Realidade Virtual com Suporte da Comunicação Sem Fio

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Realidade Virtual com Suporte da Comunicação Sem Fio

João Marcelo Teixeira

Carlos Eduardo Rodrigues

Thiago S. M. C. de Farias

Veronica Teichrieb

Judith Kelner

{jmxnt; cemr; mouse; vt; jk}@gprt.ufpe.br 2/96

História

� Comunicação sem fio antes do radio� Sinais de fumaça� Diferentes sinais eram

produzidos variando o intervalo entre “blocos” de fumaça e quantidade de fumaça num “bloco”

� Pode-se dizer que é uma comunicação baseada em potência e freqüência do sinal

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História

� Tambores falantes(talking drums)� Usados inicialmente na

África em regiões de mata fechada

� Seu alcance era de 8 kmem condições normais

� Diferenciava-se as frases pelo ritmo e pela tonalidade do tambor utilizado

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Pré-História do Rádio

� 1895: Popoff construiu um receptor para ondas eletromagnéticas naturais com o intuito de detectar tempestades elétricas

� 1896: Guglielmo Marconi demonstra o telégrafo sem fio para o escritório telegráfico da Inglaterra, após um ano de testes na Itália

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Pré-História do Rádio

� 1897: Marconi estabelece conexão da ilha Wight até a costa da Inglaterra (22 km)

� 1898: Estabelecido o uso comercial de mensagens telegráficas sem fios

� 1901: Primeiros sinais transmitidoscruzando o Oceano Atlântico (2800 km)

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Criptografia na História do Rádio

� Segurança como preocupação primária na comunicação sem fio

� Utilizada pelos exércitos durante as guerras�O exército americano utilizou o código Navajo

(língua utilizada por índios norte-americanos) durante investidas na área do Pacífico de 1942 a 1945

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Motivação

� Fácil manutenção e menor gasto com infra-estrutura

� Crescimento do uso de redes móveis de telefonia

� Integração de tecnologias� Celulares (GSM, CDMA, TDMA)� Bluetooth� Wi-Fi

� Mobilidade e fácil usabilidade� Presente na maioria das casas

� Controle remoto utilizando tecnologia de infra-vermelho

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Motivação

� Popularização dos dispositivos sem fio�Controle-remoto, auto-falante, fone de ouvido,

mouse, teclado, joystick, placa de acesso à rede

� Sincronização de dados entre PDAs, celulares e PCs através da rede sem fio �Bluetooth é utilizado freqüentemente

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Estado da Arte

� Tecnologias atuais�Wi-Fi (LAN)

� 45 m (área fechada) a 90 m (área aberta)

�Bluetooth (PAN)� Classe 1: 10 cm a 1 m� Classe 2: até 10 m� Classe 3: até 100 m

�Wi-MAX (MAN)� Até 50 km

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Estado da Arte

� Tecnologias atuais� IrDA (PAN)

� Até 1 m

�GPRS/EDGE (celular)� Troca de pacotes sobre redes celulares

�WCDMA (celular)� Wideband CDMA� Sistema de celular que beneficia a troca de dados,

tornando-a mais barata e mais rápida

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Onde Aplicar?

Dispositivos: Visualização,Interação,Localização

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Exemplos de Aplicações

Soldier Vision

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Exemplos de AplicaçõesHalf Life 2

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RV x CSF no GRVM

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RV + CSF no GRVM: Museu

PAN1

PAN2 PAN3

RedeMuseu WLANs

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O Que é uma WLAN?

� Wireless Local Area Networks� Sistemas de comunicação usados como extensão

ou alternativa às redes locais convencionais � Comunicação entre

usuário e rede sem o uso de fios

� Ondas de rádio ou infra-vermelho podem ser usadas para transmissão de dados

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Componentes de uma WLAN

� Placas de rede wireless� Access Points� Wireless Bridge� Antenas

�Unidirecionais�Multidirecionais

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História

� Tecnologias de rede e comunicações via rádio foram unidas pela primeira vez na Universidade do Havaí

� O projeto, chamado ALOHANET, lançou as bases para as redes locais que conhecemos�Meio de transmissão compartilhado

1971

Norm Abramson

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História

� Uso público da banda ISM (Industrial, Scientific and Medical)�Reside entre 900 Mhz e 5,85 GHz�Autorizado pela FCC (Federal

Communications Commission)

� As comunicações realizadas nesta faixa de freqüência não são regulamentadas

1985

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História

� NCR e Motorola iniciam a comercialização dos adaptadores WaveLan e Altair

� Alguns meses depois, empresas como Proxim, Xircom e Windata entram no mercado

1990

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História

� A proliferação de soluções proprietárias tornou evidente a necessidade de um padrão

� O grupo de trabalho 802 da IEEE iniciou a definição do padrão 802.11 para redes locais sem fio

1992

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História

� O padrão 802.11 (Wi-Fi) é ratificado� Taxa de transferência de 1 a 2 Mbps� Meio físico pode ser infra-vermelho ou a freqüência de

rádio de 2.4 GHz da banda ISM� Acesso ao meio através do protocolo CSMA/CA

1997

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História

� A especificação original deixava pontos em aberto�Ao menos cinco empresas desenvolveram

produtos (incompatíveis) baseados no padrão

1999

� A Wi-Fi Alliance é criada para certificar a interoperabilidadeentre equipamentos

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História

� Desde então, a IEEE tem desenvolvido diversos padrões para corrigir falhas e estender o 802.11 original�802.11a, 802.11b, 802.11c, ..., 802.11w

� Vários destes padrões ainda estão em desenvolvimento

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Vantagens das WLANs

� Mobilidade� Escalabilidade� Flexibilidade� Robustez� Confiabilidade em

ambientes hostis� TOC (Total Cost of

Ownership) reduzido

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Vantagens das WLANs



Ownership) reduzido28/96

Vantagens das WLANs



Ownership) reduzido

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Vantagens das WLANs




Vantagens das WLANs



Ownership) reduzido

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Vantagens das WLANs




Desvantagens das WLANs

� Segurança� Limitações das ondas

de rádio� Taxa de transferência � Protocolos de

transferência de dados � Padronização e

operação global

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� Segurança � Limitações das ondas

de rádio� Taxa de transferência � Protocolos de

transferência de dados � Padronização e

operação global34/96


� Segurança � Limitações das ondas de

rádio� Taxa de transferência� Protocolos de

transferência de dados � Padronização e operação

global

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rádio� Taxa de transferência � Protocolos de

transferência de dados� Padronização e operação

global36/96



rádio� Taxa de transferência � Protocolos de

transferência de dados � Padronização e operação

global

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Arquitetura do Padrão 802.11

� Um computador, seja ele portátil ou fixo, é chamado de estação no 802.11

� Duas ou mais estações se comunicando�Célula chamada de BSS (Basic Service Set)�Bloco básico de uma rede Wi-Fi

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� A BSS é controlada por uma estação base, chamada de Access Point (AP) �BSS sem AP é chamada IBSS (Independent

BSS) ou rede Ad-Hoc

� WLAN típica�Formada por várias células�Os APs são conectados por um backbone,

chamado Distribution System (DS)

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� Extended Service Set (ESS)�Rede sem fio completa�Células, APs e DS

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802.11 no Modelo OSI

� Protocolo 802.X� 802.11

�Cobre o MAC (Medium Access Control) da Camada de Enlace

�Camada Física

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CSMA/CA

� Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance�Mecanismo básico de acesso do 802.11

� Os protocolos CSMA são bastante comuns, tendo sido introduzidos na ALOHANET�A versão mais conhecida é o CSMA/CD (onde

CD é Collision Detection), do padrão Ethernet(802.3)

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CSMA/CA

� A detecção de colisão não pode ser facilmente implementada em redes sem fio�Alto custo, pois os

rádios precisariam ser full-duplex

�Não há garantia de que todos os nós da rede se enxergam (Hidden Node Problem)

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CSMA/CA

� Para evitar que uma colisão ocorra�A estação transmissora escuta o meio�Caso ele esteja livre durante um certo tempo

(DIFS ou Distributed Inter-Frame Space, no padrão)

�Ela envia o pacote

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CSMA/CA

� A estação receptora verifica o CRC do pacote e envia um ACK, indicando que não ocorreu colisão�Caso o transmissor não receba o ACK, ele vai

continuar tentando até recebê-lo ou até que o pacote seja descartado

� O 802.11 também define um Virtual Carrier Sense�Protocolo do tipo RTS/CTS

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O padrões 802.11a/b/g

� A diferença básica entre estes padrões está na camada física (PHY)

DSSS***54 Mbps2.4 GHz802.11g

DSSS***11 Mbps2.4 GHz802.11b

OFDM**54 Mbps5 GHz802.11aPHYTT*FreqüênciaPadrão

* Taxa de Transferência** Orthogonal Frequency Division Multiplexing*** Direct Sequence Spread Spectrum

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Gerenciamento de energia

� O gerenciamento de energia é um ponto crítico no desenvolvimento de dispositivos móveis

� O 802.11 define o Power SavingMechanism (PSM), ou Mecanismo de Economia de Energia

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Gerenciamento de energia

� O PSM funciona da seguinte maneira�O AP mantém um registro de todas as

estações que estão em modo de economia de energia, e armazena as informações destinadas à elas em buffer

�Periodicamente, os APs enviam pacotes de sincronia que indicam às estações que elas devem “acordar”

�As estações então devem informar ao AP que estão prontas para receber a informação

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Segurança

� WEP (Wired Equivalent Privacy)�Solução de segurança implementada

inicialmente�Possuía várias falhas que inviabilizaram o seu

uso

� WPA (Wireless Protected Access)�Corrigir as falhas do WEP �Baseado em servidor de autenticação (802.1X)�Operar em um modo simplificado (PSK, ou

Pre-Shared Key)

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Plataformas de desenvolvimento Wi-Fi

� O desenvolvimento de aplicações geralmente não difere das redes com fio�Linux Socket API�Windows Socket API (WinSock)

� Aplicações existentes para redes convencionais estão prontas para funcionar com WLANs

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Wi-Fi em Linguagens Multiplataforma� C#

�Namespace System.Net.Sockets

� Java�Pacote java.net

Bluetooth

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História

� (Ericsson Mobile Communications)

� Estuda a viabilidade da criação de uma interface de rádio barata e de baixa potência entre celulares e seus acessórios

1994

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História

� Criação do SIG (Special Interest Group)

� 2 líderes de mercado em telefonia móvel

� 2 líderes de mercado em laptops

� 1 líder de mercado em DSPs

1998

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História

� Lançamento da primeira especificação� Versão atual: 1.2

1999

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Por quê o nome Bluetooth?

Harald I Bluetooth(910 AD)

Grom The Old(rei da maior penínsulada Dinamarca)

Thyre Danebold

(filha do rei da Inglaterra)

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Harald I Bluetooth(Harald Blåtand, em dinamarquês)

940 - 985 AD

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� Em 960, Harald conquistou toda a Noruega e a Dinamarca

� Converteu os dinamarqueses para o cristianismo

+

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� Bluetooth irá unificar (está unificando) dois mundos�Computação�Telecomunicações

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� Logotipo criado por uma empresa Escandinava

� Combina dois caracteres do alfabeto de runas�“H” (simbolizada por “*”)�“B”

+ =

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Objetivos do Bluetooth

� Disponível em larga escala� Baixo preço� Conveniente� Fácil de usar� Confiável� Pequeno� Baixo consumo de potência� Interoperabilidade

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Redes Bluetooth

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Redes Bluetooth

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Pilha de Protocolos do Bluetooth

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Rádio

� Opera na faixa de 2.402 a 2.480GHz (ISM)� FHSS, separados a cada 1MHz (79 hops)

~10m1mW(0dBm)3

~20m2.5mW(4dBm)2

~100m100mW(20dBm)1

AlcancePotênciaClasse

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Baseband

� Controle de fluxo� Sincronização

� Correção de erros� Dois tipos de links físicos

�Synchronous Connection Oriented (SCO)�Asynchronous Connection-Less (ACL)

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Baseband

� IEEE define endereço MAC com 48 bits� Código de acesso é derivado do MAC e é

usado para endereçar um pacote a um dispositivo específico

� Possui 5 canais lógicos: LC (ControlChannel), LM (Link Manager), UA, UI, US

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LMP (Link Manager Protocol)

� Responsável pela criação, autenticação e configuração do link

� Possui outros protocolos� Utiliza os serviços do canal lógico LC

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HCI (Host Controller Interface)

� Interface de acesso às potencialidades da "baseband"

� Faz parte de 3 seções: Host, TransportLayer e Host Controller

� Entidades�HCI Firmware�HCI Driver�Host Controller Transport Layer

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L2CAP (Logical Link Controland Adaptation Protocol)� Especificação definida para links ACL

apenas� Multiplexação de protocolos� Segmentation & Reassembly� QoS� Grupos de endereços

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RFCOMM

� Emulação de porta serial sobre o L2CAP� Protocolo suporta até 60 conexões simultâneas

entre dois dispositivos BT, dependendo da implementação

� Tipos de dispositivos� Tipo 1: communication end points (computadores e

impressoras)� Tipo 2: parte do segmento de comunicação

(modems)

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SDP (Service Discovery Protocol)� Permite descoberta e características de

serviços disponíveis� Conjunto de serviços pode variar

dinamicamente, baseado na distância entre dispositivos em movimento

� Utiliza um modelo request/response

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SDP

� Descoberta de dispositivos

inquiry

inquiry

response

response

Descobriucelular!

Descobriuheadset!

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SDP

� Descoberta de serviços

request service info

return service atributes

setup data connection

setup SDP connection

disconnect

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SDP

� Conectando-se a um serviço

setup baseband data connection

Link manager configures connection

Setup L2CAP (higher layer) connection

configure L2CAP connection

Connect to service

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Profiles

� Estão associados a aplicações� Diminuem o risco de problemas de

interoperabilidade� Reduzem a carga de implementação em

dispositivos específicos

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Profiles

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Profiles

� Networking :: Dial-up Networking

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Profiles

� Networking :: Lan Access

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Profiles

� Headset

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Profiles

� Object Push

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Profiles

� File Transfer

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Profiles

� TCS

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Profiles

� Hands Free

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Profiles

� Human Interface Device

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Segurança

� Pareamento realizado na primeira conexão� Chave compartilhada por dois dispositivos� Uso de encriptação� Chave de 128 bits permite autenticação

automática� Maior segurança requer implementação

adicional em níveis mais altos

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Gerenciamento de Energia

� Modos de conexão Energia gasta

�Active Mode�Sniff Mode�Hold Mode�Park Mode

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Plataformas de Desenvolvimento

� BlueZ (Linux)� Windows Bluetooth Stack

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OpenNETCF Bluetooth

� Repositório open-source direcionado para o Compact Framework .NET (C#)

� Algumas facilidades �Descoberta/anúncio de serviços�Estabelecimento/fechamento de conexão�Envio/recebimento de pacotes através de

socket BT

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Prática

� Let’s do it!� Aplicação que busca por serviços e

descobre nós BT no range� Aplicação de troca de mensagens entre

dois nós BT

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