Sistemas de Comunicação Sem Fio - Conceitos e Aplicações

Autor(es): Juergen Rochol
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Os sistemas sem fio móveis foram responsáveis pela grande revolução nos meios de comunicação sociais na última década. Hoje acessamos quase que instantaneamente qualquer informação, a qualquer hora, de qualquer lugar e por qualquer mídia. Elaborado para servir como subsídio para uma disciplina de um semestre sobre sistemas sem fio em cursos de graduação ou especialização nas áreas de engenharia de computação, engenharia de telecomunicações e ciência da computação, este livro trata do tema segundo um enfoque simples, didático e acessível.

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Capítulo 1 - Introdução

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capítulo

1

introdução

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Vamos ver aqui um breve histórico das comunicações sem fio, além da sua fundamentação teórica. Conheceremos também as oitos grandes classes de sistemas sem fio, com uma descrição resumida de suas principais características técnicas e aplicações típicas associadas a cada uma, tema que será detalhado ao longo do livro.

4  

  Redes de comunicação sem fio

1.1

 �breve histórico do desenvolvimento das comunicações sem fio

A transmissão sem fio nasceu no início do século XIX, graças aos trabalhos pioneiros do matemático e físico britânico James Clark Maxwell (1831-1879). Em 1873, Maxwell publicou a obra A Treatise of Electricity and Magnetism (ou o Tratado sobre Eletricidade e Magnetismo), em que representa uma unificação de tudo o que havia sido desenvolvido até então em termos de eletricidade e indução eletromagnética, principalmente os trabalhos de Faraday1, Oersted2, Ampère3 e Gauss4. As ideias de Maxwell, publicadas neste tratado, representam até hoje a fundamentação da teoria eletromagnética.

 

Capítulo 2 - O canal de radiofrequência

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capítulo

2

o canal de radiofrequência

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Neste capítulo vamos ver como um sinal modulado é transformado em onda eletromagnética pela antena e como estes dispositivos influem na sua propagação até o receptor.

São considerados também alguns modelos de propagação e tipos de ruídos e interferências que causam perturbações ao canal de RF.

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2.1

  Redes de comunicação sem fio

 �introdução

O canal físico de radiofrequência é definido como uma porção limitada do espectro de frequências que, em sistemas sem fio, se situa em uma faixa do espectro eletromagnético que vai desde alguns Hz até 300 GHz, denominada faixa de radio frequências (Figura 2.1).

Para transmitir dados pelo canal de radiofrequência, pode-se definir uma portadora fc, geralmente no centro do canal, que é modulada pelo fluxo de bits de informação a serem transmitidos. O sinal resultante é aplicado a uma antena que irradia o sinal segundo uma onda eletromagnética que se propaga até a antena do receptor. O conjunto antena de transmissão, antena de recepção e largura de banda do canal forma o que definimos como canal de radiofrequência (RF) e que será o foco deste capítulo.

 

Capítulo 3 - Redes sem fio para interconexão de dispositivos

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capítulo

3

redes sem fio para interconexão de dispositivos

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Os avanços espetaculares da microeletrônica nos últimos tempos permitiram o surgimento das redes sem fio. Este capítulo é dedicado a estudar a arquitetura e topologia de uma rede WPAN para interconexão de dispositivos, avaliando as principais funcionalidades dos níveis de acesso e físico, além de seus padrões comerciais.

116  

3.1

  Redes de comunicação sem fio

 �introdução

Nos últimos anos, os avanços espetaculares da microeletrônica, permitiram integrar, em um único chip, os diferentes blocos funcionais de pequenos sistemas de comunicação de dados sem fio. Dessa forma, no final da década de 1990, pequenos transceptores de baixo custo e consumo passaram a fazer parte de periféricos de computação e dispositivos eletrônicos, viabilizando a interconexão desses dispositivos entre si ou com um controlador, sem a necessidade de fios.

Operando em bandas de frequência livres (não licenciadas), com baixa potência e a custos reduzidos, esta solução tornou-se rapidamente uma maneira fácil e elegante de resolver o problema da conectividade de periféricos de computação em ambientes fechados e pessoais. Com uma topologia simples em estrela e um relacionamento tipo mestre-escravo, essas redes ficaram conhecidas como WPANs (Wireless Personal Area

 

Capítulo 4 - Redes de sensores sem fio (RSSF)

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capítulo

4

redes de sensores sem fio (RSSF)

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Neste capítulo você vai conhecer as principais características de uma RSSF em relação à arquitetura e ao modelo de referência de protocolos de comunicação. Também serão abordadas suas aplicações, funcionalidades e exigências e, por fim, o padrão

IEEE 802.15.4, marco no desenvolvimento de WPANs.

166  

4.1

  Redes de comunicação sem fio

 �introdução

Uma das categorias mais importantes de redes WPAN (Wireless Personal Area Networks) são as redes de sensores sem fio (RSSF) ou WSN (Wireless Sensor Networks), pois elas são cada vez mais utilizadas nas mais diferentes áreas das atividades humanas, em que a interação com o mundo físico é essencial. Suas aplicações se estendem a áreas como saúde, agricultura, meio ambiente, área automotiva, controle de edificações, controle de processos, monitoramento, áreas de desastre, campos de batalha, etc. Com os recentes avanços na área de sistemas microeletrônico-mecânicos ou MEMS (Microelectromechanical Systems), tornou-se possível o desenvolvimento de pequenos sensores multifuncionais de baixo custo e consumo, capazes de se comunicarem em curtas distâncias. Uma RSSF é uma coleção de pequenos sensores que atuam tanto como geradores quanto como repassadores de dados e que operam de forma colaborativa visando à realização de uma RSSF para controle de um ou mais parâmetros físicos observados em uma área limitada. As informações sobre estes parâmetros, assim obtidos, alimentam um sistema de supervisão e controle centralizado (ZHENG et al., 2010).

 

Capítulo 5 - redes sem fio em automação e controle industrial

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capítulo

5

redes sem fio em automação e controle industrial

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Redes de controle e automação industrial sem fio são redes de área privada que integram sensores e atuadores com abrangência geográfica limitada em chão de fábrica. Devem ser capazes de fornecer uma visão constante do estado dos diferentes processos ou dos laços de controle com realimentação e contar com supervisão para reconfigurar os processos visando sua otimização. Neste capítulo abordaremos as redes IWSN, suas principais características funcionais, além de alguns padrões importantes para implantação destes sistemas em um ambiente de produção industrial.

212  

5.1

  Redes de comunicação sem fio

 �introdução

Nos últimos anos, os avanços nas tecnologias de redes sem fio, especialmente nas redes sem fio de curto alcance, têm oferecido uma grande oportunidade de conexão sem fio de sensores e atuadores de chão de fábrica, seja na automação industrial ou no controle de processos, o que é uma solução vantajosa em indústrias mecânicas, em plantas de processamento químico ou na indústria de derivados de petróleo. Considerando o ambiente hostil em que se encontram essas redes de sensores de chão de fábrica, as exigências em relação a elas incluem:

 

Capítulo 6 - A tecnologia UWB em WPANs

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capítulo

6

a tecnologia UWB em WPANs

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A tecnologia de rádio UWB permanece inovadora, ainda que suas propriedades físicas sejam conhecidas há muitos anos. Garante a transmissão de dados sem fio com pulsos de baixa energia e muito estreitos. Ganhou enorme interesse comercial nos anos

2000. Neste capítulo vamos estudar sua aplicação em WPANs na interligação de dispositivos, em rede sem fio de sensores e rede de sensores para automação industrial.

248  

6.1

  Redes de comunicação sem fio

 �introdução

A tecnologia de rádio UWB permanece inovadora, mesmo que suas propriedades físicas já sejam conhecidas há muitos anos. Em 1901, Guglielmo Marconi transmitiu pela primeira vez através do Atlântico para a América utilizando um rádio do tipo “spark gap”, isto é, um transmissor baseado em faíscas produzidas pela descarga entre dois eletrodos a uma taxa da ordem de aproximadamente 5 a 10 milhões de faíscas por segundo. Cada faísca correspondia a um impulso eletromagnético de curta duração que se propagava pelo espaço. O fluxo de faíscas era codificado segundo os símbolos do alfabeto Morse, utilizando elementos binários do tipo traço (longa duração) e ponto

 

Capítulo 7 - Redes locais sem fio – WLANs

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capítulo

7

redes locais sem fio – WLANs

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Usada em pontos de acesso privativo e nos chamados hotspots públicos, wifi é a mais popular tecnologia de acesso à Internet.

Baseada nela, as WLANs cresceram nos últimos anos, alcançando uma vazão próxima de 1 Gbit/s. Vamos ver neste capítulo as diferentes porções do espectro de frequência utilizados na operação dessas redes, além da sua arquitetura básica, as tecnologias de acesso de transmissão e modulação, e os mecanismos de segurança e qualidade de serviço.

278  

7.1

  Redes de comunicação sem fio

 �introdução

Em maio de 1991 foi submetido ao IEEE um pedido de autorização para formar o Grupo de Trabalho 802.11, cujo objetivo era definir uma especificação para a conectividade sem fio entre estações (PCs) de uma rede local sem fio – WLAN (Wireless Local Area

Network). Após sete anos de trabalhos e pesquisas, o comitê de padronização 802.11 do IEEE finalmente aprovou, em 1997, o primeiro padrão IEEE 802.11, que apresentou taxas de transmissão nominais de 1 e 2 Mbit/s (IEEE 802.11, 1997). Ao longo dos

 

Capítulo 8 - Redes celulares

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capítulo

8

redes celulares

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Com o surgimento, no final da década de 1990, das primeiras redes de telefonia celulares, teve início uma nova era das telecomunicações. Neste capítulo você verá os conceitos fundamentais que estão por trás de uma rede de acesso sem fio e como pode ser conseguida a extensão da cobertura geográfica dessas redes com o conceito celular. O capítulo finaliza com as principais características técnicas dos sistemas celulares de primeira geração, analógicos, que rapidamente foram substituídos pelos sistemas de segunda geração, totalmente digitais, na década de 1990.

334  

8.1

  Redes de comunicação sem fio

 �introdução

Estamos vivenciando nesta década um fenômeno tecnológico que pode ser identificado como a revolução mundial da tecnologia wireless. Prevê-se que essa nova tecnologia deverá provocar ainda muitas mudanças socioeconômicas, em nível mundial, comparáveis a um gigantesco tsunami1, de proporções ainda não bem delineadas.

 

Capítulo 9 - Redes celulares de terceira geração

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capítulo

9

redes celulares de terceira geração

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As redes celulares de terceira geração surgiram com estrondoso sucesso tecnológico e comercial, no começo deste milênio. A rápida popularização desse novo paradigma de acesso à Internet abriu um vasto cenário de serviços e aplicações que podem ser disponibilizados aos usuários, de forma simples e barata. A rede de telecomunicações mundial passou de rede de telefonia a rede de dados, integrando todos os serviços: voz, vídeo e dados. Este capítulo trata dos principais impactos tecnológicos associados às redes celulares de terceira geração que dão suporte a este novo paradigma.

374  

9.1

  Redes de comunicação sem fio

 �introdução

No final da década de 1990, os sistemas celulares 2G, 2,5G e 2,75G se alastraram pelo mundo, tendo um sucesso sem precedentes tanto comercial como tecnicamente. Os smartphones se tornaram uma poderosa ferramenta cada vez mais indispensável na vida cotidiana do cidadão comum. Os novos sistemas celulares oferecem conexão permanente à Internet, além de um leque de aplicações que cresce dia a dia (BEREZDIVI;

 

Capítulo 10 - Redes celulares de quarta geração

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10

redes celulares de quarta geração

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Com a crescente demanda de serviços e aplicações e a necessidade de atender à mobilidade do usuário em velocidades de deslocamento cada vez maiores, surgiram os sistemas celulares de quarta geração. Os smartphones aos poucos se tornaram uma extensão imprescindível do corpo humano.

Neste capítulo você verá como uma nova concepção de transmissão (OFDM), que caracteriza uma quarta geração de rede de acesso, é capaz de oferecer taxas de até 1

Gbit/s e mobilidade que pode chegar a 350 km/h. No final do capítulo veremos algumas características e inovações tecnológicas que devem caracterizar as redes de acesso de quinta geração, esperadas para 2020.

410  

10.1

  Redes de comunicação sem fio

 �introdução

Com os espetaculares avanços tecnológicos proporcionados pelos sistemas 3G, o acesso à Internet em banda larga tornou-se popular, simples, barato e ubíquo −sempre conectado (always-on) em qualquer lugar. Além de ser acessível para a grande massa da população mundial, os sistemas 3G tornaram-se um estrondoso sucesso comercial.

 

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