802.11ax: Redes Wi-Fi de Alta Eficiência - uma visão geral sobre suas principais características

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1 VII SRST SEMINÁRIO DE REDES E SISTEMAS DE TELECOMUNICAÇÕES INSTITUTO NACIONAL DE TELECOMUNICAÇÕES INATEL ISSN SETEMBRO DE ax: Redes Wi-Fi de Alta Eficiência - uma visão geral sobre suas principais características Waldeir Moralo Garcia 1 ; Edson Josias Cruz Gimenez 2 Abstract With growing demand for more speeds and more connected users in WLAN networks, the IEEE working group is developing a new standard for high-efficiency WLAN networks called ax. The ax is an evolution of standards currently existing, n and ac, aiming to increase the average rate of transmission by 4 times per user, in high density and concurrent user environments. This paper describes some mechanisms and techniques for ax deployment to ensure consistent connections, high data rates and better spectrum usage in the 2,4 GHz and 5 GHz bands. To ensure these requirements, IEEE aX proposes the use of OFDMA for multiplexing the spectrum and the use of MU- MIMO for simultaneous attendance of users in addition to others characteristics that will be presented next. Index Terms MIMO, MU-MIMO, OFDMA, ax, High Efficiency. Resumo Com o crescimento da demanda por mais velocidades e mais usuários conectados nas redes WLAN, o IEEE Working Group está desenvolvendo um novo padrão de redes WLAN de alta eficiência denominado ax. O ax é uma evolução dos padrões existente atualmente, n e ac, e tem como meta aumentar a taxa média de transmissão em 4 vezes por usuário, em ambientes com alta densidade de usuários e atendimento simultâneo. Esse trabalho descreve alguns mecanismos e técnicas para que seja possível a implantação do ax, garantindo conexões consistentes, altas velocidades de dados e um melhor uso do espectro nas bandas de 2,4 GHz e 5 GHz. Para garantir esses requisitos o IEEE ax propõe o uso de OFDMA para multiplexação do espectro e o uso de MU- MIMO para atendimento simultâneo de usuários além de outras características que serão apresentadas a seguir. Palavras chave MIMO, MU-MIMO, OFDMA, ax, Alta Eficiência. I. INTRODUÇÃO As redes sem fio estão cada vez mais populares e com isso a demanda por mais banda e disponibilidade crescem a cada dia. Com a crescente disponibilidade de aparelhos eletrônicos como celulares smartphones, tablets e notebooks já possuírem 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 06/2017. o recurso de rede sem fio, a maior parte do tráfego gerado ocorre em ambiente indoor por ter uma área de cobertura limitada. Porém, com a sua flexibilidade de implantação, é possível a utilização de pontos de acesso espalhados em diferentes pontos, tais como aeroportos, restaurantes e ambientes públicos com alta densidade demográfica. A evolução das redes locais sem fio tem ocorrido continuamente com o propósito de aumento de largura de banda e melhor uso do espectro de frequências, nas faixas de 2,4 GHz e 5 GHz. Os primeiros padrões de redes sem fio foram aprovados em 1999 pelo IEEE Working Group, denominados a, na banda de 5 GHz e taxa de transferência de até 54 Mb/s utilizando OFDM (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing), e b, na banda de 2,4 GHz e taxa de transferência de até 11 Mb/s utilizando DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum). Em 2003, com o padrão g, pode-se alcançar taxas de transmissão de até 54 Mb/s na banda de 2,4 GHz, a mesma utilizada no padrão b. Com a crescente demanda por mais velocidade e banda, para suportar diferentes serviços de multimídia, e com objetivo de aumentar o desempenho das redes sem fio, aprovou-se então o padrão n, suportando a tecnologia MIMO (Multiple-Input Multiple-Output), trabalhando com múltiplas antenas, até 4x4, nas bandas de 2,4 GHz e 5 GHz, sendo possível atingir velocidades acima de 100 Mb/s. A última alteração aprovada no foi o ac, com o objetivo de elevar a taxa de transmissão na ordem de 1Gb/s, aplicando-se o mesmo conceito criado para o n, maior número de antenas, até 8x8, e aumentando assim a ordem de modulação para 256QAM (Quadrature Amplitude Modulation), com maior largura de banda entre os canais 20, 40, 80, 160 e MHz. Visto que a abrangência de sistemas de redes sem fio tem aumentado significantemente, principalmente em áreas de alta densidade de usuários, seja em áreas residenciais ou locais públicos, fez-se necessário criar mecanismos que possam gerenciar melhor o uso espectral e garantir banda necessária provendo QoS/QoE (Quality of Service/Quality of

2 Experience). Visando atender a estes objetivos está sendo proposto o novo padrão IEEE ax (High Efficiency WLAN), que visa ainda a integração com redes móveis celulares LTE (Long Term Evolution), com o intuito de migrar parte do tráfego de dados para essas redes. A Figura 1 ilustra a evolução dos padrões WiFi, comparados com a evolução dos padrões das redes celulares. Nota-se uma similaridade nas taxas de transmissão permitidas nos padrões WLANs e nas tecnologias utilizadas nas redes celulares. Porém, para se garantir eficiência e maior área de cobertura se faz necessário a mudança na estrutura dos quadros. O quadro inicia com um preambulo duplicado a cada 20 MHz, contendo duas partes: a primeira possui informações dos padrões já existente, a fim de manter compatibilidade com esses; e a segunda, denominada HE-SIG-A (High Efficiency- Signal-A), consiste em dois símbolos OFDM duplicados, que transportam informações de controle, tais como modulação e esquema de codificação, largura de banda e número de antenas utilizados necessárias para recepção e processamento de pacotes. TABELA I COMPARAÇÃO ENTRE OS PADRÕES AC E AX ac ax Bandas 5 GHz 2,4 GHz e 5 GHz Largura de Banda dos 20,40,80,160, ,40,80,160, Canais MHz MHz FFT 64,128,256, ,512,1024,2048 Espaçamento entre subportadoras 312,5 khz 78,125 khz Fig. 1. Comparativo da evolução dos protocolos wireless e padrões de telefonia celular [1]. O objetivo do trabalho, portanto, é fazer um estudo desse novo padrão (802.11ax), destacando as principais tecnologias relacionadas a esse novo padrão, mostrando de forma resumida suas principais características. II AX. PRINCIPAIS CARACTERÍSTICAS A. Mudanças na camada física O IEEE Working Group aprovou o novo padrão de WLAN, denominado ax, sendo seus requisitos e especificações desenvolvidos através do grupo de trabalho denominado TGax (TASK GROUPax). A premissa que este novo padrão seja capaz de manter compatibilidade e interoperabilidade com os padrões atuais a, b, g, n e ac. Similar aos padrões existentes, o ax usa OFDM (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing), porém é proposto a alteração do tempo de duração do símbolo de payload, de 3,2 µs para 12,8 µs, com o intuito de atender os requisitos de robustez de canais outdoor, maior tolerância de atraso entre usuários em modo UL MU/OFDMA (Uplink Multi User/OFDM) e alta eficiência em ambientes indoor, com tempos de prefixo cíclicos para símbolos OFDM de 0,8 µs, 1,6 µs e 3,2 µs [2]. A Tabela 1 mostra as principais diferenças entre os padrões Wi-Fi de alta velocidade ac (atual) e ax (novo) [3]. Pode-se observar nas especificações que no ax será possível o uso da banda de 2,4 GHz, possibilitando um ganho significativo de banda com uso da modulação 1024 QAM. Duração dos símbolos OFDM Prefixo Cíclico (CP) de 3,2 µs,+ 0,8/0,4 µs Prefixo Cíclico (CP) de 12,8 µs, + 0,8/1,6/3,2 µs Modulação 256QAM 1024QAM Taxa de Dados 433 Mb/s (80MHz, 1 SS) 6933 Mb/s (160 MHz, 8 SS) 600,4 Mb/s (80MHz, 1SS) 9607,8 Mb/s (160 MHz, 8 SS) Esses dois símbolos são suficientes para o uso de um único usuário, porém para múltiplos usuários, um campo opcional é adicionado, denominado HE-SIG-B (High Efficiency-Signal- B), contendo símbolos OFDM seguidos de um símbolo específico para cada estação em particular. É adicionado ainda um campo chamado L-SIG (Legacy- Signal), que calculará o tempo de duração do quadro. Assim, os quadros ax serão distinguidos dos outros tipos de quadros em ambientes de alta densidade e com interferências e somente estações ax serão capazes de decodificar esse preâmbulo. B. OFDMA O uso de OFDMA (Orthogonal Frequency-Division Multiple Access) permite flexibilizar o uso do espectro dividindo um canal em múltiplos canais de banda estreita, garantindo transmissões de vários usuários simultaneamente, como é utilizado em redes móveis celulares LTE. O IEEE ax Task Group definiu as características do uplink e do downlink OFDMA, onde cada subcanal possui um tamanho mínimo de 26 subportadoras, denominado RU (Resource Unit), uma característica dos sistemas multiusuário, visando melhorar a eficiência da camada física.

3 No padrão ac, as estações em ambientes de alta densidade utilizam toda largura de banda do canal de frequência em um determinado período de tempo, diminuindo a eficiência do sistema, já que cada estação deve aguardar pelo seu tempo de transmissão. Com o uso do OFDMA no ax, a banda é dividida em subportadoras. Isso faz com que as estações sejam atendidas simultaneamente, cada uma com um subcanal dedicado, garantindo assim uma alta taxa média de dados por estação. Assim, o padrão ax aloca uma quantidade de RU disponível conforme a necessidade de tráfego dos usuários, podendo cada RU conter 26, 52, 106, 242, 484 ou 996 subportadoras. A Figura 2 ilustra a diferença de alocação de recursos entre as técnicas OFDM e OFDMA, sendo possível visualizar a melhoria na distribuição de recursos de transmissão para o segundo caso, aumentando assim sua eficiência. Ainda, informações de controle de potência são geradas para melhorar a recepção de quadros de usuários distantes. Para organizar as transmissões de uplink MU-MIMO, o ponto de acesso gera um quadro trigger indicando quando os usuários poderão transmitir e o tempo de duração dos seus quadros, visando garantir transmissão simultânea e sincronismo. Uma mensagem de confirmação positiva ACK (Acknowledge) é enviada para concluir a transmissão. A Figura 3 ilustra, no uplink, esse processo de sincronização, através dos quadros trigger e ACK, e consequente transmissão na mesma janela de tempo [3]. Fig. 3. Operação uplink com múltiplos usuários [3]. Fig. 2. Comparativo de alocação de recursos OFDM e OFDMA [3]. Conforme a necessidade de tráfego do usuário, o sistema define como alocar o canal, sempre designando toda a banda disponível no downlink. Pode-se alocar todo o canal a apenas um usuário por um período de tempo, como é feito no ac atualmente, ou pode-se dividir a banda em diferentes Resource Units, atendendo diversos usuários simultaneamente. C. Multi-User MIMO A tecnologia MU-MIMO (Multi-User Multiple-Input Multiple-Output) possibilita as transmissões simultâneas no sentido de download para diferentes usuários em diversidade espacial, obtendo uma melhor eficiência sem necessitar um número maior de antenas nas estações. No ax, os dispositivos utilizarão técnicas de formação de feixes para direcionar pacotes específicos simultaneamente aos usuários, permitindo assim o envio de até oito transmissões UM-MIMO ao mesmo tempo, o dobro de transmissões suportado pelo ac (no ac o MU- MIMO transmite para quatro estações ao mesmo tempo). Cada transmissão MU-MIMO pode ter o seu próprio MCS (Modulation and Coding Set) e uma diferente quantidade de feixes espaciais. Na direção do uplink, do MU-MIMO, um novo recurso é usado para o início de transmissão simultânea. É gerado um quadro de trigger para cada estação, quando os usuários respondem com seus pacotes, são gerados feixes separados de cada uplink indicando alocações OFDMA e tamanho do RU. D. Reutilização espacial Em ambientes de alta densidade, sinais de diferentes pontos de acesso se sobrepõem, causando uma interferência espectral. Nos padrões legados do , utiliza-se o CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) como técnica de controle de acesso ao meio, tentando-se evitar colisões e o problema de terminal oculto. Essa técnica analisa o canal para detectar se há transmissão de dados e evitar que haja colisão de quadros. No caso de haver transmissão, a estação aguarda por um tempo aleatório, calculado através de um algoritmo (backoff time), antes de verificar novamente o meio. Uma vez que não há transmissão, a estação então envia um quadro RTS (Request to Sent) informando o destinatário e o tempo previsto para transmissão, iniciando a transmissão do quadro de dado após receber um quadro CTS (Clear to Sent). A sobreposição entre canais ocorre quando há vários pontos de acesso transmitindo em uma mesma área de cobertura, conforme ilustra a Figura 4, sem uma correta administração de canais e potência, provocando então a perda de pacotes e a degradação na taxa de transferência de dados [4]. Fig. 4. Sobreposições de sinais de APs [4]

4 Nas figuras 5 e 6 é possível notar a consequência dessa sobreposição espectral. Nota-se que entre as três WLANs ilustradas nas figuras, a WLAN C é a que faz uso de maior largura de banda, porém é também a que possui menor taxa de transferência efetiva (throughput). Fig. 5. Exemplo de ocupação de largura de banda entre as três WLANs citadas [4]. Pode-se observar na Figura 5 que a WLAN C faz uso de um número de canais bem maiores que as WLANs A e B, porém, a mesma sofre interferências tanto da WLAN A quanto da WLAN B, o que resulta em um menor throughput. Como as interferências nas WLANs A e B são menores, apesar de fazerem uso de larguras de banda menores, conseguem um maior throughput, conforme ilustra a Figura 6. quadro do BSS sobreposto. Neste momento o meio de transmissão será considerado como ocupado somente durante o tempo de identificação do quadro do BSS sobreposto, e não pelo tempo do payload do quadro. As estações ax utilizam ainda uma regra denominada avaliação de canal livre (Clear Channel Assessment - CCA), baseada no código de cores, em que elas também podem ajustar o limiar de detecção do sinal dos BSSs, em áreas de sobreposição, em conjunto com o controle de potência da transmissão. O TGax propos a utilização de dois NAVs (Network Allocation Vector) diferentes para o padrão ax: um deles para indicar os usuários do mesmo BSS e o outro para os BSSs de áreas sobrepostas, fazendo com que as estações ignorem o tráfego de RTS/CTS de outros BSSs. Outra característica importante é o controle de potência de transmissão, um mecanismo dinâmico para controlar a potência nas estações, visando obter o SINR (Signal to Interference Noise Ratio) necessário para o recebimento dos quadros. E. Eficiência energética O TGax propõe ainda a utilização de uma função de economia de bateria utilizando-se técnicas de hibernação entre os dispositivos, função essa denominada TWT (Target Wake Time), uma tecnologia do padrão IEEE ah, desenvolvido para aplicações para IoT (Internet of Things). O ponto de acesso ax negocia com as estações o uso da função TWT a fim de definir um período de tempo e o controle de concorrência das estações que acessarão o meio de transmissão. Ainda pode haver um procedimento chamado broadcast TWT, que define os valores e configurações que serão passadas a todas às estações, as quais utilizam então essas informações para entrar em hibernação, reduzindo assim seu consumo de energia. Fig. 6. Exemplo de variação do throughput nas três WLANs citadas devido à interferência espectral [4]. Para minimizar esse problema de sobreposição, permitir um uso mais eficiente dos recursos de espectro em ambientes de alta densidade, e consequentemente melhorar o desempenho do sistema, o padrão ax implementa uma técnica denominada reutilização espacial, em que as estações identificam sinais dos BSS (Basic Service Sets) sobrepostos e, com base nessas informações, tomam decisões sobre a concorrência no meio de transmissão e o gerenciamento de interferências [5]. Um bit é adicionado no cabeçalho da camada física identificando o BSS por uma cor especifica. A estação, ao receber um quadro ax, verifica se o bit associado a cor do BSS correspondente ao AP que está associada. Se o quadro recebido tiver um bit de cor de BSS diferente do BSS o qual está associado, a estação considerará como um III. CONCLUSÕES Através deste trabalho foi possível fazer um estudo sobre um novo padrão Wi-Fi para ambientes de alta densidade de usuários, verificando como este padrão alcança melhorias tanto na capacidade de transmissão quanto na experiência do usuário. As principais mudanças apresentadas no padrão ax, pelo IEEE TGax, dizem respeito ao compartilhamento de espectro, a maior capacidade de usuários, às técnicas de controle de acesso ao meio de transmissão e ao maior alcance de cobertura. Para que o ax possa ser implantado em ambientes densos, a solução proposta é a utilização da técnica OFDMA, dividindo a banda em múltiplos subcanais multiplexados, podendo assim alocar recursos conforme a necessidade dos usuários, e estes sendo atendidos simultaneamente. Em conjunto com o ODFMA, propõe-se ainda o uso de MU-MIMO, visando garantir uma alta capacidade de acesso simultâneo além de altas taxas de dados por usuário. O desafio em permitir que as estações transmitam simultaneamente (uplink), em sincronismo gerenciado pelo

5 ponto de acesso, tem como propósito diminuir o problema do terminal oculto e a sobreposição entre sinais de diferentes APs em um mesmo ambiente, melhorando-se assim a eficiência do sistema como um todo. O ax faz uso ainda de uma técnica de diferenciação de sinais de BSS por cor representada por um bit, permitindo às estações identificarem os quadros pertencentes a outros BSSs, possibilitando-se assim minimizar o problema da sobreposição de sinais. Além disso, é proposto também a utilização da função TWT visando melhorias no que diz respeito à eficiência energética. Por fim, através das características desse novo padrão, verifica-se também a possível migração do tráfego de dados das redes móveis de telefonia, descongestionando essas redes e ampliando suas áreas de cobertura, gerando assim economia para as operadoras de telefonia e uma melhor experiência de uso aos seus clientes. REFERÊNCIAS [1] DENG, Der-Jing, et al. IEEE ax: Next Generation Wireless Local Area Network. 10 th International Conference on Heterogeneous Networking for Quality, Reliability, Security and Robustness. Rhodes, Disponível em: [2] PORAT, Ron (BROADCOM). Payload Symbol Size for 11.ax. (on line last update: 2015). Disponível em: [3] NATIONAL INSTRUMENTS. Introdução aos sistemas sem fio de alta eficiência do padrão ax. (on line) Disponível em: [4] BELLALTA, Boris. IEEE ax: High-Efficiency WLANS. IEEE Wireless Communications V.23. February, p [5] AFAQUI, M. S., GARCIA-VILLEGAS, E. and LOPEZ-AGUILERA, E. IEEE ax: Challenges and Requirements for Future High. Efficiency WiFi. IEEE Wireless Communications V. PP. December, p [6] IEEE WLAN The Working Group for WLAN Standards. What is doing (on line last update: 2015). Disponível em: [7] KHOROV, Evgeny, et al. IEEE ax: How to Build High Efficiency WLANs. International Conference on Engineering and Telecommunication. Moscow, p [8] JONES, VK., SAMPATH, H. Emerging Technologies for WLAN. IEEE Communications Magazine V. 53. March, p [9] IEEE P TASK GROUP AX - GROUP INFORMATION UPDATE. Status of Project IEEE ax. (on line). Disponível em: Waldeir Moralo Garcia nasceu em Campinas, SP, em 19 de Janeiro de Possui os títulos: Tecnólogo em Analise e Desenvolvimento de Sistemas (IBTA, 2011). Possui certificação ITIL V3. Realizou curso de Boas Práticas para Sistemas Autônomos ministrado pelo CEPTRO.br. Trabalha com provedor de internet ISP na cidade de Hortolândia desde 2006, responsável pelo gerenciamento e administração de redes de transporte e redes de acesso, gerencia de redes e administra roteamentos externos IPv4 e IPv6 com BGP com operadoras de telecomunicações. Há interesses em redes óticas GPON, DWDM e redes de rádios digitais terrestre. 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.