Redes sem fio

Licenciatura em Sistemas e Tecnologias da
Informação
Redes sem Fio
Disciplina: Seminário de Sistemas e Tecnologias de Informação I:
Sociedade do Conhecimento, Indicadores, Novos Media e Internet
Docente: Professor Marcírio Chaves
Discente: José Cavalheiro, [email protected]
Oeiras, Novembro de 2009
Resumo
As telecomunicações desde sempre estiveram ligadas a tecnologias baseadas
em ondas electromagnéticas, mais concretamente radiofrequências, de modo
a eliminar cabos, aproximar as comunidades e promover a mobilidade. Desta
forma num contexto de redes sem fio será analisada e caracterizada a onda
electromagnética, abordando os seus componentes, modos de transmissão e
efeitos dessa propagação.
O trabalho abordará as várias tecnologias desenvolvidas para as redes sem
fio, caracterizá-las em relação à sua dimensão e analisar as mais importantes
tecnologias utilizadas nos nossos dias, tendo por objectivo principal do
trabalho uma abordagem menos técnica das tecnologias, mas sim possibilitar
um entendimento do funcionamento base, conseguindo assim diferenciar
mais facilmente o que distingue cada uma das tecnologias sendo possível
dessa forma saber adequar cada tecnologia tirando dela um maior partido.
Índice
Introdução
1. Ondas Electromagnéticas
1. O conceito
2. O espectro electromagnético
3. As radiofrequências
4. Os efeitos da radiação
2. Redes sem fio
1. O conceito
2. Modos de acesso às redes sem fio
3. Tecnologias existentes
Conclusão
Bibliografia
1
2
2
3
3
3
5
5
6
7
10
11
Introdução
Este trabalho vai tentar retratar um pouco da evolução que as redes em fios
tiverem desde a sua descoberta até aos dias de hoje. Quando James Maxwell
criou o conceito e posteriormente Heinrich Hertz verificou experimentalmente
as ondas electromagnéticas estariam por certo longe de imaginar o relevo
que teria para a história da humanidade e a influência que teria na forma de
comunicarmos e aproximar os povos.
É dessa evolução que irá tratar o trabalho, abordando alguns conceitos do
que é uma onda electromagnética, as suas mais variadas aplicações até
chegar ao conceito de redes sem fio.
Nas redes sem fio, serão analisados os variados tipos de redes, analisando
quais as sua vantagens e aplicações e por fim será analisado mais
pormenorizadamente a aplicação das redes sem fio em redes locais de dados
ou LAN (Local Area Network), que problemas vieram solucionar, quais as
vantagens e desvantagens, qual a evolução e cuidados a ter numa
implementação de uma rede sem fio.
1
1. Ondas Electromagnéticas
1.1.
O Conceito
[1]As ondas electromagnéticas tal como representado na figura 1 são ondas
que na sua génese englobam dois componentes o campo eléctrico e o campo
magnético e a forma de se propagar no espaço e no tempo é em forma de
onda, dai o nome onda electromagnética, esta poderá ser caracterizada por
diversos factores.
Fig.1 – Representação da onda electromagnética.
A frequência medida na escala Hertz (Hz) é no fundo a quantidade de vezes
que a onda alcança o seu pico por segundo, o comprimento de onda a
distância entre cada pico (normalmente representado por λ). A polarização é
a direcção em que o campo eléctrico se desloca, este poderá ser na vertical
(polarização vertical) ou na horizontal (polarização horizontal). A amplitude é
a medida de intensidade da onda propagada, sendo medida a intensidade do
campo eléctrico em volt por metro (V/m) e a intensidade do campo
magnético em ampere por metro (A/m), com estes dois valores poderemos
chegar à potência da onda electromagnética expressa em watt por metro
(W/m2). Por fim as ondas poderão ser caracterizadas pela sua velocidade e
direcção, sendo a velocidade em espaço aberto uma constante representada
por c sendo de 2.99792458x108 (m/s).
[1]Estes conceitos apresentados anteriormente estão todos relacionados
entre si e poderão ser representada essa relação através da expressão:
c
(m/s)
=f
(Hz)
xλ
Fig.2 – Caracterização das ondas electromagnéticas
2
1.2.
O Espectro electromagnético
Como verificado anteriormente a onda electromagnética tem diversos
factores que a caracterizam, entre estes estão a frequência e o comprimento
de onda, estes como é obvio e perfeitamente verificável pela figura 2 estão
directamente relacionados, sendo que quanto maior a frequência, menor será
o comprimentos de onda. É exactamente essa gama de variações que está
representada na figura 3 e que chamamos de espectro electromagnético.
Fig.3 – Espectro Electromagnético
[1]Segundo a frequência e comprimento de uma determinada onda,
poderemos associar a uma aplicação ou utilização, mais uma vez recorrendo
à figura 3 poderá ser constatado que o espectro visível pelo Homem é uma
ínfima parte do espectro electromagnético, essa parte do espectro visível
poderá variar de espécie para espécie, com certeza uma mosca terá uma
visão completamente diferente da nossa, ou seja a parte visível para a mosca
do espectro electromagnético é noutra gama de frequências.
Além da parte do visível, as ondas electromagnéticas têm diversas
aplicações, que vão desde as frequências extremamente baixas, onde se
encontram por exemplo o transporte em linhas de alta tensão, passando para
as ondas de rádio, microondas até às frequências extremamente altas tais
como os raios X e raios Gama.
1.3.
As Radiofrequências
[2]A gama do espectro electromagnético chamada de radiofrequências, vão
desde os 3 GHz até aos 300 MHz. A aplicação principal das radiofrequências é
precisamente as telecomunicações, sendo exemplos disso mesmo as difusões
de rádio, comunicações por satélite, comunicações militares, transmissão de
televisão e na última década a comunicação de dados, dando origem dessa
forma ao conceito de redes sem fio. As radiofrequências poderão ser também
utilizadas com fins medicinais, radares, fornos microondas entre outros.
1.4.
Os Efeitos da Radiação
[1]Sendo um assunto muito discutido nos nossos dias, merece aqui uma
pequena reflexão acerca dos efeitos para a nossa saúde da exposição aos
diferentes tipos de radiação e tentar perceber quais os tipos de radiação que
devemos evitar e os que não devemos ter receios.
A onda electromagnética transporta energia, essa energia poderá variar,
sendo este o factor que devemos ter em atenção quando se tenta perceber os
efeitos que poderá ter na saúde. A energia do fotão (unidade elementar de
uma onda electromagnética) depende directamente da sua frequência,
quanto maior a frequência da onda maior será a sua energia e
3
consequentemente a sua capacidade de interagir com material biológico e ter
consequências para a nossa saúde e todos os outros seres vivos.
[1]O espectro electromagnético poderá ser dividido em dois grandes grupos,
a radiação ionizante e a radiação não-ionizante como poderá ser constatado
na figura 4. Sendo toda a matéria formada por moléculas que no fundo são
combinações de átomos, o processo que pelo qual uma molécula perde um
átomo chama-se de ionização. Este fenómeno não ocorre de forma
espontânea, será necessário um fenómeno exterior à molécula para que tal
acontece, esse fenómeno é a radiação com níveis de energia suficientes para
o provocar, dai a divisão referida anteriormente.
Exemplos de radiação ionizante será os raios X e os raios gama, exemplos de
radiações não-ionizantes será a luz visível, infravermelhos, ondas de rádio ou
outras formas de baixas frequências.
Os efeitos para o corpo humano de radiações de baixa frequência como por
exemplo as radiofrequências, utilizadas nas telecomunicações e mais
concretamente nos sistemas de redes sem fio, estão em grande parte
identificados e quantificados por organizações os níveis de exposição que
poderão trazer consequências para a nossa saúde. Os efeitos conhecidos
deste tipo de radiações são essencialmente efeitos térmicos, que se traduzem
num aumento da temperatura dos tecidos biológicos, estando essa exposição
controlada e os equipamentos de transmissão certificados não trazem perigos
de maior para a saúde e bem-estar de quem se expõe às radiações.
[1]A polémica existente actualmente sobre as exposições a radiofrequências
advém dos efeitos não-térmicos, até à altura a comunidade científica ainda
não definiu sequer que efeitos não-térmicos as radiofrequências poderão
provocar, nem existe um registo suficientemente longo que permita tirar
quaisquer conclusões sobre esses efeitos, por essa razão nos próximos
tempos com certeza será uma polémica em que a comunidade cientifica irá
trabalhar no sentido de esclarecer realmente se a exposição a
radiofrequências poderão provocar danos na saúde de quem è exposto a esse
tipo de radiações.
Fig.4 – Divisão de ondas ionizantes e não ionizantes no espectro electromagnético
4
2. Redes sem Fio
2.1.
O conceito
Redes sem fio são redes de comunicação entre dispositivos informáticos,
como por exemplo, computadores, telefones VoIP, impressoras, sem recurso
à utilização de cabos para fazer a interligação desses dispositivos. Para
estabelecer
essa
interligação
são
utilizadas
radiofrequências
ou
infravermelhos.
A sua utilização vai desde o uso de equipamentos de conversação como
walkie-talkies até à utilização de satélites artificiais, sendo a sua utilização
mais comum para redes de dados entre computadores pessoais,
possibilitando dessa forma uma maior mobilidade e facilidade para aceder às
redes de dados como por exemplo a Internet.
[3]As redes sem fio são classificadas essencialmente pela sua área de
abrangência (figura 5) tendo assim:
Redes WPAN: Redes destinadas a interligar dispositivos fisicamente próximos,
tais como teclados e ratos ao computador, máquinas fotográficas,
troca de dados entre telemóveis e computadores, etc. São
normalmente utilizadas para este tipo de ligações as tecnologias
Bluetooth ou Infravermelhos.
Redes WLAN: São redes que utilizam ondas de rádio para criar redes de
dados, permitem estabelecer ligações à Internet ou criação de
redes internas para comunicação de dados. Será com certeza o
modo mais popularizado de redes sem fio e sem dúvida o mais
utilizado, sendo desta forma alvo de uma especial atenção mais à
frente
Redes WMAN: São redes com finalidades em tudo semelhantes às redes
WLAN mas a sua área de abrangência são um pouco maiores e
utilizam tecnologias diferentes de transmissão das ondas
electromagnéticas. Neste caso normalmente é utilizado a
tecnologias WiMax, devido ao uso destas tecnologias estas redes
poderão abranger áreas que poderão ir até aos 30KM.
Redes WWAN: Seguindo o mesmo conceito e finalidade dos dois tipos de rede
apresentados anteriormente, mas com um raio de abrangência
muito maior, uma rede WWAN poderá ser ao nível de um pais,
continente ou mesmo planetário. Embora se possa utilizar o
WiMAX para criar uma rede desta abrangência, é mais indicado
utilizar outro tipo de tecnologias, tais como, o GPRS, UMTS, GSM,
HSDPA, 3G ou CDPD. Estas permitem em qualquer parte que
estejamos aceder à Internet, visualizar o correio electrónico ou até
mesmo através de tecnologias como VPN aceder ao local de
trabalho.
5
Fig.5 - Os vários tipos de redes sem fio
2.2.
Modos de acesso às redes sem fio
Sendo as redes sem fio utilizadas por vários utilizadores em simultâneo
existem regras para que esta coabitação “pacífica” possa ocorrer, de modo a
que os vários utilizadores da rede a utilizem sem chocarem entre si,
chamasse a essas tecnologias, tecnologias de acessos múltiplos.
[4]Poderão ser considerados três classes de acesos múltiplos, técnicas onde
os utilizadores são identificados porque se lhes atribui slots diferentes de
frequência (FDMA), ou seja é reservado uma determinada frequência para
que o utilizador estabeleça a comunicação e técnicas onde aos utilizadores se
atribuem um slot de tempo (TDMA), ou seja, é reservado um determinado
espaço de tempo para que o utilizador estabeleça a comunicação. Existe
ainda uma terceira técnica utilizada por exemplo nas comunicações celulares
e WLAN que tem terminologia de CDMA, que ao contrário das duas anteriores
que utilizam o tempo (TDMA) ou a frequência (FDMA), utiliza uma codificação
prévia dos dados de modo a poder estabelecer a comunicação e possibilitar o
múltiplo acesso à rede não dependendo de restrições o nível da frequência ou
tempo.
Fig.6 – Os diferentes modos de acesso às redes sem fio
[5]Existem ainda os métodos de Duplex, que permitem separar os sinais de
envio e recepção, existindo para esse fim duas abordagens, o FDD
(Frequency Division Duplex) e o TDD (Time Division Duplex).
O FDD utiliza um par de bandas de frequências, uma para enviar (uplink) e
outra para receber (downlink). Esta tecnologia é utilizada por exemplo em
todos os sistemas celulares de segunda geração.
6
O TDD utiliza uma única banda de frequência para enviar e receber, são
exemplos desta tecnologia os sistemas sem fio DECT e as WLAN.
Fig.7 – Duplex FDD
2.3.
Fig.8 Duplex TDD
Tecnologias existentes
São variadas as tecnologias utilizadas para transmissões em redes sem fio, a
escolha de uma tecnologia dependerá de variados factores, existindo
diferenças substanciais entre as tecnologias disponíveis. É então objectivo
deste capítulo analisar um pouco cada tecnologia, tentar identificar quais as
diferenças e a aplicabilidade de cada uma das tecnologias apresentadas.
[6]IrDA ou infravermelhos é uma tecnologia utilizada para criar redes WPAN,
normalmente é utilizada para conectar dispositivos periféricos a um
computador para transferência de dados, tendo duas versões a versão 1.0
poderá efectuar transmissões até 115.200 bps e a versão 1.1 até 4 Mps,
sendo a distância máxima de transmissão de 4,5 metros estando os
dispositivos obrigatoriamente em linha de vista. A ligação de teclados e ratos
sem fio, conexão de telemóveis ou calculadoras a computadores são algumas
das aplicações onde pode ser verificado o uso de comunicações com recurso a
infravermelhos.
[7]Bluetooth regulamentada pelo IEEE 802.15.1 é uma outra tecnologia para
redes WPAN, sendo o Bluetooth muito mais popularizado que o IrDA,
especialmente devido à facilidade, distâncias conseguidas e velocidades de
comunicação. É uma tecnologia que já utiliza radiofrequências trabalhando
nos 2.4 GHz, permitindo assim que a transmissão possa ser efectuada sem
estar os equipamentos em linha de vista, permite igualmente distâncias de
transmissões até 100 metros, dependendo das potências do emissor e
receptor e as velocidades de transmissão poderá variar entre o 1 Mbit/s na
versão 1.2, 3 Mbit/s na versão 2.0 e 24 Mbit/s na versão 3.0. A tecnologia
Bluetooth é essencialmente utilizada para a substituição de cabos, permitindo
a interligação de telemóveis, auriculares, computadores, impressoras ou
outro qualquer equipamento que possua esta tecnologia, poderá inclusive em
alguns casos ser utilizado para substituir as redes Wi-Fi, sendo no entanto
num contexto de redes de dados o Bluetooth bastante mais limitado que a
tecnologia Wi-Fi analisado posteriormente.
Fig.9 – Logótipo da tecnologia Bluetooth
7
[8]WI-FI é a tecnologia por excelência para redes WLAN, regulamentada pelo
IEEE 802.11, essencialmente a função de uma rede WI-FI será a substituição
dos cabos Ethernet normalmente utilizados para conexão entre equipamentos
numa rede de dados LAN, essa ligação poderá ser efectuada em modo AdHoc, ou seja ponto a ponto, ou em modo Infrastructure que já utiliza
equipamentos emissores (Access Point) possibilitando desta forma que vários
utilizadores utilizem a rede em simultâneo partilhando informação entre si.
Fig.10 – Diferentes modos de arquitectura das redes WLAN
Hoje em dia praticamente todos os fabricantes de equipamentos de rede
disponibilizam no seu portfólio equipamentos que utilizam esta tecnologia. As
velocidades de transmissão poderão variar entre os 11Mbit na norma
802.11b, os 54 Mbit nas normas 802.11g e 802.11a e os 300 Mbit quando
utilizado a tecnologia [9]MIMO na norma 802.11n que actualmente já saiu a
sua versão standard. É uma tecnologia tal como o Bluetooth utiliza
radiofrequências para estabelecer a comunicação conseguindo raios de
abrangência que poderão ir até aos 100 metros com um único equipamento
transmissor e frequências de transmissão na ordem dos 2.4 GHz nas normas
802.11b, 802.11g e 802.11n e 5GHz na norma 802.11a e 802.11n.
Fig.11 – Equipamento Wireless com tecnologia MIMO característico da norma 802.11n
Sendo esta uma tecnologia sem fios, a questão da segurança terá um papel
essencial em qualquer implementação, para aumentar essa segurança foram
criados standards adicionais ao protocolo de forma a permitir aumentar esses
factores. Em relação à segurança existem essencialmente três níveis de
segurança numa rede:
- WEP (Wired Equivalent Privacy) padrão do IEEE 802.11;
- WAP (Wi-Fi Protected Access);
- WPA2 (Wi-Fi Protected Access), standard 802.11i
Sendo que o WAP um substituto e evolução da tecnologia WEP e o WAP2 uma
evolução do WAP, de salientar ainda ao nível de segurança que os protocolos
WAP e WAP2 poderão ser associados a um servidor RADIUS (IEEE 802.11x)
para autenticar os utilizadores num servidor e assim aumentar os níveis de
segurança.
8
[10]WiMAX é uma tecnologia regulamentada pelo IEEE 802.16, destinada
essencialmente a criar redes WMAN, poderá fornecer um acesso à rede até
distâncias na ordem dos 30 KM entre estações fixas e 15 KM entre estações
móveis. Sendo uma tecnologia em forte desenvolvimento actualmente,
prevê-se que nos próximos anos comesse realmente a ser generalizado o uso
do WiMAX e as principais marcas de equipamentos de acesso à rede,
comessem a apresentar no seu portfólio equipamentos baseados nesta
tecnologia passando a ser o WiMAX um termo popularizado e uma referência
quando se fala de redes sem fio. A sua gama de frequências é bastante mais
alargada que as redes apresentadas anteriormente, neste caso o WiMAX
poderá operar numa faixa dos 10 GHz até ao 66 GHz. Em termos de
velocidade por canal poderemos ter velocidades na ordem dos 45 Mbps,
sendo um canal partilhado por diversos utilizadores, na prática teremos
velocidades por cada utilizador na ordem dos 2 a 4 Mbps. Sendo uma
tecnologia já pensada para suportar serviços de voz, vídeo ou outros que
exijam qualidade de serviço, já vem englobado na própria tecnologia serviços
avançados de QoS e sistemas de segurança equivalentes ao WPA ou WPA2
utilizado nas redes Wi-FI. Em resumo o WiMAX será possivelmente a
tecnologia de redes sem fio tecnologicamente mais avançada, que apresenta
mais potencialidades devido ao seu raio e velocidade de transmissão, sendo
apenas uma questão de tempo para que se generalize e a sua utilização por
todos nós seja um facto.
Fig.12 – Logótipo associado à tecnologia WiMAX
Para terminar esta abordagem sobre as tecnologias utilizadas nas redes sem
fio falta abordar uma tecnologia destinada a redes WWAN, a tecnologia a ser
abordada é o UMTS porque é uma tecnologia já bastante popularizada e
conhecida dos utilizadores. [11]O UMTS disponibilizado hoje em dia pelos
operadores das redes móveis é uma tecnologia 3G que tem uma larga área
de abrangência e velocidades de transmissão interessantes. A frequência de
funcionamento das redes UMTS é de 900 MHz, mas podendo variar podendo
ser possível utilizar frequências na ordem dos 2100 MHz. O UMTS utiliza
várias tecnologias de transmissão sendo elas o WCDMA, HSPA e HSPA+, com
velocidades diferentes de transmissão e recepção em relação a cada
tecnologia como poderemos ver na tabela abaixo.
Tecnologia
WCDMA
HSPA
(HSUPA/HSDPA)
HSPA+
Uplink
384 Kbps
0.73, 1.46, 2.93, 5.76, 11.5 Mbps
Até 22 Mbps
Dowlink
384 Kbps
1.8, 3.6, 7.2, 14.4
Mbps
Até 42 Mbps
Actualmente na Europa a tecnologia que é mais utilizada para disponibilizar
tecnologias de WWAN aos utilizadores é HSPA com velocidades até 7.2 Mbps,
a disponibilização da tecnologia HSPA+ com velocidades muito superiores
tem sido adiada pelos operadores principalmente devido a factores
económicos e rentabilização dos investimentos efectuados nas tecnologias
actuais no mercado.
9
Conclusão
As tecnologias baseadas em ondas electromagnéticas desde sempre nos
acompanharam, encurtando distâncias e facilitando o acesso às comunicações
de uma forma eficaz. Foram várias as tecnologias desenvolvidas até
chegarmos ao conceito de redes sem fio, aliás na história da utilização das
ondas electromagnéticas na área das telecomunicações, esse conceito só
surgiu há relativamente pouco tempo.
As soluções sem fio têm normalmente grande adesão por parte dos seus
utilizadores, principalmente pela mobilidade que automaticamente trazem,
eliminando a cablagem e deixando assim de ser necessário a criação de infraestruturas com os custos e inconvenientes inerentes a esse processo, sendo
assim privilegiada a utilização de tecnologias sem fio por parte dos
utilizadores sempre que possível.
As redes sem fio vieram para ficar, estão no quotidiano de todos nós o uso
destas tecnologias, que poderão ir do simples uso do telemóvel, a utilização
dos auriculares sem fio até ao acesso à Internet através de redes Wi-Fi. O
desenvolvimento tecnológico mais tecnologias desenvolverá e maior será
essa utilização, exemplos desse futuro próximo é a tecnologia WiMAX que
promete ser a tecnologia por excelência para acesso a redes de dados
utilizando tecnologias sem fio.
Com certeza como já foi falado, o futuro trará novas tecnologias e formas de
poder utilizar as redes sem fio, nunca podendo ser deixado para trás
questões como a qualidade, segurança e confidencialidade dos dados
transmitidos ou danos para a saúde pública relacionados com a exposição a
frequências e potências de ondas electromagnéticas que poderão
eventualmente causar algum dano para quem é exposto a estas.
10
Bibliografia
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de Telecomunicações / Instituto Superior Técnico, Universidade Técnica de
Lisboa.
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