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Redes Sem Fio

Especialização em Redes de ComputadoresWeslley Emmanuel Martins Lima

Conteúdo Programático

Histórico

Conceitos Básicos

Técnicas de Modulação

Técnicas de acesso ao meio.

Fatores que interferem na propragação das ondas Eletro Magnéticas.

Componenentes genéricos de rádio

Antenas

Conteúdo Programático

Padronização das Redes Sem Fio

Tecnologias Sem Fio Emergentes

As gerações tecnológicas

Histórico

1820 Hans Oersted descobriu a relação entre a eletricidade e o magnetismo.

1831 Michael Faraday teorizou que uma mudança no campo magnético é necessário para induzir uma corrente em um circuito próximo(Teoria da Indução).

Joseph Henry e a primeira transmissão de um sinal elétrico.

1832 Samuel Morse inventa o telégrafo com a ajuda de Henry.

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Histórico

Morse continua seus trabalhos no estudo de tecnologias sem fio.

Morse descobre a propriedade da condução em seus experimentos.

A condução é o fluxo de cargas elétricas através de uma substância, resultante de uma diferença de potencial elétrico baseado na substância.

HistóricoA condução inicialmente é provada na água.

Em 1887, Heinrich Hertz prova que a eletricidade viaja em ondas através da atmosfera.

Em 1901, o inventor italiando Guglielmo Marconi descobre que as ondas eletromagnéticas se curvam de acordo com a curvatura da Terra em transmissões eletromagnéticas.

A ionosfera como meio de transmissão das ondas de rádio

Conceitos Básicos

Rádio Transmissão e recepção sem fio de impulsos ou sinais elétricos por meio de ondas eletromagnéticas.

Campos elétricos são induzidos pela separação de cargas positivas e negativas.

Movimentação de cargas elétricas induz campos elétricos.

Mudanças no campo elétrico induzem campos magnéticos.

Conceitos básicosUma onda eletromagnética é a propagação de energia elétrica pela oscilação de campos magnéticos que induzem a oscilação de campos elétricos;

Componentes de uma onda:

Amplitude(a) - volts

Velocidade de propagação(v)

Período - segundos

Comprimento de onda - metros

Frequência(f) Hertz

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Conceitos BásicosConceitos Básicos

Velocidade de Propagação Velocidade com a qual a onda viaja pelo meio. Para propósitos prático igual à velocidade da luz: 3 x 108m/s.

Período Tempo gasto por um ciclo para passar por um ponto.

Frequência Quantidade de ciclos que passam por um ponto em um segundo.

Conceitos Básicos

Modulação de ondas de rádio

A onda portadora tem a função de modular o sinal de entrada com uma frequência muitas vezes maior. Principais razões:

Melhor transmissão

Permite a transmissão de vários sinais ao mesmo tempo sem que haja interferência.

Permite a criação de antenas menores.

Cada frequência de portadora é chamada de um canal.

Conceitos Básicos

A modulação corresponde às modificações realizadas numa onda portadora de maneira a representar um sinal.

A portadora também é chamada de onda modulada.

O sinal é também chamado de onda moduladora.

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Conceitos Básicos

Esquemas de modulação analógico

Modulação da amplitude(AM);

Modulação da frequência(FM);

Modulação da Amplitude

Modulação da Frequência Esquemas de Modulação DigitalA maioria das informações transmitidas pelos seres humanos são de natureza analógica. No entanto, os computadores são binários.

A necessidade de digitalizar fontes analógicas de informação(música, voz...).

Boas técnicas de digitalização levam a um resultado de qualidade muito próxima ao sinal original.

A necessidade de transmitir informações digitalizadas.

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Esquemas de Modulação Digital

Tipos

On/Off Keying(OOK)

Frequency Shift Keying(FSK)

Phase Shift Keying(PSK)

Pulse Amplitude Modulation(PAM)

On/Off Keying(OOK)

Frequency Shift Keying(FSK)Usada pelo padrão 802.11 Camada Física Phase Shift Keying(PSK)

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Pulse Amplitude Modulation(PAM)Técnicas de acesso ao meio

Objetivo: Permitir o controle de acesso ao meio como forma de otimizar a utilização desse recurso.

Define canais de comunicação independentes

Tipos básicos

FDMA(Mútiplo acesso por divisão de frequência)

TDMA(Mútiplo acesso por divisão de tempo)

CDMA(Mútiplo acesso por divisão de código)

SDMA(Mútiplo acesso por divisão de espaço)

FDMA

Cada canal carrega a informação de um usuário.

Requer bons filtros para evitar interferência de canais adjacentes.

Exemplo: AMPS: 2 bandas com 833 canais de 30kHz cada.

FDMA

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TDMA

A banda disponível é compartilhada entre os usuários dividindo-a em time-slots. A transmissão de dados é descontínua.

Utiliza mais bits de sincronização se comparado ao FDMA.

Devido à característica da transmissão em rajadas, existe um menor gasto de bateria(só transmite durante o tempo de um time-slot).

TDMA

FDMA e TDMA combinados

Combina a divisão da banda em faixas menores que por sua vez é dividida no tempo(time-slots).

Leva a uma melhor utilização do espectro.

No GSM as 2 bandas de 25Mhz são divididas em portadoras de 200kHz cada, que por sua vez são subdivididas em 8 time slots de 4,615 ms.

FDMA e TDMA combinados

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CDMA

Todos os usuários transmitem na mesma banda(simultaneamente) o dado codificado; somente os detentores da chave conseguem decifrar o dado. Isso garante maior segurança.

A capacidade não é fixa, depende a relação sinal/ruído do meio.

É eficiente quando utilizada para muitos usuários.

CDMA

SDMA

Usados em redes celulares(células são áreas irregulares em torno de uma antena).

Atribuir faixas de frequência diferentes a células adjacentes, de forma a evitar a interferência de sinal.

Para células distantes, pode-se reutilizar a faixa de frequência.

Para isto, o alcance a antena deve ser bem ajustado.

SDMA

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Fatores que interferem na propagação de ondas EM

A Taxa Sinal/Ruído

Atenuação

Reflexão

Refração

Linha de visão

Penetração

A taxa sinal/ruído

A onda deve chegar ao receptor com força suficiente para permitir a distinção entre a onda e o ruído.

A taxa S/N é usada para mostrar a potência do sinal em comparação com a potência do ruído.

Diferentes modulações requerem diferentes taxas mínimas de S/N.

Esquemas de modulação digital requerem uma menor taxa S/N que esquemas de modulação analógico.

Atenuação

Fenômeno em que o sinal fica mais fraco a medida que se afasta da sua fonte. Decorre de uma divergência natural da densidade do sinal.

A força de um sinal diminui à medida que a distância aumenta

Portanto: Potência é proporcional a 1/r2

Objetos contribuem para a atenuação de uma onda.

Em tais situações, a Potência é proporcional a 1/r3.

Atenuação

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AtenuaçãoUma forma de minimizar a atenuação é através de antenas direcionais.

Reflexão(Bouncing)

Fenômeno que ocorre quando parte de uma onda atravessa um objeto e a outra parte é refletida.

A reflexão pode degradar ou melhorar o desempenho dos sistemas.

Sistemas de rádio AM aproveitam-se desse fenômeno que ocorre nas camadas superiores da atmosfera.

Reflexão(Bouncing) Reflexão(Bouncing)

O fenômeno da reflexão só é adequado a sistemas que operam com ondas de baixa frequência.

Ondas de alta frequência penetram nas camadas da atmosfera sem que haja reflexão.

Usadas nas comunicações via satélite.

O caso do canion em forma de L.

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Reflexão(Bouncing)

O problema do Espalhamento em vários caminhos.

O sinal alcança o receptor através de vários caminhos devido à reflexão

Pode causar o cancelamento do sinal se chegarem em fases diferente.

Pode provocar eco, se os sinais não chegarem ao receptor fora de sincronia.

Reflexão(Bouncing)

Refração

Refere-se à curvatura de uma onda.

Decorre do contato com partículas suspensas no ar e gotículas de água na atmosfera.

O horizonte absoluto linha reta entre o transmissor e o receptor

O horizonte aparente distância de alcance entre o transmissor e o receptor decorrente da curvatura da onda em torno da superfície da terra.

Campo de visão(Line of Sight)

Caminho limpo e reto do transmissor para o receptor.

Sinais de alta frequência exigem um melhor campo de visão que os sinais de baixa frequência.

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Penetração

Fatores que determinam o grau de penetração:

Tipo de material

Densidade do material

Frequência e potência do sinal

Ex.: Raio-X

O metal não permite a penetração de sinais, o sinal é absorvido como em uma antena.

Uma das razões para celulares não funcionarem bem em elevadores

Componentes genéricos de rádio

Componentes genéricos de rádio

Codificador do transmissor codifica o sinal antes de enviá-lo ao modulador

Modulador do transmissor responsável pela modulação do sinal

Amplificador do transmissor amplifica o sinal para que possua potência suficiente para alcançar o receptor

Cabo do transmissor leva o sinal até a antena.

Componentes genéricos de rádio

Antena do transmissor converte o sinal elétrico em ondas de rádio.

Antenar do receptor

Filtro do canal receptor Permite a passagem apenas dos sinais de frequência adequada para os outros componentes.

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Antenas

Dividem-se em:

Omnidirecionais Enviam sinais em todas as direções.

Direcionais Focalizam o sinal em uma direção específica.

Antenas Ominidirecionais

Dipólo de meio comprimento de onda

Dois condutores posicionados fim-a-fim com um pequeno espaço entre eles.

O tamanho total dos dois condutores deve ser metade do comprimento de onda

Dipólo de meiocomprimento de onda

Dipólo de um quarto de comprimento de onda

Tipo especial de dipólo de meio comprimento de onda.

Consiste de um lado de uma dipólo de meio comprimento de onda montada sobre alguma superfície.

A superfície deve funcionar como um refletor para simular a outra metade da dipólo de meio comprimento de onda.

Ex.: Antena de carro, de telefones celulares, de telefones sem fio.

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Antenas direcionaisAntenas Yagi

Nome do seu inventor Dr. Hidetsugu Yagi

Composta por:Elemento Refletor - Passivo

Elemento Dirigido - Ativo

Elementos Diretores - Passivos

Ex.: Antenas de Televisão

Antenas Planares

Todos os elementos são colocados no mesmo plano

Usada em radares

Antenas direcionais

Antenas Setorizadas

Projetadas para dividir uma área de cobertura circular em setores a fim de facilitar a alocação e o reuso.

Cada setor tem uma largura de 120 graus.

Usadas em telefonia celular

Antenas Parabólicas

Usadas principalemente em transmissões via satélite.

Antena Yagi Antenas Planares

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Antenas SetorizadasAntenas parabólicas

Tecnologias e padrões em redes sem fio

Tecnologias Existentes

Tecnologias sem fio fixas

Tecnolgias sem fio móveis

Tecnologias sem fio ópticas

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Tecnologias fixas sem fio

Tecnologia onde o transmissor e o receptor estão em uma posição fixa.

Principais Tecnologias

MMDS

LMDS

WLL

PTP Microwave

WLAN

Serviço de distribuição multicanal e multiponto(MMDS)Opera na faixa de 2.5 a 2.7 Ghz

Tecnologia complementar à DSL

Provê velocidades entre 1 e 2 Mbps

Permite distância entre os nós de aprox. 56Km

Requer um campo de visão sem obstáculo

Serviço de distribuição multicanal e multiponto(MMDS) Serviço de ditribuição local

multiponto(LMDS)Sistema de comunicação sem fio banda larga ponto a multiponto.

Opera na faixa entre 28 e 38 Ghz.

Oferece velocidades superiores a 500Mbps.

Distância máxima limitada a aprox. de 5 a 8Km.

Também necessita um campo de visão limpo.

Pode ser afetado pelas condições do tempo.

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Serviço de ditribuição local multiponto(LMDS) Wireless Local Loop(WLL)

Refere-se a tecnologias fixas sem fio empregadas para competir/substituir as redes de telefonia convencionais.

Usa uma arquitetura ponto-a-multiponto.

Um rádio central(RPC) é conectado a uma séria de RP's(estações base).

Os clientes acessam a rede através de unidades de acesso fixas(FAU).

No Brasil, é explorado pela Vésper.

Wireless Local Loop(WLL)Micro-ondas Ponto a Ponto(PTP)

Usada em comunicações ponto-a-ponto

Sofre com a absorção do sinal e espalhamento em mútiplos caminhos.

Susceptível a condições chamadas: Armortecimento da chuva o que limita a

distância entre o transmissor e o receptor.

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Micro-ondas Ponto a Ponto(PTP)Padrões para redes locais sem fio(WLAN)

A padronização permitiu uma maior dissseminação das redes sem fio.

Padrão criado pelo grupo 802 do IEEE

O padrão 802.11 foi criado em 26 de junho de 1997

Especifica desde o tempo até os custos associados à criação de uma rede sem fio.

Esse padrão cobre a operação de controle d acesso ao meio(MAC) e as camadas físicas.

O padrão 802.11

802.11 define 3 opções para a camada física:

Infra-vermelho

Rádio FrequênciaDSSS

FHSS

802.2

802.11 MAC

FHSS DSSS IR

A camada física do padrão 802.11Usam a banda de 2.4 Ghz

FHSS(Frequency Hopping Spread Spectrum)

Baseada no envio de rajadas de dados sobre várias frequências

Os dados saltam entre um conjunto de frequências pré-alocadas(geralmente quatro por comunicação).

DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum)

Os dados são divididos em pedaços que são enviados simultaneamente por tantas frequências quanto possível.

Permite maiores taxas de transferência, porém estão mais susceptíveis a interferência.

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Melhoramentos no padrão 802.11 original

O padrão 802.11 foi seguido pelo padrão 802.11b e este pel padrão 802.11a com uma largura de banda cinco vezes maior

Os padrões:

802.11d Concentrado no desenvolvimento de WLAN's em mercados não servidos pelo padrão atual.

802.11f Buscam desenvolver um protocolo que permita a migração de dispositivos sem fio entre pontos de acesso(AP) de diferentes fabricantes.

Melhoramentos no padrão 802.11 original

802.11g Estão trabalhando no desenvolvimento de taxas de transferência maiores usando a banda de 2.4GHz.

802.11h Estão desenvolvendo extensão no gerenciamento de potência e espectro para o padrão 802.11a para uso na Europa.

O padrão 802.11b

Usa DSSS na camada física

A competição de vários dispositivos pelo mesmo espectro de 2.4GHz pode causar interferência(telefones sem fio, micro-ondas).

As redes Bluetooth

Usam a mesma frequência deste padrão

Utilizam FHSS na camada física

Alterna entre milhares de frequências em um segundo, levando a uma maior possibilidade de interferência nas redes 802.11.

O Padrão 802.11a

Surgiu da enorme demanda às tecnologias operando na banda de 2.4 GHz

Provê velocidades de 25 a 54 Mbps

Trabalha num spectro de 5GHz, uma banda menos usada e portanto com uma chance reduzida de interferência.

Opera atualmente apenas nos EUA

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O Padrão 802.11e

Compatível com os padrões 802.11b e 802.11a.

Implementa qualidade de serviço.

Adequado a transmissões multimídia.

Realizou melhoramentos de segurança.

Possibilita a transmissão de áudio e vídeo.

Permite serviços de voz sobre IP.

As WLANs e a arquitetura 802.11

Uma rede 802.11 é composta por:

Acess Point(AP)

Distribution System(DS)

Basic Service Set(BSS)

Extended Service Set(ESS)

O Basic Service Set

Modelo em que um ou mais dispositivos sem fio comunicam-se com um Acess Point numa única célula

Tipos de estrutura

Redes Ad-Hoc Redes Estruturadas

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Extended Service Set

Composta por um conjunto de BSS's

Permite a migração(roam) de uma unidade móvel entre dois AP's de maneira transparente.

A comunicação entre os BSS's é feita através do sistema de distribuição(DS).

O DS é a espinha dorsal de uma WLAN.

O mecanismo CSMA-CA

Controla o acesso ao meio.

Uma unidade só transmite quando tem a atenção da unidade receptora.

Chamado Listen Before Talking (LBT).

Antes de transmitir, o dispositivo verifica se está ocorrendo alguma transmissão. Caso esteja, ele aguarda um período de tempo randômico.

O mecanismo RTS/CTS

Request To Send/Clear To Send

Evita que dois dispositivos tentem transmitir ao mesmo tempo.

Uma AP sempre envia um RTS para o dispositivo móvel antes de enviar os dados. O dispositivo móvel deve responder com uma mensagem CTS para que se inicie a transmissão.

A migração entre células

A migração(roaming) baseia-se no fato da UM decidir o momento de mudar o seu acesso à rede de um AP para outro com um sinal mais forte.

É baseado principalmente na taxa S/N.

OS AP's emitem mensagens de sinalização(beacon) usadas para calcular a taxa S/N.

Ao migrar a UM deve autenticar-se no novo AP para que o sistema de reconfigure.

O HandOff

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Segurança na WLANA vulnerabilidade das redes sem fio decorrente do meio de transmissão utilizado.

O 802.11 provê três mecanismos para aumentar a segurança.

O uso de SSID

Autenticação através do endereço MAC

Serviço de privacidade usando um esquema de criptografia RC-4 dos dados transmitidos, chamado Wired Equivalency Privacy(WEP).

Usa uma chave de 40 bits. Algumas empresas usam uma chave 104 bits.

WPAN's e a arquitetura 802.15WPAN Redes que abrangem o espaço em torno de um dispositivo, aproximadamente 10 metros de raio. Exemplos de redes ad-hoc.

Os dispositivos se encontram e se comunicam exigindo pouco esforço do usuário.

As redes 802.15 são definidas como redes sem fio de curta distância.

Redes com baixa custo de manutenção e configuração.

Esforços têm sido dispensados à sua interoperabilidade com equipamentos do padrão 802.11

BluetoothNome baseado na figura do rei da Dinamarca Harold Blaatand II(Bluetoothe)

Inicio-se em 1994 com a Ericsson

Em 1998 grandes empresas se reuniram e criaram um grupo de desenvolvimento do Bluetooth(SIG).

Sua evolução está ameaçada pelo grande sucesso do padrão 802.11.

Baseada em piconets Redes ad- hoc;

As piconets são constituídas de um nó mestre e de no máximos sete nós escravos ativos simultaneamente.

BluetoothDez ou mais piconets pode ser ligadas criando uma scatternet.

Distância padrão: 10 metros

Velocidade máxima é de 740 Kbps.

Não é uma tecnologia que exige campo de visão

Pode gerar interferência em redes 802.11b há menos de 10m.

Padrão 802.11f propõe uma interperabilidade com essas redes

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BluetoothTecnologias sem fio móveis

Compreende basicamente a telefonia celular.

Rumos da tecnologia da telefonia móvel:

CDMA Estados Unidos.

GSM Europa.

As primeiras tecnologias focavam na comunicação de voz.(1G e 2G)

As tecnologias emergentes visam tanto suportar comunicação de voz quanto de dados.(2.5G e 3G)

Tecnologias de primeira geração

Tem seu início no final dos anos 70.

Sistemas predominantes:

AMPS Advanced Mobile Phone System

TACS Total Access Communication System

NMT Nordic Mobile Telephone

Eram sistemas analógicos que não proviam uma qualidade de sinal para sistemas de voz.

Tecnologias da Segunda Geração

Caracteriza-se pela implantação dos sistemas digitais na telefonia móvel.

Alguns aparelhos permitem a migração entre áreas de cobertura digital e analógicas.

A americana Sprint PCS migrou para CDMA e o resto do mundo optou pelo GSM.

São tecnologias incompatíveis.

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Tecnologias 2.5GJuntamente com as tecnologias 3G buscam a convergência dos dois padrões(CDMA e GSM) em direção a um padrão global interoperável.

Adequada para transmissões de voz e dados.

O protocolo WAP como forma de otimizar o uso da banda limitada em sistemas celulares.

O GPRS(General Packet Radio Service) foi criado para permitir a comutação de pacotes em sistemas GSM que são baseados na comutação de circuitos.

O GPRS quadruplicou o throughput dos sistemas GSM.

Tecnologias da terceira geraçãoPromete suportar aplicações que exigem grandes larguras de banda

Ex.: Transmissões de vídeo.

Principais tecnologias:

EDGE Enhanced Data Rates for GSM Evolution

Wideband CDMA

cdma2000

O UMTS(Universal Mobile Telecommunications System)

http://www.umtsworld.com/technology/overview.htm

A tecnologia EDGE

Permite às redes GSM existentes suportar e oferecer serviços da terceira geração.

Possibilita uma velocidade de transmissão de 384Kbit/s.

Utiliza alguns conceitos da tecnologia TDMA.

Estrutura do quadro, canais lógicos e largura de banda de 200kHz.

Uma uma nova técnica de modulação que permite um uso mais efetivo do espectro(8PSK).

Evolução tecnológica das redes sem fio móveis

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Wireless Application Protocol

Especificação aberta para entrega de dados através de meio sem fio.

Possibilita o acesso de conteúdo internet através da telefonia móvel e de PDAs.

Não é proprietário.

Não depende da rede.

Sua especificação iniciou-se em 1997 a partir de um esforço conjunto das empresas: Nokia, Ericsson, Phone.com e Motorola.

Wireless Application Protocol

Atualmente sua especificação é mantida pelo WAP Forum: http://www.openmobilealliance.org/tech/affiliates/wap/wapindex.html

A unidade móvel possui um browser embutido.

O acesso a Internet eh feito através de um gateway WAP.

Os browsers só interpretam um tipo especial de páginas escritas na linguagem WML.

Global System for Mobile CommunicationsPadrão internacional para transmissão de voz e dados.

O cartão SIM(Subscriber Identity Module)

Mantém informações e configurações pessoais

Componentes da arquitetura GSM:

Mobile StationEquipamento móvel

Cartão SIM

Base Station Subsystem

Network Subsystem

Global System for Mobile CommunicationsA Base Station Subsystem(BSS) é composta por:

Estação transceptora Base(BTS) contém os componentes que definem uma célula e os protocolos associados.

Controlador de estação base(BSC) gerencia os recursos para as unidades transceptoras e a comunicação com as centrais de comutação móvel(MSC).

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Global System for Mobile Communications

O Network Subsystem controla a comunicação entre diferentes células;

É composto por:

MSC Central de comutação e controle

VLR Registro de localização de visitantes

HLR Registro de localização de UM local

AUC Central de autenticação

EIR Registro de identidade de equipamento

Global System for Mobile Communications

General Packet Ratio Service

Também chamada de GSM-IP

Oferece velocidades entre 56 e 170 Kbps

Transmissão baseada em pacotes

Tais taxas de transmissão tornam possível o tráfego multimídia.

A comutação de pacotes permite um uso mais eficiente do spectro: os recursos de rádio são usados apenas quando estão transmitindo ou recebendo dados.

Limitações do GPRSCapacidade da célula limitada para todos os usuários.

Velocidade muito inferior na realidade

A velocidade de 170Kbps só é atingida se um único usuário estiver usando todos os timeslots.

Usa uma técnica de modulação não muito eficiente(GMSK Gaussian minimum-shift keying).

Atrasos na transmissão decorrentes de retransmissões de pacotes perdidos durante a transmissão de dados pelo meio sem fio.

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Short Message Service

Serviço que permite o envio de pequenas mensagens( geralmente 160 carcteres) a aparelhos que suportam mensagens SMS.

Serviço integrado à tecnologia GSM, mas também suportado em outras tecnologias.

Tecnologias sem fio óticas

Sistema ótico Qualquer sistema que utilize a luz modulada para transmitir informações pelo ar usando parte do espectro ótico.

Também conhecido como FSO(free space optics).

Usam o laser infravermelho de baixa potência e uma série de lentes e espelhos para direcionar diferentes comprimentos de onda para o receptor.

Tecnologias sem fio óticasÉ uma tecnologia que exige campo de visão

Tem sua performance afetada por neblina e em menor intensidade pela chuva.

Tecnologia full-duplex sem necessidade de licenciamento para uso do spectro.

Transmite a uma taxa entre 10 e 155 Mbps com uma distância máxima de 3.75 Km, em alguns sistemas a taxas de 1.25Gbps com uma distância máxima de 350 metros.

Tecnologias sem fio óticas