Redes Sem Fio de Banda Larga Alunos: Fernando Henrique José Vicente Renan

Sumário Introdução Comparação entre 802.16 e 802.11 Aspectos Tecnológicos WiMAX Modelo 802.16 Camada Física Camada de Enlace de Dados Estrutura de Quadro Conclusão

Redes sem fios de banda larga Motivações  Oportunidade para que as empresas de telefonia possam oferecer serviços locais de voz e Internet de alta velocidade de forma satisfatória. Inicialmente havia uma baixa aceitação devido a falta de uma padronização. Surge então o padrão 802.16 "Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems“ (interface aérea para sistemas fixos de acesso sem fio de banda larga). Também conhecido por MAN sem fio ou loop local sem fio.

Comparação entre o 802.16 e o 802.11 Ambos referem-se a redes sem fio, mas resolvem problemas diferentes;   Serviço para clientes fixos x mobilidade; Comunicação full-duplex x half-duplex; Vários esquemas de modulação; segurança e privacidade essenciais e obrigatórias;

Comparação entre o 802.16 e o 802.11 Célula com muito mais usuários;   Operam na faixa de frequências de 10 a 66 GHz, muito mais alta que as bandas ISM; Ondas ondas milimétricas são fortemente absorvidas pela água; Ondas milimétricas concentradas em feixes direcionais x ondas omnidirecional; Fornece suporte completo para telefonia e uso pesados de multimídia (qualidade do serviço); Rede de televisão a cabo sem fio estacionária x Ethernet móvel.

Aspectos Tecnológicos

Aspectos Tecnológicos Em 2003 a IEEE lançou o padrão 802.16a Não é mais necessário que as antenas estejam alinhadas As ondas podem fazer curvas e se propagarem por toda uma área, como as redes de celulares que operam a 2GHz Quanto maior a faixa da frequência mais informações podem ser transmitidas Faixa de frequência 802.16 -> 10-66GHz 802.16a -> 2-11Ghz Distância Máxima de Alcance 802.16 -> 2 a 5 km 802.16a -> 50 km Pode-se trabalhar com várias frequências Implementação em praticamente todo o país

WiMAX Interoperabilidade Mundial para Acesso de Micro-ondas Worldwide Interoperability for Microwave Access Empresas fabricantes de equipamentos e de componentes Funcionamento: Semelhante ao bluetooth e ao Wi-Fi (Wireless Fidelity)  Transmissões podem chegar aos 1Gbps a uma distância de 50km. Usado para comunicação entre pequenos dispositivos de uso pessoal, como PDAs, telefones celulares (telemóveis) de nova geração, computadores portáteis, mas também é utilizado para a comunicação de periféricos, como impressoras, scanners, etc. Opera em 2,45 GHz Objetivos: promover a compatibilidade e inter-operabilidade entre equipamentos baseados no padrão IEEE 802.16 estabelecer a parte final da infra-estrutura de conexão de banda larga oferecendo conectividade para uso doméstico, empresarial e em hotspots.

Vantagens Diminui custos de infra-estrutura de banda larga para conexão com o usuário final Deverá ter uma aceitação grande por usuários, seguindo a tecnologia Wi-Fi (IEEE 802.11) e diminuindo ainda mais os custos da tecnologia Possibilitará altas taxas de transmissão de dados Possibilita Cobertura de acesso à Internet mesmo em movimento Existe amplo suporte do desenvolvimento e aprimoramento desta tecnologia por parte da indústria.

Desvantagens Nas faixas de frequência mais altas existem limitações quanto a interferências pela chuva, causando diminuição de taxas de transferências e dos raios de cobertura. Frustação quanto à taxa de transmissão Alguns meios físicos podem causar interferências na transmissão do sinal como Construções, montanhas, morros muito altos são outros fatores que também podem ocasionar a baixa taxa de transferência. Tecnologia ainda tem um período de maturação a ser atingido Pode haver sobreposição de utilização de freqüência com algum serviço já existente Grande oscilação na velocidade real de conexão

Modelo do 802.16 OSI (7 camadas): Aplicação,  Apresentação, Sessão, Transporte, Rede, Enlace de Dados e Física TCP/IP (4 camadas): Aplicação, Transporte, Internet e Interface Física de Rede Modelo une a didática do OSI e a prática do TCP/IP

Modelo do 802.16

Prévia do Enlace de Dados Subcamadas Segurança: Criptografia, descriptografia e gerenciamento de chaves Parte comum da subcamada MAC: Responsável pelos principais protocolos Gerência dos canais downstream e upstream Subcamada de convergência de serviços específicos: Definir interface para a próxima camada

Camada física Necessita de grande largura de banda, que é encontrada na faixa de 10 a 66 GHz. As ondas dessa faixa viajam em linha reta. As antenas devem ser direcionadas às regiões que deseja atender diferentemente das ondas de rádio omnidirecionais.

A intensidade do sinal cai drasticamente com a distância e com a presença de chuva, granizo, neve e até mesmo neblina. Para resolver o problema da distância são usadas três tipos de modulação: QAM¹-64 (6 bits/baud) QAM¹-16 (4 bits/baud) QPSK² (2 bits/baud) 1 QAM: Quadrature Amplitude Modulation - Tipo de modulação que combina técnicas de modulação de amplitude e de fase para aumentar a taxa de transmissão. 2 QPSK: Quadrature Phase Shift Keying - Tipo de modulação de fase na qual 4 diferentes ângulos de fase ortogonais são utilizados.

Quanto mais longe da estação base menor a largura de banda disponível.

Camada física É utilizada a modulação de portadora única (single carrier) com taxa de 134,4 Mbps. Pode ser utilizada TDD (Time Division Duplex) ou FDD (Frequency Division Duplex) Permite aos clientes operar no modo half-duplex e full-duplex. Um quadro da camada física contém vários quadros MAC.

Camada física É feito o tratamento de erros na camada física utilizando o algoritmo de Hamming. As propriedades de downlink e uplink são associadas a cada frame permitindo ajuste dinâmico às condições do link.

A camada de Enlace de Dados A camada de Enlace de Dados se divide em 3 sub-camadas: Subcamada de segurança Subcamada MAC Subcamada Convergência de serviços específicos

Subcamada de segurança Responsável pela autenticação de usuários e privacidade das informações A criptografia é utilizada para manter secretos todos os dados transmitidos Apenas a carga útil do quadro é criptografada Isso significa que um espião pode ver quem está se comunicando com quem, mas não o que está sendo transmitido Quando um assinante se conecta à estação base, eles executam um processo de autenticação mútua, com criptografia de chave pública

Subcamada MAC Responsável pelo gerenciamento dos canais downstream e upstream O canal downstrem é gerenciado pela estação base O canal upstream é disputado pelos assinantes Para resolver essa disputa pela alocação do canal, leva-se em conta a gestão da qualidade do serviço

Subcamada MAC São definidas quatro classes de serviços: Serviço de taxa de bits constantes Serviço de taxa de bits variável de tempo real Serviço de taxa de bits variável de tempo não-real Serviço de melhor esforço A subcamada MAC(assim como todos os outros serviços) do IEEE 802.16 é orientado a conexões No momento em que é estabelecida a conexão, é determinado um tipo específico de serviço

Serviço de taxa de bits constantes Destinado à transmissão de voz não compactada Precisa enviar uma quantidade de dados pré- determinada a um intervalo de tempo pré-determinado Dedica-se uma certa quantidade de slots de tempo a cada conexão desse tipo Uma vez que a largura de banda é alocada, os slots de tempo ficam disponíveis automaticamente

Serviço de taxa de bits variável de tempo real Destinado a aplicações de multimídia compactada e a outras aplicações de software de tempo real em que a largura de banda necessária em cada instante pode variar A estação base consulta o assinante de tempos em tempos sobre a quantidade de largura de banda necessária em cada momento

Serviço de taxa de bits variável de tempo não-real Destinada a transmissões pesadas que não são de tempo real, como as transferências de grandes arquivos A estação base consulta o assinante com frequência, mas a divisão dos slots de tempo não é feita com muita rigidez Ou seja, caso necessite transmitir tráfego adicional, o cliente pode solicitar uma consulta à estação base Se uma estação não responder a uma consulta k vezes seguidas, a estação base a colocará em um grupo de multidifusão

Serviço de melhor esforço Destina-se a todos os outros casos O assinante deve disputar a largura de banda com outros assinantes deste serviço Cada quadro é composto por subquadros, dos quais 2 deles são o mapa downstream e upstream As solicitações de largura de banda neste caso são feitas para slots de tempo marcados no mapa como disponíveis para disputa Se uma solicitação for bem sucedida, seu sucesso será notado no próximo mapa e os assinantes mal-sucedidos terão que tentar de novo mais tarde Para evitar colisões, é usado o algoritmo de recuo binário

Alocação da largura de banda O padrão 802.16 define duas formas de alocação de largura de banda: por estação e por conexão No primeiro caso, a estação do assinante agrega as necessidades de todos os usuários no edifício e faz solicitações coletivas No segundo caso a estação base administra diretamente cada conexão

Subcamada de convergência de serviços específicos Responsável por oferecer uma interface amigável à camada de redes, minimizando os efeitos das diferentes tecnologias da camada de enlace

Estrutura de Quadro Todos os quadros MAC começam com um cabeçalho genérico. Em seguida vem a carga útil (opcional). E o total de verificação (opcional).

Estrutura de Quadro (a) O bit EC informa se a carga útil esta criptografada. O campo Tipo identifica o tipo de quadro, informando principalmente se a compactação e a fragmentação estão presentes. O campo CI indica a presença ou a ausência do total de verificação final. O campo EK informa qual das chaves de criptografia esta sendo usada (se houver). O campo Comprimento fornece o comprimento completo do quadro, incluindo o cabeçalho. O Identificador de conexão informa a qual conexão esse quadro pertence. O campo CRC de cabeçalho e um total de verificação relativo apenas ao cabeçalho.

Estrutura do Quadro (b) Semelhante ao quadro comum. Inicia com bit 1. O segundo e terceiro bytes informam a largura de banda necessária.

Conclusão 802.16 substitui cabeamento necessário para levar acesso à Internet em altas velocidades Fácil de instalar e oferece custos razoáveis Intel pronunciou: “O 802.16 é a coisa mais importante desde a própria Internet” Soluciona problemas de mobilidade Estima-se Brasil e Índia competindo países como EUA, Japão, Alemanha e Itália Inclusão Digital Por fim, o 802.16 indica como a revolução da Internet e contribui para melhorar as comunicações que estão e ficarão fortemente conectadas.

Referências TANENBAUM, A. S. “Redes de Computadores” – Editora Campus – 4ª edição.   GANDELMAN, D. Abensur; VASQUES, C. M. Rodrigues. “Trabalho de Redes de Computadores II”, Universidade Federal do Rio de Janeiro. http://www.gta.ufrj.br/~rezende/cursos/eel879/trabalhos/80216/ IEEE. http://www.ieee.com/ LIMA, L. dos Santos; SOARES, L. F. Gomes; ENDLER, M. “WiMAX: Padrão IEEE 802.16 para Banda Larga Sem Fio” – Pontífica Universidade Católica do Rio de Janeiro – Setembro – 2004. http://www-di.inf.puc- rio.br/~endler/paperlinks/TechReports/MCC29-06.pdf