COMO EVOLUÍRAM AS NORMAS WI-FI IEEE ? 1

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3 Resumo Este relatório foi desenvolvido em torno do tema da evolução da norma IEEE , também conhecida por redes sem fio Wi-Fi ou wireless, uma das, senão a melhor inovação tecnológica das últimas décadas. A fim de responder a uma questão global onde se pretendia estabelecer uma norma nas comunicações de redes sem fio, o IEEE decidiu apresentar um protocolo que procurava implementar uma série de definições para o Controle de Acesso ao Meio (MAC) e o Camada Física (PHY). Atualmente, esta é a norma padrão para a conectividade sem fios no mundo, tendo vindo a evoluir ao longo dos tempos, originando variantes melhoradas, mais eficientes e rentáveis. Destas especificações, as mais utilizadas são a a, b, g, n e a ac. Uma das provas desta crescente utilização é o aumento do número de hot spots assim como o facto da maioria dos aparelhos eletrónicos de hoje em dia saírem de fábrica incorporados com placa de rede wireless com a norma IEEE COMO EVOLUÍRAM AS NORMAS WI-FI IEEE ? 3

4 Índice Resumo... 3 Glossário de Abreviaturas Relacionadas... 5 Introdução... 6 O que é o IEEE?... 6 Norma O que é o wi-fi?... 7 Norma a Norma b Norma g Norma n Tecnologia MIMO Norma ac Qual o futuro? Norma ad Project Loon Conclusão Referências Bibliográficas e Webgráficas Índice de Figuras Figura Figura Índice de Tabelas Tabela 1: Evolução cronológica das normas... 9 COMO EVOLUÍRAM AS NORMAS WI-FI IEEE ? 4

5 Glossário de Abreviaturas Relacionadas AP - Access Point BSS - Basic Service Set DSSS - Direct Sequence Spread Spectrum ETSI - European Telecommunications Standards Institute FCC - Federal Communications Commission FHSS - Frequency Hopping Spread Spectrum IBSS - Independent Basic Service Set IEEE - Institute of Electrical and Electronics Engineers IP - Internet Protocol MAC - Medium Access Control MIMO Multiple Input Multiple Output MU-MIMO Multiuser MIMO MLME - MAC Sublayer Management Entity MPDU - MAC Protocol Data Unit OFDM - Orthogonal Frequency Division Multiplexing PHY - Physical Layer PLCP - Physical Layer Convergence Protocol PMD - Physical Medium Dependent SAP - Service Access Point STA - Station TCP - Transmission Control Protocol Wi-Fi - Wireless Fidelity WLAN - Wireless Local Area Networks COMO EVOLUÍRAM AS NORMAS WI-FI IEEE ? 5

6 Introdução No âmbito da disciplina do Projeto FEUP foi-nos proposta a investigação do tema que abordava a evolução da norma IEEE Como tal, decidimos aprofundar esta questão e averiguar as várias etapas e alterações a que foi sujeita a norma desde que foi implementada. Ao longo de vários anos, inúmeras alterações foram instituídas à norma de forma a conseguir responder às necessidades tanto empresariais como sociais. Desta forma, o crescimento e aperfeiçoamento deste projeto é um trabalho constante e dinâmico que vem acompanhando os avanços tecnológicos efetuados pela ciência e pela investigação. Desde alterações à banda de frequências até à quantidade de informação que é transmitida por segundo, as normas têm sido alvo de constante mudança. Neste trabalho iremos procurar responder à questão que envolve saber quais são essas alterações, propostas futuras e a história que deu origem a uma norma que neste momento tem a sua marca em quase todos os locais da sociedade moderna. O que é o IEEE? O Instituto de Engenheiros Eletricistas e Eletrônicos (IEEE), é uma associação de técnicos, engenheiros e cientistas dedicada ao avanço tecnológico. Este instituto serve para toda a comunidade científica estar em contacto com a mais recente tecnologia. COMO EVOLUÍRAM AS NORMAS WI-FI IEEE ? 6

7 Norma Até alguns anos atrás, as ligações entre computadores apenas eram possíveis através de cabos. Este tipo de ligação é bastante popular, mas conta com algumas limitações, sendo que a distância máxima entre os dois dispositivos é igual à do comprimento dos cabos. Num local em que seja necessária uma ligação entre computadores, os cabos não serão a opção mais prática devido à estrutura do edifício. Felizmente, surgiram as redes wi-fi que permitiram superar todas estas limitações. O uso deste tipo de rede é atualmente o mais comum, não só em ambientes domésticos e corporativos, mas também em locais públicos como bares, centros comerciais, livrarias, aeroportos, entre outros. O que é o wi-fi? O Wi-Fi é um conjunto de normas para WLAN - Wireless Local Area Network, em português rede local sem fio, baseada na norma IEEE Com esta tecnologia, é possível criar redes que ligam computadores e outros dispositivos compatíveis (telemóveis, tablets, impressoras e qualquer aparelho que contenha uma placa de rede) que estejam próximos geograficamente. Estas redes dispensam cabos, já que efetuam a transmissão de dados através de radio frequência. Este esquema oferece várias vantagens, como por exemplo a de um utilizador poder usufruir desta rede em qualquer ponto dentro do seu alcance máximo, possibilitando COMO EVOLUÍRAM AS NORMAS WI-FI IEEE ? 7

8 também a junção de outros computadores e dispositivos na rede. Graças a esta facilidade de conetar aparelhos sem a necessidade de cabos, a rede wireless ascendeu ao topo. A flexibilidade do Wi-Fi permitiu que começasse a ser utilizado na maior parte dos locais com necessidade de transmissão de dados, tanto públicos como privados. Para utilizar estas redes, basta ao utilizador ter um portátil, telemóvel ou qualquer outro dispositivo compatível com a norma A ideia de redes sem fio não é nova. Antes de existir a norma , empresas ligadas ao ramo das telecomunicações, preocupavam-se com a necessidade de redes sem fio, mas a falta de padronização de normas e especificações revelou-se um obstáculo, já que vários grupos de pesquisa trabalhavam com propostas diferentes. Por esta razão, algumas empresas internacionais juntaram-se, e assim, nasceu em 1999, a Wireless Ethernet Compatibility Alliance (WECA), que a partir de 2003 começou a ser chamada de Wi-Fi Alliance. O padrão estabelece normas para a criação e para o uso de redes sem fio. A transmissão deste tipo de rede é feita por sinais que se propagam pelo ar e podem cobrir áreas na ordem das centenas de metros. Como existem inúmeros serviços que podem utilizar sinais de rádio, é necessário que cada um opere de acordo com as exigências estabelecidas pelo governo de cada país. Esta é uma maneira de evitar problemas, especialmente interferências. COMO EVOLUÍRAM AS NORMAS WI-FI IEEE ? 8

9 Para facilitar a compreensão, é conveniente saber que, para uma rede deste tipo ser estabelecida, é necessário que os dispositivos (também chamados de STA - de "station") se conectem a aparelhos que forneçam o acesso. Estes são genericamente denominados Access Point (AP). Quando um ou mais STAs se conectam a um AP, tem-se, portanto, uma rede, que é denominada Basic Service Set(BSS). Por questões de segurança e pela possibilidade de haver mais de um BSS em determinado local (por exemplo, duas redes sem fio criadas por empresas diferentes numa área de eventos), é importante que cada um receba uma identificação denominada Service Set Identifier (SSID), um conjunto de caracteres que, após definido, é inserido no cabeçalho de cada pacote de dados da rede. Por outras palavras, o SSID nada mais é do que o nome dado a cada rede sem fio. Tabela 1: Evolução cronológica das normas 1 Data de Nome Características aprovação oficial /03/1997 Norma inicial do IEEE para as especificações do Medium Access Control (MAC) e do Physical Layer (PHY) para Wireless LAN ISO/IEC : /09/2005 Norma internacional do IEEE a 16/09/1999 Maiores velocidades da extensão PHY na frequência de 5 GHz b 16/09/1999 Maiores velocidades da extensão PHY na frequência de 2.4 GHz b-car1 10/10/2001 Correções na norma introduzida em "The IEEE Universe", IEEE Communications Magazine, Vol. 48, nº 1, Janeiro 2010 COMO EVOLUÍRAM AS NORMAS WI-FI IEEE ? 9

10 802.11c 16/09/1998 MAC Bridges Suplementos para support do IEEE d 14/06/2001 Efetua operações em domínios adicionais, permitindo aos dispositivos trabalhar com os requerimentos regionais e 22/09/2005 Série de especificações para melhorar o MAC e suporte para QoS f 12/06/ g 12/06/2003 Aumento da extensão de dados na banda de frequências de 2.4 GHz. 54 Mb/sOFDM PHY nessa mesma frequência h 11/09/2003 Alterações do espetro e controlo do poder da transmissão nas normas para a Europa. Todos os dispositivos que operem na banda de frequências 5 GHz devem implementar esta norma i 24/06/2004 Introdução de novas medidas de segurança no MAC, conhecidas como WPA e WPA2 desenvolvidas pela Wi-Fi Alliance j 23/09/2004 Alterações no espetro de operação no Japão, alterando para 5GHz ma 08/03/2007 Revisão e manutenção das medidas implementadas pelo que irá ser substituído pela norma t 31/12/2009 Norma que define as medidas recomendadas para a avaliação da performance do Wireless /03/2007 Norma que incorpora as medidas e alterações implementadas nas correções a, b, d, e, & g-j k 31/03/2008 Radio Resource Measurement n 11/09/2009 Melhorias para melhor rendimento. 600Mb/s MIMO PHY na banda de frequências de 2.4 GHz e 5 GHz r 30/06/2008 Melhorias para dispositivos movéis. Roaming mais rápido w 30/09/2009 Implementação de medidas de segurança para quadros de gestão y 30/06/2008 Alterações na banda de frequências nos EUA ( MHz). COMO EVOLUÍRAM AS NORMAS WI-FI IEEE ? 10

11 A primeira versão da norma foi lançada em 1997, após 7 anos de estudos, aproximadamente. Com o aparecimento de novas versões, a versão original passou a ser conhecida como ou, ainda, como legacy. Por se tratar de uma tecnologia de transmissão por radiofrequência, o IEEE determinou que a norma operasse no intervalo de frequências entre 2,4 GHz e 2,4835 GHz. A sua taxa de transmissão de dados é de 1 Mb/s ou 2 Mb/s (megabits por segundo) e é possível usar as técnicas de transmissão Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) e Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS). Estas técnicas possibilitam transmissões utilizando vários canais dentro de uma banda de frequência, no entanto, a DSSS cria vários segmentos da informações transmitidas e envia-las simultaneamente aos canais. A técnica FHSS, por sua vez, utiliza um esquema de "salto de frequência", onde a informação transmitida utiliza determinada frequência em certo período e, no outro, utiliza outra frequência. Esta característica faz com que o FHSS tenha velocidade de transmissão de dados um pouco menor, por outro lado, torna a transmissão menos suscetível à interferências, uma vez que a frequência utilizada muda constantemente. O DSSS apresenta-se mais rápido, mas também mais suscetível a sofrer interferências. COMO EVOLUÍRAM AS NORMAS WI-FI IEEE ? 11

12 Norma a A norma a foi introduzida no ano de Esta foi a terceira grande alteração às normas introduzidas em 1997 e permitia uma velocidade de transmissão de dados de 54 Mbps. Contudo, a grande novidade é a introdução de um novo método para o transporte de dados. Esta norma introduz um método de transmissão de informação que se chama Orthogonal Frequency-Division Multiplexing (OFDM). Esta operação é um método de modulação digital de um sinal no qual este é dividido em vários canais estreitos em diferentes frequências. Esta técnica apresenta como prioridade o isolamento de algumas interferências, isto sobrepõe-se à importância de ter canais individuais perfeitos. Este método funciona particularmente bem em locais como escritórios pois há menor interferência com outros aparelhos como telefones e micro-ondas. A banda de 2.4 GHz é constantemente utilizada tornando-se bastante lotada. Dessa forma, a norma a torna-se vantajosa porque opera numa banda de frequências localizada na zona dos 5 GHz. Contudo, esta norma também possui uma série de desvantagens: devido à sua gama de frequências bastante elevada, o seu alcance é reduzido e, para além disso, a sua capacidade de atravessar vários obstáculos e colmatar a absorção das ondas nas paredes é menor do que as normas que usam a banda de frequências de 2.4 GHz. COMO EVOLUÍRAM AS NORMAS WI-FI IEEE ? 12

13 Norma b No ano de 1999, foi revelada uma atualização do padrão original, ou seja, b. O principal interesse desta especificação foi a possibilidade de estabelecer ligações com velocidade de transmissão de 11 Mb/s. A banda de frequências para esta norma não sofreu alterações em relação à original, mantendo-se aproximadamente nos 2,4 GHz. Esta banda de frequência traduz-se em preços mais acessíveis para o mercado pelo que esta foi bastante comercializada na altura do seu lançamento. Apesar de esta versão ser similar em termos de frequência utilizada, a técnica de transmissão limita-se ao DSSS, pois o FHSS não cumpre as normas estabelecidas pela Federal Communications Commission (FCC), isto quando a rede opera a velocidades superiores a 2 Mb/s. Uma transmissão b pode alcançar os 400m em espaços abertos e os 50m em locais fechados, isto teoricamente, pois a distância pode sofrer influência de uma série de fatores, tais como eletrodomésticos que causam interferência ou podem até impedir a conexão. Assim, este padrão, para manter a ligação o mais funcional possível, pode tornar a taxa de transmissão de dados menor, até atingir o limite mínimo de 1 Mb/s à medida que uma estação se afasta do ponto de acesso. O oposto também é possível, quando a distância entre a estação e o ponto de acesso diminui, a velocidade de transmissão aumenta. COMO EVOLUÍRAM AS NORMAS WI-FI IEEE ? 13

14 Esta especificação da norma original , chamada de b, foi a primeira a ser utilizada em larga escala, sendo uma das maiores impulsionadoras no que diz respeito à popularidade das redes Wi-Fi. COMO EVOLUÍRAM AS NORMAS WI-FI IEEE ? 14

15 Norma g A norma g foi introduzida no ano de 2003 e uma das particularidades que a tornaram desvantajosa foi o facto de ser mais cara do que a norma antecedente, b. Contudo, esta norma é a primeira que introduz uma velocidade de transmissão de dados de 54 Mb/s e permite um suporte a vários utilizadores. Para além disso, utiliza uma banda de frequências de 2.4 GHz que sofreu uma alteração. Com estas modificações, ocorreu um aumento da extensão de dados, o que lhe permitiu que o alcance do sinal fosse maior e não fosse tão facilmente obstruído. Contudo, esta alteração da norma não implica que os aparelhos, como telemóveis e micro-ondas não incomodem a transmissão de informação pois operam perto dessa banda de frequências. Desta forma, uma das maiores vantagens desta norma é a sua versatilidade e compatibilidade com as normas estabelecidas previamente. Isto é, os pontos de acesso que operam com a norma g são conciliáveis com os adaptadores de redes sem fios que se regem pelas normas previamente em vigor (802.11a e b). COMO EVOLUÍRAM AS NORMAS WI-FI IEEE ? 15

16 Norma n A norma n-2009, abreviada para n apenas, é uma das variantes da norma , pertencente à quarta geração de normas. Iniciada em 2002, desenvolvida durante 7 anos e aprovada em 2009, veio acrescentar alguns aspetos inovadores à famosa rede wireless. Primeiramente, permitiu velocidades na ordem dos 300 Mb/s, 6 vezes superior à norma anterior g, operando nas frequências 2,4 GHz e 5,0 GHz e numa largura de banda dos 20 GHz e dos 40 GHz. Além disto, utiliza também, pela primeira vez, a tecnologia MIMO (Multiple Input, Multiple Output). Tecnologia MIMO A norma n utiliza a tecnologia MIMO para aumentar a taxa de transmissão de dados. Esta tecnologia consiste em usar vários streams. O código binário é repartido em três streams. Cada transmissor encaminha um dos três streams independentes, com a mesma frequência que os outros dois. Na recepção desses streams existem antenas e receptores independentes. Esta divisão de dados por três streams permite uma maior taxa de transmissão, através das reflexões de dados, sem ser necessário aumentar a banda espectral. A norma n veio trazer algumas vantagens, como maiores velocidades de transmissão, uma nova maneira de transmitir dados, através COMO EVOLUÍRAM AS NORMAS WI-FI IEEE ? 16

17 do MIMO, um novo alcance com menos interferências que as normas anteriores. Além disto, esta norma é totalmente compatível com as outras normas, operando nas bandas de frequência dos 2,4 GHz e dos 5 GHz. Umas das grandes desvantagens desta norma é o facto de poder haver interferências na largura de banda dos 2,4 GHz, sendo que é nesta frequência que operam a maioria dos rádios. COMO EVOLUÍRAM AS NORMAS WI-FI IEEE ? 17

18 Norma ac A norma ac é a variante mais recente a ser implementada no mercado, desenvolvida praticamente entre os anos 2011 e 2012, sendo aprovadas as suas características em 2013 pelo IEEE. Esta evolução apareceu como um aperfeiçoamento da norma n, trazendo maiores velocidades, maior número de possíveis utilizadores em simultâneo permitindo assim uma melhor experiência em cada conexão. Figura 1: Melhoramentos n vs ac 2 Comparando a ac com a n, é óbvia a evolução em termos de largura de banda, fluxos espaciais e densidade de modulação. 2 Cisco ac: The Fifth Generation of Wi-Fi Technical White Paper COMO EVOLUÍRAM AS NORMAS WI-FI IEEE ? 18

19 Em primeiro lugar, a ac opera unicamente na banda dos 5GHz, que é menos ocupada por outro tipo de aparelhos eletrónicos, permitindo assim um menor número de interferências e uma conexão mais estável. O aumento da largura de banda de 40MHz para 80 e 160MHz, de que é capaz a nova norma, traduz-se numa nova velociade, na ordem dos 1024 Mb/s respetivamente. Dessa forma, cada transmissão poderá transportar muita mais informação ao mesmo tempo; no entanto, ao alargar o espectro de frequências em que o sistema opera, acresce um diminuir do alcance da rede uma vez que a transmissão é dividida pelo dobro das frequências. Porém, esta redução de alcance não é significativa face ao aumento de velocidades apresentadas. A compatibilidade com até 8 fluxos espaciais representa um MIMO melhorado capaz de elevar a velocidade de transmissão para o dobro. Esta inovação baseia-se no conceito de spatial multiplexing (SM), já conhecido da n, em que a informação é distribuída em várias partes que são transmitidas de uma forma paralela ao longo dos diferentes canais. Porém, esta também implica um aumento de antenas quer no emissor quer no recetor, pelo que, na realidade, esta caraterística deverá ser limitada pelo hardware. No entanto, a segunda geração de ac, implementa uma nova tecnologia, Multiuser MIMO (MU-MIMO), que permite que vários blocos de informação sejam enviados para diferentes utilizadores ao mesmo tempo e na mesma gama de frequências. COMO EVOLUÍRAM AS NORMAS WI-FI IEEE ? 19

20 O aumento de modulação de 64 QAM para 256 QAM faz com que sejam possíveis velocidades cerca de 1,3 vezes superiores a, sobretudo, curtas distâncias sem necessidade de mais antenas ou maior espectro de frequência. Figura 2: Gráfico de velocidade de transmissão em função da distância 3 3 Cisco ac: The Fifth Generation of Wi-Fi Technical White Paper COMO EVOLUÍRAM AS NORMAS WI-FI IEEE ? 20

21 Qual o futuro? Norma ad Hoje em dia está a ser desenvolvida uma nova norma para utilizadores mais avançados que permite maiores velocidades, menos interferências e maior alcance. Esta norma é denominada ad e promete trazer velocidades na ordem dos Gb/s. Para tal, esta utiliza uma largura de banda de cerca de 2 GHz na banda de frequências dos 60 GHz. Num contexto doméstico, deverá atingir 1,3 Gb/s, sendo o máximo teórico desta norma perto dos 7 Gb/s. Apesar destas fenomenais velocidades, a ac deverá ser a rede a dominar o mercado nestes próximos anos e a norma ad será mais dirigida aos utilizadores avançados e empresas. Project Loon Neste momento, a Google está a projetar um hotspot a nível mundial com a tecnologia ac. Se esta tecnologia ocorrer vai permitir Wi-Fi a nível global para toda a gente. Além de fornecer contacto com a Internet 24 horas por 24 horas, em qualquer parte do mapa, vai ainda ter um grande impacto na maneira como guardamos informação, já que estaremos sempre conectados com as clouds. COMO EVOLUÍRAM AS NORMAS WI-FI IEEE ? 21

22 Conclusão Com este relatório foi possível alargar os nossos conhecimentos sobre a norma e redes wireless na sua generalidade. Ao analisar normas passadas e correções que lhes foram aplicadas ao longo da história, é-nos, agora, muito mais fácil compreender a atualidade desta tecnologia que nos rodeia diariamente. Desde a norma original, até à antevisão das próximas atualizações, tem sido um longo percurso que está a culminar numa tecnologia cada vez mais impressionante. Atualmente já são possíveis velocidades de transferência na ordem dos Gb/s quando na norma original, era apenas possível uns míseros 2 Mb/s. Também podemos inferir que no presente estes protocolos se encontram muito mais fiáveis e melhorados em alcance do sinal, possibilitam o acesso a muitos mais utilizadores simultaneamente e maior segurança de acesso para cada um. Certamente que a rede sem fios é uma tecnologia que chegou para ficar. COMO EVOLUÍRAM AS NORMAS WI-FI IEEE ? 22

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