Primeira edição do livro Introdução à Computação Móvel

Introduc~ao a
Computac~ao Movel
Geraldo Robson Mateus
Professor Titular
Departamento de Ci^encia da Computac~ao da UFMG
Antonio Alfredo Ferreira
Loureiro
Professor Adjunto
Departamento de Ci^encia da Computac~ao da UFMG

Aos nossos familiares

Prefacio
Oavanco tecnologico na area de informatica tem dobrado, de uma forma geral,
a cada 18{24 meses ja ha alguns anos. Isto tem levado a avancos cont nuos
enovas formas do uso da tecnologia. Por exemplo, no in cio da decada de
80 o custo dos circuitos integrados caiu bastante ao mesmo tempo que o desempenho
desses circuitos aumentou ao ponto que se tornou viavel o uso de
computadores pessoais. Ja noincio desta decada esta evoluc~ao tornou viavel
o uso de computadores portateis e dispositivos PDAs (Personal Digital Assistants).
A evoluc~ao tecnologica que temos hoje ja chegou ao ponto onde e
praticamente poss vel acessar informac~oes em qualquer lugar do planeta em
qualquer momento. A tecnologia de comunicac~ao sem o, necessaria para permitir
essa facilidade, esta dispon vel e a infra-estrutura que a implementa esta
sendo constru da. O software necessario ager^encia desse sistema altamente
complexo tambem esta sendo desenvolvido.
Aintegrac~ao de computadores com comunicac~oes e outras formas de tecnologias
de informac~ao est~ao criando novas formas de sistemas e servicos de
informac~ao distribu da. Atend^encia ehaver computadores mais poderosos,
conectados a uma rede mundial de servicos e recursos atraves de uma infraestrutura
de alto desempenho. E o surgimento dos ambientes de computac~ao
ub quos que devera ser a nova forma de trabalho da proxima decada. Este eo
cenario altamente desa ador e excitante que motiva a computac~ao movel.
O objetivo principal deste livro e dar uma vis~ao geral da area apresentando
os fundamentos, alguns dos problemas ja resolvidos e problemas que ainda
est~ao em aberto. Nem todos os aspectos foram cobertos mas trata-se de um
enfoque didatico e bastante esclarecedor em termos de literatura basica. Cobre
os aspectos de infraestrutura, tecnologias e metodologias Este livro sera mais
apropriado para alunos do ultimo ano da graduac~ao ou do primeiro ano da posgraduac~ao
em Ci^encia da Computac~ao, sendo que os dois primeiros cap tulos
devem ser de facil leitura para qualquer pessoa.
Finalmente, algumas palavras de agradecimento aos alunos Daniel Braga
de Faria, Frederico Mesquita, Jana na Farnese Lacerda, Lauro Celio Portilho
Floriani, Lu s Humberto Rezende Barbosa, Patr cia Campos Costa, Sandra
v

vi
Staico, S lvia Calmon de Albuquerque e Vladimir de Lima Santos pelas suas
importantes contribuic~oes. Agradecemos o apoio de nossos familiares, de nossos
colegas, principalmente do grupo de pesquisa do PRONEX, o suporte do Departamentode
Ci^encia da Computac~ao da UFMG e das instituic~oes de fomento
as atividades de pesquisa como FAPEMIG, CNPq, CAPES e FINEP, e da TE-
LEMIG - Telecomunicac~oes de Minas Gerais. E que continuemos preservando
o nosso conv vio agradavel, construtivo e produtivo.

Sumario
1 Introduc~ao 1
1.1 A Revoluc~ao da Computac~ao Movel ::::::::::::::: 3
1.2 Mercado ::::::::::::::::::::::::::::::: 11
1.3 Conceitos Basicos :::::::::::::::::::::::::: 20
2 Comunicac~ao Movel: Principais Problemas 33
2.1 Sistemas Celulares ::::::::::::::::::::::::: 34
2.2 Tecnologias, Sistemas e Servicos :::::::::::::::::: 35
2.3 Principais Problemas Relacionados com a Infra-Estrutura ::: 41
2.3.1 Localizac~ao de Estac~oes e de Unidades Moveis ::::: 42
2.3.2 Propagac~ao de Sinais :::::::::::::::::::: 44
2.3.3 Alocac~ao de Frequ^encias :::::::::::::::::: 45
2.4 Principais Fatores Relacionados com o Projeto de Hardware e
Software para Computac~ao Movel ::::::::::::::::: 45
2.4.1 Mobilidade ::::::::::::::::::::::::: 46
2.4.2 Variac~oes nas Condic~oes de Comunicac~ao :::::::: 47
2.4.3 Gerenciamento de Energia ::::::::::::::::: 48
2.5 Problemas Relacionados com o Computador Movel : : : : : : : 49
2.5.1 Servicos de Informac~ao ::::::::::::::::::: 49
2.5.2 Ger^encia de Dados ::::::::::::::::::::: 51
2.5.3 Protocolos para Suporte a Computac~ao Movel ::::: 52
2.5.4 Algoritmos Distribu dos que Tratam Mobilidade de Computadores
:::::::::::::::::::::::::: 55
3 Localizac~ao de Estac~oes Radio e Unidades Moveis 57
3.1 Localizac~ao de ERB :::::::::::::::::::::::: 61
3.1.1 Modelos de Localizac~ao de ERB ::::::::::::: 63
3.1.2 Considerac~oes sobre os Modelos :::::::::::::: 67
3.1.3 Implementac~ao { Estudo de Casos :::::::::::: 67
3.2 O Problema de Localizac~ao de Unidade Movel :::::::::: 72
vii

viii Sumario
4 Alocac~ao de Canais 77
4.1 Alocac~ao Fixa de Canais :::::::::::::::::::::: 79
4.1.1 Modelo ::::::::::::::::::::::::::: 80
4.1.2 Algoritmos e Implementac~ao ::::::::::::::: 81
4.2 Alocac~ao Din^amica de Canais ::::::::::::::::::: 82
4.3 Localizac~ao de ERBs e Alocac~ao de Canais ::::::::::: 83
4.3.1 Modelos ::::::::::::::::::::::::::: 84
4.3.1.1 Divis~ao de Canais em Grupos N~ao Interferentes 85
4.3.1.2 Modelo Considerando Grupos de Canais :::: 87
4.3.1.3 Considerac~oes sobre o Modelo ::::::::: 89
5 Protocolos de Comunicac~ao 93
5.1 Pilha de Protocolos ::::::::::::::::::::::::: 93
5.2 Projeto de Protocolos ::::::::::::::::::::::: 96
5.2.1 In u^encia do Ambiente no Projeto :::::::::::: 96
5.2.2 Princ pios de Projeto :::::::::::::::::::: 97
5.3 Redes Locais Sem Fio ::::::::::::::::::::::: 99
5.4 IP Movel :::::::::::::::::::::::::::::: 100
5.4.1 Enderecos no IP Movel :::::::::::::::::: 101
5.4.2 Identi cac~ao do Care-of Address ::::::::::::: 103
5.4.3 Registro do Care-of Address :::::::::::::::: 103
5.4.4 Tunelamento para o Care-of Address ::::::::::: 105
5.4.5 Alguns Comentarios sobre o IP Movel :::::::::: 107
6 Ger^encia de Informac~ao 109
6.1 A Informac~ao e a Revoluc~ao que Ainda Esta por Vir :::::: 110
6.2 Difus~ao de Mensagens ::::::::::::::::::::::: 111
6.2.1 Estrategias para Entrega de Mensagens ::::::::: 113
6.2.2 Organizac~ao dos Dados Transmitidos ::::::::::: 114
6.2.2.1 Discos Difus~ao :::::::::::::::::: 115
6.2.2.2 Indice ::::::::::::::::::::::: 116
6.3 Caching e Difus~ao ::::::::::::::::::::::::: 117
6.3.1 Ger^encia de Cache em Sistemas Difus~ao ::::::::: 117
6.3.1.1 Pol ticas de Atualizac~ao de Cache ::::::: 117
6.3.1.2 Busca Antecipada :::::::::::::::: 118
6.3.2 Consist^encia de Dados em Sistemas Difus~ao ::::::: 119
6.3.3 Atualizac~ao de Cache em Sistemas Difus~ao ::::::: 120
6.4 Consultas Sobre Localizac~ao :::::::::::::::::::: 122
6.5 Topicos Relacionados :::::::::::::::::::::::: 123

Sumario ix
7 Algoritmos Distribu dos 125
7.1 Modelos Computacionais para Ambientes Moveis :::::::: 125
7.1.1 Funcionalidade de um Computador Movel :::::::: 127
7.1.2 Modelos de Comunicac~ao na Computac~ao Movel : : : : 128
7.1.2.1 Modelo Cliente Movel/Servidor ::::::::: 128
7.1.2.2 Modelo Par{Par ::::::::::::::::: 131
7.1.2.3 Modelo Agente Movel :::::::::::::: 132
7.1.3 Considerando o Ambiente ::::::::::::::::: 133
7.2 Modelos para um Cliente Web :::::::::::::::::: 135
7.2.1 Modelos Cliente/Servidor ::::::::::::::::: 136
7.2.1.1 Modelo Cliente/Agente/Servidor :::::::: 137
7.2.1.2 Modelo Cliente/Interceptador/Servidor :::: 137
7.2.2 Modelo Par{Par :::::::::::::::::::::: 138
7.2.3 Modelo Agente Movel ::::::::::::::::::: 139
7.3 Distribuic~ao de Dados e Tarefas :::::::::::::::::: 139
7.3.1 Distribuic~ao de Dados ::::::::::::::::::: 139
7.3.2 Distribuic~ao de Tarefas :::::::::::::::::: 140
7.3.2.1 Modelo Cliente/Servidor :::::::::::: 141
7.3.2.2 Modelo Cliente/Servidor com Agente ::::: 141
7.3.2.3 Agentes Moveis ::::::::::::::::: 142
7.4 Recuperac~ao de Falhas ::::::::::::::::::::::: 142
7.4.1 Estado Global Consistente em um Ambiente Movel ::: 143
7.4.2 Algoritmos para Recuperac~ao de Falhas em um Ambiente
Movel :::::::::::::::::::::::::::: 144
8 Conclus~oes 149
8.1 Perspectivas ::::::::::::::::::::::::::::: 149
8.2 Considerac~oes Finais :::::::::::::::::::::::: 150
A Propagac~ao de Sinais de Radio 153
A.1 Introduc~ao :::::::::::::::::::::::::::::: 153
A.2 Modelo de Propagac~ao no Espaco ::::::::::::::::: 154
A.3 Mecanismos Basicos de Propagac~ao :::::::::::::::: 156
A.4 Re ex~ao ::::::::::::::::::::::::::::::: 156
A.5 Difrac~ao ::::::::::::::::::::::::::::::: 157
A.6 Dispers~ao :::::::::::::::::::::::::::::: 158
A.7 Modelos para Calculo de Atenuac~ao de Sinal de Radio ::::: 159
A.7.1 Modelo de Atenuac~ao Logar tmica :::::::::::: 159
A.7.2 Modelo Log-Normal :::::::::::::::::::: 160
A.7.3 Modelos de Propagac~ao em Ambientes Abertos ::::: 160
A.7.4 Modelos de Propagac~ao em Ambientes Fechados : : : : 162
A.8 Modelos de Propagac~ao em Baixa Escala ::::::::::::: 165
A.8.1 Fatores de In u^encia :::::::::::::::::::: 165

x Sumario
A.8.2 Deslocamento Doppler ::::::::::::::::::: 166

Cap tulo 1
Introduc~ao
O crescimento extraordinario que tem ocorrido nesta decada nas areas de comunicac~ao
celular, redes locais sem o e servicos via satelite permitir~ao que
informac~oes e recursos possam ser acessados e utilizados em qualquer lugar e
em qualquer momento. Dado o atual crescimento do segmento de computadores
pessoais e PDAs (Personal Digital Assistants), estima-se que em poucos
anos, dezenas de milh~oes de pessoas ter~ao um laptop, palmtop ou algum tipo de
PDA. Independente do tipo de dispositivoportatil, a maior parte desses equipamentos
devera ter capacidade de se comunicar com a parte xa da rede e, possivelmente,
com outros computadores moveis. A esse ambiente de computac~ao
se da o nome de computac~ao movel ou computac~ao n^omade. Nesse ambiente,
o dispositivo computacional n~ao precisa ter uma posic~ao xa na rede. Neste
livro o termo computador movel sera usado para referenciar genericamente um
computador portatil ou um PDA.
Computac~ao movel representa um novo paradigma computacional. Surge
como uma quarta revoluc~ao na computac~ao, antecedida pelos grandes centros
de processamento de dados da decada de sessenta, o surgimento dos terminais
nos anos setenta, e as redes de computadores na decada de oitenta. O novo
paradigma permite que usuarios desse ambiente tenham acesso a servicos independente
de onde est~ao localizados, e o mais importante, de mudancas de
localizac~ao, ou seja, mobilidade. Dessa forma, a computac~ao movel amplia o
conceito tradicional de computac~ao distribu da. Isso epossvel gracas a comunicac~ao
sem o que elimina a necessidade do usuario manter-se conectado
a uma infra-estrutura xa e, em geral, estatica. Um sistema distribu do com
computadores moveis consiste de uma parte tradicional formada por uma infraestrutura
de comunicac~ao xa com computadores estaticos que esta interligada

2 Cap tulo 1. Introduc~ao
a uma parte movel, representada por uma area ou celula onde existe a comunicac~ao
sem o dos elementos computacionais moveis. Com a diminuic~ao dos
custos desses dispositivos, a computac~ao movel se tornara viavel n~ao somente
para o segmento empresarial mas para as pessoas de uma forma geral. A disponibilidade
dos equipamentos, e a soluc~ao de antigos problemas relativos a
ru doeinterfer^encia em sistemas de comunicac~ao sem o, abriram o interesse
pelo tema.
A quest~ao principal na computac~ao movel e a mobilidade que introduz
restric~oes inexistentes na computac~ao tradicional formada por computadores
estaticos. Logo, o objetivo principal da computac~ao movel eprover para os
usuarios um ambiente computacional com um conjunto de servicos comparaveis
aos existentes num sistema distribu do de computadores estaticos que permita
a mobilidade.
Aevoluc~ao conjunta da comunicac~ao sem o e da tecnologia de informatica
busca atender muitas das necessidades do mercado: servicos celulares, redes
locais sem o, transmiss~ao de dados via satelite, TV, radio modems, sistemas
de navegac~ao, base de dados geogra ca, etc. Acomunicac~ao sem o eum
suporte para a computac~ao movel, que, portanto, pode ser vista como uma
area da comunicac~ao sem o. Esta, por sua vez, explora diferentes tecnologias
de comunicac~ao que s~ao inseridas em ambientes computacionais xos e moveis.
Acombinac~ao de comunicac~ao sem o com a mobilidade de computadores
criou problemas novos nas areas de informatica e telecomunicac~oes, em
especial redes de computadores, sistemas operacionais, otimizac~ao, sistemas
de informac~ao, banco de dados, dentre outras. Este livro apresenta uma introduc~ao
a area de computac~ao movel, uma das mais ativas atualmente em
pesquisa e desenvolvimento em Ci^encia da Computac~ao. O livro discute problemas
basicos relacionados com sistemas de computac~ao e otimizac~ao e trata
somente de quest~oes de software referentes a computac~ao movel, e n~ao trata
do aspecto de hardware que tem um papel extremamente importante.
A tecnologia de comunicac~ao precursora foi lancada no Jap~ao em 1979 e na
decada de oitenta, mais precisamente em 1983, com as redes celulares de telefonia
movel instaladas em Chicago e Baltimore. Voltadas para a comunicac~ao
de voz, caracterizam-se por serem sem o, moveis e pessoais. Na atualidade,
elas comp~oem o principal sistema de comunicac~ao sem o. Isso se deve asua
adequac~ao a rede publica de telefonia e a reduc~ao substancial de custos, mais
que suas caracter sticas tecnologicas.
No entanto, a comunicac~ao sem o tem sido usada muito antes das redes
celulares [96], com as emiss~oes via radio AM e FM, as comunicac~oes navais, e a
propria televis~ao. Os sistemas de comunicac~ao bidirecionais entre ve culos data

1.1 A Revoluc~ao da Computac~ao Movel 3
de 1930. Eram usados para servicos de despacho em companhias de energia,
transporte, taxi, e pela pol cia ou servicos de emerg^encia. Inicialmente eram
unidirecionais evoluindo para bidirecionais (full-duplex). Com o sistema bidirecional
IMTS (Improved Mobile Telephone Service) foi eliminado o operador e a
chamada era efetuada diretamente por numero. Esse foi o primeiro servico independente
oferecido pelos RCCs (Radio Common Carriers), autorizados pela
FCC (Federal Communication Commission), comiss~ao americana responsavel
por estabelecer a pol tica e a regulamentac~ao para os servicos de comunicac~ao,
em 1949. Esses servicos predominaram ate o lancamento dos primeiros celulares,
evoluindo de sistemas independentes para integrar a rede de telefonia xa,
compondo o atual sistema movel celular.
Outro servico que antecede eopaging que existe desde a segunda guerra
mundial. E um servico de mensagem unidirecional. A palavra paging tambem e
usada no contexto de contactar uma unidade movel em sistemas celulares, como
sera visto posteriormente. A FCC, em 1952, certi cou o primeiro sistema de
paging para hospitais. Os sistemas evolu ram disponibilizando quatro tipos de
servicos: \tone-only, tone-voice, alphanumeric e visual display". Essa ultima
opc~ao obtera ainda mais func~oes com os microprocessadores.
1.1 A Revoluc~ao da Computac~ao Movel
A(r)evoluc~ao da computac~ao movel passa por varias etapas. Einteressante observar
pontos marcantes dessa trajetoria que comeca com Hans Christian Oersted
em 1820, quando descobre experimentalmente que a corrente eletrica produz
um campo magnetico. O primeiro sistema de comunicac~ao foi o telegrafo,
que ja na metade do seculo XIX, permitia a transfer^encia de palavras faladas
a longa dist^ancias pelo codigo Morse. Esse sistema era baseado na comunicac~ao
com o. As equac~oes de Maxwell, descrevendo a propagac~ao de ondas
eletromagneticas, e os experimentos de Heinrich Hertz, foram a base para a
descoberta da radiotelegra a por Marconi, no nal do seculo XIX. Em 1901,
o Oceano Atl^antico era atravessado por sinais de radio. Este foi o in cio dos
sistemas de comunicac~ao sem o.
O telefone, inventado por Alexander Graham Bell, foi um segundo sistema
de comunicac~ao, evoluiu rapidamente e tornou-se uma tecnologia complementar
ao telegrafo durante muitos anos. O in cio do seculo XX e marcado pela conex~ao
via os de cobre dos setores comerciais dos EUA. Ja em 1928, existia um
telefone para cada cem habitantes nos EUA.
A tecnologia digital veio acelerar ainda mais esse processo. Os computadores
surgem como uma terceira gerac~ao dos sistemas de comunicac~ao. Torna-

4 Cap tulo 1. Introduc~ao
ram a comutac~ao telef^onica tambem digital e reduziram sensivelmente a participac~ao
de operadores no sistema. Mas, as caracter sticas de comunicac~ao com
o e o elevado custo de acesso remoto ainda predominam. Esses fatores tornaram
os sistemas sem o atraentes, mas eles ainda dependem signi cativamente
das redes xas. Nesse sentido, enquanto a tecnologia sem o se expande rapidamente
para as redes de acesso, com baixo custo independente da dist^ancia a
rede publica, as redes xas, pelo uso da bra otica, e os satelites, se complementam
nas comunicac~oes de longa dist^ancia. Essas s~ao as altenativas tecnologicas
atuais e de futuro, mesmo que de dif cil previs~ao.
A aceitac~ao das novas tecnologias pelos usuarios e o outro fator de crescimento.
A gura 1.1 apresenta o tempo gasto por cada nova tecnologia para
atingir 1 milh~ao de usuarios. EnquantoaTVpretoebrancolevou 20 anos para
atingir esse patamar, os computadores pessoais levaram aproximadamente seis
anos, os celulares dois anos, e estima-se que os PCS (Personal Communication
Services) levar~ao um ano. A projec~ao da Bellcore e que no ano 2005 ser~ao 46
millh~oes de usuarios de PCS.
O primeiro sistema de comunicac~ao movel foi um sistema de radio utilizado
pela pol cia de Detroit em 1928 [48]. De uma forma um pouco mais detalhada
aevoluc~ao tecnologica seguiu os seguintes passos:
1820 Hans Christian Oersted (1777{1851) descobre experimentalmente
que a corrente eletrica produz um campo magnetico. Andre Marie
Ampere (1775{1836) quanti ca essa observac~ao na Lei de Ampere.
1830 Joseph Henry (1799-1878) descobre que a variac~ao do campo
magnetico induz uma corrente eletrica mas n~ao publica o resultado.
Em 1831, Michael Faraday (1791{1867) descobre independentemente
esse efeito que passaria a ser conhecido como a Lei de Faradaye,mais
tarde, a terceira equac~ao de Maxwell.
1864 James Clark Maxwell (1831{1879) modi ca a Lei de Ampere, amplia
a Lei de Faraday e desenvolve as quatro famosas equac~oes de Maxwell
sobre campos magneticos.
1876 Alexander Graham Bell (1847{1922) inventa o telefone.
1887 Heinrich Rudolph Hertz (1857{1894) detecta as ondas eletromageticas
previstas pelas equac~oes de Maxwell.
1896 Guglielmo Marconi (1874{1937) inventa o primeiro receptor sem o
pratico: o telegrafo sem o.
1907 In cio do servico de radiodifus~ao comercial transatl^antico (estac~oes
terrestres imensas: antenas de 30 100 m).
1914 In cio da Primeira Guerra Mundial. Rapido desenvolvimento das
comunicac~oes e sua interceptac~ao.

1.1 A Revoluc~ao da Computac~ao Movel 5
Número de usuários (milhões)
1,0
0,5
0
PCS Celular PC VCR
TV
Colorida
Anos após lançamento no mercado
TV
Preto e Branco
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 20
Figura 1.1: Numero de usuarios por ano de introduc~ao da tecnologia
1921 Radiodifus~ao comercial entra em operac~ao nos Estados Unidos.
1928 APol cia de Detroit introduz um sistema de acionamento de carros
baseado em radiodifus~ao (unidirecional) na faixa de 2 MHz.
1933 AFCC autoriza o uso de quatro canais na faixa de 30{40 MHz.
1935 Modulac~ao em Frequ^encia - FM (Frequency Modulation) surge como
alternativa para a Modulac~ao em Amplitude - AM (Amplitude Modulation),
reduzindo os problemas de ru dos na transmiss~ao, ou melhor
desempenho com relac~ao a perda de sinal, ou desvanecimento.
1939 Pesquisa e uso da comunicac~ao via radio expande imensamente durante
a Segunda Guerra Mundial.
1945 AT&T Bell Labs inicia experimentos no uso de frequ^encias mais altas
com o objetivo de melhorar os servicos moveis.

6 Cap tulo 1. Introduc~ao
1947 AT&T lancaoIMTS(Improved MobileTelephone Service), um sistema
de transmiss~ao onde apenas uma torre de alta pot^encia atendia
uma grande area ou cidade. Em seguida, AT&T Bell Labs prop~oe o
conceito celular.
Anos
50
Anos
60
Anos
70
Os sistemas requerem uma elevada banda para transmiss~ao, uma
faixa de 120 kHz para transmitir um circuito de voz de apenas 3
kHz. Esta faixa e reduzida pela metade. Com os transistores os
equipamentos reduzem de tamanho e ja s~ao transportaveis. Nessa
epoca os primeiros sistemas de paging comecaram a surgir.
Um novo receptor de FM permite reduzir a banda para 30 kHz,
abrindo espaco para um maior numero de canais de comunicac~ao
com o mesmo espectro. Bell Labs ja testa as tecnicas de comunicac~ao
celular e surgem os primeiros aparelhos portateis
AFCC aloca um espectro de frequ^encias para os sistemas celulares.
Nesse per odo AT&T lanca o sistema celular conhecido por AMPS
(Advanced Mobile Phone System). Inicialmente era um servico de
luxo. Destinado para uso em automoveis e de aplicac~ao limitada
tendo em vista a baixa durabilidade das baterias. Atendiam uma
capacidade limitada de trafego e um numero reduzido de usuarios.
A primeira rede celular no mundo foi lancada no Jap~ao em 1979.
1983 O sistema AMPS evoluiu para os padr~oes atuais com a primeira rede
celular americana lancada em 1983, em Chicago e Baltimore. Outros
sistemas similares entram em operac~ao no mundo: TACS (Total
Acess Communications System) no Reino Unido (1985), NMT
(Nordic Mobile Telephone Service) na Escandinavia (1981), NAMTS
(Nippon Advanced Mobile Telephone System) no Jap~ao. O AMPS
ainda em uso nos EUA, Brasil e grande parte do mundo, econsiderado
um sistema de primeira gerac~ao. A transmiss~ao em FM,
reduzida a 25 kHz nos anos 70, entra nos anos 90 na faixa de 10kHz.
Tambem surgem os sistemas de transmiss~ao digital. Pelas tecnicas
de processamento digital de sinais foi poss vel reduzir a banda necessaria,
viabilizando os sistemas moveis digitais.
1991 Validac~ao inicial dos padr~oes TDMA e CDMA nos EUA. Introduc~ao
da tecnologia microcelular.
1992 Introduc~ao do sistema celular Pan-Europeu GSM (Groupe Speciale
Mobile).
1994 Introduc~ao do sistema CDPD (Cellular Digital Packet Data). In cio
dos servicos PCS (Personal Communication Services) CDMA e
TDMA.
1995 In cio dos projetos para cobertura terrestre de satelites de baixa
orbita, como o projeto Iridium.
A partir da a comunicac~ao sem o vem evoluindo e destacando varias

1.1 A Revoluc~ao da Computac~ao Movel 7
sub-areas entre elas a comunicac~ao celular, a comunicac~ao movel, servicos de
comunicac~ao pessoal, comunicac~ao via satelite, redes locais sem o. Essa diversidade
di culta uma classi cac~ao mais precisa. Por outro lado, a portabilidade
dos equipamentos tambem vem evoluindo rapidamente, ja tendo sido lancado
um telefone celular de pulso com comandos por voz.
A grande maioria dos sistemas de comunicac~ao sem o se baseiam na comunicac~ao
via radio e na alocac~ao de frequ^encias. A e ci^encia da transmiss~ao
via radio tambem depende, entre outros fatores, da antena, pot^encia de transmiss~ao
e relevo ou meios interferentes. No entanto, entre as classi cac~oes dos
servicos moveis apresentadas na literatura [48], sera destacadaadaFCC:
Servicos de Radio Movel Comercial
Servicos de Radio Fixo Publico e Domestico
Servicos Moveis Publicos
ServicosdeComunicac~ao Pessoal (PCS { Personal Communication Services)
ServicosdeRadio Movel Terrestre e Privado(PMR{Private land Mobile
Radio)
Servicos de Microondas Fixo Operacional Privado
Servicos de Radio Pessoal
Servicos de Radio Movel Comercial tambem conhecidos por Servicos
Telefone-Radio Celular, cobrem os atuais servicos de telefonia celular. Consistem
em cobrir uma area de demanda pela sua divis~ao em sub-areas denominadas
celulas e pela alocac~ao de frequ^encias para cada uma das celulas,
considerando aspectos de interfer^encias.
Servicos de Radio Fixo Publico e Domestico s~ao servicos de radio microondas
ponto a ponto, tais como sistemas microondas convencionais, sistemas de
comunicac~ao via satelite, sistemas de TV, e alguns sistemas espec cos para o
governo americano.
Servicos Moveis Publicos incluem os sistemas paging, servico telefone-radio
rural, servicos ar-terra e servicos terrestres. Paging e um servico que tem se
tornado bastante popular atualmente. Nesse tipo de servico sinais codi cados
s~ao enviados para pequenos receptores. O receptor eativado por um sinal com
seu codigo espec co.

8 Cap tulo 1. Introduc~ao
Servicos de Comunicac~ao Pessoal (PCS) s~ao similares aos atuais servicos
de telefonia celular do ponto de vista do usuario, mas exploram diferentes e
e cazes tecnologias. E um conceito amplo e n~ao totalmente caracterizado, mas
geralmente opera em baixa pot^encia, usa pequenas celulas, ou microcelulas,
para acomodar uma unidade movel que se movimenta lentamente. Na pratica
e uma vers~ao de baixo custo para telefonia celular. Em regi~oes americanas
onde este servico foi lancado, os precos foram forcosamente reduzidos pela
competic~ao em ate 25% desde 1994, e, na pratica, os precos s~ao, em geral, 10%
abaixo se comparados com as regi~oes onde existe apenas celular [1].
Servicos de Radio Movel Terrestre e Privado (PMR) prov^eem comunicac~ao
radio a baixo custo para atender as necessidades de industrias de energia,
petroleo, sistemas produtivos em geral, taxis e transportadoras. O objetivo
principal e a troca de informac~ao dentro da corporac~ao e, principalmente, em
operac~oes de despachos. Em alguns pa ses aparecem sob a sigla SMR (Specialized
Mobile Radio).
Servicos de Microondas Fixo Operacional Privado buscam os usos sem ns
lucrativos, as escolas, companhias de alarme, bancos. S~ao sistemas sem o e
privados que operam ponto a ponto, ou ponto multiponto.
Servicos de Radio Pessoal tambem conhecidos por servicos interativos de
dados e v deo (IVDS { Interactive Video and Data Service). E um servico
de nido recentemente, 1992, e fornece a base para uma grande variedade de
servicos como v deo sob demanda, on-line shopping, interactive banking.
Uma outra classi cac~ao e uma vis~ao por grandes areas: Redes e Servicos
de Comunicac~ao Pessoal, Celular, Comunicac~ao Movel, Redes Locais e Comunicac~ao
Via Satelite.
PCS (Personal Communication Services) ePCN(Personal Communication
Networks) s~ao os principais servicos na primeira grande area. Como dito anteriormente,
surgem como opc~ao de baixo custo para os servicos celulares. O
objetivoetambem embutir servicos de comunicac~ao de dados na forma de mensagens,
bem como servicos de curta dist^ancia, para comunicac~ao em ambientes
fechados ou para comunicac~ao entre predios.
Os sistemas celulares formam a area de maior destaque atualmente, conforme
dados apresentados anteriormente e projec~oes futuras. Envolve alem das
tecnologias de comunicac~ao, aspectos de seguranca e ate biologicos.
Aarea de comunicac~ao movel pode tambem ser considerada como uma
especializac~ao dos servicos celulares, entre elas a computac~ao movel, explorando
principalmente a tecnologia digital.
As redes locais sem o se ajustam a ambientes com alta mobilidade do
pessoal administrativo ou de produc~ao, como em universidades, hospitais e

1.1 A Revoluc~ao da Computac~ao Movel 9
fabricas, ou em velhas construc~oes com di culdades para cabeamento. Essa
nova tecnologia reduz signi cativamente os custos de reinstalac~ao, recon -
gurac~ao e manutenc~ao das unidades moveis como um PC. S~ao geralmente
conectadas a outras redes locais ethernet e exploram transmissores de baixa
pot^encia, pequenas dist^ancias, e tecnicas de espalhamento espectral, descritas
posteriormente.
Comunicac~oes via satelite possuem caracter sticas bastante peculiares, entre
elas s~ao a alta capacidade e possibilidade de atender um elevado numero de
usuarios a baixo custo. A tabela 1.1 apresenta alguns sistemas e suas principais
caracter sticas [235]. A viabiliade econ^omica desses projetos se concentra no
atendimento de massa global, a custos reduzidos (hoje s~ao da ordem de 1 a 3
dolares/minuto), competitivos, sem fronteiras e, principalmente, complementando
os servicos ja existentes. Nesta linha, cobrem regi~oes n~ao atendidas por
sistemas terrestres, pela baixa densidade populacional, pela baixa renda, ou
por di culdades geogra cas, caracterizando os seus maiores segmentos de comunicac~ao
sem o xo, de extens~ao celular e de internacionalizac~ao dos servicos
celulares. Muitos projetos est~ao em andamento e t^em sofrido muitos ajustes
de objetivos, dimens~oes e implementac~oes. Na concepc~ao de mobilidade as
celulas s~ao unidades moveis enquanto os usuarios est~ao xos, devido ao posicionamento
em altitudes elevadas. Os sinais transmitidos s~ao recebidos por
toda area coberta, uma ampla area geogra ca, e o custo e independente da
dist^ancia entre os usuarios. Com isso, apresentam uma alta capacidade para
transmiss~oes broadcast e sistemas distribu dos. Por outro lado, o problema de
seguranca ebastante grave umavez que qualquer unidade receptora pode captar
o sinal. Dessa forma os mecanismos de criptogra a devem ser usados no
caso de comunicac~ao segura.
Basicamente os satelites se estabelecem em tr^es n veis. Os satelites de
baixa orbita LEO (Low Earth Orbit) s~ao posicionados em torno de 1000 km
de altitude mas em diferentes posic~oes com relac~ao a terra. Os satelites de
orbitas medias MEO (Medium Earth Orbit) est~ao aproximadamente a 10000
km de altitude. Eossatelites de orbitas elevadas ou geoestacionaria GEO
(Geosynchronous Earth Orbit) est~ao situados aaproximadamente 36000 km de
altitude e em regi~oes proximas a linha do equador.
Os satelites LEO foram os primeiros a serem lancados e apresentam um
complexo problema de roteamento dos sinais e rastreamento em terra. Devido
as baixas altitudes e necessario um numero mais elevado de unidades para
uma maior cobertura, apesar dos equipamentos serem tambem menores por
trabalharem em baixas pot^encias. Os atrasos nos processos de comunicac~ao
tambem s~ao menores.

10 Cap tulo 1. Introduc~ao
Sistema Patroc nio Tipo Alt. # Sat. Servicos Custo
( )
(Orb.) US$bi
Msat American M. GEO 19.000 1 (a) veicular e 0.55
Sat.
tel. xo
Globis Consorcio GEO 20.000 1 (a) tel. xo e n.d.
Uni~ao Sov.
TV
Odyssey TRW MEO 5.600 12 (a) voz, dados,
localiz.
1.3
Ellipso Mobile MEO 4.212 15 (b) voz, dados, 0.7
Comm. Hold.
6(a) fax
Archimedes European MEO n.d. 4 (n.d.) voz, dados, n.d.
Space Ag.
fax
Iridium Motorola LEO 413 66 (a) voz
3.4
digital, da-
Globalstar Loral & LEO 750 48 (a)
dos, localiz.
voz
1.7
Qualcomm
digital, da-
Aries Constellation LEO 550 48 (a)
dos, localiz.
voz
0.5
Comm., Inc.
digital, dados,
localiz.
Teledesic Teledesic LEO 378 840 (d) tel. xo, 9
Orbcomm Orbital Sci. LEO 424 18 (a)
v deo relay
dados 0.5
Corp.
2(c) (storeforward)
Starsys Starsys Posi- LEO 702 24 (a) dados n.d.
tion., Inc.
(storeforward)
Leostar Italspuzio LEO 432 24 (a) dados
(storeforward)
n.d.
Ecco Telebras, LEO 1.100 11 + 1 voz, dados, 1.5
Cci, Bell
(res.) paging
Atl., etc
(a)
( ) Milhas nauticas
Orbitas:
(a) Circular (b) El ptica (c) Polar (d) S ncrona com o sol
Tabela 1.1: Sistemas de comunicac~ao via satelite
A segunda gerac~ao s~ao os satelites GEO que movimentam sincronamente
com a terra, mantendo a mesma posic~ao em relac~ao a linha do equador. Isto

1.2 Mercado 11
permite manter as estac~oes terrestres em posic~oes xas. O primeiro satelite
GEO foi lancado pela INTELSAT (International Telecommunications Satellite
Organization) em 1965 e, a partir da , passaram a predominar. Com o
sincronismo os problemas de roteamento e rastreamento s~ao reduzidos. Aumentando
a altitude tambem reduz-se o numero de unidades para uma maior
cobertura. Uma unidade com antena n~ao direcionada pode cobrir ate 30%
da superf cie terrestre, bastando tr^es satelites distanciados a 120 graus para
uma ampla cobertura. Mas, a proximidade a linha do equador deixa algumas
regi~oes polares sombreadas. Tambem eleva-se as dimens~oes dos equipamentos
pelo uso de grandes pot^encias, reduz-se a portabilidade e di culta atendimentos
de massa. Outra caracter stica importante s~ao os atrasos na comunicac~ao,
comprometendo aplicac~oes e sistemas. O atraso por enlace edeaproximadamente
120 ms, portanto 240 ms de ida e volta. Envolvendo mais de um satelite,
esse atraso aproxima de 1s, o que inviabilza muitos servicos.
Em varios pa ses ja funciona o telefone movel (ainda n~ao celular) que tem
um numero unico para todo o planeta. Trata-se de um equipamento com a
forma de um laptop, custa de 6000 a 12000 dolares. O Brasil faz parte desse
grupo de pa ses. A Embratel oferece esse servico com uma taxa de manutenc~ao
de 20 a 30 reais, e custo do minuto e em torno de 3,50, e somente paga quem
faz a chamada.
1.2 Mercado
As redes celulares atendiam aproximadamente 10 milh~oes de assinantes em
1990, em todo o mundo, e chegaram ao nal de 1995 com aproximadamente 90
milh~oes. Um crescimento acelerado que varia de pa s a pa s. A Suecia apresentava
nesse per odo o maior percentual de usuarios da tecnologia celular, 25%.
E a expectativa era de que nos Estados Unidos este percentual chegaria a 30%
no nal da decada. No nal de 1996 esse percentual era de 17%. A Finl^andia
ja tem, atualmente, 33 telefones moveis para cada 100 pessoas, seguindo uma
tend^encia dos pa ses nordicos de instalar 10 celulares para cada telefone xo.
Em 1996, o Jap~ao elevou o seu percentual de 11,5% para 23%. No Camboja
60% dos assinantes usam celular. Nas Filipinas e Tail^andia esse numero ja
supera a casa dos 20%, apesar da baixa disponibilidade de servicos telef^onicos.
Espera-se que ja noincio do proximo seculo um em cada tr^es telefones sera
movel, ou 415 milh~oes dos projetados 1,4 bilh~oes de telefones. E um mercado
que dobra a cada ano e, considerando a elevada reduc~ao de custos, pode ser
uma previs~ao pessimista (veja gura 1.2, The Economist, 1997). E o segmento
de telecomunicac~oes com a maior taxa de crescimento, com uma taxa esperada

12 Cap tulo 1. Introduc~ao
de 30 a 40% por ano.
Assinantes celular em %
do total de assinantes
30
25
20
15
10
5
0
Líbano
Filipinas
Tailândia
Finlândia
Malásia
Hong Kong
Sirilanka Nova Zelândia
Venezuela
Singapura
Gabão Hungria
Japão
Brasil
China
Laos
Indonésia
Israel
Portugal
Taiwan
0 10 20 30 40 50 60
Telefones por 100 habitantes
Figura 1.2: Percentuais de celulares por linhas telef^onicas
O Brasil tem feito uso da comunicac~ao via radio por muitos anos. Em
telecomunicac~oes as comunicac~oes via radio analogicos t^em sido frequentes em
telefonia interurbana [146], e tambem em telefonia celular desde o in cio dos
anos 90. Nos ultimos dois anos o mercado tem experimentado um crescimento
acelerado e com expectativas de uma expans~ao ainda maior. A gura 1.3 mostra
a demanda por celulares na grande S~ao Paulo levantada em 1996 e cobrindo o
per odo de 1996 a 2000 [213].
Um mercado de 4,5 milh~oes de celulares em S~ao Paulo no ano 2000 e otimista
se comparado com a expectativa governamental de aproximadamente 10
milh~oes em todo o Brasil. Mas sobre outros aspectos e expectativas, esses e outros
numeros dados nos gra cos abaixo s~ao todos pessimistas. Os gra cos das
guras 1.4, 1.5, 1.6 e 1.7 apresentam as propostas do Programa de Ampliac~ao e

1.2 Mercado 13
(X 1000)
2500
2000
1500
1000
500
0
Demanda na Grande São Paulo
2000 2000
1800
1800
1600
1700
Limite do
Analógico
480
1000
2300
2000
1996 1997 1998 1999 2000
Demanda não atendida
Celulares em Operação - Analógico
Celulares em Operação - Analógico + Digital
Início da Competição
Figura 1.3: Demanda por celulares em S~ao Paulo
Recuperac~ao do Sistema de Telecomunicac~oes e do Sistema Postal (PASTE) do
governo brasileiro e lancado em novembro de 1995 [214], para atendimento ao
nercado de telefonia movel, comunicac~ao de dados, paging, TV por assinatura.
A reduc~ao de custos e acompanhada por uma acentuada elevac~ao da demanda.
Embora o preco pelo uso de um telefone celular ainda seja muito
elevado se comparado a um telefone xo, o sucesso e con rmado pela mobilidade
e facilidades que este servico oferece. Essa diferenca de preco,noentanto,
torna-se cada vez menor. A reduc~ao de precos e compensada pela elevac~ao do
numero de usuarios (Figura 1.8). Outra relac~ao de refer^encia e o custo por
usuario versus a dist^ancia a sua central. A gura 1.9 tambem mostra uma
comparac~ao entre um sistema celular e uma rede de cabos [148]. Apesar das
variac~oes de custos de empresa para empresa, o que sempre se observa eum
custo constante por usuario do sistema celular enquanto o custo do cabo e
crescente com a dist^ancia.
De acordo com a empresa CIT Research de Londres a receita mensal por
assinante na Europa reduziu para $71 em 1996 e deve chegar a $42 em 2001
[1]. Enquanto nos EUA esse valor que era de $58 em 1996 deve cairpara
$49 em 2001. No Jap~ao este valor ja e inferior a $35 para um PHS (Personal
Handyphone System), uma tecnologia celular digital de capacidade limitada.

14 Cap tulo 1. Introduc~ao
0,8
Atendimento ao Mercado de Telefonia Móvel
Em milhões de acessos
1,9
4,8
6,8
8,2
9,6
17,2
1994 1995 1996 1997 1998 1999 2003
Figura 1.4: Mercado brasileiro de telefonia movel
Embora o custo da chamada seja maior que a do telefone xo, o custo da linha
e bem inferior.
Pelas previs~oes da empresa BIS Strategic Decisions dos EUA, realizadas
para o per odo de 1993 a 1998 [48], a receita com os servicos sem o nos EUA
e dada pela gura 1.10. Apesar de ser uma previs~ao, e uma estimativa de20
bilh~oes para 1998 apenas nos EUA.
Essa inovac~ao pode provocar uma revoluc~ao sem precedentes e ja maisimaginada,
capaz de provocar mudancas profundas na sociedade e se torna dif cil
prever qual e o futuro. Por um seculo as redes tef^onicas cresceram em dimens~ao
mas com baixas mudancas tecnologicas. Recentemente surgiram o fax, o telefone
movel, as comunicac~oes via satelite, a Internet. Todas essas inovac~oes
foram inicialmente projetadas como de uso restrito e de luxo, mas passaram
rapidamente a serem movidas por grandes mercados e consequentes mudancas
tecnologicas. Neste contexto, a comunicac~ao sem o surge como uma forte
inovac~ao na medida em que passa a ser um componente pessoal, que acompanha
o usuario onde quer que ele esteja. Do outro lado, a reduc~ao de custo
contribui cada vez mais para facilitar o acesso. Tudo isso faz com que a comunicac~ao
sem o se torne um negocio capaz de ultrapassar todas as expectativas
hoje levantadas em torno da Internet.

1.2 Mercado 15
1,5
Atendimento ao Mercado de Comunicação de Dados
Em milhões de usuários
2,5
3,8
5,2
6,5
16,1
1995 1996 1997 1998 1999 2003
Figura 1.5: Mercado brasileiro de comunicac~ao de dados
A e ci^encia e os limites tecnologicos s~ao tambem fatores importantes que
puxam ou forcam esta evoluc~ao. Em uma vis~ao generica, a curva deevoluc~ao
passadec^oncava para convexa para uma mesma tecnologia, mas dando saltos
de e ci^encia para cada tecnologia [48]. Na gura 1.11 e apresentada uma
evoluc~ao em tr^es etapas dos sistemas xos para os sistemas moveis.
Mas essa revoluc~ao tambem tem seu preco. Muitos s~ao os problemas a serem
superados. Os sistemas celulares ja s~ao alvos de fraudes. Para a empresa, e
as vezes para o usuario, a escolha entre os padr~oes tecnologicos existentes e
complexa. Com certeza o numero e a dimens~ao dos problemas crescer~ao a
medida que avancamos na computac~ao movel.
A comunicac~ao de dados tambem cresce a taxas elevadas, puxada pelas
redes de computadores e computadores pessoais. A comunicac~ao de dados e
viavel via sistemas analogicos e digitais. Mas a seguranca e a con abilidade
necessarias para este setor t^em exigido redes digitais. As grandes bases de dados
centradas em mainframes tornam-se cada vez mais distribu das. A empresa
Nokia estima que no ano 2000, de 20% a 30% do faturamento em servicos moveis
vira da comunicac~ao de dados. Com isso, as redes celulares est~ao evoluindo para
atender de forma integrada a comunicac~ao de voz, dados e a computac~ao movel
de uma forma geral. Embute-se neste contexto os brinquedos moveis e PDAs,

16 Cap tulo 1. Introduc~ao
0,4
Atendimento ao Mercado de Paging
Em milhões de assinantes
0,7
1,0
1995 1996 1997 1998 1999 2003
1,2
1,5
Figura 1.6: Mercado brasileiro de Paging
t~ao populares quanto os laptops em alguns pa ses, como o Jap~ao, e acesso a um
browser com servicos de mensagens.
O processo de comunicac~ao ainda depende essencialmente da presenca do
usuario proximo a um telefone ou a um computador, xos em salas, escritorios
ou resid^encias, eadist^ancia sempre foi um fator preponderante. Hoje, a disponibilidade
de telefones celulares, laptops e pequenos equipamentos permitem
mobilidade independente de localizac~ao e dist^ancia. Nessa evoluc~aoadin^amica
tem sido muito rapida tanto para a tecnologia e servicos, mas principalmente
para os usuarios e empresas.
Os usuarios vivem a euforia de diferentes servicos, automac~ao e busca da
e ci^encia. No entanto, eles esbarram na di culdade e na duvida pela escolha
do melhor servico e da tecnologia certa e de menores custos. Por exemplo,
cabe a um simples usuario residencial decidir pelo equipamento a ser utilizado
e como devera se conectar as redes de comunicac~ao. Ele tera o seu telefone
xo conectado a uma rede de cabo de cobre convencional, ou podera optar pela
conex~ao via o provedor de TV a cabo, ou a uma rede local sem o publica
ou privada, ou uma comunicac~ao via satelite, ou .... Essa decis~ao sera t~ao
mais complexa quanto maior for os servicos dispon veis. Algumas empresas ja
prev^eem para seus equipamentos moveis o envio e recebimento de mensagens,
3,9

1.2 Mercado 17
0,1
Atendimento ao Mercado de TV por Assinatura
Em milhões de domicílios
0,7
2,0
3,7
5,5
7,0
16,5
1994 1995 1996 1997 1998 1999 2003
Figura 1.7: Mercado brasileiro de TV por assinatura
o acesso via browser aInternet e muitas outras facilidades. Esse leque de
opc~oes e com certeza um gerador de incertezas, mas cada vez mais viabilizarao
acesso de um maior numero de usuarios, estabelecendo novos comportamentos
e processos, quer seja nas resid^encias como tambem nas empresas e industrias.
Por sua vez, as empresas tambem passam por mudancas signi cativas e
grandes desa os para garantir a sobreviv^encia. As empresas publicas est~ao
sujeitas a um amplo processo de privatizac~ao. O objetivo propalado e abrir o
mercado para maior competic~ao e reduc~ao de custos e precos. No entanto, a
experi^encia em varios pa ses, tais como Jap~ao, Australia, EUA, e ate nossos
vizinhos latino-americanos, tem mostrado por um lado a transfer^encia do monopolio
estatal para o privado, e por outro lado a di culdade em se criar um
mercado realmente competitivo, se considerarmos a presenca e a dimens~ao das
estatais no mercado atual. A privatizac~ao por si so n~ao cria competic~ao.
Novas variaveis t^em surgido no mercado das telecomunicac~oes. As grandes
e poderosas empresas se v^eem na necessidade de ganhar agilidade e dinamismo
em uma estrutura bastante pesada. A rapida evoluc~ao tecnologica permite o
surgimento de pequenas empresas capazes de concorrer de igual para igual com
monstros sagrados. Isso porque a tradic~ao e a experi^encia podem perder a
corrida para o novo.

18 Cap tulo 1. Introduc~ao
120
100
80
60
40
20
0
Telefones Móveis na Europa Ocidental
Assinantes (milhões)
Receita por assinante em $/mês
1993 1995 1997 1999 2001 2003 2005 2006
Figura 1.8: Numero de usuarios versus receita
Empresas locais est~ao entrando no mercado de longa dist^ancia e vice-versa.
Mercado este ainda totalmente dominado pelas grandes corporac~oes. Apesar
da reduc~ao de custos neste setor, as tarifas continuam bastante elevadas. Analisando
um dos fatores que in ueciaram nessa queda esta o custo da bra otica.
Por outro lado, a capacidade disponivel e bastante alta, sendo que apenas 5%
da capacidade de satelites e cabos foi usada no ultimo ano, conforme publicado
pela ITU (International Telecommunications Union) [1].
Outras empresas tambem est~ao buscando novos espacos e mercados. Assim
e que empresas de energia eletrica, de abastecimento de agua, ferrovias, etc,
est~ao tambem penetrando no mercado de telecomunicac~oes. Cabe aqui ressaltar
a parceria entre companhia de agua francesa, Generale des Eaux, privada, e a
estatal de ferrovias SNCF, concorrendo com a estatal France Telecom. Tambem
na Alemanha as partes privadas das companhias de energia RWE, Viag e Veba,
concorrem com a Deutsche Telekom. A Japan Telecom pertence a tr^es ferrovias.
O mesmo ocorre com as empresas de energia e ferrovias americanas.
Uma nova empresa para se estabelecer tem de construir a sua propria rede
de telecomunicac~oes ou buscar parcerias com outras proprietarias de redes ja
existentes. As duas opc~oes s~ao complexas. A primeira exige um elevado investimento
em um setor que passa por mudancas frequentes, a segunda cria uma

1.2 Mercado 19
Custo por usuário
$4000
$3500
$3000
$2500
$2000
$1500
$1000
$500
Rede de Cabos
Celular
CO 1 2 3 4 5
Distância (em milhas) da central
Figura 1.9: Rede celular versus rede de cabos
depend^encia e um conjunto de exig^encias que podem inclusive comprometer o
plano de negocios da nova empresa, tornando-a, as vezes, t~ao engessada quanto
oprovedor tradicional.
Seguindo os aspectos levantados, os sistemas moveis apresentam como grandes
vantagens a mobilidade permitida ao usuario, o acesso direto a informac~ao
ou servicos e a independ^encia de cabeamento, reduzindo os custos e o tempo de
instalac~ao e disponibilizac~ao dos servicos. Por outro lado, os sistemas tambem
apresentam desvantagens com caracter sticas bem diferenciadas. O espectro de
frequ^encia e bastante limitado e existem varios servicos que demandam parte
desse espectro. As quest~oes de privacidade e seguranca s~ao bastante delicadas,
apesar do ganho conseguido com os sistemas digitais. A energia dispon vel
em cada unidade movel e um fator de alta limitac~ao, comprometendo o tempo
de uso pelo usuario e tambem exigindo so sticados algoritmos para o rastreamento
dessas unidades moveis. Por estar sujeito as interfer^encias diversas,
outros meios de transmiss~ao e geogra cos e mobilidade do usuario, a garantia
da qualidade do servico e uma atividade complexa. Finalmente, a propria

20 Cap tulo 1. Introduc~ao
Bilhões de dólares
25
20
15
10
5
0
PCS
1993 1994 1995 1996 1997 1998
Celular Digital
Celular Analógico
Figura 1.10: Receita com servicos sem o nos EUA
complexidade tecnologica e outra desvantagem.
1.3 Conceitos Basicos
Nesta sec~ao s~ao apresentados alguns conceitos basicos que podem facilitar a
compreens~ao do tema. O objetivo e apresenta-los informalmente sem o rigor
teorico.
Os sistemas moveis de comunicac~ao se baseiam, em sua grande maioria,
na transmiss~ao via radio, ou na emiss~ao de ondas de radio ou sinais. Essa
onda no sistema telef^onico e consequ^encia da fala ou dos n veis de press~ao de
ar produzidos, que s~ao transformados em ondas eletricas. Matematicamente,
trata-se de uma onda senoidal correspondente ao sinal analogico, ou com sinais
discretos, 0 ou 1, no caso digital, guras 1.12 e 1.13.
Uma onda tem tr^es caracter sticas basicas: amplitude, frequ^encia e fase.
A amplitude e a medida da altura da onda para voltagem positiva, ou para
voltagem negativa. Tambem de nida como a altura da crista da onda. A

1.3 Conceitos Basicos 21
Efetividade
A. "Handset" fixo,
rede fixa
B. "Handset" móvel,
rede fixa
Tempo
Figura 1.11: Mudancas tecnologicas
Figura 1.12: Sinal analogico
C."Handset" móvel,
rede móvel
amplitude do sinal digital e igual a diferenca de voltagem para o degrau entre
0 e 1. Iniciando na voltagem zero, essa onda cresce, atinge a sua amplitude,
decresce, se anula, atinge sua amplitude negativa evolta a crescer ate seanular
novamente. Essa sequ^encia comp~oe um ciclo. A frequ^encia corresponde ao
numero de cristas por segundo ou ao numero de ciclos por segundo. Um ciclo
tambem e denominado por 1 hertz = 1 Hz, a medida usual de frequ^encia, e seus

22 Cap tulo 1. Introduc~ao
Amplitude
+
0
-
Sinal Digital
0 1 0 1 1 0 0
Bit cells
Figura 1.13: Sinal digital
multiplos: 1 kilohertz = 1 KHz = 1000 Hz, 1 megahertz = 1 MHz = 1000 KHz,
e 1 gigahertz = 1 GHz, 1 tetrahertz = 1 THz. A fase e o angulo de in ex~ao da
onda em um ponto espec co no tempo, e medida em graus. Para uma mesma
frequ^encia e amplitude as fases s~ao diversas.
Um sinal de voz e portanto uma onda eletrica com diversas frequ^encias,
como os sons musicais s~ao combinac~oes de varias frequ^encias acusticas, e as
cores do arco-iris s~ao diferentes frequ^encias de ondas de luz. A sequ^encia de
frequ^encias gera os sons relativos a voz que s~ao transmitidos via radio ou sistemas
com o. O sinal de radio e uma onda de energia que, no vacuo, viaja
avelocidade da luz, 297000 km/s. A conex~ao transmissor/receptor se da por
diversos tipos de ondas. As terrestres, ou de superf cie, seguem a superf cie
ou curvatura da terra. As ondas espaciais s~ao as que trafegam em linha reta.
Ondas celestiais usam a camada da ionosfera como meio de transporte e como
um espelho que re ete as ondas de radio. As ondas de satelite se baseiam na
ampli cac~ao pela estac~ao satelite e retorno a terra em diferentes frequ^encias.
Finalmente, um tipo bem especial de transmiss~ao s~ao os sistemas de microondas.

1.3 Conceitos Basicos 23
A dist^ancia, em metros, entre duas cristas de ne o comprimento de onda. O
comprimento de onda para altas frequ^encias e menor que em baixas, tambem o
ciclo e menor para altas frequ^encias. O intervalo entre duas frequ^encias de ne
uma banda, e a diferenca entre a maior e a menor frequ^encia caracteriza a
largura de banda. Este conceito e extremamente importante na medida que a
capacidade de um canal (bits/s) e, em parte, dependente da largura de banda.
Assim, um canal telef^onico de aproximadamente 20 KHz pode transmitir todas
as caracter sticas da voz. A comunicac~ao via radio atua em um espectro
limitado de frequ^encias, por motivos tecnicos e, algumas bandas, s~ao nocivas
a diferentes especies, inclusive o homem. O ouvido humano e capaz de detectar
sons aproximadamente na banda de 40 a 18000 Hz. No entanto, os
sistemas telef^onicos n~ao s~ao capazes de cobrir todo esse espectro. A energia
necessaria na emiss~ao de um sinal de voz se concentra na banda de 200 a 3100
Hz. Ainda mais, a reproduc~ao da fala n~ao exige uma precis~ao maxima, o ouvido
eocerebro s~ao capazes de reconstruir e inferir, captando transmiss~oes com ate
98% da energia e 85% da intelig^encia da fala. As frequ^encias em transmiss~oes
radio v~ao de 30 KHz a 300 GHz, com as bandas dadas pela tabela 1.2.
IntervalodeFrequ^encia Sigla Classi cac~ao
3 KHz ELF Extremely Low Frequency
3-30 KHz VLF Very Low Frequency
30-300 KHz LF Low Frequency
300 KHz-3 MHz MF Medium Frequency
3-30 MHz HF High Frequency
30-300 MHz VHF Very High Frequency
300 MHz-3 GHz UHF Ultra High Frequency
3-30 GHz SHF Super High Frequency
30-300 GHz EHF Extremely High Frequency
Tabela 1.2: Intervalos de frequ^encias e classi cac~ao
Examinando as bandas na tabela 1.2, pode-se concluir que enquanto a
largura de banda na faixa de audic~ao e da ordem de 3000 Hz, para altas
frequ^encias, como as exploradas nas transmiss~oes via radio, a largura de banda
pode chegar a aproximadamente 300 MHz, justi cando a import^ancia das altas
frequ^encias. As ondas de superf cie, em geral, exploram as baixas frequ^encias,
apresentam longos comprimentos de onda (10000 metros) e, portanto, n~ao sujeitas
a variac~oes topogra cas. As ondas espaciais s~ao usadas em transmiss~oes
de TV e operam na faixa de VHF a SHF. As ondas celestiais atua na faixa

24 Cap tulo 1. Introduc~ao
HF e usadas para transmiss~oes de radio e telefonia de longa dist^ancia. As ondas
de satelite t^em caracter stiscas bem particulares, descritas anteriormente.
Microondas exploram o espectro de UHF e SHF provendo uma ampla banda,
pequenos comprimentos de onda e menores antenas. Epossvel obter taxas
de 274 Mbps em sistemas com 18 GHz de banda. E indicada para conex~oes
remotas de 30 a 50 km.
Cada provedor pode variar a frequ^encia, amplitude ou fase, ou combinac~oes
dentro de limites autorizados. A modulac~ao e o processo de variac~ao de um
desses atributos. A modulac~ao em amplitude (AM) e em frequ^encia (FM) s~ao
as mais conhecidas. A primeira usa o sistema de chaveamento de amplitude
ASK (Amplitude Shift Keying) easegundaochaveamento de frequ^encia FSK
(Frequency Shift Keying). Outras formas s~ao a modulac~ao em fase PM (Phase
Modulation), PCM (Pulse Code Modulation) eQAM(Quadrature Amplitude
Modulation), usada em sistemas digitais. A combinac~ao de diferentes tecnologias
pode gerar combinac~oes de formas de modulac~ao.
A forma AM e mais usada nas transmiss~oes comerciais e e bastante sens vel
arudos. Portanto, e pouco indicada para comunicac~ao sem o. A vantagem
deste sistema era a banda requerida em uma transmiss~ao, 8 KHz, que era
bastante elevada para FM, 200 KHz. Com a reduc~ao da banda em FM para
10 KHz, a modulac~ao AM perdeu todo o espaco para a FM, que e bem menos
sens vel aos ru dos.
Pela modulac~ao caracterizamos a forma de apresentac~ao da informac~ao que
se transforma em trafego. Visando maiores velocidades de transmiss~ao, esse
trafego deve ser cursado o mais rapido poss vel. Neste sentido, surge a ideia de
multiplexac~ao, ou a agregac~ao de varias informac~oes para acelerar a transmis~ao.
Tambem existem tecnicas de multiplexac~ao para comunicac~ao com e sem o.
Nesse ultimo caso, destaca-se a FDM (Frequency Division Multiplexing) ea
TDM (Time Division Multiplexing), basicas para os metodos ou arquiteturas
de acesso de usuarios FDMA (Frequency Division Multiplexing Access) eo
TDMA (Time Division Multilexing Access). Tambem destaca-se o metodo
de acesso mais recente, o CDMA (Code Division Multiplexing Access), todos
descritos no cap tulo seguinte.
As tecnicas FDM e TDM dividem a largura de banda em canais disponibilizados
aos usuarios do sistema, gura 1.14. Por sua vez, o CDMA disponibiliza
toda a banda para todos os usuarios, sem a caracterizac~ao de canais com uma
banda pre- xada. Essa subdivis~ao do espectro torna o FDMA uma arquitetura
de faixa estreita, o TDMA pode ser de faixa estreita ou larga, e o CDMA de
faixa larga.
Amultiplexac~ao FDM predominava ateo nicio dos anos 90, mas ainda

1.3 Conceitos Basicos 25
Figura 1.14: Tecnicas de multiplexac~ao FDM, TDM e STDM
tem sido usada em comunicac~ao via satelite, telefonia, sistemas microondas e
televis~ao a cabo (CATV). A largura de banda e subdividida em canais de banda
menor, com uma portadora para cada canal, capaz de cursar um sinal de voz ou

26 Cap tulo 1. Introduc~ao
dados. A arquitetura FDMA explora a FDM e os canais s~ao alocados conforme
a demanda, reservando alguns canais de controle. Dependendo do sistema
torna-se necessario a alocac~ao de dois canais para cada usuario, um para cada
sentido da comunicac~ao, canal duplex. FDMA e explorado principalmente em
sistemas analogicos, mas pode tambem ser usado em sistemas de transmiss~ao
digital.
A primeira gerac~ao dos sistemas celulares, analogicos, se baseia no FDMA,
entre eles o AMPS (Advanced Mobile Phone Service), sistema predominante
nos EUA, Brasil e outros 40 pa ses. Cada canal ocupa uma banda de 30 KHz.
A largura de banda total e de 25 MHz para faixa A (ou tambem conhecida
por banda A, faixa de 824 a 849 MHz) e 25 MHz para faixa B (banda B, faixa
de 869 a 894 MHz). Para cada faixa, a multiplexac~ao gera 833 canais, como
s~ao necessarios canais duplex, para cada comunicac~ao,umnosentido estac~aounidade
movel,eoutronosentido unidade movel-estac~ao, resulta a capacidade
de atendimento simult^aneo de 416 usuarios por faixa. O custo da unidade
movel e de menor custo enquanto na estac~ao e mais elevado.
Amultiplexac~ao TDM disponibiliza toda largura de banda para um canal,
mas cada um usa apenas um slot de tempo. Uma mesma portadora e usada por
todos os canais em intervalos de tempo. Os sinais s~ao discretizados, cabendo
a cada usuario um canal que recebe o sinal a cada sequ^encia de slots. Uma
das limitac~oes dessa tecnica consiste na gerac~ao de slots de tempo mesmo para
canais sem transmiss~ao. Essa desvantagem e corrigida pela STDM (Statistical
Time Divison Multiplexing), com a alocac~ao din^amica de slots apenas aos terminais
em uso, veja gura 1.14. O maior numero de canais implica em maior
faixa de transmiss~ao, mas o numero de slots por canal depende do projeto e
pode superar o FDM.
A segunda gerac~ao de sistemas celulares se baseia no TDMA que, em geral
e na pratica, s~ao similares ao STDM. O TDMA tem sido bastante usado
pelos atuais sistemas moveis e sem o. Nessa arquitetura de acesso o sinal de
voz e digitalizado, armazenado em um bu er na estac~ao e, ent~ao, transmitido
pela alocac~ao aos slots de tempo, com intervalos distintos para transmiss~ao
e recepc~ao. Esta arquitetura tambem pode ser vista como uma combinac~ao
das tecnicas FDM e TDM. FDM no sentido que divide a largura de banda
em canais e uma portadora para cada canal, e TDM porque os sinais digitais
s~ao enviados pela mesma portadora. Isso exige um maior custo para manter
a qualidade do sinal. Os sinais dos usuarios, apesar de ocuparem a mesma
frequ^encia, n~ao interferem entre si, pois ocupam diferentes slots de tempo.
O sistema celular predominante na Europa e o mais popular na linha digital,
GSM (Global System for Mobile communications), explora o TDMA,

1.3 Conceitos Basicos 27
atuando nas faixas de 890 a 915 MHz, e 935 a 960 MHz, nas direc~oes unidade
movel-estac~ao e estac~ao-unidade movel. Cada faixa e dividida em 124 pares de
portadoras de 200 KHz. Cada portadora e dividida em 8 canais com slots de
tempo de 0,577 ms, ou um quadro (frame) de 4,615 ms (8 0 577).
O sistema digital D-AMPS (Digital AMPS), tambem em uso no Brasil, faz
uso da tecnica de multiplicac~ao FDM, propria do AMPS, mas tambem o TDM,
que gera sinais digitais. Como cada portadora gerada pelo FDM emultiplexada
em tr^es canais pelo TDM, a capacidade do D-AMPS emultiplicada por tr^es.
A arquitetura CDMA disponibiliza toda a largura de banda para todos os
usuarios e cada conex~ao estac~ao-usuario recebe um codigo espec co e o mais
aleatorio ou ortogonal aos demais. Mas os sinais dos usuarios cursam o mesmo
canal ao mesmo tempo, permitindo inclusive ainterfer^encia entre eles.
Outros sistemas celulares est~ao dispon veis no mercado como: TACS (Total
Access Communication System) com grande participac~ao no mercado do Reino
Unido, ETACS (European TACS), JTACS (Japan TACS), NTACS (Nippon
TACS),ogrupoTACS esta presente em aproximadamente 20 pa ses. O NMT
(Nordic Mobile Telephone system) esta implantado nos pa ses nordicos e trinta
outros, RMTS (Radio Mobile Telephone System), todos analogicos. PDC (Personal
Digital Cellular) participa do mercado japon^es, IS95 (Interim Standard
95 ) uma vers~ao inicial para o CDMA e o DCS (Digital Cellular System), que
usa protocolo GSM, s~ao todos digitais. Maiores detalhes sobre os sistemas
celulares s~ao apresentados na proxima sec~ao.
Em 1993, a TIA lancou a especi cac~ao IS-95 com base na tecnologia
SST (Spread Spectrum Technology) ou espalhamento espectral, basico para o
CDMA, e tambem para a evoluc~ao do TDMA. Essa tecnologia data da decada
de 40, para atender comunicac~oes militares. Uma de suas vers~oes iniciais edenominada
frequency hopping ou salto de frequ^encia. Essa tecnologia consiste na
transmiss~ao pelo uso de varias frequ^encias espalhadas e sequenciadas, usando
toda a banda, espalhamento espectral, ao inves de uma unica. Isso aumenta
a sua capacidade de transmiss~ao. O receptor deve ser capaz de identi car o
codigo e a sequ^encia de espalhamento para cada canal de comunicac~ao. Essa
tecnica e bastante promissora para os servicos de PCS (Personal Communication
Systems) devido a sua exibilidade para comunicac~oes sem o, o uso
e ciente do espectro de frequ^encia, e capacidade futura de transmiss~ao de dados
a altas velocidades e baixo custo, alem da seguranca a vista da atuac~ao de
hackers. Por outro lado exige uma banda elevada tornando-se bastante restrita
para as atuais bandas celulares dispon veis [96].
Os sistemas celulares s~ao os mais populares sistemas sem o. Muitos conceitos
s~ao particulares e outros extrapolam esta area [226, 141]. O nome sistema

28 Cap tulo 1. Introduc~ao
movel celular (SMC) advem de sua estrutura em celulas. Uma celula euma
area geogra ca atendida ou coberta por um transmissor de baixa pot^encia, uma
ERB (Estac~ao Radio Base). Uma ERB e uma ou mais antenas xas, instaladas
em torres que t^em como objetivo atender a demanda originada pelas estac~oes
ou unidades moveis, ou usuarios, dentro de sua area de cobertura. A unidade
movel e o equipamento manipulado pelo usuario do SMC. Notadamente os
aparelhos portateis ditos telefones celulares. Em outro sentido, a celula corresponde
a area de abrang^encia de uma ERB. Todo ponto onde o sinal radio
de uma ERB pode ser recebido dentro de limites de ru dos e interfer^encias
aceitaveis. As celulas n~ao t^em forma de nida. Idealmente seriam circulares,
mas na pratica podem assumir formas totalmente irregulares, dependendo do
relevo e topogra a da area. Por conveni^encia s~ao representadas por hexagonos.
Alguns pontos podem ser cobertos por mais de uma ERB, nesse caso temos
um overlapping de celulas. Ainda mais, a unidade movel ao solicitar uma
canal a ERB de sinal mais forte pode receber um acknoledgement negativo.
Em seguida, veri ca uma segunda ERB com sinal su ciente para estabelecer a
conex~ao. Este procedimento e denominado de direct-retry.
Com o crescimento da demanda e o reduzido espectro de frequ^encia, as
celulas t^em uma tend^encia a reduzirem sua area de cobertura. Neste contexto
surgem os conceitos de macrocelula, microcelula e picocelula. As celulas reduzem
e tambem a pot^encia de suas ERBs.
A conex~ao entre uma ERB e uma unidade movel se realiza por um canal ou
frequ^encia dispon vel. Inicialmente era um canal espec co para cada usuario
(nontrunk), para os novos sistemas (trunk) todos os canais est~ao dispon veis
para todos os usuarios da celula. Os canais s~ao liberados por ordem de chegada
dos usuarios e ser~ao atendidos tantos quantos s~ao os canais dispon veis na
ERB. Da a import^ancia de uma e ciente alocac~ao de frequ^encias entre as
ERBs. Cada ERB esta conectada por uma linha f sica dedicada a uma CCC
(Central de Comutac~ao e Controle), que, por sua vez, tambem esta conectada
a RPT (Rede Publica de Telefonia), gura 1.15. A CCC e responsavel pela
inteligac~ao e controle de varias ERBs. Etambem responsavel pela monitorac~ao
de chamadas e hando ,amudanca automatica de chamada de uma celula para
outra amedidaqueousuario se desloca. O deslocamento de longa dist^ancia,
com mudanca de area metropolitana, exige tambem o redirecionamento de
chamadas via roaming.
As antenas s~ao usadas como transmissores e receptores de sinais de radio.
S~ao projetadas em relac~ao aos comprimentos de onda. Assim, frequ^encias elevadas
com pequenos comprimentos de onda exigem antenas menores. Baixas
frequ^encias com grandes comprimentos de onda tornam as antenas maiores.

1.3 Conceitos Basicos 29
ERB
RPT
CCC
CCC ERB
ERB
ERB
ERB 3
Figura 1.15: Topologia do sistema celular
Essa relac~ao generica pode ser modi cada pelo uso de indutores, capazes de reduzir
a dimens~ao das antenas. Outro par^ametro importante e o ganho de uma
antena, uma medida logar tmica, expressa em decibeis (dB), da raz~ao entre a
antena instalada e outra de refer^encia. O ganho e a taxa de ampli cac~ao do
sinal. A transmiss~ao de um sinal de 1 watt de pot^encia por uma antena com
ganho de 5 resultara em sinal de 5 watts. Com isso e poss vel aumentar a area
de cobertura de cada ERB, principalmente em areas com escassez de banda,
porem dentro de limites que n~ao prejudique o funcionamento do SMC como um
todo. No SMC s~ao utilizados dois tipos de antenas. As omni-direcionais s~ao
as mais usuais e s~ao capazes de transmitir sinais em todas as direc~oes simultaneamente.
Normalmente uma estac~ao comum contem 3 antenas. As antenas
setorizadas cobrem pequenos setores dentro de uma celula, n~ao propagam sinal
em todas as direc~oes, mas em um feixe que de ne o setor.
Ao distribuir as frequ^encias pelas ERBs dois tipos de interfer^encias s~ao
importantes. A interfer^encia co-canal e devida ao uso da mesma frequ^encia em
diferentes celulas. O n vel de interfer^encia co-canal e a raz~ao entre a pot^encia
1 2
4 5 6
7 8 9
0
*
OFF
ERB
SND

30 Cap tulo 1. Introduc~ao
do canal transmitido pela soma das pot^encias dos canais de mesma frequ^encia
das celulas vizinhas a primeira. A interfer^encia adjacente eainterfer^encia de
canais adjacentes em uma mesma ERB ou celula.
A escassez da banda de frequ^encia exige um mecanismo de reuso. O fator de
reuso multiplica o numero de canais aumentando a sua distribuic~ao. Tambem
indica a quantas celulas de dist^ancia de uma estac~ao determinada os canais
desta poder~ao ser reutilizados. O reuso de frequ^encia depende da pot^encia do
sinal, das frequ^encias usadas, relevo, ambiente, tipo e altura de antena. Considerando
a topologia hexagonal esse fator e igual a sete, ou seja, o espectro de
frequ^encias e distribuido entre uma celula e suas outras seis vizinhas, podendo
repetir suas frequ^encias na vizinhanca de suas vizinhas. A dist^ancia de reuso
e a dist^ancia m nima entre duas ERBs transmitindo em canais com a mesma
frequ^encia sem que haja interfer^encia mutua. A dist^ancia de reuso edadapor:
D = R p 3N
onde D e a dist^ancia de reuso, R oraiodacelula e N o fator de reuso. O fator
de reduc~ao da interfer^encia co-canal e a raz~ao entre D e R, q = D=R. Uma
maior dist^ancia implica em menor interfer^encia co-canal, mas com um menor
numero de canais por celula, menor a capacidade por celula. Caso contrario, as
celulas t^em de reduzir de tamanho, aumentar a capacidade do sistema, apesar
de aumentar o numero de ERBs com menor pot^encia, o numero de hando
aumenta e tambem a complexidade de rastreamento das unidades moveis.
Complementando esse cap tulo introdutorio, cabe ressaltar alguns dos organismos
de especi cac~ao e padronizac~ao:
ITU (International Telecommunications Union), que absorveuoCCITT
(Comite Consultatif Internationale de Telegraphie et Telephonie)
ITU-R (International Telecommunications Union { Radio Comunication
Sector)
CTIA (Cellular Telecommunications Industry Association), associac~ao de
provedores americanos
TIA (Telecommunications Industry Association), associac~ao independente
para padronizac~ao
EIA (Electronics Industry Association), similar a TIA
ETSI (European Telecommunications Standard Institute)

1.3 Conceitos Basicos 31
E a computac~ao movel? Apos uma vis~ao geral de sistemas moveis e sem
o, pode-se concluir que a computac~ao movel vem da evoluc~ao e como complementac~ao
aos sistemas atuais e projetados para o futuro. As comunicac~oes
pessoais e corporativas escoar~ao boa parte de seus processos pela uso da computac~ao
movel. Hoje o mercado e complexo com muitas especi cac~oes e produtos
sendo lancados e prometidos, com um emarranhado de siglas. No entanto, ja
existem alguns movimentos no sentido de de nir padr~oes mundiais oferecendo
de forma integrada voz, dados e servicos multim dia, e que reduza os custos e
permita uma competic~ao mais vis vel para o usuario. Neste sentido, a ITU-R
(International Telecommunications Union - Radio Communication Sector) esta
desde 1987 desenvolvendo um padr~ao de comunicac~oes via radio denominado
FPLMTS (Future Public Land Mobile Telecommunications System), rebatizado
de IMT-2000 (International Mobile Telecommunications 2000), padr~ao para o
seculo 21. Tambem a ETSI (European Telecommunications Standard Institute)
esta encarregada da especi cac~ao do UMTS (Universal Mobile Telecommunications
System).
Este livro segue a seguinte estrutura. Ocaptulo 2 da umvis~ao da comunicac~ao
movel, suas perspectivas futuras, evoluc~ao tecnologica, sistemas e
servicos, mas principalmente ressalta alguns problemas a serem enfocados. O
cap tulo 3 trata o problema de localizac~ao de estac~oes radio e moveis, fundamental
para os provedores de servicos celulares atuais. O cap tulo 4 explora
os algoritmos de alocac~ao de canais com criterios de distribuic~ao estatico e
din^amico. O cap tulo 5 apresenta os protocolos para tratamento da mobilidade
de computadores. A ger^encia de informac~ao e o tema principal do cap tulo 6.
Ocaptulo 7 e dedicado aos algoritmos distribu dos que suportam a mobilidade
nos sistemas de comunicac~ao. Finalmente, apresentamos algumas conclus~oes
ecomentarios nais no cap tulo 8. Em todos os cap tulos s~ao referenciados
varios artigos com modelos, metodos e algoritmos. Por se tratar de uma area
bastante recente, os artigos citados visam apenas dar conhecimento sobre resultados
e propostas, e n~ao a defesa de um ou outro princ pio e import^ancia
das publicac~oes.

32 Cap tulo 1. Introduc~ao

Cap tulo 2
Comunicac~ao Movel:
Principais Problemas
Neste cap tulo s~ao discutidos uma serie de servicos e problemas decorrentes
das novas tecnologias. Estes servicos requerem diferentes arquiteturas de redes
ediferentes metodologias para o desenvolvimento de aplicativos. Os sistemas
podem ser divididos em grandes areas, visualizando os sistemas em indoor (interno)
e outdoor (externo), analogicos e digitais, moveis e sem o. O objetivo
eidenti car e comparar os diversos sistemas, tecnologias, modelos, e suas integrac~oes.
Apesar de conceitualmente semelhantes, alguns problemas podem
sofrer tratamentos bastante diferenciados. Como exemplo, a localizac~ao de
estac~oes e a alocac~ao de canais s~ao conceitualmente semelhantes para ambientes
internos e externos, mas s~ao tratados de forma bastante independente
[91, 147].
Este cap tulo esta organizado da seguinte forma. Asec~ao 2.1 discute a
evoluc~ao dos sistemas celulares. Asec~ao 2.2 descreve as principais tecnologias
em uso para comunicac~ao sem o bem como seus sistemas e servicos. A
sec~ao 2.3 apresenta alguns dos principais problemas relacionados com a infraestrutura
da comunicac~ao sem o. A sec~ao 2.4 apresenta os principais fatores
relacionados com o projeto de hardware e software para computac~ao movel.
Esses fatores tambem est~ao relacionados com os problemas de infra-estrutura
mas dizem respeito mais de perto com a unidade movel. Finalmente, a sec~ao 2.5
apresenta alguns dos principais problemas relacionados com o uso do computador
movel.

34 Cap tulo 2. Comunicac~ao Movel: Principais Problemas
2.1 Sistemas Celulares
Os sistemas celulares predominam atualmente na area de comunicac~ao movel.
Surgiram no nal da decada de 70 como um servico de luxo. Os equipamentos
tinham aplicabilidade espec ca, como automoveis, devido a baixa durabilidade
de suas baterias. Os primeiros sistemas tinham, e ainda t^em, capacidade limitada
e o numero de usuarios alocados a cada estac~ao ebastante reduzido. Este
primeiro grupo representa a primeira gerac~ao, e destaca-se o AMPS (Advanced
Mobile Phone System), que predomina no mercado americano e no Brasil, entre
outros.
No nal da decada de 80 surgem aparelhos celulares portateis com baterias
de maior durac~ao e aplicac~oes diversas. Com a reduc~ao dos precos dos equipamentos
e maior disponibilidade de servicos, a demanda pelos sistemas celulares
cresce rapidamente. Com isso, tornou-se essencial a busca por sistemas capazes
de atender um maior numero de usuarios. Adiciona-se a este fato, a corrida
empresarial pelo dom nio tecnologico e comercial do mercado.
A segunda gerac~ao de sistemas celulares se identi ca com o padr~ao GSM
(Global System for Mobile communications), adotado pelos pa ses europeus a
partir de 1992. E um sistema com maior capacidade e compat vel com diversas
e modernas arquiteturas de redes.
Os sistemas celulares t^em evoluido rapidamente sempre buscando o atendimento
de um maior numero de usuarios e a elevac~ao de sua capacidade de
transmiss~ao, tornando-se a primeira alternativaparacomunicac~ao de dados sem
o e, portanto, uma opc~ao para a computac~ao movel. A tabela 2.1 apresenta
o crescimento de usuarios de sistemas celulares no per odo de 1994{1995 em
algumas regi~oes. Essa evoluc~ao tecnologica, acompanhada de uma demanda
explosiva, marca o surgimento da terceira gerac~ao de sistemas, com grandes
investimentos em pesquisa, projeto e instalac~ao. Essa gerac~ao tera de lidar
com a comunicac~ao de voz e dados simultaneamente, e buscando, sempre, uma
maior capacidade. O conceito de capacidade de um sistema celular passa a ser
visto sob uma nova otica, considerando a comunicac~ao de dados, e um novo
paradigma: trafego por rajadas, ocupac~ao de multiplos canais por enlace, etc.
O sinal emitido pela estac~ao radio para a unidade movel sofre varias inu^encias
do meio. Alem das variac~oes devidas aos obstaculos, o sinal se espalha
por varios caminhos na forma de varios sinais, chamado de multiplo percurso
(multipath), gerando diferentes atrasos na recepc~ao. O espalhamento deste
atraso caracteriza o delay spread. A soma desses sinais pode causar atenuac~ao
ou elevac~ao do sinal. Dessa forma, o sinal no destino eumvalor medio da
pot^encia, e as poss veis variac~oes caracterizam o desvanecimento. O desvane-

2.2 Tecnologias, Sistemas e Servicos 35
Regi~oes Dez 94 Jun 95
Europa 14,7 18,5
Asia 11,1 15,6
America do Norte 26,0 28,2
America do Sul e Central 2,4 3,0
Oriente 0,4 0,5
Africa 0,3 0,6
Total 54,9 66,4
Tabela 2.1: Crescimento de usuarios de sistemas celulares (milh~oes)
cimento pode ser lento, de longo prazo, ou rapido, de curto prazo. O primeiro
decorre dos obstaculos e ocorre em intervalos de dezenas de comprimentos de
onda. O segundo decorre dos multiplos percursos e ocorre em intervalos de
meio comprimento de onda aproximadamente, ou 17 cm para 900 MHz. A variac~ao
do sinal decorrente da velocidade de deslocamento da unidade movel e
conhecido como deslocamento Doppler. Para uma velocidade de deslocamento
v, e um comprimento de onda , o desvio maximo e dado por v= .
Para manter a qualidade de servico torna-se necessario controlar o desvanecimento
[235]. Este econtornado pelos metodos de diversidade, espacial, de
frequ^encia, de tempo, de polarizac~ao e de ^angulo. A diversidade espacial se
caracteriza pelo distanciamento das antenas na estac~ao e na unidade movel.
Outra forma consiste no uso de frequ^encias diferentes, devidamente separadas,
para transmiss~ao da mesma informac~ao. A diversidade de tempo se baseia no
envio da mesma informac~ao em tempos diferentes. A polarizac~ao se baseia
em componentes de ondas polarizadas ortogonais, capazes de transmitir a informac~ao
separadamente. Finalmente, a diversidade de ^angulo explora antenas
direcionais.
2.2 Tecnologias, Sistemas e Servicos
Os principais sistemas celulares no mercado s~ao o AMPS (Advanced Mobile
Phone Service), D-AMPS (Digital AMPS), GSM (Global System for Mobile
communications) e o CDMA (Code Division Multiplexing Access). Outros
est~ao em uso mas com tend^encia a ceder espaco para os primeiros, pela predomin^ancia
tecnologica e de mercado. Essa conclus~ao e parcialmente con rmada
pelos dados apresentados na tabela 2.2, fornecidos pela European Mobile

36 Cap tulo 2. Comunicac~ao Movel: Principais Problemas
Communications (Confer^encia PCS-1900, Washington, DC, 1995), relativos ao
mesmo per odo da tabela anterior.
Tecnologia Dez 94 Jun 95
Analogica
AMPS 32,4 35,5
TACS 9,5 12,3
NMT (450 e 900) 4,1 4,4
NTT 1,9 2,3
Outros 1,0 0,9
Subtotal 49,3 55,4
Digital
GSM 4,6 7,4
PDC 0,5 1,5
DCS-1800 0,4 0,6
TDMA 1,0 1,5
Subtotal 6,0 11,0
Total 54,9 66,4
Tabela 2.2: Milh~oes de usuarios por tecnologia 1994{1995
Uma vis~ao no tempo dos principais sistemas e dada pela gura 2.1.
A comparac~ao entre eles pode levar em conta varios par^ametros, tais como:
numero maximo de canais, fator de reuso, numero de usuarios por canal,
e ci^encia espectral (medida pelo numero maximo de canais por celula por
MHz), interfer^encia, seguranca e processamento de hando . A evoluc~ao tecnologica
e a capacidade de comunicac~ao de dados s~ao tambem importantes para
expans~ao do sistema [196].
O AMPS surgiu em 1983 como sucessor do IMTS (Improved Mobile Telephone
Service), predomina nos EUA, Brasil e grande maioria dos pa ses
sul-americanos, sendo, portanto, o sistema mais popular mundialmente. Sua
especi cac~ao consta do EIA/TIA 533, da Eletronic Industries Association e
da Telecommunications Industry Association. Apesar de analogico e participando
de um mercado voltado para tecnologia digital, apenas 15% dos telefones
moveis vendidos na America do Norte em 1996 eram digitais, o que con rma
uma tend^encia dos usuarios em ainda seguir a predomin^ancia dos sistemas
analogicos. No entanto, na Europa esse percentual ede90%.
Considerando os 416 canais duplex dispon veis no sistema AMPS, dentre
eles sete canais de controle (a FCC de ne 21 canais de controle), e o fator

2.2 Tecnologias, Sistemas e Servicos 37
Tempo
2010
2000
1990
1980
1970
1960
1950
1940
AMPS, NMT, RMTS
ETACS, JTACS, NTACS
IMTS
Analógico
GSM, D-AMPS (IS54)
IS136, DCS, PDC
PHS, CDMA (IS95)
Digital
Figura 2.1: Evoluc~ao dos sistemas
IMT2000
UMTS
PCS
Satélites
Redes Sem Fio
Multimídia
de reuso de sete, resulta 58 ((416 ; 7)=7) canais duplex para cada celula, um
numero bastante reduzido de usuarios por celula. A elevac~ao desse numero
somente e poss vel pela divis~ao da celula ou pelo uso de antenas setorizadas.
Nesse caso, esse numero maximo de canais por celula pode ser multiplicado por
2,55 para tr^es antenas setorizadas de 120 graus. Nesse caso, o numero maximo
de canais e de 147,9 por celula e, portanto, uma e ci^encia espectral de 5,92
(147,9/25).
As interfer^encias co-canal e adjacente no sistema AMPS s~ao contornadas
pela alocac~ao de canais com frequ^encias devidamente espacadas, ou no controle
da pot^encia de transmiss~ao de cada canal. Isso limita sensivelmente a
capacidade do sistema. Ainda mais, apesar do uso da diversidade espacial, o
desvanecimento continua sendo um problem nesse sistema. O hando implica
em interrupc~ao moment^anea. A sua tecnologia analogica e obsoleta, o controle
geral do sistema e xo, n~ao indicada para transmiss~ao de dados digitais, e a
seguranca ca a desejar, sendo facilmente quebrada. Com isso a expectativa
quanto a sua adaptac~ao ou evoluc~ao para novos servicos e aplicac~oes e bastante
baixa. No entanto, pelo uso de protocolos especiais para detecc~ao e correc~ao de
erros, de facil instalac~ao, operac~ao e baixo custo, torna esse sistema viavel para
ligac~oes ponto a ponto ou como porta de acesso remota para outras redes de
dados [196]. Um desses protocolos e o CDPD (Cellular Digital Packet Data),
uma tecnologia de comutac~ao de pacotes estendida para ambiente movel sem
o, mais especi camente redes celulares, permitindo o atendimento dos servicos

38 Cap tulo 2. Comunicac~ao Movel: Principais Problemas
basicos proprios de uma rede de pacotes.
Avers~ao digital do AMPS e o D-AMPS (Digital AMPS). Sua especi cac~ao
esta no IS-54 (Interim Standard 54) da EIA/TIA, 1991, e cobre os dois modos
de operac~ao (dual mode), suportando o FDMA e o TDMA. A combinac~ao
FDM/TDM faz com que este sistema tenha tr^es vezes mais canais que o AMPS.
No modo TDMA cada quadro tem 1944 bits, durac~ao de 40 ms, e s~ao enviados
26 quadros por segundo. Cada quadro e dividido em seis slots de tempo de 324
bits. Esse modo oferece uma taxa de transmiss~ao de 48,6 kbps (1944/40), ou
8,1 kbps (48,6/6) por canal, sendo 6,5 kbps para informac~ao e 1,6 kbps de sinais
de controle. Alocando dois slots de tempo para um canal duplex a taxa se eleva
para 13 kbps. Pelo IS-136 novas facilidades foram agregadas, a taxa de voz foi
reduzida para 6,5 kbps, elevando a capacidade do sistema de seis em relac~ao ao
sistema analogico. Portanto, pelo IS-54 o sistema D-AMPS apresenta o numero
maximo de canais de 443,7 (3 147,9) a taxa de 13 kbps/canal, e pela IS-136
s~ao 887,4 (6 147,9) canais de 6,5 kbps/canal. No primeiro caso tem-se uma
e ci^encia espectral de 17,75, e de 35,50 para o segundo.
O D-AMPS e um sistema em evoluc~ao e caminha-se para uma tecnica de
multiplexac~ao TDM totalmente digital, IS-136. O objetivo e explorar a tecnologia
SST (Spread Spectrum Technology), mais especi camente a tecnica de
frequency hopping, abandonando o FDM. No atual estagio o hando ainda e
um problema, mas em sua vers~ao nal este devera ser suave. Nesta evoluc~ao
varios servicos t^em sido embutidos como a comutac~ao de pacotes. No entanto,
a comunicac~ao de dados ainda e limitada e em baixas taxas de transmiss~ao.
O GSM (Global System for Mobile communications), tambem conhecido por
Group Speciale Mobile,e um sistema baseado na tecnologia TDMA, especi cado
pela European Commission em 1987, visando um sistema de uso geral pelos
pa ses europeus, capaz de substituir os diversos sistemas analogicos existentes.
E um sistema de segunda gerac~ao, e a base do sistema DCS-1800 (Digital
Cellular System). Sua import^ancia e marcada pela sua alta participac~ao de
mercado e considerado na evoluc~ao dos atuais sistemas.
Cada canal de voz transmite na taxa de 13 kbps, e 2400, 4800 e 9600 bps.
As transmiss~oes tambem podem ser pela metade das taxas anteriores. Considerando
as 124 portadoras, cada portadora com oito slots de tempo, ou canais,
e fator de reuso de sete, e o ganho de 2,55 pelo uso de antenas setorizadas,
resulta o numero maximo de canais de 361,37 (124=7 2 55 8) de 13 kbps
por canal, e a e ci^encia espectral de 14,45 (361,37/25).
OGSMe um sistema digital e, portanto, mais indicado para a comunicac~ao
de dados, mas o hando , ainda com interrupc~oes, compromete a qualidade de
servico com a perda de informac~ao. No entanto, servicos de correio eletr^onico,

2.2 Tecnologias, Sistemas e Servicos 39
ftp e acesso a computador ja podem ser realizados via computadores pessoais
conectados a um terminal GSM com interface PCMCIA (Personal Computer
Memory Card International Association).
A tecnologia CDMA foi recentemente lancada pela empresa americana
Qualcomm Incorporated e depois incorporada pelas empresas GTE, Ameritech,
Sprint, Airtouch, USWest e Nynex. Alguns sistemas ja est~ao em operac~ao nos
EUA, Coreia do Sul, Hong Kong e Brasil. Em 1993, TIA/EIA lancaram sua
especi cac~ao IS-95, como o padr~ao wideband spread spectrum digital cellular
system, de alta capacidade, modo dual que permite inclusive aoperac~ao no
modo analogico (AMPS) e digital (CDMA). Trata-se de uma tecnologia mais
complexa e de custo ainda mais elevado. Esses dois fatores s~ao fundamentais
para os cr ticos da tecnologia. No entanto, esta especi cac~ao tem se tornado
tambem uma refer^encia para as empresas de tecnologia TDMA. Visando uma
maior penetrac~ao, a Qualcomm licenciou a tecnologia a grandes fabricantes do
setor como Motorola, Lucent e Nortel.
Ja se fala em B-CDMA (Broadband CDMA) para aplicac~oes de banda larga,
com taxas acima de 64 kbps, reduc~ao das interfer^encias, desvanecimento, e
das componentes de multiplo percurso, melhor radio cobertura, e compartilhamento
de todo o espectro. Neste segmento est~ao atuando empresas como a
Ericsson, uma cr tica ardorosa a tecnologia CDMA, Siemens e Samsung. Toda
a propaganda sobre o CDMA se baseia na sua caracter stica de faixa larga e e
dito que esse padr~ao e capaz de superar de dez a vinte vezes o AMPS.
A banda de 25 MHz no sistema CDMA e dividida em 10 canais duplex de
1,25 MHz. Cada canal pode transmitir simultaneamente 64 canais digitais com
taxas basicas de 9,6 kbps ou 14,4 kbps, diferenciados por codigos ortogonais e
taxa de espalhamento de 1,228 Mbps. O uso de codigos e do espalhamento garante
uma alta seguranca e sigilo para o sistema, independente da criptogra a.
Dos 64 canais 55 s~ao para telefonia, sete para mensagens ou paging e dois para
controle. O CDMA e um sistema bastante rico de recursos para aumentar a
sua e ci^encia e a qualidade de servico. O controle da pot^encia de transmiss~ao
e de fundamental import^ancia para minimizar as interfer^encias. A reduc~ao do
ru do epossvel explorando os intervalos de sil^encio em uma conversac~ao com a
reduc~ao das taxas de transmiss~ao, tambem pelo uso de antenas setorizadas. O
n vel de interfer^encia decorrente dos usuarios pode ser equalizado pelo controle
de pot^encia dos sinais. A reduc~ao de pot^encia tambem permite elevar a capacidade
do sistema tornando-o mais elastico, ao inves de bloquear os usuarios
quando atinge o seu limite maximo, como nos outros sistemas. Com isso, o
numero de canais pode ser elevado, podendo chegar ate 98 canais. Considerando
esta expans~ao, o numero maximo decanaischega a 980 por celula, com

40 Cap tulo 2. Comunicac~ao Movel: Principais Problemas
uma taxa de 9,6 kbps.
O fator de reuso no sistema CDMA e igual a 1. Isto porque todo o espectro
de frequ^encia e usado por todas as celulas. Esta caracter stica garante um
hando suave, com a soma dos sinais oriundos das estac~oes bases. Isto pode ser
visto como um metodo de diversidade. A medida que o usuario muda de celula
ele libera o codigo da celula antiga e mantem o da nova. Essa caracter stica
e fundamentalparaosservicos de comunicac~ao de dados. Por outro lado, o
hando suave pode ser visto como uma perda de frequ^encia na medida em que
o mesmo usuario esta conectado a mais de uma estac~ao.
Considerando o fator de reuso igual a 1, o fator de setorizac~ao de 2,55, a
e ci^encia espectral e de 130,56 (640=12 5 2 55) canais/MHz por celula. Esta
relac~ao garante, a princ pio, pois n~ao e con rmada na pratica, uma superioridade
de 20 vezes em relac~ao ao AMPS e de 3,7 vezes ao D-AMPS totalmente
digitalizado. Um dos fatores que in uencia esta relac~ao e a qualidade de voz.
Essa superioridade justi ca, em parte, o elevado custo de implementac~ao dessa
tecnologia, e uma maior capacidade com um numero menor de ERBs. O desvanecimento
decorrente dos sinais que passam por multiplos percursos tambem e
muito bem controlado por diversidades no espaco, frequ^encia e tempo, elevando
a qualidade do servico. O CDMA e um sistema aberto e permite embutir diversos
servicos e aplicac~oes alem dos atuais, entre eles a comunicac~ao de dados.
Ainda mais e um sistema digital e reduz em muito os equipamentos necessarios
nos sistemas analogicos.
OCDMAe o grande concorrente ao padr~ao TDMA, presente no GSM e
no D-AMPS (padr~ao IS-136). Por sua vez os sistemas baseados no FDMA
tendem a perder todo o espaco ate ent~ao ocupado. Um longo debate tem
sido travado em torno desses padr~oes, com uma tend^encia ao CDMA, mas
muito tem sido feito na linha TDMA, com destaque ao GSM e ao D-AMPS
hoje puxado pela AT&T. Tambem cabe ressaltar a opc~ao pelo GSM feita por
um conjunto de empresas americanas (American Personal Comunications, Bell
South, Paci c Bell, Intercel, Omnipoint, etc) para desenvolver as redes PCS
(Personal Communication Services). O GSM continua sendo um sistema mais
barato que o CDMA na fase de implantac~ao, pelo custo das ERBs e terminais
de baixo custo. No entanto, o crescimento do mercado de CDMA tambem tem
levado a uma reduc~ao constante dos custos nesse padr~ao. Uma ERB ja custa
abaixo de US$ 300 mil. A gura 2.2 mostra o crescimento de novos assinantes
mundialmente por tecnologia, elaborado pela Motorola.
Em uma comparac~ao de custos realizada recentemente pela empresa de
pesquisa Dataquest Inc., o custo de um canal de voz era de US$ 9000,00 para um
sistema CDMA, US$ 6000,00 para um GSM e de US$ 7000,00 para um D-AMPS

2.3 Principais Problemas Relacionados com a Infra-Estrutura 41
Figura 2.2: Assinantes por tecnologia
(IS136). Essa empresa sugere o GSM para mercados com baixo trafego e o
CDMA para mercados congestionados. A tabela 2.3 apresenta uma comparac~ao
entre os sistemas.
Outra discuss~ao gira em torno de sistemas analogicos versus digitais. Isto
porque estudos cient cos t^em mostrado de forma consistente que os telefones
celulares de tecnologia digital podem ser prejudiciais a saude (problemas de
audic~ao e card acos). Nesse sentido, esse e um argumento favoravel a tecnologia
analogica. Por outro lado, a tecnologia digital esta vinculada a mais qualidade
de servico, capacidade, seguranca, transmiss~ao de voz e dados.
2.3 Principais Problemas Relacionados com a
Infra-Estrutura
Os projetos de instalac~ao e expans~ao dos sistemas de comunicac~ao movel requerem,
em geral, grandes investimentos, o que torna os problemas grandes
desa os tecnico e econ^omico a serem resolvidos. Alem disso, existem novos
problemas relacionados com os projetos de hardware e software devido a mo-

42 Cap tulo 2. Comunicac~ao Movel: Principais Problemas
Item AMPS D-AMPS GSM CDMA
(IS54) (IS136) (IS95)
Sistema A A/D D D D
Largura de banda 12,5 12,5 12,5 12,5 12,5
(MHz)
Numero maximo 147,9 443,7 887,4 361,37 600{980
canais/celula
E ci^encia espectral 5,92 17,75 35,50 14,45 130,56
Taxa transmiss~ao/ 13,0 6,5 13,0 9,6
canal (kbps)
Multiplexac~ao FDMA FDMA/ TDMA TDMA CDMA
TDMA
Fator de reuso 7 7 7 7 1
Seguranca Baixa Baixa Media Alta Alta
Capacidade 3 2 10{20
AMPS
A: Analogico D: Digital
Tabela 2.3: Comparac~ao entre os sistemas celulares
bilidade dos elementos computacionais usados na computac~ao movel. Procuraremos
enfatizar alguns desses problemas, que ser~ao abordados nos cap tulos
seguintes. Alguns jat^em propostas de soluc~oes na literatura, outros ainda est~ao
em aberto. Muitas s~ao as abordagens e metodologias.
Os desa os adv^em da manutenc~ao das redes existentes e da introduc~ao
de novos sistemas e servicos. Nesse cenario, os computadores moveis t^em de
conviver com a con gurac~ao da rede atual [92]. Por outro lado a diversidade
tecnologica tambem e um outro fator a ser considerado para manter a interoperabilidade
do sistema.
2.3.1 Localizac~ao de Estac~oes e de Unidades Moveis
Um dos primeiros problemas para o projeto de uma rede sem o eonde,ecom
qual capacidade, devem ser instaladas as estac~oes base. O objetivo e instalar

2.3 Principais Problemas Relacionados com a Infra-Estrutura 43
um conjunto de estac~oes capazes de cobrir a area desejada, atender a demanda
com uma explorac~ao e ciente do espectro de frequ^encia, minimizando custos
e mantendo padr~oes de qualidade de servico. Um maior numero de estac~oes
implica em maiores custos mas tambem maior capacidade e um provavel incremento
na qualidade de servico. Por outro lado, cada estac~ao devera ser
sicamente conectada a sua CCC. Neste contexto, tem-se um outro problema
de network design.
Diferentes objetivos espec cos podem ser avaliados, sob a otica de simples
cobertura maxima de area, aproveitamento espectral e qualidade de servico,
medida sob diferentes par^ametros. Um dos subproblemas embutido na localizac~ao
eocalculo de sinais em diferentes pontos da area de estudo. Esse
calculo deve levar em considerac~ao os obstaculos decorrentes do relevo, topogra
a e objetos.
O excesso de overlapping de celulas pode gerar perda de espectro e cobertura
excessiva. Para tal, torna-se necessario minimizar o espacamento entre as
celulas com o objetivo de maximizar o reaproveitamento espacial de frequ^encias.
Essa reduc~ao implica em menores celulas, maior capacidade do sistema, porem
com maior complexidade na tomada de decis~ao. O tema localizac~ao e explorado
no cap tulo seguinte.
O outro problema de localizac~ao esta relacionado ao rastreamento ou localizac~ao
da unidade movel. A otimizac~ao se baseia em manter a informac~ao atualizada
da localizac~ao da unidade movel, versus a pesquisa (paging) ou busca da
unidade movel quando necessario. A informac~ao advem de mensagens oriundas
da unidade movel, portanto consumindo sua energia que e bastante limitada,
tendo em vista a limitada capacidade de sua bateria. A pesquisa pode ser iniciada
pela rede xa que envia mensagens broadcast visando localizar a unidade.
O problema e de nir uma estrategia que atenda aos objetivos contrastantes,
reduzir o consumo de energia pela unidade movel e manter a sua localizac~ao
atualizada, evitando sobrecarga no sistema.
Do ponto de vista de servicos, a medida em que o usuario pode adentrar e
deixar diferentes regi~oes geogra cas torna-se natural a expectativa por servicos
baseados na localizac~ao deste. Por exemplo, imagine no bookmarks do seu
navegador Web um endereco sobre condic~oes do tempo, que informe a situac~ao
climatica em sua regi~ao. A ideia e que este mesmo link sirva de refer^encia
para a situac~ao do tempo na regi~ao onde o usuario se encontra, como um
servico 0800, agindo de forma sens vel a localidade do usuario. Outro exemplo
e o de servico de informac~oes do tr^ansito. Imagine um usuario voltando das
compras em um shopping center que queira saber sobre as condic~oes de trafego
nas principais vias de acesso nesse shopping naquele momento. Ao solicitar o

44 Cap tulo 2. Comunicac~ao Movel: Principais Problemas
servico de condic~oes de tr^ansito o sistema automaticamente lhe enviaria uma
resposta relativa a sua localizac~ao.
Da perspectiva do usuario, o ponto chave em tal servico e a transpar^encia
de acesso. A informac~ao solicitada passa a ter um valor sem^antico impl cito
(as condic~oes do tempo onde o usuario se encontra), facilitando a consulta e
diminuindo o tamanho da mensagem. Do ponto de vista das aplicac~oes os desaos
envolvidos abrangem desde novos esquemas de enderecamento de servicos
baseados em localidade, ate aspectos da infra-estrutura e trafego da rede sem
o.
2.3.2 Propagac~ao de Sinais
Um dos principais problemas no desenvolvimento de sistemas moveis e predizer
qual sera o comportamento dos sinais eletromagneticos utilizados na comunicac~ao
entre as estac~oes e as partes moveis do sistema quando da sua construc~ao
e implantac~ao nal. Com isso, se faz necessario a exist^encia de modelos
matematicos que permitam simular esse comportamento, de forma a permitir
aos projetistas testarem varias con gurac~oes de sistema ate encontrar uma que
satisfaca os requisitos funcionais, de desempenho e de custos.
Quando se pensa na construc~ao de um modelo matematico para a predic~ao
da propagac~ao de sinais eletromagneticos, o primeiro problema que aparece ea
de nic~ao de quais ser~ao as variaveis a serem levadas em considerac~ao na construc~ao
do modelo. Caso se construa um modelo muito completo, procurando
considerar todos os itens que in uenciam a propagac~ao do sinal, corre-se o risco
de se criar um modelo matematico muito complexo e de dif cil soluc~ao. Isto
pode tornar o processo iterativo de testes de con gurac~oes bastante penoso,
uma vez que a cada nova con gurac~ao, o custo para simular a propagac~ao de
sinais no sistema passa a ser bastante elevado. Em contrapartida, o uso de
modelos muito simpli cados pode levar o projetista a erros, durante a fase
de planejamento do sistema, visto que nem todas as variaveis envolvidas no
sistema movel ser~ao levadas em considerac~ao. Com isso, o projetista devera
selecionar qual o grau de detalhamento do processo de propagac~ao de sinais e
o mais adequado para o seu projeto, podendo inclusive se utilizar de mais de
um modelo de propagac~aoum, mais simpli cado, para estudos preliminares do
sistema, e um segundo mais completo, utilizado para re namentoeveri cac~ao
das con gurac~oes previamente selecionadas.
Um outro problema envolvendo a modelagem de propagac~ao de sinais e
a di culdade de se desenvolver modelos genericos, que possam ser aplicados
em qualquer sistema movel. A principal raz~ao equeoambiente no qual esta

2.4 Principais Fatores Relacionados com o Projeto de Hardware e Software
para Computac~ao Movel 45
inserido o sistema movel varia de sistema para sistema. A simples presenca
de folhagens, edi cac~oes e outros objetos no ambiente leva a alterac~oes no
trajeto transmissor{receptor dos sinais presentes no sistema, isto sem levar em
conta aspectos relacionados com a topogra a do terreno onde sera instalado o
sistema movel. Com isso, o sinal transmitido pode chegar mais forte ou mais
fraco do que o previsto no modelo matematico utilizado para simular o sistema,
dependo de caracter sticas intr nsecas do ambiente. Este problema se agrava
muito quando se trata da propagac~ao de sinais em ambientes internos, onde
adiversidade do ambiente e bem maior (por exemplo, presenca de moveis,
pessoas, folhagens, divisorias, etc.) e as dist^ancias e a pot^encia dos sinais
transmitidos s~ao bem menores.
Uma discuss~ao mais aprofundada sobre o tema de propagac~ao de sinais pode
ser encontrada no ap^endice A.
2.3.3 Alocac~ao de Frequ^encias
Localizada as estac~oes base torna-se necessario efetuar a alocac~ao de
frequ^encias. Apesar de colocado de forma independente, este problema esta
diretamente relacionado ao problema de localizac~ao. O objetivo e cobrir toda
aarea de estudo distribuindo as frequ^encias de forma e ciente, atendendo a
demanda e reduzindo as interfer^encias.
A alocac~ao se da de forma xa, onde parte do espectro e alocado a uma
estac~ao e permanece xa independente da mobilidade dos usuarios. Essa
alocac~ao deve considerar os padr~oes de reuso, custos de alocac~ao e a demanda
em cada area. A alocac~ao din^amica visa re etir a mobilidade e variac~ao de
demanda. Envolve umapoltica de negociac~ao de canais entre as estac~oes base
capaz de assimilar a mobilidade sem, no entanto, sobrecarregar o sistema com o
emprestimo e devoluc~ao de canais. A alocac~ao de frequ^encias e o tema central
do cap tulo 4.
2.4 Principais Fatores Relacionados com o
Projeto de Hardware e Software para
Computac~ao Movel
Os principais problemas de pesquisa na area de computac~ao movel s~ao decorrentes,
principalmente, da mobilidade, variac~oes nas condic~oesdecomunicac~ao e
gerenciamento de energia. Estes fatores s~ao discutidos a seguir separadamente,
mas e importante observar que eles est~ao relacionados entre si e que qualquer

46 Cap tulo 2. Comunicac~ao Movel: Principais Problemas
problema em computac~ao movel deve considera-los de forma conjunta. Na
sec~ao 2.5 s~ao discutidos problemas espec cos de pesquisa que devem considerar
esses fatores.
2.4.1 Mobilidade
A localizac~ao de um elemento movel e, consequentemente, seu ponto de acesso
a rede xa muda a medida que esse elemento se move pela rede. Como consequ^encia
da mobilidade temos problemas relacionados com ger^encia de localizac~ao,
projeto de protocolos e algoritmos, heterogeneidade, seguranca, dentre
outros.
Na ger^encia de localizac~ao o custo de pesquisa para localizar um elemento
movel deve incluir o custo da comunicac~ao. Para minimizar o custo nal,
algoritmos e estruturas de dados e cientes e planos de execuc~ao de consultas
devem ser projetados para consultar a localizac~ao de elementos moveis.
No projeto de protocolos e algoritmos distribu dos para ambientes moveis
a con gurac~ao do sistema n~ao e estatica e, por essa raz~ao, a topologia, que
pode representar a comunicac~ao entre as entidades comunicantes ou uma depend^encia
de servico ou uma outra relac~ao, passa a ser din^amica. Nesse contexto,
o centro de atividades das aplicac~oes e servidores, a carga do sistema
eanoc~ao de localidade mudam ao longo do tempo. Esses fatores n~ao podem
ser desprezados e, na verdade, um dos grandes desa os da computac~ao movel
e projetar novas aplicac~oes e algoritmos que levem em considerac~ao essas caracter
sticas do ambiente.
A heterogeneidade e uma constante na computac~ao movel. Por exemplo, a
conectividade entre os elementos computacionais n~ao pode ser sempre garantida
e, quando existe, possui con abilidade e vaz~ao variaveis. Em ambientes
externos (outdoors) avelocidade de comunicac~ao, em geral, e mais baixa que
em ambientes internos (indoors) onde pode-se oferecer uma conectividade mais
con avel ao dispositivo movel ou ate mesmo permitir que seja operado atraves
de uma conex~ao com a rede xa. Outra caracter stica equeonumero de dispositivos
moveis numa celula muda com o tempo e, consequentemente, a carga
na estac~ao base e a largura de banda dispon vel. Tambem os servicos na rede
xa usados pelo computador movel podem variar como por exemplo o tipo de
impressora dispon vel.
A mobilidade tambem introduz novos problemas de seguranca e autenticac~ao.
Na comunicac~ao sem o e mais facil fazer interceptac~ao de mensagens
o que pode causar serios problemas de seguranca que deve fazer uso de tecnicas
de criptogra a. Outra quest~ao equeefacil fazer o rastreamento do compu-

2.4 Principais Fatores Relacionados com o Projeto de Hardware e Software
para Computac~ao Movel 47
tador movel quando se comunica com a rede xa o que nem sempre pode ser
desejavel para o usuario se o sigilo de movimento for importante.
2.4.2 Variac~oes nas Condic~oes de Comunicac~ao
Redes sem o s~ao normalmente mais caras, oferecem uma largura de banda
menor e s~ao menos con aveis que redes xas. Por outro lado as redes xas
t^em tido um crescimento muito grande da largura de banda dispon vel. Por
exemplo, o padr~ao Ethernet prov^e 10 Mbps, Fast Ethernet 100 Mbps, FDDI
100 Mbps e ATM 155 e 622 Mbps. Produtos para comunicac~ao sem o oferecem
19 Kbps para comunicac~oes via pacote e 9{14 kbps para telefonia celular. A
largura de banda t pica para redes locais sem o varia de 250 kbps a 2 Mbps,
ou ate 25MbpsparaATM sem o. O problema e ainda mais cr tico por dois
motivos. O primeiro e que a largura de banda e dividida entre os usuarios
de uma celula o que faz com que a largura de banda efetiva por usuario seja
ainda menor. O segundo equeorudoeaatenuac~ao afetam a taxa de erro
na comunicac~ao sem o que e de cinco a dez ordens de grandeza maior que
na rede xa. Enquanto na comunicac~ao sem o a taxa de bits errados (BER
{ Bit Error Ratio) e tipicamente de um bit errado para cada 10 5 a10 6 bits
transmitidos, numa rede xa com bra otica essa taxa e de um bit errado para
cada 10 12 a10 15 bits transmitidos. A alta taxa de erro na comunicac~ao sem
o faz com que a e ci^encia do canal na comunicac~ao sem o seja menor. Esta
caracter stica contrasta com redes xas onde pacotes s~ao normalmente perdidos
devido ao congestionamento.
Na comunicac~ao sem o as desconex~oes s~ao frequentes e podem ser caracterizadas
de formas diferentes. Desconex~oes podem ser voluntarias, ou seja, o
usuario ou o computador movel evita intencionalmente o acesso a rede para
diminuir o custo da tarifa de comunicac~ao, o consumo de energia ou o uso da
largura de banda. Pode ser forcada quando o usuario movel entra numa regi~ao
onde n~ao existe acesso a rede xa por falta de um canal de comunicac~ao ou
cobertura nesse local. Dessa forma, as desconex~oes podem ser previs veis ou
subitas. Exemplos de desconex~oes previs veis s~ao:
Desconex~ao voluntaria
Variac~oes na taxa sinal-ru do (SNR { Signal-to-Noise Ratio) oquepode
fazer com que seja mais interessante esperar um intervalo de tempo para
fazer uma transmiss~ao quando o valor de SNR e alto
Energia dispon vel na bateria quando atinge um threshold que pode fazer
com que todo o ambiente movel passe a trabalhar com outra qualidade

48 Cap tulo 2. Comunicac~ao Movel: Principais Problemas
de servico
Conhecimento da distribuic~ao da largura de banda dispon vel num determinado
momento.
As desconex~oes tambem podem ser categorizadas de acordo com a sua
durac~ao. Desconex~oes muito curtas devido, por exemplo, a hando s podem
ser mascaradas pelo hardware ou software do sistema. Outras desconex~oes podem
ser tratadas pelo sistema operacional atraves de seus diversos modulos
(sistema de gerenciamento de arquivos, memoria, etc.), pela aplicac~ao ou pelo
proprio usuario. Como desconex~oes s~ao muito comuns, tanto o hardware quanto
o software para computadores moveis deve ser projetado para operar no modo
desconectado. Este e um outro ponto central no projeto da computac~ao movel.
Outro aspecto importante relacionado com a comunicac~ao sem o s~ao as caracter
sticas do computador movel. Uma unidade movel deve ser leve, pequena
efacil de carregar. Estas caracter sticas em conjunto com o custo e tecnologias
existentes fazem com que um computador movel atual tenha menos recursos que
computadores xos incluindo memoria, velocidade de processador, tamanho de
tela, dispositivos perifericos, memoria secundaria e inexist^encia de problemas
relacionados com consumo de energia. Alem disso, computadores moveis s~ao
mais faceis de serem dani cados, roubados ou perdidos.
2.4.3 Gerenciamento de Energia
Computadores moveis dependem de baterias para poderem funcionar. Atualmente,
as baterias dispon veis no mercado s~ao relativamente pesadas e so
conseguem armazenar energia para algumas horas de uso. Este problema e
visto como o maior empecilho no uso de computadores moveis. Infelizmente a
tecnologia de construc~ao de baterias n~ao tem acompanhado o crescimento de
outros segmentos da informatica e a evoluc~ao prevista n~ao muda esse cenario.
Logo, o gerenciamento de energia e um problema importante e deve ser tratado
tanto pelo hardware quanto pelo software.
Na comunicac~ao sem o, o gerenciamento de energia para transmiss~ao e
muito importante por dois motivos. Primeiro energia e um recurso limitado
em computadores moveis e o seu consumo deve ser minimizado. Segundo que
um sinal deve ser transmitido com um valor correto de pot^encia para n~ao
interferir na recepc~ao de um outro sinal por uma outra estac~ao minimizando a
relac~ao sinal{ru do.
Projetistas de hardware para computadores moveis ja incorporaram algumas
caracter sticas nesses sistemas para diminuir o consumo de energia como

2.5 Problemas Relacionados com o Computador Movel 49
desligar a luz de fundo da tela, desligar o disco quando n~ao esta sendo usado
ou mesmo elimina-lo completamente e substitu -lo por uma memoria ash 1 ,e
projetar processadores que consomem menos energia no modo doze.
Por outro lado, varias situac~oes t^em contribu do para o aumento do consumo
da energia nas unidades moveis. Visando aumentar o poder de processamento
das unidades moveis, cada vez mais se tem aumentado a frequ^encia de trabalho
do processador das unidades moveis 2 , o que aumenta a taxa de consumo de
energia. Alem disso, a presenca de partes moveis na unidade movel tambem
levam a um aumento na taxa de consumo de energia.
O grande desa o e projetar todo o software de um computador movel considerando
o consumo de energia. Por exemplo, tarefas do sistema operacional
como escalonamento de processador e outros dispositivos, protocolos de comunicac~ao
e, principalmente, aplicac~oes.
2.5 Problemas Relacionados com o Computador
Movel
Pode-se dizer que a computac~ao movel e um caso especial de sistemas distribu
dos onde problemas de comunicac~ao e desconex~ao s~ao constantes (esses
problemas poderiam ser modelados por falhas de enlace), e a topologia do ambiente
edin^amica. Neste sentido, a computac~ao movel representa o \pior cenario"
poss vel de um sistema distribu do. Logo, todos os problemas existentes e ja
resolvidos em sistemas distribu dos devem ser no m nimo repensados na computac~ao
movel. O objetivo e procurar identi car o que continua valido, o que
deve ser mudado e o que deve ser procurado de novo. Seguindo este racioc nio
a lista de problemas em computac~ao movel e extensa. A grande maioria dos
problemas ainda eassunto de pesquisa e a lista apresentada a seguir eapenas
uma amostra dessa area extremamente vasta.
2.5.1 Servicos de Informac~ao
Devido as diferencas estruturais de um sistema movel, assim como as variac~oes
de trafego, o ambiente de operac~ao do usuario passa a ser altamente din^amico.
Um usuario na area de uma das chamadas ilhas de acesso pode desfrutar de
1 E uma memoria que consome pouca energia, prov^e baixa lat^encia e baixo tempo de acesso
para leitura. No entanto, o seu custo atual e uma ordem de grandeza a mais que a memoria
normal e necessita um dispositivo especial para gravac~ao.
2 AIntel anunciou no primeiro trimestre de 1998 que ate o m desse ano os laptops estariam
provavelmente sendo projetados com processadores de 300 MHz.

50 Cap tulo 2. Comunicac~ao Movel: Principais Problemas
dados a uma taxa de transmiss~ao adequada para a apresentac~ao da informac~ao
requerida atraves do uso de gra cos e guras. Em contrapartida, na rede celular
usual a transmiss~ao de tais dados de maior porte torna-se por vezes inviavel.
Ainda mais, devido a imprevisibilidade de movimentac~ao dos usuarios ao longo
das regi~oes do sistema, mesmo uma ilha de acesso pode se ver sem condic~oes de
oferecer altas taxas de transmiss~ao ao alocar uma grande demanda de usuarios
e servicos.
Tais fatos levam a necessidade do projeto de aplicac~oes com capacidade
de interoperabilidade ao longo de diferentes ambientes de acesso sem o.
Pontos chavesnoprojetodetaisaplicac~oes s~ao: capacidade de identi cac~ao
das condic~oes do ambiente, adaptabilidade do modo de apresentac~ao das informac~oes
em tais condic~oesecontinuidade da prestac~ao do servico ao longo de
mudancas fronteiricas (hando ). A continuidade da prestac~ao dos servicos ao
longo de mudancas fronteiricas torna necessaria a capacidade de comunicac~ao
entre diferentes servidores. No caso de um sistema unico isto implica apenas no
controle da taxa de erros (uma vez que esta mudanca pode ser abrupta em sistemas
FDMA e TDMA). Mas considerando-se estruturas mais genericas, com
diferentes tipos de servidores, o uso de protocolos e cientes torna-se tambem
necessario. A identi cac~ao das condic~oes do ambiente e adaptabilidade do
modo de apresentac~ao afetam as duas pontas do enlace sem o.
Imaginando uma arquitetura cliente/servidor poder amos dizer que o servidor
deve ter autonomia de escolha dos dados a transmitir baseado nas condic~oes
de trafego de sua area de abrang^encia, assim como o cliente deve ser capaz de se
adaptar a tais condic~oes. No entanto, certas aplicac~oes podem necessitar de dados
completos independente das condic~oes do sistema (como imagens medicas
por exemplo), o que torna necessario tambem a capacidade de negociac~ao da
apresentac~ao dos dados entre a parte cliente e a servidora da aplicac~ao.
Por m, a negociac~ao pela qualidade de servicos leva a quest~ao da tarifac~ao
destes. As aplicac~oes prestadoras de servicos de informac~ao sem o devem ser
capaz de cobrar do usuario o custo associado ao servico prestado. Este deve
ser o el da balanca quando da negociac~ao entre cliente e servidor. Esquemas
adequados de tarifac~ao envolvem quest~oes de dimensionamento (dada uma demanda
esperada por cada servico e a capacidade atual da rede sem o como
dimensionar os custos associados de forma a se conseguir o maximo retorno,
ou, menor n vel de falha) e de processamento em tempo real. O dinamismo e
variabilidade dos servicos prestados exige estruturas mais din^amicas do sistema
de tarifac~ao.

2.5 Problemas Relacionados com o Computador Movel 51
2.5.2 Ger^encia de Dados
Um dos aspectos principais no projeto de um sistema de arquivos para usuarios
moveis e o tratamento de operac~oes no modo \desconectado" [104, 111,136].
Neste caso, quando o usuario se reconecta com a rede xa, as modi cac~oes que
foram feitas em arquivos durante o modo desconectado devem ser enviadas para
o servidor apropriado. Algumas das quest~oes a serem analisadas s~ao: que arquivos
devem ser trazidos para a memoria do computador movel antes de haver
a desconex~aocomo e feita a emulac~ao de requisic~oes a arquivos que podem ser
satisfeitas e tratamento daquelas que n~ao podemcomo e feita a atualizac~ao no
servidor das copias dos arquivos modi cados localmente. Dois outros aspectos
que devem ser levados em considerac~ao no projeto de um sistema de arquivos
que trata mobilidade s~aoaminimizac~ao de operac~oes s ncronas e o grau de
consist^encia que deve ser mantido entre a copia de um arquivo no servidor e
no computador movel [223].
Restric~oes no consumo de energia por parte do computador movel t^em levado
ao desenvolvimento de trabalhos em diferentes areas como ger^encia de
dados e sistemas operacionais. Na area de ger^encia de dados, alguns dos problemas
estudados s~ao otimizac~ao de consultas a bancos de dados [16]organizac~ao
de dados que s~ao enviados para varios usuarios dentro de uma macrocelula
[116]alocac~ao e replicac~ao de dados entre um computador movel e
xo [24, 110]. Outras quest~oes relacionadas com o impacto da mobilidade na
ger^encia de dados s~ao discutidas em [19, 113,114].
Na area de sistemas operacionais, o problema de minimizar o consumo de
energia e fundamental. Uma das quest~oes mais importantes e como o estado do
sistema deve ser salvo periodicamente para prevenir uma perda do estado no
caso de falta de energia [38]. Alem deste problema, sistemas operacionais para
PDAs devem tratar quest~oes como o uso de tecnologias que t^em lat^encia, largura
de banda, caracter sticas de conectividade e custos diferentes para acessar
dispositivos e servicos dependentes da localizac~ao [230].
Num ambiente de comunicac~ao movel, a quest~ao de comunicac~ao entre processos
ecrtica devido as limitac~oes na largura de banda da comunicac~ao sem o
edapot^encia. Uma poss vel soluc~ao e a infra-estrutura xa ltrar mensagens a
serem enviadas para um computador movel de acordo com um per l determinado
pelo usuario movel, criando, por exemplo, uma hierarquia de mensagens
a serem enviadas de acordo com algum princ pio [22].
Algumas dos problemas principais relacionadas com a ger^encia de dados s~ao
tratadas no cap tulo 6.

52 Cap tulo 2. Comunicac~ao Movel: Principais Problemas
2.5.3 Protocolos para Suporte a Computac~ao Movel
Uma arquitetura de redes de computadores de ne um conjunto de camadas e
protocolos. No caso da computac~ao movel, a arquitetura de redes adotada ate
o momento e a arquitetura TCP/IP. E natural que isso tenha ocorrido ja que
o computador movel deve ter acesso a rede xa que usa a arquitetura TCP/IP.
No entanto, os protocolos dessa arquitetura n~ao foram projetados para esse
ambiente que possui caracter sticas particulares como descrito na sec~ao 2.4.
A seguir s~ao descritos os principais problemas dos protocolos das camadas
de enlace, rede, transporte e aplicac~ao para redes de computac~ao movel. O
cap tulo 5 trata com mais detalhes de alguns desses problemas.
A camada de enlace, por ser a camada mais perto do meio f sico deve considerar
no projeto de protocolos as caracter sticas de um enlace de comunicac~ao
sem o: largura de banda menor, con abilidade mais baixa, alta taxa de erro.
Naturalmente, os protocolos das camadas superiores devem considerar tambem
essas caracter sticas.
A alta taxa de erro imp~oe um limite f sico na taxa maxima de transmiss~ao
entre o transmissor e o receptor, uma vez que quanto maior essa taxa maior e
interfer^encia do ru do no sinal propagado e, como consequ^encia, maior e a taxa
de erro. Com isso, pode se notar que a velocidade de transmiss~ao do enlace
esta intimamente associada com o n vel de ru do do canal de comunicac~ao. O
uso de tecnicas de compress~ao de dados permite um maior aproveitamento do
canal de comunicac~ao, porem acarreta um overhead de processamento nas duas
extremidades do enlace que se traduz num consumo de energia.
Computadores na arquitetura TCP/IP usada na Internet possuem um endereco
IP que determina o roteamento de pacotes a serem entregues a um
destinatario. Por tras deste conceito esta o fato que os computadores s~ao xos
eoendereco determina a localizac~ao de um computador em relac~ao ao restante
da rede. No entanto, no caso de computadores moveis, isto n~ao evalido ja
que a localizac~ao de uma unidade movel muda. Se o endereco associado com o
computador movel permanece o mesmo, independente de sua localizac~ao, ent~ao
o endereco n~ao pode ser usado para rotear pacotes IP, ja que pode n~ao representar
a localizac~ao atual de um computador movel. Por outro lado, se um
computador movel possui um endereco que efunc~ao de sua posic~ao, ent~ao todas
as outras entidades (computadores, processos, aplicac~oes, etc.) em contato
com esse computador precisam ser informadas de mudancas no endereco. No
caso de redes com muitos computadores moveis ou composta de computadores
com alta taxa de mobilidade, esta estrategia possui serios problemas de desempenho,
visto que uma grande quantidade de informac~ao deve ser difundida na

2.5 Problemas Relacionados com o Computador Movel 53
rede para noti car todos os elementos dos novos enderecos dos computadores.
Ja nas estrategias com enderecamentos xos, cada computador possui um
endereco unico de comunicac~ao. Neste caso, quando um computador deseja
enviar um pacote para uma unidade movel, basta utilizar o endereco conhecido.
Nesta estrategia e responsabilidade da camada de rede redirecionar o pacote
transmitido ate o seu endereco nal. Algumas das tecnicas se utilizam de
mensagens de broadcast para localizar o computador movel e depois entregar
o pacote. Esta abordagem possui a desvantagem de sobrecarregar a rede de
comunicac~ao. Outra abordagem e a utilizac~ao de uma central de informac~ao,
responsavel por conhecer a localizac~ao f sica de cada computador na rede. Neste
caso, basta consultar o centro de informac~ao para saber a localizac~ao corrente
do computador movel. A principal desvantagem desta abordagem e que este
centro de informac~ao passa a ser um ponto de falha em potencial na rede,
uma vez que a falha desse elemento implica na falha de todo o sistema de
comunicac~ao. Esse problema pode ser minimizado com a replicac~ao de centros.
Uma alternativa para esta abordagem e o conceito de home base de um
computador movel, ou seja, todo computador movel possui uma estac~ao base
responsavel pelo redirecionamento de suas mensagens. Neste caso, toda vez que
um computador desejar enviar um pacote para um computador movel, basta
que o pacote seja enviado para a sua home base que se encarregara de redirecionar
o pacote para o endereco f sico onde se encontra o computador movel
no momento. Nesta abordagem, toda vez que o computador movel alterar o
seu ponto de conex~ao na rede, enecessario informar a sua estac~ao base da sua
nova localizac~ao. Esta soluc~ao esta sendo utilizada pelo protocolo IP Movel,
com o objetivo de adaptar a vers~ao existente do protocolo IP para o ambiente
de computac~ao movel. Avers~ao atual do IP Movel se baseia no protocolo
IPv4 (IP vers~ao 4 ou simplesmente IP). No entanto, um grupo de trabalho do
IETF (Internet Engineering Task Force) esta adaptando este protocolo para
poder trabalhar com a vers~ao mais nova do protocolo IP ou IPv6, sendo que
no momento ja existe uma vers~ao draft da nova especi cac~ao do IP Movel.
O protocolo IP Movel tambem apresenta alguns problemas. Um deles e
como garantir que uma mensagem de troca de enderecamento f sico, recebida
por uma estac~ao base, foi enviada por um computador movel pertencente a
essa estac~ao e n~ao por um elemento impostor. Neste caso, e necessario a utilizac~ao
de tecnicas de identi cac~ao para garantir a autenticidade da mensagem.
Outro problema diz respeito ao roteamento dos pacotes da estac~ao base para o
computador movel (tunneling). Como garantir que todos os pacotes enviados
cheguem de fato a seu destino. Outro problema e a presenca de redes inseguras
entre a estac~ao base e o computador movel como, por exemplo, quando o com-

54 Cap tulo 2. Comunicac~ao Movel: Principais Problemas
putador movel esta conectado a uma rede de comunicac~ao publica, fora de seu
ambiente normal de trabalho. Ainda em relac~ao a transmiss~ao de dados, outro
problema e como garantir a privacidade e a correc~ao dos pacotes transmitidos.
Na literatura existem varias propostas para adaptar o protocolo IP para
ambientes moveis e metodos de roteamento para computadores moveis [45, 49,
65, 121, 127,228].
Um dos objetivos em se ter uma camada de rede responsavel por computadores
moveis e que os protocolos da camada de transporte n~ao precisam saber
da mobilidade do computador e o tratamento e feito de forma transparente.
No entanto, um estudo apresentado em [54] mostra que conex~oes TCP ativas,
usando IP movel [121] na camada de rede, apresentam problemas de desempenho
como atrasos e perda de pacotes causados pela rede quando tenta rotear
dados para a nova localizac~ao do computador. O protocolo TCP interpreta
estes eventos como congestionamento da rede e evita novas transmiss~oes de
dados fazendo com que a vaz~ao caia mais ainda. Uma poss vel soluc~ao efazer
com que as camadas de transporte e de aplicac~ao tomem conhecimento da
mobilidade de computadores [54]. Logo, o projeto de protocolos deve ser visto
como uma tarefa integrada.
Um dos novos desa os de redes de computadores com comunicac~ao sem o,
do ponto de vista da aplicac~ao, e permitir que um computador movel, ao se
conectar a uma rede xa, seja capaz de utilizar os recursos existentes nessa
rede, tais como impressoras, sistemas de arquivos e bancos de dados. Para
isso, e necessario desenvolver sistemas de autenticac~ao entre computadores de
forma a garantir que o computador movel tenha acesso apenas as facilidades
previamente autorizadas. Mais do que isso, e necessario garantir que o computador
movel que esta se conectando realmente possui acesso aos recursos da
rede de computadores. Acessos de computadores moveis a rede xa criam a
possibilidade de desenvolvimento de novos tipos de sistemas, como por exemplo,
permitir que um usuario, ao chegar a uma cidade, acesse uma rede de
informac~ao municipal e possa realizar consultas do tipo \Como fazer para ir ao
endereco X".
Permitir conex~oes de computadores moveis a rede xa requer a identi cac~ao
do computador. Porem, muitas vezes por quest~oes de privacidade, se faz necessario
garantir que este acesso se faca de forma transparente para os demais
computadores da rede, sem que os mesmos saibam o posicionamento f sico real
do computador movel. A privacidade de acesso e importante para evitar que o
computador movel seja constantemente monitorado por outros computadores
da rede. Esta privacidade pode ser assegurada, proibindo outros computadores
da rede de saber a real localizac~ao f sica do computador movel. Um dos desa os

2.5 Problemas Relacionados com o Computador Movel 55
da computac~ao movel e garantir acessos mais ex veis as redes de computadores,
sem violar a privacidade dos computadores moveis. Existe uma quest~ao
de compromisso entre a identi cac~ao computador movel e seu anonimato dentro
da rede. O sistema de comunicac~ao deve saber quem s~ao os computadores
moveis conectados, porem os demais computadores da rede devem saber apenas
se um dado computador esta conectado ou n~ao, independente do seu ponto
de conex~ao.
2.5.4 Algoritmos Distribu dos que Tratam Mobilidade de
Computadores
Normalmente, e ine ciente executar diretamente algoritmos distribu dos
classicos num ambiente de computac~ao movel. Isso se deve ao fato que tais algoritmos
n~ao tratam da mobilidade dos computadores nem de restric~oes de recursos
desses computadores. Por essa raz~ao e necessario aplicar outros princ pios
de projeto de algoritmos distribu dos [23].
Alguns dos algoritmos distribu dos que t^em sido estudados recentemente
para computac~ao movel, alem de protocolos de comunicac~ao, s~ao de nic~ao
de mecanismos de ordenac~ao de eventos, propagac~ao de informac~ao em uma
rede de comunicac~ao, controle de concorr^encia, coordenac~ao entre processos
para acesso a recursos compartilhados e comunicac~ao em grupo (multicasting).
Alguns destes problemas s~ao estudados no cap tulo 7.
Bancos de dados tambem s~ao in uenciados pela presenca de usuarios
moveis. Novos paradigmas de transac~ao devem ser desenvolvidos de forma
a tratar usuarios que se movimentam e se desconectam durante a realizac~ao de
uma transac~ao. Deve-se criar mecanismos, como por exemplo uso de cache e
manutenc~ao da consist^encia de dados, para o tratamento de consultas quando
a unidade movel se encontra desconectada da rede de comunicac~ao. Deve-se
criar consultas que sejam otimizadas visando a economia de energia e n~ao a
quantidade de informac~ao transmitida. Na verdade, esta regra evalida para
qualquer tipo de algoritmo.
Isto tem levado ao desenvolvimento de esquemas de processamento que
permitam a migrac~ao de tarefas que consomem uma grande quantidade de
energia de unidades moveis para estac~oes xas, com o resultado retornando
posteriormente para a unidade movel. Normalmente, isto tem sido feito atraves
de agentes moveis (mobile agents).
Tambem t^em sido desenvolvidas tecnicas para tratamento da falta de energia
na unidade movel, o que permite que dados cr ticos existentes na memoria
principal possam ser deslocados para uma regi~ao de memoria estatica quando

56 Cap tulo 2. Comunicac~ao Movel: Principais Problemas
do termino da energia dispon vel. Este eumcasotpico de projeto de um
sistema considerando a utilizac~ao de hardware e software simultaneamente
(hardware/software co-design).

Cap tulo 3
Localizac~ao de Estac~oes
Radio e Unidades Moveis
A criac~ao de uma infraestrutura de comunicac~ao sem o e movel inicia-se pela
instalac~ao das ERBs visando cobrir a area de estudo. Neste contexto, o problema
de localizac~ao de estac~oes radio ebasico. Localizadas as ERBs, um outro
problema de localizac~ao importante e o rastreamento das unidades moveis.
Neste cap tulo s~ao enfatizados os dois problemas.
O problema geral de localizac~ao de facilidades e um problema classico em
Otimizac~ao Combinatoria [150]. Seja um grafo G = (NA) ondeN eum
conjunto de nos e A um conjunto de arcos. O conjunto N de nos e dividido
em um conjunto S de locais candidatos a instalac~ao de uma facilidade com
capacidade si, um conjunto T de nos de transbordo ou intermediarios, e um
conjunto D de nos de demanda com capacidade di. Uma facilidade pode ser
uma central de comutac~ao, uma estac~ao radio, uma fabrica, uma unidade de
distribuic~ao ou de gerac~ao, etc. O custo xo de instalac~ao de uma facilidade e
dado por fi 8i 2 S, e o custo variavel associado a cada arco (i j) 2 A edado
por cij.
O problema de localizac~ao de facilidades n~ao capacitado consiste em selecionar
um subconjunto de facilidades, sem capacidades, que far~ao o atendimento
dos nos de demanda, com ou sem capacidade expl cita, pelo m nimo custo [66].
Em resumo, o objetivo e dimensionar os uxos xij nos arcos (i j) 2 A, originados
nos nos de oferta, ou facilidades, e destinados aos nos de demanda pelo
menor custo xo mais variavel. As facilidades selecionadas s~ao caracterizadas
pelas variaveis yi que podem assumir um valor unitario, se a facilidade for selecionada,
eovalor zero, se descartada. Por sua vez, o problema de localizac~ao

58 Cap tulo 3. Localizac~ao de Estac~oes Radio e Unidades Moveis
capacitado resulta do acrescimo das capacidades si as facilidades, ou pela inclus~ao
de limites superior (uij) e/ou inferior (lij) aos uxos nos arcos do grafo
[151, 153,154].
O problema de localizac~ao capacitado e um problema de otimizac~ao em rede
e pode ser matematicamente formulado como:
sujeito a:
X
min X
(ij)2A
xij ; X
(ij)2; + (i) (ji)2;; (i)
X
xij ; X
(ij)2; + (i) (ji)2;; (i)
X
xij ; X
(ij)2; + (i)
(ji)2;; (i)
cij xij + X
i2S
fi yi
(3:1)
xji siyi 8i 2 S (3.2)
xji = 0 8i 2 T (3.3)
xji = ;di 8i 2 D (3.4)
lij xij uij 8(i j) 2 A (3.5)
yi 2f0 1g 8i 2 S (3.6)
onde:
S locais candidatos a instalac~ao de facilidades
T conjunto de nos intermediarios
D conjunto de nos de demanda
; + (i)
;
conjunto de arcos (i j) 2 A8j 2 N
; (i) conjunto de arcos (j i) 2 A8j 2 N
cij custo variavel no arco (i j) 2 A
fi custo xo de instalac~ao da facilidade i 2 S
si capacidade da facilidade i 2 S
di demanda do no i 2 D
xij uxo no arco (i j) 2 A
yi variavel binaria, yi = 1 se facilidade e instalada no no i 2 S, eyi =0,
caso contrario.
A func~ao objetivo minimiza os custos variaveis e xos. As restric~oes expressam
a conservac~ao de uxos em cada no da rede. O primeiro grupo de
restric~oes (3.2) garante que o total do uxo que sai, menos o que entra, em
cada no facilidade i 2 S, deve ser menor ou igual a sua capacidade. O segundo

Localizac~ao de Estac~oes Radio e Unidades Moveis 59
grupo (3.3) restringe a conservac~ao de uxos nos nos intermediarios, e, o terceiro
(3.4), garante o atendimento de demanda. As restric~oes seguintes (3.5)
limitam o uxo em cada arco aos seus limites inferior e superior. Tambem
podem ser inclu das restric~oes limitando o numero m nimo emaximo defacilidades
selecionadas. Finalmente, o ultimo grupo de restric~oes (3.6) garante a
integralidade das variaveis yi.
Este eummodelobasico que pode ser estendido ou simpli cado conforme
as necessidades e condic~oes espec cas. A parcela de custo variavel da func~ao
objetivo pode ser acrescida dos custos operacionais das facilidades, dependente
da dimens~ao do uxo em cada facilidade. Se esta func~ao acrescimo for linear
ent~ao pode ser embutida aos custos variaveis, mantendo as caracter sticas do
modelo acima. Por outro lado, explorando a economia de escala, esse custo
acrescido pode ser uma func~ao c^oncava, tornando o modelo n~ao linear. Estas
func~oes tambem podem ser lineares por partes, c^oncavas ou convexas.
A imposic~ao de um numero m nimoemaximo de facilidades pode ainda ser
representada por par^ametros variaveis, pu maximoepl m nimo, pl
P i2S yi
pu. Pode tambem ser substitu da pela condic~ao de viabilidade tecnica do problema,
P i2S siyi
P
i2D di.
Escolhido um conjunto de facilidades o problema recai a soluc~ao de um
problema de uxo de custo m nimo. Neste contexto, retirando os limites de
uxos nos arcos, o modelo torna-se ainda mais simples, ou um problema de
caminho m nimo.
Outra extens~ao consiste em adicionar custos xos associados a escolha dos
arcos que compor~ao a rede soluc~ao. Esta nova exten~ao gera um modelo de
network design, que, entre outros, e uma extens~ao do classico problema de Steiner.
Para isso, basta xar as facilidades e retirar ou anular os custos variaveis.
Uma ultima reduc~ao consiste em retirar os nos intermediarios, reduzindo ao
modelo de arvore geradora m nima.
Os modelos de localizac~ao consistem em minimizar uma func~ao c^oncava
(que pode ser linear) sujeito a um conjunto de restric~oes lineares. A principal
di culdade e que um m nimo local n~ao implica em um m nimo global. Por
outro lado, e conhecido que o m nimo de uma func~ao c^oncava sobre um conjunto
compacto e convexo, sempre ocorre em um vertice desse conjunto. Isto e
consequ^encia da propria de nic~ao de func~ao c^oncava. Logo, um ponto extremo
do poliedro viavel e uma soluc~ao para o problema. Uma completa enumerac~ao
destes pontos extremos e impraticavel para a maioria dos problemas e eum
aspecto importante em Combinatoria. Portanto, varias tecnicas t^em sido desenvolvidas
visando determinar a melhor maneira de enumerar e selecionar os
pontos extremos de forma que o m nimo global possa ser obtido. Estas tecnicas

60 Cap tulo 3. Localizac~ao de Estac~oes Radio e Unidades Moveis
s~ao geralmente de natureza combinatoria e se fundamentam na estrutura especial
de cada problema analisado. Os algoritmos se concentram em tr^es areas
basicas: decomposic~ao [93, 198], enumerac~ao [200, 11,216,62,70] e heur sticas
[34, 225, 46,122,151, 155].
No contexto das comunicac~oes moveis os dois problemas principais de localizac~ao
s~ao a localizac~ao de ERBs e a localizac~ao da unidade movel. Para
os problemas de localizac~ao de ERBs podem ser apresentadas formulac~oes matematicas
similares ao modelo geral de localizac~ao anterior. No entanto, s~ao
muitas as particularidades. Uma diferenca fundamental esta nan~ao exist^encia
da conex~ao f sica presente nas formulac~oes classicas e aplicac~oes do problema
de localizac~ao. Para a localizac~ao da unidade movel as particularidades s~ao
ainda maiores. Nas sec~oes seguintes s~ao tratados os dois problemas.
Cada ERB localizada deve ser conectada a sua CCC (Central de Comutac~ao
eControle). Cabe ressaltar que cabe a CCC interligar e controlar as ERBs,
monitorar as chamadas e principalmente o hando , decorrente da mobilidade
de curta dist^ancia, e tambem mantem o registro de cada usuario. Ao mudar
de area o registro do usuario deve ser atualizado em cada CCC, efetuando o
roaming, decorrente da mobilidade de longa dist^ancia. O hando entre ERBs
conectadas a diferentes CCCs envolve complexos protocolos de comunicac~ao
entre CCC, bem como uma custosa atualizac~ao de usuarios nas tabelas de
localizac~ao.
O problema de conex~ao de ERBs a CCC e descrito em [157]. Nao explora a
localizac~ao das ERBs mas considera os custos de cabeamento e hando entre
ERBs em diferentes CCC, limitado pelo volume de chamadas suportadas por
cada CCC. Apresenta um modelo de programac~ao inteira e uma heur stica para
sua soluc~ao.
Os problemas de localizac~ao tambem assumem particularidades se o objetivo
e de nir macrocelulas, minicelulas ou microcelulas, as vezes picocelulas.
Nas duas primeiras as antenas s~ao instaladas acima das edi cac~oes cobrindo
areas extensas, alguns kilometros nas primeiras e ate 3 km para as minicelulas
eoscustoseapot^encia dos equipamentos s~ao mais elevados. Em microcelulas
as antenas cam abaixo das edi cac~oes, cobrem pequenas areas, alguns quarteir~oes,
e os custos e a pot^encia dos equipamentos s~ao menores. Os sistemas futuros
devem permitir maior exibilidade no dimensioanmento de celulas, uma
arquitetura mista e hierarquica de celulas capaz de assimilar muitas das limitac~oes
atuais.
Outra caracter stica que diferencia a localizac~ao s~ao as mudancas de ambiente:
fechado ou aberto. Em ambientes fechados o objetivo da localizac~ao e
instalar estac~oes para cobrir uma area local, fechada e, em geral, de pequena

3.1 Localizac~ao de ERB 61
dimens~ao, como fabricas, shopping, hospitais, edif cios. Os ambientes abertos
cobrem grandes extens~oes urbanas ou rurais.
Este cap tulo esta dividido em duas sec~oes. A primeira e dedicada a localizac~ao
de ERBs, enquanto a segunda esta voltada para a localizac~ao de
unidades moveis. O objetivo e detalhar cada um desses problemas, apresentar
modelos, algoritmos e estudo de casos.
3.1 Localizac~ao de ERB
O problema de localizac~ao de estac~oes radio base (ERB) consiste em selecionar,
dentro de um conjunto de locais candidatos a instalac~ao de uma ERB, um
subconjunto de m nimo custo e sujeito a cobertura da area em estudo, atendimento
da demanda e uma explorac~ao e ciente do espectro de frequ^encias.
Neste processo de otimizac~ao s~ao considerados fatores con itantes como a area
de cobertura de uma ERB e os usuarios suportados por ela, ou, a area de cobertura
de uma ERB e suas taxas de transmiss~ao de dados. Quanto menor o
numero de ERBs instaladas menor sera o custo. Por outro lado, o atendimento
da demanda e a qualidade de servico podem ser comprometidos. Cabe ainda
ressaltar que cada ERB devera ser conectada a sua CCC, caracterizando um
problema de network design.
A concentrac~ao da demanda em grandes centros urbanos e o reduzido espectro
de frequ^encias dispon vel, geram uma tend^encia de uso de ERBs de menor
abrang^encia, mais simples e em maior numero. No entanto, estas caracter sticas
n~ao minimizam os investimentos devido a elevac~ao do numero de estac~oes, o
custo ainda elevado dos equipamentos, e o alto custo dos locais (compra ou aluguel)
de instalac~ao. Adiciona-se a este contexto alguns par^ametros ou outros
objetivos a serem alcancados [86, 211, 218].
O problema de localizac~ao de ERB pode ser visto sob, pelo menos, tr^es
objetivos. O objetivo pode ser a cobertura total ou a cobertura maxima, o
maximo aproveitamento espectral e o maximo numero de canais por usuario.
Um outro criterio de localizac~ao e considerar o retorno nanceiro de cada
usuario e a qualidade de servico espec ca por usuario. Esse criterio se aplica
muito bem aos padr~oes europeus, uma vez que o provedor paga pelo uso de um
canal. Nesse caso o canal deve daromaximo retorno de forma a viabilizar a
sua manutenc~ao. Por outro lado, a priorizac~ao de usuarios pode gerar perda
de outros. Em [91] o projeto de redes celulares considera o interesse nanceiro
dos provedores de servicos no dimensionamento da rede, com a localizac~ao ja
estabelecida. O dimensionamento se baseia em diferentes tipos e capacidades
de ERBs, custos de instalac~ao e manutenc~ao. Entre os par^ametros analisados

62 Cap tulo 3. Localizac~ao de Estac~oes Radio e Unidades Moveis
est~ao os rendimentos e os custos anuais da rede. Restric~oes e considerac~oes
adicionadas ao modelo devem ser avaliadas, mas as soluc~oes sugerem que um
maior numero de celulas e de dimens~oes reduzidas s~ao mais rentaveis.
Apesar do aspecto pratico inerente ao problema, poucas refer^encias s~ao
encontradas na literatura. A maior parte das refer^encias concentram-se no
calculo de sinais considerando as perdas por obstaculos [141]. A localizac~ao
de ERB em areas internas e explorada em [241, 218], enquanto [86] trata a
localizac~ao em areas externas.
A cobertura total consiste em assinalar a cada ponto da area de estudo
pelo menos uma ERB em condic~oes de oferecer um sinal com n vel m nimo
que permite a conversac~ao ou transmiss~ao de dados. Tal problema e, em geral,
experimentado nos estagios iniciais da implantac~ao de sistemas celulares e n~ao
emuito adequado para areas de alta densidade. Esta opc~ao reduz o numero de
estac~oes, aumenta a area de cobertura de cada ERB, reduz o aproveitamento
espectral e disponibiliza um menor numero de canais por usuario.
Omaximo aproveitamento espectral busca solucionar as de ci^encias do problema
anterior, limitando a area de cobertura de cada ERB. Neste caso, a localizac~ao
e de nida em conjunto com o tratamento da pot^encia de transmiss~ao
de cada ERB. Em [218]e apresentada uma metodologia alternativa paraambientes
fechados. No entanto, esta abordagem torna o problema extremamente
mais complexo do ponto de vista matematico e computacional, pois passa a ser
extremamente dependente do problema de predic~ao de propagac~ao de sinais.
Outra alternativa seria limitar a area de cobertura de cada ERB. No entanto,
esta abordagem perde em exibilidade di cultando a analise de uma ERB em
conjunto com suas vizinhas. Mas, com a precauc~ao de simulac~oes preliminares
adequadas, pode-se obter um aproveitamento espectral.
Pela terceira alternativa, o problema de localizac~ao visa selecionar os locais
e determinar a pot^encia de transmiss~ao e canais alocados a cada ERB,
maximizando o numero de canais dispon veis por usuario, ou o maximo aproveitamento
espectral [152]. A alocac~ao de canais tem sido bastante explorada e
e apresentada no cap tulo 4. Mas a junc~ao de localizac~ao e alocac~ao eleva signi
cativamente a complexidade do problema e e pouco estudada na literatura.
Neste texto s~ao apresentados modelos e algoritmos para o problema de
localizac~ao com macrocelulas e arquitetura de acesso FDMA, explorando os
diferentes objetivos. Mas, neste cap tulo e tratado apenas o objetivo de cobertura
maxima a um m nimo custo. Os modelos englobando a alocac~ao de canais
s~ao apresentados no cap tulo seguinte.
S~ao apresentados tr^es modelos matematicos para o problema de cobertura
maxima a um m nimo custo de instalac~ao { um modelo de programac~ao inteira

3.1 Localizac~ao de ERB 63
misto, um inteiro e um linear com menos variaveis. A modelagem apresentada
visa tornar os modelos independentes dos metodos de predic~ao de propagac~ao
de sinais. No entanto, torna-se necessario o uso de uma ferramenta auxiliar para
este m. Apesar do objetivo estipulado a se alcancar ser a cobertura maxima,
algumas alternativas para se conseguir um melhor aproveitamento espectral
s~ao discutidas. Isto pode ser feito acrescentando-se restric~oes aos problemas ou
variando-se a pot^encia de transmiss~ao das ERBs em uma etapa preliminar de
simulac~ao.
Para cada ambiente ou con gurac~ao os modelos devem ser adaptados ou
mesmo totalmente alterados. Trata-se de um conjunto de problemas de otimizac~ao
combinatoria com possibilidades de soluc~ao via heur sticas e algoritmos
exatos. Estes algoritmos s~ao integrados a uma base de mercado e uma base
georefenciada em um ambiente de SIG { Sistema de Informac~oes Geogra cas.
3.1.1 Modelos de Localizac~ao de ERB
Seja uma regi~ao representada por um conjunto de M pequenas quadr culas,
de dimens~oesquepodemvariar de 50 50 metros ate 500 500 metros.
Seja o conjunto de N ERBs candidatas distribu das nesta regi~ao. Assumese
conhecida alguma medida do sinal recebido em cada ponto (quadr cula) e
originario de cada ERB. Esta medida poderia ser a perda do sinal ou a pot^encia
em cada ponto, por exemplo.
Para formular o problema de localizac~ao como um problema de programac~ao
inteira s~ao de nidos os seguintes conjuntos de variaveis:
yi =
xij =
1 se a ERB i 2 N e localizada
0 caso contrario
1 se o ponto j 2 M da regi~ao e coberto pela ERB i 2 N
0 caso contrario
Um primeiro modelo M1 e dado por:
min X
i2N
ciyi
(3:7)

64 Cap tulo 3. Localizac~ao de Estac~oes Radio e Unidades Moveis
onde:
sujeito a:
X
i2N
aijxij T 8j 2 M (3.8)
X
i2N
xij =1 8j 2 M (3.9)
xij yi 8i 2 N8j 2 M (3.10)
yixij 2f0 1g 8i 2 N8j 2 M (3.11)
ci custo xo de instalac~ao de uma ERB
T valor limite para a medida do sinal capaz de viabilizar a comunicac~ao
estimativa do sinal da ERB i no ponto j
aij
Afunc~ao objetivo minimiza o custo xo de instalac~ao das ERBs. As restric~oes
(3.8) garantem que pelo menos uma ERB atenda a qualidade do sinal
ao n vel m nimo estipulado. Por outro lado, as restric~oes (3.9) associam a cada
ponto da area em estudo uma ERB. Esta associac~ao somente sera viavel se
a ERB correspondente for instalada, conforme equac~oes (3.10). Finalmente a
integralidade das variaveis e imposta pelas restric~oes (3.11).
Ovalor limite T para a medida de sinal capaz de permitir qualidade de
comunicac~ao deve ser especi cado pelo usuario (;105 dB no caso de perda de
sinal, por exemplo). Uma quest~ao de projeto neste ponto poderia ser a escolha
de diferentes valores de T em diferentes pontos da regi~ao a m de se oferecer
melhor qualidade de comunicac~ao em areas mais densas.
O modelo M1e NP-completo e com um elevado numero de variaveis inteiras
(n+n m), onde m eonumero de pontos (quadr culas) da area de estudo. Um
numero que se eleva rapidamente gerando milhares de variaveis xij. Mesmo
para pequenas areas as dimens~oes do problema tornam-se bastante elevadas.
No entanto, as variaveis xij carregam uma grande informac~ao. Conhecida a
demanda em cada ponto epossvel prever qual sera o trafego associado a cada
ERB i localizada. Nesse sentido, essas variaveis s~ao importantes quando do
tratamento da alocac~ao de canais, como sera visto no proximo cap tulo. Caso
contrario, resolvido o modelo, e selecionado um conjunto de ERBs responsavel
por cobrir toda a area. Na pratica, cada ponto sera atendido pela ERB que
lhe forneca o melhor sinal. Caso sobrecarregada, sera escolhida a de segundo
melhor sinal, e assim sucessivamente. Ou seja, os valores das variaveis xij

3.1 Localizac~ao de ERB 65
fornecidos pela soluc~ao do modelo podem n~ao corresponder ao atendimento na
pratica, perdendo a import^ancia.
Esse modelo pode ser simpli cado e reduzido a um problema de recobrimento.
Observe que as restric~oes (3.8) e (3.9) s~ao satisfeitas em conjunto se
o sinal de uma ERB i e capaz de atender a viabilidade de comunicac~ao em
um ponto j. Nesse caso, o sinal aij deve ser maior ou igual ao valor limite T ,
aij T . Selecionadas as associac~oes de i para j que satisfacam essa condic~ao,
pode-se eliminar o conjunto de restric~oes (3.8). E com a observac~ao no nal
paragrafo anterior, as variaveis xij tornam-se tambem dispensaveis.
Dessa forma o modelo se reduz a M2:
sujeito a:
X
i2N
onde os bij s~ao de nidos como:
min X
i2N
ciyi
(3:12)
bijyi 1 8j 2 M (3.13)
yi 2f0 1g 8i 2 N (3.14)
bij = 1 se aij T8i 8j, (cada aij e uma constante conhecida)
0 caso contrario
OmodeloM2 emuito mais simples que o anterior, uma vez que o numero
de variaveis inteiras torna-se bastante reduzido. Este problema, como de nido,
se assemelha ao problema de recobrimento (set covering) [164], conhecidamente
NP-Completo. No entanto a matriz formada pelos termos bij pode ser consideravelmente
esparsa, uma vez que em geral nenhuma ERB cobre toda a regi~ao.
Estas caracter sticas tornam a implementac~ao deste problema viavel em muitas
aplicac~oes, principalmente para as regi~oes de baixa demanda por comunicac~ao,
ou projetos iniciais de atendimento.
Uma primeira tentativa de contornar o atendimento da demanda e a
alocac~ao de canais, consiste em tentar limitar o numero de pontos alocados
a cada ERB. Nesse contexto, pode-se acrescentar ao modelo M1 uma restric~ao
da forma:

66 Cap tulo 3. Localizac~ao de Estac~oes Radio e Unidades Moveis
X
j2M
bijxij miyi 8i 2 N
onde cada mi representa o conjunto de pontos cobertos pela estac~ao i 2 N.
Com essa nova restric~ao resulta o modelo M3:
sujeito a:
X
i2N
X
j2M
min X
i2N
ciyi
(3:15)
bijxij 1 8j 2 M (3.16)
bijxij miyi 8i 2 N (3.17)
xij yi 8i 2 N8j 2 M (3.18)
yixij 2f0 1g 8i 2 N8j 2 M (3.19)
OmodeloM3 e tambem de alta complexidade. Uma simpli cac~ao seria
tentar resolv^e-lo supondo as variaveis xij como sendo cont nuas e entre zero e
um. Essa alternativa foi testada e em alguns casos a soluc~ao obtida einteira.
A import^ancia do modelo M3 esta no fato de permitir limitar a area de
cobertura das celulas de forma a se alcancarummelhoraproveitamento espectral.
Para isso basta ajustar os valores das constantes mi ao limite desejado.
Dessa forma, cada ERB disputara com as demais por um numero menor de
pontos.
Aimport^ancia desse modelo tambem esta na informac~ao fornecida pelas
variaveis xij. Como foi discutido anteriormente, caso se queira limitar a area
de cobertura das ERBs tais variaveis s~ao imprescind veis. No cap tulo seguinte
e apresentado um modelo para o problema de localizac~ao em conjunto com
o de alocac~ao de canais, onde as variaveis xij aparecem em um conjunto de
restric~oes de uxo.
Os modelos anteriores podem ser linearizados. A principal vantagem do uso
do modelo linear sobre o inteiro e a possibilidade da analise de sensibilidade.
A partir desta pode-se determinar, por exemplo, o custo (instalac~ao) de uma
ERB a partir do qual ela faria parte da soluc~ao, ou os shadow-prices de cada
ponto da regi~ao.

3.1 Localizac~ao de ERB 67
3.1.2 Considerac~oes sobre os Modelos
Em contraste com o uso de um valor limite para a medida do sinal, os trabalhos
para sistemas indoor [218] discutidos anteriormente, formulam o problema com
uma func~ao de maximizac~ao da medida do sinal de cada ERB em cada ponto.
Esta talvez seja a maneira mais imediata de se tratar o problema, uma vez
que ela mapeia diretamente o comportamento dos sistemas celulares, e considera
o fato do usuario \escolher" a ERB com sinal de melhor qualidade. Tal
abordagem, no entanto, leva auman~ao linearidade do problema [218].
Nos modelos aqui apresentados existe uma discrep^ancia entre a ERB que
atende a um ponto na soluc~ao do modelo e aquela que realmente deveria atender
o usuario (a estac~ao por ele escolhida pelo criterio do sinal mais forte). Isto
e devido ao fato de que a soluc~ao pode levar a uma situac~ao onde um ponto
atribu do a uma ERB e melhor atendido (no sentido de existir um outro sinal
de melhor qualidade) por outra. Uma vez que o modelo nivela os sinais das
ERBs a um mesmo valor de limite, a informac~ao de qual ERB deveria servir a
um determinado ponto, em uma situac~ao real, n~ao e garantidamente igual ao
resultado do modelo.
Essa caracter stica pode, no entanto, conferir mais exibilidade de decis~ao
aos projetistas do sistema. A situac~ao de overlap pode levar a uma diminuic~ao
do numero de bloqueios de chamadas na regi~ao de sobreposic~ao caso o sistema
implemente algum protocolo de direct-retry (cap tulo 2).
Uma alternativa oposta seria buscar uma maior e ci^encia espectral diminuindo
a area de overlap das celulas. Isso poderia ser conseguido diminuindo-se
apot^encia da transmiss~ao das ERBs correspondentes. Outra vantagem dessa
abordagem seria a diminuic~ao do n vel de interfer^encia co-canal no sistema
como um todo.
Todas as formulac~oes aqui apresentadas s~ao modelos de Programac~ao Linear
Inteira. Em casos mais espec cos trata-se de problemas de Otimizac~ao
Combinatoria. Muitos s~ao os algoritmos poss veis de serem aplicados, desde
algoritmos exatos que garantem a soluc~ao otima ate heur sticas diversas. Por
se tratar de problemas de Programac~ao Linear tambem e possivel usar pacotes
de otimizac~ao de uso geral. Essa alternativa e explorada na proxima sec~ao.
3.1.3 Implementac~ao { Estudo de Casos
Os modelos apresentados foram executados em um pacote de otimizac~ao chamado
CPLEX (CPLEX Optimization Inc.) [170]. Este apresenta algumas
limitac~oes quanto ao numero de restric~oes (32000), que e diretamente proporcional
ao numero de pontos da regi~ao. O numero de variaveis e tambem uma

68 Cap tulo 3. Localizac~ao de Estac~oes Radio e Unidades Moveis
limitac~ao, mas no contexto e secundario. Outro fator a ser considerado eaineci^encia
decorrente de um maior numero de variaveis inteiras. Uma alternativa
para contornar essas limitac~oes seria dividir a area de trabalho em regi~oes (isto
e, centros comerciais e empresariais, bairros residenciais, etc.). Apesar dessa
abordagem levar apenas a otimos locais, na pratica ela se torna viavel uma vez
que e comum provedores de servicos celulares executarem planos de expans~ao
por regi~ao.
Para se determinar a qualidade do sinal de cada ERB candidata em cada
ponto da area de trabalho foi usado o sistema gra co de predic~ao de propagac~ao
de sinal Arcomov/X 1 [156]. Este sistema usa a tecnica de ray-tracing para criar
a matriz de perdas ( gura 3.1) dos sinais em cada ponto da area de trabalho
(quadr culas de 250m 250m).
A partir dessas matrizes foram selecionados os pontos que satisfaziam o valor
limite T para qualidade de comunicac~ao, nesse caso aqueles com uma perda
menor que ;105 dB. Esses dados foram ent~ao usados para gerar o arquivo
de entrada do CPLEX. O arquivo foi gerado no formato similar a notac~ao matematica
do problema. Para carregar o problema mais rapidamente no CPLEX
e usado o formato MPS para o arquivo deentrada { que tem o mesmo formato
no qual as restric~oes s~ao armazenadas internamente pelo CPLEX. Em geral
os arquivos tomaram menos de 3 segundos para serem carregados. O modelo
M1, no entanto, levou quase 50 segundos no caso limite (15584 restric~oes). Os
testes foram executados em uma Sun SPARC 10com64MBdememoria ram
e 4 GB de disco, e os tempos de computac~ao foram da ordem de segundos.
Os testes foram feitos com dados de duas cidades de Minas Gerais: Juiz
de Fora (JF) { aproximadamente 1 milh~ao de habitantes { e Belo Horizonte {
aproximadamente 2,5 milh~oes de habitantes. A todas as ERBs, nos dois casos,
foram atribu dos os mesmos custos de implantac~ao. No caso de JF os testes
foram conduzidos usando-se apenas antenas unidirecionais. Para BH usou-se
tambem um conjunto de antenas setorizadas.
Para se comparar os resultados obtidos com as soluc~oes em geral adotadas
na pratica, e necessario compreender a abordagem de escolha na pratica. O
metodo de escolha de localizac~ao de ERBs envolve um processo de tr^es passos.
Primeiramente as ERBs candidatas s~ao criadas no Arcomov/X. Par^ametros
como, altura, pot^encia de transmiss~ao e localizac~ao f sica das estac~oes candidatas
(entre outros) s~ao de nidos nessa etapa. O Arcomov/X, ent~ao, simula a
propagac~ao do sinal de cada ERB ao longo da area de trabalho, gerando um
1 Sistema de propriedade da Telemig { Telecomunicac~oes de Minas Gerais, desenvolvido
dentro do projeto de pesquisa Desenvolvimento de Sistemas de Engenharia entre o
DCC/UFMG e a Telemig

3.1 Localizac~ao de ERB 69
Figura 3.1: Propagac~ao de sinal de radio de uma ERB
mapa de n veis de perdas de sinal em cada ponto dessa, para cada ERB. No
caso de testes conduzidos no CPLEX tais mapas foram gravados em arquivos
binarios, que foram lidos e convertidos para o formato LP do CPLEX.
No passo dois do processo e feita uma composic~ao dos sinais das diversas
ERBs candidatas, ainda no Arcomov/X. Esta composic~ao atribui a cada ponto
da area de trabalho a ERB de melhor sinal. Nenhuma considerac~ao e feita no
sentido de se minimizar o numero de estac~oes. Nessa etapa do processo foram
usados os modelos aqui apresentados para os testes, ao contrario da composic~ao
do Arcomov/X.
No terceiro e ultimo passo as ERBs selecionadas na etapa de composic~ao
s~ao submetidas a um algoritmo de alocac~ao de canais, que, leva a demanda
de cada ponto em considerac~ao. Se n~ao for encontrada uma soluc~ao viavel
(a distribuic~ao de canais pelas ERBs n~ao for su ciente para atender a um limite
de chamadas medias) o processo e reiniciado a partir do passo um (com

70 Cap tulo 3. Localizac~ao de Estac~oes Radio e Unidades Moveis
Entrada Execuc~ao Soluc~ao No. antenas
(s) (s) no. ERB setorizadas
M3 51.49 37.31 3
M2 1.91 10.17 3
M2 linear 1.9 9.62 3
Soluc~ao existente 2
Tabela 3.1: Resultados para JF { 10 localizac~oes candidatas e 15584 pontos
o acrescimo de estac~oes e/ou diminuic~ao das pot^encias de transmiss~ao, altura
das torres, etc.) buscando-se uma con gurac~ao de ERBs com melhor aproveitamento
espectral. Considerac~oes sobre interfer^encia s~ao feitas nessa etapa.
Da a import^ancia, se poss vel considerar a localizac~ao acoplada a alocac~ao de
canais, como sera visto no proximo cap tulo.
Para os testes relatados considera-se apenas a fase inicial do processo, ou
seja, a massa de dados geradas pelo Arcomov/X. Dessa forma n~ao foi explorada
a exibilidade das soluc~oes geradas pelos modelos em caso de overlap.
Para JF foram usadas 10 ERBs candidatas para 15584 pontos, tal numero
de pontos corresponde aarea total. Os resultados obtidos nesse caso com os
modelos M3M2eM2 linearisado s~ao mostrados na tabela 3.1. A soluc~ao
existente relatada nas tabelas coresponde a soluc~ao implementada na pratica,
independente dos modelos.
A princ pio, os resultados gerados pelo modelo instalaram uma estac~ao a
mais que a soluc~ao existente, a qual atendia a apenas 16 pontos fora da mancha
urbana de forma exclusiva, portanto uma area de cobertura inferior a testada.
Os testes executados apenas para a mancha urbana levaram a mesma soluc~ao
existente.
Para BH foram usadas 168 ERBs candidatas, sendo 145 estac~oes setorizadas
com 3 setores, uma estac~ao com 2 setores, e 21 antenas unidirecionais. Para
efeito de teste procedeu-se de duas maneiras. Primeiro cada setor foi considerado
como sendo uma ERB distinta, levando a um numero de 168 ERBs.
Depois os testes foram executados considerando-se cada conjunto de setores
de uma mesma torre como sendo uma unica ERB. Dessa forma o numero de
variaveis (ERBs candidatas) foi reduzido para 71. Os tempos de execuc~ao e
carga, assim como as soluc~oes respectivas s~ao mostrados nas tabelas 3.2 e 3.3
No primeiro caso, onde os setores foram tratados como ERBs, observou-se
que os modelos exclu ram da soluc~ao setores de uma mesma torre, mostrando-se

3.1 Localizac~ao de ERB 71
Entrada Execuc~ao Soluc~ao No. antenas
(s) (s) no. ERB setorizadas
M3 41.73 32.68 25
M2 2.6 1.96 25
M2 linear 2.56 1.87 25
Soluc~ao existente 26 20
Tabela 3.2: Resultados para BH { 168 localizac~oes candidatas e 8556 pontos:
Caso 1 { cada setor de antena como uma ERB individual
Entrada Execuc~ao Soluc~ao No. antenas
(s) (s) no. ERB setorizadas
M3 43.52 35.09 21 13
M2 3.83 2.99 21 13
M2 linear 3.75 2.63 21 13
Soluc~ao existente 26 20
Tabela 3.3: Resultados para BH { 168 localizac~oes candidatas e 8556 pontos:
Caso 2 { cada conjunto de antenas setorizadas como uma ERB
insens vel a tal particularidade. Isto se deve ao fato dos setores transmitirem
em regi~oes proximas, sendo o controle de pot^encia em cada um executado
rigidamente pela estac~ao transmissora, informac~ao n~ao dispon vel ao modelo.
No segundo caso os modelos levaram a uma soluc~ao com a maioria das
ERBs setorizadas. A soluc~ao encontrada gastou um numero menor de ERBs
que a soluc~ao existente (5 estac~oes a menos). Considerando o elevado custo de
uma ERB esta soluc~ao emuito melhor em termos de investimento. No entanto,
deve ser considerado a n~ao aplicac~ao da terceira etapa do processo de decis~ao,
a alocac~ao de canais as ERBs selecionadas. Com essa etapa seria garantida
a viabilidade da soluc~ao encontrada. No entanto, o alto numero de estac~oes
setorizadas adotadas na soluc~ao sugere uma poss vel viabilidade na pratica.
Deve-se ressaltar que a escolha das ERBs setorizadas pelo modelo n~ao foi
feita devido ao melhor aproveitamento espectral dessas { como foi explicado
anteriormente. Tal escolha se deu devido ao fato de que as ERBs setorizadas
escolhidas cobriam uma area t~ao grande quanto as unidirecionais. Uma forma
de premiar a escolha das ERBs setorizadas e acrescentar uma func~ao de desconto
a func~ao objetivo, acionada ao se fazer uso de uma ERB setorizada. Isso

72 Cap tulo 3. Localizac~ao de Estac~oes Radio e Unidades Moveis
vem desvirtuar o caracter econ^omico do modelo, porem compensa um maior
aproveitamento espectral. Outra alternativa seria limitar a area maxima de
cobertura das ERBs unidirecionais. Isto pode ser feito no modelo M3, ou,
em simulac~oes preliminares, como foi discutido anteriormente. Na pratica tal
soluc~ao e amplamente adotada uma vez que antenas unidirecionais com altas
pot^encias de transmiss~ao s~ao as principais responsaveis pelo n vel geral de
interfer^encia no sistema.
Esses modelos mostram bom desempenho quando implementados em um
pacote de otimizac~ao. Os tempos de resoluc~ao s~ao apropriados para o uso
destes em situac~oes praticas. Caracter sticas como a analise de sensibilidade
das soluc~oes e a explorac~ao de suas caracter sticas de overlap destas prov^eem
ao modelo exibilidade como uma ferramenta de projeto de sistemas celulares.
Sua independ^encia do modelo de propagac~ao de sinal tambem torna o seu uso
compat vel com qualquer sistema que se use para esse m.
Quest~oes de e ci^encia espectral, porem, n~ao podem ser consideradas no
modelo em um contexto isolado. A m de se conseguir toda a exibilidade que
o modelo pode oferecer deve-se mant^e-lo integrado a um processo de decis~ao de
localizac~ao de ERB, onde sejam considerados aspectos relevantes ao problema
que s~ao abstra dos do modelo, como interfer^encia entre ERBs e alocac~ao de
canais.
3.2 O Problema de Localizac~ao de Unidade
Movel
Ae ci^encia no atendimento de uma chamada em um sistema de comunicac~ao
movel esta diretamente ligada a rapida localizac~ao do usuario chamado dentro
do sistema. Para tal, este monitora a mobilidade de seus usuarios atraves das
areas de registro da localizac~ao ou LR { Location Registration areas. A area
coberta e dividida em varias LRs, cada uma contendo um numero de celulas
identi cadas por um LAI { Location Area Identi er. Na controladora de LR
s~ao tambem mantidos os registros de identi cac~ao e tarifac~ao dos usuarios.
Amanutenc~ao das LR depende de duas operac~oes basicas: atualizac~ao de
localizac~ao ou LU { Location Update eapesquisa da unidade movel ou paging.
Sempre que uma unidade movel entra em uma nova LR, eprovidenciado o seu
registro na nova LR, ou a sua LU, e uma das ERBs da nova LRe informada
da presenca da nova unidade. Qualquer chamada para a unidade movel sera
roteada para a nova LR. Com isso libera espaco de armazenamento na LR
anterior, apesar de ser uma operac~ao bastante custosa e com acrescimo de

3.2OProblema de Localizac~ao de Unidade Movel 73
carga para o sistema.
O procedimento de pesquisa e usado pelo sistema movel para contactar uma
unidade movel dentro de uma LR. Mensagens de broadcast s~ao enviadas dentro
de cada celula que comp~oe a LR, de forma a permitir a correta localizac~ao da
unidade. A pesquisa por um usuario espec co inicia pelo envio de sinal para
acelula do ultimo registro. Caso n~ao seja localizado, mensagens s~ao enviadas
para as celulas vizinhas dentro de uma mesma LR, e, caso negativo, estende
para outras LRs. Este etambem um processo bastante custoso gerando uma
sobrecarga no sistema.
Essas operac~oes s~ao contrastantes na medida em que quanto maior for a
pesquisa maior sera onumero de LU, mas tambem maior sera a sobrecarga,
ocupando excessivamente o canal de controle da unidade movel pesquisada
edasn~ao pesquisadas. Ainda mais, a energia armazenada na bateria das
unidades moveis e um recurso bastante escasso. Com o objetivo de otimizar o
uso dessa energia e dos canais de comunicac~ao entre as ERBs e unidades moveis,
o custo com essa operac~ao deve ser minimizado. Exempli cando o contraste
de objetivos dessas operac~oes duas pol ticas podem ser adotadas. A primeira
denominada \atualize-sempre", cada unidade movel realiza uma operac~ao de
atualizac~ao de localizac~ao toda vez que entra em uma nova celula. Nesse caso,
a taxa de atualizac~ao e alta, uma vez que a cada movimentac~ao entre celulas,
a unidade movel e obrigada a realizar uma atualizac~ao. No entanto, o custo
associado com a operac~ao de pesquisa e extremamente baixo, pois o sistema
sempre sabe em que celula esta a unidade movel. A pol tica oposta \nuncaatualiza",
a unidade movel nunca atualiza sua localizac~ao. O custo associado
com a operac~ao de LU enulo. Porem, o custo com a pesquisa e bastante elevado
sendo enviado mensagens para todas as ERBs do sistema.
Com a evoluc~ao dos sistemas moveis o processo de LU tende a di cultar
com registros mais complexos. Por outro lado, a maioria dos metodos propostos
tendem a reduzir a pesquisa em consequ^encia da sobrecarga na rede, buscando
identi car bons per odos para atualizac~ao da localizac~ao de cada usuario.
Varias pol ticas de monitorac~ao de movimentac~ao das unidades moveis t^em sido
propostas, explorando tempo, dist^ancia percorrida pela unidade movel e velocidade
de movimentac~ao. Em cada per odo de atualizac~ao pre-de nido, o usuario
compara o LAI de sua area atual com o registrado em sua memoria. Em caso
de mudanca, a unidade movel envia mensagem para ERB mais proxima informando
sua presenca e localizac~ao anterior. A nova LR solicita os registros da
unidade e executa o LU.
Uma pol tica estatica e proposta em [27], onde um subconjunto de celulas
s~ao selecionadas e designadas como sendo centros de localizac~ao. Dessa forma,

74 Cap tulo 3. Localizac~ao de Estac~oes Radio e Unidades Moveis
toda vez que uma unidade movel entra em uma dessas celulas ela devera realizar
uma operac~ao de atualizac~ao de localizac~ao. Sempre que o sistema necessitar se
comunicar com a unidade movel, ele ira procurar pela mesma nas proximidades
do centro de localizac~ao onde foi feita a ultima operac~ao de atualizac~ao. A
desvantagem desta tecnica esta nan~ao garantia do usuario passar por um dos
centros, podendo se distanciar bastante do centro de localizac~ao inicial, sem
efetuar qualquer atualizac~ao.
As alternativas se baseiam em pol ticas din^amicas em que as unidades
moveis atualizam as localizac~oes conforme a movimentac~ao e n~ao mais em
centros de localizac~ao pre-de nidos. No entanto, cada unidade passa a decidir
de forma independente quando e onde efetuar a atualizac~ao. Essas abordagens
s~ao mais ex veis mas cabe a unidade movel efetuar todos os calculos para
identi car os per odos de atualizac~ao. Isso implica em consumo de energia da
unidade movel. Dependendo da abordagem pode exigir tambem o conhecimento
de outros par^ametros, como a topologia da rede no caso de criterios de
dist^ancia.
Uma pol tica din^amica simples se baseia em tempo. Cada unidade movel
informa a sua localizac~ao a cada per odo de tempo T. Depende apenas de um
relogio em cada unidade movel. A grande di culdade e de nir um T para cada
usuario capaz de minimizar o custo de atualizac~ao e pesquisa.
Na pol tica baseada em movimento cada unidade movel contabiliza o
numero de fronteiras de celulas percorridas e, atingindo um limite espec co,
comunica a sua nova localizac~ao. A implementac~ao e mais complexa que a anterior
e a unidade movel tem de registrar cada cruzamento de fronteiras. Algumas
pol ticas complementares podem ser implementadas [124]. Os usuarios s~ao divididos
em alto e baixo padr~oes de movimentac~ao. S~ao propostos metodos de
caching para o primeiro grupo e um esquema de agentes moveis (mobile oating
agents) para o segundo. O esquema de caching distribui os registros do usuario
pelas LRs vizinhas a sua localizac~ao, buscando explorar uma certa localidade
referencial. Os agentes evitam as LUs com a implementac~ao de apontadores
nas LRs por onde o usuario se movimenta. O sistema cria um agente na LR
distante capaz de enderecar os dados do usuario. Estas pol ticas reduzem os LU
a custos razoaveis, mas ainda se torna necessario de nir o tamanho do cache,
numero ideal de agentes e como distribuir os usuarios em grupos.
A terceira pol tica se baseia na dist^ancia percorrida pela unidade movel
desde a sua ultima LU. A dist^ancia percorrida e tomada com base na disposic~ao
s ca das celulas. Com base na sua posic~ao geogra ca atual, a unidade movel
veri ca a dist^ancia com relac~aoacelula da ultima LU. Se a dist^ancia for superior
a um limite pre-de nido realiza uma nova LU.Eapoltica mais complexa,

3.2OProblema de Localizac~ao de Unidade Movel 75
exigindo que a unidade movel tenha conhecimento da topologia da malha das
celulas. Ainda nesse caso, a pol tica e dependente da de nic~ao do limite de
dist^ancia para atualizac~ao.
As pol ticas baseadas em dist^ancia geram resultados melhores que as demais
[47, 28], no sentido de reduzir a pesquisa em caso de nova chamada para a
unidade movel para uma mesma taxa de atualizac~ao. S~ao mais complexos mas
com custos mais baixos de localizac~ao. No entanto, o numero de LUs pode se
tornar elevado. O limite de dist^ancia para atualizac~ao pode ser de nido por
modelos markovianos [47], ou por heur sticas como simmulated annealing [106].
Partindo da premissa inicial em que os custos de LUs excedem os custos
de pesquisa, principalmente para os sistemas de terceira gerac~ao e para
aplicac~oes com mobilidade de recursos, de nidos abaixo, torna-se necessario
um melhor planejamento das areas de localizac~ao. Os projetos de rede de computac~ao
movel em sistemas de terceira gerac~ao dever~ao se basear em novos
paradigmas que considerar~ao a relac~ao entre LR, conex~ao a CCC e servidores
de servicos. O planejamento de areas de localizac~ao tem como objetivo minimizar
a ocorr^encia de LU dentro de limites aceitaveis de pesquisa, baseado na
capacidade do sistema de suportar a carga de sinalizac~ao sem sobrecarrega-lo.
Cinco diferentes metodos de planejamento de LR s~ao propostos em [147]: baseados
em heur sticas para atribuic~ao de celulas a LRsbaseados em criterios
de distribuic~ao de habitantes de uma regi~ao metropolitana e os seus padr~oes
usuais de movimentac~aobordas sobrepostas onde celulas pertencem a mais de
um LRbaseado em zonas de tempo onde o numero de LRs evariado com a
distribuic~ao do trafego do sistema ao longo do per odo de servicoe planejamento
baseado no agrupamento de usuarios conforme as suas caracter sticas
de movimentac~ao. As soluc~oes para estas propostas se baseiam nas tecnicas de
pesquisa tabu, simmulated annealing e branch and bound. A menos das zonas
de tempo, todos os metodos fornecem bons resultados.
Os metodos de agrupamento de usuarios seguem uma tend^encia de predic~ao
da movimentac~ao das unidades moveis, com padr~oes de movimentac~ao circular,
segmentado [142], etc. A aleatoriedade do sistema pode ser representada por
uma cadeia de Markov que atua na predic~ao da localizac~ao do usuario. Isso
viabiliza o acesso pelo usuario, a partir de qualquer ponto da rede, aos recursos e
servicos dispon veis em seu host nativo, disponibilizando os recursos do usuario
na proxima localizac~ao esperada, pela sua pre-alocac~ao. Assim, o usuario tem
acesso cont nuo aos seus dados, caracterizando um hando de estruturas de
dados [142].
De nida a pol tica de atualizac~ao de localizac~ao resta avaliar as pol ticas
de pesquisa ou paging. Uma pesquisa e realizada pelo sistema de comunicac~ao

76 Cap tulo 3. Localizac~ao de Estac~oes Radio e Unidades Moveis
movel sempre que uma unidade movel necessita ser conectada. A pesquisa e
realizada atraves de mensagens de broadcast enviadas as areas de cobertura das
ERBs. Nas abordagens tradicionais as mensagens s~ao enviadas para todas as
ERBs, permitindo a localizac~ao de forma mais rapida. Por outro lado, o custo
e elevado pois todas as unidades moveis ter~ao de processar a mensagem. Este
procedimento sera otimizado se as mensagens de broadcast forem espalhadas
para um grupo menor de celulas, atraves de pol ticas de pesquisa seletiva.
A pesquisa seletiva se processa nas celulas da LR com maior probabilidade
de localizac~ao da unidade movel. A maior probabilidade recai sobre a celula
onde foi feita a ultima LU, seguida das celulas vizinhas. Quanto mais distante
uma celula estiver da celula onde foi realizada a ultima LU, menor e a probabilidade
de se encontrar a unidade movel nessa celula. Com isso o tempo de
localizac~ao passa a ser diretamente proporcional a dist^ancia entre a celula atual
eacelula onde foi realizada a ultima LU. Portanto, esse par^ametro tambem
in uencia diretamente na qualidade de servico do sistema. A soluc~ao consiste
na busca de um equil brio entre o tempo gasto para localizar uma unidade
movel e o numero de agrupamentos de celulas utilizados para o processo de
pesquisa seletiva. Algumas formulac~oes [3, 2] procuram limitar o tempo gasto
na pesquisa minimizando o custo de pesquisa dentro de uma LR, segundo
padr~oes estat sticos de recebimento de chamadas e mobilidade das unidades
moveis localizadas dentro da LR. Em [3] se concentra na movimentac~ao de
unidades moveis veiculares, uma vez que s~ao unidades com alta taxa de LU,
maior velocidade de movimentac~ao e maior area de LR. Geralmente, o padr~ao
de movimentac~ao depende das caracter sticas da area onde a unidade movel
esta localizada e do per odo do dia. Em [2] eintroduzido o modelo de mobilidade
de dist^ancia m nima. Neste modelo, a unidade movel atravessara aarea
correspondente a uma LR sempre pelo menor caminho, medido em numero de
celulas.
Foram apresentadas algumas abordagens para o problema de localizac~ao de
unidades moveis. Trata-se de um problema atual, bastante complexo e uma
grande de area de pesquisa. Outras abordagens s~ao tambem apresentadas em
[12, 29,197].

Cap tulo 4
Alocac~ao de Canais
A alocac~ao de canais consiste em distribuir entre as ERBs o conjunto de canais
dispon veis no sistema, sempre observando os n veis de interfer^encia e dist^ancia
de reuso. O custo do servico esta diretamente vinculado ao numero de ERBs
instaladas. Portanto, uma reduc~ao nesse numero implica em reduc~ao de custos.
Por outro lado, este objetivo somente sera atendido com uma explorac~ao
e ciente do espectro de frequ^encias. Entre as alternativas adotadas, destacase
a alocac~ao xa, onde um numero xo de canais e alocado a cada ERB.
Esta alternativa e bastante simples mas n~ao leva em considerac~ao o trafego
e a mobilidade dos usuarios. Explorando esses aspectos, a alocac~ao din^amica
surge com diversas opc~oes. Os canais cam armazenados e s~ao distribu dos
conforme demanda em cada area de abrang^encia de uma ERB. Nesse contexto
ganha-se em exibilidade mas pode se perder em complexidade. Em redes com
alto trafego os tratamento din^amicos tornam-se ine cientes e perdem espaco
para alocac~ao xa. Da aadoc~ao de tratamentos h bridos. Procuram explorar
um m nimo de canais xos e um subconjunto de canais alocados dinamicamente
[63, 129,218, 244].
A alocac~ao de canais pode ser vista em diversos contextos. Uma vis~ao
geral sobre problemas de alocac~ao de frequ^encias aparece em [99]. O objetivo
e sempre alocar frequ^encias para os diversos pares transmissor/receptor, com
alta qualidade de servico e m nimainterfer^encia. No entanto, outros objetivos
podem tambem ser considerados, entre eles, a alocac~ao do maior numero de
antenas em uma mesma torre, reduc~ao do espectro usado, otimizac~ao do uso de
canais, ou ajuste na pot^encia de transmiss~ao. Um dos contextos bastante usual
consiste na alocac~ao de canais para o atendimento das unidades moveis, que
e explorado neste texto. Mais especi camente destaca-se a alocac~ao de canais

78 Cap tulo 4. Alocac~ao de Canais
para comunicac~ao via radio celular. Outro enfoque se refere a alocac~ao de canais
para comunicac~ao entre radios, bastante usual nas comunicac~oes militares [206]
e telefonia interurbana [146]. Esse problema aparece na literatura com a sigla
RLFAP (Radio Link Frequency Assignment Problem), alocac~ao de frequ^encia
em conex~oes radio, [132, 206]. Cabe ainda destacar alocac~ao de frequ^encias
em servicos broadcast [35] e servicosdecomunicac~ao ar-terra, como usado em
aeroportos, [69].
De uma forma simpli cada, uma soluc~ao para o problema consiste em dividir
o conjunto de canais em subconjuntos ortogonais, baseado em um fator
de reuso, e distribu -los as estac~oes observando a dist^ancia de reuso. Esse tratamento
considera a homogeneidade das areas de abrang^encia de cada ERB e
a sua forma hexagonal, o que n~ao ocorre na pratica. Em outra direc~ao seria
reduzir a interfer^encia pelo ajuste das pot^encias de transmiss~ao em cada ERB,
o que tem sido uma pol tica tambem explorada.
Um segunda alternativa e buscar alguma medida de interfer^encia entre as
ERBs. A partir dessas medidas s~ao criados mapas de interfer^encia para cada
ERB. Desses mapas, um canal somente eatribudo a uma ERB se e su cientemente
distante de cada um dos canais das ERBs interferentes. Outra restric~ao
eainterfer^encia entre os canais da propria ERB, que devem observar uma
dist^ancia entre si.
Essas alternativas visam, em geral, uma alocac~ao xa de canais. Por outro
lado, a alocac~ao din^amica tem como objetivo umapoltica de distribuic~ao de
canais entre as ERBs, resolvendo os con itos de interesse por canais por varias
ERBs. As dist^ancias de reuso devem ser respeitadas e o desempenho da rede
n~ao pode ser comprometido pelo excessivo trafego gerado, resultante da troca
de informac~oes entre as ERBs. A alocac~ao segue as mesmas restric~oes de interfer^encia
mas tambem busca a exibilidade necessaria para o atendimento da
demanda. Uma ERB que apresenta folga de canais pode ceder para outra que
necessita de canais adicionais para atendimento de sua demanda local.
A alocac~ao de canais alem de considerar a interfer^encia entre canais, deve
visar o atendimento dos usuarios dentro de padr~oes de qualidade de servico.
S~ao duas as principais interfer^encias a serem exploradas. A primeira eainterfer^encia
co-canal decorrente da interfer^encia da mesma frequ^encia alocada a
estac~oes vizinhas. A segunda advem da interfer^encia adjacente provocada por
frequ^encias alocadas a mesma celula.
Outro problema de alocac~ao em sistemas de comunicac~ao movel eaalocac~ao
de codigos e controle de pot^encia em tecnologia CDMA. Este eumnovo contexto
que vem substituir a alocac~ao de canais convencional adotada com as
tecnologias FDMA e TDMA, e aqui estudadas. Ele consiste na alocac~ao de

4.1 Alocac~ao Fixa de Canais 79
codigos ortogonais a conex~oes entre usuarios restrito acolis~oes entre eles. O
reuso espacial de codigos, de forma similar ao reuso de frequ^encias, e importante
para evitar a explos~ao do numero de diferentes codigos e maiores custos computacionais.
Uma alocac~ao din^amica ajudaria a prevenir perda de qualidade de
transmiss~ao em consequ^encia de mudancas topologicas da rede, principalmente
em redes genericas e n~ao apenas celulares.
Uma proposta para redes genericas edadaem[109] usando CDMA. Deriva
func~oes para o numero de codigos requeridos em diferentes esquemas de
alocac~ao. E apresentado um algoritmo centralizado para a alocac~ao baseado em
colorac~ao de grafos e duas implementac~oes distribu das. Nessas, os nos da rede
trocam informac~oes sobre os nos interferentes entre si, buscando formar uma
cadeia de interfer^encia. Outra alternativa s~ao os grafos de interfer^encia [82],
que podem ser aplicados para todas as principais tecnologias de multiplexac~ao,
entre elas FDMA, TDMA e CDMA. Para redes celulares baseadas em FDMA,
os nos s~ao as ERBs e as unidades moveis. Dois nos s~ao interligados por um
arco se esses interferem entre si, ou seja, caso usem canais de mesma frequ^encia
e estejam na mesma celula ou vizinhas. O melhor reaproveitamento espacial
dos recursos (tempo, frequ^encia, codigo, etc) se reduz a achar um conjunto
maximo de arcos independentes, ou um clique no grafo. Esse e um problema
NP-Completo e o autor prop~oe uma heur stica polinomial capaz de gerar uma
soluc~ao n~ao interferente.
Em resumo, o problema de alocac~ao de canais e bastante complexo e tem
recebido muita atenc~ao na literatura [218, 244, 129, 63, 206]. Em sua grande
maioria s~ao problemas de otimizac~ao combinatoria que exploram modelos e
algoritmos ja conhecidos na literatura. Nosso objetivo e analisar diversos
contextos de aplicac~ao e apresentar modelos e algoritmos capazes de de nir
uma pol tica e ciente de distribuic~ao de canais. Este problema e apresentado
de forma isolada nas duas proximas sec~oes, considerando a alocac~ao xa e
din^amica de canais. A sec~ao nal integra os procedimentos de localizac~ao de
estac~oes e alocac~ao de canais.
4.1 Alocac~ao Fixa de Canais
A alocac~ao xa de canais parte do pressuposto que os canais dispon veis s~ao
ortogonais. Isso implica que para qualquer par de canais i e j prevalece a
restric~ao:
jfi ; fjj n n inteiro (4:1)

80 Cap tulo 4. Alocac~ao de Canais
Essa restric~ao imp~oe uma dist^ancia, medida em numero de canais, entre
pares de frequ^encias alocadas as ERBs interferentes. Esse dist^ancia e menor
para interfer^encia co-canal, usualmente um canal. Para interfer^encia adjacente
deve-se adotar um numero maior de canais, usualmente 10 canais, [57, 141].
Supor que o conjunto de canais dispon veis e totalmente ortogonal euma
abordagem simpli cada do problema de alocac~ao de canais. Ou seja, esta
sendo suposto que os canais n~ao s~ao interferentes entre si. Na pratica isto
signi ca que as frequ^encias obedecem a restric~ao (4.1) por de nic~ao - os canais
s~ao estabelecidos com um intervalo de um canal de dist^ancia entre cada canal
consecutivo. Tal limitac~ao leva aumnumero menor de canais dispon veis no
sistema, porem simpli ca sensivelmente o tratamento do problema.
A outra simpli cac~ao feita e desconsiderar qualquer outro tipo de interfer^encia
que n~ao a co-canal - interfer^encia por canal adjacente e interfer^encia
por composic~ao de sinal [57], por exemplo. Tal simpli cac~ao permite que o problema
possa ser tratado sem que sejam feitas considerac~oes sobre as restric~oes
a canais em uma mesma ERB como discutido acima.
Essas simpli cac~oes limitam o espaco de soluc~oes do problema. No entanto,
tendo como objetivo a sua integrac~ao ao problema de localizac~ao de ERBs,
como sera discutido na ultima sec~ao deste cap tulo, essa alternativa eviavel.
4.1.1 Modelo
As simpli cac~oes propostas reduzem o problema geral a um simples problema
de alocac~ao de frequ^encias as ERBS, partindo de um conjunto pre-de nido de
frequ^encias. O modelo a ser aqui apresentado n~ao trata do problema ao n vel
de de nic~ao dos conjuntos de canais.
Sejam N e K os conjuntos de ERBs e frequ^encias respectivamente. Seja o
seguinte conjunto de variaveis de decis~ao:
zik =
1 se a frequ^encia k e alocada a estac~ao i
0 caso contrario:
Seja N i o conjunto de estac~oes interferentes a estac~ao i. Nesse conjunto
os canais devem ser mutuamente exclusivos - apenas uma das ERBs desse
conjunto pode ter um determinado canal alocado. Dessa forma, um canal k
somente podera ser alocado a uma das estac~oes em N i .
A alocac~ao de canais visa atender a demanda por comunicac~ao. Nesse
sentido, os canais devem ser atribu dos as ERBs em conformidade com alguma
medida de demanda de chamadas. Dessa forma, o par^ametro de demanda di

4.1 Alocac~ao Fixa de Canais 81
pode ser de nido como sendo a raz~ao entre o trafego medio de chamadas ti na
area da ERB i em um per odo de tempo, pelo numero maximo de usuarios por
canal Uc permitido pelo sistema.
O trafego medio de chamadas pode ser considerado em diferentes intervalos
de tempo. A refer^encia classica em telefonia e considerar a hora de pico. No entanto,
a mobilidade dos sistemas celulares torna-se o calculo desses par^ametros
extremamente complexo. Por sua vez, o par^ametro Uc e uma quest~ao de projeto
e afeta diretamente a qualidade de servico. Isso porque, ao alocar um elevado
numero de usuarios para cada canal, a perda de chamadas pode tambem ser
sensivelmente elevada. O movimento em sentido contrario reduz a perda de
chamadas e proporciona uma melhor qualidade de servico. Esses par^ametros
tambem podem variar de empresa para empresa e para diferentes areas. Um
valor para Uc comumente explorado na pratica gira em torno de 20 a 26.
De nido os principais par^ametros do problema, um modelo matematico
pode ser formulado com o objetivo de maximizar o numero de canais no sistema
sujeito as restric~oes de interfer^encias. Um maior numero de canais no sistema
implica em um melhor atendimento dos usuarios.
OmodeloedadoporMA1:
sujeito a:
X
l2N i
X
k2K
max X
X
i2N k2K
zik
(4:2)
zlk 1 8i 2 N8k 2 K (4.3)
zik di 8i 2 N (4.4)
zik 2f0 1g 8i 2 N8k 2 K (4.5)
Pelas restric~oes (4.3) o conjunto os canais devem ser mutuamente exclusivos,
apenas uma das ERBs do conjunto N i pode ter o canal k alocado. O conjunto
de restric~oes (4.4) garante o atendimento da demanda assinalada a cada ERB.
4.1.2 Algoritmos e Implementac~ao
O modelo MA1e um problema de Programac~ao Linear Inteira. O numero de
variaveis inteiras e da ordem de jNj jKj. Na pratica tal numero emuito
elevado para a implementac~ao em pacotes de otimizac~ao. Em [226] o autor
considera a exist^encia de 333 canais para a banda A de 20 MHz. Tal numero

82 Cap tulo 4. Alocac~ao de Canais
pode ser ainda maior caso venha a se considerar outras alternativas,comoa
setorizac~ao, a banda de 25 MHz e mesmo a banda B. O conjunto N pode
ser t~ao grande quanto se queira, porem para testes conclusivos um numero da
ordem de 100 ERBs e recomendavel. Dessa forma o modelo teria da ordem
de 30000 variaveis, o que torna-o inviavel do ponto de vista de implementac~ao
em pacotes. A alternativa e explorar heur sticas, simpli cac~oes e pacotes de
otimizac~ao para problemas menores. Outra alternativa e resolver o problema
linear, e pela inclus~ao de cortes e uso sucessivo de soluc~ao de problemas lineares,
caminhar para uma soluc~ao otima.
Uma soluc~ao para este problema pode ser conseguida observando-se que
como os canais s~ao ortogonais, a informac~ao de qual canal ja foi alocado a cada
ERB n~ao erelevante ao se alocar um novo. O que e necessario eonumero
de canais alocados. Visto sob essa otica o problema pode ser encarado como
um problema de busca. No entanto, devido ao grande numero de variaveis o
numero de combinac~oes poss veis torna-se proibitivo.
Outra alternativa seria ainda considerando a ortogonalidade dos canais,
executar o modelo em um pacote para um canal de cada vez, subtraindo a
demanda daquelas ERBs que tiveram o canal alocado naquela iterac~ao.
Concluindo, o modelo apresentado, apesar de ser uma simpli cac~ao do problema
real, serve pararevelar algumas caracter sticas de interesse desse ultimo.
Em particular, caso as simpli cac~oes assumidas possam ser garantidas, o modelo
leva a uma soluc~ao de otimo global. A propriedade de falta de memoria dos
canais alocados, nesse caso, pode tambem servir de inspirac~ao para o estudo
de uma soluc~ao heur stica para o problema mais generico.
Uma quest~ao que ca em aberto e que merece ainda considerac~ao eadenic~ao
dos conjuntos Ni. Essa etapa etambem bastante complexa.
4.2 Alocac~ao Din^amica de Canais
Na alocac~ao din^amica os canais s~ao atribu dos as ERBs sujeito as mesmas restric~oes
de interfer^encia exigidas para o caso de alocac~ao xa. No entanto, a
alocac~ao busca o atendimento da demanda de forma din^amica. Este procedimento
pode ser totalmente centralizado. Nesse caso os canais s~ao armazenados
e distribu dos conforme demanda, n~ao existindo qualquer associac~ao entre
canais e ERBs. Ou e distribu do, com a implementac~ao do controle de canais
concentrado nas ERBs. Ou seja, se uma ERB tem canais em excesso em relac~ao
ademandaporcomunicac~ao em sua area de cobertura, ela pode ceder alguns
canais para outra ERB que esteja em debito com sua demanda. Cada ERB
tem conhecimento da disponibilidade de canais em sua vizinhanca.

4.3 Localizac~ao de ERBs e Alocac~ao de Canais 83
O procedimento din^amico totalmente centralizado ganha em exibilidade
mas emuito pouco recomendado para redes com alta carga. Nesse sentido a
tend^encia e adotar procedimentos h bridos que procuram explorar as vantagens
das alocac~oes xa e din^amica simultaneamente. O objetivo central e conseguir
uma boa distribuic~ao do processamento necessario ao longo dos nos da rede,
gerando um trafego dentro de limites aceitaveis, e resolvendo as situac~oes de
con itos de forma rapida e e ciente com relac~ao a soluc~ao e uso do espectro.
Deve haver um equil brio impl cito no uso de canais por parte das ERBs e a
distribuic~ao da computac~ao ao longo da rede. Com isso o investimento em
hardware adicional seria reduzido. Em paralelo, deve ser mantido um baixo
n vel de trocas de mensagens na rede. Muitas pol ticas h bridas se baseiam em
garantir um m nimo xo e o restante din^amico. Nesse sentido, uma alocac~ao
inicial xa etambem fundamental, mapeando a demanda media em cada celula
das respectivas estac~oes.
Como todas as pol ticas de distribuic~ao e alocac~ao din^amicas, a alocac~ao
de canais e tambem altamente complexa. Sua e ci^encia deve ser amplamente
testada para obtenc~ao de garantia de qualidade da soluc~ao,edeidenti cac~ao
dos casos em que melhor se aplica. Por outro lado, pode gerar ganhos enormes.
Neste contexto, varios podem ser os criterios a serem avaliados, desde procedimentos
centralizados ou distribu dos e as diferentes formas de selecionar o
canal a ser alocado a uma ERB solicitante. Pode ser apenas uma selec~ao do
primeiro canal dispon vel ou se basear em par^ametros medios de uso, demanda
ou alocac~ao dos canais.
Muitos pesquisadores est~ao atuando nesse segmento visando a obtenc~ao de
uma pol tica capaz de conferir o carater de justica na distribuic~ao de canais
[244, 129, 72,63]. A principal di culdade referente a implementac~ao destas
soluc~oes esta na complexidade do problema. Em [72] mostra-se que o problema
e redut vel matematicamente ao problema de colorac~ao de vertices em grafos,
que e conhecidamente NP-completo. A necessidade de tais soluc~oes serem executadas
em tempo real vem agravar ainda mais a quest~ao de sua complexidade.
4.3 Localizac~ao de ERBs e Alocac~ao de Canais
Como visto anteriormente, tanto o problema de localizac~ao de ERBs como a
alocac~ao de canais s~ao complexos. No entanto, o tratamento de cada problema
isoladamente pode acarretar em perda de qualidade das soluc~oes bem como
dos investimentos necessarios em infraestrutura. Nesta sec~ao e apresentado
um modelo matematico para o problema de localizac~ao de ERBs em conjunto
com a alocac~ao de canais derivado dos modelos discutidos nas sec~oes anterio-

84 Cap tulo 4. Alocac~ao de Canais
res. E mostrado que tal modelo ededifcil implementac~ao, apesar de bastante
generico. Ser~ao discutidas alternativas. No entanto, o modelo apresenta as caracter
sticas desejaveis de express~ao do compromisso entre a area de cobertura
de uma ERB e a quantidade de canais alocados a esta.
O problema de localizac~ao de ERBs n~ao consegue por si so um e ciente
aproveitamento espectral sem efetivamente tratar do problema de alocac~ao de
canais. Tal fato constitui a principal motivac~ao para o estudo de um metodo
de localizac~ao de ERBs e alocac~ao de canais em conjunto. Alem disso, uma
ferramenta dessa natureza viria a ser de grande aux lio para os problemas de
sistemas celulares, dada a complexidade dos problemas envolvidos, alem de
oferecer uma soluc~ao integrada.
4.3.1 Modelos
O primeiro modelo proposto e uma tentativa de unir o modelo M3 delocalizac~ao
com o modelo de alocac~ao MA1. Neste contexto todas as variaveis e
par^ametros anteriores permanecem inalterados. Apenas as constantes dj passam
a representar a demanda media de chamadas no ponto j, uma quadr cula
da area de estudo. Tal constante e de nida como a raz~ao entre o trafego medio
de chamadas em um per odo pelo numero maximo de usuarios por canal aceitos
no sistema. No entanto, aqui, a demanda e de nida para cada quadr cula da
area de estudo, e n~ao mais por celula.
Considerando a demanda localizada nos pontos j da area de estudo, a
alocac~ao de canais em uma ERB i deve se orientar pelo atendimento da demanda
dos pontos por ela cobertos. Essa condic~ao e representada pela relac~ao
entre as variaveis de cobertura x e de alocac~ao de canais z:
X
k2K
zik ; X
j2M
djxij 0 8i 2 N
Esta restric~ao re ete a ponderac~ao fundamental entre a areadeumaERBe
o maior numero de canais alocados a essa. Quanto maior a area de uma ERB,
mais canais s~ao necessarios. Sendo o numero de canais um recurso escasso o
modelo tentara diminuir a area das ERBs de forma a obedecer a limitac~ao do
espectro. Dessa forma o modelo apresenta a caracter stica de aproveitamento
espectral desejada.
Outro conjunto de restric~oes relaciona as variaveis de localizac~ao y com as
de alocac~ao de canais z. Elas garantem que so sejam alocados canais as ERBs
localizadas (yi = 1):

4.3 Localizac~ao de ERBs e Alocac~ao de Canais 85
X
k2K
zik niyi 8i 2 N
onde ni representa o numero maximo de canais suportados pela ERB i. A
princ pio tal numero pode ser qualquer valor maior ou igual ao numero de
canais dispon veis no sistema. No entanto, caso se tenha algum tipo de ERB
que apresente uma limitac~ao no numero de canais suportados, tal restric~ao e
mapeada dessa limitac~ao.
Com essas restric~oes adicionais, o primeiro modelo tratando a localizac~ao e
alocac~ao de forma conjunta edadoporMLA1:
sujeito a:
X
k2K
X
i2N
X
j2M
min X
i2N
ciyi
(4:6)
bijxij 1 8j 2 M (4.7)
bijxij miyi 8i 2 N (4.8)
X
l2N i
zik ; X
j2M
X
k2K
zlk 1 8i 2 N8k 2 K (4.9)
djxij 0 8i 2 N (4.10)
zik niyi 8i 2 N (4.11)
yixijzik 2f0 1g 8i 2 N8j 2 Mk 2 K (4.12)
Este e tambem um modelo de Programac~ao Linear Inteira e com um elevado
numero de variaveis inteiras. E extremamente complexo, e como nos casos anteriores,
o uso de pacotes comerciais torna-se limitado e apenas para pequenas
dimens~oes. Uma tentativa de viabilizar a obtenc~ao de uma soluc~ao seria considerar
as variaveis xij e zik cont muas, enquanto as demais, yi, permanecem
inteiras.
Oproximo passo etentar atuar na de nic~ao dos conjuntos interferentes N i .
Na proxima sec~ao e apresentada uma das abordagens retiradas da literatura
[141]. Posteriormente, essa abordagem sera embutida ao modelo MLA1.

86 Cap tulo 4. Alocac~ao de Canais
4.3.1.1 Divis~ao de Canais em Grupos N~ao Interferentes
Lee [141] apresenta um criterio de agrupamento de canais em subconjuntos n~ao
interferentes baseado na banda dispon vel e na tecnologia adotada nas antenas
transmissoras das ERBs.
Partindo do fato de que cada ERB omni-direcional emunida com tr^es antenas
transmissoras, cada uma destas controladas por um combinador de 16
canais, e poss vel um numero maximo de 48 canais por estac~ao. Destes 3 s~ao
usados para controle e identi cac~ao, existindo ent~ao 45 canais dispon veis para
comunicac~ao de voz.
A estrategia e dividir os canais existentes na banda de transmiss~ao em
subgrupos de canais n~ao interferentes entre si. Cada subgrupo eent~ao alocado
aumcombinador, ou seja, um conjunto de 16 canais.
Considerando-se somente a banda A com 333 canais, resulta em 21 subgrupos
de 16 canais. A partir desse numero de ne-se a dist^ancia entre dois canais
dentro de um mesmo subgrupo como sendo de 21 canais. Tais subgrupos s~ao
rearranjados em 3 grupos (A, B e C) de 7 subgrupos. Estes grupos s~ao assim
escolhidos para um sistema com fator de reuso igual a 7. Dessa forma, os
tr^es conjuntos referentes a uma ERB podem ser escolhidos um de cada grupo,
observando-se a dist^ancia de reuso.
Por exemplo, sejam os conjuntos:
1A 2A 3A 4A 5A 6A 7A
1B 2B 3B 4B 5B 6B 7B
1C 2C 3C 4C 5C 6C 7C
Cada conjunto 1A, por exemplo contem 16 canais com 21 canais de dist^ancia
m nimaentre cada um. Uma ERB omni-direcional com 3 antenas transmissoras
podera escolher por um subgrupo do grupo A, um do grupo B e outro do grupo
C para cada um de seus combinadores:
iA + iB + ic
Essa condic~ao garante a n~ao interfer^encia por canal adjacente e co-canal.
Outro arranjo de antenas pode ser efetuado de forma a se conseguir 90 canais
de voz por ERB. Neste caso a separac~ao m nima entre dois canais adjacentes
deve ser reduzida para 3 canais, o que leva a atribuic~ao dos subgrupos as ERBs
a ser feita da seguinte forma (exemplo):
1A +1B +1C +4A +4B +4C

4.3 Localizac~ao de ERBs e Alocac~ao de Canais 87
ou
1A +1B +1C +5A +5B +5C
No caso de estac~oes setorizadas, com tr^es setores, existem, em geral, duas
antenas transmissoras por setor, cada uma controlada por um combinador de
16 canais. A atribuic~ao de subgrupos de canais de cada combinador neste caso
segue a mesma linha de racioc nio descrita acima.
4.3.1.2 Modelo Considerando Grupos de Canais
O modelo matematico MLA1 apresentado anteriormente pode ser adaptado
para a abordagem do problema de localizac~ao de ERBs com alocac~ao de grupos
de canais. Apesar de um maior detalhamento no tratamento da alocac~ao,
este novo modelo e de implementac~ao viavel, devido a reduc~ao no numero de
variaveis em relac~ao ao modelo anterior.
Seja as seguintes variaveis de nidas a partir dos conceitos de grupos de
canais introduzidos acima:
g a
ik =
g b
ik =
g c ik =
8
<
:
8
<
:
8
<
:
1 se o subgrupo de frequ^encias k do grupo A e
atribu do a estac~ao i
0 caso contrario
1 se o subgrupo de frequ^encias k do grupo B e
atribu do a estac~ao i
0 caso contrario
1 se o subgrupo de frequ^encias k do grupo C e
atribu do a estac~ao i
0 caso contrario
As ERBs interferentes entre si n~ao podem ter o mesmo subgrupo alocado
simultaneamente. Assim, s~ao de nidos dois conjuntos de restric~oes de interfer^encia.
Um subgrupo k 2f1:::7g somente pode ser alocado a uma das
estac~oes em N i , o conjunto de interferentes a ERB i. Ainda mais, cada ERB
em N i somente podera receber um subgrupo k de cada grupo. Essas restric~oes
podem ser escritas na forma:
X
l2N i
X
l2N i
g a
lk 1 8k 8i 2 N
g b
lk 1 8k 8i 2 N

88 Cap tulo 4. Alocac~ao de Canais
X
l2N i
E o segundo grupo de nido por:
X
k
X
k
X
k
g c
lk 1 8k 8i 2 N
g a
lk 1 8l 2 N i 8i 2 N
g b
lk 1 8l 2 N i 8i 2 N
g c
lk 1 8l 2 N i 8i 2 N
Restringindo ainda mais o primeiro grupo, suas restric~oes podem ser colocadas
na forma:
g a
ik + g a
lk 1 8i 2 N8l 2 N i 8k
g b
ik + gb
lk 1 8i 2 N8l 2 N i 8k
g c
ik + g c
lk 1 8i 2 N8l 2 N i 8k
Embutindo todas as condic~oes e restric~oes acima enumeradas as restric~oes
(4.10) e (4.11) do modelo MLA1, resulta:
X
k
(16g a
ik +16g b
ik +16g c
ik) ; X
djxij 0 8i 2 N
E, especi cando que um grupo so deve ser alocado a uma ERB se esta tiver
sido localizada:
X
k
j2M
(16g a
ik +16g b
ik +16g c
ik) niyi 8i 2 N
onde ni signi ca, como antes, a capacidade maxima de canais em uma ERB.
Partindo da proposta de Lee, ni seria igual a 48. A constante 16 para cada
grupo de canais etambem um par^ametro que depende do modelo de grupos de
canais adotado.
O modelo completo MLA2 pode ent~ao ser formulado:
min X
i2N
ciyi
(4:13)

4.3 Localizac~ao de ERBs e Alocac~ao de Canais 89
sujeito a:
X
k
X
k
X
i2N
X
j2M
bijxij 1 8j 2 M (4.14)
bijxij miyi 8i 2 N (4.15)
g a
ik + g a
lk 1 8k 8i 2 N8l 2 N i (4.16)
g b
ik + g b
lk 1 8k 8i 2 N8l 2 N i (4.17)
g c
ik
+ gc
lk 1 8k 8i 2 N8l 2 N i (4.18)
X
k
X
k
X
k
g a
lk 1 8l 2 N i 8i 2 N (4.19)
g b
lk 1 8l 2 N i 8i 2 N (4.20)
g c
lk 1 8l 2 N i 8i 2 N (4.21)
(16g a
ik +16gb
ik +16gc
ik ) P j2M djxij 8i 2 N (4.22)
(16g a
ik +16gb
ik +16gc
ik ) niyi 8i 2 N (4.23)
yixijg a
ikg b
ikg c
ik 2f0 1g 8i 2 N8j 2 M8k (4.24)
Como no modelo anterior, um tratamento aproximado seria supor a linea-
, gb
ridade das variaveis xij, g a
ik
ik
e gc
ik .
4.3.1.3 Considerac~oes sobre o Modelo
O modelo MLA2 apresenta um tratamento aproximado para o problema de
localizac~ao de ERBs levando em considerac~ao uma abordagem de alocac~ao
de canais. Suas dimens~oes s~ao bastante elevadas. Neste caso k representa o
numero de subgrupos de canais de cada grupo, ou seja sete. Dessa forma, uma
vez que o valor de i (numero de ERBs) e da ordem de uma centena, o fator
limitante do numero de restric~oes eo ndice j, onumero de quadr culas na area
de estudo.
Assim, volta-se ao caso de localizac~ao simples, ou seja, a ordem de complexidade
de resoluc~ao desse modelo devera ser semelhante ao de localizac~ao de

90 Cap tulo 4. Alocac~ao de Canais
ERBs sem a alocac~ao, dependente apenas da area de estudo. Portanto, sua
implementac~ao eviavel em situac~oes como no primeiro problema.
A tabela 4.1 apresenta alguns resultados para uma rede com 38 ERBs candidatas,
em uma area de estudo com 2211 pontos, e variando o par^ametro Uc,
numero maximo deusuarios por canal, entre 36 e 20. Todos os testes foram
realizados usando o pacote CPLEX. Observe que um maior valor de Uc exige
um menor numero de ERBs com uma correspondente queda na qualidade de
servico. A elevac~ao dessa qualidade exige um maior numero de ERBs e, portanto,
um custo maior. Pelas dimens~oes do problema teste e poss vel ter uma
estimativa de tempo para soluc~ao do modelo proposto.
Uc No. ERBs Tempo (s) No. Iterac~oes CPLEX
36 21 947.442 1278151
34 22 21.7508 1737202
32 24 883.401 1830327
30 26 1864.03 1720493
28 27 421.618 1177754
26 30 963.156 1871623
24 32 466.799 1415897
22 35 571.576 1635986
20 38 709.989 1295719
Tabela 4.1: Resultados Computacionais
O modelo MLA2 exibe, com menos exibilidade que o modelo generico
MLA1, o compromisso desejado entre a area da estac~aoeonumero de canais
atribu dos a esta. Apesar da pouca exibilidade, o resultado da computac~ao
de tal modelo pode atestar a viabilidade da soluc~ao em um caso pratico.
A extens~ao desse modelo para o caso que englobe ERBs setorizadas e
tambem ERBs omni-direcionais de 90 canais permite dar uma vis~ao mais
econ^omica ao problema. Por exemplo, pode se escolher entre uma ERB omnidirecional
simples, outra com 90 canais e uma outra setorizada, como candidatas
localizadas em um mesmo ponto. Cada uma tem um custo de instalac~ao
diferente, a partir da interac~ao destas com suas vizinhas no modelo.
Os modelos apresentados neste cap tulo apresentam caracter sticas e aspectos
relevantes ao problema de localizac~ao de ERB e alocac~ao de canais no caso
onde a e ci^encia espectral se faz fundamental. O primeiro modelo enquanto se
mostra mais generico e ex vel etambem mais caro do ponto de vista de implementac~ao
e peca por n~ao tratar explicitamente do problema de interfer^encia

4.3 Localizac~ao de ERBs e Alocac~ao de Canais 91
de canal adjacente entre canais de uma mesma ERB. Por sua vez, o modelo
para grupos de canais se mostra de implementac~ao viavel exatamente nos casos
onde o modelo de localizac~ao simples o for. Alem disso, por tratar explicitamente
da interfer^encia por canal adjacente entre canais de uma mesma ERB,
a soluc~ao encontrada por este se mostra viavel na pratica. No entanto, devido
a sua de nic~ao a partir do conceito de grupos de canais, este se mostra pouco
ex vel mediante o tratamento de diferentes tipos de estac~oes (setorizadas e
omni-complexas) e do poss vel aumento do numero de canais dispon veis.

92 Cap tulo 4. Alocac~ao de Canais

Cap tulo 5
Protocolos de
Comunicac~ao
Nos proximos anos, o numero de computadores moveis ligados a Internet deve
aumentar bastante, exigindo um suporte e ciente a mobilidade que sera fundamental
no desempenho de toda a rede [51]. Os protocolos de comunicac~ao t^em
uma parcela imensa dessa responsabilidade. Dentro da comunidade da Internet
e de outras organizac~oes como o IEEE (Institute of Electrical and Electronic
Engineers) existem varios grupos de trabalho discutindo, projetando e fazendo
propostas de protocolos de comunicac~ao para sistemas de computac~ao movel.
Esta eumaarea muito ativa e em varios pontos ainda n~ao existe um consenso
sobre a melhor abordagem a ser escolhida.
Este cap tulo esta organizado da seguinte forma. A sec~ao 5.1 discute como a
mobilidade afeta os protocolos da pilha de protocolos TCP/IP. A sec~ao 5.2 trata
da in u^enciadoambiente no projeto de protocolos de comunicac~ao e como algumas
tecnicas podem ser aplicadas no projeto de protocolos para computac~ao
movel. A sec~ao 5.3 apresenta uma breve introduc~ao as redes locais sem o.
Finalmente, a sec~ao 5.4 discute o protocolo IP movel que deve se tornar a base
de toda a computac~ao movel na Internet. A sec~ao 2.5.3 tambem discute outras
quest~oes referentes ao projeto de protocolos de comunicac~ao para computac~ao
movel.
5.1 Pilha de Protocolos
A tabela 5.1 mostra uma vis~ao simpli cada da pilha de protocolos para a
arquitetura TCP/IP.

94 Cap tulo 5. Protocolos de Comunicac~ao
Camadas Protocolos
Aplicac~ao SMTP, Telnet, FTP, HTTP, DNS, SNMP, :::
Transporte TCP, UDP
Rede IP, IPMovel, ICMP, IPX, Appletalk, :::
Enlace Fam lia IEEE 802, PPP
F sica Adaptador de rede
Tabela 5.1: Pilha de protocolos da arquitetura TCP/IP e protocolos comumente
usados em cada camada
A camada de enlace e responsavel pelo estabelecimento do enlace e seu
gerenciamento. Efeitos da comunicac~ao devido a mobilidade afetam o projeto
de protocolos de enlace. Mudancas na posic~ao do usuario afetam a taxa sinalru
do (SNR { Signal-to-Noise Ratio). Protocolos de enlace que se adaptam a
forward error correction podem ter uma largura de banda variavel mas terem
menos perdas de quadros.
A comunicac~ao sem o introduz outros requisitos de projeto de protocolos.
Um deles eousodetecnicas de criptogra a na comunicac~ao devido a con dencialidade.
Outro requisito e o uso de tecnicas de compress~ao [37] devido a baixa
largura de banda, em contraste com as m dias tradicionais como par trancado,
cabo coaxial ou bra otica. Outro problema equetecnicas de detecc~ao de
colis~ao como as usadas no protocolo CSMA/CD devem ser substitu das por
tecnicas que evitam colis~ao.
Dois problemas importantes que devem ser tratados na comunicac~ao sem o
s~ao a localizac~ao de estac~oes radio e moveis, fundamental para os provedores de
servicos celulares atuais, e a alocac~ao de canais de comunicac~ao com criterios
de distribuic~ao estatico e din^amico. Estes dois temas s~ao tratados nos cap tulos
3 e 4, respectivamente.
Passando para a proxima camada na hierarquia temos a camada de rede.
O protocolo IP usado na Internet tem como principal objetivo selecionar rotas
para transmiss~ao de pacotes. Outros servicos oferecidos s~ao fragmentac~ao e
remontagem de pacotes, e veri cac~ao de checksum.
A mobilidade do computador/usuario de um local para outro pode ser modelada
como uma mudanca do nodo da rede onde ocorre o acesso a infraestrutura.
Neste caso, a mobilidade pode ser tratada naturalmente como uma
mudanca de roteamento de datagramas destinados ao computador movel de tal
forma que os pacotes chegam ao ponto corrente de acesso a rede. Esta euma
opc~ao muito interessante e acabou sendo o princ pio de projeto escolhido pelo

5.1 Pilha de Protocolos 95
grupo de trabalho do IP movel como explicado na sec~ao 5.4.
Na camada de transporte, o protocolo TCP assume que o meio de transmiss~ao
econavel e perdas de pacotes s~ao causadas por congestionamentos.
Nesse caso, a entidade de transporte deve diminuir o uxo de mensagens entrando
na rede assim que a perda de um pacote e detectada [220].
Na comunicac~ao sem o, os pacotes s~ao perdidos geralmente por erros e
perdas no canal de comunicac~ao. Logo, a estrategia usada no protocolo TCP
n~ao e mais valida e deve ser revista. Existem pelo menos duas estrategias que
foram propostas (TCP-indireto [25] e modi cac~ao na camada de rede [26]) que
est~ao em estudo.
A camada mais alta na hierarquia e a camada de aplicac~ao. Dependendo
do protocolo de transporte usado (por exemplo, con avel ou n~ao) os protocolos
de aplicac~ao n~ao precisam se preocupar com quest~oes como correc~ao de
erro, retransmiss~ao e controle de uxo. No entanto, a mobilidade introduz
novos requisitos que devem ser oferecidos pelos protocolos as aplicac~oes como
con gurac~ao automatica, descoberta de servicos, supervis~ao do enlace e do estado
do ambiente. Estes ultimos dois pontos t^em um papel muito importante
no desenvolvimento de aplicac~oes ja que afetar~ao os princ pios de projeto de
protocolos.
Estes requisitos formam um conjunto de servicos middleware que, em ultima
inst^ancia, facilitam, ou mesmo viabilizam, o uso de certas aplicac~oes em ambientes
de computac~ao movel. Por exemplo, um computador movel pode ter que
ser recon gurado diferentemente em cada ponto de acesso dependendo das caracter
sticas do ambienteedoponto de acesso corrente como um novo servidor
de DNS (Domain Name Server) e endereco IP. Estes problemas n~ao existem
para computadores estaticos ja que isso e feito no momento de inicializac~ao
do sistema. Em particular, este problema esta sendo resolvido em parte pelo
Dynamic Host Con guration Protocol [13, 78]. Outro protocolo que esta sendo
proposto para resolver o problema de descoberta de servico eoService Location
Protocol [233].
Um dos aspectos mais importantes no projeto de servicos middleware ea
incorporac~ao dos fatores que afetam o projeto de sistemas de computac~ao, ou
seja, a mobilidade, condic~oes de comunicac~ao no enlace sem o e consumo de
energia. Estes fatores s~ao din^amicos e podem afetar fortemente o comportamento
da aplicac~ao. O exemplo mais simples e a necessidade de aplicac~oes Web
adaptarem a apresentac~ao gra ca em func~ao da largura de banda dispon vel.
Por exemplo, pode-se usar tecnicas de compress~ao com ou sem perda da informac~ao.
Atualmente, a largura de banda e restrita pelas condic~oes do enlace
nos pontos terminais onde ocorre a comunicac~ao sem o e o congestionamento

96 Cap tulo 5. Protocolos de Comunicac~ao
da rede.
A computac~ao movel introduz mais variabilidade nesta situac~ao e reforca
o fato de aplicac~oes, como as que usam multim dia, detectarem e agirem nos
par^ametros usados pela conex~ao num dado momento, como largura de banda
do enlace, taxa de erro, e tempo de resposta. Outros par^ametros como custo
e seguranca podem ter um comportamento variavel e, dessa forma, di cultar
ainda mais o uso da aplicac~ao.
5.2 Projeto de Protocolos
Esta sec~ao discute a in u^encia do ambiente no projeto de protocolos de comunicac~ao.
Em particular, e mostrado como o uso de tecnicas de compress~ao
podem ajudar a aumentar a e ci^encia do canal de comunicac~ao. Em seguida,
s~ao discutidos os princ pios de projeto que devem ser seguidos ao se especi car
um protocolo.
5.2.1 In u^encia do Ambiente no Projeto
Como pode ser visto pela sec~ao anterior e considerando as arquiteturas de
redes para os modelos ISO e TCP/IP, ca claro que os protocolos de comunicac~ao
sempre foram projetados levando-se em considerac~ao as caracter sticas
do ambiente onde s~ao executados. No caso do projeto de protocolos para um
ambiente de computac~ao movel, como mostrado na tabela 5.1, deve-se levar em
considerac~ao os fatores discutidos na sec~ao 2.4 e os princ pios de projeto descritos
extensamente na literatura [224]. Por exemplo, para melhorar a e ci^encia
do canal de comunicac~ao foram propostos os princ pios de selective repeat e
go-back-n para protocolos das camadas de enlace, rede e transporte, e o uso de
tecnicas de compress~ao por protocolos de diferentes camadas. Normalmente,
atecnica de selective repeat e usada quando o custo de retransmiss~ao de mensagens
emuito maior que o de armazenamentoeodego-back-n quando eo
contrario. E importante observar que uma mesma tecnica pode ser usada por
diferentes protocolos em diferentes camadas.
Na literatura existem propostas de protocolos que usam tecnicas de compress~ao
para aumentar a e ci^encia do canal de comunicac~ao como o V.42 bis
usado na camada f sica. Recentemente, foi proposta uma nova tecnica para a
transmiss~ao digital a altas taxas chamada ADSL (Asymetric Digital Subscriber
Line) (www.adsl.com) utilizando como meio de comunicac~ao o par trancado.
Esta tecnica tem como princ pio a assimetria da velocidade dos canais de comunicac~ao,
ou seja, e feita uma distinc~ao entre o uxo de dados downstream

5.2 Projeto de Protocolos 97
(rede xa ! computador) e upstream (computador ! rede xa). Esse mesmo
princ pio pode ser utilizado na computac~ao movel ja que normalmente o usuario
faz uma requisic~ao de poucos bytes, como por exemplo uma pagina num servidor
Web, e tem como resposta essa pagina que pode ser formada por diferentes
m dias. Isto signi ca que as tecnicas de compress~ao usadas pelo protocolo podem
ser escolhidas em func~ao do sentido de transmiss~ao e da m dia presente
na mensagem (v deo, audio, texto).
O estudo da aplicabilidade das tecnicas de compress~ao no projeto de protocolos
para computac~ao movel deve considerar:
A pilha de protocolos usada.
A assimetria do uxo de comunicac~ao entre o computador movel e a rede
xa.
Otipodeaplicac~ao executada.
A relac~ao com a mobilidade, condic~oes de comunicac~ao no enlace sem o
e consumo de energia.
O uso de princ pios de projeto de protocolos como os descritos na
sec~ao 5.2.
O uso de novos princ pios de projeto que sejam adequados aos ambientes
de computac~ao movel. Por exemplo, na comunicac~aosem on~ao e
interessante a retransmiss~ao dos dados a partir do in cio da mensagem
quando ocorre um erro e sim, idealmente, a partir do ponto ou do trecho
onde n~ao foi poss vel a recuperac~ao. Para isso, pode-se dividir a mensagem
em unidades menores com um checksum proprio, se for necessario, e
uma identi cac~ao do tipo de compress~ao efetuada. Dependendo do tipo
de m da enviada e da qualidade de servico oferecida ao usuario pode-se
aceitar uma informac~ao com erro.
5.2.2 Princ pios de Projeto
Ao se projetar protocolos de comunicac~ao deve-se seguir certos princ pios como
os de nidos em Holzmann [107] que identi ca cinco partes distintas, a saber:
1. O servico a ser provido pelo protocolo
2. As suposic~oes sobre o ambiente no qual o protocolo sera executado
3. O vocabulario de mensagens usado para implementar o protocolo

98 Cap tulo 5. Protocolos de Comunicac~ao
4. A codi cac~ao (formato) de cada mensagem no vocabulario
5. As regras de procedimento usadas para garantir a consist^encia das trocas
de mensagens e, em ultima analise, executar o servico especi cado
Normalmente, por um abuso de linguagem, a quinta parte echamada de protocolo
e e a mais dif cil de projetar e veri car.
Cada parte da especi cac~ao do protocolo pode de nir uma hierarquia. Por
exemplo, o vocabulario do protocolo pode ser formado por uma hierarquia de
classes de mensagens.
De uma forma geral, o projeto do protocolo deve ser estruturado buscando
sempre:
Simplicidade|protocolo deve ser constru do a partir de um pequeno
numero de func~oes bem projetadas e bem entendidas.
Modularidade|um protocolo complexo pode ser constru do a partir de
modulos mais simples que interagem de forma bem de nida e simples.
Bem-formado|um protocolo, como qualquer outro sistema, n~ao deve
conter func~oes que nunca ser~ao executadas ou que n~ao foram de nidas
deve possuir limites conhecidos como tamanho de la de mensagensdeve
ser auto-estabilizante [145]pode ser adaptado.
Robusto|idealmente, o protocolo deve fazer suposic~oes m nimas sobre o
ambiente onde sera executado. Na pratica, isso e dif cil de obter pois o
ambiente in uencia diretamente a forma como o protocolo deve trabalhar.
Consist^encia|protocolos, como outros algoritmos distribu dos, devem
possuir certas propriedades como n~ao possuirem deadlocks ou livelocks,
terminac~oes erradas.
Paraoleitorinteressado, Holzmann [107] discute muito bem a quest~ao de
projeto de protocolos. Este e um problema extremamente importante do ponto
de vista pratico pois tanto fabricantes de hardware e software como usuarios
n~ao est~ao dispostos a investir tempo e dinheiro na implementac~ao e uso de um
protocolo com erros de projeto.
O processo de padronizac~ao dentro da IETF exige que o grupo de trabalho
responsavel pelo projeto de um protocolo demonstre a sua aplicabilidade e interoperabilidade
antes que essa especi cac~ao ganhe o status de padr~ao. Recentemente,
a software houseamericana FTP Software patrocinou testes de aplicabilidade
e interoperabilidade do protocolo IP movel, discutido na sec~ao 5.4, com

5.3 Redes Locais Sem Fio 99
a participac~ao de varios fabricantes de hardware e software. Cada fabricante
que participou desse experimento desenvolveu independentemente seu produto
a partir da especi cac~ao proposta pelo grupo de trabalho do IP movel. Os resultados
mostraram que a especi cac~ao do IP movel esta bem feita, epossvel
de ser implementada e esta despertando o interesse de diversos segmentos da
comunidade da Internet. Os testes serviram para mostrar tambem que alguns
detalhes da especi cac~ao do protocolo devem ser revistos para garantir a mesma
interpretac~ao do padr~ao quando for implementado.
5.3 Redes Locais Sem Fio
Na area de redes de computadores, a comunicac~ao sem o tem se tornado popular
no segmento de redes locais sem o (Wireless LANs{WLANs). WLANs
s~ao uma boa opc~ao quando se deseja instalar rapidamente ou temporariamente
uma rede local, como em eventos, operac~oes militares ou escritorios, que servira
de suporte a comunicac~ao para laptops, PDAs e outros dispositivos computacionais.
Tambem e a soluc~ao quando n~ao se deseja ou n~ao se pode lancar cabos
e dutos em edi cac~oes como predios antigos ou tombados.
Dependendo do tipo de rede as taxas de transmiss~ao variam de 1 a 2 Mbps
(Ethernet) a 25 Mbps (ATM), o que representa tr^es a quatro ordens de magnitude
a menos quando comparadas com redes de alta velocidade que operam em
Gbps [224]. Outra caracter stica importante e que redes que operam com comunicac~ao
sem o, como ambientes de computac~ao movel, t^em taxas de erro de
um bit errado para cada 10 5 {10 6 bits transmitidos enquanto redes que operam
com bra otica transmitem um bit errado para cada 10 12 {10 15 bits transmitidos.
Isso representa pelo menos seis ordens de magnitude de diferenca [224].
Existem duas tecnologias populares para comunicac~ao em WLANs: ondas
de radio e infravermelho. A comunicac~ao usando ondas de radio esta sujeita
a regulamentac~ao e, consequentemente, a dispusta por faixas no espectro eletromagnetico.
O hardware necessario para este tipo de comunicac~ao e, em
geral, mais caro devido as tecnicas utilizadas para transmiss~ao e recepc~ao (interfer^encia
e outros problemas descritos no ap^endice A). A comunicac~ao usando
infravermelho tem alguns problemas como n~ao passar por obstaculos e serem
sens veis ao calor e outras fontes de energia. Normalmente a comunicac~ao
usando ondas de radio e utilizada em ambientes abertos ou onde exista muitos
obstaculos, enquanto o infravermelho e mais apropriado para espacos amplos e
fechados.

100 Cap tulo 5. Protocolos de Comunicac~ao
Atualmente, tanto o IEEE quanto o ATM Forum 1 est~ao propondo padr~oes
de protocolos para ambientes de comunicac~ao sem o. O IEEE esta criando o
padr~ao IEEE 802.11 que de ne o protocolo CSMA/CA (Carrier Sense Multiple
Access with Collision Avoidance). O princ pio basico desse protocolo e fazer
com que o transmissor estimule o receptor a enviar um pequeno quadro para
as estac~oes na sua vizinhanca saberem que devem evitar transmitir pelo per do
de tempo correspondente a transmiss~ao de um quadro de dados [224]. O ATM
Forum esta trabalhando na proposta de uma vers~ao de comunicac~ao sem o
para o ATM.
5.4 IP Movel
AInternet pode ser vista como uma rede virtual que conecta milhares de redes
de computadores espalhadas pelo mundo. O ponto chave dessa rede de redes de
computadores e o protocolo IP que funciona como o \elemento integrador" de
toda essa estrutura. Na Internet cada computador possui um unico endereco
de rede que e conhecido como endereco IP 2 ou numero IP e esse endereco
esta associado a uma localizac~ao xa de um computador na rede. Etambem
baseado nesse endereco que o protocolo IP faz o roteamento de pacotes para
os computadores ligados a rede.
Quando um pacote e destinado a um computador movel o problema emais
complicado. Neste caso, o cliente movel pode possuir um endereco IP diferente
em cada ponto de acesso a rede xa. Isto faz com que a mobilidade n~ao seja
mais transparente para as aplicac~oes.
Para estudar esse problema, a IETF (Internet Engineering Task Force) criou
um grupo de trabalho que prop^os o protocolo IPv4 movel ou, simplesmente, IP
movel [177] que e baseado no IPv4. Nesse padr~ao o computador movel possui
dois enderecos IPs: um e o endereco xo e o outro eocare-of address que
muda em cada ponto de acesso a rede. Com o IPv6 o IP movel tambem sofrera
alterac~oes, apesar do IPv6 ter sido projetado para suportar mobilidade. O IP
movel ainda sera necessario para prover a transpar^encia de mobilidade para as
aplicac~oes e outros protocolos de alto n vel como o TCP.
Os princ pios de projeto de nidos no IPv4 movel para tratar mobilidade
est~ao presentes tambem no IPv6 movel [126]. as proximas sec~oes se aplicam A
1 Consorcio de empresas e organizac~oes interessadas na padronizac~ao e desenvolvimento
do ATM. Veja o servidor Web em www.atmforum.com.
2 A atual vers~ao do protocolo IP, identi cada por IPv4 [185], sera substitu da pela vers~ao
6 (IPv6) [75, 105]. Uma das mudancas sera o aumento do campo de endereco que passara
de 32 para 128 bits.

5.4 IP Movel 101
forma como o IPv4 movel trata a mobilidade
Atualmente, o IP movel ja esta implementado em alguns produtos comerciais.
Por exemplo, o CDPD (Cellular Digital Packet Data) prop^os uma
infra-estrutura de comunicac~ao baseada numa especi cac~ao preliminar do IP
movel [58] evarios fabricantes de roteadores ja oferecem o protocolo nos seus
produtos. O IP movel tambem tem sido empregado em projetos de pesquisa
acad^emicos como o da Universidade da California em Berkeley [133], o projeto
Monarch de CMU [128] evarios outros.
O problema mais importante que ainda falta ser resolvido e o de seguranca,
principalmente a interac~ao com os mecanismos de seguranca ja existentes na
Internet [60]. Em particular, rewalls tendem a bloquear pacotes vindos da
Internet com certas caracter sticas como, por exemplo, os que possuem endereco
de origem pertencentes apropria rede corporativa. Isso di culta a comunicac~ao
de um computador movel de uma rede corporativa, quando esta fora dela,
com outros computadores da empresa. O problema e que todos os pacotes
enviados pelo computador movel possuem o home address da sua rede de origem
e, consequentemente, podem ser bloqueados pelo mecanismo de seguranca de
rewall. Em [98] Gupta e Glass prop~oem uma soluc~ao para estabelecer uma
comunicac~ao segura atraves de rewalls.
Outro problema e que o IPv4 n~ao possui nenhum mecanismo de autenticac~ao
e criptogra a, ao contrario do IPv6 que possui essas facilidades
[134, 135]. Isto facilitara certamente o projeto do IPv6 movel ja queos
procedimentos de autenticac~ao estar~ao dispon veis quando forem necessarios.
No entanto, existem dois pontos a serem estudados com o uso desses mecanismos.
O primeiro e como o desempenho da sub-rede de comunicac~ao sera
afetado por esses mecanismos e o segundo e que ainda falta de nir um sistema
de ger^encia de chaves.
Os princ pios de projeto de nidos no IPv4 movel para tratar mobilidade
est~ao presentes tambem no IPv6 movel [126]. Logo, as proximas sec~oes se
aplicam as duas vers~oes que ser~ao referenciadas genericamente por IP movel.
5.4.1 Enderecos no IP Movel
O protocolo IP faz o roteamento de cada pacote que recebe baseado na sua tabela
de roteamento. Basicamente essas tabelas possuem o endereco do roteador
para onde o pacote deve ir baseado no endereco de rede do computador destino.
O protocolo IP oferece um servico n~ao con avel, ou seja, sem con rmac~ao
para o protocolo TCP que e o principal provedor de servicos de transporte da
Internet. O TCP eorientado a conex~ao que eidenti cada pelo par endereco

102 Cap tulo 5. Protocolos de Comunicac~ao
IP e porto do computador origem e do destino. Qualquer mudanca nestes
quatro numeros faz com que a conex~ao seja terminada. Por outro lado, a entrega
correta de pacotes para o computador movel depende do endereco IP
que esta sendo usado para conex~ao com a estac~ao xa naquele momento. Esse
endereco varia em func~ao da mobilidade do usuario. Para mudar o roteamento
e necessario um novo endereco IP associado a conex~ao com a rede xa.
Como mencionado anteriormente, o protocolo IP movel resolve este problema
ao permitir que um computador movel tenha dois numeros IPs: um
associado a sua estac~ao origem (home address) que e xo e o outro associado a
cada ponto de acesso a rede (care-of address). O home address pode ser usado
para identi car conex~oes TCP e, por essa raz~ao, eoponto usado por todos
os usuarios e aplicac~oes para se comunicarem com o usuario movel. Quando o
computador n~ao esta conectado a seu endereco xo deve existir um mecanismo
para receber e enviar todos os pacotes enderecados ao cliente movel no seu
ponto de acesso a rede dado pelo care-of address. Esta tarefa e executada por
um agente chamado de home agent.
Quando ha umamudanca no ponto de acesso a rede xa, o usuario movel
registra o novo care-of address com o seu home agent, que se encarrega da
entrega dos pacotes para esse novo endereco. Isso e feito modi cando-se o
campo de destinatario no pacote IP de home address para care-of address.
Este processo echamado de redirec~ao. O nodo de endereco care-of address, ao
receber um pacote para o computador movel, aplica a transformac~ao reversa
colocando como endereco de destinatario o home address do cliente. Esta
tarefa e executada por um agente chamado de foreign agent. O processo de
transformac~ao reversa permite que qualquer protocolo superior, ou seja, TCP
ou aplicac~ao, n~ao tenha que tratar da mobilidade [44].
No processo de redirec~ao executado pelo home agent o pacote gerado com
onovo endereco de destinario encapsula o pacote recebido pelo home address.
Desta forma, o endereco de destino original (home address) n~ao tem nenhum
efeito no roteamento do novo pacote entre o home agent eocare-of address.
Esse processo e conhecido como \tunelamento" (tunneling).
O protocolo IP movel e constitu do de tr^es partes:
1. Identi cac~ao do care-of address
2. Registro do care-of address
3. \Tunelamento" para o care-of address
Cada uma destas partes e discutida a seguir.

5.4 IP Movel 103
5.4.2 Identi cac~ao do Care-of Address
O processo de identi car o care-of address no IP movel e baseado no protocolo
de Router Advertisement [76]. O IP movel n~ao modi ca esse protocolo
mas acrescenta funcionalidades associadas a mobilidade. Desta forma, uma
\divulgac~ao de roteador" (router advertisement) pode conter informac~oes sobre
roteadores default e informac~oes sobre care-of addresses. Neste caso, essas
divulgac~oes s~ao chamadas de divulgac~oes de agente (agent advertisements).
Home agents e Foreign agents transmitem periodicamente divulgac~oes. Por
exemplo, uma mensagem a cada segundo ou poucos segundos. O computador
movel pode solicitar explicitamente um care-of address, sen~ao quiser esperar
por uma divulgac~ao. Neste caso, um home agent ou foreign agent ao receber um
pedido envia prontamente a resposta. Home agents passam a ser conhecidos
atraves de mensagens de divulgac~ao de agente, mesmo que eles n~ao estejam
associados a care-of addresses.
De uma forma generia, uma mensagem de divulgac~ao de agente tem a -
nalidade de permitir a identi cac~ao de agentes de mobilidade 3 , listar os careof
addresses dispon veis, informar o computador movel sobre funcionalidades
oferecidas pelos foreign agents como tecnicas de encapsulamento, permitir ao
computador movel determinar o numero da rede e o status de seu enlace para
aInternet, e informar o computador movel se o agente eumhome agent ou
foreign agent ou ambos e, consequentemente, saber se esta noseuhome address
ou n~ao.
5.4.3 Registro do Care-of Address
O care-of address deve serenviado para o home agent do computador movel
assim que for obtido. A gura 5.1 mostra o processo de registro executado pelo
IP movel que comeca quando o cliente movel, possivelmente atraves do foreign
agent, envia uma requisic~ao para o seu home agent com o care-of address. O
home agent do usuario movel, ao receber a requisic~aoeaprova-la, atualiza a
tabela de roteamento e envia uma resposta para o computador movel.
Os pedidos de registro cont^em par^ametros e ags que caracterizam o \tunel"
que o home agent ira usar para enviar pacotes para o care-of address. Tuneis
podem ser constru dos de diferentes formas como explicado em [176, 178].
Quando um home agent aceita uma requisic~ao, e feita uma associac~ao entre
o home address eocare-of address que emantida ate que termine o \tempo
de vida do registro" (registration lifetime). A tupla que contem essas tr^es
3 Uma entidade que oferece servicos de suporte aos computadores moveis. Pode ser um
home agent ou um foreign agent.

104 Cap tulo 5. Protocolos de Comunicac~ao
CM requisita serviço FA envia requisição
para HA
CM FA
FA envia status para CM
Legenda:
CM Computador Movel
HA Home Agent
FA Foreign Agent
FA
FA
HA
HA aceita ou
rejeita requisição
Figura 5.1: Operac~oes de registro no IP movel
informac~oes, ou seja, home address, care-of address e registration lifetime, e
chamada de binding do computador movel. Um pedido de registro do usuario
movel pode ser considerado uma atualizac~ao de binding.
Uma atualizac~ao de binding e um exemplo de redirec~ao remota porque e
enviada remotamente para o home agent e tera como efeito a atualizac~ao da
tabela de roteamento. Logo e necessario autenticar o pedido de registro para
que um nodo impostor n~ao se passe pelo verdadeiro cliente movel. Se isso
n~ao for feito, um nodo impostor pode fazer com que o home agent altere a sua
tabela de roteamento com um care-of address invalido, deixando o computador
movel isolado na rede.
A necessidade de autenticar o pedido de registro teve um papel muito importante
no projeto dos par^ametros do IP movel. Um computador movel e

5.4 IP Movel 105
seu home agent devem criar uma associac~ao segura que e de nida atraves do
algoritmo Message Digest 5 [195] comchaves de 128 bits e assinaturas digitais.
Para tornar o pedido seguro, cada registro deve conter alguma informac~ao que
seja unica de tal forma que dois registros diferentes ter~ao assinaturas diferentes.
Este requisito evita o problema de replay attack onde um nodo impostor escuta
e guarda um registro valido e, mais tarde, torna a envia-lo como se fosse do
computador movel. Isso e obtido atraves de um campo de identi cac~ao especial
que muda a cada novo registro. A sem^antica exata desse campo depende de
varios fatores descritos na especi cac~ao do protocolo [177].
Como explicado acima e mostrado na gura 5.1, foreign agents t^em duas
func~oes principais. A primeira elevar mensagens entre o computador movel
e o seu home agent. A segunda e reconstituir cada pacote IP enviado pelo
home agent atraves do processo de \tunelamento" e entrega-lo ao computador
movel. No IP movel, o foreign agent n~ao faz nenhuma autenticac~ao com as
entidades com as quais se comunica. Logo e poss vel ter um foreign agent
impostor que pode, eventualmente, n~ao entregar os pacotes recebidos para o
computador movel. Esta situac~ao e equivalente a usar um roteador errado
ou ter um roteador con gurado de forma incorreta que s~ao cenarios de erro
existentes na pratica.
No caso do computador movel perder contato com o seu home agent, oIP
movel de ne um procedimento para que possa ser feito um novo pedido de
registro com outro agente na sua rede de origem. Este mecanismo e conhecido
como descoberta automatica de home agent (automatic home agent discovery).
O processo comeca com o computador movel enviando para a sua rede de origem
uma mensagem de pedido de registro usando um endereco de difus~ao local a
redeen~ao o endereco do seu home agent. Como resultado, cada home agent
nessa rede envia para o computador movel uma mensagem de rejeic~ao contendo
o seu proprio endereco que pode ser usado no novo pedido de registro.
5.4.4 Tunelamento para o Care-of Address
A gura 5.2 mostra como efeitoaoperac~ao de \tunelamento" no IP movel.
O mecanismo de encapsulamento padr~ao, que deve ser executado por todos os
agentes usando o IP movel, e o IP dentro de IP (IP-within-IP) [176]. Isto e
indicado pelo numero de protocolo 4 no cabecalho do pacote de tunel. Outra
possibilidade e o \encapsulamento m nimo" [178] indicado pelo numero de
protocolo 55.
Usando IP dentro de IP,ohome agent insere um novocabecalho IP chamado
de cabecalho de tunel (tunnel header) antes do cabecalho IP de qualquer pacote

106 Cap tulo 5. Protocolos de Comunicac~ao
Origem (O)
Destino (D)
Protocolo (P)
X CM ? Payload
HA
X CM 4 ou 55 X CM ? Payload
FA
UM
X CM ? Payload
Figura 5.2: Operac~oes de \tunelamento" no IP movel
destinado ao home address do computador movel. Neste protocolo, o cabecalho
IP original e preservado e aparece no in cio do campo de payload do novo
pacote. O cabecalho de tunel usa como endereco de destino o care-of address. A
reconstituic~ao do pacote original e simples jaqueoforeign agent precisa apenas

5.4 IP Movel 107
eliminar o cabecalho de tunel, podendo em seguida entrega-lo ao computador
movel.
O mecanismo de encapsulamento m nimoe um pouco mais complicado que
oIPdentro de IP. Nesse mecanismo, parte da informac~ao do cabecalho de
tunel e agrupada com o cabecalho de encapsulamento m nimo para reconstituir
o pacote IP original. Isso e feito alterando temporariamente a estrutura de
cabecalho do pacote IP original. Este mecanismo diminui o overhead associado
ao cabecalho em detrimento de um pequeno acrescimo no processamento.
5.4.5 Alguns Comentarios sobre o IP Movel
O projeto do IP movel esta baseado no fato que as conex~oes TCP devem continuar
validas mesmo quando houverem mudancas de localizac~ao do computador
movel. Este eumponto que n~ao existe consenso dentrodacomunidade da Internet.
Muitas pessoas s~ao da opini~ao que n~ao se deve aumentar a con abilidade
da comunicac~ao envolvendo computadores moveis, que acontece tipicamente
em rajadas. O argumento basico e que quando ocorre uma falha como, por
exemplo, numa transfer^encia de arquivos, a responsabilidade da retransmiss~ao
e do usuario, que n~ao deve esperar que uma tarefa seja executada logo na
primeira tentativa.
O que acontece na pratica e que a infra-estrutura de comunicac~ao da rede
xa esta caminhando no sentido de ser cada vez mais con avel e operando a
velocidades mais altas. Isto permite oferecer servicos mais con aveis para as
aplicac~oes numa rede de computadores. Ou seja, a percepc~ao do usuario e
de haver um ambiente con avel apesar de eventualmente as tarefas n~ao serem
executadas logo na primeira vez.
Num sistema de computac~ao movel usando comunicac~ao sem o existem
varios problemas novos relacionados com o ambiente, conforme discutidos no
cap tulo 2, que passam a n~ao dar essa percepc~ao de uma rede con avel. Certamente
este cenario n~ao sera bem-vindo se o usuario estiver acostumado a
utilizar a rede xa. A proposta do IP movel tem como objetivo reestabelecer
essa vis~ao. Este e um problema importante pois o tipo de servico oferecido a
uma aplicac~ao e importante no seu proprio projeto como no do protocolo de
comunicac~ao.
OIPmovel deve tratar tambem de outros problemas tecnicos como roteamento
e enderecamento, alem de ter a \competic~ao " com outras propostas de
protocolos.
Aentrega de pacotes entre um computador qualquer da rede e um computador
movel e feita pelo home agent atraves de um \tunelamento" com o foreign

108 Cap tulo 5. Protocolos de Comunicac~ao
agent. Ou seja, o roteamento para o computador movel e feito de forma indireta.
Por outro lado o computador movel pode enviar pacotes diretamente para
um computador sem a necessidade de estabelecer um tunel. Esta assimetria
na forma de rotear pacotes echamada de roteamento em tri^angulo (triangle
routing) e pode ser aliviada por tecnicas de otimizac~ao de rotas [181].
OIPmovel cria a percepc~ao que um computador movel esta sempre conectado
a sua rede de origem. A localizac~ao real na rede e dada pelo endereco IP
ao qual esta conectado que por sua vez esta associado a um FQDN (Fully Quali
ed Domain Name 4 ). O FQDN pode estar associado a mais de um endereco
IP, o que signi ca mais opc~oes de enderecamento e roteamento para o home
agent. Por outro lado o computador movel pode n~ao car permanentemente
conectado a rede ou, quando car, por um per odo curto de tempo. Todas
estas quest~oes referentes ao enderecamento ainda est~ao sendo discutidas pela
comunidadedaInternet.
Atualmente, existem pelo menos duas propostas de protocolos de \tunelamento"
baseados no PPP (Point-to-Point Protocol) [212]: o PPTP (Pointto-Point
Tunneling Protocol) [174] eoL2TP(Layer Two Tunneling Protocol)
[175]. A grande vantagem desses protocolos e a portabilidade para computadores
moveis e, caso se tornem populares, podem ocupar o espaco que estaria
reservado ao IP movel. Existe tambem uma proposta de adaptar o PPP para
permitir que o endereco IP din^amico seja usado como care-of address [217].
Propostas de protocolos que se baseiam no IP movel s~ao o Tunnel Establishment
Protocol [55] eoMobile IP Local Registration with Hierarchical Foreign
Agents [179]. Este ultimo divulga varios foreign agents para criar hierarquias
de agentes de mobilidade. Essa estrategia pode ajudar a diminuir o numero
de pedidos de registro enviados entre entre a rede de origem e a rede onde
se encontra o computador movel. Outra proposta que esta sendo estudada e
o uso do DHCP (Dynamic Host Con guration Protocol) numa rede de computac~ao
movel com TCP/IP para fornecer care-of addresses para computadores
moveis [13, 78, 182].
4 OFQDN de um nodo na Internet eumnomededomnio completo como de nido no
DNS (Domain Name Server).

Cap tulo 6
Ger^encia de Informac~ao
Nos ultimos anos o numero de computadores ligados a Internet tem aumentado
extraordinariamente como pode ser visto pelos dados apresentados na tabela
6.1 [165] sobre o crescimento de DNSs (Domain Name Servers) emaquinas
na rede. Pode-se perceber que o numero de hosts edomnios vem aumentando
de maneira exponencial. Em janeiro de 1998, ja eram quase 30 milh~oes de computadores
ligados diretamenteaInternet. De todos os segmentos da industria
da informatica, a area de computadores portateis e a que tem mais crescido
nos ultimos anos.
Data Hosts Dom nios
Jan 98 29.670.000
Jul 97 19.540.000 1.301.000
Jan 97 16.146.000 828.000
Jul 96 12.881.000 488.000
Jan 96 9.472.000 240.000
Jul 95 6.642.000 120.000
Jan 95 4.852.000 71.000
Jul 94 3.212.000 46.000
Jan 94 2.217.000 30.000
Jul 93 1.776.000 26.000
Jan 93 1.313.000 21.000
Tabela 6.1: Numero de hosts edomnios da Internet [165]
Este crescimento deve-se, principalmente, a dois fatores: primeiro, a popula-

110 Cap tulo 6. Ger^encia de Informac~ao
rizac~ao de servidores Web e, segundo, o grande numero de empresas comerciais
que passaram a disponibilizar seus produtos, servicos e informac~oes atraves da
rede. Este eosegmento que mais tem crescido na Internet.
Na computac~ao movel, o acesso a informac~ao e um requisito fundamental,
que foi herdado da forma como trabalhamos na rede xa e, complicado pela
mobilidade do usuario, condic~oes de comunicac~ao no enlace sem o e consumo
de energia. Este cap tulo discute o problema de ger^encia de informac~ao em sistemas
de computac~ao movel. S~ao discutidas tecnicas de ger^encia e recuperac~ao
de informac~ao em sistemas de computac~ao movel.
Este cap tulo esta organizado da seguinte forma. A sec~ao 6.1 discute o papel
fundamental da informac~ao no ambiente de redes de computadores. De todos
os servicos dispon veisemumambiente de computac~ao movel talvez o acesso
a dados seja o servico mais importante para um usuario. A sec~ao 6.2 discute
a transmiss~ao de informac~oes atraves de difus~ao e os problemas associados.
Asec~ao 6.3 mostra como as tecnicas de caching e difus~ao podem ser usadas
conjuntamente em um ambiente de computac~ao movel. Na sec~ao 6.4 e discutido
um problema decorrente da ger^encia de informac~ao que e consultas sobre
localizac~ao de objetos e bancos de dados tanto na rede xa quanto na movel.
Finalmente, na sec~ao 6.5 s~ao discutidos brevemente alguns topicos relacionados
com ger^encia de informac~ao.
6.1 A Informac~ao e a Revoluc~ao que Ainda
Esta por Vir
Prever o futuro e extremamente dif cil, principalmente na area tecnologica.
Ha 50 anos atras, Thomas J. Watson, presidente da IBM, disse que havia um
mercado mundial para uns cinco computadores no maximo [138]. No nal da
decada de 70, Kenneth J. Olson, presidente da Digital Equipment Corp., disse
que n~ao havia raz~ao para alguem querer um computador em casa [138].
Sem esquecer as lic~oes do passado, existe um consenso que a verdadeira
revoluc~ao da informac~ao que eaconverg^encia da computac~ao, informac~ao e
comunicac~ao ainda esta por vir. Certamente o outro componente que fara parte
dessa revoluc~ao e a mobilidade de usuarios. Nesse aspecto, a computac~ao movel
representa de fato a revoluc~ao da informac~ao.
De uma forma geral, o avanco tecnologiconaarea de informatica tem dobrado
a cada 18{24 meses [36, 100, 101]. Isto tem levado a avancos cont nuos
enovas formas do uso da tecnologia. Por exemplo, no in cio da decadade80o
custo dos circuitos integrados caiu bastante ao mesmo tempo que o desempenho

6.2 Difus~ao de Mensagens 111
desses circuitos aumentou ao ponto que se tornou viavel o uso de computadores
pessoais. A integrac~ao de computadores com comunicac~oes e outras formas de
tecnologias de informac~ao est~ao criando novas formas de sistemas e servicos
de informac~ao distribu da. A tend^encia ehaver computadores mais poderosos,
conectados a uma rede mundial de servicos e recursos atraves de uma infraestrutura
xa de alto desempenho e conectada a uma rede de comunicac~ao sem
o.
Averdadeira revoluc~ao eaconverg^encia digital, ou seja, o computador como
dispositivo de acesso a informac~ao. Neste ponto,aInternet tem um papel
extremamente importante. A previs~ao e que essa rede mundial ira revolucionar
a forma como as pessoas trabalham, cooperam, fazem negocios e s~ao educadas
hoje em dia.
A quantidade de informac~oes dispon veis na Internet e um dado astron^omico.
A biblioteca do Congresso Americano, a maior biblioteca que existe,
tem aproximadamente 100 milh~oes de volumes. Estima-se que a Internet tenha
hoje uma quantidade de informac~oes correspondente a 30 mil bibliotecas
do Congresso Americano [64]. S~ao informac~oes de todos os tipos que se possa
imaginar. Por exemplo, bancos de dados eletr^onicos publicos ou n~ao nas diversas
areas do conhecimento, bancos de dados corporativos que podem ser
acessados por funcionarios e clientes de uma corporac~ao, \balc~oes eletr^onicos"
de empresas, etc. Na computac~ao movel o acesso a informac~ao e um requisito
fundamental, ja que re ete a forma que as pessoas trabalham na rede xa e
necessidades espec cas de clientes moveis. No entanto, o acesso propriamente
dito depende agora dos fatores discutidos na sec~ao 2.4.
6.2 Difus~ao de Mensagens
Em um sistema cliente/servidor tradicional, dados s~ao enviados sob demanda
atraves de requisic~oes pedidas ao servidor pelo cliente. Neste cenario, a transfer^encia
de informac~oes e feita pelo provedor das informac~oes para o usuario a
partir de uma requisic~ao do usuario. Atualmente, a maioria absoluta dos servidores
Web dispon veis na Internet funcionam nesta modalidade. Um exemplo
de site popular que utiliza esta tecnologia e a CD-Now (www.cdnow.com) que
e uma loja virtual de CDs. Esta forma de entrega de dados echamada de
pull-based.
Uma outra possibilidade de fazer a transfer^encia de dados entre um usuario
e o provedor das informac~oes e a partir do provedor. O servico PointCast
(www.pointcast.com) exempli ca esse tipo de conceito. O objetivo desse servico
e permitir que uma pessoa receba not cias relacionadas com assuntos pre-

112 Cap tulo 6. Ger^encia de Informac~ao
determinados, em tempo real. Para isso, o computador do usuario deve estar
\sintonizado" com o site da PointCast atraves de uma aplicac~ao cliente para receber
not cias sempre atualizadas. Fazendo uma analogia esse site seria a rede
CNN eletr^onica onde as not cias iriam ate a pessoa e n~ao a pessoa iria ate as
not cias como ocorre em todos os sites que disponibilizam informac~oes on-line.
Um servico parecido com esse que a Netscape oferece (home.netscape.com)e
o In-Box Direct. Neste caso, a pessoa pode se cadastrar em diversos assuntos
oferecidos como not cias gerais, resumos de revistas e assuntos espec cos e,
periodicamente, o usuario cadastrado no sistema recebe uma mensagem com
informac~oes sobre aquele assunto ou uma pagina HTML com links para onde
as informac~oes est~ao. A vantagem desse sistema e que a pessoa pode acessar as
informac~oes na sua propria velocidade e disponibilidade. Este tipo de servico
e conhecido como noti cac~ao e emuito utilizado em sites que disponibilizam
algum tipo de informac~ao.
Num ambiente de computac~ao movel, as estac~oes de suporte a mobilidade,
que cam na rede xa, podem ser usadas para fazer transmiss~ao de dados na
modalidade difus~ao (broadcast) para os clientes moveis. Esta facilidade prov^e
o mecanismo necessario para uma nova forma de entrega de dados chamada
de push-based. Nesta modalidade o servidor transmite dados repetidamente
para os clientes moveis de sua celula sem que haja requisic~oes espec cas. Os
clientes, por sua vez, monitoram a difus~ao de mensagens e aceitam somente os
dados que devem ser processados pelo computador movel.
Entrega de mensagens push-based e uma opc~ao interessante para aplicac~oes
que envolvem disseminac~ao de informac~oes para um grande numero de clientes.
Alguns exemplos de aplicac~oes baseadas em disseminac~ao de dados s~ao
not cias sobre tr^ansito, previs~oes metereologicas e mercado de capitais, listas
de distribuic~ao de mensagens, e radio e TV.
Como mencionado acima, disseminac~ao de informac~ao na Internet tem-se
tornado popular [43, 242]. Ja existem alguns produtos comerciais para disseminac~ao
de informac~oes em redes de comunicac~ao sem o como o AirMedia
(www.airmedia.com) queenvia regularmente not cias (manchetes e resumos) da
CNN para usuarios de computadores moveis, e o DirecPC (www.direcpc.com)
que busca informac~oes em servidores Web, envia para uma rede de satelites e,
em seguida, difunde as mensagens para computadores pessoais em velocidades
de ate 400 kbps.
A seguir, s~ao discutidas algumas quest~oes referentes a difus~ao de dados.

6.2 Difus~ao de Mensagens 113
6.2.1 Estrategias para Entrega de Mensagens
Aentrega de dados na modalidade push-based e mais adequada em casos onde
a informac~ao deve ser transmitida para um grande numero de clientes moveis
ehajaintersec~ao de interesses. Desta forma, o servidor na rede xa n~ao ca
sobrecarregado com pedidos de requisic~oes e n~ao envia varias mensagens individuais
que teriam que ser transmitidas em sistemas pull-based. Outra caracter
stica importante da entrega de mensagens push-based e a sua escalabilidade
ja que o desempenho n~ao depende do numero de clientes recebendo mensagens.
No entanto, um aspecto importante do projeto de transmiss~ao e o controle
da pot^encia do sinal propagado para minimizar a interfer^encia de sinais na
comunicac~ao sem o. A pot^encia do sinal, depende dentre outros fatores, do
tamanho da celula para a qual esta sendo feita a transmiss~ao.
Uma das limitac~oes desta modalidade e que os clientes recebem as informac~oes
sequencialmente. Isto signi ca, que um cliente deve monitorar o
canal de comunicac~ao ate que apareca o dado desejado. Isto aumenta a lat^encia
de acesso a informac~ao que e proporcional ao tamanho do banco de dados ou
da quantidade de informac~oes a serem transmitidas num \lote". Na entrega
de mensagens pull-based os clientes t^em um papel ativo e requisitam explicitamente
um dado do servidor.
As duas formas de entrega de mensagens, push- e pull-based, podem ser
combinadas se considerarmos que os clientes de um sistema de computac~ao
movel possuem um canal de comunicac~ao com o servidor. Eochamado canal
de subida (uplink ou backchannel) que pode ser usado pelo cliente para enviar
informac~oes ao servidor sobre o seu estado ou requisitar dados urgentes.
Esta soluc~ao echamada de entrega de dados h brida e o canal de descida
(downlink) passa a ter um papel importante. Agora, o canal de comunicac~ao
entre servidor e clientes pode ser usado tanto para difus~ao quanto para respostas
as requisic~oes de clientes. Se tiver esse papel duplo, o canal deve ser
compartilhado de forma e ciente.
Acharya, Franklin e Zdonik [9] prop~oem o uso do canal de subida com o uso
de cache nos clientes para permitir a recuperac~ao de paginas que n~ao estejam
armazenadas localmente nos clientes. O objetivo e balancear o uso das duas
tecnicas para evitar uma sobrecarga de requisic~oes no servidor. Por exemplo,
um cliente so requisita um dado d ao servidor quando o numero de itens a serem
transmitidos via difus~ao antes de d for maior que um valor pre-determinado.
Outra possibidade e dividir a largura de banda do canal de comunicac~ao sem
o entre dados push-based e pull-based.
Outra abordagem e dividir o banco de dados em dois conjuntos: um com

114 Cap tulo 6. Ger^encia de Informac~ao
itens que ser~ao transmitidos atraves de difus~ao e outro sob demanda. A grande
di culdade desta proposta e construir os dois conjuntos. Um criterio e ciente
deve considerar o padr~ao de acesso aos dados, que di cilmente pode ser determinado
a priori, e a capacidade do servidor de processar requisic~oes.
Stathatos, Roussopoulos e Baras [219] usam como criterio de divis~ao de um
banco de dados a ideia de hot spot, ou seja, dados acessados frequentemente.
O proprio meio difus~ao e usado como cache, ou mais especi camente, como um
air cache para armazenar os dados requisitados mais comumente do banco de
dados. A atualizac~ao desse cache, para manter o hot spot, e feita baseandose
nas requisic~oes de dados geradas pelos clientes por itens que n~ao est~ao na
difus~ao.
Imielinski e Viswanathan [117] tambem sugerem o particionamento do
banco de dados em dois grupos: um chamado de publicac~ao que eusadona
difus~ao e, outro, chamado de sob demanda para atender as requisic~oes. A divis~ao
tem como objetivo minimizar o numero de pedidos de clientes no canal
de subida e manter o tempo de resposta abaixo de um limite pre-de nido.
Apropria estrutura da rede de comunicac~ao sem o e o movimento de
usuarios tambem in uenciam a forma de agrupar os dados. As celulas que
comp~oem o sistema movel podem possuir diferentes caracter sticas de infraestrutura
e comunicac~ao e, consequentemente, in uenciar a capacidade de atender
as requisic~oes e o particionamento de dados. A mobilidade de usuarios
in uencia a forma de dividir os dados ja que a distribuic~ao de requisic~oes de
itens varia de celula para celula.
Datta et al. [73] prop~oem um algoritmo adaptativo que considera a mobilidade
de usuarios entre celulas numa arquitetura celular para determinar os dois
conjuntos de dados. O princ pio do algoritmo e selecionar estatisticamente dados
a serem difundidos baseados no per l de cada usuario e nos clientes moveis
registrados numa celula num determinado momento do tempo.
6.2.2 Organizac~ao dos Dados Transmitidos
A partir do momento que um cliente requisita um dado, o computador movel
deve car escutando o meio de comunicac~ao (processando dados transmitidos
via difus~ao) ate receber a informac~ao desejada. Este e um processo que consome
energia e so pode ser executado com o computador movel no estado ativo. Alem
disso, e comum que os clientes moveis queiram acessar somente alguns itens
espec cos de dados transmitidos via difus~ao. Logo, e importante organizar os
dados transmitidos via difus~ao para minimizar o consumo de energia e o tempo
de resposta.

6.2 Difus~ao de Mensagens 115
Existem pelo menos tr^es organizac~oes para dados transmitidos via difus~ao:
plana, discos difus~ao e ndice. Na organizac~ao plana, o servidor, que atende
aos pedidos dos clientes, agrupa os dados solicitados e transmite o conjunto via
difus~ao. Esse processo e repetido continuamente e cabe a cada cliente retirar
o seu dado dentre as informac~oes transmitidas. As outras duas propostas s~ao
mais so sticadas e est~ao explicadas a seguir.
6.2.2.1 Discos Difus~ao
Nesta proposta o servidor transmite mais frequentemente dados que potencialmente
interessam a maior parte dos clientes. Naturalmente o tempo necessario
para receber um item depende da frequ^encia com que o dado e transmitido.
Dados que s~ao transmitidos com a mesma frequ^encia s~ao considerados pertencer
a um mesmo disco. Se um dado X e transmitido com frequ^encia maior que
um dado Y ent~ao considera-se que X pertence a um disco que gira mais rapido
que o disco de Y.
Acharya, Franklin e Zdonik [6] usam esta abordagem para de nerem discos
difus~ao que possuem diferentes velocidades e tamanhos. O trabalho em [6]
tem como objetivo calcular a frac~ao a ser alocada da largura de banda para
difus~ao de cada item e a sequ^encia de transmiss~ao dos dados. O algoritmo
proposto tem como entrada as probabilidades de acesso as informac~oes pelos
clientes e os par^ametros dos discos que s~aoonumero de discos, que determina
aquantidade de frequ^encias diferentes a serem usadas para difundir os dados,
e, para cada disco, o numero de itens e suas frequ^encias relativas de difus~ao.
Como resultados s~ao gerados uma lista de alocac~ao de itens a discos e a ordem
de transmiss~ao dos dados de tal forma que o tempo medio entre chegadas de
um mesmo item aproxime-se das expectativas do cliente.
A gura 6.1 mostra um exemplo de difus~ao de dados de mesmo tamanho
seguindo estrategias diferentes. A sequ^encia mostrada na letra (a) da gura 6.1
so considera os dados a serem transmitidos, independente da probabilidade de
acesso as informac~oes. Eachamada transmiss~ao plana ( at) de dados. Nas
letras (b) e (c) o dado X tem o dobro da frequ^encia de transmiss~ao de Y
e Z. A letra (b) sugere que as transmiss~oes de X est~ao sempre agrupadas,
provavelmente de forma aleatoria, enquanto em (c) existe um padr~ao regular ja
queavari^ancia do tempo entre chegadas de qualquer item e sempre constante.
A sequ^encia em (c) pode ser vista como uma difus~ao de multi-discos onde X
esta armazenado num disco que tem duas vezes a velocidade do disco onde
est~aoYeZ.Acharya, Franklin e Zdonik [6] mostram que o atraso esperado de
uma difus~ao multi-disco e sempre melhor que uma difus~ao aleatoria como na

116 Cap tulo 6. Ger^encia de Informac~ao
letra (b).
6.2.2.2 Indice
(a)
(b)
(c)
-
-
-
X Y Z
X X Y Z
X Y X Z
Figura 6.1: Sequ^encias de envio de dados em discos difus~ao
Imielinski, Viswanathan e Badrinanth [118, 119] estudam a situac~ao onde o
cliente esta interessado em parte dos dados transmitidos que podem ser identicados
por uma chave. Neste caso, deve-se enviar junto com os dados um ndice
ou diretorio que descreve a organizac~ao e a ordem das informac~oes transmitidas
para que o cliente possa recuperar seletivamente o item desejado. O objetivo
e fazer com que os clientes economizem energia cando no modo doze a maior
parte do tempo.
O problema agora e de nir formas de agrupar o ndice com os dados no canal
difus~ao para que o cliente minimize os tempos de acesso e sintonia (tuning) aos
itens transmitidos. Como exemplo, considere o caso de uma transmiss~ao plana
onde a informac~ao sobre o ndice n~ao e fornecida. Se existem n dados sendo
transmitidos ent~ao o tempo medio para acessar um item e proporcional a n=2
que e o melhor que se pode fazer. Isto e equivalente a uma pesquisa sequencial
onde os dados de entrada n~ao est~ao ordenados. Por outro lado, o tempo medio
de sintonia tambem e proporcional a n=2 queemuito ruim.
Em [118], Imielinski, Viswanathan e Badrinanth sugerem uma pol tica chamada
\indexac~ao (1m)" onde todo o ndice e transmitido a cada frac~ao 1=m
de dados enviados. Junto com cada dado e transmitido tambem a quantidade
de itens que ainda v~ao aparecer no canal antes de uma nova difus~ao do ndice.
Para acessar um registro, um cliente sintoniza o canal de transmiss~ao, descobre
onumero de itens a serem transmitidos antes do ndice, vai para o modo doze,
sintoniza novamente no momento da difus~ao do ndice, identi ca quando o item
desejado sera transmitido, torna a voltar para o modo doze e, nalmente, torna

6.3 Caching e Difus~ao 117
a sintonizar quando o dado e transmitido. O valor otimo de m e igual a raiz
quadrada de d=i onde d e o tamanho medio dos dados e i e o tamanho do
ndice. Uma possibilidade discutida em [118] en~ao transmitir todo o ndice a
cada frac~ao de 1=m dados, mas somente o ndice dos dados que aparecem no
conjunto seguinte. Esta soluc~ao estabelece um compromisso entre o numero
de sintonias que o cliente deve executar e a quantidade de dados referentes ao
ndice que devem ser transmitidos.
6.3 Caching e Difus~ao
Em sistemas baseados em disseminac~ao, as tecnicas de caching e difus~ao (broadcasting)
podem ser usadas conjuntamente. Os clientes podem manter numa
memoria cache dados mais provaveis de serem usados, diminuindo assim a
depend^encia com o servidor que transmite informac~oes de acordo com uma
prioridade. E importante ressaltar que o servidor tenta otimizar a difus~ao de
dados para um conjunto de clientes com necessidades diferentes. Essas necessidades
podem ainda variar ao longo do tempo. Logo, para um cliente espec co
a difus~ao de dados pode n~ao ser otima e a tecnica de caching pode melhorar
o desempenho de acesso as informac~oes. A tecnica de difus~ao pode ser usada
tambem para atualizar a memoria cache em qualquer sistema cliente/servidor
independentemente da modalidade de transmiss~ao de dados, ou seja, difus~ao,
entrega sob demanda ou uma combinac~ao das duas modalidades.
Esta sec~ao discute os problemas de caching e difus~ao, consist^encia de dados
em sistemas difus~ao e atualizac~ao de cache.
6.3.1 Ger^encia de Cache em Sistemas Difus~ao
Protocolos de ger^encia de cache propostos para sistemas tradicionais ( xos) s~ao
baseados no princ pio de entrega de dados sob demanda. Essas tecnicas devem
ser revistas para sistemas baseados em difus~ao para computac~ao movel. Os
termos \pagina" (page), dado ou item ser~ao usados com o mesmo signi cado
supondo que a granularidade de uma memoria cache e um dado transmitido
por difus~ao.
6.3.1.1 Pol ticas de Atualizac~ao de Cache
Em sistemas de ger^encia de memoria cache, osclientes mant^em na memoria os
dados que t^em mais probabilidade de serem acessados para melhorar a taxa de
acerto de cache (cache hit ratio). Geralmente nesses sistemas, quando ocorre a

118 Cap tulo 6. Ger^encia de Informac~ao
substituic~ao de uma pagina devido a uma aus^enciadedadonamemoria cache,
o custo para obter a nova pagina e considerado constanteen~ao e computado
no processo de atualizac~ao. Em sistemas difus~ao, o custo para substituir
uma pagina depende do intervalo de tempo que se deve esperar para obter o
novo dado. Logo, deve-se considerar esse custo em pol ticas de atualizac~ao de
paginas.
Em sistemas de disseminac~ao que usam discos difus~ao, cada cliente deve
manter as paginas que t^em maior probabilidade de acesso comparado com suas
frequ^encias de difus~ao. Um metodo simples de substituic~ao de paginas proposto
por Acharya et al. [5] eoPIX(P Inverse X ) que considera este princ pio. O
metodo PIX substitui a pagina residente na memoria cache que tem a menor
raz~ao entre a probabilidade de acesso P e a frequ^encia de difus~ao X. O problema
deste metodo e que requer um conhecimento das probabilidades de acesso,
o que geralmente edifcil de obter, e as frequ^encias de difus~ao de todos os
dados armazenados na memoria cache. Alem disso, para cada substituic~ao e
necessario comparar todos os valores obtidos de PIX.
6.3.1.2 Busca Antecipada
Um cliente pode armazenar antecipadamente na sua memoria cache paginas
que ainda ser~ao acessadas. Em sistemas distribu dos tradicionais, a busca antecipada
(prefetching)depaginas, que potencialmente ser~ao usadas pelo cliente,
causa um aumento na carga do servidor e na sub-rede de comunicac~ao. Em
sistemas baseados em disseminac~ao o impacto e somente nos recursos locais do
cliente ja que os itens a serem buscados antecipadamente est~ao presentes na
difus~ao.
Uma estrategia simples de busca antecipada eotag-team [8]. Para explicar
este metodo suponha que um cliente estainteressado em acessar os dados d1 e d2
com a mesma probabilidade e so possui uma pagina dispon vel para armazenalos.
Nessa estrategia, d1 e copiado para a memoria cache ao aparecer numa
difus~ao e ca armazenado ate d2 ser transmitido quando d1 e substitu do pelo
valor de d2.
Acharya, Franklin e Zdonik [8] usam o princ pio do tag-team para propor
uma heur stica de busca antecipada chamada de PT. Esse eummetodo
din^amico que calcula o valor PT de cada dado recebido na difus~ao com os itens
que est~ao armazenados naquele momento na memoria cache. O valor de PT
e dado pelo produto da probabilidade P de acesso apagina e o per odo de
tempo T para a pagina aparecer novamente numa difus~ao. O metodo compara
o item com o menor valor de PT na memoria cache com o valor de PT do dado

6.3 Caching e Difus~ao 119
recebido. Se este ultimo for maior ent~ao ha uma substituic~ao. Note que uma
implementac~ao e ciente deste metodo pode ser feita usando uma la de prioridades
que evita consultar o valor de PT de cada dado na memoria. Observe
tambem que o valor de PT e din^amico ja que o valor de T varia. Por outro lado,
ovalor de PIX usado na pol tica de atualizac~ao de cache permanece estatico
durante o per odo de difus~ao.
Uma outra abordagem de busca antecipada de dados e apresentada por
Ammar [20] para sistemas de entrega de teletexto na modalidade difus~ao.
Nessa abordagem, cada pagina transmitida contem uma lista das paginas mais
provaveis de serem requisitadas pelo cliente. Ao requisitar uma pagina p o
cliente tambem recebe os primeiros d itens da lista que est~ao associados com
p, onded e o tamanho da memoria cache em paginas.
6.3.2 Consist^encia de Dados em Sistemas Difus~ao
E comum ter aplicac~oes que precisam mudar os dados a serem difundidos.
Acharya, Franklin e Zdonik [6] citam pelo menos tr^es motivos para alterar os
dados transmitidos num sistema baseado em difus~ao. Primeiro, podem existir
dados que devem ser inclu dos ou retirados. Neste caso, a entrega de dados
h brida baseada nos princ pios de push e pull descritos na sec~ao 6.2.1 podem
ser usados para fazer alterac~oes din^amicas. Segundo, a organizac~ao de dados
difus~ao pode ser modi cada ao se de nir um novo ndice ou mudar a frequ^encia
de transmiss~ao de um dado num disco difus~ao. Terceiro, os valores dos dados
difus~ao podem ser atualizados. Para este ultimo caso e necessario de nir protocolos
de controle de consist^encia.
O projeto de protocolos de controle de consist^encia depende, dentre outros
fatores:
das suposic~oes sobre as formas de entrega e pedido dos dados que por sua
vez de ne os canais de comunicac~ao necessarios
se os dados s~ao armazenados em memoria cache nos clientes e, caso sejam,
se podem ser atualizados ou n~aoe,
modelo de consist^encia de dados usado.
Sistemas de informac~ao baseados em disseminac~ao de dados est~ao
comecando a surgir em computac~ao movel como descrito na sec~ao 6.2. Para
esses sistemas ainda n~ao existem modelos de consist^encia de dados consolidados
eestaarea tem sido assunto de pesquisa recente. Em um sistema de ger^encia

120 Cap tulo 6. Ger^encia de Informac~ao
de banco de dados tradicional a consist^encia e baseada no conceito de serializac~ao
que informalmente garante que um conjunto de transac~oes concorrentes
s~ao executadas como se fossem submetidas serialmente.
Em [7], Acharya, Franklin e Zdonik discutem alguns modelos de consist^encia
de dados para sistemas baseados em disseminac~ao como a situac~ao onde os clientes
n~ao mant^em os dados em memoria cache en~ao existe um canal de subida
(backchannel) para entrega de dados sob demanda. Neste caso, o servidor
sempre transmite os valores mais recentes dos dados que s~ao utilizados pelos
clientes. Eochamado modelo do ultimo valor. Este modelo e mais fraco que
a serializac~ao ja quen~ao existe o conceito de transac~ao onde as operac~oes s~ao
agrupadas em unidades at^omicas.
Alonso, Barbara e Garcia-Molina [15] de nem um modelo chamado de quasi
caching onde os clientes armazenam os dados em memoria cache mas n~ao executam
nenhuma atualizac~ao. Neste modelo, o dado que o cliente possui pode
n~ao ser o mais recente mas o modelo garante estar dentro de uma faixa de -
nida pelo cliente de acordo com suas condic~oes de coer^encia de dados. Este
modelo pode ser uma escolha adequada no caso do computador movel car
desconectado por um per odo longo ou a conectividade com a rede n~ao ser
constante.
Einteressante observar que diferentes modelos de consist^encia de dados
para computac~ao movel podem oferecer diferentes tipos de servicos que, em
geral, ser~ao mais apropriados para aplicac~oes ou cenarios espec cos. Isto n~ao
e de se estranhar pois em sistemas distribu dos existem propostas de varios
modelos computacionais, alguns equivalentes, mas a maioria tem um poder
computacional diferente. Isto signi ca que muitas vezes um problema pode
n~ao ter soluc~ao num modelo e ter em outro. Modelos computacionais para
computac~ao movel s~ao discutidos no cap tulo 7.
6.3.3 Atualizac~ao de Cache em Sistemas Difus~ao
Os protocolos de atualizac~ao de memoria cache executados pelos servidores podem
manter ou n~ao informac~oes relacionadas com os seus clientes. Por exemplo,
os clientes que est~ao na sua celula de supervis~ao, o conteudo da memoria cache
dos clientes e quando a memoria cache foi atualizada pela ultima vez. Os servidores
que mant^em essas informac~oes s~ao chamados de stateful eosquen~ao
mant^em de stateless.
No modelo cliente/servidor, o servidor pode usar o esquema de difus~ao para
informar os clientes sobre atualizac~oes de dados em suas memorias cache. Barbara
e Imielinski [32] estudam o problema de atualizac~ao da memoria cache por

6.3 Caching e Difus~ao 121
um servidor de forma ass ncrona e s ncrona. Na forma ass ncrona, o servidor
transmite uma noti cac~ao de invalidac~ao para um dado t~ao logo o seu valor
seja alterado. Na forma s ncrona, as noti cac~oes s~ao transmitidas periodicamente.
Isto signi ca que o cliente tem que receber a noti cac~ao para decidir
se os dados na memoria cache s~ao validos ou n~ao. No caso de uma consulta, o
cliente espera pela proxima noti cac~ao o que aumenta a lat^encia da consulta.
Este overhead no processamento da consulta pode ser evitado no caso de se
usar um modelo de consist^encia menos r gido como o quasi caching.
A informac~ao enviada numa noti cac~ao de invalidac~ao pode variar. Por
exemplo, pode conter o valor do item atualizado ou apenas a identi cac~ao e
timestamp da ultima atualizac~ao sem o seu valor, principalmente no caso de
dados armazenados em apenas alguns clientes. No caso do valor n~ao ser inclu do
na noti cac~ao, o cliente deve remover o item da memoria cache ou pedir ao
servidor o valor atualizado.
Barbara e Imielinski [32] prop~oem tr^es estrategias de atualizac~ao da
memoria cache de forma s ncrona. Na estrategia de difus~ao de timestamp
(TS), a noti cac~ao contem o timestamp de cada dado atualizado nos ultimos
w segundos. Na estrategia de amnestic terminals (AT) o servidor transmite
somente os identi cadores dos itens que mudaram desde a ultima noti cac~ao.
Na estrategia de signature, o servidor envia uma assinatura que eumchecksum
calculado sobre os valores de varios itens atraves de tecnicas de compress~ao de
dados. Como era de se esperar, a aplicabilidade de cada uma dessas estrategias
depende do tempo que um cliente permanece no modo doze. Clientes que normalmente
cam conectados s~ao chamados de \viciados em trabalho" (workaholic)
enquanto que clientes que cam normalmente desconectados s~ao chamados
de \dorminhocos" (sleepers). A estrategia de assinatura e mais apropriada
para clientes sleepers que cam longos per odos desconectados. A estrategia
AT e melhor para um workaholic eaTSe mais vantajosa quando o numero de
consultas e maior que a taxa de atualizac~oes e os clientes n~ao s~ao workaholics.
Jing et al. [125] prop~oem um metodo de atualizac~ao de forma ass ncrona
baseado em sequ^encias de bits. Nesse metodo, a noti cac~ao e organizada como
um conjunto de pares onde o primeiro elemento e um bit e o segundo eo
timestamp. Cadabitnasequ^encia representa um item no banco de dados. Um
bit 1 indica que o item correspondente foi atualizado no instante dado pelo
timestamp e o bit 0 indica que o dado n~ao foi alterado. Em [125] e mostrado
que o algoritmo tem um desempenho consistente quando a taxa de atualizac~ao e
os tempos de desconex~ao dos clientes variam. O algoritmo pode ser empregado
para grandes bancos de dados alterando-se a granularidade do bit. A ideia e
associar um bit a um conjunto de dados alterados raramente ao inves de um

122 Cap tulo 6. Ger^encia de Informac~ao
unico item.
Um problema importante e como atualizar os dados numa memoria cache
quando o cliente desconectado perde uma noti cac~ao. Neste caso, os metodos
s ncronos s~ao melhores que os ass ncronos ja que os clientes precisam apenas
sintonizar periodicamente para receber uma noti cac~ao ao inves de escutar
continuamente o canal. Se o cliente permanecer desconectado por um per odo
maior que o de difus~ao todos os dados armazenados na memoria cache podem
ter que ser descartados a menos que alguma veri cac~ao seja feita. Uma possibilidade
e o cliente enviar para o servidor para validac~ao as identidades e os
timestamps de todos os objetos armazenados na memoria cache. Estasoluc~ao
pode requerer uma largura de banda alta no canal de subida alem do consumo
de energia. Uma outra alternativa que diminui a quantidade de itens transmitidos
e agrupar os dados e enviar para o servidor uma identi cac~ao do grupo
junto com o timestamp. O problema e que uma unica atualizac~ao invalida todo
o grupo. Como soluc~ao, Wu, Yu and Chen [240] prop~oem eliminar do conjunto
os itens que est~ao atualizados no momento de validar o grupo.
Atecnica de difus~ao pode ser usada em varios algoritmos para controle de
concorr^encia. Barbara [30] sugere usar difus~ao em protocolos de controle de
concorr^encia otimistas para invalidar algumas das transac~oes dos clientes. O
escalonador de transac~oes do servidor, no controle de concorr^encia otimista,
veri ca, ao aceitar (commit) uma transac~ao, se a execuc~ao feita pelo cliente
pode ser serializada ou n~ao. Se for, aceita, caso contrario aborta a transac~ao.
No algoritmo proposto usando difus~ao, o servidor transmite periodicamente
para seus clientes um relatorio de certi cac~ao (CR) que inclui o readset eo
writeset das transac~oes ativas que ja noti caram o servidor a intenc~ao de aceitar
a transac~ao e ja foram certi cadas. O cliente movel ao receber o relatorio CR
aborta de suas transac~oes locais as que t^em o readset eowriteset em comum
com o CR. Isto signi ca que o cliente tambem e responsavel por parte do
processo de veri cac~ao e e noti cado pelo servidor ao aceitar a transac~ao no
banco de dados da rede xa.
6.4 Consultas Sobre Localizac~ao
Consultas sobre localizac~ao de objetos podem ser pedidas por usuarios tanto
na rede xa quanto na movel e podem ser processadas tanto em bancos de
dados em computadores na rede xa quanto na movel. As consultas podem incluir
diretamente ou n~ao a localizac~ao mas podem requerer rastrear um objeto
movel como por exemplo consultas que envolvem dados produzidos e armazenados
em computadores moveis. Consultas sobre localizac~ao podem incluir

6.5 Topicos Relacionados 123
dados transientes que s~ao dados cujos valores mudam em func~ao da localizac~ao
e do instante do tempo que s~ao processadas. Por exemplo, um cliente se movendo
e querendo saber onde ca um provedor de servico mais perto (hospital,
supermercado, etc) ou as condic~oes climaticas e de trafego x quil^ometros da
posic~ao onde esta. Neste tipo de consulta, o usuario pode solicitar tambem
que as respostas sejam atualizadas continuamente sem que seja necessario enviar
uma nova requisic~ao. Se a resposta for cont nua deve-se de nir criterios
de atualizac~ao, que podem ser func~ao de uma periodicidade ou localizac~ao do
usuario, e a forma de enviar os dados para o usuario como incremental ou total.
Normalmente, a localizac~ao do usuario e dada em algum sistema de coordenadas.
Por exemplo, longitude e latitude, posic~ao dentrodeumacelula ou
rota pre-conhecida. Alem disso, sup~oe-se tambem que a posic~ao do objeto eobtida
atraves de tecnicas de dead reckoning, ou seja, tecnicas que n~ao envolvem
corpos celestes.
Usuarios que t^em um alto grau de mobilidade podem gerar um volume
muito grande de atualizac~oes. Dependendo do tipo de conhecimento que se
tem sobre o cliente n~ao e necessario fazer atualizac~oes frequentes no banco
de dados. Por exemplo, se um usuario esta semovendo em uma rota prede
nida com velocidade constante ou dentro de uma faixa pode-se calcular a
sua posic~ao exata ou aproximada conhecendo-se um ponto de refer^encia inicial.
Em [215], Sistla et al. discutem aspectos transientes e cont nuos de consultas
sobre localizac~ao onde a posic~ao de um objeto movel e representado como uma
func~ao do tempo. Nesse sistema epossvel estimar a localizac~ao futura de um
objeto em movimento.
Imielinski e Badrinath [112] discutem consultas sobre localizac~ao quando
n~ao se conhece a posic~ao exata do usuario. Nessa abordagem as celulas usadas
frequentemente por um usuario constituem uma partic~ao e as usadas infrequentemente
pertencem a outras partic~oes. O objetivo do sistema egarantir uma
\ignor^ancia limitada" no sentido que a posic~ao real de um usuario e a armazenada
no banco de dados indicam sempre a mesma partic~ao. Nesse cenario,
somente as celulas pertencentes a uma mesma partic~ao devem ser consideradas
no momento de saber a posic~ao real do usuario que pode ser obtida atraves de
um sistema de paging.
6.5 Topicos Relacionados
Existem varios outros topicos relacionados com ger^encia de informac~ao que n~ao
s~ao discutidos neste livro. Por exemplo, manutenc~ao de vis~ao de dados, processamento
de consultas considerando consumo de energia, ger^encia de localizac~ao

124 Cap tulo 6. Ger^encia de Informac~ao
einterface de consulta para bancos de dados.
Wolfson et al. [239] discutem par^ametros que devem ser considerados na
manutenc~ao de vis~ao de dados em redes com computadores xos e moveis. As
vis~oes podem depender de dados de localizac~ao que podem mudar continuamente
ao longo do tempo. A tecnica de difus~ao pode ser usada para informar
os clientes sobre suas vis~oes que, por sua vez, podem pedir atualizac~oes sob
demanda. Um outro par^ametro importante na manutenc~ao de vis~ao e a possibilidade
de prever desconex~oes.
Alonso e Ganguly [16] sugerem projetar planos de otimizac~ao de consultas
de tal forma a economizar o consumo de energia do computador movel em
detrimento do desempenho do sistema. O objetivo ediminuir o consumo mas
manter o desempenho acima de um valor m nimo.
Em [17, 18], Alonso, Harber e Korth identi cam varias quest~oes que afetam
o projeto de interfaces de consulta para computadores moveis. Algumas das
restric~oes discutidas s~ao o tamanho da tela, o modelo sem^antico usado, as
caracter sticas do meio de comunicac~ao e energia limitada. Massari, Weissman
e Chrysanthis [149] prop~oem o conceito de Query By Icons (QBI) para tratar
destas restric~oes. QBI eumainterface visual que permite ao usuario de nir
uma consulta atraves da composic~ao de cones selecionados por uma light pen.
O modelo de dados sem^antico da interface QBI encapsula e esconde os detalhes
do banco de dados.

Cap tulo 7
Algoritmos Distribu dos
O projeto de algoritmos distribu dos para ambientes de computac~ao movel
deve considerar problemas de comunicac~ao e desconex~ao, topologia din^amica e
os fatores de ambientes discutidos na sec~ao 2.4. Logo, o conjunto de variaveis
a serem consideradas e bem maior que em sistemas distribu dos e, por isso, e
um campo muito vasto a ser explorado. A tabela 7.1 [183] faz um sumario dos
principais fatores que afetam o projeto de algoritmos.
Este cap tulo esta organizado da seguinte forma. A sec~ao 7.1 discute os modelos
computacionais usados no projeto de algoritmos para computac~ao movel.
O modelo computacional eoponto de partida no projeto de qualquer algoritmo.
Asec~ao 7.2 mostra como os modelos discutidos na sec~ao 7.1 podem ser aplicados
no projeto de aplicac~oes baseadas na Web. A sec~ao 7.3 discute o problema
de distribuic~ao e realocac~ao de dados e tarefas em ambientes de computac~ao
movel. A sec~ao 7.4 apresenta e compara varios algoritmos para recuperac~ao de
falhas em computac~ao movel. Em todas as sec~oes tenta-se discutir os fatores
apresentados na tabela 7.1 no projeto de algoritmos para computac~ao movel.
7.1 Modelos Computacionais para Ambientes
Moveis
O projeto de qualquer algoritmo e baseado num modelo computacional. Por
exemplo, o modelo computacional que representa um computador pessoal e
aMaquina de Turing ou modelo de von Neumann ou RAM (Random Access
Machine). O modelo PRAM (Parallel Random Access Machine) e um modelo
muito comum usado no projeto de algoritmos paralelos. No mundo distribu do
os modelos computacionais devem levar em considerac~ao, dentre outros fato-

126 Cap tulo 7. Algoritmos Distribu dos
Fator Quest~ao a ser considerada
Mobilidade (han- A topologia do sistema edin^amica
do )
Conservac~ao de Deve ser um requisito de projeto tanto de hardware
energia
quanto de software
Caracter sticas do Largura de banda limitada
meio de Altas taxas de bits errados e sinal{ru do
comunicac~ao Normalmente os erros acontecem em rajadas
Custo de comu- Custo para localizar a unidade movel +
nicac~ao
Custo de comunicac~ao que e dependente das caracter
sticas do enlace sem
mento
o num determinado mo-
Modo t pico de
Transmiss~ao consome mais energia que a recepc~ao
Tarifac~ao do meio normalmente e func~ao do tempo
da conex~aoen~ao do numero de mensagens transmitidas
Modo doze para economizar energia
operac~ao
Ao receber uma mensagem o computador movel entra
no modo normal de operac~ao
Conex~ao com a Depende do cliente (aplicac~ao): conectado, conec-
rede xa
tado as vezes, ou tipicamente desconectado
As desconex~oes s~ao mais frequentes do que na rede
Escalabilidade
xa
Dist^ancia entre os clientes (processos ou nodos) etotalmente
variavel
Algoritmos que funcionam para poucos clientes devem
funcionar para um numero arbitrario de clientes
Con gurac~ao dos Geralmente s~ao heterog^eneos com capacidades e re-
clientes
cursos diferentes
Comparados com as estac~oes da rede xa, as unidades
moveis possuem menos capacidade e recursos
Tabela 7.1: Fatores que afetam o projeto de algoritmos distribu dos para computac~ao
movel
res, caracter sticas do canal de comunicac~ao, tipo de comunicac~ao e classes de
falhas que podem ocorrer nos elementos de processamento. Logo, n~ao ede
se estranhar que exista um grande numero de modelos computacionais para o
mundo distribu do.
A seguir, e descrito informalmente o modelo computacional usado na computac~ao
movel. Este modelo egenerico e n~ao detalha aspectos de comunicac~ao
que s~ao discutidos na sec~ao 7.1.2.

7.1 Modelos Computacionais para Ambientes Moveis 127
Um computador movel mantem uma conex~ao com a rede atraves de uma
comunicac~ao sem o com estac~oes base. Neste contexto, uma estac~ao base e
um computador xo que prov^e uma cobertura de comunicac~ao sem o dentro
de uma certa area geogra ca chamada de celula. Um computador movel pode
se comunicar diretamente com uma estac~ao base, e vice-versa, somente se estiver
localizado dentro de sua celula. Em qualquer momento do tempo, um
computador movel pode pertencer logicamente a uma unica celula. A celula
a qual pertence de ne a localizac~ao do computador movel e o computador e
considerado local a estac~ao base que prov^e a cobertura de comunicac~ao sem o
na celula. O modelo de sistema que suporta mobilidade de computadores consiste
de dois conjuntos distintos de entidades: computadores moveis e estac~oes
base. Todos os computadores estaticos e a infra-estrutura de comunicac~ao
constitu da por roteadores e enlaces de comunicac~ao constituem a parte xa da
rede. Atraves da rede xa epossvel haver comunicac~ao entre computadores
moveis que estejam numa determinada celula com computadores na rede xa
ou com outros computadores moveis em outras celulas. Considera-se que a rede
xa prov^e um servico con avel e que entrega as mensagens de um computador
movel para outro na mesma ordem que a rede recebeu. Da mesma forma,
dentro de uma celula, a entrega de mensagens entre o computador movel e a
estac~ao base, e vice-versa, ocorre normalmente na modalidade FIFO (First-In
First-Out). Quando um computador movel passa para uma outra celula ent~ao
ocorre um procedimento de hando executado pelas estac~oes base das duas
celulas.
7.1.1 Funcionalidade de um Computador Movel
Uma quest~ao importante no projeto de um ambiente movel e, consequentemente,
de seus algoritmos e o tipo de funcionalidade atribu do ao computador
movel. Nos projetos InfoPad [163] andParcTab [205], o computador movel e
considerado um terminal dumb devido as caracter sticas dos dispositivos moveis
que possuem menos recursos que estac~oes de trabalho atuais, como capacidade
de memoria principal e secundaria, velocidade de processador, quantidade e
velocidade de dispositivos perifericos e limitac~oes de consumo de energia. Nesses
dois projetos, a funcionalidade do computador movel \reside" na rede xa.
Por outro lado, as caracter sticas da comunicac~ao sem o, ou seja, largura de
banda menor, con abilidade mais baixa e alta taxa de erro, s~ao fatores para
atribuir mais funcionalidades as unidades moveis para serem menos dependentes
de estac~oes na rede xa. No momento, n~ao existe um consenso sobre que
tipo de funcionalidade deve ser atribu da a um computador movel. O que essas

128 Cap tulo 7. Algoritmos Distribu dos
duas abordagens opostas mostram na realidade equee necessario projetar o
software das unidades moveis de tal forma a poderem ser adaptados as funcionalidades
que re itam condic~oes do ambienteedoproprio computador. Por
exemplo, a rede xa ou o computador movel ao saber que havera umadesconex~ao
pode receber uma funcionalidade adicional para executar enquanto
estiver desconectado.
Alem da forma de de nir funcionalidades para um computador movel existem
duas outras quest~oes fundamentais no projeto de algoritmos e sistemas
para ambientes moveis: modelo de comunicac~ao usado no ambiente movel e
como os fatores relacionados com a computac~ao movel discutidos na sec~ao 2.4
s~ao tratados pelo sistema movel. Apesar deste ultimo ponto n~ao ser ligado
diretamente ao modelo computacional n~ao ha como ignora-lo no projeto de
algoritmos e, por esta raz~ao, e tratado conjuntamente nesta sec~ao.
7.1.2 Modelos de Comunicac~ao na Computac~ao Movel
Dentre os diversos modelos de comunicac~ao existentes em sistemas distribu dos,
existem tr^es modelos comumente usados pelas aplicac~oes: cliente/servidor, par{
par (peer to peer) eagentes moveis.
7.1.2.1 Modelo Cliente Movel/Servidor
No modelo cliente/servidor uma aplicac~ao executando num sistema de computac~ao,
chamado de cliente, requisita um servico de uma outra aplicac~ao executando
normalmente em outro sistema de computac~ao, chamado de servidor.
Este modelo e importante pois tem sido a base das aplicac~oes desenvolvidas
para a Internet.
Num ambiente de computac~ao movel, o computador movel exerce o papel de
cliente que requisita servicos de servidores localizados na rede xa. Em alguns
casos, a funcionalidade e os dados s~ao distribu dos entre diversos servidores xos
que podem ter que se comunicar entre si para atender a requisic~ao do cliente. A
replicac~ao do servidor e um mecanismo usado para aumentar a disponibilidade
do servico no caso de falhas de rede ou de servidores, melhorar o desempenho,
prover escalabilidade e acomodar clientes com alto grau de mobilidade.
Este modelo, para ser usado diretamente na computac~ao movel, deve tratar
de alguns problemas dentre eles o da desconex~ao. Nocasodocliente movel
estar desconectado, o computador movel deve emular a funcionalidade de um
servidor para a operac~ao poder continuar [202].
Tambem dentro deste modelo e necessario de nir o tipo de mecanismo de
comunicac~ao usado. Uma possibilidade e a troca direta de mensagens entre o

7.1 Modelos Computacionais para Ambientes Moveis 129
cliente e o servidor. Esta abordagem n~ao e adequada para a comunicac~ao sem
o onde a comunicac~ao e feita em baixa velocidade e n~ao e con avel. Nesse
ambiente, uma abordagem mais apropriada e usar um mecanismo de indirec~ao
onde as mensagens s~ao en leiradas nas duas extremidades. Outra possibilidade
e usar o mecanismo de RPC (Remote Procedure Call). RPC s ncrono n~ao e
adequado para a computac~ao movel ja queocliente ca bloqueado no caso de
desconex~ao. Uma possibidade e o RPC ass ncrono [130]. Neste modelo, toda
chamada RPC feita pelo cliente e armazenada num log estavel e o controle
e retornado imediatamente para a aplicac~ao. O cliente movel, ao se conectar
com a rede xa, envia as chamadas RPCs para o servidor de forma transparente
para a aplicac~ao. O servidor que processou a chamada RPC pode ter que fazer
varias tentativas para enviar a resposta ao cliente movel. O mecanismo usado
pelo RPC ass ncrono permite que o software de suporte acomunicac~ao use
diferentes canais de comunicac~ao para enviar requisic~oes e receber respostas de
forma transparente para as aplicac~oes.
Pelo exposto acima ca claro que o modelo tradicional cliente/servidor precisa
ser estendido para tratar desconex~oes e comunicac~ao n~ao con avel entre
clientes e servidores. Duas propostas de extens~ao do modelo cliente/servidor
s~ao discutidas a seguir.
Modelo Cliente/Agente/Servidor
Este eummodelodetr^es partes, cliente/agente/servidor ou c/a/s [227, 243],
onde o cliente representa o computador movel, o servidor a estac~ao na rede
xa, que recebe as chamadas do cliente, e o agente, que ca na rede xa, age
em nome do cliente. A ideia desta abordagem equeoagente ou um proxy
mantem a presenca do cliente na rede xa aliviando o impacto da largura de
banda limitada e baixa con abilidade da comunicac~ao sem o nas transac~oes
entre cliente e servidor. Neste cenario, o agente pode ter acesso a canais de
comunicac~ao de alta velocidade e con aveis e recursos computacionais mais
so sticados. No caso do agente usar um mecanismo de cache, o tempo de
comunicac~ao na rede diminui ja que n~ao envolve a parte movel melhorando o
tempo de resposta da aplicac~ao. Outro aspecto e que o servidor n~ao precisa
executar certas tarefas para bene ciar o cliente como compress~ao de dados que
passaria para o agente diminuindo, assim, a carga no servidor.
O agente e responsavel por dividir a interac~ao entre os clientes moveis e os
servidores xos em duas partes: uma entre o cliente e o agente, e a outra entre
oagente e o servidor. Como elemento intermediario, o agente deve prover
facilidades para en leirar mensagens a serem trocadas com o cliente movel.

130 Cap tulo 7. Algoritmos Distribu dos
Nesta abordagem, protocolos diferentes podem ser usados em cada interac~ao.
Dentre as poss veis responsabilidades do agente podemos ter: noti car o
cliente quando ocorrerem eventos pre-de nidos dependentes da aplicac~ao e inicializar
ou parar func~oes espec cas no computador movel ou executar servicos
espec cos do cliente. O modelo c/a/s e mais apropriado para clientes que n~ao
possuem muitas demandas e possuem recursos computacionais limitados.
Neste modelo, o agente pode ser projetado para tratar de clientes ou
servicos. No caso de clientes, o agente pode representar na rede xa uma
unica aplicac~ao num computador movel ou um conjunto de aplicac~oes em diferentes
computadores moveis [89]. O agente tambem pode ser responsavel por
um servico espec co como acesso a um servidor Web [108] ou um banco de
dados [171]. Neste caso, toda a comunicac~ao entre cliente movel e servidor
e feita atraves do agente responsavel pelo servico. O agente de servico pode
atender mais clientes simultaneamente. Generalizando ainda mais esta ideia,
um servico pode ser oferecido por um conjunto de agentes que pode servir um
grupo de clientes [171].
Uma vez de nido o papel que o agente representa na rede xa deve-se determinar
a sua localizac~ao. Uma possibilidade e colocar o agente mais perto do cliente,
ou seja, na estac~ao base da celula onde se encontra o cliente. Nesta pol tica
tem-se a vantagem de ser mais facil obter informac~oes sobre as condic~oes do
enlace sem o que podem ser usadas pelo agente para decidir ou n~ao por uma
comunicac~ao com o cliente num determinado momento. Seguindo esta pol tica,
toda vez que o cliente movel mudar de celula o agente tambem deve semover
para a estac~ao base da celula correspondente. No caso de agentes espec cos
de servico, e mais apropriado coloca-los mais perto do servidor ou da maioria
dos clientes.
Aintroduc~ao de agentes no modelo tambem afeta o trafego na sub-rede
de comunicac~ao e, mais especi camente, o roteamento de pacotes. No caso
do agente representar o cliente na rede xa ent~ao todo o trafego em direc~ao a
esse cliente deve passar necessariamente pelo seu agente. No caso do agente
representar um servico ent~ao somente o trafego referente a esse servico deve
passar pelo agente.
Este modelo e uma evoluc~ao do modelo cliente/servidor mas apresenta alguns
problemas. Do ponto de vista do servidor, n~ao existem problemas de
comunicac~ao com o cliente ja que o agente se encarrega de toda a interac~ao.
Por outro lado, o cliente deve ser modi cado para interagir com o agenteen~ao
mais com o servidor. Isto pode ser um problema serio quando ja existe uma
aplicac~ao cliente/servidor desenvolvida e deseja-se disponibiliza-la num ambiente
movel. Outro problema equeoagente estando localizado na rede xa so

7.1 Modelos Computacionais para Ambientes Moveis 131
pode pode otimizar a transmiss~ao de dados para o cliente movel e n~ao no sentido
contrario, a menos que o cliente tambem execute uma func~ao semelhante.
Modelo Cliente/Interceptador/Servidor
Uma poss vel soluc~ao para os problemas apresentados pelo modelo cliente/agente/servidor
e dividir o agente em duas partes: uma que ca no cliente
e a outra que continua na rede xa [108, 201]. Esses dois novos elementos s~ao
chamados de interceptadores ao inves de agentes. O interceptador do lado do
cliente movel intercepta chamadas do cliente e, juntamente com o interceptador
do lado do servidor, executa otimizac~oes para reduzir a transmiss~ao de dados
no canal de comunicac~ao sem o e tenta manter ininterrupta a computac~ao no
cliente movel. Do ponto de vista do cliente, esse interceptador exerce o papel
de um servidor proxy que e co-residente com o cliente. De forma analoga, o
interceptador do lado do servidor exerce o papel de um cliente local proxy que
reside na rede xa, mas n~ao necessariamente com o servidor. Os interceptadores
t^em basicamente a func~ao de minimizar os efeitos do canal de comunicac~ao
sem o sobre o cliente movel e o servidor.
Uma caracter stica importante deste modelo e que os interceptadores s~ao
transparentes para o cliente e o servidor. Por essa raz~ao, a comunicac~ao entre
os interceptadores pode ser projetada levando-se em considerac~ao as caracter
sticas do canal de comunicac~ao sem afetar a funcionalidade ou interoperabilidade
do cliente com o servidor. O par de interceptadores pode ser visto como
uma camada middleware que otimiza e facilita a comunicac~ao num ambiente
movel.
Este modelo e mais apropriado para clientes que demandam muita computac~ao
e possuem capacidade de processamento e memoria secundaria su -
cientes. O problema deste modelo e que enecessario desenvolver um par de
interceptadores para cada tipo de aplicac~ao ja que otimizac~oes e funcionalidades
s~ao, em geral, dependentes do tipo de problema. Recentemente, a IBM
desenvolveu um sistema de acesso a servidores Web para computac~ao movel,
chamado de WebExpress [108], baseado neste modelo.
7.1.2.2 Modelo Par{Par
Numa arquitetura par{par (peer-to-peer) n~ao existe distinc~ao entre estac~oes
que exercem o papel de cliente e estac~oes que exercem o papel de servidor. Idealmente,
cada estac~ao tem a funcionalidade completa do cliente e do servidor.
Mapeando esse modelo para a computac~ao movel, os computadores se tornam
parceiros id^enticos numa computac~ao distribu da. Neste caso, um servico pode

132 Cap tulo 7. Algoritmos Distribu dos
ser disponibilizado em um computador movel, mas para economizar energia
pode ter que ser desligado ou operar no modo doze o que, naturalmente, n~ao e
conveniente.
Aplicac~oes onde e necessario executar algum tipo de trabalho cooperativo
entre entidades parceiras s~ao fortes candidatas a usarem o modelo par{par [192].
No modelo cliente/servidor, as entidades cooperantes n~ao trocam informac~oes
diretamente, mas sim atraves de um servidor. Esta situac~ao pode acarretar
um custo de comunicac~ao elevado se os clientes estiverem sicamente longe do
servidor, ou mesmo n~ao possibilitar a comunicac~ao entre as entidades pares se
num determinado momento n~ao houver um caminho entre um cliente movel e
o servidor independente de existir um canal entre os clientes.
7.1.2.3 Modelo Agente Movel
Agentes moveis s~ao processos que migram de um computador para outro para
executar uma tarefa espec ca [61]. Cada agente movel possui instruc~oes, dados
e um estado de execuc~ao. Neste modelo, o agente movel executa de forma
aut^onoma e independente da aplicac~ao que o invocou. O agente, ao chegar no
seu destino, e autenticado, preparado para execuc~ao num ambiente de execuc~ao
na entidade destino e, nalmente, executado. O agente movel, no objetivo de
executar sua tarefa, pode se transferir para outra estac~ao, criar e disparar
para execuc~ao novos agentes ou interagir com outros agentes. Ao terminar sua
tarefa, o agente movel envia os resultados para a aplicac~ao que o invocou ou
para um servidor especi cado inicialmente.
Algumas das caracter sticas principais de agentes moveis s~ao: habilidade
de um agente interagir e cooperar com outros agentes, autonomia no sentido
que sua execuc~ao procede com nenhuma ou pouca intervenc~ao da entidade
que disparou esse agente, executar em diferentes plataformas de hardware e
software, o que leva a um alto grau de interoperabilidade, ser capaz de responder
aeventos externos, e ser capaz de mover de uma estac~ao para outra.
Agentes moveis s~ao projetados normalmente para tomar decis~oes e resolver
problemas. Note que agentes moveis n~ao devem ser tratados como uma bola de
cristal ou uma bala de prata, capazes de advinhar e resolver todos os problemas.
As suas tarefas, por exemplo, tomada de decis~oes e resolver problemas, podem
ser executadas seguindo paradigmas propostos em Intelig^encia Artici cial ou
outra area de Ci^encia da Computac~ao.
Normalmente existem duas linguagens envolvidas com um agente movel.
Uma e a linguagem de programac~ao usada para expressar a tarefa do agente.
Em geral, esta e uma linguagem do tipo script. A segunda linguagem esta as-

7.1 Modelos Computacionais para Ambientes Moveis 133
sociada a representac~ao do conhecimento que tem como objetivo prover meios
para expressar objetivos, prefer^encias, tarefas e regras apropriados para diferentes
dom nios.
Um dos principais problemas para aceitac~ao dos agentes moveis e a quest~ao
de seguranca que envolve aspectos de protec~ao contra v rus, autenticac~ao, privacidade
e utilizac~ao de recursos locais da estac~ao. Atualmente ja existem
diversos sistemas de agentes moveis tanto comerciais quanto prototipos de pesquisa
dispon veis na Internet [160].
Agentes moveis prov^eem um metodo ass ncrono e e ciente para pesquisar
por informac~oes ou servicos em redes que se alteram rapidamente. Tambem s~ao
adequados para tratarem de desconex~oes constantes e redes de baixa velocidade.
O modelo computacional de agente suporta o modo de operac~ao desconectado.
Por exemplo, durante uma rapida conex~ao, um cliente movel pode invocar
um agente e ent~ao desconectar-se. O agente prossegue independentemente
com o objetivo de executar a sua tarefa. Quando a tarefa esta terminada, o
agente espera por uma conex~ao com o cliente movel para enviar o resultado. De
forma similar, um agente movel pode ser levado da rede xa para o computador
movel antes de uma desconex~ao. O agente funciona como um representante
da aplicac~ao interagindo com o usuario mesmo durante desconex~oes. De uma
forma generica, um agente movel pode ser usado para levar uma funcionalidade
de uma estac~ao para outra considerando os recursos dispon veis num
determinado momento.
Ao permitir que um cliente movel invoque um agente, a parte pesada da
computac~ao pode car na rede xa. Neste modelo, a mobilidade e impl cita.
Agentes moveis migram para executar suas tarefas, possivelmente interagindo
com outros agentes, mas tambem para seguir computadores moveis. Note que
omodelocliente/agente/servidor pode ser visto como uma forma de um agente
estatico.
7.1.3 Considerando o Ambiente
Um ambiente de computac~ao movel e por natureza din^amico. Num determinado
momento pode haver uma total desconex~ao de uma unidade movel com
a sua estac~ao base enquanto em outro local uma outra unidade pode estar totalmente
conectada a outra estac~ao. Apos alguns instantes, esta situac~ao pode
se inverter. Os recursos dispon veis para um computador movel tambem s~ao
variaveis dependendo de sua localizac~ao e facilidade de acesso a infra-estrutura
xa. Por exemplo, numa determinada regi~ao pode n~ao haver um servidor de
impressora. Ou ainda, uma unidade movel ao se conectar sicamente arede xa

134 Cap tulo 7. Algoritmos Distribu dos
pode passar a ter acesso a uma quantidade maior de recursos computacionais.
Um computador movel ao mudar sua localizac~ao tambem muda a con gurac~ao
da rede e o centro da atividade computacional. Em resumo, um sistema movel
possui recursos variaveisemgrauenumero de forma heterog^enea pela rede.
Logo, os algoritmos, ou o software de forma generica, para a computac~ao movel
devem ser projetados para se adaptarem constantemente as condic~oes do ambiente
[87, 133]. A sec~ao 2.4 discute mais detalhadamente os fatores principais
que afetam o projeto de computadores moveis.
Uma das tarefas principais dos agentes e usar informac~oes sobre recursos
dispon veis no computador movel e as condic~oes do meio para otimizar as comunicac~oes
no enlace e mudar as funcionalidades atribu das ao cliente movel.
Logo, toda computac~ao executada num ambiente movel deve poder ser adaptada
as condic~oes atuais do ambiente.
Uma quest~ao fundamental num projeto de um sistema movel e de nir onde
o suporte a mobilidade sera tratado. Uma possibilidade e deixar essa responsabilidade
totalmente para o sistema operacional e tudo que se refere ao
ambiente passa a ser transparente para as aplicac~oes. O problema e que n~ao ha
uma melhor forma para atender todas aplicac~oes com necessidades e requisitos
diferentes o que torna esta abordagem impraticavel. No outro extremo, essa
responsabilidade ca com cada aplicac~ao sem nenhuma interfer^encia do sistema
operacional. Esta abordagem n~ao tem como resolver demandas de diferentes
aplicac~oes e n~ao garante um limite de uso de recursos dispon veis na unidade
movel. Alem disso, os projetistas das aplicac~oes devem (re)escrev^e-las levando
em considerac~ao esse novo requisito.
O que ca evidente equen~ao existe um unico lugar onde as quest~oes ligadas
ao ambiente devem ser tratadas. O que parece ser mais razoavel, ja que n~ao
existe uma tend^encia de nida, e ter agentes presentes nos diferentes n veis
envolvidos na comunicac~ao entre o cliente movel e o servidor na rede xa,
e esses agentes cooperarem entre si. Por exemplo, um agente na camada de
comunicac~ao pode informar um agente de uma aplicac~ao MPEG para descartar
quadros em func~ao das condic~oes do enlace sem o [243].
A seguir, s~ao descritos alguns trabalhos que t^em seguido esta direc~ao.
Satyanarayanan et al. [203] argumentam que suporte a mobilidade eum
compromisso a ser dividido por aplicac~oes e sistema operacional. Nessa abordagem,
o sistema operacional informa a aplicac~ao de mudancas no ambiente
de acordo com certos princ pios que devem ser estabelecidos. Os dois servicos
basicos que um sistema operacional deve oferecer s~ao:
(i) Noti car a aplicac~ao de qualquer mudanca no ambiente que seja relevante
a sua execuc~ao, e

7.2 Modelos para um Cliente Web 135
(ii) Prover um mecanismo de gerenciamento de recursos.
Mudancas no ambiente incluem mudancas na localizac~ao da unidade movel
usando dead-reckoning (tecnica para identi cac~ao da latidude e longitude de
um objeto que n~ao se baseia na posic~ao de corpos celestes), largura de banda
dispon vel, taxa de bits errados, taxa sinal{ru do e energia dispon vel. Todas
estas informac~oes devem ser obtidas e passadas ao sistema operacional que ira
se encarregar de repassa-las as aplicac~oes, ou o contrario, ou seja, informac~oes
obtidas pelas aplicac~oes e que devem ser repassadas ao sistema operacional.
Oponto de partida para o processo poder acontecer e a de nic~ao de como as
informac~oes referentes ao ambiente s~ao obtidas.
Os princ pios a serem usados pelo sistema operacional para noti car as
aplicac~oes e vice-versa tambem e um aspecto importante do projeto de sistemas
moveis. Por exemplo, como, que tipo e em que momento mudancas detectadas
pelo sistema operacional devem ser passadas para as aplicac~oes e vice-versa.
Parte do problema{como fazer|pode ser solucionada de nindo primitivas de
servico para gerenciamento de recursos que devem ser representados usando
um modelo uniforme [167, 184].
O sistema Odyssey [168] de ne uma interface para negociac~ao de recursos
entre aplicac~oes e sistema operacional atraves da qual mudancas no ambiente
s~ao noti cadas. Por exemplo, uma aplicac~ao pode requisitar ao sistema Odyssey
para ser noti cada quando o valor de um determinado recurso estiver fora
de uma determinada faixa. Nessa proposta e responsabilidade da aplicac~ao
adaptar-se as condic~oes do ambiente uma vez que tenha sido noti cada.
7.2 Modelos para um Cliente Web
Esta sec~ao mostra, atraves de um exemplo, como os diferentes modelos de
comunicac~ao explicados na sec~ao 7.1.2 podem ser usados no projeto de um
cliente Web, ou browser. A Web ja e considerada como a interface \de fato"
para acessar informac~oes na Internet. E natural que essa interface tambem seja
usada em computadores moveis ja que seria inconveniente uma pessoa ter que
usar uma interface no computador na rede xa e outra interface de acesso a
rede no sistema movel.
O projeto World Wide Web e baseado na linguagem de descric~ao de documentos
HTML (HyperText Markup Language) [39] e no protocolo HTTP
(HyperText Transfer Protocol) [40] e toda comunicac~ao segue o modelo cliente/servidor.
No entanto, as limitac~oes introduzidas pela comunicac~ao sem
o tornam inviavel a utilizac~ao de um cliente Web nesse ambiente. Alem disso

136 Cap tulo 7. Algoritmos Distribu dos
o protocolo HTTP possui algumas caracter sticas que o torna inadequado para
a computac~ao movel:
Forma de requisitar objetos de uma pagina HTML: para cada objeto
gra co presente numa pagina HTML, o protocolo HTTP vers~ao 1.0 abre
uma conex~ao TCP/IP com o servidor. Esta operac~ao claramente aumenta
o overhead ealat^encia. Este problema esta sendo resolvido com a vers~ao
1.1 [85, 120].
Transmiss~ao redundante de capacidades: o protocolo HTTP n~ao possui
um estado ou memoria de suas ac~oes. Echamado de um servidor stateless,
ou seja, trata cada requisic~ao como uma transac~ao independente, n~ao
relacionada com uma requisic~ao anterior. Isto faz com que o cliente Web
tenha que enviar a sua lista de capacidades (200 a 400 bytes) em cada
requisic~ao. Essa lista e normalmente a mesma para um dado cliente Web.
Protocolo textual: a informac~ao de controle no HTTP e codi cada em
ASCII e usa palavras voltadas para o ser humano o que aumenta o numero
de bytes transmitidos por requisic~ao.
Mesmo em redes xas, o protocolo HTTP tem problemas de escalabilidade
que resultaram em melhorias propostas na vers~ao 1.1. Num ambiente de
comunicac~ao sem o, o acesso a servidores Web se torna inviavel devido ao
longo tempo de resposta e eventuais temporizac~oes. Housel, Samaras e Lindquist
[108] relatam um experimento feito para acessar uma aplicac~ao simples
DB2 com 10 paginas totalizando 30000 bytes a partir de um ambiente de comunicac~ao
sem o ligado a uma rede corporativa que estava ligada a Internet.
Todooambiente de teste usado n~ao foi controlado. Para cada pagina recuperada
foi gerado um trafego de 56 kbytes e levou mais de 20 minutos para trazer
todas as paginas.
A seguir, s~ao discutidos alguns modelos computacionais que podem ser
empregados no projeto de uma aplicac~ao Web num ambiente de computac~ao
movel. S~ao discutidas poss veis otimizac~oes que podem ser usadas supondo que
o hardware e o software de suporte n~ao prov^e nenhum suporte a mobilidade.
As extens~oes dependem do tipo de cliente e atividades executadas.
7.2.1 Modelos Cliente/Servidor
No modelo cliente/servidor puro o cliente, no computador movel, comunica
diretamente com o servidor Web, na rede xa, atraves do enlace sem o. Qualquer
otimizac~ao deve ser feita diretamente no codigo do programa cliente ou
do servidor.

7.2 Modelos para um Cliente Web 137
7.2.1.1 Modelo Cliente/Agente/Servidor
Neste caso deve haver um agente Web na rede xa que representa um ou mais
clientes Web. Todo trafego de/para computador movel passa por esse agente
que pode ter como objetivo minimizar o processamento no cliente e servidor e a
comunicac~ao do servidor para o cliente supondo que o cliente n~ao se modi ca.
Algumas das poss veis func~oes a serem executadas pelo agente Web s~ao:
Caching que emantido ao longo de varias sess~oes. Com isso ediminu do
o trafego com o servidor Web ja que basta ao agente perguntar o servidor
se o objeto requisitado tem uma data de atualizac~ao mais recente do que
esta na sua copia local.
Prefetching que e usado para otimizar a navegac~ao na rede baseado num
per l criado pelo usuario ou um outro criterio [188].
Execuc~ao de tarefas especi cadas pelo usuario como consolidac~ao de
varios documentos HTML em um unico documento usando criterios prede
nidos [193, 227].
Filtros dependentes da aplicac~ao como compress~ao com ou sem perda e
reordenac~ao de texto antes de enviar qualquer dado para o cliente [33].
As otimizac~oes sugeridas acima s~ao mais apropriadas para clientes Web que
t^em baixa atividade computacional. E importante observar que dependendo do
tipo de otimizac~ao o cliente pode ter que ser alterado. Por exemplo, entender
uma nova representac~ao de compress~ao de dados.
7.2.1.2 Modelo Cliente/Interceptador/Servidor
Neste caso deve haver dois agentes Web sendo um na rede xa e outro no
cliente movel por onde passa toda a comunicac~ao entre o cliente e o servidor.
O objetivo dos agentes e cooperarem entre si para diminuir o volume de trafego
no enlace sem o. Isto pode ser realizado como [88, 131,188]:
Alterac~oes no protocolo HTTP para minimizar o numero de conex~oes
TCP/IP entre os agentes e reduzir o numero de bytes de cabecalho modi
cando o seu formato.
Nesta abordagem o cliente n~ao precisa enviar a sua lista de capacidades
em cada requisic~ao nem e necessario seguir o formato do protocolo HTTP.
Acomunicac~ao entre os agentes pode seguir um protocolo proprio que
procure otimizar esses recursos. A comunicac~ao dos agentes com as outras
entidades e feita usando os protocolos HTTP e TCP/IP.

138 Cap tulo 7. Algoritmos Distribu dos
Observe que a comunicac~ao entre os agentes e totalmente transparente
para o cliente movel e o servidor na rede xa.
Modi cac~ao na forma como um objeto gra co pode ser apresentado ao
cliente.
Nesta abordagem o cliente pode aceitar que um objeto gra co seja comprimido
usando um algoritmo que introduza perda de informac~ao ou mesmo
que o objeto gra co tenha a sua resoluc~ao diminu da.
Uso de scripts para gerar paginas din^amicas baseado no estado do ambiente
do cliente.
A partir de uma pagina din^amica pode-se buscar outras paginas ou executar
alguma tarefa dependendo do estado do ambiente do cliente no
momento em que a requisic~ao HTTP e efetuada.
Uso de cache nos dois agentes para armazenar documentos HTML.
Nesta abordagem o agente na rede xa mantem num cache local os objetos
enviados para o cliente movel. Esses objetos tambem s~ao armazenados
num cache no agente no computador movel. Quando um objeto e solicitado
o cache do agente na parte movel e consultado para se saber se esta
atualizado ou n~ao. Se n~ao estiver eenviada uma solicitac~ao para o servidor.
O agente na rede xa, ao receber o objeto do servidor, so transmite
as diferencas entre as vers~oes anterior e atual diminuindo o trafego no
enlace sem o. Finalmente, o agente no computador movel se encarrega
de reconstituir o objeto.
O modelo baseado no interceptador oferece as vantagens de ser transparente
tanto para o cliente quanto para o servidor Web e ser independente dos padr~oes
HTTP e HTML. Housel, Samaras e Lindquist [108] relatam que utilizando
varias dessas otimizac~oes para o experimento feito com a aplicac~ao DB2 com
10 paginas, o tempo total diminuiu de 20 para menos de tr^es minutos.
7.2.2 Modelo Par{Par
No modelo par{par os computadores movel e xo s~ao considerados id^enticos e
podem ter um servidor e um cliente Web. No caso de um computador movel
possuir um servidor Web, provavelmente a sua con gurac~ao sera maior e mais
parecida com um computador na rede xa. Documentos armazenados no servidor
local s~ao enviados para o cliente movel diretamente, sem envolver nenhuma
comunicac~ao atraves da rede. No entanto requisic~oes do cliente movel para outros
servidores ou de outros clientes para o servidor local v~ao envolver o enlace

7.3 Distribuic~ao de Dados e Tarefas 139
sem o. Nesta situac~ao pode-se usar agentes interceptadores para executarem
otimizac~oes descritas acima.
7.2.3 Modelo Agente Movel
Os agentes moveis podem ser usados conjuntamente com os modelos anteriores
oferecendo outras facilidades como mobilidade de agentes para seguirem clientes
e/ou outros servidores, rede nic~ao de atividades exercidas por agentes de
interceptac~ao ao longo do tempo e busca de informac~oes na rede.
7.3 Distribuic~ao de Dados e Tarefas
Sistemas distribu dos com computadores moveis podem ter, em cada momento,
um numero variavel de elementos computacionais conectados a rede e diferentes
canais de comunicac~ao conectando diferentes elementos computacionais, ou
seja, possuem uma con gurac~ao din^amica. Existem sistemas distribu dos onde
toda comunicac~ao de um computador movel e feita com uma estac~ao base enquanto
em outros e permitida a comunicac~ao direta entre computadores moveis.
O primeiro tipo de ne um sistema movel tradicional e o segundo e conhecido
como uma rede ad-hoc e tem sido motivo de pesquisa mais recentemente.
Devido a mobilidade e para melhorar o desempenho do sistema e natural
que dados e tarefas migrem entre diferentes computadores da rede xa e movel.
Nesse ambiente, os algoritmos para distribuic~ao de dados e tarefas precisam
considerar o custo da comunicac~ao que e diferente de uma rede xa. Esse custo
possui dois componentes: o primeiro e o custo para pesquisar a posic~ao do
computador movel na rede e o segundo e o custo da comunicac~ao propriamente
que normalmente e func~ao do tempo de conex~ao e n~ao do numero de pacotes
transmitidos.
A seguir, s~ao discutidos soluc~oes para distribuic~ao de dados e tarefas num
ambiente de computac~ao movel.
7.3.1 Distribuic~ao de Dados
As propostas para distribuic~ao de dados t^em sido in uenciadas pelos trabalhos
da area de bancos de dados distribu dos. No entanto, ainda e necessario uma
maior integrac~ao entre os fatores de ambiente que in uenciam o projeto de
sistemas de computac~ao movel e bancos de dados.
Badrinath e Imielinski [24] estudam o problema de onde colocar copias de
um dado considerando a frequ^encia de leitura e escrita desse dado, a mobilidade

140 Cap tulo 7. Algoritmos Distribu dos
do clienteeapoltica de gerenciamento de localizac~ao de clientes. O dado pode
ser armazenado no servidor, no cliente movel ou no servidor responsavel pela
localizac~ao do cliente movel dependendo dos pesos desses fatores.
Huang, Sistla e Wolfson [110] consideram o problema de acesso a um banco
de dados num computador xo a partir de um computador movel. O objetivoe
determinar em que condic~oes o custo da comunicac~ao eminizadoaosemanter
uma copia local do dado no computador movel. Intuitivamente, deve-se manter
uma copia local de um dado que e frequentemente lido e poucas vezes alterado.
O trabalho apresenta um estudo de desempenho para diferentes esquemas de
alocac~ao estatica e din^amica supondo que a comunicac~ao e orientada a conex~ao
e o custo pode ser baseado no tempo ou no numero de mensagens trocadas entre
os processos.
Barbara e Garcia-Molina [31] sugerem projetar algoritmos para determinar
a localizac~ao de dados replicados usando um \diretorio"|uma estrutura de
dados sobre os itens replicados. Por sua vez o diretorio tambem pode ser
parcial ou totalmente replicado. O diretorio tem um papel similar a um sistema
de gerenciamento de banco de dados que e responsavel por executar todas
transac~oes no conjunto de dados.
7.3.2 Distribuic~ao de Tarefas
A distribuic~ao e mudanca de localizac~ao de uma tarefa num sistema de computac~ao
movel deve considerar como a aplicac~ao trata essa atividade e que
fatores a in uenciam. Outro aspecto e em que momento pode haver a mudanca
de uma tarefa.
A realocac~ao de uma computac~ao pode ser transparente ou n~ao para a
aplicac~ao. Se for transparente o sistema operacional se encarrega de todas
as atividades necessarias amudanca. Se n~ao for o sistema operacional deve
oferecer os mecanismos para a distribuic~ao e realocac~ao mas toda decis~ao e
feita pela aplicac~ao.
Dentre os diversos fatores que podem in uenciar a distribuic~ao e mudanca
de localizac~ao de uma computac~ao temos:
Concentrac~ao da atividade: o objetivo e ter uma computac~ao mais perto
de um centro de atividade para minimizar algum custo global de processamento.
Garantia de uma qualidade de servico: o objetivo e executar uma
aplicac~ao mesmo na presenca de uma falha no sistema ou que a carga
seja distribu da.

7.3 Distribuic~ao de Dados e Tarefas 141
Custo para fazer a distribuic~ao e realocac~ao de uma tarefa: o objetivo e
minimizar os custos envolvidos com a realocac~ao de uma computac~ao que
s~ao transfer^encia de contexto e comunicac~ao com uma ou mais estac~oes.
A distribuic~ao e mudanca de uma tarefa pode ocorrer depois de uma unidade
de computac~ao ter sido executada ou em qualquer instante durante o
processamento. No primeiro caso de ne-se uma granularidade dependente da
aplicac~ao para se determinar o momento em que ocorre a realocac~ao. Por
exemplo, numa aplicac~ao baseada em servidor Web pode-se de nir como granularidade
uma URL ou, numa aplicac~ao de banco de dados, uma transac~ao.
Para estes dois exemplos isto signi ca que uma mudanca so ocorreria depois
de uma URL ter sido transmitida e uma transac~ao ter sido executada.
A seguir e discutido como a distribuic~ao e mudanca de tarefas e tratada
pelos diferentes modelos computacionais.
7.3.2.1 Modelo Cliente/Servidor
Se existe somente um servidor, a soluc~ao mais razoavel, em princ pio, emudar
o servidor para mais perto da maioria dos clientes e n~ao o contrario. Epossvel
ter mais exibilidade no caso de uma aplicac~ao com informac~ao replicada entre
varios servidores interconectados entre si cobrindo uma area geogra ca.
Neste caso, a distribuic~ao e mudanca de uma tarefa pode considerar o servidor
localizado mais perto. Esta arquitetura pode servir de base para servicos de
informac~ao pessoal em computac~ao movel [123]. O processo de transfer^encia de
servico entre servidores echamado de service hando [123] e inclui o contexto
no servidor e informac~oes sobre o cliente.
Do ponto de vista da aplicac~ao a mudanca pode ser feita de forma transparente
ou n~ao. Tait e Duchamp [222] e Kistler e Satyanarayanan [136] prop~oem
que os clientes sejam atribu dos aos servidores de forma transparente. Neste
caso, os servidores executam um algoritmo de controle de coer^encia para garantir
a transpar^encia de mobilidade do controle de execuc~ao da tarefa para
os clientes. Por outro lado, na abordagem proposta por Terry et al. [229] uma
aplicac~ao pode acessar qualquer servidor para executar seu processamento. A
aplicac~ao de ne criterios de correc~ao que s~ao garantidos pelo sistema.
7.3.2.2 Modelo Cliente/Servidor com Agente
Neste modelo o agente pode ter func~oes distintas: representar o cliente na rede
xa ou ser responsavel por um servico espec co como descrito na sec~ao 7.1.2.1.
Como tanto os clientes quanto os agentes podem se mover na rede o ideal

142 Cap tulo 7. Algoritmos Distribu dos
e que se pudesse prever para que celula o cliente movel esta semovendo e,
assim, determinar a mudanca de agentes e servidores. Liu, Marlevi e Maguire
Jr. [142] prop~oem um esquema de pre-alocac~ao de um agente e servidor a um
novo local da rede quando um cliente movel comeca a alterar sua localizac~ao. A
nova localizac~ao e obtida atraves de um algoritmo de predic~ao de movimento
baseado no historico de movimentos do cliente. O objetivo deste esquema e
permitir que o cliente tenha acesso a servicos e dados com a mesma e ci^encia
da localizac~ao anterior.
7.3.2.3 Agentes Moveis
No caso de agentes moveis, existem ambientes de programac~ao e sistemas operacionais
que prov^eem primitivas para criar e mover agentes. Aplicac~oes podem
usar essas facilidades para implementar mobilidade levando em considerac~ao os
fatores discutidos no inicio da sec~ao 7.3.2. As diversas propostas diferem no
tipo de dado que e permitido mover. As linguagens Tcl [172] eJava [97] movem
apenas o codigo. Agentes Telescript [238] movem seus codigos e estados
de execuc~ao. O sistema Obliq [56] estende o sistema Telescript para transferir
tambem as conex~oes de rede que est~ao ativas no momento da realocac~ao.
Bradshaw[52] discute em detalhes agentes de software que podem ser usados
na mobilidade de tarefas.
7.4 Recuperac~ao de Falhas
O trabalho de pesquisa na area de recuperac~ao de falhas num ambiente de computac~ao
movel tem concentrado na obtenc~ao de estados globais consistentes de
aplicac~oes distribu das [4, 166,186, 187]. Recuperac~ao de transac~oes para computac~ao
movel ainda e um assunto em aberto. As caracter sticas de ambiente
que t^em sido consideradas no projeto de algoritmos para obtenc~ao de estados
globais consistentes s~ao:
(a) Durante uma computac~ao o computador movel pode passar de uma celula
para outra e deve-se, ent~ao, determinar onde o proximo estado local sera
armazenado
(b) O computador movel possui memoria estavel (stable memory) usada para
armazenar estados consistentes
(c) Existe um enlace sem o dispon vel para comunicac~ao com outras entidades.

7.4 Recuperac~ao de Falhas 143
Aseguire discutido o processo de recuperac~ao de falhas em ambientes
moveis e os algoritmos que implementam recuperac~ao de falhas.
7.4.1 Estado Global Consistente em um Ambiente Movel
Recuperac~ao de falhas em sistemas distribu dos e baseado no trabalho pioneiro
de Chandy e Lamport [59] para obtenc~ao de estados globais consistentes. Os
algoritmos propostos armazenam periodicamente o estado da aplicac~ao numa
memoria estavel. Quando ocorre uma falha, a aplicac~ao usa os estados armazenados
ao longo da computac~ao (checkpoint) para retornar ao ultimo estado
global consistente e reiniciar a computac~ao. Um estado global inclui o estado
de cada processo participante na aplicac~ao distribu da e o estado dos canais
de comunicac~ao. As duas condic~oes basicas para recuperac~ao de falhas em um
sistema distribu do s~ao:
Consist^encia: um checkpoint global e consistente se a condic~ao \para
qualquer mensagem m, seoevento rcv(m) esta inclu do no checkpoint
global, ent~aooevento send(m) tambem esta inclu do no checkpoint" e
valida.
Recuperac~ao: para evitar perda de mensagens em tr^ansito, ou seja, mensagens
que foram enviadas mas ainda n~ao foram recebidas por nenhum
processo, se o checkpoint global consistente contem o evento send(m)
mas n~ao contem o evento rcv(m), ent~ao o protocolo de recuperac~ao deve
salvar a mensagem m tambem.
Algoritmos de recuperac~ao s~ao normalmente classi cados em dois tipos:
coordenados e n~ao coordenados. Algoritmos coordenados [59] requerem que os
participantes coordenem seus checkpoints locais para garantir que seja poss vel
obter um checkpoint global consistente. Algoritmos n~ao coordenados [221, 237]
permitem que os processos facam o checkpoint de seus estados locais de forma
independente. Durante o processo de recuperac~ao, deve haver uma coordenac~ao
para selecionar um checkpoint de cada participante que leve aumcheckpoint
global consistente.
Devido as caracter sticas do ambiente movel (sec~ao 2.4) estes dois tipos de
algoritmos n~ao podem ser aplicados diretamente a um sistema de computac~ao
movel. Algoritmos coordenados enviam mensagens de controle para computadores
moveis para fazer a sincronizac~ao de checkpoint. Esses algoritmos devem
considerar tr^es pontosnocasodeumambiente movel: custo adicional para
localizar o dispositivo movel, o fato do computador poder se deslocar para

144 Cap tulo 7. Algoritmos Distribu dos
outra celula antes do processo de checkpoint estar terminado e, como recuperar
um checkpoint global consistente quando houverem estac~oes desconectadas.
Algoritmos n~ao coordenados s~ao mais adequados para computac~ao movel pois
permitem as unidades moveis fazerem o checkpoint de seus estados locais sem
trocar mensagens. No entanto, para recuperac~ao do checkpoint global consistente
e necessario trocar mensagens entre os participantes,eostr^es problemas
apontados acima aparecem nesse momento.
A seguir s~ao apresentadas algumas propostas de algoritmos de recuperac~ao
de falhas para ambientes de computac~ao movel.
7.4.2 Algoritmos para Recuperac~ao de Falhas em um
Ambiente Movel
Recentemente, foram propostos alguns algoritmos coordenados [166, 187]en~ao
coordenados [4, 186] para recuperac~ao de falhas em um ambiente movel. Esses
algoritmos podem ser ainda classi cados quanto ao grau de adaptabilidade e se
amemoria estavel do computador movel e considerada um lugar seguro para
armazenar o estado local ou n~ao. Isto leva a classi cac~ao das falhas em soft
e hard. Uma falha soft n~ao dani ca permanentemente um computador movel
como por exemplo uma falha do sistema operacional ou falta de energia. Uma
falha hard causa um serio problema a unidade movel como um problema permanente
com a unidade de memoria. Falhas soft s~ao tratadas por checkpoints
soft que s~ao armazenados no computador movel enquanto falhas hard devem
ser tratadas por checkpoints hard armazenados na rede xa. Checkpoints armazenados
localmente num computador movel n~ao precisam ser transmitidos
atraves do enlace sem o, s~ao faceis de serem gerados e armazenados, e n~ao
impedem que a unidade movel continue a trabalhar mesmo durante uma desconex~ao.
A tabela 7.2 discute como algumas quest~oes referentes a recuperac~ao
de falhas est~ao relacionadas com o tipo de conectividade do computador movel
a rede xa.
Acharya e Badrinath [4] e Pradhan, Krishna e Vaidya [186] discutem algoritmos
n~ao coordenados onde a memoria em disco do computador movel
einstavel e, consequemente, inadequada para armazenamento do estado do
processo participante da computac~ao. O algoritmo apresentado em [4] usa a
abordagem de log imediato onde o computador movel cria um novo checkpoint
toda vez que recebe uma mensagem apos uma mensagem ter sido enviada. Este
procedimento de ne uma \regra de duas fases," que devidamente aplicada, garante
sempre a construc~ao de um checkpoint global consistente. Etambem
responsabilidade do computador movel gerar um checkpoint toda a vez que

7.4 Recuperac~ao de Falhas 145
Tipo de Conectividade
Quest~ao Conectado Desconectado Conectado
as vezes
Tipo
(log)
de registro
Relac~ao do tipo de
checkpoints
Tipo
coordenac~ao
de
Cliente com baixa
atividade computacional
(memoria
estavel
con avel)
n~ao e
Cliente com alta
atividade computacional
(memoria
estavel segura)
Imediato
periodico
ou Periodico Periodico
#hard #soft Somente soft #soft > #hard
Coordenado ou
n~ao coordenado
Minimizar ou
balancear o uso
do cliente
Maximizar ou
balancear o uso
do cliente
N~ao coordenado N~ao coordenado
Maximizar o
uso da memoria
do cliente
Maximizar o
uso da memoria
do cliente
Maximizar o
uso do cliente
Maximizar o
uso do cliente
Tabela 7.2: Relac~ao entre tipo de conectividade e quest~oes relacionadas com o
algoritmo de recuperac~ao de falhas
muda de celula e antes de uma desconex~ao. Isto signi ca que o dispositivo
movel deve saber continuamente em que celula se encontra e quando o sistema
entrara no modo desconectado. O algoritmo de recuperac~ao de falhas registra
todas as mensagens trocadas com outros processos no caso de ser necessario
gerar um checkpoint global consistente. Tanto o checkpoint quanto o log s~ao
armazenados na estac~ao base da celula onde o computador movel se encontra
no momento, que age como um agente para o computador movel. Durante o
processo de recuperac~ao, que pode ser depois de uma falha ou desconex~ao, a
estac~ao base corrente, chamada de estac~ao iniciadora, e responsavel pelo processo
de recuperac~ao. Neste algoritmo, a estac~ao base tem um papel ativo eo
computador movel um papel passivo. O checkpoint global e obtido tomando
como base o conjunto de checkpoints consistentes locais. O algoritmo de recuperac~ao
usa um mecanismo para limitar o tamanho do arquivo delog que pode
crescer bastante ja que o processo de registro pode ser muito frequente.
Pradhan, Krishna e Vaidya [186] prop~oem dois algoritmos n~ao coordenados.
O primeiro usa uma abordagem de log imediato onde o computador movel cria
um checkpoint toda vez que recebe uma mensagem. O segundo usa uma abordagem
de log n~ao imediato onde checkpoints s~ao criados periodicamente. Nesse

146 Cap tulo 7. Algoritmos Distribu dos
caso, quando o computador movel cria um checkpoint envia para o log todas as
mensagens recebidas e n~ao registradas ainda. Os dois algoritmos sup~oem que
checkpoints e mensagens s~ao armazenados na estac~ao base corrente. Em [186]
s~ao propostos tr^es mecanismos de hando usados para determinar onde armazenar
e onde achar o checkpoint local mais recente. Os dois algoritmos e
os tr^es mecanismos de hando de nem seis combinac~oes de algoritmos de recuperac~ao
de falhas que possuem caracter sticas de desempenho dependentes
das condic~oes do ambiente. Nesse caso, epossvel obter varios par^ametros de
compromisso entre as diversas combinac~oes.
Neves e Fuchs [166] ePrakash e Sihghal [187], ao contrario dos algoritmos
acima [4, 186], assumem que o computador movel possui uma memoria
estavel segura e podem participar no processo de recuperac~ao de falhas como
se fossem computadores da rede xa. Em [166] e apresentado um algoritmo
de recuperac~ao coordenado que ajusta o grau de uso da memoria estavel de
um computador movel em func~ao das condic~oes da rede ao longo do tempo.
Em [187] o algoritmo proposto considera todos os participantes id^enticos e trata
de forma especial os hando s de estac~oes moveis.
O algoritmo de Neves e Fuchs [166] e coordenado por um temporizador
que quando se esgota faz com que o computador movel crie um checkpoint
local independente dos outros processos. Os processos participantes da computac~ao
tentam fazer com que o momento em que o checkpoint e executado
seja o mesmo. Isto e feito informando em cada mensagem enviada para o outro
processo o intervalo de tempo que ainda falta para o proximo checkpoint. A
recuperac~ao e obtida registrando no emissor todas as mensagens enviadas mas
n~ao con rmadas no momento do checkpoint. Este algoritmo assume tanto falhas
hard quanto soft e ajusta a taxa de checkpoints hard e checkpoints soft em
func~ao das condic~oes do canal de comunicac~ao. Por exemplo, se as condic~oes
do enlace sem o n~ao s~ao boas, ent~ao o algoritmo gera mais checkpoints soft
antesdeumcriarumhard, ou usa os checkpoints soft para recuperar de uma
falha soft no caso do computador movel estar desconectado.
No algoritmo proposto por Prakash e Sihghal [187] so participam do processo
de checkpoint os computadores moveis que afetam direta ou indiretamente
(ou seja, transitivamente) o ultimo checkpoint consistente. Os outros computadores
moveis n~ao participam. O ponto chave deste algoritmo e a informac~ao
de depend^encia entre computadores moveis codi cada como um vetor de bits
ao ser transmitida numa mensagem do sistema. O aspecto diferente deste algoritmo
e que minimiza a comunicac~ao no enlace sem o limitando o numero
de computadores moveis participantes no processo de checkpoint.
A tabela 7.3 compara os algoritmos discutidos para recuperac~ao de falhas.

7.4 Recuperac~ao de Falhas 147
Quest~ao [4] [186] (i) [186] (ii) [166] [187]
Tipo
(log)
de registro I I P P P
Tipo de H H H HeS H
checkpoints
Tipo
coordenac~ao
de NC NC NC C C
Metodo
denac~ao
de coor- | | | T M
Tipo de memoria
do cliente
NS NS NS S S
Adaptabilidade N~ao N~ao N~ao (1) (2)
Legenda:
I: Imediato P: Periodico
H: Hard S: Soft
C: Coordenado NC: N~ao coordenado
M: Mensagem T: Temporizador
S: Segura NS: N~ao segura
(1) A variac~ao de checkpoints hard $ soft depende das condic~oes do canal de
comunicac~ao.
(2) N~ao. Computadores movel e xo s~ao id^enticos
Tabela 7.3: Protocolos de recuperac~ao de falhas para computac~ao movel

148 Cap tulo 7. Algoritmos Distribu dos

Cap tulo 8
Conclus~oes
8.1 Perspectivas
Dado o atual estado da arte da computac~ao e da comunicac~ao sem o pode-se
a rmar com certeza que a informatica esta entrando numa nova fase como as
que ocorreram com o surgimento dos computadores pessoais e redes de computadores.
A integrac~ao das redes de comunicac~ao sem o com a Internet, a
utilizac~ao de computadores portateis e dispositivos moveis \inteligentes" e o
acesso a informac~ao em qualquer lugar em qualquer momento ir~ao mudar certamente
a forma como as pessoas trabalham, estudam e usam seu tempo. Este
cenario n~ao ede cc~ao-cient ca mas sim da realidade que ja esta ocorrendo.
E uma extens~ao natural do uso da Internet e da comunicac~ao sem o.
Atualmente, computadores moveis podem receber e enviar mensagens
eletr^onicas, consultar bancos de dados espalhados pela Internet, receber informac~oes
sobre servicos locais ou de acordo com um per l pre-de nido, transferir
arquivos e executar varios outros servicos. Estima-se que ate ate o comeco
deste ano ja haviam mais de 80 milh~oes de pagers unidirecionais e telefones celulares
em operac~ao somente nos Estados Unidos. Este numero deve saltar
para 100 milh~oes nos proximos dois anos com a popularizac~ao de pagers bidirecionais,
telefones PCS e outros dispositivos ligados a Internet como ja est~ao
alguns.
A computac~ao movel ira mudar a forma como as empresas oferecem seus
produtos e servicoseinteragem com seus clientes. De fato, ja existe uma
demanda por parte dos usuarios para que varios servicos como distribuic~ao
e acesso as informac~oes e execuc~ao de transac~oes possam ser feitas atraves
de PDAs que custam algumas dezenas de dolares, ou computadores portateis

150 Cap tulo 8. Conclus~oes
de poucos milhares de dolares. Por outro lado, toda a comunicac~ao sem o
passa pela explorac~ao e ciente do espectro de frequ^encias. Em se tratando de
um recurso muito escasso, caminha-se para negociac~oes visando a realocac~ao
de bandas pouco exploradas e, ate mesmo elevar o custo dos servicos com
a demanda crescente. Portanto, a direc~ao e a ampliac~ao da banda e uma
digitalizac~ao rapida do sistema.
Existe um movimento mundial no sentido da quebra de monopolios estatais,
com a justi cativa da mera incapacidade dos governos de altos investimentos
em novas tecnologias. Por outro lado varias estatais, principalmente europeias,
est~ao buscando novos mercados e parcerias, visando ocupar espacos.
Na area da comunicac~ao sem o o futuro ainda e uma incerteza. No momento,
existem varias tecnologias que est~ao competindo entresieaindan~ao e
poss vel identi car se alguma prevalecera. Na area de hardware o grande desa
o e o projeto de baterias mais leves que permitam armazenar mais energia.
Sem a contra-partida no lado do hardware e software n~ao epossvel estender
o tempo de uso de um dispositivo movel. Por esta raz~ao e fundamental que o
projeto de software leve em considerac~ao o consumo de energia, as condic~oes
de comunicac~ao no enlace sem oeamobilidadedousuario.
Os sistemas de terceira gerac~ao ja projetados para o ano 2000 (UMTS,
FPLMTS), incorporam o conceito de comunicac~ao pessoal universal. Nesse
contexto, um grande impulso sera dado nas comunicac~oes pessoais e em rede.
A qualidade de servico torna-se uma necessidade cada vez maior, destaca-se
os problemas de interoperabilidade, ger^encia de redes, redes inteligentes, e as
redes sem o de alta velocidade, entre elas ATM sem o.
Outra tecnologia e aplicac~oes pouco exploradas neste livro s~ao as comunicac~oes
via satelite. Parao naldoseculo as primeiras constelac~oes de satelites
LEO estar~ao dispon veis, ampliando o conceito de ubiquidade.
Do ponto de vista acad^emico, as quest~oes que se colocam afrente s~ao desaadoras
e excitantes em todas as areas de Ci^encia da Computac~ao relacionadas
com computac~ao movel. Este e o convite mais interessante que um pesquisador
pode receber.
8.2 Considerac~oes Finais
O objetivo basico deste livro foi oferecer ao leitor uma vis~ao ampla dos diversos
aspectos relacionados com a computac~ao movel, descrevendo a infra-estrutura
basica de comunicac~ao sem o e alguns dos principais problemas da area relacionados
tanto com a infra-estrutura quanto com a parte de projeto de sistemas
moveis. Devido a variedade de quest~oeseograndenumero de assuntos de pes-

8.2 Considerac~oes Finais 151
quisa que t^em sido abordados na literatura seria imposs vel tratar de tudo que
tem acontecido de interessante na area. O leitor interessado podera encontrar
alguns livros recentes que tratam de assuntos relacionados com o tema deste
livro [74, 84,90,94,95,115,140,158,162,173, 180, 190].
Artigos tratando de varios aspectos da computac~ao movel podem ser encontrados
na literatura tecnica. Periodicos como IEEE Transactions on Communications,
IEEE Journal on Selected Areas in Communications, IEEE Communications
Magazine, IEEE Transactions on Vehicular Technology, IEEE Personal
Communications, Mobile Computing and Communications Review, Wireless
Networks, Mobile Networks and Applications, Wireless Communication, Telecommunication
Systems, e outros tratam parcial ou integralmente de temas
ligados aarea. Existem tambem varios congressos, simposios e confer^encias
que tratam integralmente ou possuem sess~oes tecnicas que cobrem temas relacionados
com computac~ao movel e comunicac~ao sem o como ACM Mobicom,
ACM Sigcom e IEEE Globecom.

152 Cap tulo . Conclus~oes

Appendix A
Propagac~ao de Sinais de
Radio
A.1 Introduc~ao
Os mecanismos que afetam a propagac~ao de ondas eletromagneticas s~ao muitos,
sendo os fen^omenos de re ex~ao, difrac~ao e dispers~ao (scattering) os principais
mecanismos. A maioria dos sistemas de comunicac~ao moveis operam em areas
urbanas, onde n~ao existe um caminho direto e livre de obstaculos entre o transmissor
e o receptor, e onde a presenca de edi cac~oes provoca severas perdas
devido aos fen^omenos de propagac~ao. Por causa das multiplas re ex~oes decorrentes
dos varios objetos espalhados ao longo do caminho entre o transmissor
e o receptor, as ondas eletromagneticas se propagam atraves de diferentes caminhos,
cada qual com um comprimento particular. A interac~ao entre estas
ondas no receptor causa uma atenuac~ao da onda resultante em uma posic~ao de
recepc~ao, sendo que a pot^encia das ondas decresce a medida que a dist^ancia
entre o transmissor e o receptor aumenta.
Os modelos de propagac~ao de sinais de radio normalmente tentam predizer
apot^encia media do sinal recebido a uma dada dist^ancia do transmissor, bem
como a variabilidade deste sinal nas proximidades de uma localizac~ao particular.
Modelos de propagac~ao que predizem a pot^encia media de recepc~ao do
sinal dada uma dist^ancia arbitraria entre o transmissor e o receptor (T-R) s~ao
uteis para estimar a area de cobertura de um transmissor e s~ao chamados modelos
de propagac~ao em larga escala, uma vez que estes modelos caracterizam
apot^encia de recepc~ao do sinal a grandes dist^ancias T-R (centenas ou milhares
de metros).

154 Cap tulo A. Propagac~ao de Sinais de Radio
psrelxatenuacao.ps1
Figura A.1: Atenuac~oes em Larga e Pequena Escala em um sistema T-R
Ja modelos de propagac~ao que procuram caracterizar as utuac~oes rapidas
de pot^encia no sinal recebido dadas pequenas variac~oes na dist^ancia T-R (poucos
comprimentos de ondas), ou no intervalo de tempo, s~ao chamados modelos
de baixa escala. Quando uma unidade receptora movel percorre dist^ancias
muito pequenas, a pot^encia instant^anea do sinal recebido pode utuar rapidamente,
uma vez que o sinal percebido pelo receptor easomadevarias ondas
vindas em diferentes direc~oes, percorrendo diferentes caminhos. Como as fases
destas ondas est~ao aleatoriamente distribu das, a onda resultante varia tambem
de forma aleatoria, obedecendo, por exemplo, uma distribuic~ao de atenuac~ao
de Rayleigh. Em atenuac~oes de baixa escala, a pot^encia media do sinal recebido
pode variar de 30 a 40 dB, quando o receptor se move apenas uma frac~ao
de comprimento de onda.
A medida que a unidade receptora movel se afasta do transmissor, o sinal
medio recebido decresce gradualmente e e este sinal medio que e calculado pelos
modelos de atenuac~ao de larga escala. Tipicamente, o sinal medio recebido em
um dado ponto e calculado pela media do sinal recebido em uma dist^ancia
percorrida de 5 a40 em torno do ponto. Por exemplo, para frequ^encias na
faixa de 1 a 2 GHz, isto corresponde a medic~oes feitas em movimentos de 1 a
10 m. A gura A.1 mostra as atenuac~oes de larga e pequena escalas em um
sistema de comunicac~ao movel. Note que a medida que a unidade movel se
afasta, o pot^encia media do sinal decai, enquanto que pequenas variac~oes na
dist^ancia percorrida leva a utuac~oes no sinal recebido.
A.2 Modelo de Propagac~ao no Espaco
O modelo de propagac~ao no espaco [139]e utilizado para modelar a propagac~ao
de sinais quando existe um caminho direto e livre de obstaculos entre o receptor
e o transmissor. Este modelo pode ser utilizado, por exemplo, para predizer
a recepc~ao de sinais em sistemas de comunicac~oes via satelite e radio-enlaces
de ondas curtas. Assim como a grande maioria dos modelos de propagac~ao em
larga escala, o modelo de propagac~ao no espaco fala que a pot^encia percebida
pelo receptor decresce como func~ao da dist^ancia de separac~ao T-R elevada a
algum fator. Por exemplo, a pot^encia recebida por uma antena situada em

A.2 Modelo de Propagac~ao no Espaco 155
ambiente aberto sem obstaculos separada da antena de transmiss~ao por uma
dist^ancia d, e dada pela equac~ao de Friis para o espaco livre:
Pr(d) =
PtGtGr 2
(4 ) 2 d 2 L
(A:1)
onde Pt eapot^encia de transmiss~ao, Pr(d) eapot^encia de recepc~ao, Gt eo
ganho da antena de transmiss~ao, Gr e o ganho da antena de recepc~ao, d e
a dist^ancia de separac~ao T-R em metros, L e o fator de perdas do sistema
n~ao relacionadas com a propagac~ao do sinal eletromagnetico (L 1) e eo
comprimento de onda do sinal transmitido em metros. Os valores para Pt e Pr
devem ser expressos na mesma unidade, enquanto que Gt e Gr s~ao grandezas
adimensionais. O par^ametro L se refere a fatores tais como atenuac~ao da linha
de transmiss~ao e perdas em ltros e antenas do sistema. O valor L = 1 indica
que n~ao existem perdas devido ao hardware do sistema.
A perda por atenuac~ao, que representa a atenuac~ao do sinal como uma
grandeza positiva medida em decibeis (dB), e de nida como sendo a diferenca
entre a pot^encia efetivamente transmitida e a pot^encia do sinal recebido. O
calculo da perda por atenuac~ao (PL) para o modelo de propagac~ao no espaco
e dado por:
PL(dB) = 10 log Pt
Pr
= ;10 log
GtGr 2
(4 ) 2 d 2
!
(A:2)
Porem,omodelodeFriis evalido somente para dist^ancias maiores que a
dist^ancia de Fraunhofer (Df ), dada pela equac~ao:
Df = 2D2
(A:3)
onde D e a maior dimens~ao linear da antena de transmiss~ao. Pode-se notar
claramente que a equac~ao A.1 n~ao evalida para d =0. Por esta raz~ao, varios
modelos de propagac~ao de larga escala usam uma dist^ancia de refer^encia d0
(d0 d0, possa ser relacionada com a pot^encia Pr(d0), atraves
da formula:
Pr(d) =Pr(d0) ; d0
d
2 d d0 Df (A:4)

156 Cap tulo A. Propagac~ao de Sinais de Radio
A.3 Mecanismos Basicos de Propagac~ao
Re ex~ao, difrac~ao e dispers~ao s~ao os tr^es mecanismos basicos de propagac~ao
que impactam a propagac~ao de sinais em sistemas de comunicac~ao movel. A
re ex~ao ocorre quando uma onda eletromagnetica atinge um objeto cujas dimens~oes
s~ao muito maiores quando comparadas com o comprimento de onda
da onda propagada. Re ex~oes ocorrem, por exemplo, na superf cie da Terra e
em paredes de edif cios.
A difrac~ao ocorre quando o caminho das ondas propagadas entre o transmissor
e o receptor e obstru do por superf cies que possuam irregularidades
agucadas (pontas). Ondas secundarias resultantes da obstruc~ao est~ao presentes
por todo o espaco ao redor do obstaculo, dando origem a um conjunto de novas
frentes de ondas que se espalham em todas as direc~oes. Em frequ^encias mais altas,
a difrac~ao, assim como a re ex~ao, depende da geometria do obstaculo, bem
como da amplitude, fase e polarizac~ao da onda incidente no ponto de difrac~ao.
A dispers~ao ocorre quando o meio no qual a onda se propaga e constitu do por
objetos cujas dimens~oes s~ao pequenas quando comparadas com o comprimento
de onda da onda propagada e o numero de obstaculos por unidade de volume
do meio de propagac~ao e grande. Na pratica, vegetac~ao, sinais de tr^ansito e
postes induzem a dispers~ao em sistemas de comunicac~ao moveis.
A.4 Re ex~ao
Quando uma onda eletromagnetica atinge um outro meio de propagac~ao com
propriedades eletricas diferentes das propriedades do meio de origem, a onda
e parcialmente re etida e parcialmente transmitida. Caso o meio destino seja
um dieletrico perfeito, parte da energia e transmitida para o meio destino, enquanto
que o restante e re etido de volta ao meio de origem, n~ao havendo perda
de energia por absorc~ao. Se o segundo meio for um condutor perfeito, toda a
onda incidente e re etida de volta ao meio de origem, sem perda de energia.
Aintensidade do campo eletrico das ondas re etidas e transmitidas pode ser
relacionada com a onda original atraves do coe ciente de re ex~ao de Fresnel
(;). Este coe ciente de re ex~ao efunc~ao de propriedades eletromagneticas
intr nsecas dos meios de origem e destino, e geralmente depende da polarizac~ao
efrequ^encia da onda incidente e do ^angulo de incid^encia. No modelo de propagac~ao
no espaco, e assumido que apenas a onda que trafega diretamente
entre o transmissor e o receptor e responsavel por toda a energia presente na
antena receptora. Porem, na maioria dos casos, este modelo tem se mostrado
pouco acurado quando usado sozinho. Uma das principais causas e a exclus~ao

A.5 Difrac~ao 157
das ondas resultantes de re ex~ao ao longo do caminho que tambem atingem a
antena receptora.
O Modelo de dois Raios [139], ou Modelo de Re ex~ao no Solo, considera a
presenca de duas ondas principais entre o transmissor e o receptor: uma onda
que se propaga diretamente do transmissor para o receptor e uma segunda que
se propaga do transmissor para o solo e a partir do solo, por re ex~ao, para o
receptor. Este modelo mostra-se razoavelmente acurado em medic~oesdesinais
para grandes dist^ancias (mais de uma dezena de quil^ometros) [83].
Neste modelo, o campo eletrico na antena receptora pode ser calculado por:
~ET = ~ ED + ~ ER
j ~ ET(d)j =2 E0d0
d sen
2
(A:5)
(A:6)
onde ~ ET , ~ ED e ~ ER correspondem respectivamente ao campo eletrico total recebido
pela antena, ao campo eletrico direto Transmissor-Receptor e ao campo
eletrico que atinge a antena resultante da re ex~ao no solo. O valor E0 eovalor
do campo eletrico no ponto de refer^encia d0 e e a diferenca de fase entre as
duas componentes do campo eletrico que atinge o receptor ( ~ ED e ~ ER). Atraves
de manipulac~oes matematicas [191], tem-se que:
j ~ ET(d)j / 1
d2 =) Pr = PtGrGtht 2 hr 2
d4 =) Pr / 1
d4 (A:7)
Com isso, pode-se notar que a pot^encia media recebida decresce com a
dist^ancia a uma taxa de 40 dB/decada (escala logar tmica), o que emuito mais
rapido do que o previsto pelo modelo de propagac~ao no espaco.
A.5 Difrac~ao
O fen^omeno da difrac~ao e que permite as ondas eletromagneticas contornarem
obstaculos, propagando-se em regi~oes de sombra em relac~ao ao transmissor. A
difrac~ao de ondas eletromagneticas pode ser explicada atraves do princ pio de
Huygen:
Todo ponto de frente de onda pode ser visto como uma fonte de
onda capaz de produzir ondas secundarias que se combinam para
produzir uma nova frente de onda na direc~ao de propagac~ao.
Desta forma, o fen^omeno da difrac~ao, causado pela propagac~ao das ondas
secundarias dentro da regi~ao de sombra, e quem permite que receptores localizados
nestas regi~oes de sombra recebam os sinais transmitidos. Porem, a

158 Cap tulo A. Propagac~ao de Sinais de Radio
pot^encia das ondas criadas na area de sombra decresce rapidamente a medida
que estas ondas se movimentam para dentrodaregi~ao de sombra, causando
uma queda na qualidade do sinal recebido.
No caso do receptor estar situado totalmente na regi~ao de sombra em relac~ao
ao transmissor, n~ao havera uma onda que se propague diretamente do transmissor
para o receptor (desconsiderando os casos de redirecionamento de ondas
atraves do uso de equipamentos passivos, tais como re etores). Desta forma, o
campo eletrico que existira naantena receptora sera a soma vetorial do campo
eletrico de todas as ondas que conseguirem transpor o obstaculo existente entre
T-R, sejam atraves da re ex~ao, seja atraves da difrac~ao, o que podera comprometer
a qualidade do sinal recebido, devido a baixa pot^encia resultante.
O modelo de difrac~ao Knife-edge [139] tenta predizer o valor do campo
eletrico resultante, dado que exista apenas um unico obstaculo agudo (por
exemplo, uma montanha entre duas antenas) entre o transmissor e o receptor.
Modelos para trabalhar com obstaculos multiplos s~ao matematicamente complexos
e requerem o uso de aproximac~oes tais como combinac~ao de obstaculos
e simpli cac~oes no modelo [53, 77, 80, 159].
A.6 Dispers~ao
Medic~oes da pot^encia efetivamente recebida em antenas de sistemas de comunicac~ao
moveis mostraram que na maioria das vezes o sinal recebido emais
forte do que o previsto pelos modelos de propagac~ao baseados exclusivamente
nos mecanismos de re ex~ao e difrac~ao. A explicac~ao para este fen^omeno se
deve a difus~ao da onda transmitida em superf cies rugosas. Nestas situac~oes,
a onda incidente na superf cie rugosa e espalhada em todas as direc~oes, o que
leva ao redirecionamento de outras frentes de onda para o receptor.
Ofen^omeno de dispers~ao depende da rugosidade da superf cie na qual incide
a onda eletromagnetica, bem como do comprimento da onda incidente.
A rugosidade de uma superf cie e normalmente testada segundo o criterio de
Rayleigh, que de ne a altura maxima cr tica (hc) das protuber^anceas de uma
superf cie para um dado ^angulo de incid^encia i, como sendo:
hc = 8sen i
(A:8)
Uma superf cie e considerada suave se suas protuber^ancias possu rem altura
media h menor do que a altura cr tica hccaso contrario, e considerada rugosa.
No caso de superf ces rugosas, o coe ciente de re ex~ao deve ser multiplicado
pelo fator de perda por dispers~ao S, para compensar a perda por dispers~ao.

A.7 Modelos para Calculo de Atenuac~ao de Sinal de Radio 159
Segundo Boithias [50], o fator de perda por dispers~ao S e dado por:
S =exp
"
;8
hsen i
2 #
I0
"
8
hsen i
2 #
(A:9)
onde I0 e a func~ao de Bessel de primeiro tipo e ordem 0, h e o desvio padr~ao
da altura das protuber^ancias em relac~ao a altura media das protuber^ancias. E
assumido que a altura das protuber^ancias possui uma distribuic~ao Gaussiana
com um valor medio local. Com isso, o campo eletrico ~ E re etido, para h>hc,
pode ser determinado utilizando-se o coe ciente de re ex~ao modi cado:
;rugoso = S; (A:10)
Modelos de atenuac~ao por dispers~ao podem ser encontrados em [208, 232,
245].
A.7 Modelos para Calculo de Atenuac~ao de Sinal
de Radio
A maioria dos modelos de propagac~ao de sinal de radio s~ao derivados da combinac~ao
de metodos anal ticos e emp ricos. Metodos emp ricos s~ao metodos
baseados na adaptac~ao de curvas ou express~oes anal ticas que possibilitem recriar
uma serie de valores coletados em campo ou experimentalmente. Estes
metodos tem a vantagem de levar em conta todos os fatores, conhecidos ou
n~ao, que in uenciam o processo de propagac~ao dos sinais de radio, uma vez
que se baseam em dados reais coletados atraves de experimentos. Entretanto,
avalidade de um modelo emp rico para ambientes que n~ao aquele onde foi feita
a coleta inicial dos dados requer a realizac~ao de uma nova coleta de dados de
forma a ajustar o modelo ao novo ambiente. Varios modelos classicos de modelagem
de propagac~ao de sinal de radio t^em sido apresentados ao longo dos
anos. Atualmente, estes modelos t^em sido usados para o desenvolvimento de
sistemas de comunicac~ao movel. A seguir, ser~ao apresentadas tecnicas praticas
para modelagem da atenuac~ao de sinais de radio.
A.7.1 Modelo de Atenuac~ao Logar tmica
Varios modelos de propagac~ao baseados em medic~oes de valores reais ou experimentais
e varios modelos teoricos indicam que a perda media do sinal recebido
pelo receptor decresce logaritmicamente com a dist^ancia. Em outras palavras:
PL(d) / d
d0
n
(A:11)

160 Cap tulo A. Propagac~ao de Sinais de Radio
PL(dB) =PL(d0)+10n log
d
d0
(A:12)
onde n e o coe ciente de perda que indica a taxa de decaimento da pot^encia do
sinal com a dist^ancia, sendo que o valor de n depende do meio de propagac~ao
do sinal de radio.
A tabela A.1 apresenta os valores de n para diferentes meios de propagacao.
Ambiente n
Espaco Livre 2
Area Urbana 2,7 a 3,5
Area Urbana, com sombra de recepc~ao 3a5
Obstru do por Edif cios 4a6
Obstru do por Ambientes Industriais 2a3
Tabela A.1: Valores de n para diferentes ambientes de propagac~ao
A.7.2 Modelo Log-Normal
O modelo logar tmico n~ao leva em considerac~ao o fato de que o ambiente ao
redor do ponto de recepc~ao do sinal pode ser amplamente diverso, dados dois
sistemas de comunicac~ao moveis e uma mesma dist^ancia T-R. Esta diferenca
entre os ambientes de propagac~ao pode levar avalores de pot^encia do sinal recebido
bem diferentes dos valores propostos pelo modelo. Em [41, 67], mostrou-se
que, para qualquer valor de d, a perda por atenuac~ao (PL) pode ser vista como
uma variavel aleatoria que possui uma distribuic~ao log-normal (ou normal,
quando medida em dB) em torno do valor esperado. Em outras palavras:
PL(d) =PL(d)+X = PL(d0)+10n log
d
d0
+ X (A:13)
onde X e uma variavel aleatoria com distribuic~ao Gaussiana de media zero
e desvio padr~ao . Tanto a variavel aleatoria X quanto o seu desvio padr~ao
possuem valores expressos em dB.
A.7.3 Modelos de Propagac~ao em Ambientes Abertos
A seguir ser~ao apresentados as principais caracter sticas de varios modelos de
propagac~ao de sinal de radio em ambientes abertos.

A.7 Modelos para Calculo de Atenuac~ao de Sinal de Radio 161
Modelo de Longley-Rice [144, 194]:
Aplicavel a sistemas de comunicac~ao ponto a ponto na faixa de frequ^encia
entre 40 MHz e 100 GHz.
Leva emconta o per l do terreno e a refratividade da troposfera.
Tambem conhecido como ITS irregular terrain model.
Possui dois modos de operac~ao: ponto-a-ponto, que necessita do per l do
terreno de propagac~ao, e por area, que utiliza tecnicas para estimar os
par^ametros de perda.
Em [143], foi introduzido um termo extra no modelo (UF - Fator Urbano),
que permite a utilizac~ao do modelo em areas urbanas.
N~ao leva emconta os efeitos decorrentes da presenca de edi cac~oes e
vegetac~ao, bem como caminhos multiplos de propagac~ao.
Modelo de Edwards-Durkin [71, 79]:
Apresenta uma vis~ao interessante da natureza da propagac~ao em terreno
irregular e as perdas causadas por obstaculos ao longo do caminho.
Trabalha apenas com fen^omenos em larga escala.
Necessita do per l do terreno de propagac~ao (matriz topogra ca).
Calculos envolvem os fen^omenos de re ex~ao e difrac~ao.
E capaz de de nir um contorno de pot^encia do sinal recebido, que foi
constatado ser acurado dentro de um certo intervalo de con anca.
N~ao leva emconta vegetac~ao, edi cac~oes e caminhos multiplos de propagac~ao.
Modelo de Okumura [169]:
E o modelo mais usado para predic~ao de sinal em areas urbanas.
E um modelo baseado em medic~oes, as quais levaram ao desenvolvimento
de um conjunto de curvas de refer^encia (Curvas de Okumura).
Totalmente baseado em medic~oes, n~ao possuindo qualquer explicac~ao
anal tica.

162 Cap tulo A. Propagac~ao de Sinais de Radio
Simples e de boa acuidade.
Sua principal desvantagem e a resposta lenta para rapidas variac~oes no
terreno. Isto faz com ele seja apropriado para areas urbanas e suburbanas
e desaconselhado para areas rurais.
Modelo de Hata [103]:
Baseado em uma formulac~ao emp rica das Curvas de Atenuac~ao de Okumura.
Os valores obtidos s~ao bem proximos dos apresentados pelo Modelo de
Okumura, desde que a dist^ancia T-R seja maior que 1 Km.
Apropriado para sistemas celulares compostos de grandes celulas.
[81] apresenta um extens~ao do modelo para uso em PCS.
Modelo de Wal sch-Bertoni [236]:
Necessita do per l das edi cac~oes existentes na area de propagac~ao.
Considera a presenca de edif cios e telhados no modelo de propagac~ao.
Adequado aareas urbanas.
A.7.4 Modelos de Propagac~ao em Ambientes Fechados
Com o advento dos Sistemas de Comunicac~ao Pessoal (PCS), existe hoje uma
grande demanda por modelos de propagac~ao de sinal de radio em ambinetes
fechados, tais como aeroportos, centros de compras e edif cios. A propagac~ao
de sinais de radio em ambientes fechados diferencia da propagac~ao de sinais de
radio tradicional em dois aspectos: as dist^ancias envolvidas s~ao muito menores
eavariabilidade de ambientes emuito maior para uma mesma dist^ancia T-R.
Foi observado que a propagac~ao de sinais em ambientes fechados e fortemente
in uenciada por fatores espec cos tais como o layout do edif cio, o material
de construc~ao usado e o tipo de construc~ao.
A propagac~ao de sinais de radio em ambientes fechados e dominada pelos
mesmos fen^omenos que ocorrem em ambientes abertos: re ex~ao, difrac~ao e
dispers~ao. Contudo, as condic~oes em que ocorrem estes fen^omenos s~ao muito
mais diversi cadas. Por exemplo, a disposic~ao f sica dos moveis dentro da
construc~ao in uencia a propagac~ao dos sinais de radio. Alem disso, o fato das

A.7 Modelos para Calculo de Atenuac~ao de Sinal de Radio 163
dist^ancias de propagac~ao serem pequenas torna dif cil o uso de modelos estaveis
de propagac~ao de sinais para todos os pontos de recepc~ao e tipos de antenas.
O estudo de modelos de propagac~ao em ambientes fechados e uma area
relativamente nova de pesquisa, sendo [14, 68] os primeiros estudos cuidadosos
nesta area. [102, 161] apresentam um survey sobre o assunto.
Propagac~ao em um Unico Andar. As edi cac~oes possuem uma grande variedade
de tipos de obstaculos e partic~oes que comp~oem sua estrutura interna
e externa: paredes, portas, moveis, partic~oes moveis, etc. Estes obstaculos
apresentam uma grande diversidade de caracter sticas f sicas e eletricas, tornando
dif cil a aplicac~ao de modelos genericos para a propagac~ao de sinais em
ambientes fechados. O que tem sido feito e catalogar os diversos tipos de materiais
presentes nestes obstaculos, calcular valores de refer^encia de atenuac~ao
por tipo de material e utilizar estes valores para o calculo de atenuac~ao do sinal
em modelos espec cos por ambientes. A tabela A.2 mostra alguns materiais
encontrados em obstaculos com seus respectivos valores t picos de atenuac~ao.
Tipo de Material Perda Frequ^encia Refer^encia
Metal 26 dB 815 MHz [68]
Parede de Blocos de Concreto 13 dB 1300 MHz [189]
Perda entre Andares Cont guos 20{30 dB 1300 MHz [189]
Moveis Leves 3{5 dB 1300 MHz [189]
Moveis Pesados 8{11 dB 1300 MHz [189]
Tabela A.2: Valores t picos de perda por material
Propagac~ao entre Andares. As perdas entre andares em um edif cio s~ao
determinadas pelas dimens~oes externas e material do edif cio, bem como pelo
tipo de construc~ao e material utilizado na separac~ao entre os andares e vizinhancas
[207, 209]. A tabela A.3 apresenta alguns resultados obtidos por
Seidel [207], atraves de medic~oes realizadas em tr^es edif cios de San Francisco,
CA.
Os valores do Fator de Atenuac~ao entre Andares (FAA) e o desvio padr~ao
( )est~ao em dB. Pode-se notar que atenuac~ao entre um andar e maior do que
o incremento de atenuac~ao apresentado pela adic~ao de um novo andar.
Modelo de Atenuac~ao Logar tmico. Varios trabalhos mostraram que a
atenuac~ao em ambientes fechados possuem uma formulac~ao id^entica ao Modelo

164 Cap tulo A. Propagac~ao de Sinais de Radio
Edif cio FAA No. FAA No.
915 MHz Testes 1900 MHz Testes
Walnut Creek
Um andar 33,6 3,2 25 31,3 4,6 110
Dois andares 44,0 4,8 39 38,5 4,0 29
SF PacBell
Um andar 13,2 13,2 16 26,2 10,5 21
Dois andares 18,1 8,0 10 33,4 9,9 21
Tr^es andares 24,0 5,6 10 35,2 5,9 20
Quatro andares 27,0 6,8 10 38,4 3,4 20
Cinco andares 27,1 6,3 10 46,4 3,9 17
San Ramom
Um andar 29,1 5,8 93 35,4 6,4 74
Dois andares 36,6 6,0 81 35,6 5,9 41
Tr^es andares 39,6 6,0 70 35,2 3,9 27
Tabela A.3: Fator de Atenuac~ao entre Andares
de Atenuac~ao Logar tmico para ambientes abertos, ou seja:
PL(dB) =PL(d0)+10n log
d
d0
+ X (A:14)
onde n depende das caracter sticas do meio de propagac~ao e do tipo de construc~ao.
[21] apresenta uma serie de valores de n e para diversos tipos de edicac~oes.
Outros exemplos de modelos para ambientes fechados podem ser
encontrados em [10, 42, 209].
Os modelos mais novos envolvem a contruc~ao de modelos de propagac~ao
espec cos por ambientes (SISP - SIte SPeci c), o que envolve a utilizac~ao de
SIGs (Sistemas de Informac~oes Geogra cas). Os modelos SISP suportam o
rastreamento completo de uma inst^ancia do sinal propagado, o que possibilita
modelar deterministicamente todo o ambiente de propagac~ao, seja ele aberto
ou fechado. Porem, estes modelos s~ao bem mais complexos que os modelos
anteriomente apresentados, requerendo um maior poder de processamento para
a sua viabilizac~ao. Exemplos de modelos SISP podem ser encontrados em [137,
199, 204, 210, 231, 234].

A.8 Modelos de Propagac~ao em Baixa Escala 165
A.8 Modelos de Propagac~ao em Baixa Escala
O mecanismo de fading e usado para descrever as rapidas utuac~oes na amplitude
de um sinal de radio em um curto per odo de tempo ou dist^ancia percorrida.
Geralmente, este fen^omeno e causado pela interfer^encia de duas ou
mais inst^ancias de um mesmo sinal transmitido por um unico transmissor que
chegam ao receptor praticamente no mesmo instante, porem por caminhos diferentes.
Estas inst^ancias se combinam no receptor gerando um sinal resultante
que pode possuir grandes variac~oes na amplitude e na fase, dependendo da distribuic~ao
de intensidade e tempo de propagac~ao das varias inst^ancias do sinal
propagado. A presenca de multiplos caminhos para as varias inst^ancias de um
mesmo sinal de radio produz uma serie de efeitos de fading de baixa escala. Os
principais efeitos s~ao:
Mudancas rapidas na pot^encia do sinal recebido devido a pequenas variac~oes
de dist^ancia e/ou de tempo.
Modulac~oes por frequ^encia aleatorias causadas pelo deslocamento Doppler
das varias inst^ancias.
Dispers~ao no tempo (ecos) causados pelos atrasos no tempo de propagac~ao
das diversas inst^ancias do sinal.
Quando a antena receptora esta parada em relac~ao ao transmissor, o efeito
de fading e causado pela dispers~ao temporal das varias inst^ancias do sinal
transmitido no receptor. Devido as carater sticas intr nsecas das ondas eletromagneticas,
efeitos destrutivos ou construtivos poder~ao aparecer quando do
somatoria destas inst^ancias no receptor. Isto pode levar a grandes utuac~oes
no sinal recebido em um curto espaco de tempo. Quando a antena receptora
apresenta movimento em relac~ao ao transmissor, cada inst^ancia do sinal transmitido
apresenta um aparente deslocamento na frequ^encia. Este deslocamento
na frequ^encia do sinal recebido devido amovimentac~ao do receptor e denominado
deslocamento Doppler, e e diretamente proporcional avelocidade e
direc~ao do movimento do receptor em relac~ao ao transmissor.
A.8.1 Fatores de In u^encia
A seguir s~ao apresentados os principais fatores que in uenciam a propagac~ao
de sinal em baixa escala:
Propagac~ao do Sinal em Varios Caminhos: A dispers~ao de amplitude
e fase das diversas inst^ancias de um mesmo sinal transmitido na antena receptora
causa utuac~oes no sinal recebido, levando ao enfraquecimento ou distors~ao

166 Cap tulo A. Propagac~ao de Sinais de Radio
do sinal nal. Velocidade de Deslocamento do Receptor: Omovimento
relativo entre o transmissor e o receptor resulta na modulac~ao da frequ^encia do
sinal recebido, devido aos diferentes deslocamentos Doppler apresentados pelas
varias inst^ancias do sinal.
Movimentac~ao dos Objetos no Ambiente de Propagac~ao: A presenca
de objetos moveis no ambiente de propagac~ao pode in uenciar algumas
das inst^ancias do sinal recebido. Caso o ambiente de propagac~ao possa ser considerado
praticamente estatico em relac~ao amovimentac~ao da antena receptora,
amovimentac~ao dos demais objetos pode ser desconsiderada.
Faixa de Transmiss~ao do Sinal: Se a faixa de transmiss~ao do sinal de
radio for maior do que a faixa do canal formado pelas varias inst^ancias do
sinal transmitido, o sinal recebido sera distorcido, porem sem enfraquecimento
do sinal recebido. A faixa do canal pode ser quanti cada por sua faixa de
coer^encia, que e uma medida da maxima diferenca de frequ^encianaqualas
inst^ancias do sinal ainda est~ao fortemente relacionadas em amplitude.
A.8.2 Deslocamento Doppler
Seja um receptor se movimentando a uma velocidade constante v, ao longo
de um caminho X-Y de comprimento d, de forma que este caminho forma um
^angulo com o segmento de reta que liga o transmissor T ao ponto X. Considerando
que o transmissor se encontra a uma grande dist^ancia do segmento X-Y,
tem-se que o ^angulo entre o segmento T-Y e o prolongamento do segmento X-Y
tambem e . Supondo um sinal emitido por T, o receptor recebera o sinal nos
pontos X e Y com uma diferenca de fase igual a:
= 2 l = 2 v t cos (A:15)
onde t e o tempo gasto pelo receptor para mover-se de X para Y. Desta forma,
amudanca aparente na frequ^encia, ou deslocamento Doppler, e dada por:
fd = 1
2 :
t = v : cos (A:16)
Pode-se notar pela equac~ao acima que se o receptor se move na direc~ao do
transmissor, o deslocamento Doppler e positivo, ou seja, a frequ^encia aparente
recebida e maior que a frequ^encia de transmiss~aocaso o receptor esteja se
distanciando do transmissor, a frequ^encia aparente recebida e menor que a
frequ^encia de transmiss~ao.
A presenca de movimentac~ao relativa entre o receptor e o transmissor e a
exist^encia de multiplas inst^ancias do mesmo sinal, levam ao aparecimento de

A.8 Modelos de Propagac~ao em Baixa Escala 167
efeitos distintos no sinal transmitido. A presenca de multiplas inst^ancias leva a
dispers~ao das inst^ancias no tempo e ao enfraquecimento seletivo defrequ^encias,
enquanto que o deslocamento Doppler leva a dispers~ao em frequ^encia e ao
enfraquecimento seletivo de tempo. Uma explicac~ao mais detalhada dos tipos
de fading, bem como de seus modelos, necessita de um conhecimento espec co
na area de f sica, mais precisamente, na area de processamento de sinais, o que
foge ao escopo deste livro. Para aqueles que desejarem se aprofundar neste
topico, um bom ponto de partida e [191], no seu cap tulo 4. Nesta refer^encia,
ointeressado podera encontrar um estudo introdutorio sobre o assunto, bem
como uma serie de outras refer^encias sobre pontos espec cos relacionados com
otopico.

168 Cap tulo A. Propagac~ao de Sinais de Radio

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