RED29004-2014-2-Seminario-IEEE 802.11n

IEEE 802.11n

1. INTRODUÇÃO O IEEE802.11n é um padrão que provê ganho na taxa de transmissão em redes LAN wireless. Nesse documento iremos explorar a origem do padrão, implementação na camada física e enlace, vantagens e desvantagens em relação aos outros padrões para redes locais e sua aplicação. 1.1 Motivação A tecnologia antecessora ao padrão 802.11n, provê uma taxa máxima de transmissão até 54mbps. Já o padrão 802.11n, chega para implementar alta performance em links de redes locais LAN's, chegando a taxas de transferência de até 600mpbs. Entretanto a implementação do padrão requer cuidados, pois o desenvolvimento de hardware e software tornar se mais complexo. Por trás disso, existe um contexto histórico, no qual mostra a evolução das redes locais, 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 integratos em implementar novas técnicas de transmissão/modulação em hardwares com preço e tamanho cada vez mais reduzido. 1.2 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 do seu funcionamento Não iremos entrar em detalhes da complexidade e como é escrito os algoritmos para sua implementação. 1.3 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.

2. 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.

3. CAMADA FÍSICA E ENLACE DO PADRÃO 802.11n Um dos 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.

3.1 Camada enlace 3.1.1 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. 3.1.2 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

3.2 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 itens 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 na taxa de codificação 3.2.1 Largura de banda A maneira relativamente mais simples de aumentar a taxa de transferência é aumentar a largura de banda do canal. A técnica usada para alocação de canais de 40MHz é chamada channel bonding no qual atritui dois canais de 20MHz adjacentes a um unico canal de 40MHz, assim dobrando praticamente a taxa de transferência.

3.2.2 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.

3.2.3 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)

4. VANTAGENS E DESVANTAGENS

Fatores Contras

No padrão 802.11.n para se ter uma conectividade os receptores precisam estar perto do transmissor com isso se garante uma potência miníma de -60db , em outros padrões de protocolos se consegue uma conexão com valores mais baixos. Se configurando para operar na frequência de 2.4GHz, sofre com várias interferências por ser frequência de rádio muito poluída, já que vários outros dispositivos como telefone sem fio, opera nela. Nessa faixa ele trabalha como no protocolo 802.11.b e .802.11.g. Por se exigir uma maior potência mínima para haver uma conectividade boa à maiores distâncias, o circuito acaba sendo mais complexo no quesito filtro em relação ruído/sinal, gerando um custo elevado em relação à outros padrões. Bastante sensível à interferência.

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:

5. APLICAÇÕES É utilizado em larga escala em ambientes domésticos e corporativos. Contudo há de perceber uma mudança em relação ao uso da frequência. Para enlaces ponto a ponto se utiliza a frequência não licenciada de 5GHz, devido ao uso do espectro em 2,4GHz estar saturado. As normas para regulamentação do uso da frequências citadas é a 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. Os tipos modelos para ambientes domésticos e corporativos seguem o legado dos demais padrões, access point que provêem 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.

6. CONCLUSÕES Após a realização do trabalho, constatamos que esse padrão surgiu à parti da necessidade de redes sem fio de alta performasse. 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.