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Tipologia: Provas
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Porto Alegre, RS, 17 de fevereiro de 1999
Reitora: Profa. Wrana Panizzi
Pró-Reitor de graduação: Prof. José Carlos Ferraz Henemann
Diretor do Instituto de Informática: Prof. Philippe Olivier Alexandre Navaux
Bibliotecária-Chefe do Instituto de Informática: Zita Prates de Oliveira
Lista de Abreviaturas:
AMPS - Advanced Mobile Phone System CDMA - Code Division Multiple Access CDPD - Cellular Digital Packet Data CLNP - ConectionLess Network Protocol CSMA-CD - Carrier Sense Multiple Access with Carrier Detection DSMA-CD - Digital Sense Multiple Access with Collision Detection EUA - Estados Unidos da América FES - Fixed End Station FIFO - First In First Off GPSS - General Porpose Simulation System GSM - Groupe Special Mobile GSMK - Gaussian Minimum Shift Keying IP - Internet Protocol IS - Intermediate System LAPD - Link Access Procedure -d MAC - Medium Access Control MDBS - Bobile Data Base Stations MD-IS - Mobile Data - Intermediate System MDLP - Mobile Data Link Protocol M-ES - Mobile End System OSI - Open System Interconection PC _ Personal Computer RF - Radio freqüência SNDCP - Subnetwork Dependent Convergence Protocol TDMA - Time Division Multiple Access
O CDPD é uma especificação para o trânsito de pacotes de dados pela rede de telefonia celular usando os espaços não usados pelos canais de voz. Este trabalho visa apresentar a tecnologia e analisar o desempenho do protocolo DSMA-CD com a utilização de técnicas analíticas. Espera-se que seja um primeiro passo para uma futura análise por simulação que precederia a instalação da tecnologia Nas diversas seções deste trabalho serão examinadas diversos aspectos da tecnologia, bem como os protocolos que fazem parte da interface aérea. Por fim será analisado o desempenho do protocolo DSMA-CD. Palavras-chave: CDPD , Mobile Data Network.
The CDPD is a data packet‘s transport specification by Network Celular System using the spaces not in use by voice channels. This work aims to present the technology and to analyse the DSMA-CD protocol performance with analytical techniques. We expect to facilitate a future simulation analysis for an technology instalation. In the next sections some aspects of the technology and his aerial interface protocols will be examinated. Finally , the DSMA-CD protocol performance will be examinated. Keywords: CDPD, Mobile Data Network
O mais antigo e mais difundido sistema celular analógico nos EUA é o - Advanced Mobile Phone System (AMPS), desenvolvido pelos Laboratórios da Bell nos primeiros anos das década de 80. O AMPS usa canais de voz de 3 kHz modulados em portadoras FM de 30 kHz. Esse sistema também pode ser utilizado para transmissão de dados, mas com performance geralmente descrita como marginal, sendo muito menor do que em canais discados convencionais, normalmente limita a 10 kbps. Se existirem sombras de rádio no percurso, causadas por grandes edifícios ou elevações, a performance pode cair até 1 kbps. Cada estação rádio-base é conectada ao - Mobile Telephone Switching Office (MTSO) local. MTSOs estão interligados entre si e a rede telefônica convencional. Quando um assinante móvel move-se de uma célula para outra, o controle fica a cargo do MTSO. A freqüência usada :
Tabela 2.1 - freqüências usadas no AMPS
Carrier Reverse Forward A (inicial) 825-835 MHz 870-880 MHz A (extendido) 845-846,5 , 824-825 MHz 890-891,5 , 869-870 MHz B (inicial) 835-845 MHz 880-890 MHz B (extendido) 846,5-849 MHz 891.5-894 MHz
Figura 2.1 - estrutura AMPS - MTSO - Mobile Telephone Switching Office
A figura 2.1 mostra como as células são ligadas ao MTSO e este ao sistema público normal de telefonia,
Rede de Telefonia Pública
A tecnologia TDMA utiliza, como o nome sugere, a divisão de tempo para dividir um mesmo canal para vários usos simultâneos. Surgiu nos EUA em 1992 e usa as mesmas freqüências do AMPS, sendo atualmente definida pelas normas IS-13X do EIA / TIA. Por causa de ser o primeiro padrão digital a ser empregado nos EUA é também conhecido como Cellular Digital AMPS ou D-AMPS. No início, o crescimento foi lento, mas em fins de 1994 já contava com meio milhão de usuários, com um crescimento explosivo desde então. TDMA subdivide cada canal AMPS em três canais TDMA, onde utiliza frames de 40 μs com 972 simbolos de dois bits, este conjunto constitui 6 timeslots. Cada canal TDMA consiste de dois destes timeslots [TAY 97]. Existem estudos para dobrar esta capacidade com uso de compressão, de modo que podemos estimar o ganho de capacidade em relação ao AMPS entre 3,5 e 6,5 vezes. Da mesma forma que o AMPS, alguns dos canais são designados para controle: são os digital control channels (DCCH). TDMA permite o uso de aparelhos móveis half-duplex , reduzindo o peso e o preço dos mesmos, bem como também o consumo de energia. A tecnologia usa modulação π/4 - DQPSK com uma taxa de canal de 24. Kbauds, resultando numa taxa de 48,6 Kbps para os seis time-slots,
Esta tecnologia foi introduzida em 1989 (! ) pela companhia QUALCOMM Inc. Utiliza uma tecnologia chamada Spread Spectrum descoberta durante a II Guerra Mundial A tecnologia foi aceita como alternativa ( IS-95) pelo TIA em 1992, mas até o final de 1995 não havia sido empregada comercialmente [TAY 97]. O Spread Spectrum “espalha” a freqüência por toda a banda disponível , de modo que não sofre com uma única freqüência que poderia interferir com o sinal, mas , em contrapartida, sofre com a média de interferência em um canal de 1,25 Mhz. Estimar a capacidade do CDMA é difícil pelo número de requerimentos exigidos pelo sistema. QUALCOMM estima em 14 vezes , mas o autor Mark Taylor [TAY 97] estima na metade deste valor.
A definição deste tipo de tecnologia Celular começou na Europa em 1982, pelo Committee of European Posts and Telecomunications , agora chamado Global System for Mobile Communications, com a meta de unificar os sistemas europeus. No meio de 1995 já existiam 11 milhões de usuários em todo o mundo; para 1996 eram previstos 86 países participantes do sistema. GSM é um sistema TDMA que usa 8 timeslots em um canal de 200 Khz, que também permite o uso de aparelhos móveis half-duplex. Com vantagens de custo, peso e consumo de bateria. Usa uma forma de slow frequence hoping , para evitar erros de multipath burst. O sistema usa também modulação GMSK e LAPD modificado, chamado LAPDm no data link layer.
Cellular Digital Packet Data (CDPD –é uma especificação de Wide Area Network (WAN), baseada no protocolo IP, para suportar acesso wireless para a Internet e outras redes. CDPD usa a parte não usada da banda do telefone celular entre as conversações para mandar seus pacotes de dados.
A tecnologia pretende ser independente da localização do usuário ou do provedor. Onde quer que o usuário esteja e seja qual for o seu provedor da área, tem de ser mínimo o impacto na aplicação ou de tempo de usuário. As aplicações não devem ser modificadas para o uso do CDPD. A intenção é usar interfaces padrão (API). CDPD foi projetado para poder suportar mais de um protocolo nível 3 sem conecção. O Protocolo CLNP (OSI) desde o início foi suportado pelo CDPD , permitindo o uso de X700 e X400 para troca de informações entre provedores de serviço. CLNP é uma peça chave no esquema de mobilidade atual do CDPD. Visando à redução de custos, as especificações do CDPD permitem a interoperabilidade entre equipamentos de vários fabricantes, bem como de seus softwares. A intenção é de apenas combinar as tecnologias existentes , evitando o risco para os fabricantes de surgimento de uma nova e melhor tecnologia. Como se sabe, o espectro RF é escasso, qualquer tecnologia que o use deve Ter uma preocupação chave neste aspecto, com o uso de compactação (V42), e correção FEC de erros pelo uso da técnica Reed-Solomon. Outra preocupação é com o uso de modulação eficiente e de baixo custo, por isso foi usado o GMSK, existente nos sistemas GSM de alcance mundial. Uma das preocupações da equipe que desenhou o CDPD foi permitir que a tecnologia evoluísse. Foi limitado o escopo da especificação somente até o nível 3 OSI e abaixo. A especificação CDPD envolve tecnologias de amplo conhecimento e é totalmente (exceto o mecanismo de autenticação de segurança) aberta aos fabricantes. Veja o exemplo da compactação (V 42), os blocos FEC ( Reed-Solomon ) , a criptografia RC4 e a modulação (GSMK), todas tecnologias de largo emprego no mundo e vários fabricantes. CDPD emprega recursos que não são menos seguros do que uma WAN tradicional. A segurança do CDPD é integrada ao sistema e limitada ao Airlink, com uso de chaves duplas de autenticação. Os dados são encriptados segundo o algoritmo RC com duas chaves de encriptação, uma para cada canal: Forward e Reverse, mas somente no airlink.
. O sistema ainda verifica e corrige erros de transmissão, solicitando a retransmissão somente de pacotes eventualmente extraviados, usando a técnica Reed- Solomon , ainda no nível MAC.
O uso de tecnologias bem conhecidas e a rapidez com que o CDPD foi tomando o mercado americano demonstram a preocupação e acerto da equipe de especificação. Toda a especificação se preocupou em não prejudicar o tráfego de voz (voice is king) , nem em capacidade nem em qualidade.
Este é um tipo de análise de aproveitamento relativo, pois os autores ou defensores da tecnologia não se esforçam em demonstrar suas deficiências por óbvio. Entretanto os competidores também não são fonte confiável, pois fazem uma análise óbviamente tendenciosa e, portanto, de pouca utilidade, em favor de suas tecnologias, como já vi em artigos da internet favorecendo abertamente a tecnologia RAM, que é bem inferior à do CDPD, comforme pode ser visto na tabela 2.1.
Vantagens:
Suporte para vários protocolos standard de rede O CDPD só especifica até o nível 3, onde fica um protocolo que faz a ligação entre o protocolo MDLP e o IP ou o CLNP Segurança - Existe toda uma preocupação com o Airlink. Para entrar no CDPD é necessário se autenticar o usuário no seu MD-IS de origem, ainda assim, toda a comunicação é encriptada por duas chaves autônomas , uma em cada canal (RC4). Quanto à segurança contra erros, existe o código Reed-Solomon, tipo FEC, que corrige até 8 erros de bit por bloco, e ainda assim é feita uma correção de erros no próprio nível MAC com confirmação bloco a bloco. Alto troughput, comparado com outras tecnologias wireless, conforma mostra a tabela 2.
Confiável – Existe uma correção FEC, já listada acima e ainda a confirmação bloco por bloco da transmissão.
Setup em poucos segundos
Desvantagens:
CDPD nos EUA – 1996 – 4.000 cidades abrangidas-
Disseminação do CDPD nos EEUU em 1996 – mais de 4000 cidades abrangidas
Figura 3.1 - CDPD nos EUA ( 1996)
CDPD - situação em 1996
Participação do CDPD em relação a outras soluções wireless nos EUA em 1996
Figura 3.2 - CDPD em 1996
CDPD – Estados Unidos – Situação prevista para o ano 2000
Projeção de crescimento do CDPD no ano 2000 comparado com outros serviços wireless
Figura 3.3 - Previsão de crescimento do CDPD para o ano 2.
CDPD é secundário em relação à transmissão de voz, pacotes só são enviados no intervalo de conversações. Digital Sense Multiple Acess with Collision Detection no Link aéreo, Full- Duplex, escuta antes de enviar. A comunicação é bidirecional, com dois canais distintos, o Forward sempre On. Cada célula tem aproximadamente 57 canais e pode usar somente 1/7 das freqüências alocadas, células adjacentes usam outro conjunto de freqüências. CDPD transmite durante os intervalos de transmissão de voz. Se outros canais ficam em estado de espera (idle, sem transmissão de voz), a transmissão de dados passa a ser feita nos outros canais.
Header: flag ‘01111110’ , address field, control field User Data: information field, data Trailer: Frame check (CRC)
Erros de pacotes:
ARQ seletivo, transmite somente aqueles pacotes específicos que foram perdidos.
Reed-Solomon code blocks, 63 blocos de 6 bits cada, 47 de informações e 16 de paridade. Consegue corrigir até 8 erros nos símbolos de 6 bits.
Figura 3.4 - Código Reed-Solomon
O algoritmo de encriptação foi desenvolvido pela RSA Data Security Inc, com 32 bits e chaves separadas para o canal Forward e Reverse , sendo embutida no hardware, portanto, não pode ser desabilitada
