DEPARTAMENTO DE ELECTRÓNICA E TELECOMUNICAÇÕES

LICENCIATURA EM ENG. ELECTRÓNICA E TELECOMUNICAÇÕES ANO 2002/2003

REDE DE INFRAVERMELHOS A ALTA VELOCIDADE

RESUMO DOS DOCUMENTOS

Realizado por :

António Afonso Rodrigues n.º mec.: 18774

Data de entrega : 23/10/2002

Pedro Nuno Lopes Palmela n.º mec.: 17474

PROJECTO 2002/2003

INTRODUÇÃO A transmissão de informações através do espectro infravermelho (“infrared”,

IR, ou ainda IV) é nossa velha conhecida. Quando se usa o controle remoto para

mudar o canal da TV ou mudar a faixa do “CD-player”, na maioria das vezes

estamos utilizando a tecnologia de raios infravermelhos. Como este tipo de

transmissão de dados é feita pelo ar, ou seja, não necessita de fios ou cabos, ela é

muito prática.

Actualmente as duas tecnologias de suporte ás redes de área local sem fios,

mais utilizadas: são a rádio frequência e os infravermelhos. Apesar de distintas,

estas duas tecnologias possuem potencialidades semelhantes. Na realidade as

diferenças entre as duas tecnologias são basicamente impostas pelos seus

transdutores e pelas características de ruído do canal de transmissão. A operação

da camada física Infravermelho transforma a representação binária dos sinais em

um sinal de luz infravermelho adequado para transmissão. A camada física

Infravermelho opera usando transmissão não-direccionada. Dessa forma não há

necessidade de se direccionar o transmissor com o receptor. Por causa disso o

Infravermelho é utilizado principalmente em ambientes fechados (“indoor”) já que ele

utiliza o tecto e as paredes como reflectores de sinal. Por causa do uso do tecto

como ponto de reflexão, os aparelhos de infravermelho que obedeçam o padrão

802.11 possuem um pequeno raio de acção. Tipicamente o raio de acção varia entre

10 a 20m, dependendo da altura do tecto.

A camada física Infravermelho transmite seu sinal perto da luz visível (850-

950nm) com um nível máximo de potência igual a 2W de energia óptica de pico. Por

causa da frequência de transmissão relativamente alta, não há restrições quanto ao

uso da frequência. A título de curiosidade, convêm referir que, as primeiras interfaces para

transmissão de dados através do infravermelho surgiram para comunicar as

calculadoras HP com suas mini-impressoras. Disponibilidade operacional de 99.9%

DESENVOLVIMENTOS NA ÁREA DE INFRAVERMELHO

• estabelecimento de redes locais com múltiplas estações base;

• transmissão serial, comunicação entre telefones celulares

• taxas de transmissão adaptativas;

• utilização de técnicas de diversidade angular na recepção do sinal

• velocidades de transmissão superiores a 10Mbps

• utilização de tecnologias mistas que envolvem rádio frequência e

infravermelhos

• aparecimento de tecnologias híbridas de cabo e sem fios

• caracterização do canal de transmissão óptico e do ruído ambiente;

• novos transdutores optoelectrónicos;

• protocolos para redes de transmissão sem fios, mais eficientes;

INFRAVERMELHO RÁDIO FREQUÊNCIA Espectro não sujeita a qualquer regulamentação

Grande ocupação do seu espectro de frequências, por um elevado número de equipamentos

Não necessita de licenciamento prévio para utilizar dispositivos com esta tecnologia.

Necessita de licenciamento prévio para

utilizar dispositivos com esta tecnologia

Estrutura relativamente mais simples (baseado na amplitude). Baratos e de fácil implementação

Aumenta a complexidade e consequente elevado custo dos sistemas

são absorvidos pelos objectos escuros, difusamente reflectidos pelos objectos claros e direccionalmente reflectidos pelos espelhos. penetra nos vidros mas não nas paredes

Propagam-se com facilidade através de paredes

Coexistência de células vizinhas sem que haja interferência entre si. Confinada a espaços fechados

Interferência em células vizinhas,

facilidade de intercepção

Informação circula totalmente protegida contra a escuta e interferência

Confinar a informação a uma pequena

área geográfica é extremamente difícil

A interferência electromagnética não é um factor importante para a degradação

Muito vulneráveis a interferência electromagnética

O esvanecimento multipercurso não é uma interferência muito preocupante

Sofre de degradação pela dispersão multipercurso

Influenciados pelas condições climatéricas

Pouco influenciados pelas condições climatéricas

Ofereçam alcances, comparativamente mais pequenos

Ofereçam alcances, comparativamente superiores

Detecção do sinal é feita com base na amplitude do sinal óptico

Detecção do sinal é feita com na frequência ou fase deste

Indicado para comunicações com altas taxas de transmissão, solução de custo efectivo satisfazendo os requerimentos crescentes de banda para redes de alta performance.

Indicada nos casos de redes de grandes distâncias e grandes volumes de tráfego.

TÉCNICA DE MODULAÇÂO NOS INFRAVERMELHOS

O Infravermelho transmite os dados binários a 1 ou 2 Mbps, usando um tipo de modulação específico para cada uma das taxas de transmissão. Para operação a 1Mbps, o Infravermelho usa modulação 16-PPM (Pulse Position Modulation).

A ideia do PPM é variar a posição de um pulso para representar símbolos binários diferentes. Como já foi dito, o ruído interfere na amplitude do sinal, não na fase. Portanto, o uso de PPM reduz potencialmente a interferência do sinal transmitido. CARACTERISTICAS COMUM RÁDIO FREQUÊNCIA/INFRAVERMELHO

Tanto em sistemas rádio como em sistemas por infravermelhos, a largura de banda é limitada pela dispersão multipercurso, pelo esvanecimento multipercurso (no caso da tecnologia de rádio frequência), pelos transdutores e pelas normas MODELOS DE PROPAGAÇÃO DA RADIAÇÃO INFRAVERMELHA

• múltiplas reflexões proposto por Barry • reflexão única proposto por Gfeller • propagação em linha-de-vista • de propagação isotrópica

TRANSMISSÂO EM MEIO FÍSICO Feita utilizando dispositivos optoelectrónicos:

LED (“Light Emiting Diode”) normalmente utilizados em ambientes “indoor” LASER.

mais apropriados para utilização “outdoor”

PRINCIPAIS TÉCNICAS DE TRANSMISSÃO PARA A PROPAGAÇÃO DA RADIAÇÃO INFRAVERMELHA

• transmissão ponto-a-ponto (ou directiva)

• transmissão quasi-difusa

• transmissão difusa

A transmissão de sinal por infravermelhos em espaço livre, ao nível da camada

física, é baseada na modulação de intensidade e na detecção directa, tal como na

transmissão de sinal por fibra óptica.

ARQUITECTURA DE REDES SEM FIOS 802.11 CARACTERISTICAS E FUNCIONAMENTO DO IEEE 802.11

Este é um padrão para redes sem fio, permitia transmissões a apenas 1 Mbps,

enquanto o padrão actual

• Camada MAC de comunicação

• Recebe do LLC –( Logic Link Control) – um conjunto de dados (MSDU –MAC

Service Data Unit)

• Envia para o nível físico o MPDU – ( MAC Control Data Unit) = Cabeçalho

contendo informações de controle + MSDU

• A princípio as camadas superiores são responsáveis pela segurança

• Aspectos delicados em relação á segurança levam esta responsabilidade ao

MAC

• Necessita de compatibilidade com níveis superiores já desenvolvidos

(TCP/IP)

• Três modos de funcionamento:

Redes IBSS – Independent Basic Service Set – Rede ad hoc

Estações independentes

Criada de maneira espontânea

Período de tempo determinado

Área de abrangência pequena

Redes BSS – Basic Service Set

Rede da Infra-estruturas

Conjunto de BSS interconectadas por um Sistema Distribuído

Os dispositivos identificam tudo como uma grande rede

A interligação pode ser feita via rede “Wire”

Redes ESS – Extended Service Set

O DS deve disponibilizar funções de mobilidade (Migração de

dispositivos entre Access Point (“Roaming”)

Mobilidade = Novos desafios para roteamento e segurança

Aspectos de QoS = Aumento de complexidade

BLUETOOTH

O Bluetooth é uma tecnologia de transmissão de dados via sinais de rádio de

alta frequência, entre dispositivos electrónicos próximos. A distância ideal é no

máximo 10 metros e a distância máxima é de 100 metros, atingida apenas em

situações ideais. Um dos trunfos é o facto dos transmissores serem baratos e

pequenos o suficiente para serem incluídos em praticamente qualquer tipo de

dispositivo, começando por notebooks, celulares e micros de mão, passando depois

para micros de mesa, mouses, teclados, joysticks, fones de ouvido, etc. A maior

ameaça para a popularização do Bluetooth são os transmissores 802.11b, outra

tecnologia de rede sem fio que transmite a 11 Mbits (contra 1 megabit no Bluetooth)

e tem um alcance maior. O 802.11b é voltado para redes sem fios e é um padrão

mais caro, embora os preços estejam caindo para patamares próximos aos do

Bluetooth.

• Conexão de aparelhos em fios em áreas pequenas

• Capacidade para 7 dispositivos em ligação BSS

• Direccionado para PAN (“Personal Area NetWork”)

IEEE 802. 11b

Esta é a tecnologia de rede sem fio mais popular actualmente. O 802.11b

opera na faixa dos 2.4 GHz e permite transferências de dados a 11 Mbits, uma

velocidade semelhante à das redes Ethernet de 10 Mbits.

A topologia das redes 802.11b é semelhante à das redes de par trançado,

com um Hub central. A diferença no caso é que simplesmente não existem os fios .

Existem tanto placas PC-Card, que podem ser utilizadas em notebooks e em alguns

handhelds quanto placas para micros de mesa. O Hub é chamado de ponto de

acesso, e tem a mesma função que desempenha nas redes Ethernet: retransmitir as

transmissões de forma que todos os micros da rede as recebem.

Existe a possibilidade de conectar um ponto de acesso 802.11b a uma rede

Ethernet já existente, unindo as duas redes. Para isto, bastaria conectar o ponto de

acesso ao hub Ethernet, usando um cabo de par trançado, possibilidade oferecida

pela maioria dos pontos de acesso

IEEE 802.11a

O 802.11a utiliza a faixa de frequência de 5 GHz, em oposição ao 802.11b e

ao 8902.11g, que utilizam a faixa dos 2.4 GHz. A faixa dos 5 GHz é mais "limpa"

pois não existe a interferência potencial com aparelhos de microondas, nem com

outras arquitecturas de rede, como o Bluetooth, o que pode, em casos extremos,

diminuir perceptivelmente a velocidade das transferências. Graças à frequência mais

alta, o IEEE 802.11a também é quase cinco vezes mais rápido, atingindo

respeitáveis 54 Mbits. O grande problema é que o padrão também é mais caro.

É de se esperar então que as redes de 11 Mbits continuem se popularizando

no mercado doméstico, enquanto as de 54 Mbits ganhem terreno no mercado

corporativo. Apesar do "a" no nome, este padrão é mais recente que o 802.11b.

REDES LOCAIS SEM FIOS IEEE 802.11

Uma rede sem fio (Wireless) é tipicamente uma extensão de uma rede local

(Local Area Network - LAN) convencional com fio, criando-se o conceito de rede

local sem fio (Wireless Local Area Network - WLAN). Uma WLAN converte pacotes

de dados em onda de rádio ou infravermelho e os envia para outros dispositivos sem

fio ou para um ponto de acesso que serve como uma conexão para uma LAN com

fio.

“Uma rede sem fio é um sistema que interliga vários equipamentos fixos ou

móveis utilizando o ar como meio de transmissão”[IEEE 802.11a].

A Figura 1.1 ilustra uma rede sem fio conectada por um ponto de acesso

(AP) a uma rede convencional com fio

Figura 1.1- Conexão de uma rede sem fio com uma convencional com fio

O IEEE constituiu um grupo chamado de Wireless Local-Area Networks

Standard Working Group, com a finalidade de criar padrões para redes sem fio,

definindo um nível físico para redes onde as transmissões são realizadas na

frequência de rádio ou infravermelho, e um protocolo de controle de acesso ao meio,

o DFWMAC (Distributed Foundation Wireless MAC). Esse padrão é denominado de

Projeto IEEE 802.11 e tem, entre outras, as seguintes premissas: suportar diversos

canais; sobrepor diversas redes na mesma área de canal; apresentar robustez com

relação a interferência; possuir mecanismos para evitar nós escondidos; oferecer

privacidade e controle de acesso ao meio.

TRANSMISSÂO EM REDES LOCAIS SEM FIOS (WLAN)

O Padrão IEEE 802.11 trata da tecnologia sem fio enfocando as redes locais

sem fio (WLAN). Essas redes basicamente utilizam radio-frequência para a

transmissão de dados, através de duas técnicas conhecidas como DSSS (Direct

Sequence Spread Spectrum) e FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum),

codificando dados e modulando sinais de modos diferentes para equilibrar

velocidade, distância e capacidade de transmissão. A escolha da técnica DSSS ou

FHSS dependerá de vários factores relacionados com a aplicação dos usuários e o

ambiente onde a rede operará.

Outras formas de transmissão também podem ser usadas em redes locais

sem fio, como a transmissão em infravermelho, por exemplo. Mas transmissões com

infravermelho não atravessam certos tipos de materiais, apesar de poder enviar

mais dados do que a transmissão com radio-frequência. Com isso, a transmissão

através de radio-frequência acaba sendo o padrão adoptado nas transmissões

WLAN.

Para a transmissão em radio-frequência são usadas as técnicas DSSS e

FHSS. Essas técnicas transmitem os quadros de dados enviando-os por vários

canais disponíveis dentro de uma frequência, ao invés de usar um único canal,

possibilitando, dessa forma, a transmissão simultânea de vários quadros. A técnica

DSSS distribui o sinal em cima de uma gama extensiva da faixa de frequência e

reorganiza os pacotes no receptor. A técnica FHSS envia segmentos curtos de

dados que são transmitidos através de frequências específicas, controlando o fluxo

com o receptor, que negocia velocidades menores comparadas às velocidades

oferecidas pela técnica DSSS, mas menos susceptíveis a interferências. O padrão

802.11 usa as duas técnicas, enquanto que outras tecnologias, como o HomeRF e

Bluetooth, usam apenas a técnica FHSS, que é mais eficiente para ambientes que

possuem outros tráficos de rádio, como áreas públicas abertas, por exemplo. As

WLANs baseadas em radio-frequência usam as faixas de frequência ISM (Industrial

- Scientific - Medical), que assumem frequências de 900MHz, 2.4GHz e 5GHz.

Quanto maior a frequência maior é a quantidade de informação que um dispositivo

pode enviar num canal. As primeiras WLANs operavam na frequência de 900MHz,

atingindo uma taxa de 256Kbps. O padrão IEEE 802.11 aumentou a taxa de

transmissão para 1Mbps, usando a técnica FHSS, e posteriormente para 2Mbps,

usando a técnica DSSS, trabalhando na frequência de 2.4GHz. A maioria das

empresas optou pela técnica DSSS porque oferece frequências mais altas do que a

FHSS.

CONCLUSÃO

O crescimento das redes de computadores tem sido uma realidade e vem

acontecendo de forma muito rápida. As formas de acesso a dados também têm

mudado radicalmente, em que transações que antes eram feitas de formas fixas e

centralizadas, hoje podem ser feitas de formas móveis e distribuídas. A cultura de

utilização da informação também vem recebendo novas filosofias da era digital.

A propensão é que no futuro próximo, as redes de longa distância que são

usadas para transporte de grande quantidade de dados, sejam construídas com a

tecnologia de fibra óptica, devido às inúmeras vantagens que esse meio de

comunicação oferece: largura de banda, imunidade a interferências, altíssima

velocidade, alcance de grandes distâncias, etc.

Não é só isso. Uma outra tendência é que os dispositivos computacionais e

domésticos usados em ambientes locais (residências, empresas, etc.) sejam sem

fio.

A rede local de computadores sem fio é um exemplo de que essa realidade já

faz parte do avanço tecnológico. Por isso que o IEEE tem investido no

melhoramento da tecnologia sem fio, para impulsionar a tecnologia e permitir que

empresas projectem, construam e comercializem componentes para a comunicação

sem fio.

Baseado nesse pensamento, teremos sem dúvida, uma adopção crescente a

sistemas sem fio no contexto das redes locais, substituindo gradativamente as redes

tradicionais cabeadas, para que no futuro tenhamos transmissões locais totalmente

sem fio.