Wireless 802.11n-2009 - Sem-fio de alta performance
Autor: Rafa Gregs | Publicado: 2011-04-13T09:30:00-03:00

Salve salve senhores linuxers, analistas, programadores, curiosos, entusiastas e todo tipo de gente interessada em tecnologia.
O post de hoje é um pouco mais denso, na verdade é uma parte da minha monografia sobre Segurança Wireless.
O texto trata sobre o padrão IEEE-802.11n, aponta as principais características que o tornam um grande avanço na comunicação wireless.

Boa leitura a todos!


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Atualmente, a necessidade de mobilidade e flexibilidade de layout em redes corporativas, bem como o crescimento das redes locais e as dificuldades de instalação de cabos em determinadas edificações fazem com que o uso da tecnologia wireless para redes locais, WLAN, seja cada vez mais não apenas uma alternativa, mas uma necessidade.Da mesma forma, a evolução das aplicações e a necessidade cada vez maior de agilidade na transferência de informações fazem com que a taxa de transferência das redes locais tenha que ser aumentada para dar suporte a tais aplicações.O padrão IEEE 802.11g para redes locais sem fio proporciona uma taxa de transferência nominal de 54Mbps, sendo que apenas 25Mbps aproximadamente são dados efetivos, descontando todo o overhead da transmissão, uma taxa muito baixa se comparada com as redes cabeadas Fast Ethernet de 100Mbps.Tal diferença de desempenho leva normalmente os gerentes de rede e profissionais envolvidos com a implantação da rede de dados a preterir as tecnologias sem fio em relação as tecnologias cabeadas, mesmo quando grandes reformas e investimentos sejam necessários para tal implantação.Os esforços em relação ao padrão IEEE 802.11n definido no final de 2009 são justamente no sentido de melhorar consideravelmente a transmissão sem fio e elevar a taxa de transferência a níveis próximos ou superiores aos das redes cabeadas.O presente trabalho expõe as técnicas utilizadas e melhorias na camada física e camada MAC  que possibilitam que as redes de padrão 802.11n atinjam taxas de transferência teoricamente de até 600Mbps, possibilitando assim que redes wireless tenham desempenho equivalente a redes cabeadas e possam suportar aplicações que necessitem de maior taxa de transferência como streaming de vídeo por exemplo, com as vantagens de flexibilidade de layout, diminuição significativa na necessidade de instalação de cabos e de possíveis reformas em edificações antigas ou que não tenham sido construídas com o devido planejamento em relação à rede de dados.  Basicamente as evoluções no padrão 802.11n que proporcionam o aumento significativo do troughput são a adição de Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) e canais de 40MHz na camada física (PHY) e o frame agregation na sub-camada MAC (Medium Access Control).A seguir veremos como cada uma dessas melhorias colabora com o aumento do troughput no padrão 802.11n.

MIMO: MULTIPLE-INPUT MULTIPLE-OUTPUT
A técnica de Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) consiste em dotar equipamentos com múltiplas antenas para transmissão e recepção de dados, resultando assim em um aumento significativo do troughput.O padrão 802.11n define as configurações de múltiplas antenas como “M x N” e pode variar de “1 x 1” a “4 x 4”, onde M representa o número de antenas no transmissor e N o número de antenas no receptor. A figura abaixo demonstra uma configuração de “2 x 3” MIMO.
 	 	
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   Figura 1: “2 x 3” MIMO
 	 	
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   Porém, dotar equipamentos com múltiplas antenas simplesmente não proporciona o aumento da taxa de transferência, a melhoria da transmissão depende de como o equipamento usa essas múltiplas antenas. Para isso são utilizadas três Técnicas de Processamento de Sinal que veremos a seguir.

SPATIAL MULTIPLEXING (MULTIPLEXAÇÃO ESPACIAL)
Essa técnica se utiliza de algorítimos sofisticados para captar os sinais que chegam ao receptor após terem sofrido desvios ao se refletirem em obstáculos presentes no ambiente. Sinais que em outros momentos poderiam ser considerados ruído danoso agora são reaproveitados para garantir um aumento significativo de desempenho.Esta é a técnica para a implementação de MIMO utilizada amplamente no padrão 802.11n.
 	 	
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   Figura 2: Multiplexação Espacial
 	 	
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   SPACE TIME TRANSMIT DIVERSITY (TRANSMISSÃO POR DIVERSIDADE DE TEMPO-ESPAÇO)
A técnica de Transmissão por Diversidade de Tempo-Espaço consiste em codificar uma certa quantidade de dados e enviá-los por várias antenas simultâneamente, aumentando  assim a força total do sinal enviado.Essa técnica pode ser aliada à Multiplexagem Espacial, mas somente quando o número de antenas no transmissor for maior que o número de antenas no receptor.

UPLINK COLLABORATIVE MIMO LINK
		Essa técnica implica em fazer com que equipamentos envolvidos em uma comunicação enviem seus sinais na mesma frequência porém em caminhos distintos entre si.		O receptor será capaz de captar sinais isoladamente desde que estes atinjam as antenas em tempos diferentes.

CANAIS DE 40MHZ
Canais de 40 MHz é um recurso opcional no padrão 802.11n que beneficia os dispositivos compatíveis e pode dobrar o troughput.Dispositivos de padrões anteriores como o 802.11g utilizam canais de 20 Mhz, o padrão americano dispões de onze canais de 20MHz sendo que apenas três não possuem overlapping(1, 6 e 11), ou seja, não possuem a intersecção de frequências. Tais canais estão distribuídos em uma banda de 2.4GHz.
 	 	
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   Figura 3: Distribuição dos canais de 20MHz no padrão 802.11g





 	 	
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Dispositivos do padrão 802.11n podem trabalhar com canais de 20MHz ou 40 MHZ para garantir a interoperabilidade com dispositivos legados de padrões anteriores.A utilização de canais de 40MHz em relação as canais de 20MHz seria como comparar uma rodovia de pista simples com uma auto-estrada duplicada com duas pistas em cada sentido.  A utilização de canais de 40MHz ocorre em dispositivos de padrão 802.11n que trabalham com frequência de 5GHz.

ENCODING E MODULAÇÃO
Para atingir a taxa máxima de transferência de 600Mbps, além das  melhorias na camada física, ainda é necessário que emissor e receptor negociem a modulação de RF a ser utilizada na comunicação.A taxa de transferência de dados efetiva então é resultado da combinação do MIMO com a largura do canal utilizado (20 ou 40 Mhz) e da mudulação de RF utilizada, logo, a taxa máxima de 600Mbps só será atingida se utilizar-mos MIMO 4 x 4, canais de 40 Mhz e modulação 64QAM.O padrão 802.11n define 77 Modulation and Coding Schema - MCS (Esquema de Modulação e Codificação) combinando as possibilidades de MIMO, largura do canal, codificação e modulação. Tais combinações resultam em taxas de transferência que podem variar de 6,5 Mbps até 600Mbps.Segue abaixo uma tabela com algumas combinações e suas respectivas taxas efetivas resultantes.
 	 	
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   Figura 4: Algumas combinações MCS para 802.11

 	 	
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   FRAME AGGREGATION
Frame Aggregation é uma técnica aplicada ao padrão 802.11n para aumentar o troughput onde dois ou mais frames são enviados ao mesmo tempo se utilizando do mesmo cabeçalho e informações de controle.Um grande problema em redes padrão 802.11 é a quantidade relativamente grande de overhead, que as vezes pode consumir mais banda do que a parte do frame que realmente contem dados de carga útil.Para mitigar este problema o projeto 802.11n propõe dois tipos de agregação de frames: MAC Service Data Unit (MSDU) e Message Protocol Data Unit (MPDU). Ambos propõem o envio de dois ou mais frames por transmissão carregados com a mesma informação de gestão, isso diminui consideravelmente a quantidade de informação de controle, permitindo que mais informação útil seja enviada, aproveitando melhor a banda.
 	 	
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   Figura 5 : Vários frames enviados com o mesmo cabeçalho MAC
   	 	 	 	
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   A aplicação de Frame Aggregation pode melhorar consideravelmente o desempenho da comunicação e otimizar os recursos da camada física, porém essa solução só pode ser utilizada em conjunto com dispositivos do padrão 802.11n. 


N-DRAFT
O padrão 802.11n levou aproximadamente sete anos para se tornar um padrão definitivamente completo, por esse motivo vários produtos foram lançados antes que o padrão fosse terminado, tais produtos atendem não ao padrão por completo mas a um rascunho (draft) do padrão por isso tais equipamentos recebem em seu nome comercial a denominação N Draft.



   	 	 	 	
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   Figura 6: Wireless Router N-Draft
 	 	 	
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   A figura acima mostra um roteador wireless da marca TRENDnet que foi fabricado segundo o rascunho 2.0 (draft 2.0) do padrão 802.11n. 
A versão final do padrão 802.11n foi publicada em outubro de 2009 e equipamentos que atendem completamente ao padrão já estão sendo fabricados.

CONCLUSÃO
O padrão IEEE802.11n finalizado em outubro de 2009 implementa muitas melhorias em relação ao seu antecessor mais popular 802.11g e consegue, ao menos teoricamente, atingir taxas de transferência significativas possibilitando assim o uso de redes sem fio para aplicações multimídia e que necessitem de maior agilidade e estabilidade da rede de dados.A utilização de MIMO no padrão 802.11n é, sem dúvida, o grande diferencial que possibilita o aumento significativo da taxa de transferência de dados devido a otimização do envio e recebimento de sinais antes desperdiçados ou tomados como ruído.O aumento da largura do canal de 20 para 40 Mhz também deve ser lembrado como um dos principais fatores contribuintes para o sucesso do padrão 802.11n.As demais melhorias de Encoding e  Frame Aggregation também contribuem para a efetividade da comunicação no novo padrão e possibilitam uma melhor utilização dos recursos já otimizados na camada física com a utilização de MIMO e duplicação do canal.Um fator complicante fica por conta da interoperabilidade com equipamentos legados de padrões anteriores como por exemplo 802.11g, pois grande parte das melhorias só são realmente aplicadas quando da utilização de equipamentos compatíveis com o padrão 802.11n.Portanto, se estivermos utilizando um Access Point de padrão 802.11n só iremos aproveitar realmente as vantagens do novo padrão caso nosso computador ou laptop esteja equipado com uma interface do mesmo padrão.No caso de uma rede onde computadores com interfaces compatíveis com o padrão 802.11n tenham que compartilhar o mesmo Access Point com um outro computador com interface 802.11g o Access Point tende a passar a trabalhar em modo de compatibilidade, portanto todos os computadores passam a trabalhar no padrão 802.11g, mesmo os com interfaces compatíveis com o novo padrão.Apesar de ter levado muito tempo para ser apresentado em sua versão final o padrão IEEE802.11n é ainda muito novo e equipamentos que atendam ao padrão por completo ainda estão por ser comercializados.Acredito que este seja a solução para prover comunicação sem fio  com desempenho satisfatório em aplicações que exijam uma maior performance da rede de dados e no caso de redes locais a serem implantadas em edificações que não suportem reformas agressivas como por exemplo prédios tombados ou construídos a muito tempo, ou mesmo edificações novas onde não se tenha planejado uma tubulação ideal para a rede de dados ou que o layout mude com uma frequência muito grande.
 	 	
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   REFERÊNCIAS:
http://standards.ieee.org/getieee802/download/802.11n-2009.pdf
http://www.gta.ufrj.br/ensino/eel879/trabalhos_vf_2008_2/joao_luiz/index.html
http://www.airmagnet.com/assets/whitepaper/WP-802.11nPrimer.pdf
http://www.ll.mit.edu/publications/journal/pdf/vol15_no1/15_1mimo.pdf
http://cisco.biz/en/US/prod/collateral/wireless/ps5678/ps6973/ps8382/prod_white_paper0900aecd806b8ce7.pdf