Camada Física Wireless

Camada Física - Wireless

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


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.



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



A propagação é feita inicialmente de forma esférica, sendo que à medida que se afasta da fonte, podemos considerar a frente de onda plana.


Frente de onda

Fonte


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.



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


Frente de onda

Fonte A0

d


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)


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.


Rádio (TX) Rádio (RX)


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.



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.



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



Constelação QPSK / Sinal QPSK no tempo


BER x Relação sinal ruído para canal AWGN


BER x Relação sinal ruído para canal wireless (Rayleigh)

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


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.


Uma aplicação recente da camada física sem fio é nas redes Wi-Fi (Wireless Fidelity) ou padrão IEEE 802.11.

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

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.

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)

IBSS ou AdHoc

• As estações 802.11 se comunicam diretamente entre si.

BSS

• Um grupo de estações 802.11 se comunicam com uma estação central conhecida como Access Point (AP).

ESS

• Multiplas infra-estruturas BSS são conectadas através de um sistema de distribuição (DS).

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.

Canais e Associação

Canais no 802.11b,g (FCC)

Canais e Associação

Canais no 802.11b,g (ETSI)

Camadas Físicas (PHY) do 802.11

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.

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

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

Modulação no DS PHY

Modulação ERP-PBCC no HR-DSSS PHY

ERP-PBCC

Transceptor HR-DSSS PHY

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.

Modulação no OFDM PHY

Parâmetros de transmissão do padrão IEEE 802.11a

Modulação no OFDM PHY

BPSK QPSK

16-QAM 64-QAM

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)

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