Conceitos BásicosConceitos Básicos

Bibliografia:• Jochen Schiller: Mobile Communications, capítulos 2 e 3.

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Modelo de ReferênciaModelo de Referência

FísicoEnlaceRede

Transp.Aplic.

FísicoEnlaceRede

Transp.Aplic.

FísicoEnlaceRede

FísicoEnlaceRede

GatewayServer

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Modelo de ReferênciaModelo de ReferênciaPrincipais funções: Camada Física: Geração da frequência portadora,

modulação, seleção de frequência, detecção de sinal, filtragem

Camada de enlace: Acesso ao meio, multiplexação, correção de erros de transmissão, controle de fluxo, syncronização enlace ponto-a-ponto confiável

Camada de Rede: Encaminhamento de pacotes, estabelecimento de uma conexão através de elementos intermediários.

Camada de Transporte: Estabelecimento/manutenção de uma conexão fim-a-fim confiável

Camada de Aplicação: Localização de servços, QoS, caching, conversão de representações

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Conceitos BásicosConceitos BásicosEspectro de frequências:

Relação entre frequência f e comprimento de onda : = c/f, onde:

c é a velocidade da luz no vácuo (3*108 m/s)

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Conceitos BásicosConceitos BásicosTransmissão sem fio:

Ondas de rádio (RF) e micro-ondas: de 1 MHz (Medium Frequency) até 30 GHz (Super High Frequency)

Infra-vermelho (IR): 3 THzBanda/faixa de frequência:

Cada tecnologia opera em uma banda (intervalo entre duas frequências)maioria das bandas são reguladas (p.ex. Federal Communications Commission

nos EUA, European Conference for Post and Telecommunications (CEPT), Anatel no Brasil)

mas existem bandas que não requerem licenciamentoExemplos:

GSM (890-960 MHz, 1710-1880 MHz)Banda ISM (2.4 GHz - 5.2 GHz) para Wireless LANsBanda C para Satélites (2- 40 GHz)

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ModulaçãoModulação para transmissão sem fio, o bitstream digital precisa ser primeiro

transformado em sinal analógico (baseband signal) e depois sofrer uma modulação analógica para uma frequência portadora (“carrier”)

Modulação digital pode ser: por variação de amplitude (ASK: amplitude shift keying”), frequência (FSK: frequency shift keying), fase (PSK: phase shift keying), Pulse Code Modulation (PCM), Quadrature PSK, Frequency Hopping (FH), Direct Sequence Spread Sprectrum (DSSS)

Modulação Digital01101 Modul. Analógica

carrier

Basebandsignal

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ModulaçãoModulação

Amplitude Shift Keying Frequency Shift Keying

Phase Shift Keying (de 180 º)

f1 f2 f1

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AntenasAntenas Erradiam e recebem ondas eletromagnéticas (p.ex. um sinal

modulado) através do ar Transferem energia do transmissor para o meio (e vice-versa) podem ter diferentes padrões de propragação

omnidirecional: em todas as direçõesdirecional: em apenas uma direção setorizada: em 3, 6, etc. direções

omnidirecional direcional 3 sector

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AntenasAntenas O alcance é determinado por:

Potência de transmissãoFrequência de transmissão (taxa sinal/ruído)

antenas direcionais têm maior ganho de energia (concentra a potência de sinal irradiado em uma direção) e conseguem uma transmissão a distâncias maiores

A capacidade de comunicação é asimétrica

•Transmissão: receptor B pode também transmitir• Deteção: sinal pode ser recebido, mas não consegue se comunicar• Interferência: sinal de A interfere na transmissão

A B

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Propagação: ProblemasPropagação: Problemas Reflexão e absorção

depende do material, polarização, frequência, angulo de incidênciaem superfície terrestre, edificações, camadas atmosféricas, etc.

Espalhamento/DifusãoAo incidir sobre um objeto em um determinado ângulo, uma onda

eletromagnética é decomposta em várias ondas “difusas” de intensidade menor.

Propagação Multi-caminho (“multi-path”)Reflexão em diferentes objetos pode causar recebimentos defasados

Atenuaçãodecremento da intensidade média de sinalmotivo: ondas que chegam fora de fase, com ângulos e amplitudes

diferentes, devido a reflexão e movimentação do emissor/receptor e principalmente pela distância (perda de propagação).

expoente de perda: 2 (ambiente aberto); 2.7 a 3.5 (área edificada); 1.6 - 1.8 (indoor)

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PropagaçãoPropagaçãoTécnicas para melhorar a eficiência da propagação:

Aumentar potência de transmissão (pode não ser a melhor solução, como por exemplo em sistemas CDMA)

Equalizaçãono receptor, compensa dispersão por multipathpode ser adaptativo: monitorando e compensando interferências

Codificação de Canaladiciona bits de controle e redundância aos frames transmitidos

(FEC)

Retransmissão (Automatic Repeat reQuest -ARQ)quando frame chega com erro, é retransmitidoalternativas: stop-and-wait, go-back N, repetição seletiva

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Conceitos BásicosConceitos BásicosSistema de Rádio Digital:

Codificação Fonte

Acesso Múltiplo

Codificação de canal Modulação Amplificação

Decodificação Fonte

Acesso Múltiplo

Decodificação de canal

DemodulaçãoEqualização

Filtro deRádio

F

D

+ frequência portadora

- frequência portadora

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Conceitos BásicosConceitos BásicosTécnicas de múltiplo acesso: Objetivo: Criar um mecanismo de controle de acesso ao

meio (banda), de forma a otimizar a utilização deste recurso. Define “canais de comunicação” independentesQuatro possibilidades básicas: FDMA (Frequency Division Multiple Access) TDMA (Time Division Multiple Access) CDMA (Code Division Multiplex Access) SDMA (Space Division Multiplexing)

Existe a possibilidade de combinar os mecanismos acima, de forma a conseguir uma maior eficiência na utilização do espectro. Exemplo: TDMA/FDMA amplamente utilizado pelas operadoras de telefonia celular.

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Conceitos Básicos: FDMAConceitos Básicos: FDMAFDMA – Frequency Division Multiple Access (AMPS)

...

• Cada canal carrega a informação de um unico usuário.• Os canais são subutilizados.• Requer bons filtros para evitar interferência de canal adjacente.• O sincronismo entre Fonte e Destino requer menor overhead quando comparado com o TDMA.• Exemplo: AMPS: 2 bandas com 833 canais de 30 kHz cada

Min_freq

Max_freq

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Conceitos Básicos: TDMAConceitos Básicos: TDMATDMA – Time Division Multiple Access

• O TDMA compartilha a banda disponível entre os usuários, dividindo-a em time-slots. transmissão dos dados é descontínua (bursts)• Utiliza mais bits de sincronização e guarda se comparado ao FDMA• Devido à característica de trasmissão em rajadas, existe um menor gasto de bateria (transmite só durante o tempo de um time-slot)

...

Min_freq

Max_freq

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Conceitos BásicosConceitos BásicosFDMA e TDMA combinados (Exemplos: IS-136, GSM)

• Esta técnica combina a divisão da banda em faixas menores (portadora) que por sua vez é subdivida no tempo (time-slots).• consequentemente tem-se uma melhor utilização do espectro.• No GSM as 2 bandas de 25 MHz (Up/ Down Link) são divididas em portadoras de 200 KHz cada, que por sua vez são subdivididas em 8 time slots de 4.615ms.

...

Min_freq

Max_freq portadora

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Conceitos Básicos: CDMAConceitos Básicos: CDMACDMA – Code Division Multiple Access

• Todos usuários transmitem na mesma banda (simultâneamente) o dado codificado; e somente os detentores da chave conseguem decifrar o dado (boa autocorrelação). Isso garante maior segurança.• A capacidade não é fixa, dependendo da relação S/N do meio. É eficiente quando utilizada para muitos usuários.•Mesmo princípio usado nas técnicas de modulação Frequency Hopping e Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS)

Min_freq

Max_freq

Distância mínima entre os

pontos de frequência

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Conceitos Básicos: Conceitos Básicos: SSDMADMASDMA – Space Division Multiple Access Usado em redes celulares (células são áreas irregulares em torno de uma antena) Atribuir faixas de frequência diferentes a regiões (células) adjacentes, de forma a evitar a interferência de sinal Para células distantes, pode-se reutilizar a faixa de frequência

Para isto, o alcance de transmissão da antena deve ser bem ajustado

6

57

4

2

3

1

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Redes Infra-estruturadasRedes Infra-estruturadasOs sistemas de comunicação sem fio mais difundidos são as redes (sistemas) celulares. Orientados a circuitos ou comutação de pacotes Estação Radio-Base (ERB): transmissor/receptor de baixa potência + antena e possivelmente processador com memória. Unidade Móvel (UM): dispositivo com transmissor/ receptor de baixa potência + antena + processador. Célula:

área geográfica atendida por uma ERB teoricamente são áreas circulares centradas na ERB, onde a potência do sinal decai quadraticamente com a distância à ERB (teoricamente representados como hexágonos)menor sinal menor relação sinal/ruído menor taxa de transmissão (decaimento quadrático)

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Espalhamento de SinalEspalhamento de SinalTécnicas de espalhamento de sinal: Em vez de transmitir em faixa estreita de frequência (e com alta potência), transforma-se o sinal em faixa larga de frequência (e baixa potência). A energia final p/ a transmissão geralmente é igual. O receptor tem a capacidade de identificar sinal apesar de interferências e transformar o sinal de faixa larga para faixa estreita

Principal vantagem: resistência a interferências de faixa estreita Exemplos: Frequency Hopping e Direct Sequence

P

f

P

f

P

f

P

f

P

f

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Conceitos Básicos: FHConceitos Básicos: FHFrequency Hopping: Banda de frequência total é dividida em vários canais de banda menor + banda de separação Transmissor e receptor permanecem no mesmo canal (frequência) durante certo tempo e depois “pulam” para outro canal, seguindo uma hopping sequence pré-determinada requer sincronização Implementa FDM/TDM Exemplo de “Hopping lento” e “Hopping rápido” com 3 frequências

f1

f2

f3

0 1 0

td

0 1 0

td

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Conceitos Básicos: FHConceitos Básicos: FHFrequency Hopping é uma das técnicas de modulação usada em IEEE 802.11

• um hopping code (pseudo-randômico) determina a frequência portadora para cada time-slot • quando é detectada uma colisão, retransmite-se o dado no proximo slot• há um limite para o # de transmissôes simultâneas• Bluetooth: usa 79 portadoras com 1.600 hops/s• Vantagem: evita interferência com transmissão em largura de banda estreita

...

Min_freq

Max_freq Frequência portadora

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Conceitos Básicos: DSConceitos Básicos: DSSSSSDirect Sequence Spread Spectrum: Princípio de funcionamento

• a fonte codifica cada bit de dados de acordo com um chipping code (que causa o espalhamento do sinal) e destino faz o “encolhimento” usando o mesmo código• espalhamento e encolhimento através de operação NOT XOR

Chipping Code [00010011100]Dados: 101

11111111111, 00000000000, 11111111111Code: 00010011100, 00010011100, 00010011100

Sequência transmitida:00010011100, 11101100011, 00010011100

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Conceitos Básicos: DSConceitos Básicos: DSSSSSDirect Sequence Spread Spectrum

• cada chipping codes têm baixa correlação com outros códigos, e com variações “shiftadas” dó próprio código• melhor razão signal-to-noise devido ao espalhamento • quando code_f code_d, então frequência relativa de 1s e 0s é igual possibilita detecção de erros

NOT XOR

Dados

Chippingsequence

Sinal DSSS Modulação

carrier

Sinal transmitido

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Conceitos Básicos: Acesso Conceitos Básicos: Acesso MúltiploMúltiplo

Acesso Múltiplo por demanda: (não em FDMA, TDMA, CDMA, escalonamento prévio de acesso do meio ) Categorias:

Com contenção vs. sem Conflito (ex. Token)

Com contenção: vários transmissores acessam canal sem alocação prévia e se houver colisão, frame é retransmitido, portanto:

existe um potencial atraso (não previsível) na transmissão menor eficiência espectral

Existem 3 categorias de protocolos: acesso randômico (Aloha, 802.11) acesso escalonado (p.ex. Bluetooth) acesso híbrido

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Conceitos Básicos: Acesso Conceitos Básicos: Acesso MúltiploMúltiplo

Protocolos de Acesso Randômico: ALOHA (U.Havaí) puro

canal é acessado assim que msg está pronta ACK esperado em canal separadose colisão, transmissor não recebe ACK ou NACK, espera tempo aleatório e tenta retransmitircom aumento do # de usuários aumenta prob. de colisãoPeríodo de vulnerabilidade = 2 ( tempo de transmissão de 1 frame)

Slotted ALOHAframes transmitidos em fatias de tempoPeríodo de vulnerabilidade =

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Conceitos Básicos: Acesso Conceitos Básicos: Acesso MúltiploMúltiploCarrier Sense Multiple Access (CSMA)Idéia Central: monitorar tráfego no canal e só transmitir

se este estiver livrePrecisa considerar dois tipos de atrasos:

Atraso de detecção: tempo para descobrir se canal está livreAtraso de propagação: tempo de transmissão de 1 frame (se

for longo, outra fonte pode achar que canal está livre)

Existem várias variantes p/ tratamento de colisão:1-persistente: espera até canal estar livre e depois inicia

retransmissãonão-persistente: espera tempo aleatório antes de retransmitirp-persistente (para canais com time-slots): se canal está

livre, transmite com probabilidade p, senão espera o próximo time-slot

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Conceitos Básicos: Acesso Conceitos Básicos: Acesso MúltiploMúltiploData Sense Multiple Access (DSMA)(outro nome: Inhibit Sense Multiple Access)

usado em redes CDPD

Ideia Central: ERB transmite sinal livre/ocupado em canal

“downlink” para todas as Ums UM transmite dados no canal “uplink” quando

downlink sinalizar (clear to send), e interrompe transmissão se detectar colisão

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Conceitos Básicos: Acesso Conceitos Básicos: Acesso MúltiploMúltiploProblemas de Acesso Múltiplo com Contenção:

1) Efeito da Distância (“near/far problem”): sinal do transmissor mais próximo chega ao destino com

maior intensidade (maior razão signal/ruído) eventualmente o transmissor mais afastado é ignorado,

ou tem chance menor de poder transmitir 2) Efeito dos Transmissores afastados (“Hidden Terminal

Problem”): Quando dois (ou mais) transmissores estão afastados e

não conseguem detectar a colisão O receptor comum recebe os sinais simultaneamente e

não é capaz de filtrar apenas 1 sinal Unica solução: Receptor deve arbitrar o direito de

transmissão no canal

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Conceitos Básicos: Acesso Conceitos Básicos: Acesso MúltiploMúltiploCSMA/CA (=Collision Avoidance) usado em 802.11Protocolo:

transmissor difunde RequestToSend (RTS), indicando a quantidade de dados que deseja transmitir

Se receptor aceitar, este difunde um ClearToSend (CTS) com indicação da quantidade (=RTS)

Ao receber CTS, transmissor inicia a transmissãoQualquer outra UM que ouvir o CTS saberá que não deve

transmitir pelo menos pelo período que durar a transmissão ( quantidade de dados)

Uma UM que ouve o RTS, mas não o CTS correspondente, sabe que está suficientemente afastado do receptor, e assim poderá transmitir no mesmo canal sem interferir na transmissão da outra UM

isto resolve o Hidden Terminal Problem

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Tipos de InterferênciaTipos de InterferênciaInterferência ocorre quando dois (ou mais) canais estão

usando frequências muito próximas

Tipos: Interferência co-canal: uso da mesma frequência f em

diferentes células, quandopotência em f por ERB1 / potência em f das células vizinhas de ERB1) < limite

Interferência Adjacente: devido à frequências próxima f

Devido a banda de frequência limitada, faz-se necessária o reuso de frequências em células não vizinhas

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Handover (Hand-Off)Handover (Hand-Off)Na intersecção de células (“overlapping area”), uma UM se

comunica com a ERB com melhor razão sinal/ruído.Enquanto o sinal/ruído estiver acima de um certo limite aceitável,

UM mantém enlace sem fio com ERB original.Handover: Quando sinal/ruído cai abaixo de certo limite, UM tenta

estabelecer enlace com outra ERBEsta negociação é feita através de Canais de Controle/Sinalização

D (m)ERB1 ERB2

Signal/noise

Região de Handover

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Tipos de HandoverTipos de Handover Iniciados pela rede (Central de Controle e Comutação)

primeiras redes celularescontrole centralizado dos recursos das ERBs (rede tem visão global)dificuldade: saber quando sinal/ruído está abaixo do aceitável depende de sinais de controle da UM

Iniciados pela UMdificulta a pre-alocação de recursos nas ERBsdá mais flexibilidade de escolha à UMUM pode monitorar canais de controle de várias ERBs e escolher a melhorHand Over só ocorre quando realmente necessário (economia de energia)

Iniciados em ColaboraçãoUM escolhe as ERBs candidatas, e rede escolhe a ERB com menor carga (para provisão de QoS)

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ReusoReusoDistância de reuso (D) = distância mínima entre ERBs que podem transmitir na

mesma ferquência sem causar interferência (co-canal)depende da potência de transmissão

Fator de Reuso (N) = é o número de células que precisam transmitir em frequências diferentes

D = R* (3*N), onde R = raio aproximado das células Exemplo: Canais efetivos em FDM: 416/7 = 59

6

57

4

2

3

1

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Técnicas para Técnicas para Aumento de Capacidade Aumento de Capacidade Divisão de Células:

quanto menor uma célula, maior o número de canais efetivos em uma mesma regiãopara isto, instala-se mais ERBs que transmitem em baixa potencia

Setoriamento de Células: uso de antenas angulates

Alocação dinâmica de canais: uma ERB com baixa demanda pode “emprestar” canais a uma ERB com muitos usuários

6

57

4

2

3

1

Setor ASetor B

Setor C Exemplo: B pode usar mesma

freqência de celula 4

6

5

2

3

Exemplo de Rede Celular Exemplo de Rede Celular GSM/ GPRSGSM/ GPRS

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Visão Geral do GSMVisão Geral do GSMGSM: Global System for Mobile Communications• sist. celular de 2G usado em > 130 países

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Subsistemas GSMSubsistemas GSMSubsistema de Rádio (Base station subsystem) tarefas: transmissão, codificação/decodificação

de voz, adaptação de taxa de comunicação Unidades Móveis (Mobile Stations) BaseTransceiver Station (BTS): antenas

amplificadores, processamento de sinal, etc. Base Station Controller (BSC): alocação de

frequências de rádio, handover entre BTSs controladas por diferentes BSCs, paging das UMs (notificação/atualização da localização)

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Subsistemas GSMSubsistemas GSMSubsistema de Rede e Comutação (Network

switching subsystem) Mobile services switching center (MSC):

são switches ISDN, que formam o “backbone” da rede GSM

Home Location Register (HLR): base de dados de todos os assinantes (ID, serviços contratados, chaves p/ autenticação)

Visitor Location Register (VLR): armazena os dados sobre usuários em roaming

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Subsistemas GSMSubsistemas GSMSubsistema de Operação: Operation and Maintenance Centre (OMC):

monitoramento de tráfego, gerenciamento de assinantes e segurança, “accounting” e tarifação

Authentication Centre (AuC): contém chaves e augoritmos p/ autenticação

Equipment Identity Register (EIR): contém informações sobre todos os dispositivos registrados (e os bloqueados pelos usuários)

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Protocolos do GSMProtocolos do GSM

• Link Access Procedure (LAPDm): transmissão confiável sobre enlaces, controle de fluxo e sequenciamento de frames• Radio Resource Mngt (RR): setup e manutenção de canais de comunicação• Mobility Mngt (MM): registro, autenticação, identificação de usuários e atualização de informação de localização• Call Mngt (CM): Call Control, SMS e Suplementary Services

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GSM: Tipos de HandoverGSM: Tipos de Handover Intra-cell: devido a uma interferência, BSC

pode decidir mudar de frequencia portadora (carrier)

Inter-cell (intra-BSC): BSC aloca novo canal na nova célula para UM

Inter-BSC/intra-MSC: UM passa à área de cobertura de outra BSC. Uma MSC trata do handover.

Inter-MSC: handover entre operadoras GSM; é tratado entre MSC correspondentes

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Por que Comutação de Pacotes?Por que Comutação de Pacotes?

Convegência IP

Telecomunicações

•Transporte•Serviços ISDN

•Chamadas com vídeo

•Banda LargaComputer•Acesso à Internet

•Pictures•LAN Remota•e-mail•Voz sobre IP

Media•Music•Video sobre demanda

•Animação•Infotainment•Propaganda

Serviços Móveis e Pessoais

IPMóvel

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GPRS: General Package Radio GPRS: General Package Radio ServiceServiceAplicações e Serviços Serviços de Informação Acesso a Redes Corporativas Serviços Baseados em Localização Telemetria Logística Outras Tecnologias (SMS, WAP e Bluetooth)

Caracteríscicas: O usuário está sempre conectado. Não existe tempo de conexão Eficiencia de espectro Velocidade até 171,2 kbps em 8 timeslots Velocidade real - 50 kbps

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GPRS: AplicaçõesGPRS: Aplicações• Acesso seguro a redes corporativas

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GPRS: AplicaçõesGPRS: Aplicações

Acesso seguro a redes corporativasDec.1999 Feb. 2000 Set. 2002 2Q/20042Q/2003

14.4K bps

64.K bps

144K bps

WAP

On-lineSMS

n.TOP launching

9.6K bps

WAP Browser

Karaoke

Game

GVM/JAVA

AOD/VODMP3 download

)

Picture-mateGame-land

Chatting

MMSDownload animações

jan. 2003

GSM

CSD/HCSD

GPRS/EDGE

UMTS

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GPRS: Principais ComponentesGPRS: Principais Componentes

DOCUMENTTYPE

TypeUnitOrDepartmentHereTypeYourNameHere TypeDateHere

BorderGateway

SGSN

LawfulInterception Gateway

LIGInter-PLMNNetwork

OperatorsBilling System

Integrated Networkmanagement system

Serving GPRSSupport Node

BG

DNS

DomainName Server

Circuit CoreBackbone

Packet CoreIP Backbone

BSS

FW

Gateway GPRSSupport Node

ExternalData Networks

Internet

GGSNFW

ChargingGateway

CG

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GPRS: Unidades FuncionaisGPRS: Unidades FuncionaisSGSN

• Gerência de mobilidade• Autenticação da MS

(estação móvel)

• Cifragem de Dados• Interação com VLR/HLR• Estatísticas e Cobrança• Tunelamento GTP para

outros GSNs

GGSN

Tunelamento GTP para outros GSNs

Interfaces seguras para redes externas

Estatísticas e Cobrança

Gerência dos endereços IP

Charging Gateway

Consolidação de CDR

Fornece informações de CDR para o Billing Center

Border Gateway

• Interliga redes GPRS de diferentes operadoras

• Possibilita roaming GPRS

Domain Name Server

• Tradução dos nomes de host IP para endereços IP

• Simplifica a configuração da rede IP• Em um backbone GPRS, o SGSN usa

o DNS para obter os endereços IP do GGSN e do próprio SGSN

Legal Interception Gateway

• Possibilita às autoridades legais interceptarem dados e sinalização dos assinantes

• Rastreia atividades criminais• Acesso limitado da operadora às

funcionalidades do LIG• LIG é requisito obrigatório no

lançamento do serviço GPRS

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GPRS: Processo de ConexãoGPRS: Processo de ConexãoConexão a rede GSM (GPRS attach)Realizado quando o usuário liga o terminalRegistro do usuário na redeO SGSN coleta os dados do usuário (HLR) e autentica o usuário

na rede Conexão a rede IP (Contextos PDP ) Após o registro do usuário ele pode pedir o inicio de uma

sessãoIsto é feito através da ativação de contextos PDPO usuário pode obter um IP estático ou dinâmico de acordo

com seu perfil

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GPRS: SessãoGPRS: SessãoGerenciamento de sessões através de contextos PDP• Quando um contexto PDP é ativado o usuário pode iniciar

a transmissão de dadosInformações necessárias a criação de um contexto PDP• APN – Access Point Name • Ip dinamico ou fixo• Qos necessária

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GPRS: SessãoGPRS: Sessão

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GPRS: SessãoGPRS: SessãoBTS BSC

SGSN

GPRS Core Network

GGSN

Intranet

Internet

Apn = gprs.oi.com.br

gprs.oi.com.br

Contexto PDP

PDP ativo