Antenas e conectores Assim como em outras tecnologias de transmissão via rádio, a distância que o sinal é capaz de percorrer depende também da qualidade e do tipo da antena usada. As antenas dipole utilizadas por padrão nos pontos de acesso são pequenas, práticas e baratas, mas existe a opção de utilizar antenas mais sofisticadas para aumentar o alcance da rede. O alcance típico de uma rede 802.11g é de 30 metros em espaços fechados (como uma casa ou um prédio, onde existem paredes e outros obstáculos) e 150 metros em campo aberto, sem obstáculos. Entretanto, como vimos anteriormente, a distância máxima e a qualidade do sinal (e, conseqüentemente, a velocidade de transmissão) podem variar bastante de um modelo de ponto de acesso para outro, de acordo com a qualidade e potência do transmissor e do ganho da antena usada pelo fabricante, sem contar os obstáculos presentes entre o ponto de acesso e o cliente. Vamos então a dicas de como aumentar o alcance da sua rede e criar links de longa distância. As antenas usadas por padrão nos pontos de acesso são chamadas de dipole ou omnidirecionais, pois irradiam o sinal em todas as direções, permitindo que você se conecte à rede a partir de qualquer ponto na área em torno do ponto de acesso. Na verdade, o "em todas as direções" é uma figura de linguagem, pois as antenas concentram o sinal na horizontal, em um raio de 360 graus, irradiando, em compensação, pouco sinal na vertical. Você pode imaginar que, ao utilizar uma antena ominidirecional, o sinal emitido pelo ponto de acesso tem formato de um donut, como você pode ver neste gráfico: Página 1 de 33
É por isso que as antenas do ponto de acesso devem ficar sempre na posição vertical, a menos é claro que você queira que o sinal seja irradiado na vertical, de forma a conseguir se conectar à rede quando estiver no andar de cima, por exemplo. Ao instalar o ponto de acesso, o ideal é que ele fique em uma posição central e um pouco mais alto que os móveis e demais obstáculos, de forma que o sinal possa trafegar até os clientes sem muitos desvios. Se instalar o ponto de acesso em uma posição central não for possível, considere usar uma antena setorial ou um defletor caseiro (veja a seguir), de forma a direcionar o sinal para a área desejada. Continuando, sempre que possível, as antenas nos clientes devem sempre estar alinhadas (também de pé) em relação à antena do ponto de acesso, para uma melhor recepção. Caso o cliente use algum tipo de antena mini-yagi, então a antena deve ficar apontada para o ponto de acesso. Por não irradiar muito sinal na vertical, concentrando-o na horizontal, uma antena ominidirecional típica oferece um ganho de 2.2 dbi, o que equivale a um aumento de 65% na potência de transmissão (e também na qualidade da recepção) em relação a uma antena (teórica) que irradiasse o sinal igualmente em todas as direções. A partir daí, é possível aumentar a potência de transmissão do ponto de acesso de duas maneiras: A) Usando um amplificador de sinal, de forma a aumentar a potência de transmissão do ponto de acesso. B) Substituindo a antena padrão por uma antena de maior ganho, ou seja, por uma antena que concentre o sinal, permitindo que ele atinja distâncias maiores. A opção A (usar um amplificador) é uma forma de resolver o problema na base da força bruta. Usando um amplificador, é possível aumentar a potência de transmissão do ponto de acesso (ou da placa wireless) para até 1 watt, que é o máximo permitido pela legislação. A grande maioria dos pontos de acesso trabalha com menos de 100 milliwatts de potência de transmissão, de forma que 1 watt significa um ganho considerável. Ao usar um amplificador, é importante escolher um amplificador bidirecional (que amplifica nas duas direções, atuando também sobre sinal recebido dos clientes), caso contrário o alcance prático da rede ficará limitado pela potência de transmissão dos clientes (afinal, se o ponto de acesso não recebe o sinal do cliente, não é possível abrir o canal de comunicação). Página 2 de 33
Muitos pontos de acesso permitem ajustar a potência de transmissão, mas normalmente o ajuste é liberado apenas para baixo. Ou seja, você pode reduzir a potência de transmissão, de forma a intencionalmente reduzir a área de cobertura da rede (o que ajuda na questão da segurança), mas não aumentar: Grande parte dos pontos de acesso utilizam transmissores com uma potência maior, mas ela é limitada via firmware, de forma a atender as normas das agências reguladoras de diversos países. Em muitos casos, é possível "destravar" o ponto de acesso, permitindo usar toda a potência disponível através de firmware alternativo. Dois exemplos são o OpenWRT (http://openwrt.org/) e o DD-WRT (http://www.dd-wrt.com) que oferecem suporte a um grande número de pontos de acesso. Note que regravar o firmware pode inutilizar o ponto de acesso caso ele não seja suportado, ou caso algo dê errado durante o processo, por isso não deixe de checar as listas de compatibilidade e as instruções de instalação. Diferentemente de um amplificador bidirecional, que irá amplificar tanto a transmissão, quanto a recepção do sinal dos clientes, amplificar o sinal do ponto de acesso melhora apenas a transmissão no sentido ponto de acesso > cliente, sem fazer nada para melhorar a recepção das transmissões dos clientes. Devido a isso, o alcance da rede continuará basicamente o mesmo, mas teremos ganhos com relação à recepção dos clientes, permitindo que eles obtenham um sinal mais estável e taxas de download mais altas quando dentro da área de cobertura. Em outras palavras, você obtém parte dos benefícios de usar um amplificador sem precisar colocar a mão no bolso. Página 3 de 33
Em seguida temos a opção B, que consiste em utilizar uma antena de maior ganho, que concentra o sinal em uma única direção, aumentando, assim, a potência efetiva de transmissão. Quando mais estreito o foco da antena, mais concentrado é o sinal. O ganho da antena é medido em dbi, sendo que um ganho de 3 dbi equivale ao dobro da potência de transmissão e um ganho de 10 dbi equivale a um aumento de 10 vezes. Usar antenas de alto ganho tanto no ponto de acesso quanto no cliente permite criar links wireless de longa distância, indo muito além dos 150 metros nominais. Existem no mercado antenas omnidirecionais com maior ganho, que podem substituir diretamente as antenas do ponto de acesso. Temos aqui uma antena de 5 dbi ao lado de uma antena padrão de 2.2 dbi: Antenas omnidirecionais maiores, de uso externo, podem oferecer ganhos de 10 ou até mesmo 15 dbi. O sinal continua sendo transmitido em todas as direções na horizontal, mas o ângulo vertical se torna muito mais estreito em relação ao oferecido pelas antenas padrão, ou seja, o maior ganho da antena não faz com que ela transmita mais sinal, mas apenas com que concentre a transmissão em uma faixa mais estreita: Página 4 de 33
Antenas direcionais Em seguida temos as antenas direcionais, que além de concentrarem o sinal na vertical, concentram-no também na horizontal, fazendo com que, em vez de um ângulo de 360 graus, o sinal seja concentrado em um ângulo de 90 graus ou menos. As primeiras em ordem hierárquica são as antenas setoriais, que concentram o sinal em um ângulo de aproximadamente 90 graus, ou seja, um quarto de um círculo completo. Se instaladas no canto de um galpão ou cômodo, elas distribuem o sinal em todo o ambiente, deixando pouco sinal vazar no outro sentido. A maioria das antenas setoriais trabalham com ganho de 12 a 17 dbi. Embora no papel a diferença possa parecer pequena, uma antena de 17 dbi trabalha com uma potência de transmissão pouco mais de 3 vezes maior que uma de 12 dbi. Duas variações das antenas setoriais são as patch antennas (antenas de painel) e as round patch antennas (antenas circulares). As patch antennas são antenas quadradas, que contêm internamente uma folha de metal. Página 5 de 33
Elas trabalham com um ângulo de cobertura mais aberto do que as antenas setoriais, mas em compensação oferecem menos ganho, servindo como uma espécie de meio-termo entre elas e as antenas ominidirecionais: As antenas round patch seguem o mesmo princípio, mas são redondas. Devido a isso, elas são muitas vezes instadas no teto (como se fosse um soquete de lâmpada) de forma a irradiar o sinal igualmente por todo o cômodo. Em seguida temos as antenas yagi, que oferecem um ganho ainda maior, mas em compensação são capazes de cobrir apenas uma pequena área, para a qual são diretamente apontadas (normalmente em um raio de 24 x 30 graus, ou mais estreito). Você pode imaginar que uma antena yagi emite o sinal em um ângulo similar ao de um cone, resultando em um padrão de transmissão similar ao do diagrama abaixo: Página 6 de 33
O foco concentrado resulta em um ganho muito maior do que o das antenas setoriais. A maior parte das antenas yagi à venda oferecem ganho de 14 a 19 dbi, mas não é incomum ver antenas com até 24 dbi. Estas antenas são úteis para cobrir alguma área específica, longe do ponto de acesso, ou interligar duas redes distantes. Usando duas antenas yagi de alto ganho é possível criar links de até 25 km, o que é mais de 150 vezes o alcance inicial. Para melhores resultados, uma antena deve ficar apontada exatamente para a outra, cada uma no topo de um prédio ou morro, de forma que não exista nenhum obstáculo entre as duas. Em instalações profissionais é usado um laser para fazer um ajuste fino no final da instalação, "mirando" as duas antenas: As yagi são também o melhor tipo de antena a usar quando é preciso concentrar o sinal para "furar" um obstáculo entre as duas redes, como, por exemplo, um prédio bem no meio do caminho. Nestes casos a distância atingida será sempre mais curta, naturalmente. Uma solução muito adotada nestes casos é usar um repetidor instalado em um ponto intermediário, permitindo que o sinal desvie do obstáculo. Existem até mesmo pontos de acesso extremamente robustos, desenvolvidos para uso industrial, que além de um gabinete reforçado utilizam placas solares e baterias, que permitem a eles funcionar de forma inteiramente autônoma: Página 7 de 33
A maioria das antenas yagi é coberta por um "tubo", que protege a antena das intempéries e melhora o aspecto visual, mas a antena propriamente dita tem um formato de espinha de peixe. É justamente este formato que permite que o sinal seja tão concentrado: As antenas feitas com tubos de batatas Pringles seguem o conceito de funil defletor e se comportam justamente como um tipo de antena yagi de baixo ganho. Outra dica é que, no caso dos pontos de acesso 801.11b/g com duas antenas, você pode usar uma antena convencional em uma das saídas (para manter o sinal em um raio circular, atendendo aos micros próximos) e usar uma antena yagi na outra, de forma a melhorar a cobertura em algum ponto cego, ou para atender um cliente distante do ponto de acesso. Na verdade, o ponto de acesso transmite o mesmo sinal usando ambas as antenas, simplesmente selecionando a que oferece um sinal de melhor qualidade com relação a cada cliente. Esta técnica é chamada de "antenna diversity" (variação de antenas) e melhora a qualidade da recepção, prevenindo o aparecimento de pontos cegos. Entretanto, como a segunda antena não é obrigatória, cada vez mais fabricantes optam por produzir pontos de acesso com uma única antena, de forma a cortar custos. Página 8 de 33
Os pontos de acesso 802.11n, por sua vez, utilizam o MIMO, um sistema mais sofisticado, onde cada uma das antenas transmite um sinal independente e o ponto de acesso se encarrega de remontar o sinal original combinando os sinais, além de levar em conta fatores como a reflexão do sinal por paredes e outros objetos. O uso do MIMO é um dos principais fatores que permite que os produtos 802.11n ofereçam uma taxa de transmissão e alcance maiores que os 802.11g. Embora (no 802.11n) todas as antenas sejam usadas simultaneamente, o ponto de acesso é capaz de operar com apenas duas ou mesmo com uma única antena, mas nesse caso a velocidade de transmissão é reduzida, de forma que a idéia de substituir uma das antenas por uma antena direcional não funciona tão bem em redes 802.11n. Continuando, temos as antenas parabólicas, que também captam o sinal em apenas uma direção, de forma ainda mais concentrada que as yagi, permitindo que sejam atingidas distâncias ainda maiores. A maioria das antenas parabólicas destinadas a redes WI-FI utilizam uma grelha metálica no lugar de um disco sólido, o que reduz o custo e evita que a antena seja balançada pelo vento, saindo de sua posição ideal. Por causa disso, elas são também chamadas de antenas de grelha, ou grid antennas, em inglês. A maioria das miniparabólicas disponíveis no mercado oferecem ganhos de 22 a 24 dbi, mas pesquisando é possível encontrar antenas com ganhos ainda maiores. Para uso profissional, existe também a opção de usar antenas parabólicas com refletor sólido, que oferecem ganhos de até 32 dbi. Página 9 de 33
Entretanto, devido ao alto ganho, é muito difícil usar uma (legalmente) sem obter a licença apropriada junto à Anatel (veja mais detalhes sobre essa questão da legislação a seguir). Usar uma antena de maior ganho aumenta tanto a capacidade de transmissão quanto de recepção do ponto de acesso, permitindo tanto que o sinal transmitido se propague por uma distância maior quanto que ele seja capaz de captar o sinal fraco de clientes distantes, desde que eles sejam instalados dentro do foco da antena (que se torna cada vez mais estreito conforme aumenta o ganho). Ao criar links de longa distância, é necessário usar antenas de alto ganho tanto no ponto de acesso quanto no cliente, o que soma o ganho das duas antenas, aumentando exponencialmente o alcance. Em situações ideais, é possível criar links com 25 ou até mesmo 30 km, combinando duas antenas de alto ganho, perfeitamente alinhadas. Uma curiosidade é que alguns fabricantes estão passando também a incorporar placas wireless USB às antenas, de forma a torná-las mais atrativas, permitindo que você instale a placa com a antena diretamente em uma porta USB disponível, sem precisar se preocupar com pigtails e conectores. Como os adaptadores wireless USB estão cada vez mais baratos, isso tende a se tornar mais comum. Também é perfeitamente possível instalar uma antena de maior ganho diretamente no PC ou notebook, de forma a captar o sinal de um ponto de acesso distante ou melhorar a recepção da rede, nesse caso sem mexer no ponto de acesso. Muitas placas PC-Card ou USB oferecem um conector para antena externa, mas é possível também, instalar a antena diretamente na placa interna do notebook. O resultado estético acaba não sendo muito bom, pois você precisa abrir a tampa que dá acesso à placa e deixar o cabo para fora, mas funciona. Outras opções Além das antenas tradicionais, existem também antenas yagi ou setoriais portáteis, feitas especialmente para uso em conjunto com um notebook. Por serem bastante compactas, é fácil carregar a antena e apontá-la para o ponto de acesso: Página 10 de 33
Normalmente estas antenas portáteis oferecem apenas 4 ou 6 dbi de ganho, mas isso já corresponde a uma melhora significativa em relação às antenas padrão. Uma observação importante é que usar a faixa dos 5 GHz, seja em uma rede 802.11a ou 802.11n, demanda o uso de uma antena própria para a faixa de frequência. Salvo algumas antenas multiband (mais raras e geralmente mais caras), as antenas são construídas para operar em uma faixa de freqüência específica e não podem operar em outras sem adaptações, por isso é importante verificar a faixa de operação antes de comprar. Uma solução caseira para aumentar o ganho da(s) antena(s) do ponto de acesso, que funciona tanto com antenas que operam na faixa dos 2.4 GHz, quanto com as que operam na faixa dos 5 GHz, é fazer um defletor caseiro. Ele permite concentrar o sinal recebido pela antena padrão do ponto de acesso, fazendo com que ela cubra uma área mais focalizada, porém com um ganho maior (de forma similar ao que seria obtido ao utilizar uma antena setorial). Além de melhorar a qualidade do sinal na área desejada, o defletor reduz o alcance nas demais direções, o que também ajuda na questão da segurança. Esta é uma receita muito simples. Você precisa de alguma folha de metal ou fio (como uma malha de fios, papel alumínio, papel laminado ou um pedaço de lata) e papelão. Cobrindo um pedaço retangular do papelão com a folha metálica e dobrando-o de forma a formar um semi-círculo, você obtém um concentrador de sinal, que pode ser espetado em uma antena ominidirecional: Os sinais são refletidos pela folha metálica e concentrados, melhorando tanto a transmissão quando a recepção do sinal. Página 11 de 33
A desvantagem é que o defletor precisa ser apontado para a área desejada. Naturalmente, o defletor não reflete todo o sinal, apenas a maior parte dele. Um cliente próximo pode se conectar normalmente à rede se estiver na direção contrária, porém a poucos metros do ponto de acesso, mas um vizinho a 50 metros não teria a mesma sorte. Você pode baixar o modelo com os ângulos corretos no: http://www.freeantennas.com/ Existe ainda a popular "cantenna", a antena yagi feita usando uma lata de batata Pringles que citei anteriormente. Ela não é tão efetiva quanto uma antena yagi comercial, mas oferece a vantagem de poder ser montada usando materiais baratos. Você encontra a receita no: http://www.oreillynet.com/cs/weblog/view/wlg/448. A maioria das antenas para uso externo, sobretudo as antenas de maior ganho, utilizam conectores tipo N (N-Type), um tipo de conector para cabos coaxiais que é usado desde a década de 1940 e tem se mantido atual devido a melhorias nas técnicas de fabricação, que levaram à produção de conectores cada vez mais precisos e com menos perda de sinal. Temos aqui um Conector tipo N macho e conector tipo N fêmea: Apesar disso, o uso de antenas de maior ganho não é uma técnica exatamente incentivada pelos fabricantes. O grande problema é que as normas regulatórias para a transmissão de sinal dentro das faixas não-licenciadas usadas pelas redes Wi-Fi varia muito de acordo com o país, de forma que qualquer aumento na potência do sinal é suficiente para violar as normas em alguns países. Como a idéia é justamente desestimular o uso de antenas externas, os fabricantes optam por utilizar conectores próprios nas placas e nos pontos de acesso. Isso permite resolver dois problemas: dificultar a substituição da antena por parte do usuário e utilizar conectores mais baratos, reduzindo em alguns centavos de dólar o custo de produção. Página 12 de 33
O conector mais utilizado em pontos de acesso e em placas wireless PCI é o RP-SMA (Reverse Polarity SMA, também chamado de SMA-RP ou RSMA), onde o conector macho (com cerca de 6 mm de diâmetro) fica no dispositivo e o fêmea fica na antena: Um conector menos comum, mas ainda assim usado em um grande número de pontos de acesso (como o Linksys WRT54GS e o Cisco Aironet 1200) é o RP-TNC. Ele é um pouco maior e mais robusto que o RP-SMA: As placas wireless mini-pci ou Express Mini para notebooks usam um conector miniaturizado, o U.FL, também chamado de MHF ou Hirose (o nome da empresa que o desenvolveu). O conector fêmea é diretamente soldado à placa e o conector macho vai no cabo da antena. O conector é relativamente frágil, por isso é preciso ter um certo cuidado ao encaixar. Página 13 de 33
Temos aqui uma foto do conector U.FL, em contraste com o conector RP-SMA da foto anterior: Muitas placas PCMCIA e PC-Card antigas, como as Orinoco Gold e Orinoco Silver, Buffalo L11G (e outras) utilizam outro conector miniaturizado, o MC, apelidado de conector Lucent. Aqui temos o detalhe do conector MC fêmea na placa e conector MC macho no pigtail da antena: A maioria das placas PC-Card atuais, com saída para antena externa, utilizam um conector um pouco diferente, o MMCX (também chamado de Micromate), uma versão miniaturizada do conector MCX, usado em aparelhos de GPS e outros dispositivos (alguns pontos de acesso, como o AirPort Extreme da Apple chegaram a utilizar conectores MCX, mas eles são casos isolados; com relação às redes wireless, o mais usado é mesmo o MMCX). Página 14 de 33
Apesar do tamanho ser similar, o MC e o MMCX são incompatíveis. Temos aqui o detalhe do conector MMCX fêmea em uma placa da Senao e o conector MMCX macho no pigtail da antena: Muitas antenas menores, destinadas à venda direta ao consumidor, utilizam conectores RP- SMA, RP-TNC ou mesmo MMCX, mas a esmagadora maioria das antenas de alto ganho utilizam conectores tipo N, de forma que não podem ser diretamente instaladas em praticamente nenhuma placa ou ponto de acesso. Naturalmente, existem adaptadores entre estes diversos formatos. O mais comum, sobretudo no caso dos conectores MMCX, MC e U.FL é o uso de um pigtail, um cabo fino e curto (geralmente com 30 cm, ou menos), usado como um adaptador entre a minúscula saída usada nas placas e o conector tipo N do cabo da antena. Existem também pigtails para conectores RP-SMA e outras combinações: Hoje em dia, placas PC-Card com conectores para antena externa são relativamente raras, mas você pode perfeitamente usar um pigtail para ligar uma antena externa diretamente ao conector U.FL da placa wireless do notebook, basta abrir a tampa que dá acesso à placa wireless, desconectar uma das antenas externas, ligar o pigtail e fechar novamente, deixando o cabo para fora. Existe também a opção de usar uma placa wireless USB com saída para antena externa. Página 15 de 33
Os pigtails invariavelmente causam uma pequena perda de sinal; eles são pequenos justamente para que ela seja a melhor possível. De uma forma geral, um pigtail bem construído, com cabo de 30 cm causa uma perda de 0.4 a 0.6 db, perda essa que é somada à perda causada pelo cabo até a antena (caso usado). Ao combinar um pigtail com perda de 0.4 db com um cabo mais longo, com perda de 2.6 db, por exemplo, você tem uma perda total de 3dB, tanto no envio quanto na recepção, eliminando parte do ganho oferecido pela antena. Quanto mais longo é o cabo do pigtail, maior a perda, com o percentual variando de 0.4 a mais de 1 db por metro de acordo com a qualidade do cabo. Em comparação, cabos com melhor blindagem, usados em cabos de antenas chegam a oferecer menos de 0.2 db de perda por metro, de forma que acaba fazendo mais sentido usar um pigtail curto para ligar o cabo maior no conector da placa, do que tentar encontrar um pigtail mais longo, para ligá-la diretamente à antena. De qualquer forma, é importante enfatizar que o sinal enviado à antena é bastante fraco, por isso os cabos e conectores representam sempre um ponto importante de perda, por isso, quanto menor o comprimento do cabo, melhor. Sempre que possível, ligue a antena diretamente ao ponto de acesso, ou utilize apenas um cabo curto (menos de 3 metros) ou um pigtail. Se for necessário instalar a antena no telhado, ou outro local afastado, veja se não é possível levar também o ponto de acesso, instalando-o junto à antena. Mesmo que não exista instalação elétrica no local, você pode utilizar um ponto de acesso com suporte a PoE, usando o próprio cabo de rede para a transmissão de energia. Potência de transmissão e alcance O alcance típico de uma rede 802.11g é de 30 metros em espaços fechados (como uma casa ou um prédio, onde existem paredes e outros obstáculos) e 150 metros em campo aberto, sem obstáculos. Entretanto, como vimos anteriormente, a distância máxima e a qualidade do sinal (e, conseqüentemente, a velocidade de transmissão) podem variar bastante de um modelo de ponto de acesso para outro, de acordo com a qualidade e potência do transmissor e do ganho da antena usada pelo fabricante, sem contar os obstáculos presentes entre o ponto de acesso e o cliente. A potência total da transmissão é medida em dbm (decibel milliwatt), enquanto o ganho da antena é medido em dbi (decibel isotrópico). Em ambos os casos, é usado o decibel como unidade de medida, mas o parâmetro de comparação é diferente, daí o uso de duas siglas distintas. No caso da potência de transmissão, o parâmetro de comparação é um sinal de 1 milliwatt. Dentro da escala, um sinal de 1 milliwatt corresponde a 0 dbm. Página 16 de 33
A partir daí, cada vez que é dobrada a potência do sinal, são somados aproximadamente 3 decibéis, já que, dentro da escala, um aumento de 3 decibéis corresponde a um sinal duas vezes mais forte, da mesma forma que temos com o som: 0 dbm 1 milliwatt 3 dbm 2 milliwatts 6 dbm 4 milliwatts 9 dbm 7.9 milliwatts 12 dbm 15.8 milliwatts 15 dbm 31.6 milliwatts 18 dbm 61.1 milliwatts 21 dbm 125.9 milliwatts 24 dbm 251.2 milliwatts 27 dbm 501.2 milliwatts 30 dbm 1000 milliwatts 60 dbm 1000000 milliwatts O ganho da antena, por sua vez, é medido em relação a um radiador isotrópico, um modelo teórico de antena, onde o sinal seria transmitido igualmente em todas as direções. Um radiador isotrópico seria uma esfera perfeita, sem diferença alguma de polarização em toda a superfície. Ele é impossível de construir na prática (já que a presença do conector já tornaria a esfera imperfeita) e não seria muito útil de qualquer forma, pois mandaria muito sinal para o céu e para a terra e menos sinal para os clientes que devem recebê-lo. Todas as antenas concentram o sinal em determinadas direções, sendo que quanto mais concentrado é o sinal, maior é o ganho. Uma antena de 3 dbi, por exemplo, irradia o sinal com o dobro de potência que um radiador isotrópico, porém irradia em um ângulo duas vezes menor. Uma antena de 6 dbi oferece um sinal quatro vezes mais concentrado, porém para um ângulo 4 vezes mais estreito, e assim por diante. De uma forma geral, quanto maior é o ganho desejado, maior precisa ser a antena; justamente por isso as antenas ominidirecionais e yagi de alto ganho são muito maiores que as antenas padrão de 2.2 dbi dos pontos de acesso. A potência total de saída é obtida convertendo a potência do transmissor, de milliwatts para dbm e, em seguida, somando o ganho da antena (em dbi). Duas calculadoras que oferecem a opção são: http://www.radiolabs.com/stations/wifi_calc.html http://store.freenet-antennas.com/linkbudget.php Página 17 de 33
Como comentei, a maioria dos modelos domésticos de pontos de acesso trabalham com 17.5 dbm (56 milliwatts) ou 18 dbm (63 milliwatts) de potência, mas existem modelos com apenas 15 dbm (31.6 milliwatts) e, no outro extremo, alguns modelos com até 400 milliwatts (26 dbm), como o Senao ECB-3220 e o OVISLINK WL-5460: É importante notar que, em muito casos, a potência anunciada pelo fabricante inclui o ganho da antena, de forma que um ponto de acesso com sinal de 20 dbm pode ser, na verdade, um ponto de acesso com transmissor de 18 dbm e uma antena de 2 dbi. Nesse caso, você obteria 24 dbm ao substituir a antena padrão por uma antena de 6 dbi e não 26 dbm (20+6) como poderia pensar à primeira vista. Uma diferença de 2 dbm pode parecer pequena, mas na verdade equivale a um aumento de 66% na potência do sinal, daí a importância de checar as especificações com atenção. A lógica é simples. Nenhuma antena irradia o sinal igualmente em todas as direções. Mesmo as antenas ominidirecionais irradiam mais sinal na horizontal que na vertical. Isso significa que o sinal é concentrado dentro da área de transmissão da antena, tornando-se mais forte. Como vimos, quanto maior o ganho da antena, mais concentrado e forte é o sinal, fazendo com que ele seja capaz de percorrer distâncias maiores e superar mais obstáculos. Se a potência de transmissão nominal é de 400 mw, o uso de uma antena de 2.2 dbi faria com que, na prática, tivéssemos uma potência de transmissão de 880 mw (29.4 dbm). Se a antena padrão fosse substituída por uma antena yagi com ganho de 18 dbi, a potência de transmissão subiria para 44 dbm e, se a antena tivesse 24 dbi, subiria para impressionantes 50 dbm. Na prática, os valores seriam um pouco mais baixos, devido à perda introduzida pelo cabo e pelos conectores, mas ainda assim os números seriam impressionantes. Página 18 de 33
Mesmo um ponto de acesso mais simples, com um transmissor de 56 milliwatts (17.5 dbm), pode atingir uma boa potência de transmissão se combinado com uma antena de bom ganho. Mesmo usando uma antena setorial de 12 dbi, a potência total de transmissão já seria de 29.5 dbm, o que equivale a 891 milliwatts. A principal diferença é que nesse caso o sinal seria concentrado em uma área muito menor, tornando-o utilizável para um link de longa distância, mas não para uma rede doméstica, onde o sinal precisa ficar disponível em todo o ambiente. Em se tratando de links de longa distância, é preciso ter em mente que a potência de transmissão do ponto de acesso não está necessariamente relacionada à sua sensibilidade de recepção, e a falha em captar o sinal do cliente também leva à perda da conexão. Ou seja, para obter um ganho tangível, é necessário usar produtos com uma maior potência de transmissão dos dois lados do link. Uma antena de alto ganho (corretamente focalizada), por outro lado, aumenta tanto a potência de transmissão quanto a sensibilidade de recepção, já que é capaz de concentrar o sinal em ambas as direções. É por isso que instalar uma antena yagi na placa do seu notebook permite que ele consiga se conectar a redes tão distantes, mesmo sem modificações nos respectivos pontos de acesso. O sinal transmitido pelo ponto de acesso é espalhado por uma grande área, de forma que apenas uma pequena quantidade da energia irradiada é efetivamente captada pela antena receptora. Vamos então a uma outra tabela, dessa vez com a perda teórica em um ambiente livre de obstáculos: 500 m -94.4 db 1 km -100.4 db 2 km -106.4 db 4 km -112.4 db Como disse, estes números são puramente teóricos, a começar pelo fato de que não temos (pelo menos não dentro da atmosfera do nosso planeta) um ambiente completamente livre de obstáculos, já que a própria umidade do ar atenua o sinal em certa intensidade. Em um ambiente real, você poderia calcular uma perda de 117 db para uma distância de 2 km em campo aberto, com um acréscimo de 6 a 9 db cada vez que a distância dobra. A margem é necessária, pois em uma situação real você raramente consegue obter um alinhamento perfeito das antenas e fatores ambientais, como o vento e a chuva podem balançá-las (tirando-as da posição ideal). Além disso, variações da umidade afetam o sinal, de forma que o sinal é mais atenuado em dias chuvosos, o que é um dos grandes problemas dos provedores que oferecem acesso wireless. Sem uma boa margem de tolerância, sua rede poderá funcionar bem nos dias de tempo bom, mas ficar instável nos dias nublados ou durante as chuvas. Subtraindo a perda da potência inicial do sinal, obtemos o valor que chega até o cliente. Página 19 de 33
Se a potência inicial (incluindo o ganho da antena) é de 19 dbm e a perda causada pelo percurso (incluindo os obstáculos) é de 117 db, por exemplo, significa que o cliente receberá um sinal de apenas -98 dbm. Se a potência de transmissão fosse aumentada para 26 dbm, ele receberia -91 dbm e assim por diante. Veja que aqui estamos falando em valores negativos, que consistem em apenas uma pequena fração de milliwatt. Como vimos, um sinal de 1 milliwatt equivale a 0 dbm e precisamos dobrar a potência do sinal para cada 3 dbm adicionais. Da mesma forma, cada vez que dividimos a potência do sinal pela metade, subtraímos 3 dbm, de forma que -3 dbm equivalem a 0.5 milliwatt, -6 dbm correspondem a 0.25 e assim por diante. Se você fizer a conta, vai ver que -98 dbm corresponde a um valor realmente muito baixo. Ao receber o sinal, o cliente precisa amplificá-lo, de forma que ele possa ser processado. Entra em cena então outra especificação importante, que é a sensibilidade de recepção (receive sensitivity), que corresponde ao nível mínimo de sinal que o cliente precisa para receber os dados, com um volume aceitável de erros de recepção. Ao criar um link de longa distância, é importante usar pontos de acesso e placas com a maior sensibilidade possível. Tenha em mente que uma diferença de apenas 6 db na recepção permite obter o dobro do alcance, utilizando as mesmas antenas. Este acaba sendo o principal diferencial entre placas de diferentes fabricantes, mesmo quando elas são baseadas no mesmo chipset. Uma dica é que os pontos de acesso e placas 802.11g atuais oferecem em geral uma recepção melhor do que produtos antigos, baseados no padrão 802.11b (mesmo se utilizadas as mesmas antenas), devido a melhorias nos chipsets. Os aparelhos baseados no 802.11n oferecem uma taxa de transferência muito maior a curtas distâncias, devido ao uso do MIMO, mas esta característica é praticamente inútil em links de longa distância, onde normalmente utilizamos uma única antena. O 802.11n oferece algumas melhorias adicionais no sistema de correção de erros e na transmissão do sinal, que reduzem o overhead da transmissão em relação ao 802.11g, resultando em um certo ganho na taxa de transmissão (mesmo com uma única antena), mas não espere muito. Note também que um grande número de pontos de acesso 802.11n utilizam antenas fixas, o que os tira da lista de opções. Você encontra a relação entre o nível mínimo de sinal para cada taxa de transferência nas especificações da placa ou do ponto de acesso. A maioria dos dispositivos trabalha com um valor mínimo de -92 dbm e alguns chegam a -95 dbm (note que a sensibilidade de recepção não está necessariamente relacionada à potência de transmissão). Entretanto, esse valor corresponde à taxa de transmissão mínima, a 1 megabit. Para que a rede possa trabalhar a velocidades mais altas, é necessário um sinal mais forte. Página 20 de 33
Aqui vai uma tabela de referência para que você possa ter uma idéia. Os valores podem variar em até 6 dbm, de acordo com a marca e o modelo da placa: 1 mbps -92 dbm 2 mbps -91 dbm 5.5 mbps -90 dbm 9 mbps -88 dbm 12 mbps -87 dbm 18 mbps -86 dbm 24 mbps -83 dbm 36 mbps -80 dbm 48 mbps -74 dbm 54 mbps -72 dbm Pela tabela podemos ver que um sinal de -98 dbm é muito baixo, mesmo para criar um link de apenas 1 megabit. Para cada redução de 3 db no sinal, temos uma redução de 50% na potência, de forma que -98 dbi corresponde a apenas um quarto de -92 dbi, que seria o mínimo para estabelecer a conexão, dentro das especificações da tabela. Como citei anteriormente, o ganho da antena afeta também a habilidade de recepção do cliente, de forma que seria possível estabelecer a conexão com sucesso usando uma antena de maior ganho no cliente, que permitisse elevar o sinal de -98 dbm até o nível mínimo necessário. Uma simples antena setorial ou yagi com 8 dbi de ganho, devidamente apontada para a antena do ponto de acesso remoto, seria suficiente para elevar o sinal ao nível mínimo (a 1 megabit), mas seria necessário usar uma antena com pelo menos 26 dbi para ter uma chance de efetuar a conexão na velocidade máxima, a 54 megabits. Uma antena de 26 dbi de ganho seria muito cara e volumosa, e a instalação seria difícil, já que tanto ganho resulta em um sinal muito focalizado. Nesse caso, seria muito mais simples usar uma antena de maior ganho no ponto de acesso, mantendo o cliente com uma antena de 8 ou 12 dbi. No exemplo, estamos emitindo um sinal de 19 dbi, o que corresponde à potência inicial do ponto de acesso, usando a antena padrão, de 2 dbi. Se a substituíssemos por uma antena de 16 dbi a potência do sinal já subiria de 19 (17+2) para 33 dbi (17+16). Descontada a atenuação, o cliente recebia (em teoria) um sinal de -84 dbi, o que reduziria e muito o ganho necessário para chegar nos -72 dbi necessários para efetuar a conexão a 54 megabits. A fórmula para calcular o sinal que chega efetivamente ao receptor é: Potência de transmissão + ganho da antena - perda de sinal + ganho da antena receptora Página 21 de 33
Na prática, temos mais duas variáveis, que são as perdas introduzidas pelos cabos (quanto mais longo é o comprimento e menor for a qualidade do cabo, maior é a perda) e também o volume de ruído de fundo (a combinação de todos os outros sinais de rádio na mesma freqüência) presente no ambiente. Cabos curtos e de boa qualidade normalmente resultam em uma perda inferior a 1 db, mas cabos muito longos ou mal construídos podem facilmente introduzir uma perda de 3 db ou mais. A menos que você consiga instalar a antena diretamente no conector da placa (o que é impossível com uma antena de auto ganho), você vai precisar usar dois cabos, um no emissor e outro no cliente, de forma que a perda do cabo torna-se uma questão crítica. Se cada cabo causar uma perda de 3dB, a perda total subiria para 6 dbi, suficiente para fazer com que a velocidade da conexão caísse de 54 para 36 megabits, ou de 36 para 18 megabits. A perda de sinal causada pelo cabo é também o motivo de algumas antenas baratas, de 4 ou 5 dbi, muitas vezes oferecerem uma recepção pior do que a antena padrão do ponto de acesso. Se o cabo for ruim ou houverem falhas nas soldas, a perda pode acabar sendo maior do que a diferença de ganho da antena. Em seguida, temos a questão do ruído de fundo, que dificulta a recepção do sinal pelo cliente. A relação entre o sinal e o ruído de fundo é chamada de "signal to noise ratio" e é informada por programas de diagnóstico (executados no cliente), como o Wavemon (no Linux) ou o Netstumbler (no Windows). Se o sinal for mais fraco que a interferência, o cliente não consegue captá-lo e se o sinal for mais forte, mas a diferença for pequena, haverá um grande volume de pacotes perdidos e a conexão será instável. Para manter uma conexão minimamente estável, é necessário que o signal to noise ratio seja de pelo menos +5 db, ou seja, que o sinal seja 5 db mais forte que o ruído de fundo ou interferência. Em zonas rurais ou pouco povoadas, o ruído de fundo raramente é um problema, já que o volume de transmissões é pequeno, mas nas grandes cidades ele pode atrapalhar bastante, obrigando-o a usar antenas de maior ganho. Uma observação é que a antena no cliente capta tanto o sinal quanto o ruído de fundo, amplificando ambos igualmente. Ou seja, ela permite captar um sinal mais fraco, mas não faz nada para melhorar o signal to noise ou seja, a relação sinal/ruído. Devido a isso, em ambientes com muito ruído, aumentar o ganho da antena transmissora acaba sendo mais efetivo do que aumentar o ganho da antena receptora. Usando amplificadores e antenas de alto ganho, é relativamente fácil criar links de longa distância. Basta calcular que um amplificador de 1 watt gera um sinal de 30 dbm. Adicionando uma antena parabólica de 32 dbi, chegamos a 62 dbm. Usando o mesmo conjunto de amplificador bidirecional e antena do outro lado, poderíamos facilmente criar um link de 32 km ou mais. O problema é que um sinal tão forte criaria um forte interferência em toda a faixa de sinal da antena, derrubando ou reduzindo a taxa de transmissão de todas as redes pelo caminho. Página 22 de 33
Para ter uma idéia, o recorde de distância atual com uma rede Wi-Fi, obtido em junho de 2007 por uma equipe de técnicos da Venezuela é de 382 km e existem outros exemplos de links com mais de 200 km (faça uma pesquisa por "wireless long-distance link record" no Google), como um link de 304, km obtido por uma empresa Italiana: http://blog.wired.com/gadgets/2007/06/w_wifi_record_2.html http://www.ubnt.com/company_press_07.php4. Link Wi-Fi experimental de 304 km, criado pela Ubiquiti, na Itália Em ambos os casos, os links foram criados em áreas pouco povoadas e obtidos usando antenas de altíssimo ganho, que resultam em um feixe extremamente estreito, limitando, assim, o nível de interferência com outras redes. Mas, tentativas similares, em áreas densamente povoadas, poderiam criar sérios problemas. Com certeza você não iria gostar se o seu vizinho da frente jogasse um sinal de 62 dbm bem em direção à sua janela. Para prevenir extremos como esses, existem normas regulatórias, que variam de país para país. Nos EUA, é permitido o uso de uma potência EIRP de até 4000 milliwatts (36 dbm) utilizando uma antena de 6 dbi ou mais, ou de até 1000 milliwatts (30 dbm) ao utilizar uma antena de menor ganho. O valor EIRP (equivalent isotropically radiated power) corresponde à potência efetiva da transmissão, obtida somando a potência do transmissor e o ganho da antena (descontando perdas causadas pelos cabos e outros fatores). Ou seja, ao usar um ponto de acesso com transmissor com 250 mw e um cabo com perda de 3 db, seria permitido usar uma antena de até 21 dbi, e assim por diante. Em muitos países da Europa, vigora uma norma muito mais restritiva, que limita as transmissões a apenas 100 milliwatts (20 dbm), o que equivale à potência nominal da maioria dos pontos de acesso, sem modificações na antena ou uso de amplificadores. Página 23 de 33
No Brasil, vigora uma norma de 2004 da Anatel (resolução 365, artigo 39) que limita a potência EIRP do sinal a um máximo de 400 milliwatts (26 dbm) em cidades com mais de 500 habitantes. Acima disso, é necessário obter uma licença (fornecida apenas a empresas), desembolsando R$ 1450 por ponto, mais uma taxa de renovação anual. A melhor opção para criar links de longa distância sem violar a legislação, nem precisar pagar a licença é reduzir a potência de transmissão do ponto de acesso (a maioria dos modelos oferecem esta opção nas configurações) e utilizar antenas de maior ganho dos dois lados do link. Assim, ao invés de usar 63 milliwatts (18 dbm) e antenas de 9 dbi, você usaria 31.6 milliwatts (15 dbm) e antenas de 12 dbi, por exemplo (a diferença de 1 dbm no exemplo corresponde à perda do cabo). A lógica é que uma antena de maior ganho melhora tanto o envio quanto a recepção, enquanto uma maior potência melhora apenas a transmissão. Seguindo essa dica, é possível criar links de 2, ou até mesmo 4 km sem violar a norma da Anatel. Calcule que emitindo um sinal de 26 dbm, e usando uma antena de 12 dbi no cliente, ele ainda receberia um sinal de -79 dbm depois de uma perda de 117 db (26-117 + 12). Outra restrição importante com relação à legislação Brasileira é que para vender serviços de acesso (como no caso de um provedor de acesso) é necessário obter uma licença SCM, que além das taxas e da burocracia é concedida apenas a empresas do ramo de telecomunicações. Sem a licença, você pode apenas criar links para uso interno (como ao interligar dois escritórios de uma mesma empresa, por exemplo), sem vender acesso à web. Depois de calcular o ganho da antena, planejar a área de cobertura e testar o link, nada melhor do que verificar a potência do sinal na prática, de forma a ter uma idéia mais exata da recepção no cliente, verificar a área de cobertura e encontrar pontos cegos. Dois softwares muito úteis nesse sentido são o NetStumbler, para Windows e o Wavemon, para Linux, que comentei há pouco. O Netstumbler permite listar todas as redes disponíveis na área, mostrando o canal, o tipo de encriptação e outros detalhes sobre cada uma além de, o mais importante, mostrar um relatório detalhado sobre a intensidade do sinal, permitindo que você audite a cobertura da sua rede e a intensidade do sinal em cada ponto. Ele é um programa gratuito, que você pode baixar no http://www.netstumbler.com. Na versão 0.4.0 ele roda sobre o Windows XP e 2000 (ainda não existe suporte para o Vista) e funciona em conjunto com a grande maioria das placas. Está disponível também o MiniStumbler, que roda em palmtops PocketPC. O NetStumbler não funciona em conjunto com o serviço Wireless Zero Configuration do Windows (que conecta o sistema a redes Wireless automaticamente quando elas estão disponíveis), por isso a primeira coisa que ele tentará fazer ao ser aberto é parar o serviço, de forma a ter acesso completo à placa wireless. Página 24 de 33
Se o scan não for iniciado automaticamente, abra o menu "Devices". Você notará que existirão duas entradas para a sua placa wireless: A primeira faz com que ele tente acessar o hardware diretamente, usando um driver interno. Esta opção, usada por padrão, oferece uma varredura mais precisa, mas não funciona com todas as placas. A segunda opção (NDIS) utiliza o driver do Windows e por isso funciona com quase todas as placas. Se necessário, clique no botão "scan" para iniciar a varredura: Como pode ver pelo screenshot, o NetStumbler mostra todos os pontos de acesso disponíveis, independentemente do canal usado. A cor do ícone indica a intensidade do sinal (cinza para muito fraco, vermelho para fraco, amarelo para regular, verde para bom) e o cadeado indica que a rede está protegida. Na versão 0.4 ele mostra incorretamente que as redes protegidas usando WPA-PSK usam WEP. As três colunas mais importantes são as "Signal+", "Noise-" e "SNR+", que mostram, respectivamente, a intensidade do sinal (em dbm), a intensidade do ruído e a taxa de sinal/ruído para cada uma. Apenas parte das placas suportadas são capazes de medir corretamente a taxa de ruído, nas demais a função fica desativada, com o campo exibindo um "-100" para todas as redes. Como vimos no tópico anterior, o sinal é medido em uma escala negativa, onde cada -3 db correspondem a uma redução de 50% na intensidade do sinal, de forma que -95 dbm correspondem a apenas um quarto de -89 dbm. A maioria das placas precisa de pelo menos - 92 dbm para manter uma conexão na velocidade mínima (1 megabit) e pelo menos -72 dbm para manter uma conexão a 54 megabits. Página 25 de 33
Em ambientes com muito ruído eletromagnético, é importante ficar de olho também na relação sinal/ruído (SNR), que indica o quanto o sinal é mais forte que o ruído. Para manter uma conexão minimamente estável ele deve ser de pelo menos 5 db (quanto mais melhor). Este relatório das redes disponíveis é muito útil na hora de escolher qual canal usar, já que você pode avaliar quais canais já estão sendo utilizados e em qual extensão. Se você é o responsável pela rede de alguma empresa ou órgão governamental, outra utilidade para o relatório é detectar a presença de rogue access points, ou seja, de pontos de acesso "ilegais", instalados sem autorização pelos próprios usuários da rede. Embora às vezes a intenção seja boa, eles podem comprometer a segurança da rede, expondo-a a ataques externos. Continuando, no menu da esquerda você encontra várias opções de filtros, que permitem mostrar apenas APs usando um determinado canal, com ou sem encriptação, etc. Escolhendo seu próprio ponto de acesso na lista, você tem acesso à função mais interessante do NetStumbler, que é o gráfico de sinal: Ao usar um notebook, você pode usar o gráfico para verificar a variação do sinal dento da área de cobertura da rede, testando diferentes combinações de antena, posicionamento do AP, potência do transmissor, posição dos clientes, uso ou não de defletor e assim por diante. Ele também pode ser bastante útil na hora de "mirar" as antenas ao criar um link de longa distância. Você vai perceber que usar uma antena de maior ganho não vai ter tanto efeito sobre o sinal mostrado no gráfico quanto você poderia pensar (afinal, substituir uma antena de 2 dbi por outra de 6 dbi faz o gráfico subir apenas 4 pontos), mas tenha em mente que nas áreas onde o sinal é fraco, um sinal 4 dbm mais forte pode representar a diferença entre ter uma conexão de 5.5 megabits e não ter conexão alguma. Outra observação importante é que mesmo sem sair do lugar, é normal que o sinal sofra pequenas variações (de 3 a 4 dbi), justamente por isso é importante trabalhar sempre com uma certa margem de segurança ao escolher a antena e posicionar o AP. Página 26 de 33
Entretanto, grandes variações podem indicar a presença de alguma fonte de forte interferência, como um forno de microondas ou um telefone sem fio que utilize a faixa dos 2.4 GHz. Outra curiosidade é que o ponto de acesso pode funcionar mesmo sem a antena, já que o próprio conector é suficiente para emitir um sinal fraco. Apesar disso, sem a antena a potência do sinal cai em 20 db ou mais, o que faz com que a rede só funcione de forma confiável dentro do próprio cômodo onde está o AP. Concluindo, o NetStumbler pode ser usado em conjunto com um GPS conectado a uma das portas seriais do micro, o que pode ser usado para criar um mapa de redes wireless dentro de uma determinada área. A configuração está no View > Options. No Linux, você pode monitorar a qualidade do sinal usando o Wavemon, um software bastante simples, em modo texto, que está disponível na maioria das distribuições. Para usá-lo, instale o pacote "wavemon" usando o gerenciador de pacotes e rode (como root) o comando: # wavemon Para usá-lo, o PC deve estar conectado ao ponto de acesso da rede. Ao contrário do NetStumbler, ele não é capaz de detectar o sinal de outros pontos de acesso próximos, mas você pode usar o Kismet para essa tarefa. A interface principal mostra a qualidade do link, o nível do sinal, nível de ruído, relação sinal/ruído, além de estatísticas de transmissão e detalhes sobre a rede. Você pode ver um gráfico com a intensidade do sinal pressionando F2. Página 27 de 33