Modelo de Referência Conceitos Básicosgrenoble.ime.usp.br/~gold/cursos/2014/movel/Slides-2-Conceitos... · ! a modulação é a variação de um parâmetro de uma onda portadora

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Conceitos Básicos

Bibliografia:

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

© Markus Endler (alterado por Alfredo Goldman com autorização do mesmo) 2

Modelo de Referência

Físico

Enlace

Rede

Transp.

Aplic.

Físico

Enlace

Rede

Transp.

Aplic.

Físico

Enlace

Rede

Físico

Enlace

Rede

Gateway Server

Ps: apresentação e sessão foram omitidas


Modelo de Referência Principais 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, sincronização "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 serviços, QoS, caching, conversão de representações


Espectro de frequências

Relação frequência f e comprimento de onda λ: λ = c/f, onde: c é a velocidade da luz no vácuo (297000 km/s)


Espectro de frequências


Conceitos Básicos Transmissão sem fio:

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

# Infra-vermelho (IR): ≈ 3 THz

Banda/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 precisam de licenciamento

Exemplos: # GSM (890-960 MHz, 1710-1880 MHz) # Banda ISM (2.4 GHz - 5.2 GHz) para Wireless LANs # WiMAX (“fixo”: 5.8GHz e entre 2,5 e 3,5GHz)

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Exemplo Satélite

Banda C largura 36MHz

Banda Ku largura 27MHz

Frequência uplink

5,850 a 6,425 GHz

14,0 a 14,5 GHz

downlink 3,625 a 4,200 GHz

11,7 a 12,2 GHz

Bandas de satélite


L – gps, fones, rádio S – radar (tempo/barcos), Nasa C – TV/Com. X – Militar Ku – Com. K – água ☺ Ka – radar/experimentos


Modulação de rádio

! Definição: Modulação é o processo através do qual voz, música, e outro sinal "inteligível" é adicionado às ondas de rádio produzidas por um transmissor

!  Um sinal de rádio não modulado é conhecido como portadora !  a modulação é a variação de um parâmetro de uma onda

portadora senoidal, de maneira linearmente proporcional ao valor instantâneo do sinal modulante ou informação.

! Três parâmetros: amplitude, frequência e fase


Onda senoidal - modulações

CW (continuous wave) onda contínua – liga e desliga a fonte

Vantagem ocupa pouca banda


Onda senoidal - modulações

AM - Amplitude Modulada

Cada banda lateral ocupa o mesmo espaço de frequência que a mais alta frequência de áudio que está sendo transmitida (5Khz). Desvantagem: 2/3 da potência na portadora Alternativa: SSB Single Side Band Curiosidade: Rádio Galena


Onda senoidal - modulações FM - Frequência Modulada Quando um sinal modulado é aplicado, a frequência do transmissor de FM irá ondular acima e abaixo da frequência central (do sinal original) conforme o sinal modulado FM – normal – desvio de 75Khz de cada lado - serviços especiais – desvio de 5Khz de cada lado

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Visão do FM no todo

© Markus Endler (alterado por Alfredo Goldman com autorização do mesmo) 13 © Markus Endler (alterado por Alfredo Goldman com autorização do mesmo) 14

Modulação #  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 Digital 01101

Modul. Analógica

carrier

Baseband signal


Modulação

Amplitude Shift Keying Frequency Shift Keying

Phase Shift Keying (de 180 º)

f1 f2 f1

Exemplo Modulação



Características

! ASK – não usada, muito sujeita a ruído ! FSK – usada para baixa velocidade, mas

usa banda larga ! PSK – usa-se a DPSK (onde se muda a fase

a cada bit zero) – tem que ser síncrona ! QPSK – usa PSK + amplitude (duas carac. = 4 bits)


PCM

! PCM – transforma sinais analógicos em digitais (por amostragem de amplitude)

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Codificação

! Spread Sprectrum Tipos conforme a inserção do código SS:

• Nos dados – DSSS (direct sequence) • Na frequência – FH (frequency hopping) • No tempo – TH (time hopping)

Para cada bit dos dados vários bits SS


Spread Spectrum

! Benefícios # Proteção relativa # Proteção contra ruído # O mesmo canal pode ser compartilhado

! Usos ! GPS ! Galileo (satélites) ! CDMA ! Telefones sem fio 2.4 e 5.8 GHz ! Wi-Fi (padrões 802.11 b e g)


Conceitos Básicos Sistema de Rádio Digital:

Codificação Fonte

Acesso Múltiplo

Codificação de canal Modulação Amplificação

Decodificação Fonte

Acesso Múltiplo

Decodificação de canal

Demodulação Equalização

Filtro de Rádio

F

D

+ frequência portadora

- frequência portadora


Conceitos Básicos Técnicas 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” independentes Quatro possibilidades básicas: !  FDMA (Frequency Division Multiple Access) – OFDMA (4g) !  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.


Conceitos Básicos: FDMA FDMA – Frequency Division Multiple Access (AMPS)

...

•  Cada canal carrega a informação de um único usuário. •  Os canais são subutilizados. •  Requer bons filtros para evitar interferência de canal adjacente. •  O sincronismo entre Fonte e Destino requer menor sobrecusto quando comparado com o TDMA. •  Exemplo: AMPS: 2 bandas (25Mhz) com 833 canais de 30 kHz cada, hduplex.

Min_freq

Max_freq


Conceitos Básicos: TDMA TDMA – 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

5


Conceitos Básicos FDMA 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 890Mhz/ Down 935 Mhz) são divididas em 124 portadoras de 200 KHz cada, que por sua vez são subdivididas em 8 time slots de 4.615ms.

...

Min_freq

Max_freq portadora


Conceitos Básicos: CDMA CDMA – Code Division Multiple Access

•  Todos usuários transmitem na mesma banda (simultaneamente) 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 freqüência


Conceitos Básicos: SDMA SDMA – 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

5 7

4

2

3

1


Tipos de Interferência Interferência ocorre quando dois (ou mais) canais estão

usando frequências muito próximas Tipos: !  Interferência co-canal: uso da mesma frequência f em

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

!  Interferência Adjacente: devido a frequências próximas

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


Reuso Distância de reuso (D) = distância mínima entre ERBs que

podem transmitir na mesma frequência 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

5 7

4

2

3

1


Técnicas para Aumento de Capacidade !  Divisão de Células:

# quanto menor uma célula, maior o número de canais efetivos em uma mesma região

# para isto, instala-se mais ERBs que transmitem em baixa potência

!  Setoriamento de Células: uso de antenas angulares

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

6

5 7

4

2

3

1

Setor A Setor B

Setor C Exemplo: B pode usar mesma

freqüência de célula 4

6

5

2

3

6


Redes Infra-estruturadas Os 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)


Espalhamento de Sinal Técnicas 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 para a transmissão geralmente é igual

!  O receptor tem a capacidade de identificar o 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


Conceitos Básicos: FH Frequency 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


Conceitos Básicos: FH Frequency 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 próximo 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


Conceitos Básicos: DSSS Direct 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, 11111111111 Code: 00010011100, 00010011100, 00010011100 Sequência transmitida:

00010011100, 11101100011, 00010011100


Conceitos Básicos: DSSS Direct Sequence Spread Spectrum

•  cada chipping code tem baixa correlação com outros códigos, e com variações “shiftadas” do próprio código •  melhor razão sinal ruído devido ao espalhamento

NOT XOR

Dados

Chipping sequence

Sinal DSSS Modulação

carrier

Sinal transmitido

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Compartilhando acesso

! Queremos permitir que várias unidades possam acessar o mesmo meio # Ex: Cabo, barramento, ar

! Ideia usar protocolos de acesso # Já vimos formas de “dividir” o meio # Ex: FDMA, TDMA # escalonamento prévio de acesso ao meio


Conceitos Básicos: Acesso Múltiplo 1/2 Acesso Múltiplo por demanda: Categorias:

Com contenção vs. sem Conflito (ex. Token) Com contenção: !  vários transmissores acessam canal sem alocação prévia

e se houver colisão, o pacote é retransmitido, portanto: # existe um potencial atraso (não previsível) na transmissão # menor eficiência espectral


Conceitos Básicos: Acesso Múltiplo 2/2

Existem 3 categorias de protocolos: !  acesso randômico (Aloha, 802.11 Distributed Coordination

Function) !  acesso escalonado (p.ex. Bluetooth) !  acesso híbrido


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

# canal é acessado assim que a mensagem está pronta # ACK esperado em canal separado # se colisão, transmissor não recebe ACK ou NACK, espera tempo

aleatório e tenta retransmitir # com aumento do # de usuários " aumenta prob. de colisão # Período de vulnerabilidade = 2τ (τ tempo de transmissão de 1

frame) !  Slotted ALOHA

# frames transmitidos em fatias de tempo (sincronia) # Período de vulnerabilidade = τ


Conceitos Básicos: CSMA Carrier Sense Multiple Access (CSMA) Ideia Central: monitorar tráfego no canal e só transmitir se

este estiver livre Precisa considerar dois tipos de atrasos:

# Atraso de detecção: tempo para descobrir se canal está livre # Atraso de propagação: tempo de transmissão de 1 pacote (se for

longo, é importante perceber a colisão o quanto antes)

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

retransmissão # não-persistente: espera tempo aleatório antes de retransmitir # p-persistente (para canais com time-slots): se canal está livre,

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


Conceitos Básicos: DSMA Data Sense Multiple Access (DSMA) (outro nome: Inhibit Sense Multiple Access) !  usado em redes celulares até 2005

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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Antenas !  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 propagação

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

omnidirecional direcional 3 setorizada


Antenas !  O alcance é determinado por:

# Potência de transmissão # frequência 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 assimétrica

• 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


Propagação: Problemas 1/2 ! Reflexão e absorção

# depende do material, polarização, frequência, ângulo de incidência

# em superfície terrestre, edificações, camadas atmosféricas, etc.

! Espalhamento/Difusão # Ao incidir sobre um objeto em um determinado ângulo,

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


Propagação: Problemas 2/2 ! Propagação Multi-caminho (“multi-path”)

# Reflexão em diferentes objetos pode causar recebimentos defasados

! Atenuação # decremento da intensidade média de sinal # motivo: 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)


Propagação Técnicas para melhorar a eficiência da propagação: !  Aumentar potência de transmissão

!  Equalização # no receptor, compensa dispersão por multipath # pode ser adaptativo: monitorando e compensando interferências

!  Codificação de Canal # adiciona bits de controle e redundância aos frames transmitidos

(FEC)

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

Temas atuais

! Rádios cognitivos # Configuração dinâmica # Para o envio/recepção # Em direção à software defined radios

! Combinar diversos canais # Dividir a transmissão entre canais distintos # Vantagens: tolerância ruídos e gasto de

energia


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Problemas: acesso múltiplo Problemas 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)


Conceitos Básicos: Acesso Múltiplo 3) 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


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

# 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 transmissão # Qualquer 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 Exposed Terminal Problem


DCF

! Disributed Cordination Function ! CSMA/CA + carrier sense (ouvir o canal)

com RTS e CTS ! Quem quer transmitir ouve durante DIFS

# Se ocupado aguarda e repete # Senão tenta transmitir

% Colisão ? Back-off


Double Exposure Problem

! Se A e C se alternam constantemente, D não consegue transmitir

A B

D

C

Documents

Modelo de Referência Conceitos Básicosgrenoble.ime.usp.br/~gold/cursos/2014/movel/Slides-2-Conceitos... · ! a modulação é a variação de um parâmetro de uma onda portadora