Redes Sem Fios e
Móveis
Cap 6 do Kurose
Nota dos autores:
We’re making these slides freely available to all (faculty, students, readers).
They’re in PowerPoint form so you can add, modify, and delete slides
(including this one) and slide content to suit your needs. They obviously
represent a lot of work on our part. In return for use, we only ask the
following:
 If you use these slides (e.g., in a class) in substantially unaltered form,
that you mention their source (after all, we’d like people to use our book!)
 If you post any slides in substantially unaltered form on a www site, that
you note that they are adapted from (or perhaps identical to) our slides, and
note our copyright of this material.
Thanks and enjoy! JFK/KWR
All material copyright 1996-2007
J.F Kurose and K.W. Ross, All Rights Reserved
Computer Networking:
A Top Down Approach
4th edition.
Jim Kurose, Keith Ross
Addison-Wesley, July
2007.
6: Redes Móveis e sem Fios
6-1
Introdução
 # de assinantes de telefones móveis excede largamente
o número de assinantes de telefones fixos

34 milhões em 1993; 2 bilhões em 2005
 Redes de computadores cada vez mais com mais
dispositivos móveis: laptops, palmtops, PDAs, telefones
VOIP

A mobilidade veio para ficar
 Dois desafios importantes mas diferentes

Comunicações sem fios : comunicação através de ligações

Mobilidade: gestão do utilizador móvel que muda
sem fios
contantemente o seu ponto de ligação à rede
6: Redes Móveis e sem Fios
6-2
Sumário
 Introdução
 Ligações sem fios e
características da rede

CDMA
 Wi-Fi: Redes Locais sem fios
802.11






Arquitectura 802.11
Protocolo de acesso ao meio
802.11
Quadro IEE 802.11
Mobilidade na mesma subrede IP
Funcionalidades avançadas no
802.11
Para além do 802.11:
Bluetooth e WiMAX
 Acesso celular à Internet
 Visão geral da Arquitectura
Celular
 Revisão sumária das normas e
tecnologias celulares
 Principios da Gestão da
Mobilidade


Endereçamento
Encaminhamento para um nó
móvel
 IP Móvel
 Gestão da Mobilidade em
Redes Celulares


Encaminhamento de chamadas
para um utilizador móvel
Handoffs no GSM
 Redes sem fios e Mobilidade:
impacto nas camadas
superiores
 Sumário
6: Redes Móveis e sem Fios
6-3
Elementos de uma rede sem fios
Hosts sem fios
 laptop, PDA, telefone IP
 Correm aplicações
 Podem ser estacionários
ou móveis
Infra-estructura
de Rede

Sem fios não significa
mobilidade
6: Redes Móveis e sem Fios
6-4
Elementos de uma rede sem fios
Infra-estructura
de Rede
Estação Base
 Conectada à rede com
fios, normalmente
 relay – responsável
pelo envio de pacotes
entre hosts com e
sem fios na sua “area”
 i.e., torres das
células , pontos
de acesso 802.11
6: Redes Móveis e sem Fios
6-5
Elementos de uma rede sem fios
ligação sem fios
 Tipicamente usado para
ligar os móveis à
estação base
 Também usado como
ligação de backbone
Infra-estructura  Acesso ao link
de Rede
coordenado por
protocolos múltiplos
 Variação no débito de
dados e distância de
transmissão
6: Redes Móveis e sem Fios
6-6
Características das normas para ligações
sem fios seleccionadas
Data rate (Mbps)
200
54
5-11
802.11n
802.11a,g
802.11b
4
1
802.11a,g point-to-point
data
802.16 (WiMAX)
UMTS/WCDMA-HSPDA, CDMA2000-1xEVDO
3G cellular
enhanced
802.15
.384
UMTS/WCDMA, CDMA2000
.056
3G
2G
IS-95, CDMA, GSM
Indoor
Outdoor
10-30m
50-200m
Mid-range
outdoor
Long-range
outdoor
200m – 4 Km
5Km – 20 Km
6: Redes Móveis e sem Fios
6-7
Elementos de uma rede sem fios
Infra-estructura
de Rede
modo infra-estructura
 Estação Base liga os
móveis à rede com
fios
 handoff: o móvel
muda de estação de
base que o liga à rede
com fios
6: Redes Móveis e sem Fios
6-8
Elementos de uma rede sem fios
Modo ad hoc
 Sem estações de base
 Os nós podem apenas
transmitir para outros
nós dentro sa sua área
de cobertura
 Os nós organizam-se em
rede: encaminham
através de si próprios
6: Redes Móveis e sem Fios
6-9
Taxonomia de Redes sem Fios
Salto único
host liga-se à estação
Infra-estructura de base (WiFi,WiMAX,
(i.e., APs)
cellular) que se liga à
Internet
Saltos múltiplos
O host pode ter que
passar por vários
nós relay sem fios
para se ligar à
Internet: mesh net
Sem estação de base,
sem ligação à Internet.
Sem
Sem estação de base nem Pode ter que usar relays
Infra-estructura
Ligação à Internet
Para atingir um dado nó
(Bluetooth, redes adhoc) sem fios na MANET,
VANET
6: Redes Móveis e sem Fios
6-10
Características das Ligações Sem
Fios (1)
Diferenças para as ligações com fios ….



Força decrescente do sinal : o sinal de rádio é bastante
atenuado quando se propaga através do meio (perdas do
percurso)
Interferência com outras fontes: as frequências
normalizadas para redes sem fios (i.e., 2.4 GHz) são
partilhadas com outros dispositivos como telefones ;
Também há interferência com motores por exemplo
Propagação multi-percurso: o sinal de rádio reflecte-se
na superfície dos objectos e no chão, chegando ao
destino em várias réplicas do sinal em instantes
diferentes.
…. Torna a comunicação (mesmo ponto-a-ponto)através de
ligações sem fios muito mais “complicada”
6: Redes Móveis e sem Fios
6-11
Características das Ligações Sem
Fios (2)
 SNR: signal-to-noise ratio

Maior SNR – mais fácil extrair
o sinal do ruído (uma “coisa
boa”)
Compromissos SNR versus BER
 Dada a camada física: aumenta

a potência -> aumenta SNR>diminui BER
Dada a SNR: encontre uma
camada física que se adapte
aos requisitos BER, dando o
máximo débito
• A SNR pode mudar com a
mobilidade : adapte a camada
física dinamicamente (técnica
de modulação, débito)
10-2
10-3
BER

10-1
10-4
10-5
10-6
10-7
10
20
30
40
SNR(dB)
QAM256 (8 Mbps)
QAM16 (4 Mbps)
BPSK (1 Mbps)
6: Redes Móveis e sem Fios
6-12
Características das Ligações Sem
Fios (3)
Múltiplos transmissores e receptores sem fios criam
problemas adicionais (para além do acesso múltiplo)
C
A
B
A
B
Problema do terminal escondido
C
Força do
Sinal de C
Força do
Sinal de A
space
 B, A ouvem um ao outro
Atenuação do sinal:
 A, C não podem ouvir-se entre si o
 B, C ouvem um ao outro
 B, C ouvem um ao outro
 B, A ouvem um ao outro
que significa que não se apercebem da
interferência em B
 A, C não podem ouvir-se
interferem em B
6: Redes Móveis e sem Fios
6-13
Code Division Multiple Access (CDMA)
 Usado em vários normas para canais broadcast sem fios





(celular, satélite, etc)
Código único atribuído a cada utilizador, i.e. partição do
conjunto de códigos
Todos os utilizadores partilham a mesma frequência, mas cada
um deles tem a sua própria sequência de transporte (i.e.
código) para codificar os dados
Sinal codificado = (dados originais) X (chipping sequence)
Descodificação = produto interno do sinal codificado com a
sequência de transporte (chipping)
Permite a “coexistencia” de múltiplos utilizadores que
transmitem simultaneamente com mínima interferência (se os
códigos forem ortogonais)
6: Redes Móveis e sem Fios
6-14
CDMA Codificação/Descodificação
sender
d0 = 1
data
bits
code
Zi,m= di.cm
-1 -1 -1
1
-1
1 1 1
-1 -1 -1
slot 1
-1
slot 1
channel
output
1
-1
1 1 1 1 1 1
1
d1 = -1
1 1 1
channel output Zi,m
-1 -1 -1
slot 0
1
-1
-1 -1 -1
slot 0
channel
output
M
Di = S Zi,m.cm
m=1
received
input
code
receiver
1 1 1 1 1 1
1
-1 -1 -1
-1
1 1 1
1
-1
-1 -1 -1
-1
1 1 1
-1 -1 -1
slot 1
M
1
1
-1
-1 -1 -1
slot 0
d0 = 1
d1 = -1
slot 1
channel
output
slot 0
channel
output
6: Redes Móveis e sem Fios
6-15
Problema 1
 Qual seria o valor de saida do transmissor
se o código CDMA fosse (1,-1,1,-1,1-1,1-1)?
6: Redes Móveis e sem Fios
6-16
CDMA: Interferência de duas
transmissões
6: Redes Móveis e sem Fios
6-17
Problema 2
 Apresente um exemplo de 2 Tx e 2 Rx,
apresente um exemplo de código CDMA que
não permita aos dois receptores extrair os
bits originais dos dois transmissores.
6: Redes Móveis e sem Fios
6-18
Sumário
 Introdução
 Ligações sem fios e
características da rede

CDMA
 Wi-Fi: Redes Locais sem fios
802.11






Arquitectura 802.11
Protocolo de acesso ao meio
802.11
Quadro IEE 802.11
Mobilidade na mesma subrede IP
Funcionalidades avançadas no
802.11
Para além do 802.11:
Bluetooth e WiMAX
 Acesso celular à Internet
 Visão geral da Arquitectura
Celular
 Revisão sumária das normas e
tecnologias celulares
 Principios da Gestão da
Mobilidade


Endereçamento
Encaminhamento para um nó
móvel
 IP Móvel
 Gestão da Mobilidade em
Redes Celulares


Encaminhamento de chamadas
para um utilizador móvel
Handoffs no GSM
 Redes sem fios e Mobilidade:
impacto nas camadas
superiores
 Sumário
6: Redes Móveis e sem Fios
6-19
Redes Locais sem fios IEEE 802.11
 802.11b
 2.4-5 GHz espectro sem
licença
 Até 11 Mbps
 direct sequence spread
spectrum (DSSS) na camada
física
• Todos os hosts usam o
mesmo código de “chipping”
 802.11a
 Gama 5-6 GHz
 Até 54 Mbps
 802.11g
 Gama 2.4-5 GHz
 Até 54 Mbps
 802.11n: antenas múltiplas
 Gama 2.4-5 GHz
 Até 200 Mbps
 Todas usam CSMA/CA para acesso múltiplo
 Todas têm versões com estação de base e para
redes ad-hoc
6: Redes Móveis e sem Fios
6-20
Arquitectura da LAN 802.11
 Cada host sem fios
Internet
AP
hub, switch
or router
BSS 1
AP
BSS 2
comunica com uma estação
de base
 Estação de Base = Ponto
de Acesso (AP)
 Cojunto básico de serviço
(BSS) (aka “cell”) no modo
infra-estrtutura contém:
 Hosts sem fios
 Pontos de Acesso (AP):
Estações de Base
6: Redes Móveis e sem Fios
6-21
Arquitectura da LAN 802.11
 Cojunto básico de serviço
(BSS) em modo Ad hoc
contém:
 Hosts sem fios
BSS
6: Redes Móveis e sem Fios
6-22
802.11: Canais e Associação
 802.11b: gama do espectro 2.4GHz-2.485GHz dividido em 11
canais com diferentes frequências
 AP admin escolhe a frequência para o AP
 Possível interferência: escolha do mesmo canal que um AP
vizinho !
 host: deve associar-se a um AP
 Varre os canais, ouvindo os quadros de orientação (beacon
frames) contendo o nome do AP (SSID) e endereços
MAC
 Selecciona um AP para se associar
 Pode autenticar-se (ver Capítulo 8)
 Tipicamente corre o DHCP para obter um endereço IP na
subrede do AP
6: Redes Móveis e sem Fios
6-23
Problema 3
 Suponha que há dois ISPs disponibilizando acesso
WiFi num café, cada um dos quais a operar o seu
AP e tendo o seu próprio bloco de endereços IP


Suponha adicionalmente que cada ISP configurou o seu AP
para funcionar no canal 11. Será que o protocolo 802.11
deixa de funcionar nesta situação? O que acontece se 2
estações cada uma de um ISP tentam transmitir ao
mesmo tempo.
Responda às mesmas questão se um AP funcionar no canal
1 e outro no canal 11. As suas respostas mudam?
6: Redes Móveis e sem Fios
6-24
802.11: Varrimento Activo/Passivo
BBS 1
AP 1
BBS 2
1
1
2
AP 2
BBS 1
BBS 2
AP 1
2
3
2
3
H1
Varrimento Passivo:
(1) beacon frames enviadas dos APs
(2) Quadro de pedido de associação
enviada pelo H1 para o AP
seleccionado
(3) Quadro de resposta de associação
enviada para o H1 pelo AP
seleccionado
AP 2
1
4
H1
Varrimento Activo
(1) Pedido de prova enviada de H1
(2) Resposta de prova enviada dos
APs
(3) Quadro de pedido de
associação enviada pelo H1
para o AP seleccionado
(4) Quadro de resposta de
associação enviada para o H1
pelo AP seleccionado
6: Redes Móveis e sem Fios
6-25
Acesso mútiplo no IEEE 802.11
 Evitar colisões: 2+ nós a transmitir simultaneamente.
 802.11: CSMA – Ouvir antes de transmitir
 Não colidir com uma transmissão de outro nó em curso
 802.11: Não há detecção de colisão !
 É dificil receber (ouvir colisões) quando se transmito devido
à fraqueza do sinal recebido (desvanescimento, fading)
 Em qualquer caso não se consegue ouvir as colisões em todas
situações: terminal escondido, fading
 Objectivo: Evitar colisões: CSMA/C(ollision)A(voidance)
A
C
A
B
B
C
Força do
sinal C
Força do
sinal A
space
6: Redes Móveis e sem Fios
6-26
Protocolo de Controlo de Acesso ao
Meio (MAC) do IEEE 802.11 : CSMA/CA
Transmissor 802.11
1 Se se apercebe do canal inactivo durante o
tempo DIFS então
sender
Transmite o quadro completo (sem CD)
2 Se o canal estiver ocupado então
DIFS
arranca um tempo aleatório de backoff
O temporizador faz uma contagem
decrescente à espera do canal inactivo
Transmite quando o tempo termina
Se não tiver confirmação (ACK), aumenta o
intervalo aleatório do tempo de backboff, e
repete o passo 2
Receptor 802.11
- Se o quadro recebido estiver OK
receiver
data
SIFS
ACK
devolve o ACK após o tempo SIFS (ACK é
necessário por causa do problema do terminal
escondido)
Tempo
6: Redes Móveis e sem Fios
6-27
CSMA/CD versus CSMA/CA
 CSMA/CD (Ethernet)

Transmite mal se aperceba que o canal está livre
 CSMA/CA
 Apercebe-se que o canal está livre mas refreia a
sua vontade de transmitir e conta a partir dum
valor aleatório de forma decrescente até zero
antes de transmitir
Porquê a Diferença?
6: Redes Móveis e sem Fios
6-28
Problema 4
 No passo 4 do protocolo CSMA/CA, uma
estação que transmite com sucesso um
quadro começa no passo 2 e não no passo 1.
Que raciocínio fizeram os engenheiros do
802.11 para não permitir essa estação
enviar imediatamente o quadro seguinte (se
detectar o canal livre)?
6: Redes Móveis e sem Fios
6-29
CSMA/CD versus CSMA/CA
Uma terceira estação está a transmitir;
estão 2 à espera.
 Ethernet
 Começam logo a
transmitir e dá colisão


Não é grave
Há mecanismos de
detecção de colisão
 Wireless
 Esperam um tempo de
contagem random


Uma delas ganha e
começa a transmitir
A outra ouve a
vencedora e deixa de
contar à espera do canal
livre
Pode ocorrer na mesma se as 2 estações
estiverem escondidas uma da outra
Escolhem tempos muito próximos
6: Redes Móveis e sem Fios
6-30
Prevenção de Colisão (mais)
ideia:
permitir ao transmissor reservar o canal em vez acesso
aleatório dos quadros de dados: evitar colisões em quadros
de dados longos.
 O transmissor primeiro envia pacotes pequenos com pedido
de envio (request-to-send ,RTS) para a BS usando o CSMA
 As RTSs podem também colidir (mas são pequenas)
 A estação de base (BS) difunde clear-to-send (CTS) em
resposta ao in response to RTS
 CTS ouvido por todos nós
 Transmissor envia o quadro de dados
 As outras estações atrasam (deferem) as suas
transmissões
Evitar por completo colisões de quadros de
dados com recurso a pequenos pacotes de reserva!
6: Redes Móveis e sem Fios
6-31
Collision Avoidance: RTS-CTS exchange
A
B
AP
reservation collision
DATA (A)
defer
time
6: Redes Móveis e sem Fios
6-32
Problema 5
 Suponha que uma estação 802.11 é
configurada para reservar sempre o canal
com uma sequência RTS/CTS. Suponha que
a estação subitamente transmitir 1000
bytes de dados e todas as outras estações
estão em repouso nesse instante. Como
função do SIFS e do DIFS e ignorando
atrasos de propagação and erros de bits,
calcule o tempo necessário para transmitir
o quadro e receber a confirmação.
6: Redes Móveis e sem Fios
6-33
Ligações ponto-a-ponto 802.11
 802.11 pode ser usado com antenas
direccionais para ligações ponto-a-ponto de
dezenas de Km
Hardware de baixo custo
 Antenas direccionais
 Potência reforçada

 Exemplo na Índia [Raman 2007]
6: Redes Móveis e sem Fios
6-34
Quadro 802.11 : Payload e CRC
2
2
6
6
6
frame
address address address
duration
control
1
2
3
2
6
seq address
4
control
0 - 2312
4
payload
CRC
 Payload – Datagrama IP ou pacote ARP
 Embora possa ir até 2,312 bytes normalmente é inferior a
1500 bytes
 CRC (Cyclic Redundancy Checking)
 Permite ao receptor detectar erros no quadro recebido
 É bastante útil porque aqui há erros mesmo !
6: Redes Móveis e sem Fios
6-35
Quadro 802.11 : endereçamento
2
2
6
6
6
frame
address address address
duration
control
1
2
3
Endereço 1: endereço
MAC do host sem fios ou
AP destinatário do quadro
2
6
seq address
4
control
0 - 2312
4
payload
CRC
Endereço 4: usado
apenas no modo ad
hpc
Endereço 3: endereço
MAC da interface do
router a que o AP está
ligado
Endereço 2: endereço
MAC do host sem fios ou
AP que transmite o quadro
6: Redes Móveis e sem Fios
6-36
Quadro 802.11: endereçamento
R1 router
H1
Internet
AP
R1 MAC addr H1 MAC addr
dest. address
source address
802.3 frame
AP MAC addr H1 MAC addr R1 MAC addr
address 1
address 2
address 3
802.11 frame
6: Redes Móveis e sem Fios
6-37
Quadro 802.11 : Outros campos
frame seq #
(for reliable ARQ)
duration of reserved
transmission time (RTS/CTS)
2
2
6
6
6
frame
address address address
duration
control
1
2
3
2
Protocol
version
2
4
1
Type
Subtype
To
AP
6
2
1
seq address
4
control
1
From More
AP
frag
1
Retry
1
0 - 2312
4
payload
CRC
1
Power More
mgt
data
1
1
WEP
Rsvd
frame type
(RTS, CTS, ACK, data)
6: Redes Móveis e sem Fios
6-38
802.11: Mobilidade na mesma subrede
 H1 permanece na
mesma sub-rede: o
endereço IP pode ser
o mesmo
 Switch: a que AP está
associado H1?
 Auto-aprendizagem
(Cap.5, Kurose): o
switch vai ver o quadro
proveniente de H1 e
recordar que porta do
switch pode ser usada
para chegar a H1
router
hub or
switch
BBS 1
AP 1
AP 2
H1
BBS 2
6: Redes Móveis e sem Fios
6-39
802.11: Funcionalidades avançadas
Adaptação da taxa de
transmissão
10-1
 A estação de base e o
QAM256 (8 Mbps)
QAM16 (4 Mbps)
BPSK (1 Mbps)
operating point
10-3
BER
host móvel, mudam
dinamicamente a sua
taxa de transmissão
(técnica de modulação
da camada física)
conforme o host se
move, o SNR varia
10-2
10-4
10-5
10-6
10-7
10
20
30
SNR(dB)
40
1. A SNR diminui, a BER
aumenta conforme o nó se
afasta da estação de base
2. Quando a BER se torna
muito grande mude-se para
uma taxa transmissão mais
baixa mas com BER mais
pequena.
6: Redes Móveis e sem Fios
6-40
802.11: Funcionalidades avançadas
Gestão da Energia
 node-to-AP: “Vou adormecer até o próximo
quadro beacon”
O
AP sabe que não transmite quadros para o nó
 O nó acorda antes dó próximo quadro beacon
 Quadro beacon: contém a lista dos dos nós
móveis com quadros em espera no AP
O
nó acorda se há quadros em espera, caso contrário
adormece até ao próximo quadro beacon
6: Redes Móveis e sem Fios
6-41
Próxima aula
 Introdução
 Ligações sem fios e
características da rede

CDMA
 Wi-Fi: Redes Locais sem fios
802.11






Arquitectura 802.11
Protocolo de acesso ao meio
802.11
Quadro IEE 802.11
Mobilidade na mesma subrede IP
Funcionalidades avançadas no
802.11
Para além do 802.11:
Bluetooth e WiMAX
 Acesso celular à Internet
 Visão geral da Arquitectura
Celular
 Revisão sumária das normas e
tecnologias celulares
 Principios da Gestão da
Mobilidade


Endereçamento
Encaminhamento para um nó
móvel
 IP Móvel
 Gestão da Mobilidade em
Redes Celulares


Encaminhamento de chamadas
para um utilizador móvel
Handoffs no GSM
 Redes sem fios e Mobilidade:
impacto nas camadas
superiores
 Sumário
6: Redes Móveis e sem Fios
6-42
Para além do 802.11
 802.11
Comunicação entre dispositivos a menos de
100m
 Comunicação a maior distância para ligações
ponto-a-ponto

• Antenas direccionais
 Duas outras normas IEEE para protocolos
 Distâncias mais curtas – 802.15
• Comunicação Bluetooth

Distâncias maiores – 802.16
• WiMax
6: Redes Móveis e sem Fios
6-43
802.15: Rede Pessoal sem Fios (WPAN)
 Menos que 10 m de diâmetro
 Substituição de cabos (rato,
teclado, auriculares)
 ad hoc: sem infra-estructura
 Mestre/Escravo:


especificação Bluetooth


I
2.4-2.5 GHz Banda rádio
Até 721 kbps
Raio de
Cobertura
M
Escravos pedem permissão
para enviar (para o mestre)
Meste autoriza pediddos
 802.15: evolução da
I
E
E
P
E
I
M Dispositivo mestre
E Dispositivo Escravo
I
Dispositivo Inactivo
6: Redes Móveis e sem Fios
6-44
802.16: WiMAX
 Tal como 802.11 &
Ponto-a-Ponto
celular: modelo de
estação de base (EB)
Transmissões de/para EB
por hosts com antenas
omnidireccionais
 Backbone EB-para-EB com
antenas ponto-a-ponto

Ponto-Multiponto
 Ao contrário do 802.11:
 Cobertura ~ 6 milhas
(“cidade em vez de café”)
• Milha = 1852 metros

~14 Mbps
6: Redes Móveis e sem Fios
6-45
WiMAX:escalonamento carga/descarga
 Quadro de Transmissão
Subquadro de descarga: EB para nó
 Subquadro de carga : nó para EB

pream.
…
DL- ULMAP MAP
DL
burst 1
DL
burst 2
downlink subframe
…
…
DL
burst n
Initial request
SS #1 SS #2
maint. conn.
SS #k
…
uplink subframe
EB diz aos nós quem vai receber (DL map)
E quem vai enviar (UL map), e quando
 Norma WiMAX standard disponibiliza mecanismo
mas não o algoritmo de escalonamento
6: Redes Móveis e sem Fios
6-46
Sumário
 Introdução
 Ligações sem fios e
características da rede

CDMA
 Wi-Fi: Redes Locais sem fios
802.11






Arquitectura 802.11
Protocolo de acesso ao meio
802.11
Quadro IEE 802.11
Mobilidade na mesma subrede IP
Funcionalidades avançadas no
802.11
Para além do 802.11:
Bluetooth e WiMAX
 Acesso celular à Internet
 Visão geral da Arquitectura
Celular
 Revisão sumária das normas e
tecnologias celulares
 Principios da Gestão da
Mobilidade


Endereçamento
Encaminhamento para um nó
móvel
 IP Móvel
 Gestão da Mobilidade em
Redes Celulares


Encaminhamento de chamadas
para um utilizador móvel
Handoffs no GSM
 Redes sem fios e Mobilidade:
impacto nas camadas
superiores
 Sumário
6: Redes Móveis e sem Fios
6-47
Componentes de redes celulares
MSC
 liga as células à rede
 gere estabelecimento de chamadas
 manipula mobilidade
Célula
 cobre região
geográfica

Estação de Base (EB)

utizadores móveis
análoga ao PA 802.11
Mobile
Switching
Center
ligam-se à rede via EA
Interface
ao ar:
protocolo físico e de
ligação entre a EA e os
utilizadores móveis
Rede Telefónica
e
Internet
Mobile
Switching
Center
Rede com fios
6: Redes Móveis e sem Fios
6-48
Redes Celulares: o 1ºsalto
Duas técnicas para partilharo
espectro rádio entre os
móveis e a EB
 FDMA/TDMA combinados:
Dividir espectro em canais
de frequência e cada canal
em pedaços (slots) de
tempo
frequency
time slots
bands
 CDMA: Acesso múltiplo por
divisão de código
6: Redes Móveis e sem Fios
6-49
Normas e Tecnologias para Redes
Celulares: visão sumária
 Normalmente classificadas em gerações
 1ªs gerações concebidas apenas para voz
• Pouco interessantes num curso de Redes

Últimas gerações
• Suportam voz e dados
 Um
calão de siglas para as várias tecnologias
• Interessante para descodificar o calão que ouvimos no
dia a dia

1ª Geração (1G)
• Sistemas analógicos com FDMA apenas para
comunicação por voz
• Quase extinta e substituída pela segunda geração
(2G) já digital
6: Redes Móveis e sem Fios
6-50
Normas para Redes Celulares
2G systems: canais de voz
 IS-136 TDMA: FDMA/TDMA combinados
(América do Norte)
 GSM (global system for mobile communications):
FDMA/TDMA combinado

Mais usado
 IS-95 CDMA: code division multiple access
GSM
Don’t drown in a bowl
of alphabet soup: use this
for reference only
6: Redes Móveis e sem Fios
6-51
Normas para Redes Celulares
2.5 G systems: canais de voz e dados
 Para os impacientes pelo serviço 3G: extensões ao 2G
 general packet radio service (GPRS)
 Evolução do GSM
 Dados enviados em canais múltiplos (se disponíveis)
 enhanced data rates for global evolution (EDGE)
 Também evolução do GSM, com utilização de modulação melhor
 Débitos de dados até 384K
 CDMA-2000 (fase 1)
 Débitos de dados até 144K
 Evolução do IS-95
6: Redes Móveis e sem Fios
6-52
Normas para Redes Celulares
3G systems: dados/voz
 CDMA-2000
 Evolução dos sistemas 2G IS-95 e compatível
com eles
 Usa o CDM na sua interface com o ar
 CDMA em slots TDMA
 data
service: 1xEVolution Data
Optimized (1xEVDO) até 14 Mbps
 Usa escalonamento oportunista parecido
com o do WiMax
6: Redes Móveis e sem Fios
6-53
4ª Geração(4G)
O ideal para acesso Internet sem fios…
 Acesso Internet Ubíquo
 Casa, escritório, Café, carro, praia
 Acesso com o maior débito possível
 Em função da nossa localização física
 Acesso transparente a diversas tecnologias
 Conforme mudamos de localização e mesmo se houver necessidade de
tecnologia, não ser preciso a intervenção do utilizador
 Manter mesmo em movimento as nossas conexões TCP activas
 Manter sempre as nossas conexões activas
 Ter acesso a VOIP e Vídeo em tempo real sobre IP
 Isso tudo de borla (grátis) ou quase ( a baixo custo)!
….. Mais tópicos (e mais interessantes) sobre redes celulares com a mobilidade
6: Redes Móveis e sem Fios
6-54
Sumário
 Introdução
 Ligações sem fios e
características da rede

CDMA
 Wi-Fi: Redes Locais sem fios
802.11






Arquitectura 802.11
Protocolo de acesso ao meio
802.11
Quadro IEE 802.11
Mobilidade na mesma subrede IP
Funcionalidades avançadas no
802.11
Para além do 802.11:
Bluetooth e WiMAX
 Acesso celular à Internet
 Visão geral da Arquitectura
Celular
 Revisão sumária das normas e
tecnologias celulares
 Principios da Gestão da
Mobilidade


Endereçamento
Encaminhamento para um nó
móvel
 IP Móvel
 Gestão da Mobilidade em
Redes Celulares


Encaminhamento de chamadas
para um utilizador móvel
Handoffs no GSM
 Redes sem fios e Mobilidade:
impacto nas camadas
superiores
 Sumário
6: Redes Móveis e sem Fios
6-55
O que é a mobilidade?
 Espectro de mobilidade na perspectiva da rede:
Sem Mobilidade
Utilizador móvel
sem fios conectado
ao mesmo PA
Alta mobilidade
Utilizador móvel
conectado/
desconectado da
rede usando o
DHCP.
Utilizador móvel,
passando através do
Ponto de Acesso
mantendo conexões
abertas (tal como no
telefone móvel)
6: Redes Móveis e sem Fios
6-56
É importante manter o endereço?
 No seu telemóvel o seu número mantém-se
quando muda de local (por exemplo dum país
para outro e o fornecedor é diferente!)
 Será indispensável o labtop manter o
endereço?

Se tiver conexões abertas como no caso do
BWM é importante
• A mobilidade é transparente às aplicações
• Caso contrário terá que ser a aplicação a lidar com a
mobilidade e a suportá-la.

O Mobile IP torna a mobilidade transparente
para as aplicações!
6: Redes Móveis e sem Fios
6-57
É importante manter o endereço?
 No caso do utilizador que se move dum local
para outro e quer conectividade no novo
local
Manter o mesmo endereço não é importante
 O labtop tem endereços diferentes nos dois
locais que lhe são atribuídos automaticamente
pelo DHCP

6: Redes Móveis e sem Fios
6-58
Que infra-estrutura com fios existe?
 Estamos assumir que existe sempre uma
infra-estrutura de rede com fios
ISP em casa, ISP do escritório
 ISP com acesso sem fios na auto-estrada

 E se a infra-estrutura não existir?
 Se dois utilizadores estiverem na proximidade
um do outro podem comunicar?
• Redes Móveis Ad Hoc (Mobile Ad Hoc Networks –
MANET)
– IETF MANETs WG
6: Redes Móveis e sem Fios
6-59
Analogia com o serviço postal
 Um jovem com 20 anos e picos sai de casa e
mora numa série de hóteis e apartamentos
e muda frequentemente de enedereço
 Como pode um amigo de infância encontrar
o seu endereço?

Contactando a família
• Que sabe do endereço para mandar o dinheiro para a
renda !
 Comunicação
posterior pode ser
• Indirectamente através da família
• Directamente do endereço obtido da família
6: Redes Móveis e sem Fios
6-60
Mobilidade: Vocabulário
Rede na origem (home
network): rede de
“residência” do móvel
(e.g., 128.119.40/24)
Endereço permanente:
endereço na rede de
origem que pode ser
usada sempre para
alcansar o utilizador
móvel
Agente na origem (home agent):
entidade que executa as funções
de mobilidade em vez do
utilizador móvel quando ele é
remoto
Rede de
Longa
Distância
correspondente
e.g., 128.119.40.186
6: Redes Móveis e sem Fios
6-61
Mobilidade: mais vocabulário
Endereço permanente: mantémse constante (i.e., 128.119.40.186)
Endereço de correspondência
(Care-of-address): endereço
na rede visitada
residência actual do móvel
i.e., 79.129.13/24)
(i.e., 79.129.13.2)
Rede de
Longa
Distância
correspondente: quer
comunicar com o móvel
Rede visitada (visited
network): rede de
Agente externo
(foreign agent):
entidade na rede
visitada que executa as
funções de mobilidade
em lugar do móvel
6: Redes Móveis e sem Fios
6-62
Como contactar um amigo móvel:
Considere um amigo que muda
frequentemente de residência.
Como o encontra?
Estou curioso:
onde está Alice?
 Pesquisar todas listas
telefónicas?
 Telefonar para os
pais?
 Esperar que ele faça
saber onde está?
6: Redes Móveis e sem Fios
6-63
Mobilidade: abordagens

Manipulada pelo encaminhamento: encaminhadores

Manipulada pelos sistemas finais:
 Encaminhamento indirecto: a comunicação entre o
anunciam os endereços permanentes dos nós móveis
visitantes através da troca habitual de tabelas de
encaminhamento.
 Tabelas de encaminhamento indicam onde está o
host móvel
 Não há mudanças nos sistemas finais
correspondente e o móvel faz-se através do
agente na origem, que reenvia para o móvel remoto
 Encaminhamento directo : o correspondente
obtém o endereço externo do móvel e envia
directamente para ele.
6: Redes Móveis e sem Fios
6-64
Mobilidade: abordagens

Manipulada pelo encaminhamento: encaminhadores

Manipulada pelos sistemas finais:
 Encaminhamento indirecto: a comunicação entre o
anunciam os endereços
permanentes dos nós móveis
Não
visitantes através escalável
da troca habitual de tabelas de
encaminhamento. para milhões
de móveis
 Tabelas de encaminhamento
indicam onde está o
host móvel
 Não há mudanças nos sistemas finais
correspondente e o móvel faz-se através do
agente na origem, que reenvia para o móvel remoto
 Encaminhamento directo : o correspondente
obtém o endereço externo do móvel e envia
directamente para ele.
6: Redes Móveis e sem Fios
6-65
Mobilidade: registo
Rede visitada
Rede de origem
2
1
wide area
network
Agente externo contacta o
agente na origem: “Este nó
móvel reside na minha rede”
O nó móvel
contacta o
agente externo
quando entra na
rede visitada
Resultado Final:
 Agente externo sabe do nó móvel
 Agente na origem conhece a localização do nó
movel
6: Redes Móveis e sem Fios
6-66
Encaminhamento Indirecto
Agente na origem
intercepta os pacotes e
encaminha-os para o
agente externo
Agente externa
recebe os pacotes e
envia-os para o
móvel
Rede de
origem
Rede
visitada
3
wide area
network
Pacotes do
correspondente
usando o endereço de
origem do móvel
1
2
4
O nó móvel
responde
directamente para
o correspondente
6: Redes Móveis e sem Fios
6-67
Encaminhamento Indirecto: comentários
 Nó móvel usa dois endereços:
Endereço permanente: usado pelo correspondente
(a localização do móvel é transparente para o
correspondente)
 Endereço de correspondência (care-of-address):
usado pelo agente na origem para enviar para o
móvel
 Funções do agente externo podem ser feitas pelo
próprio móvel
 Encaminhamento triangular: correspondente- rede de
origem-móvel
 Ineficiente quando o
correspondente e móvel
estão na mesma rede

6: Redes Móveis e sem Fios
6-68
Encaminhamento Indirecto
:funcionalidades necessárias
 Protocolo entre nó móvel e agente externo
 Protocolo de registo do agente externo
pelo agente na origem
 Método de encapsulamento do agente na
origem
 Método de desencapsulamento do agente
externo
6: Redes Móveis e sem Fios
6-69
Encaminhamento Indirecto:
Movimentação entre redes
 Suponha que o utilizador móvel se muda para
uma nova rede
Regista-se no novo agente externo
 novo agente externo contacta agente na origem
 agente na origem actualiza care-of-address para
o móvel
 Os pacotes continuam a ser expedidos para o
móvel (mas com care-of-address novo)

 Mobilidade, mudança de rede externa são
transparentes: conexões activas podem ser
mantidas
6: Redes Móveis e sem Fios
6-70
Encaminhamento directo
Correspondente expede
para agente externo
Agente externo
recebe pacotes e
expede para o
móvel
Rede de
origem
4
Rede de
Longa
Distância 3
2
Correspondente pede
e recebe endereço
externo do móvel
Rede
visitada
1
4
Móvel responde
directamente
para o móvel
6: Redes Móveis e sem Fios
6-71
Encaminhamento Directo: comentários
 Resolve o problema de encaminhamento
triangular
 Não transparência para o correspondente:
tem que obter o care-of-address do agente
na origem
O
que acontece quando o móvel muda de rede
visitada?
6: Redes Móveis e sem Fios
6-72
Acomodação da mobilidade com
encaminhamento directo
 Agente externo âncora: AE na 1ª rede visitada
 Dados encaminhados sempre para o AE âncora
 Quando o nó móvel se move: o novo AE recebe os
dados expedidos do AE anterior (cadeia)
Rede externa
visitada no
início da
sessão
2
Agente
Externo
Âncora
Rede de
Longa
Distância 1
4
5
Agente do
correspondente
correspondente
3
Nova rede
externa
Novo agente
externo
6: Redes Móveis e sem Fios
6-73
Sumário
 Introdução
 Ligações sem fios e
características da rede

CDMA
 Wi-Fi: Redes Locais sem fios
802.11






Arquitectura 802.11
Protocolo de acesso ao meio
802.11
Quadro IEE 802.11
Mobilidade na mesma subrede IP
Funcionalidades avançadas no
802.11
Para além do 802.11:
Bluetooth e WiMAX
 Acesso celular à Internet
 Visão geral da Arquitectura
Celular
 Revisão sumária das normas e
tecnologias celulares
 Principios da Gestão da
Mobilidade


Endereçamento
Encaminhamento para um nó
móvel
 IP Móvel
 Gestão da Mobilidade em
Redes Celulares


Encaminhamento de chamadas
para um utilizador móvel
Handoffs no GSM
 Redes sem fios e Mobilidade:
impacto nas camadas
superiores
 Sumário
6: Redes Móveis e sem Fios
6-74
IP Móvel (Mobile IP)
 RFC 3344
 Tem muitas das funcionalidades que já
vimos:

Agente na origem, Agente externo, Registo no
agente externo, care-of-addresses,
encapsulamento (pacote-dentro-de-pacote)
 Três componentes normalizados:
 Encaminhamento indirecto de datagramas
 Descoberta de Agente
 Registo com o agente na origem
6: Redes Móveis e sem Fios
6-75
Mobile IP: encaminhamento indirecto
Pacote enviado pelo agente na origem ao
agente externo: um pacote dentro de
outro pacote
dest: 79.129.13.2
Pacote do agente externo para
o nó móvel
dest: 128.119.40.186
dest: 128.119.40.186
Endereço permanente:
128.119.40.186
dest: 128.119.40.186
Care-of address:
79.129.13.2
Pacote enviado pelo
correspondente
6: Redes Móveis e sem Fios
6-76
Mobile IP: descoberta de agentes
 Anúncio de agentes: agentes externo e na origem
anunciam o serviço difundindo mensagens ICMP
(typefield = 9)
0
type = 9
24
checksum
=9
code = 0
=9
H,F bits: agente na
origem (H) ou externo (F)
R bit: necessário
registo
16
8
standard
ICMP fields
router address
type = 16
length
registration lifetime
sequence #
RBHFMGV
bits
reserved
0 or more care-ofaddresses
mobility agent
advertisement
extension
6: Redes Móveis e sem Fios
6-77
Mobile IP: Exemplo de registo
home agent
HA: 128.119.40.7
foreign agent
COA: 79.129.13.2
visited network: 79.129.13/24
ICMP agent adv.
COA: 79.129.13.2
….
registration req.
COA: 79.129.13.2
HA: 128.119.40.7
MA: 128.119.40.186
Lifetime: 9999
identification: 714
encapsulation format
….
Mobile agent
MA: 128.119.40.186
registration req.
COA: 79.129.13.2
HA: 128.119.40.7
MA: 128.119.40.186
Lifetime: 9999
identification:714
….
registration reply
time
HA: 128.119.40.7
MA: 128.119.40.186
Lifetime: 4999
Identification: 714
encapsulation format
….
registration reply
HA: 128.119.40.7
MA: 128.119.40.186
Lifetime: 4999
Identification: 714
….
6: Redes Móveis e sem Fios
6-78
Componentes da arquitectura de rede celular
Recordemos:
Rede
Telefónica
Pública com
fios
correspondente
MSC
MSC
MSC
MSC
MSC
Redes celulares diferentes,
mantidas por diferentes operadores
6: Redes Móveis e sem Fios
6-79
Mobilidade em redes celulares

Rede de origem: rede do fornecedor de celulares de que
somos assinantes (i.e., TMN, Optimus)
 home location register (HLR): Base de dados na rede
origem contendo o nosso número de telemóvel
permanente, informação do perfil de utilização (serviços,
preferências, tarifário) e informação a respeito da
localização actual (pode ser outra rede)
 Rede visitada: rede móvel a que estamos actualmente ligados
(por exemplo UNITEL, Angola)
 visitor location register (VLR): base de dados com
entradas para cada utilizador actualmente na rede
 Pode ser a rede de origem
6: Redes Móveis e sem Fios
6-80
GSM: encaminhamento indirecto para o
móvel
Rede
de origem
HLR
2
MSC na origem consulta
HLR, obtém o número de
visitante (roaming) na
Rede visitada
correspondente
home
Mobile
Switching
Center
1
3
VLR
Mobile
Switching
Center
4
Public
switched
telephone
network
Chamada
encaminhada para
Rede de origem
MSC na origem estabelece o 2º
troço do percurso da chamada para
o MSC na rede visitada.
Utilizador
Móvel
Rede
Visitada
MSC na rede visitada completa
a chamada da estação de base para
o móvel
6: Redes Móveis e sem Fios
6-81
GSM: handoff com MSC comum
 Objectivo do Handoff:
encaminhar a chamada através
duma nova estação de base
(sem interrupção)
 Razões para o handoff:
VLR Mobile
Switching
Center

Encaminhamento
Antigo
Novo
BSS velha

BSS nova

Sinal mais forte de/para nova
BSS(menos gastos de bateria,
conectividade assegurada)
Balanceamento de carga:
libertar canal na BSS actual
GSM não especifica como
executar o handoff (política),
apenas como (mecanismo)
 handoff iniciado pela antiga
BSS
6: Redes Móveis e sem Fios
6-82
GSM: handoff com MSC comum
VLR Mobile
Switching
Center 2
4
1
8
old BSS
5
7
3
6
new BSS
1. BSS antiga informa o MSC do handoff
eminente e disponibiliza lista de 1+ novas
BSSs
2. MSC estabelece percurso (aloca recursos)
para nova BSS e avisa esta do handoff
3. A nova BSS aloca canal rádio para ser
usado pelo móvel
4. Nova BSS avisa MSC e antiga BSS que
está pronta
5. Antiga BSS diz ao móvel para fazer o
handoff para a nova
6. O móvel e a nova BSS sinalizam-se para
se activar o canal
7. Móvel sinaliza o MSC (via nova BSS):
handoff completo. MSC reencaminha
chamada via nova BSS
8 Recursos MSC-antiga BSS libertados
6: Redes Móveis e sem Fios
6-83
GSM: handoff entre MSCs

Rede de origem
correspondente
Home
MSC
MSC âncora: 1º MSC
visitado durante a chamada

Chamada permanece
encaminhada pelo MSC âncora
 Novos MSCs adicionados no
MSC âncora
PSTN
MSC
MSC
MSC
(a) Antes do handoff
fim da cadeia de MSCs
consoante o móvel se move
para um MSC novo
 IS-41 permite um passo
opcional de minimização de
percurso para diminuir a
cadeia de MSCs.
6: Redes Móveis e sem Fios
6-84
GSM: handoff entre MSCs

home network
correspondent
Home
MSC
MSC âncora: 1º MSC
visitado durante a chamada

Chamada permanece
encaminhada pelo MSC âncora
 Novos MSCs adicionados no
anchor MSC
PSTN
MSC
MSC
MSC
(b) Depois do handoff
fim da cadeia de MSCs
consoante o móvel se move
para um MSC novo
 IS-41 permite um passo
opcional de minimização de
percurso para diminuir a
cadeia de MSCs.
6: Redes Móveis e sem Fios
6-85
Mobidade: GSM versus Mobile IP
GSM element
Comment on GSM element
Mobile IP element
Home system
Network to which mobile user’s permanent
phone number belongs
Home
network
Gateway Mobile
Switching Center, or
“home MSC”. Home
Location Register
(HLR)
Home MSC: point of contact to obtain routable
address of mobile user. HLR: database in
home system containing permanent phone
number, profile information, current location of
mobile user, subscription information
Home agent
Visited System
Network other than home system where
mobile user is currently residing
Visited
network
Visited Mobile
services Switching
Center.
Visitor Location
Record (VLR)
Visited MSC: responsible for setting up calls
to/from mobile nodes in cells associated with
MSC. VLR: temporary database entry in
visited system, containing subscription
information for each visiting mobile user
Foreign agent
Mobile Station
Roaming Number
(MSRN), or “roaming
number”
Routable address for telephone call segment
between home MSC and visited MSC, visible
to neither the mobile nor the correspondent.
Care-ofaddress
6: Redes Móveis e sem Fios
6-86
Sem fios, mobilidade: impacto nos protocolos das
camadas superiores
 Logicamente o impacto
deve ser mínimo …
Modelo de serviço melhor esforço mantém-se
inalterado
 O TCP e o UDP correm sobre redes sem fios e móveis
 … mas em termos de desempenho:
 Perdas e atraso nos pacotes devido a erros nos bits
(pacotes descartados, atrasos devido a retransmissões
na camada de ligação) e handoff
 TCP interpreta as perdas como congestão e pode
diminuir a janela de congestão desnecessáriamente
 Prejuízos do atraso no tráfego de tempo real
 Largura de banda limitada das ligações sem fios

6: Redes Móveis e sem Fios
6-87
Controlo de congestão de TCP
 Pode ser problemático em ambientes sem
fios

Muitos erros de bits e handoffs
 Abordagens propostas
 Recuperação local
• Técnicas sofisticadas para recuperação de erros de
bits
 Consciência
fios
do originador TCP das ligações em
• Distinção entre tipos de perdas

Partição da conexão fim-a-fim
• Parte com fios+ Parte sem fios
• Melhor desempenho com conexões TCP partidas
6: Redes Móveis e sem Fios
6-88
Chapter 6 Summary
Wireless
 wireless links:



capacity, distance
channel impairments
CDMA
 IEEE 802.11 (“wi-fi”)
 CSMA/CA reflects
wireless channel
characteristics
 cellular access
 architecture
 standards (e.g., GSM,
CDMA-2000, UMTS)
Mobility
 principles: addressing,
routing to mobile users



home, visited networks
direct, indirect routing
care-of-addresses
 case studies
 mobile IP
 mobility in GSM
 impact on higher-layer
protocols
6: Redes Móveis e sem Fios
6-89