Conceitos Básicos Bibliografia:

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1 Conceitos Básicos Bibliografia:
Jochen Schiller: Mobile Communications, capítulos 2 e 3.

2 Modelo de Referência Aplic. Físico Enlace Rede Transp. Aplic. Transp.
Server Gateway © Markus Endler

3 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, 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 © Markus Endler

4 Conceitos Básicos Espectro 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) © Markus Endler

5 Conceitos Básicos Transmissão sem fio: Banda/faixa de frequência:
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 requerem licenciamento Exemplos: GSM ( MHz, MHz) Banda ISM (2.4 GHz GHz) para Wireless LANs Banda C para Satélites (2- 40 GHz) © Markus Endler

6 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) Baseband signal Modulação Digital Modul. Analógica 01101 carrier © Markus Endler

7 Modulação f1 f2 f1 Frequency Shift Keying Amplitude Shift Keying
Phase Shift Keying (de 180 º) © Markus Endler

8 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 propragação omnidirecional: em todas as direções direcional: em apenas uma direção setorizada: em 3, 6, etc. direções omnidirecional direcional 3 sector © Markus Endler

9 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 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 © Markus Endler

10 Propagação: Problemas
Reflexão e absorção depende do material, polarização, frequência, angulo 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 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); (indoor) © Markus Endler

11 Propagação Técnicas para melhorar a eficiência da propagação:
Aumentar potência de transmissão (pode não ser a melhor solução, como por exemplo em sistemas CDMA) 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 © Markus Endler

12 Conceitos Básicos Sistema de Rádio Digital: F D Codificação Fonte
Acesso Múltiplo Codificação de canal F Modulação Amplificação + frequência portadora Decodificação Fonte Acesso Múltiplo Decodificação de canal Demodulação Equalização Filtro de Rádio D - frequência portadora © Markus Endler

13 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) 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. © Markus Endler

14 Conceitos Básicos: FDMA
FDMA – Frequency Division Multiple Access (AMPS) Max_freq ... Min_freq 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 © Markus Endler

15 Conceitos Básicos: TDMA
TDMA – Time Division Multiple Access Max_freq ... Min_freq 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) © Markus Endler

16 Conceitos Básicos FDMA e TDMA combinados (Exemplos: IS-136, GSM) ...
Max_freq portadora ... Min_freq 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. © Markus Endler

17 Conceitos Básicos: CDMA
CDMA – Code Division Multiple Access Max_freq Distância mínima entre os pontos de frequência Min_freq 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) © Markus Endler

18 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 © Markus Endler

19 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) © Markus Endler

20 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 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 © Markus Endler

21 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 1 1 f1 f2 f3 td td © Markus Endler

22 Conceitos Básicos: FH Frequency Hopping é uma das técnicas de modulação usada em IEEE Max_freq Frequência portadora ... Min_freq 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 hops/s Vantagem: evita interferência com transmissão em largura de banda estreita © Markus Endler

23 Conceitos Básicos: DSSS
Direct Sequence Spread Spectrum: Princípio de funcionamento Chipping Code [ ] Dados: 101 , , Code: , , Sequência transmitida: , , 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 © Markus Endler

24 Conceitos Básicos: DSSS
Direct Sequence Spread Spectrum Sinal transmitido Dados Sinal DSSS NOT XOR Modulação carrier Chipping sequence 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 © Markus Endler

25 Conceitos Básicos: Acesso Múltiplo
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, ) acesso escalonado (p.ex. Bluetooth) acesso híbrido © Markus Endler

26 Conceitos Básicos: Acesso Múltiplo
Protocolos de Acesso Randômico: ALOHA (U.Havaí) puro canal é acessado assim que msg 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 = 2 ( tempo de transmissão de 1 frame) Slotted ALOHA frames transmitidos em fatias de tempo Período de vulnerabilidade =  © Markus Endler

27 Conceitos Básicos: Acesso Múltiplo
Carrier Sense Multiple Access (CSMA) Idéia 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 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 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 © Markus Endler

28 Conceitos Básicos: Acesso Múltiplo
Data 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 © Markus Endler

29 Conceitos Básicos: 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) 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 © Markus Endler

30 Conceitos Básicos: Acesso Múltiplo
CSMA/CA (=Collision Avoidance) usado em 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 Hidden Terminal Problem © Markus Endler

31 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 /  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 © Markus Endler

32 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 ERB Esta negociação é feita através de Canais de Controle/Sinalização Signal/noise Região de Handover © Markus Endler ERB1 ERB2 D (m)

33 Tipos de Handover Iniciados pela rede (Central de Controle e Comutação) primeiras redes celulares controle 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 UM dificulta a pre-alocação de recursos nas ERBs dá mais flexibilidade de escolha à UM UM pode monitorar canais de controle de várias ERBs e escolher a melhor Hand Over só ocorre quando realmente necessário (economia de energia) Iniciados em Colaboração UM escolhe as ERBs candidatas, e rede escolhe a ERB com menor carga (para provisão de QoS) © Markus Endler

34 Reuso Distância 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 1 2 6 7 5 3 4 D = R* (3*N), onde R = raio aproximado das células Exemplo: Canais efetivos em FDM: 416/7 = 59 © Markus Endler

35 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 potencia Setoriamento de Células: uso de antenas angulates 6 5 7 4 2 3 1 6 2 Setor B Setor A Exemplo: B pode usar mesma freqência de celula 4 Setor C 5 3 Alocação dinâmica de canais: uma ERB com baixa demanda pode “emprestar” canais a uma ERB com muitos usuários © Markus Endler

36 Exemplo de Rede Celular GSM/ GPRS

37 Visão Geral do GSM GSM: Global System for Mobile Communications
sist. celular de 2G usado em > 130 países © Markus Endler

38 Subsistemas GSM Subsistema 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) © Markus Endler

39 Subsistemas GSM Subsistema 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 © Markus Endler

40 Subsistemas GSM Subsistema 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) © Markus Endler

41 Protocolos 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 © Markus Endler

42 GSM: 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 © Markus Endler

43 Por que Comutação de Pacotes?
Telecomunicações Transporte Serviços ISDN Chamadas com vídeo Banda Larga Convegência IP Computer Acesso à Internet Pictures LAN Remota Voz sobre IP IP Móvel Serviços Móveis e Pessoais Media Music Video sobre demanda Animação Infotainment Propaganda © Markus Endler

44 GPRS: General Package Radio Service
Aplicações 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 kbps © Markus Endler

45 Acesso seguro a redes corporativas
GPRS: Aplicações Acesso seguro a redes corporativas © Markus Endler

46 GPRS: Aplicações Acesso seguro a redes corporativas AOD/VOD
Dec.1999 Feb. 2000 Set. 2002 2Q/2004 2Q/2003 14.4K bps 64.K bps 144K bps WAP On-line SMS n.TOP launching 9.6K bps WAP Browser Karaoke Game GVM/JAVA AOD/VOD MP3 download ) Picture-mate Game-land Chatting MMS Download animações jan. 2003 GSM CSD/ HCSD GPRS /EDGE UMTS © Markus Endler

47 GPRS: Principais Componentes
© Markus Endler

48 GPRS: Unidades Funcionais
SGSN Gerência de mobilidade Autenticação da MS (estação móvel) Cifragem de Dados Interação com VLR/HLR Estatísticas e Cobrança Tunelamento GTP para outros GSNs GGSN Interfaces seguras para redes externas 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 © Markus Endler

49 GPRS: Processo de Conexão
Conexão a rede GSM (GPRS attach) Realizado quando o usuário liga o terminal Registro do usuário na rede O 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 sessão Isto é feito através da ativação de contextos PDP O usuário pode obter um IP estático ou dinâmico de acordo com seu perfil © Markus Endler

50 GPRS: Sessão Gerenciamento de sessões através de contextos PDP
Quando um contexto PDP é ativado o usuário pode iniciar a transmissão de dados Informações necessárias a criação de um contexto PDP APN – Access Point Name Ip dinamico ou fixo Qos necessária © Markus Endler

51 GPRS: Sessão © Markus Endler

52 GPRS: Sessão BTS BSC Contexto PDP Apn = gprs.oi.com.br SGSN PDP ativo
Core Network PDP ativo Intranet GGSN gprs.oi.com.br Internet © Markus Endler