RED29004-2014-2-Seminario-IEEE 802.11n

IEEE 802.11n

INTRODUÇÃO

O IEEE802.11n é um padrão no qual especifica mecanismos físicos e lógicos com o objetivo de aumentar a taxa de transmissão em redes LAN sem fio. Iremos explorar a origem,os aspectos mais importante da implementação na camada física e enlace, vantagens e desvantagens em relação aos outros padrões e sua aplicação.

Motivação

A tecnologia 802.11g, antecessora ao padrão 802.11g, provê a taxa máxima de transfêrencia de 54Mbps. O padrão 802.11g não atendia a velocidade da rede Ethernet, no qual alcança hoje 100Mbps. Além da incapacidade de dar vazão aos dados da rede Ethernet, A transfência de dados multimídia impulsionou a demanda de um novo padrão de rede sem fio que aumentasse a taxa de transferência.O padrão 802.11n, chega para implementar alta performance em links sem fio em redes locais LAN's, chegando a taxas de transferência de até 600mpbs. Entretanto a implementação do padrão requer cuidados, pois o utiliza padroẽs de modulações mais sensíveis a interferência aumentando consequentemente a complexidade do projeto de hardware e software. Por trás disso, existe um contexto histórico, no qual mostra a evolução das redes locais wireless, até alcançarmos a tecnologia mais explorada em redes sem fio. O padrão 802.11n, é proveniente de uma mistura da necessidade de alcançar altas taxas de transferências e da evolução dos circuitos integrados em implementar novas técnicas de transmissão/modulação em hardwares com preço e tamanho cada vez mais reduzido.

Objetivos do Trabalho

O objetivo do trabalho é descrever de forma básica como é a estrutura do padrão, como é possível obter altas taxas de transferência com esta tecnologia e uma visão geral das alterações da camada física e enlace propostas neste padrão.

Organização do Documento

O documento está organizado em origem do padrão 802.11n, no qual descreve o contexto histórico de sua implementação, as organizações envolvidas e porque de sua criação. Em sua segunda parte trataremos sobre a camada de enlace e física, quais protocolos, algoritmos e modulações. Nesta parte tentaremos demonstrar como o padrão em si funciona. Na terceira parte trataremos quais as vantagens e desvantagens em relação ao padrão 802.11g. Na ultima parte descrevemos a aplicação do padrão, relação de produtos disponíveis e normas regentes.

CONTEXTO HISTÓRICO E ORIGEM

Para (OLIVEIRA, 2006), um padrão pode ser definido como um documento previamente aprovado por um órgão regulamentado que prôve, pelo uso comum e repetitivo, regras, diretrizes ou características de produtos, processos ou serviços. Segundo (TANENBAUM, 2001), era necessário um padrão único para redes sem fio e a Institute of Electrical and Electronic Engineers(IEEE), orgão responsável por conceber o 802.11(GAST, 2002). As redes locais Wireless LAN foram apelidadas de WiFi, uma referência ao High Fidelity(PRESCHER, 2009). O IEEE 802.11, foi publicado em 1990, e sua implementação aconteceu em 1997. A taxa de transferência era 2Mbps. Em seguida saiu o padrão 802.11b que opera com uma taxa de transferência de 11Mbps. Os primeiros padrões enfrentavam diversos pontos negativos, como limitação na taxa de transferência e era sensível a interferência devido a utilizar a mesma frequência dos aparelhos de celular, microondas ou dispositivo bluetooth. Em 2006 era apresentado o padrão 802.11g, tido como mais robusto e com maiores taxas de transferência (SAVOINE, 2005), porém tinhas as mesmas limitações dos demais padrões no sentido de sofrer com interferências eletromagnética por aparelhos celulares, câmeras eletrodomésticos. Os padrões 802.11b/g foram implementados na faixa de frequência 2.4GHz, com tecnologia SISO, no qual a transmissão e recepção se da por uma única antena, tornando-o a troca de dados em modo half-duplex. Em 802.11n foi lançado em 2009, para sanar as limitações de taxa transferência existentes na época. Para montar o padrão foi criado um grupo de força tarefa TGn, envolvendo fabricantes de circuitos integrados e engenheiros vinculados à IEEE, dedicaram seus esforços para melhorar o aproveitamento da largura de banda, implementar novas técnicas de transmissão e utilizar maiores números de antenas para que multiplicasse a taxa de transferência. Segundo (PRESHER, 2009), este padrão melhora as redes sem fio para transmissões multímidia, opera em 2.4GHz e 5GHz, e trabalha com sistemas MIMO(multiple input, multiple output), proporcionando taxas de até 600Mbps e alcance de até 400 metros em ambientes fechados.

CAMADA FÍSICA E ENLACE DO PADRÃO 802.11n

Os principais avanços que o padrão trouxe é o uso da tecnologia MIMO e agregação de canais de 40MHz. O documento IEEE 802.11n descreve todas as diretrizes das mensagens na camada de enlace e os padrões de modulação, codificação e tecnologia usadas na camada física.

Camada enlace

Frame MAC

Possui campos para determinar taxas de transmissão, largura de banda, canal, controles de erro. É a camada responsável pelo gerenciamento a nível lógico do enlace. No padrão 802.11n uma de suas principais aplicações é treinar o enlace para verificar a possibilidade de trabalhar com múltiplas antenas. Neste item, é necessário medir a sensibilidade de cada antena, para determinar o nível de transferência que cada antena pode suportar. Define a seleção de antena. Todos estes parâmetros são definidos em mensagens MAC.

Processo de comunicação

Para iniciar um processo de troca de dados em uma comunicação sem fio, a estação envia para a base um RTS, Request To Sent, a base responde com um CTS Clear To Send, apos o reconhecimento correto do quadro destino envia um reconhecimento positivo, ACK

Camada física

A outra parte do documento é a descrição da camada física, dentre as principais são os níveis de EVM aceitáveis, no qual está diretamente ligado a desvio de fase e amplitude da constelação QAM-64 e das demais modulações, define a sensibilidade mínima, ou seja o nível de potência para funcionar em uma determinada velocidade.

Utiliza como base a técnica de transmissão OFDM(Orthogonal frequency-division multiplexing) no qual divide o canal de 20 ou 40MHz em subportadoras de 312.5KHz. Em 40MHz o canal é dividido em 128 subportadoras e quando em 20MHz é apenas 64 subportadoras.

O padrão é compatível com 802.11b/802.11n. A norma descreve as principais implementações na camada física que provê o aumento de taxa de transferência:

• largura de banda de 40MHz
• Sistema de transmissão e recepção MIMO
• intervalo de banda de guarda menores que 400ns
• aumento número e símbolos na modulação QAM

Largura de banda

No padrão, dentre as implementações, a simples foi para aumentar a taxa de transferência foi aumentar a largura de banda do canal. A técnica usada para alocação de canais em 40MHz de largura de banda é chamada channel bonding no qual atribui dois canais de 20MHz adjacentes a um único canal de 40MHz, assim dobrando praticamente a taxa de transferência.

MIMO

A técnica MIMO é empregada com o intuito de aumentar signficativamente a taxa de transmissão. Algumas de suas vantagens é ter maior chance de receber pacotes sem erros. Através da distribuição geografica das antenas, permite receber sinais que percorrem multi percursos. Neste caso, normalmente o número de antenas no sistemas transmissor é o fator multiplicador da taxa de transmissão.

Intervalo de guarda

Na técnica de transmissão OFDM é empregado uma intervalo de guarda para que as subportadoras adjacentes não se sobreponham na recepção, ou seja não interfiram devido a sofrerem desvio de multi percursos. No padrão se utiliza o um intervalo de guarda de 400ns ao invés de 800ns, este intervalo é chamado de opcional short guard interval. Isso aumenta a capacidade de transferência de dados por adicionar 2 streams espaciais no canal de 40MHz e até 300Mbps (NEE, JONES, AWATER, ZELST, GARDNER e STEELE, 2006)

VANTAGENS E DESVANTAGENS

Fatores Contras

No padrão 802.11n para se alcançar elevadas taxas de transferência é necessário uma relação sinal ruído estável e controlada. A modulação em fase e amplitude do QAM-128 exige no mínimo um nível de potência no receptor de -60dBm. De acordo que o nível de potência no equipamento receptor baixa, é alterada o tipo de modulação, para que possa manter a relação sinal ruído. Consequentemente se a modulação é mais robusta com ruído menor será a taxa de transferência do enlace. Se configurando para operar na frequência de 2.4GHz, o enlace poderá sofrer com interferências de vários dispositivos, como por exemplo microondas e telefone sem fio. Ambos também operam em 2.4GHz. Isto ocorre ao fato dos padrões 802.11b/g/n serem utilizados em frequências não licenciadas, ou seja, de uso comum podendo haver uso indiscriminado por diferentes tipos de equipamentos. Outo fator que limita o uso do padrão 802.11n em 2.4GHz é que nesta faixa de frequência a largura de banda disponível para uso é somente torno de 70MHz. Portanto é 802.11n é muito empregado em 5GHz, onde a banda disponível é de 700MHz.

Fatores Positivos

Usuário consegue uma conexão com velocidade mais rápida de transmissão, aproximadamente de 300 megas bits/segundos. Devido ao uso da aplicação do MIMO ( no qual usa no mínimo duas antenas, uma para transmissão e outra para recepção ) e SISO(que usa uma antena para transmissão e recepção). Exemplos de modo de operação: Houve uma redução no intervalo de transferência de 800ns para 400ns, o que garante uma taxa de transmissão com cerca de 11% maior.

Contém modulação e codificação melhores do que nos modelos de padrões anteriores, o que gera um um empacotamento de mais informações em cada subportadora.Apresenta um modo de economia de energia, no qual o Access Point ficará desligado até que exista alguma presença de tráfego. Comparações entre os protocolos:

APLICAÇÕES

É utilizado em larga escala em ambientes domésticos para captação de internet à rádio e corporativos fornecendo enlaces ponto a ponto entre as sedes. Contudo há de perceber uma mudança em relação ao uso da frequência. Para enlaces ponto a ponto se utiliza a faixa de frequência não licenciada de 5GHz. Enquanto em ambientes residenciais utiliza-se produtos em 2.4GHz. O principal motivo para esta mudança é devido ao espectro em 2,4GHz estar saturado, pois a sua largura de banda é muito restrita, 70MHz em 2,4GHz e 700MHz em 5GHz.Diminuindo assim a interferência canal adjacente. A normatização do uso da respectiva faixa de frequência é estabelecida ma seção IX e X da resolução 506 da ANATEL de 2006. Na qual define valores de potência máxima de pico, densidade espectral, emissões espúrias, mecanismos de interferência contra radar, entre outros requisitos para garantir a compatibilidade e interoperabilidade dos demais equipamentos adjacentes. O programa nacional Banda Larga utiliza o espectro de 2.4GHz e 5GHz associados aos padrão 802.11b/g/n padra distribuir internet gratuita em cidades urbanas e locais onde não há acesso a internet. Internet à rádio é uma opção também nas grandes cidades onde empresas oferecem apenas o serviço de internet como opção à aqueles que desejam não pagar o pacote de telefonia e TV exigido por operadoras de telecom para ter acesso ao serviço de Internet. Os tipos modelos para ambientes domésticos e corporativos seguem o legado dos demais padrões, access point que provêm antenas omnidirecionais com ganho em médio de 5dBi, e potência de transmissão de 100mW à 500mW. Sua capacidade média de conexão é de 30 usuários com taxas de trasmissão que variam de 150Mbps à 300Mbps. Os preços variam de 150 à 300 reais no caso de acess point para uso domésticos padrões 802.11b/g/n. Já equipamentos dedicados ponto-a-ponto em 5GHz seu preço pode chegar aos 10mil reais.

CONCLUSÕES

Após a realização do trabalho, constatamos que esse padrão surgiu à partir da necessidade de redes sem fio com alta capacidade de transferência de dados. E que para uma implementação de rede no padrão 802.11.n de boa qualidade, precisamos ter um transmissor com uma potência elevada e os receptores perto pois é muito suscetível à ruído. Podemos concluir que se você tem uma rede de grande trafego vale à pena o investimento devido às caraterísticas do mimo, o que resulta em um aumento da velocidade em até seis vezes.