Graduado em Tecnologia em Eletrônica Industrial pela Faculdade Salesiana de Tecnologia (FASTEC, 1989).

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1 Redes Wi-Fi: O Padrão IEEE n Este tutorial apresenta o Protocolo IEEE 802.n, através de seus principais conceitos, alterações em relação às versões anteriores e vantagens introduzidas. O Protocolo IEEE 802.n faz parte do conjunto de protocolos utilizados nas Redes Wi-Fi, ou seja, nas redes sem fio que têm sido utilizadas para atender as necessidades das redes locais, tanto no âmbito residencial como no corporativo de pequeno, médio e grande porte. Além disso, têm servido também como solução de rede para uso público em grandes espaços fechados, tais como shopping centers e aeroportos, e até mesmo nas iniciativas de implementação das Cidades Digitais, onde a Municipalidade oferece acesso à Internet gratuito ou a custo muito baixo através de redes sem fio. Celia Regina Nascimento Engenheira Eletricista Eletrônica formada pela Faculdade de Engenharia General Roberto Lisboa (1981). Profissional com mais de 30 anos de experiência no mercado de Telecomunicações, atuou como Especialista em Testes de Sistemas. Trabalhou no CPqD, Telebras, STC, Alcatel, Trópico hoje faz parte da FITec atuando na área de Desenvolvimento da Engenharia de Sistemas e em Certificação de Produtos. Atualmente trabalha como Especialista de Testes Sênior na Fundação para Inovações Tecnológicas FITec ( na área de Testes da Engenharia de Sistemas. celregna@yahoo.com.br Dagoberto dos Santos Graduado em Tecnologia em Eletrônica Industrial pela Faculdade Salesiana de Tecnologia (FASTEC, 1989). 1

2 Atuou em várias áreas da Engenharia, tendo vasta experiência no desenvolvimento de produtos para Telecomunicações, automação e controle e área médica. Têm experiência em desenvolvimento de equipamentos com interfaces óptica, GPON, Gigabit Ethernet, enlaces E1, CPA-T (Trópico, S12, 5ESS e BZ5000) e telefonia. Possui também experiência internacional em desenvolvimento de projetos com interface ópticas na Espanha (1994) pela Alcatel Telecomunicações S/A, e atividades técnicas nos EUA (2005 e 2008) e México (2006). Atualmente trabalha como Consultor Técnico Pleno na Fundação para Inovações Tecnológicas FITec ( Loreno Menezes da Silveira Engenheiro Eletrônico pelo Instituto Tecnológico de Aeronáutica (ITA, 1975), e com Pós Graduado na área de Automação pela Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP, 1983). Foi Diretor de Tecnologia na KNBS ( Gerente de Planejamento de Universalização da Agência Nacional de Telecomunicações - ANATEL, Gerente sênior de Tecnologia e Planejamento de Rede na Vésper S/A, e anteriormente trabalhou no CPqD, tendo exercido as funções de pesquisador, coordenador de projeto e Gerente de Engenharia de Sistemas desde, tendo atuado no projeto TROPICO e na área de Redes SDH e ATM. Atualmente é Consultor Técnico Sênior na Fundação para Inovações Tecnológicas FITec ( lsilveira@fitec.org.br Miguel Perdigueiro Engenheiro de Telecomunicações pela Escola Politécnica da Universidade de São Paulo (USP, Possui mais de 35 anos de experiência no desenvolvimento de Sistemas de Comutação Digital, Comunicação de dados em Banda Larga e Redes IP. Trabalhou no CPqD, Ericsson, Elebra e Alcatel atuando nas áreas de Desenvolvimento de Hardware e Engenharia de Sistemas. 2

3 Atualmente trabalha como Consultor Técnico Sênior na Fundação para Inovações Tecnológicas FITec ( na área de Engenharia de Sistemas e Testes. mperdigueiro@fitec.org.br Roberto Ferreira dos Santos Engenheiro pela Universidade de São Paulo (USP São Carlos, 1985). Teve atuação em telecomunicações e desenvolvimento junto a empresas nacionais (CPqD, Celtec) e estrangeiras (Lucent, Motorola, Nortel Canadá). Atualmente trabalha como parte da equipe de desenvolvimento de hardware na Fundação para Inovações Tecnológicas FITec ( Categoria: Redes de Dados Wireless Nível: Introdutório Enfoque: Técnico Duração: 15 minutos Publicado em: 06/08/2012 3

4 Redes Wi-Fi: Introdução A conectividade Wireless para computadores já é um fato consolidado e praticamente todos os novos dispositivos (lap tops, tablets, celulares, etc.) incluem esta alternativa de comunicação. Em particular, os padrões da IEEE , frequentemente denominados Wi-Fi, com velocidades da ordem de 54 Mbps se tornaram padrões de facto, cuja flexibilidade e desempenho têm determinado sua utilização em hotspots e permitido a proliferação deste tipo de solução de acesso a serviços em aeroportos, bares e ambientes públicos. Ainda mais, as soluções de redes locais sem fio (Wireless Local Area Network WLAN) oferecidas pelos padrões da IEEE têm sido implantadas em ambientes corporativos (escritórios), permitindo uma rápida instalação sem a necessidade de fiação/cabeamento, e reduzindo custos de infraestrutura. Este trabalho apresenta um tutorial sobre o IEEE n, considerado o padrão Wi-Fi mais evoluído. O Grupo IEEE 802 LMSC (LAN / MAN Standards Committee) desenvolveu alguns dos padrões mais conhecidos de redes locais/metropolitanas cabeadas como o Ethernet (802.3) e Token Ring (802.5), entre outros. Entretanto o principal foco de suas atividades, no momento, são as redes sem fio. Estão sendo desenvolvidos diversos padrões atendendo a objetivos específicos, como os padrões Wireless Fidelity Wi-Fi (série ), Worldwide Interoperability for Microwave Access-Wi-Max (série ), ewireless Personal Area Network - WPAN (série ). Há diversos standards estabelecidos no Grupo IEEE 802 LMSC referentes a tecnologia Wi-Fi, cobrindo desde a definição do suporte rádio até aspectos de segurança e qualidade de serviço: a Wireless network bearer operating in the 5 GHz ISM band with data rate up to 54 Mbps; b Wireless network bearer operating in the 2.4 GHz ISM band with data rates up to 11 Mbps; e Quality of service and prioritization; f Handover; g Wireless network bearer operating in 2.4 GHz ISM band with data rates up to 54 Mbps; h Power control; i Authentication and encryption; j Interworking; k Measurement reporting; n Wireless network bearer operating in the 2.4 and 5 GHz ISM bands with data rates up to 600 Mbps; s Mesh networking. Dentre estes padrões, os mais conhecidos são aqueles denominados padrões de suporte de rede, a saber: a, b, g e n. 4

5 Redes Wi-Fi: Arquitetura dos Protocolos IEEE 802 A figura 1 apresenta uma comparação entre o Modelo do IEEE com o modelo de Interconexão de Sistemas Abertos (Open Systems Interconnection - OSI) da ISO. Neste modelo, o conjunto de padrões IEEE aparece composto de 2 camadas, utilizando como suporte o meio de transmissão aéreo. Há dois tipos de dispositivos de radiocomunicação (estações) nas faixas dedicadas, os Pontos de Acesso (ou Access Points AP) e os clientes. Os clientes acessam serviços de telecomunicações através dos AP. A Camada Física define as características mecânicas, elétricas, funcionais e os procedimentos para ativar, manter e desativar os meios físicos para a transmissão de bits. A camada Enlace de Dados é dividida em duas subcamadas: a subcamada MAC (Medium Access Control), para controle de acesso ao meio, e a subcamada LLC (Logical Link Control), para controle do enlace lógico. O Controle de acesso se faz necessário já que o meio de transmissão é compartilhado por várias estações., sejam estas. Figura 1: Modelos OSI da ISO e IEEE 5

6 Redes Wi-Fi: Breve Histórico As redes Wi-Fi no Brasil utilizam frequências que não requerem licenciamento pela ANATEL, entretanto as condições de uso destas frequências no Brasil estão estabelecidas pelo Regulamento sobre Equipamentos de Radiocomunicação de Radiação Restrita. (seções IX e X), reeditado pela resolução 506 de 01/07/08 da Anatel. A tabela 1 apresenta a destinação das frequências no Brasil. Tabela 1: Destinação das Faixas de Frequência 2,4/5 GHz FREQUÊNCIAS (MHZ) CONDIÇÕES DE USO NO BRASIL Destinadas no Brasil, em caráter secundário, a Equipamentos de Radiocomunicação Restrita como redes Wi-Fi e Rádio Spread Spectrum. A faixa de 2400 MHz é utilizada no Brasil em caráter primário pelo Serviço Auxiliar de Radiodifusão e Correlatos (SARC) e de Repetição de TV. A Anatel estabeleceu que sistemas (2400 MHz) em localidades com população superior a 500 mil habitantes e com potência (eirp) superior a 400 mw não podem operar sem autorização da Anatel. Sistemas de Acesso sem Fio em Banda Larga para Redes Locais. A faixa de MHz pode ser utilizada em ambientes internos (indoor) e a de MHz em ambientes externos e internos. Fonte: Os padrões de suporte mais conhecidos são aqueles denominados a, b, g, e n. O padrão n foi o último e fornece taxas brutas de transmissão na ordem de 600 Mbps. Cada um destes padrões tem diferentes características e foram estabelecidos por norma em diferentes épocas e situações. O primeiro padrão WLAN aceito foi o b. Este padrão utiliza a faixa de frequências de 2,4 GHz oferecendo taxas brutas de transmissão sobre o meio aéreo de 11 Mbps, utilizando um esquema de modulação conhecido como Complementary Code Keying CCK. O sinal RF neste esquema de modulação é uma ligeira variante do Code Division Multiple Access CDMA, baseado no padrão Direct Sequence Spread Spectrum - DSSS. Quase em paralelo um segundo padrão, denominado a foi desenvolvido, utilizando uma técnica de modulação diferente, conhecida como Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) e utilizando a faixa de frequências de 5 GHz, que, entretanto teve uma aceitação menor devido ao fato que os componentes apresentaram custos maiores de fabricação. O padrão b se tornou rapidamente o principal padrão Wi-Fi, mas visando o aumento de velocidades, outro padrão, denominado g foi introduzido e consolidado em junho de Utilizando a faixa mais popular de 2,4 GHz e modulação OFDM, mas oferecendo taxas brutas de 54 Mbps, da mesma forma que o padrão a, além da compatibilidade com o padrão b. O padrão g foi também bastante disseminado, representando até 2010 a maior parte das entregas de equipamentos. Em janeiro de 2004, o IEEE iniciou o desenvolvimento de um novo padrão visando aplicações que requerem mais banda e mais rapidez. Houve um primeiro acordo das indústrias em 2006, fornecendo as informações necessárias aos fornecedores de componentes para orientar suas linhas de produção, que iniciaram a fabricação de componentes a partir de março de 2007 com base em uma versão preliminar (draft 2.0). Esta versão foi certificada pela Wi-Fi Alliance em junho de 2007, embora ainda em evolução 6

7 até outubro de 2009, com a versão conhecida como draft Desde então, o IEEE n tem-se estabelecido como o padrão Wi-Fi universalmente mais aceito, em função de seus atributos de compatibilidade, altas taxas de transferência e largura de banda. A tabela 2 apresenta uma comparação entre as características destes padrões: Tabela 2: Padrões Wi-Fi A B G N Data de aprovação Julho de1999 Julho de2000 Junho de 2003 Outubro de 2009 Taxa máxima de transferência de dados (Mbps) Modulação OFDM CCK/DSSS CCK/DSSS, ou OFDM CCK/DSSS, ou OFDM Banda RF (GHz) 5 2,4 2,4 2,4 ou 5 No. de fluxos espaciais ,2,3, ou 4 Largura nominal de canal (MHz) ou 40 7

8 Redes Wi-Fi: O Padrão IEEE n Os principais objetivos na criação deste padrão foram: O aumento de velocidade e banda para suportar serviços como HDTV (High DefinitionTelevision), VoD (VideoonDemand) entre outros, e Prover meios que permitissem a interoperabilidade desse novo padrão com as tecnologias antecessoras. Estes objetivos exigiram alterações significativas nas 2 camadas de rede (PHY e MAC), permitindo a este padrão chegar até os 600 Mbps, quando operando com 4 antenas no transmissor e no receptor, e utilizando a modulação 64-QAM (Quadrature Amplitude Modulation). Alterações na Camada Física Disponibilidade de Canais de 40 MHz de banda e Junção de canais As versões IEEE a, IEEE b, IEEE g e suas variantes operam sobre um canal de 20 MHz com modulação OFDM ou ainda 22 MHz trabalhando em modulação DSSS. O padrão n introduziu a possiblidade de utilização de canais com 40 MHz de banda, permitindo praticamente duplicar as taxas de transferência por canal. Mais do que isto, permite que 2 canais adjacentes (sem superposição) de 20 MHz sejam combinados para formar um único canal de 40 MHz. Desta forma, os canais do padrão n podem ser configurados como 20MHz, 40MHz, ou Conversão automática de 40/20 MHz. Os canais com conversão automática operam em 40 MHz, mas podem automaticamente retornar para 20MHz, na presença de interferências. Em relação a banda de 2,4 GHz, isto não representa um ganho significativo porquanto podem existir apenas 3 canais de 20 MHz que não se superpõem, mas em relação a banda de 5GHz os resultados são bastante satisfatórios: Quando se utiliza o padrão n com canais de 20MHz na banda de 2,4GHz pode-se atingir até 288,9 Mbps. De forma análoga, na banda de 5 GHz, qualquer canal disponível pode ser designado com largura de 40 MHz, permitindo atingir a expressiva taxa de 600 Mbps. Intervalo de Guarda Menor Para uma melhor decodificação cada símbolo deve chegar ao receptor sem ruído ou interferência. O padrão n também conseguiu otimizar o intervalo de tempo entre símbolos (caracteres) nas transmissões, de modo a minimizar a interferência entre símbolos. Os espaços entre símbolos nas transmissões de rede sem fio, também denominados intervalos de guarda, são utilizados para minimizar a interferência entre símbolos (Inter Symbol Interference - ISI).Esta interferência ocorre quando o retardo entre diferentes trajetórias RF excede o intervalo de guarda. Nas versões anteriores do protocolo este intervalo era de 800 hs, porem no padrão n este intervalo pode ser reduzido para 400 hs, mediante negociação entre transmissor e receptor sempre que a diferença máxima entre os tempos de propagação for menor do que este valor (equivalente a cerca de 120 m, em distância). Isto permite duplicar a quantidade de símbolos transmitidos por unidade de tempo, e uma melhoria significativa na taxa de transferência final. 8

9 Maior Número de Subportadoras OFDM A principal inovação das versões a e g foi a introdução de OFDM, uma técnica de multiplexação em frequência que divide o canal em muitas subportadoras. A vantagem é que se muitas subportadoras forem utilizadas, cada uma só necessita suportar uma taxa de transmissão de dados relativamente baixa, aumentando a confiabilidade e previsibilidade, tornando o sistema mais resistente a interferências e efeitos de reflexão. O padrão a/g atinge uma taxa total de 54 Mbps, dividindo cada canal de 20 MHz em 52 subportadoras com capacidade de até 1,038 Mbps cada. No padrão n o mesmo canal de 20 MHz é dividido em 56 portadoras com a mesma taxa individual, aumentando a taxa de transferência total em cerca de 7,7%. Utilizando canais de 40 MHz, pode-se acomodar até 114 subportadoras, representando um incremento de 119% na taxa de transferência. Modulação Mais Eficiente O padrão IEEE n permite uma modulação e codificação mais eficiente do que seus predecessores, empacotando mais informação em cada subportadora. Isto se deve ao fato que dispõe de um conjunto muito mais amplo de taxas de modulação. As taxas de modulação, referidas pelo IEEE como Modulationand Coding Schemes MCS referem-se a técnica de modulação (por exemplo, Binary Phase Shift Keying - BPSK, Quadrature Phase Shift Keying QPSK, Quadrature Amplitude Modulation QAM, etc..), a taxa de codificação (proporção útil de informação contida no código transmitido) e ao número de fluxos espaciais transmitidos. Transmissão e Recepção em Diversidade Nos sistemas legados , o equipamento de rádio opera uma antena de cada vez, e recebe apenas sobre uma antena de cada vez, geralmente a mesma antena. Apesar de que frequentemente existam 2 antenas, a entrada de rádio e a saída de rádio são alternadas de modo que somente uma delas está ativa de cada vez. O padrão IEEE n permite que múltiplas antenas sejam utilizadas simultaneamente quer pelas funções de transmissão, quer pelas funções de recepção ou por ambas. Quatro algoritmos distintos podem ser utilizados. Esses algoritmos são descritos a seguir. Maximum Ratio Combining MRC É uma função localizada na recepção rádio, em que os sinais recebidos por diversas antenas, (provenientes de uma ou diversas antenas da outra extremidade) são combinados para otimizar a relação sinal/ruído. Devido a condições de ruído intrínsecas, e efeitos de diferentes trajetórias do sinal, as antenas receberão diferentes sinais. O Algoritmo MRC permite ao receptor processar os sinais independentemente e então combiná-los proporcionalmente a sua potência de recepção, para extrair uma réplica mais aderente ao fluxo de dados transmitido. O Algoritmo só é eficaz se forem recebidos, pelas antenas de recepção, sinais distintos (diferentemente distorcidos por ruído e interferência) do sinal original transmitido, o que pode ser obtido pela separação das antenas em cerca de meio comprimento de onda (6,25 cm para 2,4 GHz e 3 cm para 5 GHz). Space-Time Block Coding STBC Utilizado na transmissão quando há diversas antenas de transmissão, independentemente do número de antenas de recepção. STBC é outra técnica de diversidade para melhorar a relação sinal-ruído, mas se 9

10 aplica quando o número de antenas transmissoras excede o número de antenas receptoras. O Algoritmo gera códigos diferentes para a transmissão de cópias do fluxo de dados a partir de diferentes antenas. Supondo-se que o receptor conheça a regra de codificação, este será capaz de extrair os dados originais com menos erros do que se houvesse apenas uma antena transmitindo. O esquema de codificação utilizado denomina-se Código Alamouti, e é aplicável a um fluxo físico de dados que passa a gerar um par de fluxos de dados no tempo realizando operações específicas sobre estes a cada intervalo de tempo. No processamento desta sequência de pares de símbolos provenientes dos fluxos temporais-espaciais, o receptor é capaz de reconstruir o fluxo de dados original, ainda que na presença de ruído e distorções, já que intervalos consecutivos contêm os mesmos símbolos básicos, modificados pelo código. O Código Alamouti oferece uma complexidade mínima ao transmissor e receptor, porém com melhorias otimizadas na relação sinal ruído, sob condições normais de deterioração. Spatial Division Multiplexing SDM Essa técnica, frequentemente identificada com o conceito MIMO (Multiple Input, Multiple Output) porque pressupõe esta característica, se refere a habilidade de receber ou transmitir simultaneamente através de múltiplas antenas transmissoras e receptoras, dividindo o fluxo de dados em blocos independentes que são transmitidos por canais diferentes associados a diferentes antenas. A transmissão e recepção em diversidade com multiplexação por divisão espacial permite aumentar drasticamente a taxa de transferência de dados entre estações. Deve-se observar que as técnicas MIMO pressupõem que o receptor possa estimar as características dos canais de recepção. Isto é realizado pela transmissão de sequências de sinais conhecidos, a partir dos quais o sistema aprende como avaliar os símbolos recebidos em cada antena. Desta forma, as estações podem sintonizar os sinais de diferentes antenas transmissoras em diferentes antenas receptoras, e assim dobrar a taxa de transferência, em relação aos sistemas legados O padrão n define diversas configurações de "M x N" antenas, desde "1 x 1", até "4 x 4". (M) referese ao número de antenas transmissoras e (N) refere-se ao número de antenas receptoras, por exemplo, um Ponto de Acesso (AP) que transmite em duas antenas e recebe em 3 antenas é um dispositivo MIMO "2 x 3". Na figura 2 observa-se o funcionamento da técnica, onde é apresentado um sistema MIMO hipotético funcionando no modo 2 x 2, onde os sinais gerados para transmissão são combinados com pesos Wij antes da transmissão e na recepção são combinados a pesos Pij para avaliação dos símbolos recebidos. Quando as características dos canais RF são aprendidas, os pesos Pij podem ser calculados e estabelecidos para otimizar a taxa de transferência do canal. Uma questão crucial em sistemas MIMO diz respeito em como sintonizar os sinais transmitidos em diferentes antenas para recepção ótima nos respectivos receptores. O padrão n oferece diferentes métodos: Com retorno implícito o transmissor MIMO caracteriza os sinais a partir do receptor e assume que o canal é simétrico (ou seja, que as reflexões e distorções) atuam da mesma forma em ambas as direções, o que é razoável para a maior parte dos casos. Entretanto, um melhor desempenho é alcançado quando o receptor envia mensagens de retorno (retorno explícito), de modo que o transmissor possa sintonizar com precisão seu sinal para uma recepção otimizada, maximizando a relação sinal/ruído. 10

11 Figura 2: Operação MIMO 2x2 Transmissão Beamforming É a técnica em que os sinais enviados por múltiplas antenas de transmissão podem ser sintonizados de forma tal que a potência RF em relação a uma antena de recepção alvo seja maximizada. Embora esta técnica possa ser utilizada com clientes sem n (por exemplo, b/g), torna-se mais eficaz quando o receptor também é n e pode cooperar realimentando o processo e permitindo ao transmissor otimizar sua área de iluminação. Na prática, a técnica beamforming é utilizada quando a técnica SDM não é eficaz. Enquanto a SDM se baseia em na diversidade de sinais independentes, a técnica beamforming busca um sinal RF coerente focado no receptor. Entretanto não é uma técnica de direcionamento de antena já que a iluminação não é baseada na indicação de direção do receptor, mas de suas condições de recepção. Aplicam-se os mecanismos similares de retorno implícito e explícito identificados na técnica SDM. O IEEE n define duas formas de beamforming: O primeiro método é denominado implícito, porque se baseia no envio de quadros de sondagem pelo receptor ao transmissor que assume a simetria do canal de RF e utiliza os pesos derivados dos sinais recebidos para estabelecer o foco de iluminação. O segundo método, denominado explícito, é considerado o de melhor desempenho, onde o transmissor transmite quadros de sondagem que são avaliados pelo receptor, que calcula e informa o transmissor sobre os pesos corretos. Alterações na sub Camada MAC As funcionalidades básicas da subcamada MAC dos padrões foram mantidas, bem como os tipos básicos de quadro existentes, os quadros de dados, quadros de controle que são utilizados para controlar o acesso ao meio (Acknowledgement - ACK, por exemplo) e os quadros de gerência. O mecanismo básico utilizado na entidade MAC IEEE para acesso ao meio de transmissão é ocarrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance CSMA/CA. Neste protocolo, qualquer estação que deseja transmitir um quadro de dados verifica se o meio está ocupado. Se este for o caso, esta retarda sua transmissão um tempo, ao final do qual verifica novamente o meio de transmissão. Quando este estiver livre, a transmissão é realizada. A estação passa então a aguardar um reconhecimento. Se este reconhecimento não for recebido, a estação aguarda um intervalo aleatório, supondo que outra transmissão tenha causado interferência. Ao final deste período busca novamente o padrão de canal livre e retransmite os dados. Entende-se que isto resulte em contenção temporária do tráfego, e retardos indesejáveis, quando o meio for mais disputado. 11

12 Agregação de Quadros O padrão IEEE n inclui mecanismos para agregação de quadros nas estações, reduzindo desta forma o número de eventos de contenção. Além da capacidade de agregar pacotes de mesma origem e destino, conhecida como Aggregated MSDU (A-MSDU) é também possível a concatenação de MPDUs em um quadro MAC agregado, técnica conhecida como Aggregated-MPDU (A-MPDU). Cada MPDU é criptografada e descriptografada separadamente. Em consequência, ao invés de reconhecer os pacotes enviados (com a MPDU ACK) um a um, o mecanismo permite o reconhecimento em bloco das A-MPDUs que se destinam a um mesmo host, num único quadro que pode reconhecer até 64 MPDUs. Em virtude que podem ocorrer perdas de quadros, o ACK em Bloco especifica exatamente que quadros foram recebidos, permitindo uma retransmissão seletiva daqueles que foram perdidos. Assim que todos os quadros forem corretamente recebidos, estes podem ser colocados na ordem e passados para a aplicação. RIFS (Reduced Inter Frame Space) Outra melhoria implementada no padrão IEEE n diz respeito ao intervalo de tempo entre quadros, utilizado devido ao tempo de contenção e propagação do sinal no ar. O tamanho desse intervalo pode afetar diretamente o desempenho da rede. Um tempo curto demais irá gerar perdas na recepção dos dados, porém se o espaço de tempo for muito longo isso causará uma sobrecarga na rede, devido ao tempo excessivo de ociosidade do canal. Os padrões anteriores IEEE permitiam um intervalo entre quadros denominado Short Inter Frame Space SIFS da ordem 16 µs. O padrão IEEE n conseguiu definir um intervalo ainda menor de tempo, denominado Reduced Inter Frame Space RIFS de 2µs. Modo de Economia de Energia Neste modo, o cliente notifica o Ponto de Acesso do seu status de economia de energia, desligando até ser notificado da presença de tráfego. A IEEE n provê um mecanismo adicional relacionado com a operação MIMO, permitindo ao cliente reduzir o consumo em todas as cadeias RF, exceto uma. 12

13 Redes Wi-Fi: Operação Os cenários de implantação têm-se alterado razoavelmente, em função do crescimento das entregas de equipamentos (com disponibilidade do padrão n) e da extensão da base legada a/b/g, já que todos estes padrões operam nas mesmas faixas de frequência (2,4 GHz ou 5 GHz). Obviamente, os dispositivos mais antigos estão sendo substituídos, por razões econômicas, gradualmente por usuários e empresas. Existem algumas funcionalidades básicas que permitem que a operação de Pontos de Acesso n em WLAN seja otimizada e mantenha a interoperabilidade com os sistemas legados. Modos de Operação O padrão n define 3 modos de operação com os clientes, de acordo com a extensão da base legada: Modo (ou Formato) de Alto desempenho (High Throughput HT ou Greenfield mode): O AP assume a inexistência de clientes legados a/b/g na sua área de cobertura e envia todos os quadros num formato inteligível apenas por clientes n. Modo (ou Formato) Legado: O AP envia todos os quadros no formato a/b/g de modo que todas as estações possam entendê-los. O AP deve utilizar apenas canais de 20 MHz, sem as facilidades de alto desempenho já mencionadas, apresentando um desempenho máximo similar ao padrão a/g. Modo (ou Formato) Misto: O AP envia quadros num formato compatível com o legado, mas permite escolher posteriormente o formato de alto desempenho. O modo Misto é a escolha normal para um AP n. A canalização em 40 MHz pode ser utilizada, mas todos os quadros de ou para clientes legados são enviados sobre a canalização de 20 MHz. Na Camada Física a Proteção HT requer que os Pontos de Acesso transmitam um preâmbulo de formato legado, seguido de um preâmbulo de formato HT. Um preâmbulo é uma sequência de bits pela qual os receptores devem procurar para estabelecer seu modo de operação. O preâmbulo legado torna possível que as estações a/g evitem transmitir sobre quadros HT trocados com estações n. Na Sub Camada MAC, a Proteção HT requer que as estações n anunciem seu interesse de transmitir enviando quadros RTS/CTS (Request to Send/Clear to Send). Estes quadros permitem a dispositivos a/g próximos sentir que canais estão em uso para evitar colisões. Mecanismos de Coexistência Os Pontos de Acesso e as diversas estações devem trocar informação sobre os canais que serão utilizados para se comunicar. Na rede n, isto é feito pelo envio de quadros HT e elementos de informação para indicar a largura do canal (20 ou 40 MHz), o número do canal prioritário e o correspondente canal secundário em 40 MHz. Estes mecanismos são direcionados para permitir a interoperabilidade e reduzir as interferências com os pontos de acesso e estações legadas. Com este objetivo, os planejadores de rede devem considerar cuidadosamente a utilização das faixas de frequência de 2,4 GHz e 5 GHz. Uma possível estratégia genérica seria: 13

14 Limpar a base instalada b. Utilizar a faixa de 5 GHz para a comunicação entre Pontos de Acesso n com canais de 40 MHz no modo HT. A faixa de 2,4 GHz seria utilizada para a comunicação dos Pontos de Acesso com as estações (provavelmente no Modo Misto com canais a 20 MHz). As novas estações n teriam a opção de se conectar aos Pontos de Acesso na banda de 5 GHz, valorizando o melhor desempenho para incentivar evolução dos equipamentos. Neste caso os Pontos de Acesso deveriam ser Dual-radio para atender simultaneamente estações a 2,4 e 5 GHz. Outros aspectos como especificidade das Aplicações e QoS deveriam também ser analisados. 14

15 Redes Wi-Fi: Aspectos de Implantação Em muitos aspectos o padrão n é muito similar aos seus predecessores a/b/g. Os fluxos nas Camadas Física e Enlace, as medidas de segurança permanecem os mesmos, assim como boa parte do provisionamento e processos de supervisão e gerência. Entretanto, as novas taxas de transferência, e técnicas de alto desempenho utilizadas, afetam a infra-estrutura da WLAN, as ferramentas WLAN e o modo como são utilizadas. Os impactos sobre a infra-estrutura podem incluir o redimensionamento do núcleo da rede, (capacidade de processamento, portas e cabeação) bem como do sistema de alimentação que requer mais energia. O padrão n utiliza os mesmos mecanismos (WPA 2) de segurança especificados no padrão i e utilizados pelas redes legadas. Com relação às ferramentas WLAN, não se tem registrado um progresso maior devido a implantação do padrão n. Obviamente, devido a maior utilização de técnicas de processamento digital de sinais os Pontos de Acesso se adaptam as variações nas condições RF, o que torna mais simples sua configuração e ajustes. Entretanto, a visibilidade da operação e desempenho da rede ainda é crítica, e devido ao número de possíveis configurações mais importante do que nunca. Neste quadro, cabe lembrar que as ferramentas de supervisão do tráfego wireless e detroubleshooting/diagnóstico devem ser atualizadas para reconhecer os dispositivos n, os canais a 40 MHz, e formatos de quadro HT e campos de protocolo. 15

16 Redes Wi-Fi: Considerações Finais Este tutorial teve um duplo objetivo, ilustrar a tecnologia envolvida neste padrão e pontuar algumas possíveis dificuldades que a implantação deste padrão pode apresentar num ambiente corporativo. Em primeiro lugar buscamos apresentar de forma clara o salto tecnológico que este padrão representa, especialmente para ambientes greenfield em termos de capacidade, desempenho e alcance. Buscamos também ilustrar o impacto sobre a infraestrutura (portas LAN edge switch, cabeamento e potência de alimentação)e a base instalada a/b/g. Referências [1] IEEE Standard n [2] Wi-Fi CERTIFIED n draft [Wi-Fi Alliance) [3] n Under the Microscope - Vivek Shrivastava, Shravan Rayanchu, Jongwon Yoon, Suman Banerjee - Department of Computer Sciences, University of Wisconsin, Madison, USA [4] Designed for Speed: Network Infrastructure in an n World - Peter Thornycroft [5] Radio-Electronics.com IEEE standards tutorial 16

17 Redes Wi-Fi: Teste seu entendimento 1. O aumento da taxa de transferência do padrão n em relação aos padrões anteriores devese a: Transmissão e recepção em diversidade, um maior número de subportadoras e uma modulação mais eficiente. Disponibilidade de canais em 40 MHz e Intervalos de guarda menores. Concatenação de quadros e mecanismos de reconhecimento em bloco na subcamada MAC. Todas as anteriores. 2. Beamforming no padrão n se refere a capacidade de: Concentrar o foco das diferentes antenas sobre uma mesma área de cobertura alterando seu posicionamento em relação a esta área. Sintonizar os sinais enviados por diferentes antenas de forma tal que a potência RF em relação a uma antena de recepção alvo seja maximizada. Concentrar a potência do transmissor numa área iluminada qualquer. Sintonizar a melhor frequência para cada cadeia transmissor - receptor. 3. O padrão n pode se interligar aos seguintes padrões: a, b, e g b e g a/b/g, , e , , e