PROJETO DE IMPLANTAÇÃO DE REDES WIRELESS EM DISTÂNCIAS DE 10 KM, 20KM E 50 KM

1 FACULDADE DE BALSAS CURSO DE SISTEMAS DE INFORMAÇÃO PROJETO DE IMPLANTAÇÃO DE REDES WIRELESS EM DISTÂNCIAS DE 10 KM, 20KM E 50 KM Acadêmico: JOÃO MOISÉS OLIVEIRA FIGUEREDO Orientador: CLEVERTON MARLON POSSANI BALSAS MA 2013

2 FACULDADE DE BALSAS CURSO DE SISTEMAS DE INFORMAÇÃO PROJETO DE IMPLANTAÇÃO DE REDES WIRELESS EM DISTÂNCIAS DE 10 KM, 20KM E 50 KM Por João Moises Oliveira Figueredo Trabalho de conclusão de curso II apresentado como exigência para obtenção do título de Bacharel no Curso de Sistemas de Informação à Faculdade de Balsas, sob orientação do Prof. Me. Cleverton Marlon Possani. BALSAS MA 2013

3 RESUMO A comunicação sem fio é uma tecnologia que faz parte do nosso dia a dia, tendo como principal ganho a mobilidade e redução de infraestrutura física, no entanto, algumas dessas tecnologias Wireless ainda são restritas a pequenas distâncias e velocidade limitada. Este projeto tem por objetivo desenvolver simulações com o objetivo de atingir as variáveis que podem influenciar em uma rede wireless de longa distância. Serão utilizadas pesquisas bibliográficas, análises de desempenho de equipamentos, condições climáticas regionais, relevo e com suporte do software Rádio Motion for Windows 11.3.5 Freeware em uma área entre as cidades de Balsas - MA e Riachão - MA em distâncias de comunicação de 10 km, 20 km e 50 km. Ao término pretende-se identificar pontos de repetição, altura das torres, custos financeiros e outras condições que influenciam no resultado da pesquisa.

4 ABSTRACT Wireless communication is a technology that is part of our daily lives, having as main-pal gain mobility and reduction of physical infrastructure, however, some of these wireless technologies are still restricted to small distances and limited speed. This project aims to develop simulations with the goal of reaching the variables that can influ-ence on a wireless WAN. Literature searches, analysis of equipment performance, regional climate, topography and supported by Radio Motion Freeware software for Windows 11.3.5 will be used in an area between the cities of Balsas - and Riachão MA - MA in communication distances of 10 km, 20 km and 50 km. At the end we intend to identify points of repetition, height of the towers, and financial costs, or other conditions that influence the search result.

5 LISTA DE FIGURAS FIGURA1: PADRÃO IEEE 802.11... 16 FIGURA2: PADRÃO IEEE 802.11 MODELO OSI... 16 FIGURA3: PADRÃO IEEE 802.11 MODELO TCP/IP... 17 FIGURA4: MÉTODO FHSS... 20 FIGURA5: MÉTODO DSSS... 21 FIGURA6: MÉTODO DSSS... 22 FIGURA7: REPRESENTAÇÃO DAS DISTÂNCIAS... 32 FIGURA8: FIGURA DO CENTRO DE BALSAS - MA (GOOGLE EARTH)... 33 FIGURA9: FIGURA DO CENTRO DE RIACHÃO - MA (GOOGLE EARTH)... 33 FIGUR10: DISTÂNCIA ENTRE BALSAS E RIACHÃO (GOOGLE EARTH)... 34 FIGURA11: SOFTWARE RÁDIO MOBILE BOTÃO ABRIR MAPA... 35 FIGURA12: SOFTWARE RÁDIO MOBILE PROPRIEDADE DO MAPA... 35 FIGURA13: SOFTWARE RÁDIO MOBILE COORDENADAS... 36 FIGURA14: SOFTWARE RÁDIO MOBILE CENTRO DO MAPA... 36 FIGURA15: SOFTWARE RÁDIO MOBILE ESCALA MAPA ELEVAÇÃO... 37 FIGURA16: SOFTWARE RÁDIO MOBILE ESCALA MAPA ELEVAÇÃO... 37 FIGURA17: SOFTWARE RÁDIO MOBILE PROPRIEDADES DA REDE... 38 FIGURA18: SOFTWARE RÁDIO MOBILE PROPRIEDADES DA REDE... 39 FIGURA19: SOFTWARE RÁDIO MOBILE LISTA DE ESTAÇÕES... 40 FIGURA20: ENLACE ENTRA BALSAS E RIACHÃO... 41 FIGURA21: ENLACE ENTRA BALSAS E RIACHÃO... 42 FIGURA20: ENLACE ENTRA BALSAS E RIACHÃO... 42 FIGURA21: ENLACE ENTRE BALSAS, RIO COCO (REPETIDORA) E RIACHÃO... 43 FIGURA22: SOFTWARE RÁDIO MOBILE COORDENADAS RIO COCO... 43 FIGURA23: SOFTWARE RÁDIO MOBILE COORDENADAS RIO COCO... 44 FIGURA24: CONFIGURAÇÃO ESTAÇÃO RIO COCO... 45 FIGURA25: RÁDIO MOBILE ENLACE ENTRE BALSAS E RIO COCO... 46 FIGURA26: RÁDIO MOBILE ENLACE ENTRE BALSAS E RIO COCO... 46 FIGURA27: RÁDIO MOBILE ENLACE ENTRE RIO COCO E RIACHÃO... 47 FIGURA28: GOOGLE EARTH AEROPORTO DE BALSAS MA... 47 FIGURA29: GOOGLE EARTH PADRINHO AÉREO AGRÍCOLA LTDA... 48

6 FIGURA30: RÁDIO MOBILE ENLACE ENTRE AEROPORTO DE BALSAS E PADRI- NHO AÉREO AGRÍCOLA LTDA... 48 FIGURA31: RÁDIO UBIQUITI ROCKET M5... 49 FIGURA32: RÁDIO INTELBRÁS O PTP 5-23 MIMO PRO... 51 FIGURA33: RÁDIO MOTOROLA CANOPY PTP 600... 52 FIGURA34: BANDA PASSANTE EM ENLACE DE 50KM... 53

7 LISTA DE TABELAS TALELA 1 TRANSMISSÃO IEEE 802.11A... 26 TALELA 2 TRANSMISSÃO IEEE 802.11N... 29 TALELA 3 COMPARATIVO ENTRE EQUIPAMENTOS... 53 TALELA 4 INVESTIMENTOS... 54 TALELA 5 CENARIO EM UM ENLACE DE 50KM... 54

8 GLOSSÁRIO Wireless (rede sem fio, também chamada de Wi-fi). UTP ((Unshilded Twisted Par) IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers) MHz (Megahertz) GHz (Gigahertz) Spread Spectrum (técnica de codificação para a transmissão digital de sinais) OSI (Open System Interconection) LCC (Controle de Link Logico) MAC (Controle de Acesso ao Meio) ACK (acknowledge) CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) FH-CDMA (Frequency Hopping Code Division Multiple Access) DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) OFDM (Ortogonal Frequency-Division Multiplexing) Mbps (Megabits por segundo) CCK (Complementary Code Keying) PSK (Phase Shift Keying) PHY (é uma abreviatura para a camada física do modelo OSI) µs (Microssegundo) Throughput (Taxa de transferência) mw (Megawatt) BPS (Binary Phase Shift Keying) QAM (Quadrature Amplitude Modulation) 64-QAM (64-bit Quadrature Amplitude Modulation) QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) BPSK (Binary Phase Shift Keying)

9 SUMÁRIO 1 - INTRODUÇÃO... 11 1.1 Justificativa... 12 1.2 Objetivos... 13 1.2.1 Objetivo Geral... 13 1.2.2 Objetivos Específicos... 13 1.3 Metodologia... 14 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA... 15 2.1 WIRELESS OU WI-FI... 15 2.1.1 Controle do Link Lógico (LLC, IEEE 802.2)... 17 2.1.2 Controle de Acesso ao Meio (MAC, IEEE 802.11)... 17 2.1.3 Camada Física... 18 2.2 MÉTODOS DE TRANSMISSÃO... 19 2.2.1 FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum)... 19 2.2.2 DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum)... 21 2.2.3 OFDM (Ortogonal Frequency-Division Multiplexing)... 23 2.3 PROTOCOLOS... 24 2.3.1 IEEE 802.11... 24 2.3.2 IEEE 802.11b... 24 2.3.3 IEEE 802.11a... 25 2.3.4 IEEE 802.11g... 27 2.3.5 IEEE 802.11n... 28 2.3.6 Alcance... 30 2.3.7 ANTENAS... 31 3 DESENVOLVIMENTO... 32 3.1. Distância entre os pontos remotos... 32 3.2. Levantamento das condições de relevo entre os pontos... 35 3.3. Levantamento da altura das antenas Torres de comunicação... 40 3.4. Levantamento dos equipamentos adequados para a distância... 49 3.4.1 Rádio Ubiquiti Rocket M5... 49 3.4.2 Rádio Intelbrás O PTP 5-23 MiMo Pro com antena integrada de 23 dbi... 50

10 3.4.3 Rádio Motorola Canopy PTP 600... 41 3.5. Realização de simulações no ambiente, demonstração do enlace e comparativo entre equipamentos... 51 3.6. - Investimentos... 54 3.7. Investimentos em um cenário com um enlace de 50 km... 54 4 CONCLUSÃO... 55 5 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS... 56

11 1. INTRODUCÃO Atualmente na área das telecomunicações ou redes sem fio de longa distância há cada vez mais a necessidade de se obter meios e maneiras eficientes de comunicação entre dois ou mais equipamentos. Desta forma, com o passar do tempo, muitas são as soluções desenvolvidas para agilizar esse processo e torná-lo economicamente viável, de forma mais recente estudos são feitos para se estabelecer essa comunicação a distâncias cada vez maiores, em algumas tecnologias utilizadas atualmente já é possível criar um enlace de dados de alta velocidade de até 200km com visada direta. Muitos meios de comunicações sem fio (Wireless) já foram e continuam sendo desenvolvidos, e o mais utilizado deles ainda é a transmissão de dados via cabo, sejam eles, cabos de rede (UTP) ou fibra ótica. Porém o uso de uma estrutura cabeada está dissipando-se cada vez mais devido à grande mão de obra necessária e também evidente necessidade de grandes distâncias a serem cobertas. As novas tecnologias de comunicação de dados sem fio têm desenhado um novo padrão para as comunicações em redes, tanto para aplicações individuais como as corporativas. É cada vez maior a convergência entre as novas tecnologias sem fio e os padrões de comunicação móvel em banda larga, favorecendo a interconexão dos mais diferentes tipos de dispositivos. Com relação aos padrões de comunicação Wireless o mais popular é o 802.11, esse possui muitas variações que são atualizações, novos recursos descobertos e com isso novos equipamentos foram desenvolvidos com maior capacidade de transmissão e alcance. Este é o padrão escolhido para realização deste trabalho. Basicamente as tecnologias Wireless são compostas por uma rede de antenas que irradia um sinal e os equipamentos, estas conseguem transmitir dados em alta velocidades que varia de acordo com a capacidade da tecnologia utilizada, nos capítulos a seguir veremos quais são essas tecnologias, quais equipamentos e mecanismos utilizados para atingir essa comunicação. Visada direta Termo que se utiliza quando não há obstáculos entre equipamentos que precisam se comunicar.

12 1.1 JUSTIFICATIVA A região sul do estado do Maranhão é desprovida de comunicação de qualidade. Desta forma surge a necessidade de estudos nessa área para melhorar e/ou ampliar o sistema de comunicação local. Este trabalho pode contribuir na tomada de decisão para implantação de um canal de comunicação sem fio de longa distância. Empresas como o Grupo Dharma Radiocomunicação (Maior Revenda Premium Motorola da América Latida) fazem esse estudo, no entanto, o alto custo de um projeto elaborado por essa empresa certamente tornaria inviável a implantação. Com o desenvolvimento desse trabalho pretende-se apresentar soluções técnicas e comerciais para a implementação de enlace entre dois pontos remotos em distâncias de 10km, 20km e 50 km. Em nossa região muitas fazendas podem ser beneficiadas com esse projeto, por exemplo, um pequeno agricultor que tem sua lavoura a uma distância de 20 km da cidade e pretende colocar internet em um escritório na própria lavoura, ele pode contratar uma internet na cidade e leva-la até a lavoura (fazenda, chácara) utilizando os princípios desse estudo.

13 1.2 OBJETIVOS 1.2.1 Objetivo Geral: realizar análises da viabilidade técnica, de custos e implantação de uma rede sem fio entre a cidade de Balsas MA e a cidade de Riachão - MA. 1.2.2 Objetivos Específicos: a) Levantamento da distância entre os pontos remotos; b) Levantamento das condição do relevo entre os pontos (Se é plano, se tem visibilidade direta, se tem morros, rios); c) Levantamento da altura das antenas (Torres de comunicação); d) Levantamento dos equipamentos adequados para a distância, levando em consideração o custo benefício (Rádios, Antenas, Conectores); e) Levantamento / análises e testes para determinar a frequência (GHz) a ser utilizada; f) Realização de simulações no ambiente, demonstração do enlace e comparativo entre equipamentos.

14 1.3 METODOLOGIA A metodologia utilizada será através de pesquisas bibliográficas nos livros do Gabriel Torres, Andrew Tannenbaum, Simon Haykin, Michael Moher e com o auxílio do software de Propagação de Rádio e Mapeamento Virtual Radio Mobile for Windows 10.3.5 Freeware, que servirá de apoio para fazer as devidas análises no ambiente onde será feita a instalação do link de dados ponto a ponto. Para atingir esses resultados devemos inserir todas as variáveis, sejam elas de ambiente ou equipamentos no software Rádio Mobile for Windows e com esse software podemos chegar aos resultados recomendados para conseguir atingir as taxas de transferências desejadas. Variáveis de ambiente a ser analisada: o mapa real da região se é cidade ou floresta com as coordenadas geográficas, refratividade da superfície, condutividade do solo (S/m), Permissividade média do solo, clima (equatorial, subtropical continental, subtropical marítimo, deserto, temperado continental, temperado marítimo sobre a terra e temperado marítimo sobre o mar). As variáveis de equipamentos que serão analisadas: frequência, polarização, modo estático, topologia, altura da antena, tipo de antena, direção da antena, azimute, ângulo de elevação, ganho da antena (dbi), modo de propagação de sinal, potência de transmissão (watt), limiar do receptor (µv), perda de linha (db) e perda de cabo adicional (db/m). Para fazer as análises será necessário realizar a coleta das variáveis, algumas delas podemos seguir padrões já definidos, as informações do clima, por exemplo, estão disponíveis do site do INPE (Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais), e inserir no software Rádio Motion, depois de coletadas e inseridas todas essas informações já será possível visualizarmos os cenários ideais para implantação e também será necessário fazer uma gestão das informações apresentadas via software, as expectativas a serem alcançadas com a execução do projeto e o que se pretende investir no enlace de dados.

15 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Neste capitulo serão abordados os conceitos necessários para desenvolvimento do trabalho de acordo com principais autores de livros sobre o assunto e também outros informações relacionados ao tema proposto. A Revisão Bibliográfica será apresentada da seguinte forma: Definições de Wireless, Métodos de transmissão de dados (FHSS, DSSS, OFDM), Protocolos (802.11, 802.11a, 802.11b, 802.11g e 802.11n), Alcance e Antenas. 2.1 WIRELESS OU WI-FI Existem várias tecnologias para montar uma rede sem fio, sendo o padrão IEEE 802.11 o mais popular. Este padrão também é conhecido como Wi-fi, mas é importante saber que Wi-fi e IEEE 802.11 não são a mesma coisa. Wi-fi é uma marca registrada da Aliança Wi-fi, um grupo formado por diversos fabricantes. Para um equipamento ter o direito de ser chamado de Wi-fi ele tem que ter passado pelo processo de certificação deste grupo. Sendo assim, todo equipamento Wi-fi é IEEE 802.11, mas nem todo equipamento IEEE 802.11 é Wi-fi. No mundo Macintosh a arquitetura IEEE 802.11 é também chama de AirPort. Deixando-se esta questão de nomenclaturas de lado, na prática todos acabam usando os termos Wifi, IEEE 802.11, Sem fio e Wireless como sinônimos (TORRES, 2009). O padrão IEEE 802.11 é usado para modelagem de redes locais sem fio, usando transmissão por ondas de rádio (RF, Radiofrequência). A taxa de transferência e o alcance dependem do padrão usado na camada física de rede (IEEE 802.11b, IEEE 802.11g, IEEE 802.11n etc.), do ambiente e do tipo de ante usado. Esse é o propósito do nosso estudo, são vários padrões cada um deles com suas especificações, é preciso termos conhecimento de todos os padrões para que consigamos montar a melhor projeto para cada cenário. Continuemos entendendo os conceitos que são imprescindíveis para o domínio da tecnologia. Esse padrão opera nas camadas um e dois do modelo OSI e, portanto, responsável por pegar os pacotes de dados passados pelo protocolo de alto nível usado, dividi-los em quadros e transmiti-los via ondas de rádio. Observe na representação abaixo.

16 LIND DE DADOS FÍSICA CONTROLE DO LINK LOGICO (LLC) IEEE 802.2 CONTROLE DE ACESSO AO MEIO (MAC) IEEE 802.11 FÍSICA IEEE 802.11b, IEEE 802.11n, ETC. Figura1: Padrão IEEE 802.11 (TORRES, 2009). Vejamos uma representação mais realista unindo arquitetura no padrão IEEE 802.11 como o do modelo OSI. 7 6 5 4 3 APLICAÇÃO APRESENTAÇÃO SESSÃO TRANSPORTE REDE CONTROLE DO LINK LÓGICO (LLC) IEEE 802.2 OSI CONTROLE DE ACESSO AO MEIO (MAC) IEEE 802.11 FÍSICA IEEE 802.11b, IEEE 802.11n, ETC. WI-FI 802.11) (IEEE Figura2: Padrão IEEE 802.11 modelo OSI (TORRES, 2009).

17 Outra representação mais real é representada abaixo onde mostramos o modelo em camadas de uma rede Wi-fi usando a pilha de protocolos TCP/IP, que é o cenário mais comum. APLICAÇÃO TRANSPORTE TCP/IP REDE CONTROLE DO LINK LÓGICO (LLC) IEEE 802.2 CONTROLE DE ACESSO AO MEIO (MAC) IEEE 802.11 FÍSICA IEEE 802.11b, IEEE 802.11n, ETC. Figura3: Padrão IEEE 802.11 modelo TCP/IP (TORRES, 2009). WI-FI 802.11) (IEEE 2.1.1 Controle do Link Lógico (LLC, IEEE 802.2) Nessa camada inclui as informações do protocolo de alto nível (isto é, operando na camada 3 do modelo OSI) que entregou o pacote de dados a ser transmitido. Com isso, a máquina receptora tem como saber para qual protocolo de alto nível ela deve entregar os dados de um quadro que ela acabou de receber. Esta camada é exatamente a mesma usada na arquitetura Ethernet. 2.1.2 Controle de Acesso ao Meio (MAC, IEEE 802.11) Apesar do nome similar ao usado por redes Ethernet Controle de Acesso ao Meio ou MAC -, esta camada opera de maneira diferente da camada de mesmo nome usada por outras arquiteturas. O papel é o mesmo gerar o quadro de dados que será transmitido pelo meio físico (no caso de redes wireless, o ar), porém o padrão IEEE 802.11 difere do IEEE 802.3 (Ethernet) na maneira com que ele verifica se o meio está disponível para a transmissão. Além de dividir o pacote de dados em quadros e verificar se o meio está disponível para transmissão, em redes IEEE 802.11, a camada de Controle de Acesso ao Meio desempenha outras funções. Ela conforme se os dados foram recebidos corretamente, enviando um quadro chamado de acknowledge (ACK) de volta ao transmissor (fazendo com que as redes IEEE

18 802.11 sejam confiáveis, ou seja, orientadas à conexão) e também criptografa os dados, caso a criptografia esteja habilitada. A maior similaridade desta camada com a camada de mesmo nome usada na arquitetura Ethernet é o sistema de endereçamento físico (endereçamento MAC). O padrão IEEE 802.11 utiliza um esquema de transmissão chamado CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance). Nesse esquema, uma estação querendo transmitir dados primeiro escuta o meio (o ar) para ver se não há nenhuma outra comunicação em progresso. Se ninguém estiver usando o canal, a estação inicia a sua transmissão. Caso o canal esteja sendo usado, a estação espera um período de tempo aleatório até testar novamente se o canal está disponível, esse conteúdo de meio de transmissão e acesso a meio nos foi passado na disciplina de Administração e Gerencia de Redes ministrada pelo professor Cleverton Marlon Possani no semestre 2012.2 (6 período), além do CSMA/CA existem outros, mas vamos nos limitar a nos aprofundarmos nesse que faz parte do nosso objeto de estudo e pesquisa. Em teoria só há um único momento onde colisões podem ocorrer, isso acontece quando duas estações percebam, exatamente no mesmo tempo, que o canal está livre e tentam transmitir dados exatamente ao mesmo tempo. 2.1.3 Camada Física Esta camada é responsável por pegar o quadro de dados gerado na camada anterior (MAC) e transmiti-la via onda de rádio. A maneira com que isto é feito varia de acordo com o protocolo usado nesta camada, tais como IEEE 802.11a, IEEE 802.11b, IEEE 802.11g e IEEE 802.11n. Esses protocolos não só especificam a taxa de transferência máxima da conexão, mas também como exatamente os dados serão modulados e transmitidos via onda de rádio. Para uma correta compreensão de como esses protocolos funcionam, precisamos primeiro estudar as técnicas mais comuns para transmissão de dados através do espectro eletromagnético para podemos nos aprofundar nos padrões citados, no nosso caso especifico o padrão IEEE 802.11n que é o que nos permite transmitir dados a distancias mais longas e com altas taxas de transferências, mas para conseguimos implementar um enlace com todas essas características e principalmente extrair do máximo dos equipamentos que trabalham nesse padrão.

19 Redes Wi-fi usam sinais de rádio para se comunicarem e, portanto, precisam usar um frequência de transmissão, exatamente como acontece com estações de rádio comerciais. Duas faixas de frequência do espectro eletromagnético podem ser usadas: a faixa de 2,4 GHz e a faixa de 5 GHz. Essas duas faixas de frequência não necessitam de autorização ou licença para uso e por esse motivo foram escolhidas (rádios comerciais e estações de TV, por exemplo, necessitam de licença para transmissão, por transmitirem em uma faixa de frequência onde esse procedimento é necessário (TORRES, 2009). Como essas frequência são livres podem ser utilizadas sem a necessidade de autorização junto a qualquer órgão regulamentador, fez com o passar do tempo com que essas frequências ficassem poluídas e gerando interferências e isso compromete a transmissão de dados, reitero que pretendemos apresentar com o projeto meios para que, mesmo em locais com poluição de frequências é possível otimizar ao máximo o ganho dos equipamentos. 2.2 MÉTODOS DE TRANSMISSÃO Neste capitulo abordamos os conceitos e como é o funcionamento dos seguintes métodos de transmissão: FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum), DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) e OFDM (Ortogonal Frequency-Division Multiplexing). 2.2.1 FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) Esse método de transmissão, também chamado de FH-CDMA (Frequency Hopping Code Division Multiple Access), pega uma faixa de frequência e divide em vários canais. No caso do padrão IEEE 802.11 a faixa disponível de 2.400 MHz a 2.495 MHz ( 2,4 GHZ ) é dividia em 96 canais de 1MHz cada (numerados de zero a 95). Desses canais, somente os canais de dois a 79 podem ser usados (2.402 MHz a 2.479 MHz), e com isso temos 78 canais disponíveis. TORRES, 2009, afirma que em muitos livros e sites na internet informam que há 79 canais disponíveis, porém os mesmos cometem um equívoco de esquecer-se de descontar os canais que não podem ser usados.

20 De tempos em tempos o canal usado é alterado automaticamente, só que não de maneira sequencial (canal 1, canal 2, canal 3 etc.), mas sim de uma maneira aleatória. Assim podemos transmitir e receber dados, os dispositivos de rede necessitam saber a sequência exata dos canais a serem usados. Com isso, esse sistema oferece por si só uma segunda que no sistema de rádio usando um frequência só não há. Vamos fazer uma representação abaixo (figura 5) e darmos um exemplo para melhor compreensão do assunto. Nesse exemplo hipotético dividimos o espectro disponível em seis canais e o transmissor muda de tempos em tempos a frequência na qual ela está transmitindo. Nesse exemplo específico, os dados começaram a ser transmitidos no canal 4, depois passaram a ser transmitidos no canal 6, em seguida no canal 1 e assim por diante. Para conseguir capturar os dados sendo transmitidos corretamente, o receptor precisa saber a sequência usada. Como comentamos anteriormente, em redes IEEE 802.11 usando esta técnica 78 canais são usados. Cada canal é usado por no máximo 400 ms. Frequência F6 (Canal 6) F5 (Canal 5) F4 (Canal 4) F3 (Canal 3) F2 (Canal 2) Tempo F1 (Canal 1) Figura4: Método FHSS (TORRES, 2009). Tempo Uma vantagem desse sistema é que várias redes operando por onda de rádio podem coexistir usando a mesma faixa de frequência na mesma região sem gerarem interferência de rádio entre elas. Normalmente, quando há dois sistemas de transmissão de rádio operando na mesma faixa de frequência dentro de uma mesma região de alcance, eles não funcionam corretamente, já que o sistema interferirá no outro, como mencionamos anteriormente sobre a poluição existente hoje, o índice é bem maior nas grandes cidades. Quando usamos a tecnologia FHSS, caso haja interferência, os sistema terão problemas de estar usando o mesmo canal somente durante no máximo 400 milissegundos. Como a

21 troca de canais é feita aleatoriamente, possivelmente o próximo canal usando pelos sistemas será diferente, eliminando o conflito. Em uma área que tenha dois sistemas FHSS operando, as chances de conflito de canal são de 1:78 (1,28%), já que existem 78 canais disponíveis. De fato probabilidade está correta, no entanto, sabemos que em regiões povoadas por dispositivos Wi-fi não existem somente 2 sistemas operando no mesmo canal, são inúmeros. A tecnologia FHSS, por causa das frequentes alternâncias de canal e por conta do tamanho do canal de penas 1 MHz, é bem mais lenta que a tecnologia DSSS que veremos a seguir, e por esse motivo atualmente não é mais usada. A tecnologia FHSS pode operar a taxas de transferências máximas teóricas de apenas 1 ou 2 Mbps. 2.2.2 DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) A tecnologia DSSS funciona de maneira diferente. Nela a faixa de frequência requerida para a transmissão dos dados é aumentada. Na parte superior da figura 5 nós podemos observar como os dados poderiam ser transmitidos, usando-se uma faixa de frequência pequena. No entanto, os dados são alterados para que sejam transmitidos usando-se uma faixa de frequência mais larga, como é mostrado na parte inferior da ilustração. Amplitude SINAL ORIGINAL Frequência SINAL TRANSMITIDO Amplitude Figura5: Método DSSS (TORRES, 2009). Frequência

22 A utilização de uma faixa de frequência maior traz duas vantagens básicas. Primeiro, o transmissor pode usar uma potência de transmissão menor (quanto mais espalhada a faixa de frequência for, menos potência de transmissão é requerida) repare como a amplitude ( altura ) do sinal transmitido é menor do que a amplitude do sinal caso ele fosse transmitido usando uma faixa de frequência mais estreita. Segundo, os dados ficam mais protegidos contra interferências. Esta característica merece uma explicação mais aprofundada. Fontes de interferência normalmente atacam somente uma parte restrita do espectro de frequência, ou seja, elas funcionam como o sinal superior da figura 5. Vejamos abaixo na figura 6. Amplitude RUIDO SINAL ESPALHADO Frequência Amplitude SINAL CORRESPONDENTE RUIDO Figura6: Método DSSS (TORRES, 2009). Frequência Como o receptor do sinal está sintonizado para receber um sinal espalhado no espectro, ou seja, ocupando uma faixa de frequência larga), a interferência, por estar em uma faixa de frequência pequena, pode ser ignorada pelo receptor. Na figura 6 apresentamos uma me-

23 lhor maneira de se explicar isso. Na parte superior temos o sinal contendo dados, espalhado no espectro de frequência. O ruído, como explicado, ocupa uma parte pequena do espectro. Na parte inferior temos o que o gráfico superior realmente significa para o rádio receptor. Como ele está sintonizado para receber um sinal espalhado, este sinal correspondente, para ele, a um sinal como se fosse transmitido em uma faixa de frequência curta. Por analogia, uma sinal que esteja em uma faixa curta de frequência é visto por ele como se fosse um sinal espalhado no espectro. Esse método de transmissão é usado pelos padrões IEEE 802.11 E IEEE 802.11b. 2.2.3 OFDM (Ortogonal Frequency-Division Multiplexing) Outro método usado para transmitir dados em redes IEEE 802.11 chama-se OFDM. Neste método um canal de transmissão, ou seja, uma determinada faixa de frequência do espectro é dividido em vários subcanais, e estes subcanais são usados para transmitir dados paralelamente, aumentando o desempenho. Ou seja, enquanto que os métodos anteriores só há uma transferência por vez, na OFDM há várias transferências ocorrendo em paralelo. Como exemplo, o padrão IEEE 802.11a cada canal é dividido em 52 subcanais e desses 48 são usados para a transmissão paralela de dados.

24 2.3 PROTOCOLOS Neste capitulo abordamos os seguintes padrões: IEEE 802.11, IEEE 802.11a, IEEE 802.11b, IEEE 802.11g e IEEE 802.11n. 2.3.1 IEEE 802.11 A primeira especificação da camada física usada por redes IEEE 802.11 recebia o mesmo nome, ou seja, não tem nenhuma letra a opôs o termo IEEE 802.11, e foi lançada em 1997. Esta especificação permitia três tipos de modo de transmissão: FHSS, DSSS e infravermelho. Ambas as técnicas de transmissão sem fio por ondas de rádio só tinham duas velocidades de transmissão possíveis, 1 Mbps e 2 Mbps, e operavam na faixa de frequência de 2,4 Ghz. Resumo do padrão IEEE 802.11: Taxas de transmissão disponíveis: 1 Mbps e 2 Mbps Método de transmissão: DSSS e FHSSS Faixa de frequência de transmissão: 2,4 GHz Número de canais sem sobreposição: 3 Tipo de Modulação: Codificação Barker + PSK (DSSS) ou GFSK (FHSSS) SIFS: 28 µs (FHSS ou 10 µs (DSSS) DIFS: 128 µs (FHSSS) ou 50 µs (DSSS) 2.3.2 IEEE 802.11b Lançado em 1999, estre padrão expandiu o funcionamento do padrão IEEE 802.11 para incluir as taxas de transferência de 5,5 Mbps e 11 Mbps. O padrão IEEE 802.11b transmite dados no modo DSSS, e utiliza-se de outro sistema de codificação, chamado CCK (Complementary Code Keying) para atingir taxas de transferências mais elevadas. Nesse método cada grupo de quadro ou oito bits de dados é convertido em um símbolo de oito bits. A transmissão ocorre usando o mesmo clock de 11 MHz, o que agora representa uma taxa de 1,375 milhão

25 de símbolos por segundo (11 MHz / 8 bits). Se cada símbolo representar um grupo de 4 bits de dados temos um taxa de 5,5 Mbps (1,375 milhão de símbolos por segundo x 4 bits), e quando cada símbolo representa um grupo de 8 bits de dados temos uma taxa de 11 Mbps (1,375 milhão de símbolos por segundo x 8 bits), TORRES, 2009. É importante observar e ter consciência que, enquanto profissional de TI que implementa soluções em redes wireless deve saber que os bits de dados a que nos referimos anteriormente refere-se a bits do quadro IEEE 802.11, que incluem bits de dados e bits de controle (cabeçalho do quadro). Por esse motivo, as taxas de transferências para redes Wi-fi são taxas impossíveis de serem obtidas na prática, pois para seus cálculos são considerados todos os bits do quadro, que inclui informação que não são dados do usuário. Resumo do padrão IEEE 802.11b: Taxas de transferência disponíveis: 5,5 Mbps e 11 Mbps Método de transmissão: DSSS Faixa de frequência de transmissão: 2,4 GHz Número de canais sem sobreposição: 3 Tipo de modulação: Codificação CCK e PSK SIFS: 10 µs DIFS: 50 µs 2.3.3 IEEE 802.11a Este padrão foi lançado na mesma época do IEEE 802.11b (1999) para permitir redes sem fio operando a até 54 Mbps. Para conseguir atingir esta taxa de transferência, passou-se a usar o método OFDM. A faixa de frequência escolhida para o padrão IEEE 802.11a foi a de 5 GHz é que ela é menos utilizada e, portanto possui menos interferência, o que se traduz em uma maior taxa de transferência prática (throughput). No entanto, quanto maior a frequência de transmissão menor o alcance e, portanto, o alcance máximo deste padrão é inferior ao de redes IEEE 802.11b e IEEE 802.11ª ao mesmo tempo. É importante observar que ao utilizar a frequência de 5 GHz não é possível fazer com que dispositivos IEEE 802.11a seja diretamente compatível com o dispositivo IEEE 802.11b,