Redes Sem Fio e Móveis

As redes sem fio e móveis abrangem a comunicação por meio de links de rádio compartilhados e o suporte necessário quando os sistemas finais mudam seu ponto de conexão, englobando Wi-Fi, redes celulares e os protocolos que mantêm um dispositivo em movimento conectado.

Definition

Redes sem fio e móveis é o subcampo das redes de computadores que se preocupa com a comunicação de dados por links sem fio (rádio) e com os mecanismos de rede que mantêm a conectividade, o endereçamento e as sessões para sistemas finais móveis e que mudam de localização.

Scope

Esta área abrange os desafios distintivos dos links sem fio — atenuação, interferência, multitrilha e o problema do terminal oculto, ausentes em mídias com fio — e as tecnologias que os abordam: LANs sem fio IEEE 802.11 com seu acesso ao meio CSMA/CA, redes celulares desde as gerações anteriores até a arquitetura 4G/5G, e gerenciamento de mobilidade, que permite que um dispositivo mantenha a conectividade e o endereçamento enquanto se move entre redes. Ela trata o sem fio como uma tecnologia de link e acesso com implicações em camadas superiores da pilha, e exclui a engenharia detalhada da camada física de radiofrequência.

Sub-topics

• Cellular Networks
• Mobility Management
• Wi-Fi and Wireless LANs
• Wireless Link Characteristics

Core questions

• Como os links sem fio diferem dos links com fio e como essas diferenças afetam os protocolos?
• Como surge o problema do terminal oculto e como o CSMA/CA mitiga colisões no Wi-Fi?
• Como uma rede celular é organizada em células, estações base e um núcleo, e como ela evoluiu ao longo das gerações?
• Como o endereço e o roteamento de um host são mantidos quando ele se move entre redes (gerenciamento de mobilidade)?
• Qual a diferença entre lidar com a mobilidade e simplesmente lidar com links sem fio?

Key concepts

• prejuízos do link sem fio (atenuação, interferência, multitrilha)
• problema do terminal oculto
• CSMA/CA
• IEEE 802.11 (Wi-Fi)
• pontos de acesso e associação
• células celulares e estações base
• reutilização de frequência
• handoff (transferência)
• Mobile IP e endereços de cuidado (care-of addresses)
• redes centrais 4G/5G

Key theories

Prejuízos do link sem fio e CSMA/CA

Links de rádio sofrem de atenuação de sinal, interferência e multitrilha, e a detecção de colisão é impraticável, então o Wi-Fi usa acesso múltiplo com detecção de portadora e prevenção de colisão, além de handshakes RTS/CTS opcionais para abordar o problema do terminal oculto.

Arquitetura celular e reutilização de frequência

As redes celulares dividem uma região em células atendidas por estações base e reutilizam frequências em células não adjacentes para maximizar a eficiência espectral, com uma rede central que lida com autenticação, gerenciamento de sessão e conexão com a Internet mais ampla.

Gerenciamento de mobilidade e indireção

Manter um dispositivo em movimento acessível requer o rastreamento de sua localização e o roteamento do tráfego para sua rede atual, classicamente via um agente doméstico e endereço de cuidado (Mobile IP) ou, em sistemas celulares, via as entidades de gerenciamento de mobilidade da rede central.

Clinical relevance

As redes sem fio e móveis são a forma como a maioria das pessoas acessa a Internet atualmente: o Wi-Fi conecta residências, escritórios e espaços públicos, enquanto as redes celulares fornecem banda larga móvel para bilhões de dispositivos. O gerenciamento de mobilidade possibilita a transferência (handoff) contínua à medida que os usuários se movem, e a arquitetura 5G visa casos de uso de baixa latência e grande número de dispositivos, como automação industrial e a Internet das Coisas. O planejamento de capacidade, o uso do espectro e o roaming dependem desses conceitos.

History

A pesquisa em rádio por pacotes na década de 1970, incluindo o sistema ALOHA, estabeleceu o acesso aleatório em canais sem fio. O padrão IEEE 802.11 (a partir de 1997) tornou as LANs sem fio ubíquas, enquanto as redes celulares evoluíram do 1G analógico, passando pelo GSM digital, até o 4G LTE e 5G baseados em pacotes. O suporte à mobilidade para hosts IP foi padronizado como Mobile IP, e os núcleos celulares modernos integram mobilidade, segurança e conectividade IP.

Key figures

• Charles Perkins
• Norman Abramson
• Andrew S. Tanenbaum

Seminal works

• kurose2021
• ieee80211-2020
• tanenbaum2010

Frequently asked questions

Por que o Wi-Fi usa prevenção de colisão em vez de detecção de colisão como o Ethernet com fio?

Um transmissor sem fio geralmente não consegue ouvir colisões enquanto envia, porque seu próprio sinal sobrepõe qualquer sinal de entrada, e uma estação pode nem mesmo ouvir outra que esteja colidindo no receptor (o problema do terminal oculto). Assim, o Wi-Fi evita colisões antecipadamente usando detecção de portadora, backoff aleatório e reconhecimentos, em vez de detectá-las no meio da transmissão.

Qual a diferença entre uma rede sem fio e uma rede móvel?

Sem fio refere-se ao uso de um link de rádio em vez de um cabo para um único salto, enquanto mobilidade refere-se a um dispositivo que muda seu ponto de conexão à rede ao longo do tempo. Um dispositivo pode ser sem fio, mas estacionário, ou móvel entre pontos de acoplamento com fio; a rede móvel aborda especificamente a manutenção da conectividade e do endereçamento intactos à medida que o ponto de conexão muda.