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:
|
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 |
2. Redes HIPERLAN
tipo 2:
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.