Redes WLAN: IEEE 802.11ac A Gigabit Wireless LAN Vivemos hoje uma explosão de dispositivos wireless, tanto smartphones, tablets e obviamente notebooks. A internet das coisas, onde todos os dispositivos dos mais diversos fins poderão se conectar a internet, acelera a implantação do protocolo IPv6. O usuário conectado em qualquer lugar, a qualquer momento, demanda cobertura consistente de redes wireless cada vez mais abrangente. A disponibilidade WiFi é cada vez mais comum nos ambientes públicos e privados. Muito mais que um serviço, ela é cada vez mais uma facilidade quase obrigatória dada ao trabalhador, cliente ou visitante daquele ambiente. Este tutorial aborda o novo padrão de rede WLAN, 802.11ac e suas implicações. Arnaldo de Carvalho Junior Engenheiro Eletricista modalidade Eletrônica pela Universidade Santa Cecilia (Santos, SP 1991), possui MBA em Gestão Empresarial pela Fundação Getúlio Vargas (2001), com extensão MBA da Universidade da Califórnia Irvine (2001). Especialista em Telecomunicações, com ênfase em sistemas de acesso rádio GSM, CDMA, 3G, LTE, WiMAX e Wireless LAN. Possui ainda certificações Gerenciamento de Projetos PMP, WLAN CWNA e Cisco R&S CCNA e CCNP. Com experiência de 20 anos em Telecomunicações, atuou em empresas como Cisco, Alcatel-Lucent, MSI, entre outras, ocupando posições tais como Consultor de Engenharia de Sistemas Wireless, Gerente de Engenharia de Pré-venda Wireless e Gerencia de Produto. É professor de disciplinas relacionadas a Telecomunicações e Redes de Computadores no Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de São Paulo Campi Cubatão desde 1992 e da Universidade Católica de Santos desde 2003. Email: adecarvalhojr@yahoo.com.br 1
Categoria: Redes de Dados Wireless Nível: Introdutório Enfoque: Técnico Duração: 15 minutos Publicado em: 26/08/2013 2
Redes WLAN: Introdução O desenvolvimento da tecnologia Wireless LAN, começou no final dos anos 90, de maneira a atender usuários com demandas específicas, como interligar computadores de maneira rápida, sem a utilização de cabos. A medida que a popularização de computadores portáteis e transportáveis como notebooks, laptops, e mais recentemente tablets, aumentou, a tecnologia também evoluiu de maneira a acompanhar a evolução das redes LAN. A tabela 1 abaixo traça um comparativo da evolução das redes WLAN e LAN. Tabela 1: Comparativo entre evolução do Protocolo Ethernet e Wireless LAN PUBLICAÇÃO REDE LAN REDE WLAN 802.11 PADRÃO WIRELESS LAN Ethernet 10 Mbps 802.11b 11 Mbps 1999 Fast Ethernet 100 Mbps 802.11a / g 54 Mbps 1999 / 2003 Gigabit Ethernet 1000 Mbps 802.11n 75 600 Mbps 2009 10 Gigabit Ethernet 10 Gbps 802.11ac 3,46 Gbps e além 2012 O gráfico abaixo mostra como a velocidade oferecida pela Wireless LAN cresce de forma exponencial. Figura 1: Evolução da Tecnologia Wireless LAN Para aumentar a velocidade de transmissão, além do aumento da largura de banda e novos níveis de modulação, novas tecnologias foram introduzidas ao longo dos anos, tais como o processo OFDM, MIMO, melhores algoritmos de sinalização entre Access point e Terminal do cliente, entre outras. O padrão 802.11ac começa apenas agora a ser introduzido ao mercado e já se trabalha em sua evolução, como o 802.11ad. 3
Redes WLAN: Visão Geral - Padrão 802.11ac Em qualquer tecnologia, seja em redes cabeadas, sem fio ou óticas, 3 itens são fundamentais e interrelacionados de modo a permitir o aumento da taxa de transmissão. São eles: Aumento da largura de banda utilizada; Aumento da eficiência espectral; Relação Sinal/Ruído. Assim como os padrões anteriores, o padrão 802.11ac explora justamente estes itens de modo a permitir o aumento da taxa de transmissão. A largura de banda utilizada por um canal de RF tem sido aumentada a cada novo padrão WLAN utilizado, conforme a tabela 2 abaixo: Tabela 2: Largura de Banda utilizada por cada padrão de WLAN LARGURA DE PADRÃO BANDA (MHz) 802.11 1 802.11b 5 802.11a/g 20 802.11n 20 / 40 802.11ac (fase 1) 80 802.11ac (fase 2) 160 Em relação ao aumento da eficiência espectral, várias tecnologias foram utilizadas a cada novo padrão, conforme a tabela 3 abaixo. Tabela 3: Tecnologias empregadas em cada versão do padrão 802.11 LARGURA DE BANDA PADRÃO (MHz) 802.11 FHSS ou DSSS, modulação BPSK 802.11b DSSS, modulação BPSK/QPSK 802.11a/g OFDM (52 subportadoras), modulação QAM64 802.11n OFDM (108 subportadoras), modulação QAM64, MIMO 4x4 802.11ac OFDM (234, 2x234 subportadoras), modulação QAM256, MIMO 8x8 Em relação à Relação Sinal/Ruído, várias técnicas são empregadas para suportar o aumento da taxa de transmissão, tais como: OFDM: Interferências de banda estreita podem degradar algumas sub-portadoras, porém as demais podem ser utilizadas para manter a comunicação. MCS (Modulation & Coding Scheme Esquema de Modulação e Codificação): Desde os padrões 4
80211a /g a modulação e codificação de cada portadora é dinamicamente variável em função da relação S/N no canal. A codificação aumenta ou diminui a quantidade de bits utilizados para o mecanismo de correção de erros utilizado. MIMO: Permite a utilização de múltiplos fluxos de dados simultâneos, utilizados para elevar a taxa de transmissão (SM Spatial Multiplexing ou Multiplexação Espacial) ou para melhorar a relação sinal/ruído, via Transmit Beamforming no sentido Downlink e MRC no sentido Uplink. O Transmit Beamforming permite tomar vantagem das múltiplas vias transmitidas para aumentar o sinal recebido pelo receptor. Ao mesmo tempo, no sentido de Uplink, o MRC Maximum Ratio Combining (Combinação de Máxima Relação), permite utilizar os vários receptores do MIMO para combinar os sinais recebidos (corrigidos em amplitude e fase) de modo a obter um ganho de diversidade de recepção máximo. Faixa de 5 GHz: A faixa de 2,45 GHz não suporta canais de 80 MHz, então o padrão 802.11ac utilizará apenas a faixa de 5 GHz, que é menos congestionada de dispositivos e, portanto, menos poluída de fontes interferentes. A figura 2 abaixo mostra de maneira clara o salto do padrão 802.11ac em comparação ao 802.11n. Figura 2: O 802.11ac em comparação ao 802.11n A tabela 4 abaixo mostra o cálculo da velocidade do padrão 802.11ac. O cálculo é dado por: Exemplo: Taxa = [(# de sub-portadoras de dados OFDM) x (# fluxos MIMO) x (codificação)*log2(símbolos QAM)]/(duração símbolo) 52 x 1 x 5/6 x log2(64) x 4*10-6 = 72,2 Mbps. Tabela 4: Taxa máxima na camada física em função das características da interface 5
CARACTERÍSTICAS CAMADA FÍSICA 11a 11n 11n 11n 11ac 11ac 11ac Banda (MHz) 20 20 40 40 80 80 160 (80+80) # de sub-portadoras (dados) 48 52 108 108 236 236 2*236 # de Fluxos Espaciais (MIMO) 1 1 2 4 3 4 8 Bits por sub-portadora 6 6 6 6 8 8 8 QAM64 QAM64 QAM64 QAM64 QAM256 QAM256 QAM256 Codificação ¾ 5/6 5/6 5/6 5/6 5/6 5/6 Duração do Símbolo OFDM (µseg) 4 3,6 3,6 3,6 3,6 3,6 3,6 Taxa de Transmissão Máxima em Mbps (Camada Física) 54 122 300 600 1311,1 1748,1 6992,6 6
Redes WLAN: Canalização Disponível O espectro disponível para WLAN varia de país a país. No Brasil, ele é regulamentado pela Resolução 506, atualização 2012 da Anatel. Nele, o espectro para WLAN na faixa de 2.45 GHz corresponde a 2.400-2.483,5 MHz, ou seja uma largura de banda de 83,5 MHz. Isso, em teoria permitiria um canal de 80 MHz para 802.11ac, centrado no canal 7 (2,442 GHz ± 40 MHz). Porém, há restrições em vários países para o uso dos canais 12 e 13 de WLAN, sendo permitidos apenas os canais 1 a 11, de modo que o padrão 802.11ac seja implementado apenas na faixa de 5GHz. A figura 03 abaixo apresenta o espectro total de canais do padrão 802.11 na faixa de 2.45 GHz. Figura 3: espectro do WLAN na faixa de 2.45GHz Além disso, assim como já ocorria com o padrão 802.11n, um canal apenas pode ser possível para instalações indoor em residências, mas é um impeditivo para aplicações WLAN em larga escala, como em ambientes corporativos, com vários Access points. Já na faixa de 5GHz, no Brasil ela é subdividida em: 5150 5350 para uso indoor, 5.470-5.725 para uso indoor ou outdoor, com restrições de proteção a interferência de Radar (controle automático de potência e seleção dinâmica de frequência) e 5.725-5.850 MHz para uso outdoor. A tabela 5 abaixo apresenta a canalização indoor de 5 GHz, no Brasil e as possíveis combinações de canais disponíveis, dada a resolução atual, as configurações de Access points de modo a atender as regulações de diferentes países e restrições de potência, frequência e interferência a radares. Tabela 5: Possível configuração de canais para padrão 802.11ac no Brasil Assim sendo, seriam possíveis ao menos 4 canais de 80 MHz ou 2 canais de 160 MHz para implementação do padrão 802.11ac no Brasil. Vale lembrar que há um esforço no sentido de ampliar o espectro para WLAN 7
na faixa de 5GHz e mudanças regulatórias podem ocorrer no âmbito da Anatel. 8
Redes WLAN: Outras diferenças 802.11ac x 802.11n Outras diferenças foram formalizadas entre o 802.11ac e o 802.11n. Agregação de quadros: O padrão 802.11n permitiu a opção de transmitir vários quadros agregados mantendo-se o cabeçalho individual A-MPDU, ou quadros agregados com apenas 1 cabeçalho para todos os quadros (A-MSDU). Permite ainda uma combinação das 2 técnicas, A-MPDU de A-MSDU. O padrão 802.11ac requer que todas as transmissões sejam uma agregação A-MPDU. O 802.11ac amplia o mecanismo de acesso ao canal (channel access mechanism CCA) do 802.11n. O sensor de portadora virtual (virtual carrier sense) e o backoff ocorrem em um canal primário de 20 MHz, assim o CCA é usado para os sub-canais de 20 MHz imediatamente antes de transmiti-los. Não existe uma versão de formato de preâmbulo 802.11n greenfield, como ocorreu quando o 802.11n poderia ter um preâmbulo não compatível com as versões legadas 802.11a e 802.11g. Ao invés disso, o 802.11ac define um formato de preâmbulo que parecerá para os dispositivos legados como um preâmbulo 802.11a seguido por uma carga de dados (payload) com uma verificação de erros cíclica (CRC - cyclic redundancy check) ruim. O 802.11n introduziu um intervalo reduzido entre quadros (RIFS reduced interfame spacing), que reduz a sobreposição de quadros consecutivos. Todavia o A-MPDU também ajuda a evitar isso. O 802.11ac no DRAFT 3.0 não permite dispositivos 802.11ac transmitir com intervalos RIFS. RTS/CTS melhorado com sinalização de banda disponível. Beacons RTS são transmitidos em porções de 20 MHz, compatíveis com o legado. O transmissor inicia o RTS enviando 4 RTS de 20 MHz em um canal de 80 MHz. O receptor retornará cada CTS se o canal está limpo para iniciar a transmissão. A figura 04 abaixo ilustra esse mecanismo. Na esquerda, uma situação sem interferências e utilizando 80MHz. Na direita, apesar de o transmissor perceber 80 MHz livre, o receptor percebe uma interferência em parte do canal e responde com CTS apenas na parte livre de interferências. O transmissor então efetua a transmissão em uma banda de 40 MHz. 9
Figura 4: Exemplos de RTS e CTS 802.11ac sem e com interferência de AP legado 10
Redes WLAN: Dispositivos O Wi-Fi deixou de ser um sistema de comunicação entre computadores para se tornar um sistema de comunicação wireless de infinitos dispositivos para as mais diversas aplicações. Assim sendo, o padrão 802.11 deve ser flexível o suficiente para suportar dispositivos com restrições de bateria, de processamento, bem como dispositivos que possam usufruir da máxima taxa permitida pelo padrão. Dispositivos que não sejam dual-band ou que apenas suportem a faixa de 2,45 GHz poderão no máximo operar no padrão 802.11n. A tabela 6 abaixo apresenta as características e taxa de transmissão para diferentes categorias de dispositivos wireless de acordo com as previsões de mercado. Tabela 6: Tipos de dispositivos 802.11ac e as velocidades máximas suportadas Como apresentado acima, assim como já ocorre com o padrão 802.11n, no padrão 802.11ac haverão diferentes dispositivos no mercado, com diferentes capacidades com uma grande diferença de valores entre a configuração máxima e a configuração mínima (quase 20x). Será necessário que o usuário fique atento às especificações técnicas do produto para ter a correta dimensão de suas potencialidades. 11
Redes WLAN: Considerações finais A busca por maior velocidade de transmissão não é uma necessidade apenas para permitir que a comunicação entre 2 dispositivos ocorra em alta velocidade, mas também para permitir que mais dispositivos possam compartilhar o mesmo sistema. O padrão 802.11ac permitirá que dezenas de dispositivos possam estar conectados a um mesmo Access point e ainda usufruírem de velocidades de dezenas ou até centenas de Mbps. Também permitirá que em um ambiente corporativo, todos os colaboradores possam trabalhar com dispositivos móveis em velocidades comparáveis à rede cabeada, usando a rede wireless. Assim como já ocorreu com a introdução do padrão 802.11n, para utilizar todo o potencial do padrão 802.11ac, projetos de redes wireless devem ser bem planejados, com posicionamento correto dos access points e um planejamento de frequências eficaz, mesmo considerando-se que a faixa de 5 GHz hoje está menos poluída que a de 2,45 GHz. A demanda crescente por maior velocidade impõe a necessidade de o órgão regulador (ANATEL) estar atento e alinhado com os demais países no sentido de incentivar o melhor uso do espectro bem como oferecer ampliação do espectro disponível. Não basta apenas trocar os access points para o padrão 802.11ac. É necessário que toda a infraestrutura seja reavaliada. Um access point comercial 802.11ac provavelmente também seja 802.11n e dual band. Considerando-se que ele atinja na faixa de 5 GHz 1300 Mbps e na faixa de 2,45 GHz 450 Mbps, a taxa máxima agregada na interface Ethernet será de 1750 Mbps, o que exigirá uma interface Gigabit Ethernet. Assim sendo novos switches de acesso Gigabit serão mandatórios para esses access points. Além disso, múltiplos transmissores no access point podem ultrapassar a capacidade de potência de 15,4 W da interface PoE standard. Pode ser necessário switches ou injetores de potência PoE+. Muitos access points e dispositivos no mercado ainda operam no padrão legado 802.11g ou 802.11a, e muitas empresas ainda relutam em implantar sistemas dual-band ou mesmo 802.11n. No entanto, como access points e dispositivos no padrão 802.11ac já são uma realidade comercial, tanto o uso eficiente da banda de 5 GHz se faz necessário como adquirir equipamentos que já suportem ou permitam a evolução para 802.11ac pode significar a proteção do investimento no médio prazo. Apesar de a faixa de 5 GHz ser mais restritiva em cobertura que a faixa de 2,45 GHz, como os access points 802.11ac utilizarão MIMO, a cobertura resultante da combinação de múltiplos transmissores e receptores em 5 GHz desses dispositivos será muito melhor que a cobertura de um access point legado 802.11a, que utilizava SISO. Dessa forma, espera-se que a cobertura de um sistema 802.11ac (5 GHz) seja semelhante ou melhor que a de um sistema comum 802.11g (2,45 GHz), por exemplo, de modo que permita sua implantação mais facilmente e de forma economicamente viável (com poucos access points). Referências http://en.wikipedia.org/wiki/ieee_802.11ac Acessado em 04/05/2013 às 11:30hs. www.cisco.com/en/us/prod/collateral/wireless/ps5678/ps11983/white_paper_c11-713103.html Acessado em 04/05/2013 às 11:32hs. 12
http://en.wikipedia.org/wiki/ieee_802.11 Acessado em 17/08/2013 às 09:00hs. http://legislacao.anatel.gov.br/resolucoes/23-2008/104-resolucao-506 Acessado em 19/08/2013 às 09:00hs. http://en.wikipedia.org/wiki/list_of_wlan_channels Acessado em 19/08/2013 às 09:10hs. www.merunetworks.com/products/technology/80211ac/index.html Acessado em 24/08/013 às 09:00hs. www.arubanetworks.com/pdf/technology/eb_ieee80211ac.pdf Acessado em 24/08/2013 às 09:30hs. 13
Redes WLAN: Teste seu entendimento 1. Quais 3 características fundamentais para aumento da taxa de transmissão de dados? Largura de banda, frequência utilizada, interferência co-canal. Largura de banda, eficiência espectral, relação sinal/ruído. Frequência utilizada, interferência canal adjacente, modulação QAM256. Nenhuma das anteriores. 2. O 802.11ac permite maior taxa de transmissão que o padrão 802.11n, devido: Largura de banda de até 160 MHz, modulação QAM256, MIMO até 8 fluxos espaciais. Largura de banda de até 40 MHz, modulação QAM64, MIMO até 4 fluxos espaciais. Largura de banda de até 80 MHz, modulação QAM64, MIMO até 4 fluxos espaciais. Nenhuma das anteriores. 3. Dado o espectro atualmente disponível, o padrão 802.11ac será implantado em: Apenas na faixa de 2,45 GHz. Nas faixas de 2,45 GHz e 5 GHz. Apenas na faixa de 5 GHz. Nenhuma das anteriores. 14