SSID é uma string composta por uma ou duas palavras.
• O administrador deve designar também um número de canal a ser utilizado, os protocolos IEEE 802.11b,g possuem até 11 canais parcialmente sobrepostos, não há sobreposição de canais se eles estiverem separados por 4 ou mais canais.
• O conjunto de canais 1, 6 e 11 é o único conjunto de três canais que não sobrepostos.
• Periodicamente o AP envia quadros de sincronização, cada qual incluindo o SSID e o endereço MAC do AP.
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Canais e Associação
Canais no 802.11b,g (FCC)
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Canais e Associação
Canais no 802.11b,g (ETSI)
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Camadas Físicas (PHY) do 802.11
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Camadas Físicas (PHY) do 802.11
• Physical Layer Convergence Procedure (PLCP)– É o que permite combinar os quadros MAC e as
transmissões na interface aérea. – Adiciona seu próprio cabeçalho (header).
Normalmente os quadros incluem um preâmbulo para ajudar na sincronização de sinais recebidos.
– Os requerimentos do preâmbulo dependem do método de modulação utilizado.
• Physical Medium Dependant (PMD)– O PMD é o responsável por transmitir os bits que
recebe do PLCP para a interface aérea utilizando uma antena.
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Interface Aérea (Radio Link)
• Na versão inicial (1997) do 802.11 foram definidas 3 camadas físicas:– Frequency-hopping (FH) spread-spectrum radio PHY– Direct-sequence (DS) spread-spectrum radio PHY– Infrared light (IR) PHY
• Em 1999, novas camadas físicas foram introduzidas na especificação:– 802.11a: Orthogonal Frequency Division Multiplexing
(OFDM) PHY– 802.11b: High-Rate Direct Sequence (HR/DS or
HR/DSSS) PHY
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Resumo das Camada Física
OFDMOFDMOFDMCCKQPSKGFSKModulação
5454541122Taxa de Dados (Mbps)
4,92,452,42,42,4Banda (GHz)
802.11j
802.11g OFDM/
ERP802.11a OFDM
802.11b HR-DSSS
802.11 DSSS
802.11 FHSSCaracterísticas
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Modulação no DS PHY
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Modulação ERP-PBCC no HR-DSSS PHY
ERP-PBCC
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Transceptor HR-DSSS PHY
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OFDM PHY• O OFDM foi desenvolvido a partir da técnica de divisão
de freqüência (FDM).
• Ambas as técnicas dividem a banda em portadoras e subportadoras criando canais distintos para transmissão e recepção de informação.
• O OFDM permite aumentar sensivelmente a taxa de dados por utilizar várias subportadoras em paralelo, multiplexando os dados em um grupo de subportadoras.
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Modulação no OFDM PHY
Parâmetros de transmissão do padrão IEEE 802.11a
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Modulação no OFDM PHY
BPSK QPSK
16-QAM 64-QAM
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Condições de Uso no Brasil
Sistemas de Acesso sem Fio em Banda Larga para Redes Locais. A faixa de 5150-5350 MHz pode ser utilizada em ambientes internos (indoor) e a de 5470-5725 MHz em ambientes externos e internos.
5150-53505470-5725
Destinadas no Brasil, em caráter secundário, a Equipamentos de Radiocomunicação Restrita como redes Wi-Fi e Rádio Spread Spectrum. A faixa de 2400 MHz é utilizada no Brasil em caráter primário pelo Serviço Auxiliar de Radiodifusão e Correlatos (SARC) e de Repetição de TV. A Anatel estabeleceu que sistemas (2400 MHz) em localidades com população superior a 500 mil habitantes e com potência (eirp) superior a 400 mW não podem operar sem autorização da Anatel.
2400-24835725-5850
Condições de uso no BrasilFrequências
(MHz)