Redes WiFi de altas velocidades: uma visão geral sobre as novas tecnologias WiFi 1

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1 V SRST SEMINÁRIO DE REDES E SISTEMAS DE TELECOMUNICAÇÕES INSTITUTO NACIONAL DE TELECOMUNICAÇÕES INATEL ISSN SETEMBRO DE 2016 Redes WiFi de altas velocidades: uma visão geral sobre as novas tecnologias WiFi 1 Carlos Eduardo Teixeira 1, Edson Josias Cruz Gimenez 2 Abstract This document gives information about two recent concepts in wireless technology: IEEE ac and IEEE802.11ad protocols. With the constant evolution of internet in the world and an increasing demand of data sharing, the service quality could not be an issue and for this would be necessary LANs with higher bandwith, mobilitiy, etc. To attend this demand, new concepts were implemented in Wi-Fi LANs, concepts that will be detailed, presenting all the features that demonstrate the great progress we are seeing in wireless technology. Index Terms Bandwith, mobility, sharing, data rate. Resumo Este documento fornece informações sobre dois conceitos recentes na tecnologia wireless: protocolos IEEE ac e IEEE ad. Com a constante evolução da internet no mundo e uma maior demanda no compartilhamento de dados, a qualidade do serviço não poderia ser um problema e, para isso, faz-se necessárias redes com maior largura de banda, mobilidade, etc. Para atender essa demanda, novos conceitos foram implementados nas redes Wi-Fi, conceitos esses que serão detalhados, apresentando suas características principais, que demonstram a grande evolução que estamos presenciando na tecnologia wireless. Palavras chave Largura de banda, mobilidade, compartilhamentos, taxas de transmissão. I. INTRODUÇÃO A utilização das redes sem fio trouxe um novo conceito de mobilidade para internet, e com o passar do tempo, a utilização das redes sem fio em locais públicos, além das residências, só vem aumentando. Com isso, um padrão deveria ser definido para as redes sem fio. Esse padrão foi definido pelo IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers), sendo identificado como IEEE Desde o ano de 1997 até hoje em dia, a tecnologia Wi-Fi vem ganhando cada vez mais mercado, e consequentemente, novos padrões são implantados. O primeiro deles foi o em 1997, transmitindo na frequência de 2.4GHz com taxas chegando a 2Mb/s, utilizando a tecnologia DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) e FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrun). Utilizando a tecnologia DSSS, o b foi implantado em 1999, transmitindo na frequência de 2.4GHz, com taxas chegando a 11Mb/s. Em seguida, também em 1999, foi definido o padrão a, utilizando a tecnologia de multiplexação por divisão ortogonal de frequência (OFDM Orthognal Frequency Division Multiplexing), transmitindo na frequência de 5GHz, com taxas chegando a 54 Mb/s. Em 2003, também utilizando a tecnologia OFDM, o padrão g seria a mais nova tecnologia para as redes Wi-Fi, transmitindo na frequência de 2.4GHz, com taxas chegando a 54Mb/s. Porém, em 2009, uma nova tecnologia foi utilizada, a tecnologia MIMO (Multiple-Input and Multiple-Output). Com isso, surgiu o padrão n, transmitindo nas frequências de 2.4GHz e 5GHz, com taxas chegando a 600Mb/s em 5Ghz, respectivamente. O objetivo desse artigo é explorar as duas mais recentes tecnologias Wi-Fi apresentadas: os padrões ac e ad. De maneira bastante resumida, a Figura 1 ilustra os padrões associados à tecnologia Wi-Fi, destacando suas características principais. Fig. 1. Padrões WiFi e suas características principais. [2] II. CONCEITOS BÁSICOS DO PADRÃO IEEE AC A camada física do padrão ac segue o padrão n, com a mesma preocupação de se manter todas as compatibilidades tanto com o padrão n como com os demais padrões Wi-Fi mencionados nesse artigo. Apesar de manter o mesmo padrão, algumas mudanças foram realizadas 1 Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Instituto Nacional de Telecomunicações, como parte dos requisitos para a obtenção do Certificado de Pós-Graduação em Engenharia de Redes e Sistemas de Telecomunicações. Orientador: Prof. MSc. Edson Josias Cruz Gimenez. Trabalho aprovado em 09/2016.

2 para permitir uma maior qualidade de transmissão e de compartilhamento de dados. [2] A. Principais características do IEEE ac Algumas das características que influem na qualidade de uma rede Wi-Fi são as taxas de transmissão, a largura de banda disponível, a frequência de operação, entre outras. No caso do padrão ac, como em outros padrões (802.11a e n), utiliza-se a frequência de 5GHz, com uma largura de banda de canal de até 160MHz, diferentemente do padrão n que utiliza a mesma frequência porém com um largura de banda de até 40MHz. Assim, o padrão ac pode chegar a uma taxa de transmissão de 6.77Gb/s, porém esses valores não são praticados. Em alguns equipamentos que trabalham no padrão ac, encontra-se largura de banda de 80MHz e taxa de dados de 1.56Gb/s. [2] Na Tabela 1 pode-se observar, para cada um dos padrões, até o ac, as diferentes larguras de faixa, frequências e taxas utilizadas em cada um deles. que vem sendo muito utilizada nas redes Wi-Fi. Na OFDM sua banda é dividida em múltiplas portadoras ortogonais, chamadas subportadoras, para modulação. As subportadoras são chamadas ortogonais por não possuírem sobreposição de frequência, dessa forma não interferindo umas com as outras. [5] A ideia básica da OFDM consiste em dividir os bits em diversos streams de taxa menor, que serão transmitidos por subcanais paralelos, ao contrário das técnicas tradicionais, em que todos os bits são transmitidos em um único stream. [6] TABELA I COMPARATIVO ENTRE OS DIFERENTES PADRÕES [2] B. Tecnologias utilizadas no padrão ac 1) Modulação QAM A modulação QAM (Quadrature Amplitude Modulation) utiliza-se dos dois tipos de modulação mais conhecidos, a modulação em fase e a modulação em amplitude. Existem várias tipos de modulação QAM, tais como 16QAM, 32QAM, 64QAM, 128QAM e 256QAM. Quando se fala 16QAM, significa que existem 16 símbolos, com 4 bits de informação por símbolo. Assim, as modulações 32QAM, 64QAM e 128QAM possuem 5, 6 e 7 bits de informação por símbolo, respectivamente. O objetivo das mudanças na modulação é aumentar a sua eficiência espectral, mas sempre tomando cuidado com o aumento na taxa de erros. Pois claramente com o aumento da taxa de erros, podem ocorrer alterações na forma de onda e com isso informações transmitidas podem chegar distorcidas, prejudicando assim a comunicação. [3] No padrão ac, o tipo de modulação com maior número de símbolos é a modulação 256QAM, podendo utilizar modulações com menor número de símbolos. A modulação 256QAM, mencionada anteriormente, contém 8 bits de informação em cada símbolo, totalizando assim 256 símbolos. A Figura 2 ilustra uma constelação da modulação 256QAM. 2) OFDM - Orthogonal Frequency-Division Multiplexing A multiplexação por divisão de frequências ortogonais, ou simplesmente OFDM, é uma técnica de modulação de dados Fig. 2. Constelação da modulação 256QAM [4] 3) MIMO - Multiple Input - Multiple Output A tecnologia MIMO (Múltiplas Entradas e Múltiplas Saídas) é uma ramificação da área de estudo das Antenas Inteligentes. Estas representam um grupo de dispositivos dotados de sensores acoplados a um processador digital, que é capaz de interpretar o sinal captado pelos sensores através da aplicação de algoritmos que permitam um melhor aproveitamento do sinal, reduzindo o efeito destrutivo da interferência e maximizando o ganho na transmissão do referido sinal. [7] Essa tecnologia (MIMO) possui uma estrutura onde os sensores são comumente chamados de antenas. A inovação presente nesse modelo é que as antenas são usadas tanto no transmissor (múltiplas saídas) quanto no receptor (múltiplas entradas), havendo uma otimização no sinal na hora em que o transmissor envia o sinal e na hora do receptor interpretar o sinal recebido. Essa é uma das razões que explicam as altas taxas de transmissão que podem ser alcançadas com a tecnologia MIMO. [7] C. Canalização do padrão ac Apesar de, conceitualmente, o ac seguir o padrão de canalização do n, eles trabalham de modo diferente. O padrão n promove canais de 20 MHz e de 40MHz, comportando 2 canais de 20MHz, sem canais de 20 e 40MHz parcialmente sobrepostos. Já o padrão ac promove canais de 80 MHz, onde se pode encontrar: canais adjacentes de 40MHz, com nenhum canal de 80MHz parcialmente

3 sobreposto; enquanto os canais de 160MHz, teremos canais adjacentes de 80MHz e não teremos canais parcialmente sobreposto de 160MHz. [8] A Figura 3 ilustra as diferentes maneiras como esses canais podem ser dispostos, na frequência de 5GHz. Grandes empresas de comunicação, como as emissoras de TV, já estão proporcionando em seus mais importantes programas de informações a tecnologia Full HD e cada vez mais utilizando as redes de comunicação por pacotes para o compartilhamento de dados com vídeos de alta resolução. Com a alta qualidade dos vídeos compartilhados na rede, o ac poderia ser um padrão voltado para essa demanda de compartilhamento de vídeos sem que a qualidade nas imagens fossem degradas. Com taxas chegando acima de 3Gb/s, o ac conseguiria manter a integridade requerida das informações. A seguir, na Figura 5 e na Tabela II, pode-se observar, em ordem cronológica, as principais evoluções ocorridas nas redes WiFi, chegando até o padrão ac. Fig 3. Disposição de canais para frequência 5GHz. [15] D. Faixas de Frequências O padrão ac utiliza a faixa de frequência de 5GHz, principalmente devido a já super utilização da faixa de frequências de 2.4GHz. Outro ponto positivo para a frequência de 5GHz é que esta apresenta uma maior banda em relação ao 2.4GHz, e com isso altas taxas podem ser obtidas, com o ac podendo chegar a taxas de 1.56Gb/s. [9] De acordo com diferentes fabricantes, um dos principais diferenciais da tecnologia é o alcance do sinal. Em teoria, os roteadores com esse novo padrão podem realizar transmissões para computadores ou outros dispositivos que estejam a até 200 metros de distância. A figura abaixo ilustra alguns padrões Wi- Fi, relacionando alcance e taxa de transmissão conforme ilustra a Figura 4. [10] Fig 5. Diferentes gerações do padrão [10] O padrão n é, sem dúvida, uma tecnologia bastante apropriada para ser utilizada por usuários residenciais, mas devido ao aumento da procura por uma internet com altas velocidades, a tendência de migração para uma tecnologia com maior capacidade de transmissão começa a virar necessidade, e a oportunidade do roteador ser compatível com o padrão ac é certamente a melhor opção no mercado. [10] III. CONCEITOS BÁSICOS DO IEEE AD Com um conceito diferente dos padrões n e ac, que de praxe utiliza-se da frequência de 5GHz, o ad não iria seguir o mesmo caminho. Devido à alta utilização dessas duas frequências, a ideia foi utilizar uma frequência que pudesse ter a capacidade de transmitir, com um espectro com maior largura de banda, conteúdos de altíssima qualidade. Com isso, com uma largura de banda de 2160MHz, trabalhando na frequência de 60GHz, que também é uma frequência não licenciada, permite que larguras de banda de modulação multigigahertz sejam praticadas. [2] Fig 4. Relação alcance x taxa de transmissão. [10] E. Taxa de Transmissão Com o passar dos anos a demanda, por parte dos usuários, por mais velocidade de transmissão só vem crescendo e para que as redes Wi-Fi pudessem acompanhar esse crescimento, era mais do que necessário que o padrão evoluísse, ainda mais com a chegada de tecnologias que demandavam altas taxas de transmissão, como a tecnologia Full HD que já é uma realidade. A. Principais Caraterísticas do IEEE ad (WiGig) O ad têm como objetivo principal proporcionar transmissões de vídeos de altíssima qualidade em locais que demandem menor alcance, por exemplo, residências. Com uma largura de banda de 2160MHz, utilizando uma banda ISM (Instrumentantion, Scientific and Medical) de 60GHz, e com transferências de dados chegando a casa de 7Gb/s, o padrão ad foi apelidado de WiGig, referenciando o Wi-Fi Gigabit. [11]

4 B. Tecnologias principais As principais tecnologias utilizadas no padrão ac também foram incorporadas ao padrão ad, tais como o OFDM, MIMO, e a modulação QAM, porém há um avanço na tecnologia MIMO. No padrão ad foi utilizada MU- MIMO (Multi-User, Multiple Input/Multiple Output), em que um roteador é capaz de se comunicar com vários dispositivos separadamente, como se cada dispositivo tivesse o seu próprio roteamento. [12] Essa tecnologia foi incorporada a partir de uma atualização ocorrida no padrão ac, em Antes disso, a tecnologia utilizada era definida como SU-MIMO (Single- User, Multiple Input / Multiple Output), mas foi com o padrão ad que essa tecnologia começou a ganhar mais visibilidade. [12] A Figura 6 ilustra, de maneira bastante simples, a operação básica do SU-MIMO (a) e MU-MIMO (b). a tecnologia é mais eficiente no consumo de energia; oferece largura de banda maior dentre as tecnologias legadas; e a utilização de uma matriz 32x32, caracterizando a MU-MIMO. A Tabela III ilustra algumas dessas características, fazendo um comparativo do padrão ad com os padrões n, ac. TABELA II RELAÇÃO ENTRE OS PADRÕES MAIS RECENTES. [2] Fig 6. SU-MIMO x MU-MIMO. [1] C. Faixa de Frequência A faixa de frequência de 60 GHz é uma faixa não licenciada, onde alguns fabricantes já possuem equipamentos para suportar tal frequência. Alguns equipamentos têm como característica, mesmo que não seja uma exigência, possuírem a capacidade de não transmitirem o sinal indiscriminadamente em todas as direções, determinando qual a posição do cliente no espaço ao seu redor e assim concentrar os sinais em um feixe estreito e focado diretamente para ele. [13] Apesar desses equipamentos serem limitados para uso em locais residências, devido à dificuldade do sinal atravessar paredes, eles terão grande capacidade de compartilhar vídeo com qualidade de 1080p, até vídeo em 4K. [13] D. Taxa de Transmissão Atualmente, muito tem sido divulgada uma nova tecnologia de vídeo, chamada 4K, que de acordo com os fabricantes, comparando-se suas resoluções, seria o quádruplo do padrão Full HD. Há uma grande expectativa em compartilhamentos de streams em 4K. Hoje, no mercado, já se encontram smartphones que gravam vídeos em 4K, que possuem telas em 4K. Assim, a tecnologia 4K já pode ser considerada uma tecnologia estabelecida em nosso mercado. Com taxas estimadas acima de 7Gb/s, mesmo que não chegue a essa taxa efetivamente, com certeza o padrão ad apresentará um melhor desempenho que o padrão ac. Algumas características são importantes para que essas altas taxas sejam atingidas: o ad, trabalhando na faixa de frequências de 60 GHz, está menos susceptível a interferências; IV. CONCLUSÃO Hoje, mais do que nunca, já é possível observar a grande evolução ocorrida nas redes Wi-Fi, principalmente com os dois padrões mais atuais, o ac e o 802,11ad, refletindo uma mudança de comportamento considerável tanto para os usuários quanto para os fabricantes. No caso do ac, já se pode encontrar inúmeros fabricantes com dispositivos já trabalhando nesse padrão. Assim, para aqueles usuários que procuram por uma tecnologia que possa oferecer boa qualidade em locais uma pouco mais distantes e com uma alta taxa de transmissão, a melhor opção é o padrão ac. Apesar de recente, a expectativa do mercado com o padrão ad é muito grande. Alguns fabricantes já têm apresentado seus equipamentos em diferentes feiras tecnológicas, mas os custos envolvidos ainda são altos para o mercado. Quando o padrão ad conseguir uma maior visibilidade no mercado, ou seja, reduzir seus custos, com certeza será uma excelente opção para utilização em locais restritos, devido à utilização da frequência de 60 GHz, alcançando altíssimas taxas. Alguns fabricantes já estão colocando em seus equipamentos o padrão ad, com isso, será muito comum observar roteadores trabalhando nas frequências de 2.4GHz, 5GHz e 60GHz, mas o melhor de tudo, conseguindo trocar informações a altíssimas taxas. Essas duas tecnologias, sem dúvida, serão de grande valia para os diferentes tipos de usuários que hoje utilizam as redes WiFi em grande escala. Juntas, essas duas tecnologias irão se completar, cada uma com suas vantagens e desvantagens, mas sempre priorizando a alta qualidade das redes Wi-Fi. REFERÊNCIAS [1] Understanding IEEE ac VHT Wireless. Disponível em: < ac-vht-wireless >. Acesso em 7 de Maio de [2] What s The Diference Between IEEE ac and ad. Disponível em: < Acesso em: 7 de Maio de 2016.

5 [3] TV Digital II: Modos de Transmissão e Modulação. Disponível em: < Acesso em: 10 de Maio de [4] 256 QAM ac. Disponível em: < Acesso em: 11 de Maio de [5] OFDM/OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiplexing / Multiple Aceess). Disponível em: < FDM.OFDMA(OrthogonalFrequencyDivisionMu.html>. Acesso em: 13 de Maio de [6] OFDM. Camada Física. Disponível em: < Acesso em: 13 de Maio de [7] MIMO Multiple input Multiple Output. Disponível em: < racterizacao.html>. Acesso em 15 de Maio [8] Eldade Perahia and Michelle X. Gong, Gigabit Wireless LANs: an overview of IEEE ac and ad. ACM SIGMOBILE Mobile Computing and Communications Review, vol. 15, issue 3, July Pages [9] WLAN X Sistemas Móveis Celulares: Faixas de Frequências. Disponível em: < Acesso em 15 de Maio de [10] IEEE ac 5 GHz Wireless Update and Structured Cabling Implications. Disponível em: < ghz-wireless-update-and-structured-cabling-implications.asp>. Acesso em 18 de Maio [11] IEEE ad Microwave Wi-Fi / WiGig Tutorial. Disponível em: < Acesso em 16 de Maio [12] What is MU-MIMO. Disponível em: < Acesso em 16 de Maio [13] Novas redes Wireless na Frequência de 60 GHz transmitirão Múltiplos Gigabits. Disponível em: < Acesso em 17 de Maio [14] Samsung: Here Comes 60 GHz, ad. Disponível em: < ad/ >. Acesso em 17 de Maio de [15] Canalização 82.11ac. Disponível em: < >. Acesso 10 de Julho de Carlos Eduardo de Medeiros Teixeira nasceu no Rio de Janeiro, RJ, em Abril de Graduação em Engenharia Elétrica pelo Instituto Nacional de Telecomunicações (2010). Engenheiro de suporte ao cliente na empresa Sony Brasil nos equipamentos de Broadcast, Câmeras de segurança e Videoconferência. Com a transição de equipamentos de Broadcast para o mundo IP, pretendo adquirir mais conhecimentos sobre esse tema. Edson Josias Cruz Gimenez - graduação em Engenharia Elétrica pelo Instituto Nacional de Telecomunicações (1987), especialização em Informática Gerencial pela Faculdade de Administração e Informática (1994), especialização em Educação Matemática pela Pontifícia Universidade Católica de Campinas (1987) e mestrado em Telecomunicações pelo Instituto Nacional de Telecomunicações (2004). Professor titular do Inatel.