Este trabalho reúne um resumo teórico de quatro elementos empregados em uma comunicação de dados sem fio com recursos de transmissão segura – transmissão, operacionalidade, segurança e sincronização – além de exemplificar a interoperação destes elementos em um sistema. Quanto à transmissão é abordada a técnica de espalhamento de espectro por saltos de frequência (FHSS). Referente à operacionalidade é apresentado o gerenciamento de canais de comunicação. Para a segurança é descrita a técnica de geração de sequência pseudoaleatória Linear Feedback Shift Register (LFSR). E o método de sincronização exposto é o de Relógio Mestre (Master Clock).

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Resumo — Este trabalho reúne um resumo teórico de quatro
elementos empregados em uma comunicação de dados sem fio
com recursos de transmissão segura – transmissão,
operacionalidade, segurança e sincronização – além de
exemplificar a interoperação destes elementos em um sistema.
Quanto à transmissão é abordada a técnica de espalhamento de
espectro por saltos de frequência (FHSS). Referente à
operacionalidade é apresentado o gerenciamento de canais de
comunicação. Para a segurança é descrita a técnica de geração de
sequência pseudoaleatória Linear Feedback Shift Register
(LFSR). E o método de sincronização exposto é o de Relógio
Mestre (Master Clock).
Índice de Termos — Transmissão segura, Antijamming,
Frequency Hopping (FH), Spread Spectrum (SS), Pseudorandom
Number Generator (PRNG), Linear Feedback Shift Register
(LFSR).
I. INTRODUÇÃO
plicações de comunicação sem fio que envolvem dados
sigilosos ou sensíveis necessitam de recursos para
administrar. Nestes casos existem dois aspectos que são
considerados, a segurança na comunicação e a segurança na
transmissão.
A segurança na comunicação, ou COMSEC do inglês, são
as técnicas empregadas para que as informações envolvidas na
comunicação só sejam entendidas por usuários autorizados.
Para isso a informação é transformada da sua forma original
para outra ilegível, de forma que possa ser conhecida apenas
por seu destinatário, que conhece a chave e o método para
extrair da informação ilegível a informação original.
A segurança na transmissão tem como objetivos o
estabelecimento da comunicação, e que a mesma só ocorra
entre usuários autorizados. A medida comumente adotada para
a realização da transmissão segura é o emprego de múltiplos
canais de comunicação, que possibilita a troca de canal no
caso de interrupção do canal que esteja sendo utilizado, e
permite transmissão fracionada da informação por vários
canais, o que dificulta a interceptação.
A comunicação segura e a transmissão segura empregam
abordagens diferentes para um fim comum, que é: a
informação que se deseja compartilhar só deve ser acessada
por quem estiver autorizado. E a integração delas em um
sistema de comunicação, o torna mais eficiente para cumprir
este fim.
Tendo como foco a transmissão segura, a seguir, são
destacadas quatro características:
● Transmissão – Como a informação flui pelos canais
de comunicação;
● Operacionalidade – Medidas para que a informação
chegue aos seus destinos;
● Segurança – Medidas para que a informação só seja
acessada pelos destinatários;
● Sincronização – Medidas para que o remetente e os
destinatários utilizem os mesmos canais durante o envio da
informação.
Um exemplo de técnica será apresentado, no decorrer deste
trabalho, para cada uma das quatro características da
transmissão segura que foram destacadas.
II. HISTÓRIA
Sistemas de comunicação que utilizam técnicas de
espalhamento de espectro tiveram sua primeira citação feita
pela atriz Hedy Lamarr e pelo pianista George Antheil, em
1941, com o documento “link seguro de rádio para controlar
torpedos“ que recebeu a patente U.S. Patent #2.292.387 [1].
Os primeiros desenvolvimentos ocorreram na década de 1950
envolvendo aplicações militares com finalidade de garantir a
comunicação mesmo se houvessem tentativas de bloqueio de
alguns dos canais de comunicação (antijamming) [2].
III. TRANSMISSÃO – ESPALHAMENTO DE ESPECTRO POR
SALTOS DE FREQUÊNCIA
Uma definição de espalhamento de espectro que reflete as
características desta técnica pode ser descrita como:
“Espalhamento de espectro é um método de
transmissão em que o sinal ocupa uma banda de
transmissão maior que a mínima necessária para o
envio da informação. O excesso de banda é ocupado
seguindo uma codificação independente dos dados que
serão transmitidos, e para a recepção dos dados é
necessário a sincronização do receptor com a
codificação empregada na transmissão, e com esta
Comunicação de Dados Sem Fio Utilizando
Técnica de Espalhamento de Espectro por Saltos
de Frequência em Sequência Pseudoaleatória
Bruno Mourão Siqueira
A

2. 2
Fig. 2. Diagrama de blocos do espalhamento de espectro por salto de
frequências.
recuperar os dados que foram espalhados na banda de
transmissão [2].”
As principais características que atualmente motivam o
emprego do espalhamento de espectro são:
● Dificultar a interceptação dos dados por receptores
não autorizados;
● Gerenciamento de canais de comunicação bloqueados
(antijamming);
● Gerenciamento de canais de comunicação com
interferência;
● Possibilidade de realizar comunicação com o acesso
aleatório entre múltiplos usuários.
O espalhamento de espectro, no contexto deste trabalho,
tem por objetivo dificultar a interceptação integral do dado
transmitido. Considerando que um possível interceptador irá
monitorar um número limitado dos canais disponibilizados
para a comunicação, provavelmente um único canal, só será
possível interceptar fragmentos dos dados. Isto aliado a
pseudoaleatoridade na sequência dos saltos de frequência
contribuem para a segurança da transmissão dos dados.
O espalhamento de espectro por saltos em frequência
assume que p(t) é um pulso básico de duração Th (comumente
chamado de hop time), e a modulação por salto de frequência
tem a forma:
(1)
A banda base complexa do sinal c(t) nunca aparecerá
fisicamente no transmissor ou no receptor. Em vez disso, a
sequência pseudoaleatório de deslocamento de frequências
{fn} irá coordenar o sintetizador de frequência para reproduzir
o valor real modulado de c(t). A sequência {fn} de fases
aleatórias é produzida pelo processo de modulação [7].
A largura de banda do sinal transmitido utilizando o salto
em frequências é N vezes o número de canais frequências
disponíveis, onde N é a largura de banda de cada canal.
Tomando como referência o salto em frequência empregado
em sistemas Bluetooth, a sequência de frequências f(x) que é
derivada do endereço do dispositivo slave é utilizada até que
se estabeleça a comunicação entre o master e o slave, após
isso os dois dispositivos negociam uma nova sequência, g(x),
para continuar a comunicação.
IV. JUSTIFICATIVA TEÓRICA PARA O ESPALHAMENTO
ESPECTRAL
Ao avaliar um sistema de comunicação em tempo contínuo
que emprega canais analógicos sujeitos a ruídos gaussianos, e
considerando o teorema de Shannon-Hartley:
C = B . log2 (1 + S/N), (2)
onde C é a capacidade do canal de comunicação em bits por
segundo (bps), que é a máxima taxa de comunicação teórica
para que não haja erros na transmissão do bit (bit-error rate –
BER). B é a banda de transmissão requerida pelo canal de
comunicação, dada em Hz. S/N é a potência da relação sinal
ruído (signal-to-noise), e expressa as condições ambientais e
as características físicas ao qual o sistema de comunicação
está sujeito. E, considerando que em aplicações de
espalhamento espectral a relação S/N é baixa, devido a baixa
densidade de potência do sinal, que permite que o sinal esteja
abaixo do nível de ruído, podemos assumir que S/N << 1, o
que permite aplicar a seguinte aproximação no teorema de
Shannon-Hartley:
Fig. 1. Imagem do sinal de um FHSS em um analisador de espectro. [3]
Fig. 3. Exemplo de uma troca de mensagens no padrão Bluetooth. [5]

3. 3
C/B ≈ 1,433 . S/N (3)
Que grosseiramente pode ser considerado como:
C/B ≈ S/N (4)
Ou:
N/S ≈ B/C (5)
Com isso fica evidente que para permitir uma comunicação
livre de erros para uma determinada relação ruído/sinal no
canal de comunicação é necessário aumentar a largura da
banda de transmissão. Contudo, aumentar a banda base de
transmissão força os sistemas eletrônicos a responderem de
acordo com o aumento, que por sua vez torna o espalhamento
e o agrupamento do sinal (spreading, despreading) operações
necessárias [3].
V. OPERACIONALIDADE – GERENCIAMENTO DE CANAIS DE
COMUNICAÇÃO
Outro ponto sensível na comunicação de dados, e
principalmente da comunicação sem fio, é operacionalidade
dos canais de comunicação, que são susceptíveis a
interferências, ruídos e bloqueios que podem ser
caracterizados como a combinação de qualquer das seguintes:
● Outros usuários que intencionalmente ou por acidente
ocupam o canal de comunicação;
● Compartilhamento do espectro para múltiplo acesso;
● Autobloqueio gerado por atrasos na transmissão
devido aos diferentes caminhos que os sinais podem seguir até
o receptor.
A proteção contra interferência na banda de transmissão é
normalmente chamado de anti-jamming [4].
A aplicação conjunta de técnicas de gerenciamento dos
canais de comunicação e de espalhamento de espectro com
parâmetros pseudoaleatórios acrescentam elementos de
segurança na transmissão dos dados que dificultam a
ocorrência dos problemas de interceptação e bloqueio dos
canais de comunicação.
Outro grupo de aplicações está relacionado com a redução
da densidade de energia do sinal transmitido e são:
● Atender normas internacionais;
● Dificultar a detecção da origem do transmissor;
● Contribuir com a privacidade.
Para a utilização de canais que estejam em condições de
estabelecer a comunicação, é necessário o monitoramento
contínuo dos canais de comunicação disponibilizados, para a
detecção de canais ruidosos, com interferência ou ocupados.
Tomando como referência o gerenciamento de canais
empregados em sistemas Bluetooth, os canais de comunicação
são classificados em unknown, bad or good [4].
Classificação Definição
Unknown Um canal é classificado como unknown se
as medições de avaliação não forem
suficientes para classificar de forma
confiável o canal, e se o canal não estiver
marcado como bad na classificação mais
recente dos canais.
Bad Um canal é classificado como bad se em
transmissões síncronas ou assíncronas
acumularem erros que ultrapassem os
limites definidos pelo algoritmo de
avaliação do canal, ou se as medições
indicarem que o nível de interferência no
canal ultrapassa os limites estabelecidos no
algoritmo de avaliação do canal.
Good Um canal é classificado como god quando
ele não é classificado como unknown ou
bad.
Tabela 1: Descrição da classificação dos canais de comunicação
Com base nas classificações dos canais descritas acima é
definida, no padrão Bluetooth, uma tabela baseada na
combinação das seguintes informações:
● Classificações baseadas nas medições locais
realizadas pelo próprio dispositivo;
● Classificações baseadas nas medições realizadas por
outro dispositivo envolvido na comunicação;
● Classificações baseadas nas medições realizadas por
todos os dispositivos envolvidos na comunicação.
VI. SEGURANÇA – GERAÇÃO DE SEQUÊNCIA
PSEUDOALEATÓRIA
As medidas propostas neste estudo, para dificultar a
interceptação dos dados, estão relacionadas com
desconhecimento dos receptores não autorizados, de qual será
a sequência de frequências utilizadas para a transmissão dos
dados. Por isso se faz necessário a utilização de sequências
pseudoaleatórias para serem utilizadas sequências não
intuitivas e que dificultem tentativas de aprendizado da
sequência empregada.
O método proposto para demonstração de conceito é o
Linear Feedback Shift Register (LFSR), devido a
implementação simplificada.

4. 4
O valor inicial do LFSR é chamado de semente (seed), e
devido às operações com os registros serem determinísticas, a
sequência de valores gerada é completamente determinada
pelo estado atual. Da mesma forma, devido ao número finito
de estados possíveis, o LFSR pode entrar em um ciclo de
repetição. Contudo, a escolha adequada da função de
realimentação permite a geração de sequências com ciclos
longos, antes que os valores começarem a repetir [6].
VII. SINCRONIZAÇÃO – RELÓGIO MESTRE
É necessário que os dispositivos envolvidos na
comunicação se sincronizem de tempos em tempos, para
eliminarem diferenças nos relógios de sistemas, para terem as
mesmas tabelas de canais disponíveis e canais bloqueados,
para substituírem a semente utilizada no gerador
pseudoaleatório da sequência de frequências, e para definirem
o tempo de vida da semente do gerador pseudoaleatório.
No padrão Bluetooth durante operações típicas, um canal de
rádio é compartilhado por um grupo de dispositivos que estão
sincronizados por um relógio comum, e por uma sequência de
saltos de frequências padrão. Um dispositivo define a
sincronização de referência, e é conhecido como dispositivo
master. Todos os demais dispositivos que foram sincronizados
pelo relógio e pela sequência de saltos de frequência do
master, são conhecidos como dispositivos slaves.
São empregados comandos de sincronização do dispositivo
master para os dispositivos slaves, para sincronizar os relógios
de todos os dispositivos do sistema. É com base no relógio
sincronizado com o do dispositivo master, que os demais
dispositivos controlam as transmissões e as recepções. O
relógio de sincronismo é chamado de CLK, e é derivado do
CLKN, que é o relógio nativo de cada dispositivo com o
acréscimo de um ajuste (offset), que no caso do dispositivo
master o ajuste é zero.
O relógio determina tempos críticos e inicializam eventos
nos dispositivo Bluetooth. O padrão Bluetooth define quatro
períodos importantes para o sistema: 312,5µseg, 625µseg,
1,25mseg e 1,28seg; esses períodos correspondem
respectivamente aos bits CLK0, CLK1, CLK2 e CLK12 do
timer dos dispositivos.
VIII. CONSIDERAÇÕES FINAIS
A comunicação sem fio apresenta uma forma fácil e
eficiente de comunicação, porém altamente susceptível a
tentativas de interceptações e bloqueios, por não se ter
controle do meio de comunicação. Para que a comunicação
sem fio seja uma forma segura de comunicação é necessário o
emprego de técnicas que mitiguem as deficiências de
segurança referentes ao controle de acesso ao meio de
comunicação. A utilização do espalhamento espectral por
saltos de frequência em sequências pseudoaleatórias, o
gerenciamento de canais de frequência e a sincronização por
relógio mestre, são medidas eficientes para o acréscimo de
segurança em comunicações sem fio, e já são utilizados em
soluções comerciais, como por exemplo, nos sistemas que
dispõem de tecnologia Bluetooth.
IX. REFERÊNCIAS
[1] R. Malik, “Spread Spectrum − "Secret Military
Technology to 3G”, IEEE Conference on the History of
Telecommunications, July 2001.
[2] R. L. PICKHOLTZ, D. L. SCHILLING and L. B.
MILSTEIN, “Theory of Spread-Spectrum Communications-A
Tutorial”, IEEE TRANSACTIONS ON
COMMUNICATIONS, VOL. COM-30, NO. 5, MAY 1982.
[3] “An Introduction to Spread-Spectrum
Communications”, Application note 1890, Copyright © by
Maxim Integrated Products, February 2003. www.maxim-
ic.com/an1890 visitado em 13/10/2010.
[4] A. J. Viterbi, “Spread Spectrum Communications:
Myths and Realities”, IEEE Communications Magazine.
Volume 17, Number 3, May 1979.
[5] Bluetooth Special Interest Group, “Bluetooth Core
Specifications”, Specification Documents, Jun 2010.
[6] L. T. Tie, S. W. Oh, and K. J. M. Kua, “Efficient
Implementation of Binary Sequence Generator for WiMAX
Fig. 4. Um LFSR de 16 Bits em que os Bits 11, 13 14 e 16 são utilizados na
realimentação. O estado atual é ACE1h e o estado seguinte é 5670h.
Fig. 5. Desvio do CLK no dispositivo master (a) e no dispositivo slave (b).
[5]
Fig. 6. Timer dos dispositivos Bluetooth. [5]

5. 5
and WRAN on Programmable Digital Signal Processor”,
IEEE ICC 2009.
[7] M. K. Simon, J. K. Omura, R. A. Scholtz and B. K.
Levitt, “SPREAD SPECTRUM COMMUNICATIONS
HANDBOOK”, McGraw-Hill, Inc., ISBN 0-07-138215-1,
2002.