UNIVERSIDADE FEDERAL DE GOIÁS UNIVERSIDADE FEDERAL DE GOIÁS INSTITUTO DE INFORMÁTICAINSTITUTO DE INFORMÁTICA

Computação Móvel e Ubíqua

Ciência da Computação

Prof. Vagner J. do Sacramento Rodriguesvagner@inf.ufg.br

www.inf.ufg.br/~vagner/

Tecnologias de Redes Sem Fio

@Vagner Sacramento 2

Padrões de Redes sem Fio

IEEE 802.15 Bluetooth

WAN

MAN

LAN

PAN ETSI HiperPAN

IEEE 802.11 WirelessLAN

ETSI HiperLAN

IEEE 802.16 WirelessMAN

ETSI HiperMAN & HIPERACCESS

IEEE 802.20(proposed)

3GPP, EDGE (GSM)

Redes Locais sem Fio (Wireless LANs)

O Padrão IEEE 802.11

Uma visão geral

@Vagner Sacramento 4

Um pouco de História1985 a FCC (Federal Communications Commission) impulsionou o desenvolvimento comercial de componentes wireless LAN, autorizando o uso público das bandas ISM (Industrial, Scientific, and Medical)a indústria de equipamentos wireless começou a desenvolver tecnologias de rádios proprietárias;O IEEE do 802 criou grupos de trabalho (WGs) para projetar/desenvolver padrões para a rede sem fio;

WG 11 (802.11): é o responsável pelo padrão 802.11, para as redes locais sem fio;WG 15 (802.15): é o responsável pela padronização de Wireless Personal Area Networks (WPANs); A principal tecnologia atual para WPANs é o Bluetooth. WG 16 (802.16): é o responsável pela padronização das redes metropolitanas sem fio (Broadband Wireless Metropolitan Area Networks ou WirelessMAN)

acesso fixo em banda larga;

@Vagner Sacramento 5

Um pouco de HistóriaEvolução do 802.11:

1990criação do IEEE 802.11 WGredes wireless já podiam operar em bandas ISM

1997 junhopadrão IEEE 802.11 é aprovado

Um dos fatores que influenciou na demora de sua aprovação (7anos) foi a baixa taxa de transferência inicial, em torno de Kbps.

Em 1998 surgem os primeiros produtos no mercado1999 setembro

revisão do padrão aprovada.Nesta revisão do padrão surgiram duas novas extensões do IEEE 802.11: 802.11b e 802.11a;

@Vagner Sacramento 6

Variações do 802.11WLAN: Termo utilizado para definir qualquer um dos

seguintes padrões definidos pelo IEEE: IEEE 802.11:

Taxa nominal ≤ 2 Mbps em 2.4GHz.IEEE 802.11b

Taxa nominal ≤ 11 Mbps (*) em 2.4GHz.IEEE 802.11a

Taxa nominal ≤ 54 Mbps em 5 GHz.IEEE 802.11g

Taxa nominal aprox. 20Mbs em 2.4GHz.

(*) Obs: o limite teórico é de aproximadamente 70% da taxa nominal, e a capacidade real não ultrapassa 60% da taxa nominal, ≤ 6,6 Mbps

@Vagner Sacramento 7

Faixas de frequência ISM• Bandas ISM disponíveis para uso público;• Atualmente quem regulamenta o uso das

bandas de freqüência no Brasil é a Anatel;• Nos EUA é a FCC (Federal Communications

Commission)

5.15 a 5.25(100 MHz)

5,15 a 5,35e

5.47 a 5.725(455 MHz)

5.15 a 5.35e

5.725-5.825(300 MHz)

5 GHz

2.481 a 2.497

(16 MHz)2.4 a 2.4835(83.5 MHz)

2.4 a 2.4835(83.5 MHz)

2.4GHz

…902-928 MHz

(26 MHz)

902-928 MHz

(26 MHz)

900 MHz

JapãoEuropaEUABandasISM

5.15 a 5.25(100 MHz)

5,15 a 5,35e

5.47 a 5.725(455 MHz)

5.15 a 5.35e

5.725-5.825(300 MHz)

5 GHz

2.481 a 2.497

(16 MHz)2.4 a 2.4835(83.5 MHz)

2.4 a 2.4835(83.5 MHz)

2.4GHz

…902-928 MHz

(26 MHz)

902-928 MHz

(26 MHz)

900 MHz

JapãoEuropaEUABandasISM

@Vagner Sacramento 8

Topologias do 802.11Existem duas formas de organizar as redes WLAN:

Ad-hoc: Apenas computadores (2 ou mais) isolados formam uma rede Workgroup.

Infraestrutura:Computadores e um Access Point que permite a integração desses computadores com uma rede fixa.

@Vagner Sacramento 9

Topologia do 802.11 - Ad-Hoc

Rede wireless isolada

Ad-hoc:Sem estrutura pré-definida.Cada computador é capaz de se comunicar com qualquer outro.Pode ser implementada através de técnicas de broadcast ou mestre escravo.Também chamado de IBSS: Independent Basic Service Set.

@Vagner Sacramento 10

Topologia do 802.11 - Infra-estruturada

Linha Física

Ponto de acesso

Rede wireless integrada a uma rede física

Infra-estruturada:Os computadores se conectam a um elemento de rede central denominado access point (AP)Uma WLAN pode ter vários access points conectados entre si através de uma rede física.Funciona de maneira similar as redes celulares.

@Vagner Sacramento 11

7 – Equipamentos de redes sem fio

Rede no modo infraestruturado

@Vagner Sacramento 12

Topologia do 802.11 - Infra-estruturadaBasic Service Set (BSS) – com apenas um Access Point (AP) e uma Basic Service Area (BSA)

AP

STA

BSS

BSA

@Vagner Sacramento 13

Topologia do 802.11 - Infra-estruturadaExtended Service Set (ESS)

Sistema de Distribuição (Rede FIXA, cabeamento: Par Trançado, Cabo Coaxial, Fibra optica, Rede wireless….)

BSS-A

BSS-B

ESS

AP

STA

APSistema de DistribuiçãoSistema de Distribuição

STA

STA

Servidor WEB

@Vagner Sacramento 14

Arquitetura Lógica do 802.11

Frequency Frequency HoppingHopping

Direct Direct SequenceSequence

Infrared Infrared LightLight

DFWMAC (CSMA/CA)

LLC

PHY

MAC

Rede

Transp.

Sessão

Apresent.

@Vagner Sacramento 15

Arquitetura Lógica do 802.11

APLICAÇÃO

APRESENTAÇÃO

SESSÃO

TRANSPORTE

REDE

ENLACE DEDADOS

FÍSICA

LLCMAC

PHY

802.2

802.11 802.3 802.5 . . .

IEEE 802

RM-OSI da ISO

802.1

@Vagner Sacramento 16

Camada FísicaTrês tipos de camada física:

1 - FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum): espalhamento de espectro por salto em freqüências;2 - DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum): espalhamento de espectro por seqüência direta;3 - Infravermelho

Todas as camadas físicas do 802.11 incluem a provisão de um sinal de avaliação de canal livre (Clear Channel Assessment signal - CCA);

Este sinal indica o estado atual do uso do meio sem fio.Operações da camada Física:

Carrier Sense: para determinar o estado do meio;Transmit: para enviar octetos(bytes) dos frames de dados;Receive: para receber octetos do frame de dados;

@Vagner Sacramento 17

Camada Física - FHSSFHSS

Usa a banda ISM de 2.4GHz (2,400GHz até 2,480GHz);Taxas de transmissão: 1Mbps (2Mbps opcional);Transmissão em 79 canais de 1MHzMínimo de 2.5 hops por segundo (~400ms entre cada hop);AP é o mestre e envia periodicamente sinais de controle “beacons” para informar as unidades móveis o conjunto de saltos de frequência, sequência e tempo…

O transmissor e o receptor transmitem utilizando um desses canais por um certo tempo (dweel time) e depois saltam para outro canal;

@Vagner Sacramento 18

Camada Física - FHSSFHSS

A seqüência de saltos pode ser selecionada através de um utilitário de configuração do AP;O dwell time também pode ser configurado de acordo com a sua necessidade;

Se não existe muita chance de interferência/colisão, selecione o maior dwell time possível;Se existe muita chance de interferência/colisão, selecione o menor dwell time possível para reduzir a quantidade de tempo que a interferência/colisão pode ocorrer;

@Vagner Sacramento 19

Camada Física - FHSS

Time

Frequency (MHz)2480

2470

2460

2450

2440

2430

2420

2410

2400

.100

2402

2404

.200 .300 .400 .500 .600 .700 .800 .900

2465

2422 2421

2468

2458

2443

24172417

2408

2435

2405

2462

2425

2436

2471

2456

2412

2446

802.11 Hop Sequences802.11 Hop Sequences

@Vagner Sacramento 20

Camada Física - DSSSDSSS

método de espalhamento de espectro, no qual transmissões simultâneas são separadas por um código (chipping code).DSSS também utiliza a banda ISM de 2,4 GHzA taxa básica de 1 Mbps é gerada através de uma modulação baseada em chaveamento de fase (Differential Binary Phase Shift Keying - DBPSK)A taxa de 2 Mbps usa modulação diferencial quaternária por chaveamento de fase (DQPSK); a banda de 2.4GHz é dividida em 14 canais de 22MHz. Canais adjacentes se sobrepõem parcialmente, mas sempre 3 dos 14 canais são totalmente não-sobrepostos. Os dados são enviados por um destes 3 canais de 22MHz sem saltos para outras freqüências.

@Vagner Sacramento 21

Número de Canais WLANA faixa de freqüências disponível, 2.4 - 2.4835 GHz (83,5 MHz) permite acomodar até 3 canais WLAN sem sobreposição.Portanto, em um mesmo espaço físico podem ser usados simultaneamente somente 3 canais sem interferência!

@Vagner Sacramento 22

Canais WLANObserva-se que apesar da modulação DSS definir 14 canais, apenas 3 não são sobrepostos.

@Vagner Sacramento 23

Seqüência de Baker Chipping Code / Processing Gain

Cada símbolo é espalhado usando a seqüência de Barker de 11 chips;(+1,-1,+1,+1,-1,+1,+1,+1,-1,-1,-1)

Técnica para tornar o sinal mais robusto em relação ao ruído:Cada bit é representado por um símbolo (CHIP), contendo vários bits;A redundância do sinal permite verificar e compensar erros;

O ganho de processamento aumenta a resistência do sinal a interferência

Chipping Code: 0 = 111011000111 = 00010011100

Seqüência de bits de dados Seqüência de Símbolos

00010011100 11101100011 000100111001 0 1

Data Stream: 101

@Vagner Sacramento 24

Camada MACPrincipais funções da camada MAC:

Controle de acesso ao meio sem fio e junção à rede;Com apenas três canais disponíveis, um protocolo de controle de acesso ao meio foi definido baseado em funções de coordenação;Uma função de coordenação determina qual estação tem permissão para transmitir e receber dados utilizando o meio sem fio;O IEEE 802.11 define duas funções de coordenação:

Função de Coordenação Distribuida – DCF (Distributed Coordination Function) de implementação obrigatória. Provê um controle de acesso com contenção;Função de Coordenação Centralizada – PCF (Point Coordination Function) de implementação opcional. Provê um acesso sem contenção; baseada em prioridades.

@Vagner Sacramento 25

Camada MAC• Em todos métodos de acesso, há diversos parâmetros para

controlar o tempo de espera antes do acesso ao meio.• Para transmitir um quadro, uma estação deve “sentir” o

meio livre por um período de silêncio mínimo, IFS (Inter Frame Space) antes de utilizá-lo

• Fazendo uma analogia com o CSMA/CD do 802.3, o CSMA/CA tenta evitar a colisão ao invés de detectá-la durante a transmissão

MACDCF

PCFDistributed

CoordinationFunction

Point Coordination

Function

@Vagner Sacramento 26

Camada MAC - DCFO acesso utilizando a DCF pode ser realizado de duas

formas:

Um esquema básico usando o CSMA/CA, de implementação obrigatória;

Um esquema de acesso opcional que adiciona ao esquema básico o emprego de quadros de pedidos (Request to Send - RTS) e permissões (Clear to Send - CTS) para transmitir;

@Vagner Sacramento 27

Camada MAC – DCF com CSMA/CADCF usando o CSMA/CA (CASO 1):

TransmitYes

START

SenderMedium Idle

= DIFSDIFS ?

Sender:Receive

Acknowledge?

DONE

Yes

Receiver CRC OK?

Wait SIFSSIFS to send ACK

Incorrect FCS value

ERROR

No

Yes

ACKACK

Detecção de colisão por reconhecimento positivo.

@Vagner Sacramento 28

Camada MACDistributed Inter Frame Spacing (DIFSDIFS) – espaço entre quadros da DCF, este parâmetro indica o maior tempo de espera para transmitir um quadro;Short Inter Frame Space (SIFSSIFS) – é usado para transmissão de quadros carregando respostas imediatas, como ACK, CTS que possuem mais alta prioridade;Priority Inter Frame Space (PIFSPIFS) – espaço entre quadros da PCF, um tempo de espera entre o DIFS e o SIFS . Usado para o serviço de acesso que necessita de um retardo de transferência limitado;Extended IFS (EIFSEIFS) – Tempo de espera por um ACK; Tempo este maior do que DIFS;

@Vagner Sacramento 29

Camada MAC – DCF com CSMA/CACSMA/CA (Caso 1):

A) O computador escuta o meio antes de transmitir;

Se estiver livre espera DIFS; Se após DIFS o meio ainda continua livre, a estação transmite o quadro;

B) Receptor recebe o quadro e checa o CRC, se não tiver erro envia ACK (Reconhecimento para confirmar que o quadro foi recebido com sucesso);C) O receptor ouve o meio, caso ele esteja livre por um tempo SIFS, o ACK é enviado;

@Vagner Sacramento 30

Camada MAC – DCF com CSMA/CADetecção virtual da portadora através do NAVNAV:

A função de coordenação do MAC monitora o campo “Duration” de todos os quadros

O campo “Duration” anuncia para todas as estações por quanto tempo uma determinada estação utilizará o meio;

Atualiza NAV se o valor detectado for maior do que o NAV correnteCada estação possui um NAV local;

@Vagner Sacramento 31

Camada MAC – DCF com CSMA/CACSMA/CA (Caso 2):

DCF utilizando CSMA/CA para controlar acesso ao meio para um transmissor qualquer...

TransmitFrameYesYes

STARTSTART

NAV=0?

Sense the mediumYes

Medium Idle= DIFSDIFS ?

RandomBackoff

TimeNoNo

Collision?Collision?

Frame TransmissionSucessful

No

NoYes

@Vagner Sacramento 32

Camada MAC – DCF com CSMA/CA

CSMA/CA :

@Vagner Sacramento 33

Problema do Nó EscondidoColisão gerada entre nós que estão em regiões de cobertura diferentes

B recebe quadros de dois diferentes transmissores A e C, porém estes transmissores estão fora de alcance um do outro

@Vagner Sacramento 34

Camada MAC - DCF com RTS/CTS

transmissor receptorRTS (Ready to Send)Tamanho do pacote

CTS (Clear to Send)Tamanho do pacote

Pacote de dados VerificaCRC

ACK

@Vagner Sacramento 35

Camada MAC - DCF com RTS/CTSDCF com pedidos (RTS) e permissão de transmissão (CTS)

TransmitYes

START

Is AnyoneTalking?

Wait DIFS

Transmit Requestto SendNo

Clear to Send?Wait SIFS

BackoffTime

No

Receive Acknowledge?

DONE

Yes

YesNO

@Vagner Sacramento 36

Camada MAC - DCF com RTS/CTS

Com esse mecanismo (RTS e CTS), colisões só podem acontecer no início (quando RTS está sendo enviado);Uma estação só irá utilizar o RTS na transmissão de quadros com tamanhos maiores > limite, para minimizar o overhead devido às mensagens de controle Caso contrário, utilizará o esquema básico (CSMA/CACSMA/CA);O RTS e o CTS são controlados em cada estação através de um parâmetro configurável chamado de limiar de RTS (RTSthreshold);

@Vagner Sacramento 37

Camada MAC – PCF com PollingNo modo PCF um ponto de coordenação (tipicamente, o AP)

controla o acesso ao meio, através de consulta periódica (polling) às estações relacionadas em uma lista de consulta, proporcionando a estas estações uma oportunidade para transmitirem sem contenção;Nem todas estações de um BSS precisam estar na lista de consulta, apenas aquelas que precisam de um serviço sem contenção;O AP divide o tempo de acesso em períodos chamados de superquadros;As duas técnicas (DCF e PCF) podem coexistir;Diferentemente da DCF sua implementação é opcional;