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, jfcavalheiro@sapo.pt

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

1. Ondas Electromagnéticas 2

1. O conceito 2

2. O espectro electromagnético 3

3. As radiofrequências 3

4. Os efeitos da radiação 3

2. Redes sem fio 5

1. O conceito 5

2. Modos de acesso às redes sem fio 6

3. Tecnologias existentes 7

Conclusão 10

Bibliografia 11

1

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.

2

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) x λ

Fig.2 – Caracterização das ondas electromagnéticas

3

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

4

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

5

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.

6

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.

7

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

Fig.8 Duplex TDD

2.3. 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

8

[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 Ad-

Hoc, 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.

9

[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 Uplink Dowlink

WCDMA 384 Kbps 384 Kbps

HSPA (HSUPA/HSDPA)

0.73, 1.46, 2.93, 5.76, 11.5 Mbps 1.8, 3.6, 7.2, 14.4 Mbps

HSPA+ Até 22 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.

10

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 infra-

estruturas 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.

11

Bibliografia

[1] C. F. G. C. L. C. Carla Oliveira, "ABC das Ondas ElectroMagnéticas," Instituto

de Telecomunicações / Instituto Superior Técnico, Universidade Técnica de

Lisboa.

[2] a. e. l. Wikipédia. (2009, Nov.) Radiação electromagnética. [Online].

http://pt.wikipedia.org/wiki/Radia%C3%A7%C3%A3o_electromagn%C3%A9t

ica

[3] a. e. l. Wikipédia. (2009, Nov.) Redes sem Fio. [Online].

http://pt.wikipedia.org/wiki/Rede_sem_fio

[4] W. A. Corp., "FDMA vs. TDMA vs. CDMA," Wireless Applications Corp..

[5] L. Adrio Telecomunications. (2009, Nov.) TDD FDD Duplex Schemes :: Radio-

Electronics.Com. [Online]. http://www.radio-

electronics.com/info/cellulartelecomms/cellular_concepts/tdd-fdd-time-

frequency-division-duplex.php

[6] a. e. l. Wikipédia. (2009, Nov.) Infrared Data Association. [Online].

http://pt.wikipedia.org/wiki/Infrared_Data_Association

[7] a. e. l. Wikipédia. (2009, Nov.) Bluetooth. [Online].

http://pt.wikipedia.org/wiki/Bluetooth

[8] a. e. l. Wikipédia. (2009, Nov.) Wi-Fi. [Online].

http://pt.wikipedia.org/wiki/Wi-Fi

[9] t. f. e. Wikipedia. (2009, Nov.) MIMO. [Online].

http://en.wikipedia.org/wiki/MIMO

[10] WiMax.com Broadband Solutions, Inc. (2009, Nov.) What Is WiMax?.

[Online]. http://www.wimax.com/education

[11] Psion Teklogix Inc, "WWAN technology and market trends," Psion Teklogix

Inc, 2009.