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Tópicos Avançados em Redes de Computadores 2 (IN1054). Módulo II - Revisão Prof. Paulo Gonçalves [email protected] www.cin.ufpe.br/~pasg CIn /UFPE. Nosso Objetivo : Terminologia Conceitos básicos Detalhamentos durante o curso. Agenda: O que é Comunicação Sem Fio ou Wireless? - PowerPoint PPT Presentation
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Introdução 1-1
Tópicos Avançados em Redes de Computadores 2
(IN1054)Módulo II - Revisão
Prof. Paulo Gonç[email protected]
www.cin.ufpe.br/~pasgCIn/UFPE
Introdução 1-2
IntroduçãoNosso Objetivo: Terminologia Conceitos básicos Detalhamentos
durante o curso
Agenda:
O que é Comunicação Sem Fio ou Wireless?
Ondas Eletromagnéticas Propagação de Ondas
Eletromagnéticas O Espectro Eletromagnético Transmissão de Sinais de Rádio
Antenas Como representar informações? Como fazer uma onda de rádio
carregar informações? Alocação de Frequências
Diversidade de uso do Wireless
Introdução 1-3
Agenda
1.1 O que é Comunicação Sem Fio ou Wireless?
1.2 Ondas Eletromagnéticas1.3 Propagação de Ondas
Eletromagnéticas1.4 O Espectro Eletromagnético1.5 Transmissão de Sinais de Rádio1.6 Diversidade de uso do Wireless
Introdução 1-4
O que é Comunicação Sem Fio ou Wireless ?
Termo utilizado para a transmissão de informações entre dispositivos ou interfaces sem a utilização de fios
O range de comunicação pode ser curto (centímetros a alguns metros) ou longo (muitos quilômetros)
A comunicação pode ser unidirecional (e.g. rádio e televisão) ou bidirecional (e.g. celular)
Wireless e Mobilidade são coisas distintas ! Wireless = comunicação usando enlaces sem fio Mobilidade = trata da possibilidade do usuário se mover e
migrar do ponto no qual ele se associa à rede
Introdução 1-5
O que é Comunicação Sem Fio ou Wireless ?
Wireless se tornou um termo genérico para descrever todo o tipo de comunicação usando ondas ou radiações eletromagnéticas
… mas o que são ondas eletromagnéticas?
Introdução 1-6
Ondas Eletromagnéticas
Maxwell, a partir de suas equações, previu a existência das ondas eletromagnéticas
Combinação de um campo elétrico e de um campo magnético que se propagam simultaneamente através do espaço transportando energia
Podem vistas como duas ondas viajando em uma mesma direção, perpendiculares entre si, oscilando em seus planos
Um carga elétrica oscilante cria uma onda eletromagnética
Introdução 1-7
Ondas Eletromagnéticas
A frequência de oscilação de uma onda é inversamente proporcional ao seu comprimento de onda
A frequência é expressa em Hertz (Hz), significando oscilações por segundo Alguns múltiplos que usaremos: KHz, MHz, GHz
Toda onda eletromagnética se propaga no vácuo à velocidade da luz (≈ 300.000 Km/s) e na superfície terrestre com velocidade muito próxima a esta
fv v: velocidade da ondaf: frequência da ondaλ: comprimento da onda
Introdução 1-8
Propagação de Ondas Eletromagnéticas no Vácuo
Animação do campo elétrico Fluxo de energia do campo eletromagnéticoCores representam a força (strength)
Fonte: http://www.met.rdg.ac.uk/clouds/maxwell/#propagation
Introdução 1-9
Propagação de Ondas Eletromagnéticas: Fenômenos
As ondas eletromagnéticas estão sujeitas à vários fenômenos de propagação, e.g.
Reflexão Difração Multipath Atenuação (Fading) Interferências construtivas e destrutivas
Vejamos alguns deles ... Mais durante o curso ...
Introdução 1-10
Prop. de Ondas Eletromagnéticas: Mudanças no Gradiente do Índice de Refração
Refração: Mudança de direção da onda devido mudança de sua velocidade
Ocorre comumente quando a onda passa de um meio para outro
Animação do campo elétrico Fluxo de energia do campo eletromagnéticoCores representam a força (strength)
Fonte: http://www.met.rdg.ac.uk/clouds/maxwell/#propagation
Introdução 1-11
Prop. de Ondas Eletromagnéticas: Reflexão e Refração
Reflexão: Mudança de direção da onda na fronteira entre dois meios distintos de tal forma que a frente da onda retorna ao meio no qual se propagava antes
Animação do campo elétricoFluxo de energia do campo eletromagnético
Cores representam a força (strength)
Fonte: http://www.met.rdg.ac.uk/clouds/maxwell/#propagation
Onda incidente + onda refletida | Somente onda refletidaOnda incidente + onda refletida | Somente onda refletida
Introdução 1-12
Prop. de Ondas Eletromagnéticas: Rayleigh Scattering
Rayleigh scattering: Difusão da radiação eletromagnética causada por partículas muito
menores que o comprimento da onda eletromagnética
Animação do campo elétricoFluxo de energia do campo eletromagnético
Cores representam a força (strength)
Fonte: http://www.met.rdg.ac.uk/clouds/maxwell/#propagation
Onda incidente + onda espalhada | Somente onda espalhada
Onda incidente + onda espalhada | Somente onda espalhada
Exemplo quando tamanho de partícula se aproxima do comprimento da onda
Introdução 1-13
Prop. de Ondas Eletromagnéticas: Interferência construtiva/destrutiva
Duas ondas em fase Duas ondas defasadas de 180°
onda 1
onda 2
ondas combinadas
Introdução 1-14
O Espectro Eletromagnético
É o intervalo de frequência total de todas as radiações eletromagnéticas conhecidas Radiações: ondas de rádio, microondas, infravermelho, luz
visível, raios ultra violetas, raios X e Raios Gamma (γ)
Introdução 1-15
O Espectro Eletromagnético Classificado pelo comprimento de onda
Ondas de rádio, microondas, infravermelho, luz visível, raios ultra violetas, raios X e Raios Gamma (γ)
Introdução 1-16
O Espectro Eletromagnético:Algumas Aplicações
Rádio
Televisão/Controle Remoto
Radar
Sistemas de Comunicação Sem Fio Celular, Wi-Fi, Bluetooth, WiMAX, entre outros
Sistemas de Comunicação baseados em Fibra Óptica
Forno de Microondas
Introdução 1-17
O Esp. Eletromagnético:Algumas AplicaçõesNome Abr
ev.Freq. λ Aplicações
(exemplos)
Extremely Low Freq.
ELF 3-30 Hz 10.000 a 100.000 Km
Comunicação entre submarinos submersos
Super Low Freq. SLF 30 – 300 Hz 1.000 a 10.000 Km Corrente alternada
Ultra Low Freq. ULF 300 – 3000 Hz 100 – 1.000 Km Comunicação em minas
Very Low Freq. VLF 3 – 30 KHz 10 – 100 Km Com. entre submarinos próx. Superfície
Low Freq. LF 30 – 300 KHz 1 – 10 Km Rádio AM
Medium Freq. MF 300 – 3000 KHz 100 -1000 m Rádio AM, comunicação marítima e de aviação
High Freq. HF 3 – 30 MHz 10 – 100 m Rádio amador
Very High Freq. VHF
30 – 300 MHz 1 – 10 m Rádio FM, rádio amador, TV, aviação
Ultra High Freq. UHF
300 – 3000 MHz 10 – 100 cm TV, rádio amador, celular, tel. sem fio, redes wireless, microondas
Super High Freq. SHF 3 – 30 GHz 1 – 10 cm Redes wireless, links de satélite, links microondas, TV via satélite
Extremely High Freq.
EHF 30 – 300 GHz 1 – 10 mm links microondas, astronomia, armamentos militares
Introdução 1-18
Transmissão de Sinais de Rádio A trasmissão e recepção de ondas de rádio requer o uso
de um transmissor e de um receptor
A onda de rádio atua como uma portadora da informação a ser transmitida
A informação pode ser codificada diretamente na onda interrompendo sua transmissão periodicamente (como uma chave liga-desliga) ou impressa nela através de um processo chamado de modulação (… mais detalhes em breve)
Transmissor ReceptorInformação
a ser transmitida (dados, voz)
Informação recuperada(dados, voz)
Onda de Rádio Onda portadora
Introdução 1-19
Transmissão de Sinais de Rádio
Antenas Como representar informações? Como fazer a onda de rádio carregar informações? Alocação de Frequências
Transmissor ReceptorInformação
a ser transmitida (dados, voz)
Informação recuperada(dados, voz)
Ondas de Rádio
1
Introdução 1-20
Antenas
Uma antena é um transdutor projetado para transmitir ou receber ondas eletromagnéticas
Converte sinais elétricos em ondas eletromagéticas e vice-versa
É formada por condutores que geram um campo de radiação eletromagnética em resposta a uma voltagem e corrente alternadas aplicadas (ou vice-versa)
Existem diversos tipos de antenas com aplicações distintas
AntenaUHF/VHF Antena Dipolo
Wi-FiAntena Wi-Fi
direcionalAntena
parabólica
Antenade radar
Antena de tel. celular
Introdução 1-21
Antenas
Há dois tipos fundamentais de acordo com o padrão de radiação eletromagnética
Omni-direcional (radiação em todas as direções) Direcional (maior parte da radiação concentrada em uma direção
específica)
Introdução 1-22
Antenas: Exemplo de antena dipolo
Omni-direcionalPadrão de radiação
de uma antena dipoloCorrente AC aplicadaDistribuição de
energia radiada por uma antena dipolo de 1,5*λ
Introdução 1-23
Antenas: Receptor de Satélite Exemplo: receptor de TV via satélite
Animação do campo elétricoFluxo médio de energia
do campo eletromagnéticoCores representam a força (strength)
Fonte: http://www.met.rdg.ac.uk/clouds/maxwell/#propagation
Introdução 1-24
Antenas: Parabólica Exemplo: transmissão de sinais
O metal curvado possui alto índice de refração, atuando como um refletor quase perfeito
Animação do campo elétricoFluxo médio de energia
do campo eletromagnéticoCores representam a força (strength)
Fonte: http://www.met.rdg.ac.uk/clouds/maxwell/#propagation
Introdução 1-25
Transmissão de Sinais de Rádio
Antenas Como representar informações? Como fazer a onda de rádio carregar informações? Alocação de Frequências
Transmissor ReceptorInformação
a ser transmitida (dados, voz)
Informação recuperada(dados, voz)
Ondas de Rádio
2
Introdução 1-26
Como representar informações Sinais podem ser analógicos ou digitais
O sinal analógico é um sinal contínuo que varia ao longo do tempo
O sinal digital é um sinal com valores discretos no tempo e na amplitude
A forma de onda é composta por pulsos com variações descontínuas
sinal de voz
sinal digital de dois níveis
Introdução 1-27
Como representar informações Sinais analógicos podem ser digitalizados
0000
1111
1110
1101
1100
1011
1010
1001
0001
0010
0011
0100
0101
0110
0111
0000 0110 0111 0011 1100 1001 1011
Resolução=1 parte em 2n
sinal representado por16 níveis
Sequência de bits gerada
Introdução 1-28
Transmissão de Sinais de Rádio
Exemplos de antenas Como representar informações? Como fazer a onda de rádio carregar informações? Alocação de Frequências
Transmissor ReceptorInformação
a ser transmitida (dados, voz)
Informação recuperada(dados, voz)
Ondas de Rádio
3
Exemplo de Transmissor/Receptor
Sinal de entrada é amostrado e quantificado antes de ser digitalizado. Uma aproximação da entrada é reconstruída pelo conversor conversor digital-analógico:
amostragem Digitilização Código, modulação
Transmissão• Cabo/fibra• Interface aérea
entrada
Filtragemconversão
Analógico-digitalDemodulação,
Decodificação
saída
Introdução 1-29
Introdução 1-30
Transmissão de Sinais de Rádio:Exemplo com sinal analógico
Exemplo:
onda sonora produzida(freq. Entre 5 Hz e 20 KHz)
Portadora de alta frequência
Sinal elétrico idênticoà onda é produzido pelo
microfone
Sinal modulado em AM
Transmissão
Introdução 1-31
Como fazer a onda carregar informações
Normalmente, uma onda senoidal de alta frequência é usada como portadora que terá algum parâmetro alterado
Os 3 parâmetros principais de uma onda senoidal são Amplitude Fase Frequência
Vimos que ...A onda de rádio atua como uma portadora da informação a ser transmitida
Introdução 1-32
Como fazer a onda carregar informações
… e o que é modulação e o porquê dela ?
Vimos que ...A informação pode ser codificada diretamente na onda interrompendo sua transmissão periodicamente (como uma chave liga-desliga) ou impressa nela através de um processo chamado de modulação
Introdução 1-33
Modulação
Por que modular? Para permitir transmissões simultâneas de dois ou mais sinais banda-
base, traduzindo-os para diferentes frequências
Todas as técnicas de modulação envolvem o deslocamento do sinal original (sinal modulador) de sua faixa de frequências original para uma outra faixa.
Introdução 1-34
Modulação
Existem três técnicas básicas de modulação Modulação por Amplitude (Amplitude Modulation – AM) Modulação por Frequência (Frequency Modulation – FM) Modulação por Fase (Phase Modulation)
Se sinal modulador for digital, usamos as seguintes técnicas
Modulação por chaveamento da Amplitude (Amplitude Shift Keying – ASK)
Modulação por Chaveamento da Frequência (Frequency Shift Keying – FSK)
Modulação por chaveamento de Fase (Phase Shift Keying - PSK)
Introdução 1-35
Exemplos: Modulação Analógica
Modulação AM Modulação FM
Modulação PM
Introdução 1-36
Mais Exemplos …
Introdução 1-37
Exemplos: Modulação Digital
Introdução 1-38
Transmissão de Sinais de Rádio
Antenas Como representar informações? Como fazer a onda de rádio carregar informações? Alocação de Frequências
Transmissor ReceptorInformação
a ser transmitida (dados, voz)
Informação recuperada(dados, voz)
Ondas de Rádio
Introdução 1-39
Alocação de Frequências comunicações wireless utilizam o espectro
eletromagnético
O espectro eletromagnético ou de frequência é algo físico que existe em todo lugar, sendo um bem escasso que precisa ser utilizado racionalmente
Em comunicações wireless, o espectro de frequência não pode ser usado como se bem entende e existe a necessidade de se definir a faixa de frequência de operação dos dispositivos
O uso do espectro de frequência é regulamentado na maioria dos países Organismos de padronização: International
Telecommunication Union (ITU), European Telecommunications Standard Institute (ETSI) , etc
Governos também podem leiloar faixas de frequência ou licenciá-las em seus países
1-40
Diversidade de uso do Wireless Difere em
Mobilidade Tipo de aplicação Tipo de ambiente Características do meio “Pervasividade” de hosts Grau de infra-estrutura Visibilidade da infra-
estrutura Cobertura Custo
Exemplos Telefonia Celular Satélite WMAN (Wireless
Metropolitan Area Networks)
WLANs (Wireless Local Area Networks)
WPANs (Wireless Personal Area Networks)
Ambientes de Computação Ubíqua
MANETs (Mobile Ad hoc Networks)
Redes de Sensores
Introdução