HIPERLAN

1. Introdução:

1.1. Redes Locais sem Fio

O aumento da demanda por mobilidade e flexibilidade causou um forte desenvolvimento na área das “Redes Locais com fio”, introduzindo a tecnologia sem fio. Hoje em dia, as redes locais sem fio constituem um mercado que não para de crescer e permitem o acesso fácil e rápido nos escritórios, em casa ou nos ambientes de produção sem necessitar de obras físicas no local. As redes sem fio podem substituir os cabos ao mesmo tempo em que podem oferecer altas taxas de bit para serviços como vídeo conferências, por exemplo, além de alta flexibilidade para comunicação de redes ad hoc (sem infra-estrutura), encontros de grupos, etc. Abaixo estão algumas vantagens e desvantagens de uma rede local sem fio em relação as redes com fio:

Vantagens:

· Flexibilidade e Mobilidade: Com a cobertura via-rádio, os nós podem se comunicar sem restrições. Ondas de rádio podem atravessar paredes, e transmissores e receptores podem podem ser colocados em qualquer lugar (mesmo lugares não visíveis, desde que estejam em área de cobertura).

· Planejamento: Nas redes com fio, o planejamento é fundamental, sendo executado com todo o cuidado, ao contrário das redes sem fio.

· Robustez: Redes sem fio podem sobreviver a desastres, terremotos, etc. Se o componente sem fio sobrevive a um desastre, as pessoas continuam a se comunicar. Redes que requerem uma infra-estrutura cabeada iriam se quebrar completamente.

Desvantagens:

· Qualidade de serviço: Redes sem fio tipicamente apresentam uma qualidade inferior a outras redes locais, por motivos de banda, altas taxa de erros, interferência, etc.

· Custo

· Segurança: usando ondas de rádios para transmissão de dados pode interferir em outro equipamento de alta tecnologia (hospitais possuem uma série de equipamentos que trabalham em frequências diferentes para evitar a interferência).

Em suma, uma série de fatores têm que ser levados em conta para se garantir o sucesso comercial de uma rede local sem fio, como por exemplo, economia de bateria se torna fundamental num ambiente onde nenhum terminal é restringido a fios e cabos, operação numa frequência livre, segurança dos dados garantidos por criptografia, etc.

Existem algumas tecnologias desenvolvidas para redes locais sem fio, como o IEEE 802.11 – um padrão da IEEE - e a HIPERLAN – um padrão da ETSI (Instituto de Padronização Europeu de Telecomunicações).

O objetivo deste trabalho é falar um pouco sobre o padrão HIPERLAN entrando no mérito do seu funcionamento, modo de operação, das camadas lógicas e de transporte, interface-aérea, etc.

1.2. HIPERLAN – Uma visão geral:

Em 1996, a ETSI padronizou a HIPERLAN/1 como rede local sem fio permitindo mobilidade e suporte a topologias de redes baseadas tanto em infra-estrutura quanto em redes ad hoc. O nome HIPERLAN em inglês significa rede local de alta performance.

A HIPERLAN/1 foi originalmente a primeira das quatro tipos de HIPERLAN existentes hoje, porém a ETSI decidiu criar outras redes locais sem fio para atender diferentes segmentos do mercado. Foram criadas então as redes HIPERLAN/2, HIPERLAN/3 HIPERLAN/4 e são conhecidas também pelos nomes de HIPERLAN/2, HIPERACCESS e HIPERLINK, respectivamente. A tabela abaixo nos dá uma comparação entre cada uma delas, assim como suas características básicas:

	HIPERLAN/1	HIPERLAN/2	HIPERLAN/3	HIPERLAN/4
Aplicação	Rede local sem fio	Acesso a redes fixas (ATM, por exemplo)	WLL	Conexões de redes ATM sem fio ponto a ponto
Frequência	5.1~5.3 GHz	5.1~5.3 GHz	5.1~5.3 GHz	17.2~17.3 GHz
Topologia	Ad hoc/Infraestrutura	Celular/centralizada	Ponto-multiponto	Ponto a ponto
Antena	Omni-direcional	Omni-direcional	Direcional	Direcional
Alcance	50m	50~100m	5000m	150m
QoS	Estatístico	Classes de tráfego ATM	Classes de tráfego ATM	Classes de tráfego ATM
Mobilidade	< 10 m / s	< 10 m / s	Estacionária	Estacionária
Interface	Rede local Convencional	Redes ATM	Redes ATM	Redes ATM
Taxa de dados	23.5 Mbps	> 20 Mbps	> 20 Mbps	155 Mbps
Conservação de Energia	Sim	Sim	Sim	Não é necessária

Como podemos observar na tabela acima, o tipo HIPERLAN/1 descreve uma rede local sem fio que mantém prioridades e vida útil dos pacotes a uma velocidade de transferência de 23,5 Mbit/s, incluindo mecanismos diretos, encriptação dos dados do usuário, identificação da rede e mecanismos de conservação de energia. Os tipos 1, 2 e 3 operam na mesma faixa livre do espectro que é de 5.1 – 5.3 GHz, com um alcance que varia de 50 metros a até 5000 metros como no caso da HIPERLAN/3. A própria aplicação de cada uma das topologias é diferente, possuindo taxas de dados variadas e antenas diferentes para cada tipo.

O padrão HIPERLAN 2 será descrito mais detalhado ao longo deste trabalho, pois abrange praticamente todas as características e modo de operação dos outros tipos de HIPERLAN.

2. Redes HIPERLAN tipo 2:

As redes HIPERLAN/2 tipicamente têm a topologia descrita como a figura abaixo.

Os Terminais Móveis (TM) se comunicam com os Pontos de Acesso (PA) através da interface aérea definida pelo padrão HIPERLAN 2. Também existe o modo de comunicação direto entre dois TMs. O usuário de um TM pode se mover livremente pela rede HIPERLAN/2, que irá garantir ao usuário e ao TM obter a melhor performance de transmissão possível. Um TM, depois de ter feito a sua associação na rede (pode ser visto como um login) somente se comunica com um PA por vez. Os PAs da rede vão coletar informações sobre a interface aérea levando em conta as mudanças na topologia desta. Logo, não é necessário nenhum manual de planejamento de frequência, tornando a rede mais flexível para eventuais mudanças e futuras expansões.

2.1. Características da HIPERLAN/2:

As características gerais da tecnologia HIPERLAN/2 são resumidas em :

· Transmissão em alta velocidade

· Orientada a conexão

· Qualidade de serviço

· Alocação automática de frequência

· Suporte a segurança

· Suporte a mobilidade

· Rede e aplicações independentes

· Conservação de Energia/Baterias

Uma breve descrição de cada uma dessas características é dada logo abaixo:

Transmissão em alta velocidade: HIPERLAN/2 tem uma elevada taxa de transmissão, cuja taxa atinge na camada física até 54 Mbit/s e na camada 3 acima de 25 Mbit/s. Para atingir essas taxas, o padrão utiliza um método de modulação chamado de OFDM (Multiplexação por Divisão em Frequências Ortogonais) para transmitir sinais analógicos. OFDM é muito eficiente em ambientes dispersivos como escritórios de trabalho, onde sinais de rádio transmitidos são refletidos de vários pontos, levando a caminhos de propagação diferentes até atingir eventualmente o receptor. Acima da camada física, o protocolo de controle de acesso ao meio (MAC) é totalmente novo quando implementa a forma de uma dinâmica divisão no tempo para permitir a utilização mais eficiente dos recursos de rádio.

Orientada a conexão: No padrão, dados são transmitidos numa conexão entre TM e PA que foi previamente estabelecida usando as funções de sinalização do plano de controle do HIPERLAN/2. As conexões são multiplexadas por divisão no tempo através da interface aérea. Existem dois tipos de conexão, ponto a ponto e ponto-multiponto. Conexões ponto a ponto são biredicionais enquanto que as conexões ponto-multiponto são unidirecionais na direção direta para o TM. Existe também o canal de difusão dedicado onde o tráfego atinge todos os terminais transmitidos de um PA.

Qualidade de Serviço: Cada conexão pode ser assinalada com um específico QoS, em termos de banda, atraso, jitter, taxa de erro de bits, etc. É possível também usar uma aproximação mais simples, onde cada conexão pode ser assinalada a um nível de prioridade relativo a outras conexões. Esse suporte de QoS em combinação com as altas taxas de transmissão facilita a transmissão simultânea de diferentes tipos de dados, como por exemplo vídeo, voz e dados.

Alocação automática de frequência: Na rede HIPERLAN/2, não é necessário planejamento de frequência como é usado em redes celulares como GSM. As estações rádio base, que são chamadas de Pontos de Acesso (PA) na HIPERLAN/2, possuem um suporte para selecionar automaticamente um canal de rádio apropriado para transmissão em cada área de cobertura do PA. Um PA escuta um PA vizinho tão bem quanto outro terminal no ambiente, e escolhe qual o canal apropriado baseado nos dois para minimizar a interferência com o ambiente.

Suporte a segurança: A tecnologia HIPERLAN/2 suporta tanto a autenticação quanto a encriptografia. Com a autenticação, tanto os PAs quanto os TMs podem autenticar um ao outro para garantir o acesso autorizado a rede (do ponto de vista do PA) ou para garantir o acesso para validar o operador da rede (do ponto de vista do TM). O tráfego do usuário estabelecido nas conexões podem ser encriptados para proteger contra ataques de piratas.

Suporte a mobilidade: O TM vai observar que ele transmite e recebe dados do PA mais próximo a ele, ou mais corretamente falando, o TM usa o melhor sinal de rádio medido da relação sinal ruído. Então, como o usuário e o TM se movem, o TM vai detectar se existe outro PA em melhores condições de transmissão do que o PA que está associado diretamente aquele TM. O TM vai então ordenar que seja feito a troca de PA, continuando a comunicação normalmente. Durante a troca de PA, algumas perdas de pacote podem existir. Se o TM se move para fora da área de cobertura por um período de tempo, o TM pode perder toda a associação com a rede HIPERLAN/2 resultando na perda de todas as conexões.

Rede e aplicações independentes: A pilha de protocolos HIPERLAN/2 possui uma arquitetura flexível e de fácil adaptação e integração com outras redes fixas. Uma rede HIPERLAN/2 pode ser usada como o último segmento sem fio de uma Ethernet, mas também pode ser usada em outras configurações como rede de acesso a redes de terceira geração de celulares. Todas as plicações hoje que rodam numa infra-estrutura fixa podem também rodar sobre uma rede HIPERLAN/2.

Conservação de Energia/Baterias: O mecanismo usado para permitir um TM economizar energia é baseado numa negociação iniciada pelo TM de períodos de dormir. O TM pode a qualquer hora pedir ao PA para entrar num estado de baixo consumo (específico para o TM) e pedir um período de dormir. No início da negociação, o TM procura pela presença do “toque de acordar” dado pelo PA. No caso de ausência do toque de acordar o TM volta para o seu estado de baixo consumo para o seu próximo período de dormir, e assim por diante. Um PA vai adiar todos dados pendentes para um TM ate que seu período de dormir acabe. Lembrando que diferentes períodos de dormir podem ser suportados para permitir os requisitos de uma latência curta ou baixo consumo.

2.2. Protocolos e as camadas:

O protocolo HIPERLAN/2 possui três camadas básicas :

· Camada Física (PHY)

· Camada controle do enlace de dados (DLC)

· Camada de convergência (CL)

2.2.1 Camada Física:

O formato da transmissão na camada física é uma sequência, que consiste em uma parte de preâmbulo e outra parte de dados, onde o último poderia originar dos canais de transporte do DLC. A Multiplexação por divisão em frequências ortogonais (OFDM) foi escolhida devido a sua excelente performance nos canais altamente dispersivos.

OFDM é um tipo especial de modulação de multiportadoras. A idéia básica é transmitir em banda larga , com altas taxas de informação dividindo os dados em várias cadeias de bits, que são moduladas por uma subportadora separada. Isso ajuda contra os efeitos de multipercurso e interferência entre símbolos.

O espaçamento dos canais é de 20MHz, que permite altas taxas de bits por canal mas ainda um número razoável de canais alocados no espectro (19 canais na Europa). 52 subportadoras são usadas por canal, onde 48 subportadoras carregam o dado e 4 portadoras são portadoras pilotos, contendo informação para facilitar o sincronismo de fase e a demodulação coerente. Sistemas de tv digital também utilizam esse tipo de modulação devido a essas vantagens da modulação OFDM. O intervalo de guarda entre as portadoras é de 800ns, suficiente para manter a boa performance dos canais. Um intervalo de guarda de 400ns também pode ser usado em ambientes pequenos fechados. A figura abaixo ilustra a modulação OFDM, mostrando suas respectivas subportadoras, com pilotos e os dados. O número de subportadoras na figura é ilustrativo.

Figura ilustrativa da modulação OFDM

Cada subportadora pode ser modulada digitalmente por BPSK, QPSK e 16QAM. Os códigos de controle de erros diretos tem taxas de ½, 9/16 e ¾. A tabela abaixo ilustra sete modos da camada física em que pode se usar a modulação OFDM.

Modo	Modulação	Taxa do Código	Taxa de bits Camada Física	Bytes/símbolo OFDM
1	BPSK	½	6 Mbps	3.0
2	BPSK	¾	9 Mbps	4.5
3	QPSK	½	12 Mbps	6.0
4	QPSK	¾	18 Mbps	9.0
5	16QAM	9/16	27 Mbps	13.5
6	16QAM	¾	36 Mbps	18.0
7	64QAM	¾	54 Mbps	27.0

2.2.2 Camada controle do enlace de dados (DLC): Constitui o enlace lógico entre o PA e os TMs. A DLC inclui funções como acesso ao meio e transmissão (plano do usuário) e terminal e sua conexão (plano controle). A DLC esta praticamente dividida em um conjunto de subcamadas:

· Protocolo MAC (Controle de Acesso ao Meio)

· Protocolo de Controle de Erro (CE)

· Protocolo de controle de enlace via rádio (RLC)

Vamos descrever um pouquinho sobre cada subcamada da DLC:

Protocolo MAC è Usado para acesso ao meio (enlace de rádio) com a transmissão dos dados a esse meio. O controle é centralizado no PA que informa ao TM qual o ponto exato no tempo no quadro MAC ele pode transmitir o seu dado, que vai depender dos pedidos feitos por cada TM.

A interface aérea é baseada na divisão dupla por tempo (TDD) e no acesso multiplexado por divisão dinâmica do tempo (TDMA). A estrutura do slot de tempo do meio permite para comunicação simultânea enlace de ida e de volta dentro do mesmo quadro de tempo, chamado de quadro MAC na HIPERLAN/2. Essa alocação de ida e de volta é feito de forma dinâmica, dependendo dos recursos pedidos pelos TMs. O quadro MAC básico tem a estrutura na interface aérea fixada em 2 ms e comprime os canais de controle de difusão, controle de quadro, controle de acesso, transmissão de dados no enlace direto e enlace reverso. Todos os dados transmitidos entre os PAs e os TMs são transmitidos em slots de tempo, exceto para os canais de acesso aleatório.

Os quadros MAC e os canais de transporte formam a interface entre a camada DLC e a camada física.

Protocolo de Controle de Erro è O mecanismo usado para o Controle de erro é o ARQ, que aumenta a confiabilidade do enlace de rádio. Controle de erro significa detecção de bits errados, resultando a retransmissão do dado no caso de erro. O CE (controle de erro) também garante que os dados chegaram em sequência para a camada de convergência. Um erro pode causar a restransmissão do dado durante algumas vezes (este número é configurável).

Protocolo de controle de enlace via rádio (RLC) è Este protocolo dá o serviço de transporte para as entidades de sinalização ACF (Controle da função de associação), RRC (função de controle dos recursos de rádio), DCC (função de controle da conexão do usuário DLC). Essas quatro entidades formam o plano de controle para a troca de mensagens de sinalizaçãoentre o PA e o TM.

2.2.3 Camada de convergência (CL):

A camada de convergência tem duas funções principais: solicitar o serviço adaptativo das camadas superiores para o serviço oferecido pela DLC e converter os pacotes das camadas superiores com tamanhos variáveis ou possivelmente fixos para tamanho fixo usado na DLC.

2.3. HIPERLAN/2 – Como funciona?

A figura abaixo mostra um cenário com um TM, três PAs que estão conectados a uma rede ethernet fixa:

Os PAs tem as suas frequências selecionadas apropriadamente.

O TM começa medindo o sinal e selecionando o PA apropriado para que ele se associe. Do PA selecionado o TM recebe uma identidade MAC (MAC-ID). Isso é seguido pela troca do enlace para decidir entre outras coisas o procedimento de autenticação e o algoritmo de encriptografia. Depois de trocas de chave e autenticação, o TM é associado ao PA.

O TM vai mandar e receber dados em duas conexões estabelecidas (padrão na HIPERLAN/2) suportando duas diferentes filas de prioridade. Quando o TM se move, ele pode decidir fazer uma troca de PA caso detecte que outro PA situado melhor para a comunicação (um sinal mais forte). Quando todas as conexões forem estabelecidas acontece a troca de PA, usando a sinalização PA-PA através da rede local fixa. Quando o TM (ou mais usuários) resolverem desconectar da Rede Local, o TM vai pedir pela dissociação, resultando na liberação de todas as conexões entre o TM e o PA. Isto pode acontecer se o TM sair por um período de tempo da área de cobertura da rede.

2.4. Exemplos de aplicação:

Redes Locais Corporativas : A figura abaixo mostra um exemplo de uma rede local corporativa construída em cima de uma rede local Ethernet e roteadores IP. A rede HIPERLAN/2 é usada no último segmento entre o TM e a rede Ethernet. A HIPERLAN/2 suporta mobilidade dentro dos limites da mesma subrede da rede local. Movendo entre subredes implica mobilidade do IP que tem que ser cuidada uma camada acima da HIPERLAN/2.

Áreas de concentração: As redes HIPERLAN/2 podem ser construídas em áreas de concentração, como por exemplo aeroportos, hotéis, permitindo uma maneira fácil de se oferecer acesso remoto a serviços na Internet, principalmente para os executivos das empresas.

Acesso as redes de Terceira Geração de celular: HIPERLAN/2 pode ser usado também como um acesso alternativo às redes celulares de terceira geração. Um possibilidade será cobrir áreas de concentração e áreas de cidades com HIPERLAN/2 e uma vasta área com a tecnologia W-CDMA. Dessa maneira, o usuário pode se beneficiar de uma rede de alta performance onde quer que esteja implantada a HIPERLAN/2 e usar também W-CDMA no resto da rede. O núcleo da rede enxerga que o usuário está autenticado na rede e permite a troca das áreas de cobertura entre as duas tecnologias de acordo com a movimentação do TM.

Redes em casa: Outro exemplo do uso da tecnologia é o uso no ambiente o lar doce lar, criando uma infra-estrutura sem fio para os componentes de casa (Computadores, vídeos, câmeras, impressoras, etc). A alta performance e as características de QoS da HIPERLAN/2 suportam a transmissão de vídeos em conjunto com as aplicações de dados. O PA nesse caso pode ter um enlace para a rede pública, como ADSL ou modem a cabo.

2.5. Comparação entre HIPERLAN/2 e outras tecnologias de Redes Locais sem fio:

A tabela abaixo ilustra as características da 802.11, 802.11b, 802.11a e HIPERLAN/2.

Característica	802.11	802.11b	802.11a	HIPERLAN/2
Espectro	2.4 GHz	2.4 GHz	5 GHz	5 GHz
Máxima taxa (camada física)	2 Mbps	11 Mbps	54 Mbps	54 Mbps
Máxima taxa (camada 3)	1.2 Mbps	5 Mbps	32 Mbps	32 Mbps
Controle de acesso ao meio / divisão do meio	CSMA/CA	CSMA/CA	CSMA/CA	TDMA/TDD
Multicast	Sim	Sim	Sim	Sim
Autenticação	Não	Não	Não	Sim
Encriptografia	40 bits RC4	40 bits RC4	40 bits RC4	DES, 3DES
Suporte para rede fixa	Ethernet	Ethernet	Ethernet	Ethernet, IP, ATM, UMTS
Controle da qualidade do enlace	Não	Não	Nao	Adaptação do enlace

Comparando as características acima, podemos ver que algumas vantagens disponíveis na HIPERLAN/2 não estão disponíveis nas outras redes locais sem fio, como por exemplo autenticação do TM, suporte para redes fixas com mais possibilidades, controle de acesso ao meio por TDMA/TDD, etc.

O padrão vem sendo cada vez mais difundido, porém os custos ainda são elevados em comparação com as redes convencionais.

Perguntas ???

1. Quantos são os tipos de HiperLan existentes e suas principais características?

Res: A ETSI criou quatro tipos de redes locais sem fio, as chamadas HIPERLAN/1, HIPERLAN/2, HIPERACESS (HIPERLAN/3) e HIPERLINK (HIPERLAN/4). A HIPERLAN/1 é descentralizada, atinge taxas de 23.5 Mbps , ideal para topologias de redes ad hoc ou com infra-estrutura, possui interface convencional para Redes Locais sem Fio, e a mobilidade dos terminais é inferior a 10 m/s, além de possuir conservação de energia/baterias e alcande de até 50m. A HIPERLAN/2 tem a topologia celular centralizada, com taxas maiores de 20Mbps, com conservação de energia/baterias, com alcance de 50 - 100m, e assim como na HIPERLAN/1, atua na faixa de frequência 5.1~5.3 GHz e possui mobilidade dos terminais inferior a 10 m/s. A HIPERLAN/3 ou HIPERACESS possui topologia ponto-multiponto, com alcance até 5000m, velocidade superior a 20 Mbps, e também possui conservação de energia/baterias. A HIPERLAN/4 não possui a conservação de energia, mas taxa de 155 Mbps, ponto a ponto, atua na frequência 17.2-17.3 GHz e alcance até 150 m.

2. Descreva o processo de autenticação de um Terminal Móvel na rede HIPERLAN/2.

Res: O terminal é ligado e começa fazendo a medição do sinal vindo dos pontos de acesso (PA) para definir qual é a melhor relação sinal/ruído. Do PA selecionado o terminal recebe uma identidade MAC (MAC-ID). depois de uma troca de chaves, a autenticação do terminal é confirmada, e o TM é associado ao PA.

3. Quais são as principais aplicações para a rede HIPERLAN/2?

Res: Pode ser usado para redes locais corporativas, para áreas de concentração com o objetivo de garantir mobilidade e flexibilidade aos usuários ( locais como aeroportos, hotéis, empresas, etc), para dar acesso a terceira geração de redes celulares podendo mesclar a tecnologia W-CDMA e HIPERLAN/2 ( maiores taxas de transmissão) e até para redes locais para uso em casa, conectando os terminais como impressoras, computadores, etc.

4. Qual o tipo de modulação usado na camada física da HIPERLAN/2 e quantas são as portadoras?

Res: O modulação usada é a OFDM (multiplexação por divisão ortogonal de frequência) para a transmissões dos sinais analógicos, e são 52 subportadoras com modulação digital em BPSK, QPSK ou 16-QAM. A OFDM tem uma excelente performance em canais altamente dispersivos, como o ar.

5. Como é feito a conservação de energia/baterias na rede HIPERLAN/2?

Res: Essa função é feita controlar a potência do transmissor, baixando o consumo de potência. primeiramente, é negociada o "tempo de dormir do terminal". Depois de N quadros, pode acontecer os seguintes passos: O PA (ponto de acesso) acorda o Terminal móvel (TM), ou o TM acorda para transmitir alguma informação, ou o PA diz para o TM continuar "dormindo", ou o TM perde os sinais de acordar do PA, sendo esperado mais um tempo de dormir.