Rede Celular: Soluo Wi-Fi Offloading Este tutorial apresenta as solues para descarregamento de trfego de dados considerado por pesquisadores eoperadoras, buscando descongestionar suas redes. Nos ltimos anos estudos apresentaram enorme demanda na utilizao de dados por usurios, devido ao aumento dasaquisies de dispositivos com aplicaes e acesso a internet. Desta forma, apresenta-se a soluo com melhor custo beneficio, conhecida como WiFi Offloading, suas vantagens emtodos de integrao com as redes celulares.

Bruno Belmont Amorim Bandeira Engenheiro Eletricista pelo Centro Universitrio Estcio Radial (Estcio Radial SP, 2009), Tcnico em Eletrnica peloColgio Tcnico Paralelo (2002), e atualmente cursa a especializao em Redes e Sistemas de Telecomunicaes(Inatel, 2013). Atualmente coordenador de projetos de implantao de transmisso da engenharia da Claro. Possui interesse nodesenvolvimento de solues de transmisses via rdio enlace e fibra ptica. Email: brunobandeira1914@gmail.com

Categorias: Banda Larga, Redes de Dados Wireless, Telefonia CelularNvel: Introdutrio Enfoque: TcnicoDurao: 20 minutos Publicado em: 15/04/2013

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Rede Celular: Introduo O aumento excessivo da aquisio de aparelhos smartphone e dispositivos com interatividade e aplicaes de acesso ainternet tm impactado diretamente nas redes das operadoras de servios mveis devido a grande demanda de utilizaode dados. Num conceito mundial, estudos apontam aumento de 18 vezes da taxa de dados at 2016, um crescimento anual deaproximadamente 131%. A fim de evitar um apocalipse de dados mveis a comunidade de pesquisadores de rede de telecomunicaes temfocalizado seus esforos para resolver este desafio. As solues consideradas pelos pesquisadores e operadoras, basicamente, so:

Melhoria da capacidade de Core da Rede e aumento do nmero de estaes rdio base;Implantao da nova gerao de tecnologia de rede de acesso como High Speed Packet Access (HSPA) ou LongTerm Evolution (LTE);Implantar pequenas clulas rdio base, Femtocell, cobertura indoor.Utilizar hotspot Wi-Fi para descarregar o trfego de dados da rede mvel.

Mesmo com as metas impostas pela Anatel para implementao do LTE no territrio nacional, visando principalmenteatender a demanda prevista para os eventos de 2014 (Copa do Mundo) e 2016 (Olimpadas), na atual conjuntura,medidas imediatistas tm sido executadas com intuito de minimizar o congestionamento nas redes. A utilizao dos pontos de acesso (APs) Wi-Fi a soluo apresentada que mais agrada as operadoras, devido relaocusto benefcio, quantidade e facilidade de implantao dos pontos de acesso, baixo custo de manuteno,disponibilidade de dispositivos que suportam a tecnologia, amplo espectro disponvel dentro da faixa de 2.4 e 5GHz,possibilidade de acesso de novos usurios sem necessidade de assinatura mvel e disponibilidade de padronizao paraintegrao com redes celulares baseado na arquitetura Enhanced Generic Access Network (EGAN) ou na arquiteturaInterworking Wireless LAN (IWLAN). Desta forma elaboramos este documento objetivando a avaliao de viabilidade da soluo de descarga de trfego dedados atravs das redes Wi-Fi, comumente conhecida como Wi-Fi Offloading, seus aspectos tcnicos, arquitetura derede, seus recursos e integrao em redes mveis existentes. Tal documento no fornece uma formulao matemtica doproblema e tambm no fornece resultados de prottipos.

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Rede Celular: Wi-Fi Offloading

Viso Geral da Tecnologia Wi-Fi Baseado no padro IEEE 802.11, a tecnologia WLAN utiliza frequncias no licenciadas nas faixas de 2.4 e 5GHz, nocausam interferncia com redes celulares 3G e ainda oferecem taxa de servio muito mais rpida em comparao. Geralmente omnipresente nas reas urbanas, a tecnologia tem apresentado evoluo de qualidade de servio (QoS)devido elaborao da especificao do Wireless Internet Service Provider Roaming (WISPr) e principalmente pelodesenvolvimento do Hotspot 2.0, que possui trs itens fundamentais, WPA-Enterprise, Autenticao via EAP e 802.11u.Desta forma possvel observar avanos significativos em confiabilidade, velocidade de transmisso, arquitetura derede (com controladoras de pontos de acesso) centralizada e segurana, alm de haver grande familiaridade por partedos usurios com o uso da tecnologia, pois, praticamente todos os bens de consumo atualmente j possuem interfaceWLAN. A associao de telecomunicaes Third-Generation Partnership Project (3GPP) padronizou a utilizao do acessoWi-Fi na rede mvel celular baseado nas arquiteturas Enhanced Generic Access Network (EGAN), tambm conhecidacomo acoplamento rgido, ou na arquitetura Interworking Wireless LAN (IWLAN), chamada de acoplamento livre.

Enhanced Generic Access Network (EGAN) Integrao rgida realiza roteamento de todo o trfego e sinalizao celular atravs da rede Wi-Fi. A princpio atenderiaapenas na melhora da cobertura de voz do sistema GSM, no entanto, sua arquitetura foi expandida para atendimento aospacotes de dados do sistema 3G. Wi-Fi uma rede complementar ao padro de rede de acesso 3G, portanto, no ncleo da rede mvel um novo elementogateway foi acrescentado, chamada de Enhanced Generic Access Network Controller (EGANC), sendo o pontoterminal para o tnel IP entre o dispositivo mvel e a rede, portanto, se o dispositivo mvel possuir acesso IP ele poderconectar-se ao ncleo da rede utilizando a rede Wi-Fi como uma rota para internet.

Interworking Wireless Lan (IWLAN) IWLAN uma soluo de transferncia de dados IPs entre o dispositivo mvel e o ncleo da rede do operador mvelatravs do acesso Wi-Fi. Um tnel dedicado VPN/IPsec entre o dispositivo mvel e o servidor IWLAN do ncleo darede do operador estabelecido para fornecer ao usurio tanto acesso as aplicaes Walled Garden da operadora comoa um gateway de acesso a rede pblica internet. Usurios IWLAN utilizam a autenticao do SIM para criar um tnel IP seguro entre o dispositivo e o ncleo da rede daoperadora, desta forma garante que a operadora est fornecendo servios a apenas assinantes autenticados. A figura 1ilustra a arquitetura de uma rede IWLAN controlada.

Figura 1: Arquitetura IWLAN para acesso controlado

Arquitetura da Rede Wi-Fi Offloading Dois tipos diferentes de acesso Wi-Fi foram padronizados pela 3GPP, so estes:

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No Confivel;Confivel.

No Confivel Inclui todos os acessos Wi-Fi sem controle da operadora ou fornecimento suficiente de segurana, como autenticaoou criptografia. A arquitetura de acesso no confivel permite aos assinantes utilizarem quaisquer tipos de redes deacesso que possam se conectar. O equipamento do usurio abre um tnel IP Security (IPSec) para o ncleo de pacotes(Packet Core), onde o tnel autenticado e atribudo a um endereo IP, desta forma o trfego de dados re-roteado aoncleo do pacote (Packet Core). Todas as funes relacionadas com o PCC podem ser reutilizadas a partir do ncleoexistente. A especificao 3GPP TS 23,234 lida com integrao 3G e no-confivel Wi-Fi gratuito. Para o LTE, o acesso noconfivel especificado no mesmo documento (3GPP TS 23,402), como acesso confivel. A norma introduz uma novafuno no ncleo do pacote (Packet Core), o gateway de terminao de tnel (TTG), responsvel por encerrar os tneisIPsec e mudar o trfego dos tneis IPSec, de GTP tneis para GGSNs tradicionais. Na arquitetura LTE, essa funo fazparte da Evolved Packet Data Gateway (ePDG). O acesso no confivel roteado a partir do Packet Data NetworkGateway (PDN GW) sobre interface S2b at Evolved Packet Data Gateway (ePDG) que atua como um filtro de firewalle, em seguida, sobre a interface SWn WLAN. Nesse caso, necessrio que um dispositivo ligado atravs da WLANcrie um tnel IPsec para a ePDG. A seguir a figura 2 ilustrando a arquitetura de um acesso no-confivel.

Figura 2: Arquitetura de acesso No Confivel 3GPP Confivel A associao de telecomunicaes Third-Generation Partnership Project (3GPP) descreve uma rede Wi-Fi confivelcomo sendo implantada e gerenciada pela operadora, com criptografia area e mtodo de autenticao atravs deExtensible Authentication Protocol (EAP), IEEE 802.1X, criptografia IEEE 802.11i, RF criptografia, uso opcional decontrole e provisionamento de pontos de acesso sem fio, protocolo de Datagram Transport Security (DTLS) parasegurana do usurio e planos de controle. No acesso confivel a conexo IPsec no mais necessria, neste caso, a integrao pode ser adquirida usando S2a pararedes 2G/3G e S2a existentes para redes LTE. A Figura 3 abaixo ilustra a topologia de uma rede confivel 3GPP.

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Figura 3: Topologia da rede confivel 3GPP

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Rede Celular: Modelos de Autenticao da Rede Wi-Fi A escolha do mtodo de acesso rede Wi-Fi determinante para a usabilidade da rede. Abaixo, a Figura 4, ilustra osnveis de complexidade e segurana conforme os desenvolvimentos de autenticao foram evoluindo.

Figura 4: Evoluo dos mtodos de autenticao

TAL Login Transparente Automtico Login Transparente Automtico (TAL) permite o acesso ao usurio atravs de um portal da operadora, do qual o clientedever inserir suas credenciais (login e senha) fornecidas pela prpria. Neste primeiro acesso, um banco de dadosassocia o endereo MAC do dispositivo do usurio aos seus dados de acesso, para os acessos seguintes so feitos atravsda autenticao pela conferncia do Endereo MAC do terminal utilizado pelo usurio, j com o IP armazenado,configurando desta forma sua autenticao, autorizao e conta perfil do usurio (Authentication, Authorization,Accounting AAA). Por fim, o endereo MAC pode ser armazenado por tempo determinado, o controle de acesso rede no configura como uma forma segura e no h integrao de fato com a rede celular. A Figura 5 abaixo apresenta o fluxo de acknowledge de uma autenticao tipo TAL.

Figura 5: Fluxo de acknowledge para autenticao tipo TAL

WISPR Wireless Internet Service Provider Roaming Wireless Internet Service Provider Roaming um protocolo criado para recomendaes tcnicas, operacionais eestruturais de AAA necessria para possibilitar ao usurio roaming entre as diversas redes ISPs (Internet ServiceProvider). A figura 6 descreve a topologia pretendida.

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Figura 6: Topologia do mtodo de acesso WISPr A autenticao do usurio ocorre atravs do Universal Access Method (UAM), baseado no mtodo Wireless AccessGateway (WAG), no qual o servidor RADIUS redireciona os assinantes a um Portal Captivo, que por fim torna-seresponsvel por solicitar as credenciais do usurio e habilitar a autenticao, autorizao e contabilidade (AAA) para oacesso do assinante. A evoluo do acesso WISPr suporta autenticao EAP (Extensible Authentication Protocol) e EAP-SIM, permitindomaior segurana na interface area, com criptografia e intercomunicao entre o servidor HLR da operadora celularcom o servidor RADIUS (AAA), atravs de um gateway. Porm a limitao do sistema consistir na configurao da interface WLAN nos dispositivos, pois se trata de umatarefa incomum aos usurios.

EAP Extensible Authentication Protocol Autenticao baseada em protocolo EAP (Extensible Authentication Protocol), EAP-SIM ou EAP-AKA(Authentication and Key Agreement) definem um encapsulamento de mensagem com criptografia para aumentar asegurana da comunicao entre o servidor AAA com HLR da operadora. So utilizadas as informaes do SIM Cards dos dispositivos para a autenticao e acesso as redes WLAN, de formatransparente e segura, com interveno do usurio apenas no primeiro acesso. A Figura 7 apresenta o fluxo deacknowledge de uma autenticao EAP.

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Figura 7: Fluxo de acknowledge para autenticao tipo EAP

IEEE 802.11u O IEEE 802.11u um protocolo que permite a seleo automtica do SSID correto, sem interveno do usurio etambm apresenta informaes relativas rede e seu operador, como por exemplo, se a rede privada, pblica e etc.;desta forma permite que o dispositivo possua redes preferenciais, de acordo com suas credencias de acesso. Os protocolos de pr-associao auxiliam na definio de rede a qual o usurio pretende se associar atravs dasmensagens probe request e beacon, estes so:

GAS Generic Advertisement Service (Servio de Anncio Genrico).ANQP Access Network Query Protocol (Protocolo de Interrogao de Acesso)

Tais protocolos realizam a funo de auxiliar na escolha da SSID disponvel ao dispositivo mvel, fornecendoinformaes como o tipo de rede (pblica, privada e etc.), bit internet (indica se o AP pode ser utilizado para acesso internet), capacidade peer-to-peer, roaming (indica uma lista com prestadores de servios acessveis) entre outrasdefinies de auxlio. Por fim, o dispositivo mvel compara todas as informaes recebidas com os dados previamente configurados em suamemria de modo a eleger as SSIDs com nveis de preferncia mais altos e ento realiza o processo de autenticao. Desta forma, o protocolo 802.11u realiza a integrao com as redes celulares 3G e LTE.

Mobile IP Dual Stack Mobile IP (DSMIP) e Access Network Discovery and Selection Function (ANDSF) so protocolos demobilidade e no requerem suporte para acesso a WLAN. Dual Stack Mobile IP (DSMIP) um protocolo de mobilidade especificado pelo IETF (Internet Engineering Task Force) que permite handover, semdescontinuidade, entre as redes celulares 3G e Wi-Fi, fornecendo IP para sesses IPv4 e IPv6, desta forma, permite aousurio roam entre os acessos IPv4 e IPv6.

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DSMIP permite mobilidade atravs das redes enquanto mantm o endereo de IP contnuo. Access Network Discovery and Selection Function (ANDSF) O propsito do ANDSF auxiliar o dispositivo em descobrir redes vizinhas e fornecer ao operador as diretivas polticasinter sistemas para priorizao de acesso, atravs de premissas pr-definidas (QoS, latncia, jitter, etc.) e gerenciamentodas conexes de todas as redes. IP Flow Mobility (IFOM) O IP Flow Mobility especifica ao dispositivo na conexo a duas redes de acesso (Wi-Fi e 3G/4G) simultaneamente,otimizando o roteamento de diferentes tipos de trfego, na troca de pacotes pertencentes a diferentes fluxos atravs dediferentes redes de acesso.

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Rede Celular: LTE e Evoluo Wi-Fi

Arquitetura do Sistema LTE Long Term Evolution (LTE) foi criado para suportar comutao de pacotes de servios. O objetivo fornecerconectividade IP entre o pacote de dados de rede (PDN) e o equipamento do usurio (UE), sem qualquerdescontinuidade para usurios finais durante as aplicaes de mobilidade. Enquanto termo LTE inclui a evoluo do acesso de rdio atravs da Evolved-UTRAN (E-UTRAN), tambm acompanhada por uma evoluo dos aspectos de rdio sob o termo Evolution System Architecture (SAE), que inclui oEvolved Packet Core Network (EPC). Juntos LTE e SAE compem o Sistema Evolved Packet (EPS). O conceito doEPS de trafegar IP do gateway no PDN para a UE. Uma portadora (bearer) o fluxo de pacotes IP com qualidade deServio (QoS) entre o gateway e a UE. Dois importantes componentes para gerenciamento do trafego de dados dentroda arquitetura so:

Serving Gateway (S-GW)Packet Data Network Gateway (P-GW)

Serving Gateway (S-GW) Do ponto de vista funcional, a Serving GW o ponto terminal da interface de pacote de dados para o E-UTRAN.Funciona como definidor de rotas e encaminhamento dos pacotes de dados de usurios, agindo como ncora demobilidade, de forma que os pacotes sejam roteados para dentro do core E-UTRAN com mobilidade para outrastecnologias 3GPP, como 2G/GSM e 3G/UMTS. Packet Data Network Gateway (P-GW) O P-GW fornece conectividade entre o usurio e as redes de pacotes de dados externos, sendo o ponto de entrada esada de trfego para o usurio. O usurio pode ter ligao simultnea com mais de um P-GW para acessar o multiplePDNs. O Gateway PDN responsvel pela alocao de endereos IP para o dispositivo, pelo filtro de pacotes IP em diferentesQoS, baseado em modelos de fluxo de trfego (TFTs) e tambm serve como ncora de mobilidade parainteroperabilidade com as tecnologias no-3GPP como CDMA2000 e redes WiMAX.

Prxima Gerao de Hotspot Hotspot 2.0 A Wireless Broadband Alliance (WBA) tem como objetivo desenvolver novos Wi-Fi hotspots para atender a demandacrescente de acesso internet, visando melhorar a experincia dos usurios. Acesso, autenticao, roaming e descoberta de novas redes Wi-Fi, alm de suas caractersticas, propriedades e serviosdisponveis necessitam ser mais simplificados. ANQP, ANDSF, IEEE 802.11u, Wi-Fi Protected Access 2 (WPA 2) Enterprise, e autenticao EAP (SIM/AKA) socruciais para o desenvolvimento e evoluo.

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Rede Celular: Consideraes Finais Este documento apresenta a integrao da rede Wi-Fi com as redes de acesso de tecnologia mvel celular, visando seruma alternativa para a soluo do excesso de trfego de dados nas redes das operadoras, que tem apresentado aumentode demanda anual acima de sua capacidade. Apresentamos as vantagens e desvantagens da utilizao desta soluo, suas aplicaes, modo de interoperabilidadeentre os sistemas e os esforos de padronizao nas especificaes por parte da Associao de telecomunicaes Third-Generation Partnership Project (3GPP). A evoluo da tecnologia de extrema importncia objetivando o aumento da confiabilidade, abrangncia, qualidade deservio, gerenciamento, praticidade e integrao. Apesar de no apresentar formulaes matemticas, possvel avaliar as vantagens na implantao desta soluo emparalelo ou em conjunto com a prxima gerao de rede de acesso, o Long Term Evolution (LTE).

Referncias [1] Cisco collateral solutions index: Architecture for Mobile Data Offload over Wi-Fi Access Networks:http://www.cisco.com/en/US/solutions/collateral/ns341/ns524/ns673/white_paper_c11-701018.html [2] Wikipedia Mobile data Offloading:http://en.wikipedia.org/wiki/Mobile_data_Offloading [3] http://www.devicescape.com/industry-intelligence/Wi-Fi-offload [4] H. Poor, An Introduction to Signal Detection and Estimation. New York, Springer-Verlag, 1985, ch. 4. [5] Mobile Data Offloading index: How Much Can Wi-Fi Deliver?http://conferences.sigcomm.org/sigcomm/2010/papers/sigcomm/p425.pdf [6] Mobile Data Offloading Through Wi-Fi:http://www.sourcesecurity.com/docs/moredocs/proximmicrosite/Mobile-Data-Offloading-Through-Wi-Fi-V1.2.pdf [7] Cellular Traffic Offloading through Wi-Fi Networks:http://www.deutsche-telekom-laboratories.de/~panhui/publications/mass11offload.pdf [8] EliteCore index: 3G/4G Wi-FiOffloading:http://www.elitecore.com/telecompractices/3G-4G_mobiledata_offload.html [9] Wi-Fi Access Point Deployment for efficient Mobile Data Offloading:http://www.cs.rpi.edu/~szymansk/papers/pingen.12.pdf [10] C. J. Kaufman, Rocky Mountain Research Lab., Boulder, CO, private communication, May 1995. [11] Wi-Fi: The mobile data offload boom:http://www.tefficient.com/.cm4all/mediadb//tefficient%20public%20industry%20analysis%2010.pdf [12] Alvarion index: Application Note:http://www.alvarion.com/phocadownload/ApplicationNotes/AN_Data_Offloading_Solution_7_2012_LR.pdf [13] Integration Wi-Fi RANs into the Mobile Packet Core:http://a030f85c1e25003d7609-b98377aee968aad08453374eb1df3398.r40.cf2.rackcdn.com/wp/wp-integrating-Wi-Fi-rans-into-the-mobile-packet-core.pdf

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[14] Interworking between next generation fixed and 3GPP Wireless Networks:http://www.broadband-forum.org/technical/download/TR-203.pdf [15] How to make advantage mobile internet:http://owni.fr/files/2011/09/Internet_growth_V10.pdf [16] Wi-Fi Certified Passpoint Architecture for Public Access:http://www.arubanetworks.com/pdf/technology/whitepapers/WP_Passpoint_Wi-Fi.pdf [17] S. P. Best Current Practices for Wireless Internet Service Provider (WISP) Roaming:http://marcelotoledo.wpengine.com/wp-content/uploads/2007/12/wispr_v10.pdf [18] Wi-Fi Strategy for Telcos index: Why Wi-Fi:http://www.ciscoknowledgenetwork.com/files/203_SP-Wi-Fi-ckn-Feb21.pdf [19] Interdigital index: Cellular Wi-Fi Integration:http://www.interdigital.com/wp-content/uploads/2012/08/Cellular_Wi-Fi_Integration-White-Paper.pdf [20] Aptilo index: Overview of 3GPP options for Wi-Fi access:http://www.aptilo.com/mobile-data-Offloading/3gpp-Wi-Fi-access [21] Radio Access Network Selection in a Heterogeneous:http://www.elec.qmul.ac.uk/people/eliane/documents/wcnc_preprint_version.pdf [22] Enhacing Wi-Fi with IEEE 802.11u for Mobile Data Offloading:http://airccse.org/journal/ijmnct/papers/2412ijmnct03.pdf [23] Wikipedia:http://en.wikipedia.org/wiki/Generic_Access_Network [24] JNew Wireless BroadBand Applications and Devices: Understanding the Impact on Networks:http://www.4gamericas.org/UserFiles/file/White%20Papers/4G%20Americas%20White%20Paper%20New_Wireless_Broadband_Applications_and_Devices%20May%202012.pdf [25] Digital cellular telecommunications system (Phase 2+):Enhanced Generic Access Networks (EGAN):http://www.etsi.org/deliver/etsi_tr/143900_143999/143902/11.00.00_60/tr_143902v110000p.pdf [26] Brainwork index: 802.11u e Offload: Wi-Fi ser complemento do 3G:http://www.brainwork.com.br/blog/2012/01/31/802-11u-e-offload-wi-fi-ser-complemento-do-3g/ [27] Qualcomm index: 3G/Wi-Fi Seamless Offload:http://www.qualcomm.com/media/documents/files/qualcomm-research-3g-Wi-Fi-seamless-offload.pdf

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Rede Celular: Teste seu entendimento 1. Qual das alternativas abaixo representa uma das solues consideradas por pesquisadores e operadoras a fimde evitar um apocalipse de dados mveis?

Melhoria da capacidade de Core da Rede e aumento do nmero de estaes rdio base.Implantao da nova gerao de tecnologia de rede de acesso como High Speed Packet Access (HSPA) ou LongTerm Evolution (LTE).Implantar pequenas clulas rdio base, Femtocell, cobertura indoor.Utilizar hotspot Wi-Fi para descarregar o trfego de dados da rede mvel.Todas as alternativas anteriores.

2. Qual a diferena entre as solues EGANC e IWLAN padronizadas pelo 3GPP para o acesso Wi-Fi na redemvel celular?

O EGANC realiza o roteamento de todos o trfego e sinalizao celular atravs da rede Wi-Fi e o IWLAN apenas uma soluo de transferncia de dados IPs entre o dispositivo mvel e o ncleo da rede mvel.O IWLAN realiza o roteamento de todos o trfego e sinalizao celular atravs da rede Wi-Fi e o EGANC apenas uma soluo de transferncia de dados IPs entre o dispositivo mvel e o ncleo da rede mvel.O EGANC realiza o roteamento de todos o trfego de dados atravs da rede Wi-Fi e o IWLAN apenas umasoluo de transferncia de dados de sinalizao entre o dispositivo mvel e o ncleo da rede mvel.O IWLAN realiza o roteamento de todos o trfego de dados atravs da rede Wi-Fi e o EGANC apenas umasoluo de transferncia de dados de sinalizao entre o dispositivo mvel e o ncleo da rede mvel.

3. Qual das alternativas abaixo lista o mtodos de autenticao Wi-Fi apresentados no contexto deste tutorial?

TAL, WISPR, EAP, IEEE 802.16 e Mobile IP.TAL, WISPR, EAP, IEEE 802.11u e Mobile Handover.TAL, WISPR, EAP, IEEE 802.11u e Mobile IP.TAL-Long, WISPR, EAP, IEEE 802.11u e Mobile IP.

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