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Redes de Comunicações 2

Redes sem Fio e Mobilidade

Flávio Alencar do Rego Barros Universidade do Estado do Rio de Janeiro

E-mail: [email protected]

Capítulo

1

UERJ 2021 Redes de Comunicações 2 Pg.1

Cap.1 - WLAN

Referência Principal:

“Computer Network: A Top-Down Approach Featuring the Internet”

J. F. Kurose, K. W. Ross, 8a.ed., Pearson, 2020


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Neste capítulo vamos fazer mostrar uma visão ampliada sobre a Camada 2,

agora nos voltando ao setor de redes sem fio. Em razão da difusão atual das redes

ubíquas (smartphones, tablets, notebooks e mais presentemente os dispositivos diversos

IoT - cabeados ou não – ligados à Internet estão em todos os lugares) trazemos para aqui

uma seção que normalmente é tratada em outras cadeiras – o Sistema Celular – que será

aqui vista sucintamente.


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Para nossos propósitos não conta a tecnologia 1G criada entre as décadas de

1970 e 1980 porque era essencialmente para chamadas de voz e tecnologia analógica.

As tecnologias digitais que vieram a seguir incorporaram velocidades e capacidades

crescentes: 2G – velocidade até 144 Kbps, a partir do início dos anos 1990; 3G –

velocidade até 42 Mbps; 4G – velocidade até 100 Mbps, a partir do meado dos anos

2000; 5G – promete velocidades de 1 Gbps ou mais a partir de 2020 (2021?) nos Jogos

Olímpicos de Tóquio ou antes.

No momento a ideia é fazer do 5G um conjunto de redes que farão conectar

coisas simples e diversas ao mesmo tempo elas serão operadas em tempo (quase) real,

tais como sensores (controle de ambientes produtivos, por exemplo, frota de caminhões

conectados podem reduzir custos com logística), carros com ou sem motorista (em maio

de 2017 a Verizon realizou transmissão ao vivo em realidade virtual a prova 500

Milhas de Indianápolis), drones (por exemplo, para o agricultor espargir defensivos

agrícolas), sistemas de inteligência artificial, etc. Com estes objetivos a indústria está

debatendo hoje padrões para isto, aparentemente a chinesa Huawey sai na frente. O

hardware não é mais problema. Por exemplo, já desde 2015 se consegue transmitir

dados sem fio à taxa 65.000 vezes maior (1 Tbps) que a taxa média de download do

4G1!

1 Surrey University, UK.


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O resultado destas características do link sem fio é que torna a comunicação (mesmo

ponto-a-ponto) muito mais difícil!


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O padrão default é o 802.11b lançado em 1999, mas ao longo do tempo

evoluções e melhoramentos foram surgindo. Em 2013/2014 surgiu IEEE 802.11ac. Ele

opera com taxas nominais maiores que utilizam velocidade até quase 1 Gbps,

padronizando em 1300Mbps trabalhando na faixa de 5GHz, como ocorreu com o padrão

802.11n podendo propagar as ondas de modo uniforme para todas as direções. Os

roteadores Wi-Fi reforçam o sinal para os locais onde há computadores conectados.

Outra vantagem que o padrão AC ou AD traz é a possibilidade de conversar

simultaneamente com diversos aparelhos conectados ao roteador sem qualquer

interrupção. Por mais rápido que fosse o padrão N, ele só permitia que a conversa fosse

feita com um dispositivo por vez. Com essa tecnologia, há uma potencial economia de

energia nos dispositivos móveis.

Existem ainda padrões P e S dedicados, respectivamente, para redes veiculares e

redes mesh, mas a análise a este nível de detalhe foge do escopo deste curso.

Camada Física original do 802.11

Apresenta-se em 3 possibilidades:


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1) DSSS a 2,4 GHZ (ISM) com data rates de 1 Mbps (DBPSK com 1 bit por

símbolo) e 2 Mbps (DQPSK com 2 bits por símbolo)

2) FHSS a 2,4 GHZ (ISM) com data rates de 1 Mbps 2 Mbps

3) Ir (Infrared, infravermelho) a 1 Mbps e 2 Mbps com comprimento de onda entre

850 e 950 nm.

Para redes de computadores a mais relevante é a primeira (DSSS), porém o que se

apresentou de forma realmente popular foram suas variações que detalhamos a seguir.

IEEE 802.11a

Usa a faixa de 5 GHz usando OFDM composta de 52 sub portadoras ao invés de

Spread Spectrum, cada sub portadora utilizando modelos específicos de modulação e

code rate como especificado:

Modulação BPSK BPSK QPSK QPSK 16-

QAM

16-

QAM

64-

QAM

64-

QAM

Code rate 1/2 3/4 1/2 3/4 1/2 3/4 2/3 3/4

Mbps 6 9 12 18 24 36 48 54

IEEE 802.11b

Extensão do esquema DSSS original, porém alcançando maiores taxas que a

original através da modulação CCK (Complementary Code Keying), mais complexa que

não veremos.

A maneira comum de uso do IEEE802.11 está ilustrado no próximo slide. É a

forma infraestruturada, com a Internet chegando muitas vezes via cabos até o ponto de

presença (AP), este na maioria das vezes embutido em um roteador de última “milha”.


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Uma maneira alternativa é usá-lo no modo ad hoc:


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O IEEE802.11 apresenta três áreas funcionais: entrega confiável, controle de

acesso e segurança.

Via de regra, na Internet o TCP (camada 4) é quem confere confiabilidade à

entrega de dados, porém, como o meio físico sem fio é muito ruidoso, e como a

retransmissão TCP pode levar 1 ou mais segundos, vale a pena aqui tratar a questão da

confiabilidade na entrega no nível do MAC. Quando uma estação recebe um quadro de

outra estação, ela retorna um quadro ACK (reconhecimento). Se a fonte do quadro não

recebe o respectivo ACK dentro de um período curto, ela retransmite o quadro. Assim,

ocorre a sequência: RTS – CTS – quadro de acesso – ACK.


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A camada MAC é responsável por diversas tarefas. A principal é o Controle de

Acesso ao Meio, mas também suporta “roaming”, autenticação e conservação de

energia.

Quanto ao Controle de Acesso, se o 802.11 está no modo centralizado (existe

também o modo ad hoc, muito menos popular!) ele usa o protocolo DFWMAC

(Distributed Foundation Wireless MAC), com a estrutura mostrada no slide 1-29, onde

DCF é um protocolo do tipo CSMA simples, sem detecção de colisão. Ele inclui um

conjunto de retardos IFS (Inter Frame Space) apropriados para cada tipo de tráfego

(SIFS: Short IFS – retardo mais curto, usado para todas respostas de ação imediata ou

prioritária como em quadros RTS, CTS e resposta de “poll”; PIFS: Point Coordination

Function IFS – retardo médio, usado quando o AP faz “polling” das estações; DIFS:

Distributed Coordination Function IFS – o retardo mais longo, usado como retardo

mínimo para quadros assíncronos comuns disputando acesso). O PCF é um método de

acesso alternativo implementado no topo de DCF e cuja característica principal é o

master (o AP) fazer o “polling” das estações sobre seu domínio fazendo uso de retardos

PIFS.

A funcionalidade do método DCF é ilustrada no slide 1-30.


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Para cada método de acesso tem-se um correspondente parâmetro que define a

prioridade no acesso ao meio, como ilustrado no slide 1-31.

No método básico DFWMAC-DCF usando CSMA-CA, se o meio está ocupado,

os nós têm que esperar DIFS seguido da fase de contenção, onde cada nó seleciona seu

tempo de backoff aleatório a ser acrescentado no seu tempo de espera, ao final do que,

caso o meio esteja desocupado, aí sim o nó pode acessar o meio imediatamente, como

mostrado no slide 1-32.

Para ilustrar o mecanismo básico, o slide 1-33 mostra um exemplo de

concorrência de transmissão entre 5 estações. No mesmo slide está também ilustrada a

situação acidental que duas estações (4 e 5) tenham selecionado o mesmo tempo de

backoff original, o que resultará colisão (é claro que estações 4 e 5 terão que

retransmitir!)


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O slide 1-34 a seguir ilustra a transação DCF completa em um cenário de

concorrência, incorporando a resposta ACK do destinatário do quadro e resumindo o

mecanismo DFWMAC-DCF. Observe que esta resposta ocorre em intervalos SIFS, ou

seja, com prioridade.

O slide 1-35 a seguir resume o NAV que associa uma estratégia de tempo de espera para

as estações em disputa que não ganham acesso ao meio e os slides 1-36 e 37 mostram as

diversas partes envolvidas sem e com fragmentação. O slide 1-38 resume os

mecanismos com prioridade para suporte a QoS. Observe que as exigências de QoS vão

exigir da infraestrutura de rede resposta com muito mais presteza que aquela necessária

quando em presença de aplicações convencionais, tais como correio eletrônico,

navegação Web e download de arquivos.

A seguir vamos analisar o conteúdo do quadro 802.11.


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Vamos completar aqui um resumo da evolução das conexões ao meio sem fio. A

tteeccnnoollooggiiaa 22GG inicia nos anos 90 a transmissão de dados digitais com o aparecimento do

SMS (Short Message Service, com transmissão de texto de até 160 caracteres) e os

primeiros MMS (Multimedia Message Service, com texto enriquecido de recursos

visuais simples). A tteeccnnoollooggiiaa 33GG abriu as portas da Internet para os telefones celulares

com velocidades até 2 Mbps. A versão 3G+ oferece taxas maiores ainda. Nesta etapa da

evolução também entra em cena as chamadas de vídeo e canais de TV pelo celular. Com

tteeccnnoollooggiiaa 44GG a evolução seguiu incorporando de forma definitiva o consumo de mídias

pelo celular com qualidade da banda larga fixa. Neste contexto se agrega serviços de

jogos e acesso à nuvem. A tteeccnnoollooggiiaa do futuro, 55GG, promete aplicações até então

inviáveis para celular como transmissão de vídeo ao vivo em alta definição e realidade

virtual. Desta forma vão se agregar canais de TV HD, vídeos em 4K, serviços de

emergência, realidade virtual, carros conectados, Internet da coisas (IoT, vide slide 1-7),

etc. Se as redes de telefonia anteriores tinham as pessoas como foco, com 5G as

conexões serão além de mais velozes e estáveis também consolidarão a conexão de

coisas (M2M, máquina a máquina). A GSM Association que atualmente se compões de

centenas de operadoras e fabricantes de equipamentos prevê para 5G: velocidade de

usuário de 1 Gbps, praticamente 100% de disponibilidade, percepção de 100% de

cobertura, retardo de menos de 10 msegs, redução de consumo de energia e capacidade

para 100 vezes mais dispositivos que hoje. Para que se tenha noção do avanço previsto,

um carro a 100 Km/h ainda percorre 1,4 m até o comando de freio ser exercido com 4G

e 2,8 cm com 5G!!


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Como descrevemos na introdução e nas seções atual e do 802.11, já se encontra

madura e implantada em parte do mundo a proposta 5G, que será um passo à frente das

operadoras com vista a integrar na Internet mais que pessoas, dispositivos, ir além do

serviço local com o serviço na “nuvem”. As próximas figuras ilustram e exemplificam

isto2. Nem propriamente se implantou a tecnologia 5G, já começam as conversações e

pesquisas para uma tecnologia 6G. Mas aí já é outra história ...

2 IMS = “Its Mostly Speakes”. Refere-se à demanda por multimídia na rede. WAP = Wireless Application

Protocol.


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Material de apoio: 802-11stallings.pdf

Laboratório previsto: Análise de comunicação sem fio 802.11.

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