Fundamentos de Wireless LAN

update (25-junho-2006)

Introdução

A tecnologia de Wireless LAN tem sido muito utilizada em depósitos, companhias aéreas, e aplicações de aluguel de carros. Através dos esforços do IEEE (Institute of Electrical and Electronis Engineers) e dos esforços de certificação da WECA (Wireless Ethernet Compatibility Alliance) as redes sem fio estão deixando de ser uma alternativa para se tornarem a principal opção onde o cabeamento estruturado se torna inviável. Atualmente, podemos encontrar WLAN em casas, escritórios, chão de fábrica, hotéis e centros de convenção. Além de aumentar o seu uso em aeroportos e lojas. Os access points (pontos de conexão para as redes sem fio) tem sido utilizados na conexão de todos os tipos de equipamentos moveis, tais como: notebooks, computadores de mão e telefones.

As primeiras redes sem fio tinham um conjunto de problemas: eram muito caras, eram lentas, tinham uma série de problemas de interferências e eram baseadas em tecnologias proprietárias. Dois eventos acontecerão para levar as redes sem fio para o topo:

  • Os problemas técnicos de incompatibilidade e gerenciamento do espectro foram resolvidos.
  • A tendência da sociedade é ter mais mobilidade, onde as redes sem fio tornando-se importante, principalmente para o uso de notebooks e computadores de mão.

Antes de 1998, instalar uma rede sem fio significava uso de uma ou mais soluções proprietárias. As conexões eram feitas através de redes pouco confiáveis, com baixas taxas de transmissão e a com um mínimo de segurança. O resultado do esforço de padronização levou a criação dos padrões HiperLAN/2, IEEE 802.11b e Bluetooth. Esse esforço de especificação assegurou que todos os equipamentos pudessem se comunicar utilizando os mesmos protocolos e interfaces de comunicação.

No esforço de resolver os problemas de incompatibilidade das WLANs, a WECA tem planos para certificar todas as versões do IEEE 802.11 para os equipamentos do mercado, removendo todas as barreiras de dúvidas do mercado. Todos equipamentos certificados deverão levar o selo de Wireless Fidelity (Wi-Fi).

Em resposta aos requerimentos de mobilidade e com a interoperacionalidade assegurada pelos padrões da indústria, os fornecedores estão construindo cartões e estações base para as redes sem fio. Estão integrando os adaptadores wireless dentro de motherboards de notebooks e computadores de mão. Esta integração é simples e permite a liberação dos slots de expansão.

A interferência entre produtos competidores baseados nas tecnologias IEEE 802.11b e Bluetooth serão chave para a aceitação ou rejeição da nova tecnologia. Em certas condições de operação o Bluetooth e o IEEE 802.11b têm interferência e podem comprometer as aplicações. Reconhecendo a necessidade da coexistência dos dois padrões, vários fornecedores têm tomado algumas iniciativas para desenvolver tecnologias complementares que permitam que o Bluetooth e o IEEE 802.11b convivam harmoniosamente.

O Bluetooth, diferente das redes WLAN, tem o objetivo de eliminar os cabos em uma área limitada formando uma Personal Área Network (PAN). Essas redes terão a principal funcionalidade de substituir os periféricos ligados ao computador. Por exemplo, com uma função complementar a conexão do computador a uma rede IEEE 802.11, as conexões aos periféricos usando Bluetooth irão conectar os scanners, as impressoras, os headset para reconhecimento de voz ou voz sobre IP (VoIP) e conectar os cradles dos palmtops (embora ainda exista a necessidade de cabos para a conexão de energia).

No ambiente das redes sem fios ainda permanece a nuvem negra da segurança. Enquanto os problemas técnicos de incompatibilidade estão sendo resolvidos começam a surgir os problemas de segurança. O IEEE e a WECA estão desenvolvendo métodos de segurança para atender às necessidades dos usuários.

A falta de qualidade de serviço (Quality of Service – QoS) é outro ponto de pressão sobre as redes sem fio. Com a convergência de voz e dados é natural se pensar em utilizar a voz sobre IP nas redes sem fios. As atuais WLANs não possuem alta escalabilidade e confiabilidade para o uso de voz, enquanto a facilidade de uso de QoS não for adicionado ao padrão IEEE 802.11. Como essa implementação tem que ter segurança, o IEEE está respondendo com um novo conjunto de especificações para a camada Media Access Control (MAC).

A tecnologia de WLAN tem conseguido superar todos os desafios até agora, os problemas de segurança e QoS devem ser superados em breve. A atual tecnologia de 11-Mbps está crescendo e superada pela tecnologia de 54-Mbps. A interoperacionalidade entre produtos de diferentes fornecedores utilizando o mesmo padrão deverá ser a chave do sucesso de mercado.

Fundamentos de Wireless LAN

Todas as WLANs tem dois componente principais:

  • Um access point (AP) que conecta a rede sem fio e executa as funções de uma estação base; e,
  • As estações de rádio dos clientes (CRs) localizadas nos equipamentos móveis.

Tipos de LAN

Como todo o padrão existe uma série de tecnologias na área de wireless, porém esse trabalho irá focar nas tecnologias apresentadas na tabela 1.

Padrão Taxa de Transmissão Uso
802.11 b/g 11/54 Mbps Extensão de LAN e SOHO
802.11 a/h 54 Mbps Padrão americano para redes de alta velocidade sem fio.
HiperLAN/2 54 Mbps Padrão europeu para redes de alta velocidade sem fio.
Bluetooth 1 Mbps Substituição de cabos de conexão entre os periféricos e as estações de trabalho

Tabela 1: Tecnologias Wireless LAN

Existem outras tecnologias de redes sem fios, porém não serão discutidas nesse trabalho.

Comparação das Tecnologias Wireless LAN

A tabela 2 sumariza as características das tecnologias WLAN abordadas nesse trabalho.

802.11b/g 802.11a/h HiperLAN/2 Bluetooth
Frequência 2.4 GHz 5 GHz 5 GHz 2.4 GHz
MAC CSMA/CA CSMA/CA Controle central
TDMA/TDD
Detecção de Colisão
Modulação DSSS/OFDM OFDM OFDM com seleção dinâmica de canal FHSS
Autenticação Sim Sim Sim Sim
Criptografia 128-bit RC4 128-bit RC4 DES, 3DES 128-bit SAFER+
Roaming Sim Sim Sim Não
Suporte a conexões a rede fixa Ethernet Ethernet Ethernet, IP, ATM, UMTS,
FireWire, PPP
Ethernet
Gerenciamento 802.11 MIB 802.11 MIB HiperLAN/2 MIB Nenhum
Controle da taxa de transmissão Adaptativo Adaptativo Adaptativo Não

Tabela 2: Comparação entre as tecnologias de redes WLAN

Modos de Operação

As WLANs suportam dois modos de operação: infraestrutura e peer-to-peer. O modo de infraestrutura usa a tecnologia de redes celulares onde cada célula de rádio é controlada por um access point cobrindo uma determinada área geográfica. Neste módulo, o equipamento móvel comunica-se com outros equipamentos ou com a rede de cabos através do access point. Esse modo é normalmente usado em aplicações comerciais, tanto para ambientes fechados ou em áreas abertas, para assegurar a cobertura em grandes áreas os equipamentos móveis podem se comunicar uns com os outros.

O modo de operação peer-to-peer é um tipo de topologia ad-hoc onde os terminais remotos fazem troca de dados sem necessidade de um access point.

Métodos de Modulação

Todas essas redes sem fio operando em 2,4-GHz usam a modulação por espectro de dispersão – spread spectrum modulation (SSM) – que permite a máxima utilização dos canais da frequência de rádio. O tipo de SSM de empregado é a maior diferença entre os padrões. O Bluetooth usa o FHSS – Frequency Hopping Spread Spectrum.

Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS)

Para atingir uma operação confiável em taxas superiores a 2-Mbps e uma extensão da área de operação, o DSSS substituiu o FHSS como método de modulação. O Federal Communication Commission (FCC) especifica 11 canais para o uso do DSSS em 2,4-GHz, mas com um nível de potência menor que o FHSS.

O DSSS modula os dados através da quebra da sequencia (chipping) conhecidos como código de Barker. O código Barker é uma sequencia de 11 bits com uma certa propriedade matemática ideal para modulação de rádio frequência. Na sequencia de dados são executadas operações OR (XOR) com o código Barker para gerar uma série de objetos de dados chamados chips (não confundir com microprocessadores). Cada bit é codificado por 11 bits do código Barker, onde cada grupo de 11 chips codificados representa um bit do dado.

A modulação do sinal de rádio frequência utiliza uma variedade de técnicas. Para transmissão de 1-Mbps é utilizada a técnica BPSK – Binary Phase Shift Keying. Para transmissão de 2-Mbps é utilizada a técnica QPSK – Quadrature Phase Shift Keying. O QPSK utiliza quatro rotações (0, 90, 180 e 270 graus) para codificar 2 bits de informação no mesmo espaço onde o BPSK codifica 1. Entretanto, para aumentar a taxa de transmissão utilizando essas técnicas deve-se aumentar a potência de transmissão. Como a potência está limitada em 1 Watt deve-se adaptar as taxas de transmissão.

Para se atingir 11-Mbps a técnica de codificação deve ser alterada. O código Barker foi substituído pela sequencia CCK – Complementary Code Keying. Este método usa 64 códigos únicos para codificar o sinal, com até 6-bits representados por um único símbolo. O código CCK é modulado pela técnica QPSK com uma taxa de transmissão de 2-Mbps, permitindo adicionar 2-bits de informação em cada símbolo. Enquanto 8 chips são utilizados para cada 6 bits, o QPSK modula codificando 8 bits em cada símbolo.

Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM)

O DSSS é suscetível a obstáculos como pilares, móveis e as paredes dos escritórios. Essa restrição do DSSS causa uma redução da taxa efetiva de transmissão. Para resolver esse problema é utilizada a técnica de multiplexação por divisão de frequência ortogonal (OFDM), uma forma de modulação com múltiplas portadoras. É utilizada para codificar uma string de dados do WLAN operando em 5-GHz e acima de 11-GHz em redes de 2,4-GHz. Para se transmitir um alto volume de informações o canal de transmissão é dividido em vários sub-canais, cada um com uma portadora independente. O OFDM é usado em várias aplicações de WLAN.

Na sua forma de implementação, o OFDM é chamado de coded OFDM (COFDM). O COFDM quebra uma portadora de dados de alta velocidade em várias de portadoras de velocidades menores, e todas transmitem em paralelo. Cada portadora de alta velocidade é de 20 MHz e possui 52 sub-canais, cada um com aproximadamente 300 kHz. Quatro sub-canais são utilizados para a correção de erros e manter a coerência do sinal de frequência. Os restantes 48 sub-canais são para dados. O COFDM prove um robusto transporte em diferentes ambientes, onde a transmissão dos sinais de rádio é refletida por vários pontos.

Para baixas velocidades, o BPSK é usado para codificar 125 Kbps por cada canal de dados, resultando em 6000 Kbps, ou 6-Mbps. Usando QPSK, o montante de dados codificados por canal dobra para 250 Kbps por canal, resultando em 12-Mbps. Utilizando 16 níveis o QAM – quadrature amplitude modulation – pode codificar 4 bits atingindo uma taxa de transmissão de dados de 24-Mbps. Para taxas de transmissão de 54-Mbps são utilizados 64 níveis de codificação de símbolos, que codifica 8 bits por Hertz ou 10 bits por Hertz.

O Access Point

Os access points funcionam como transmissores de rádio e como bridge, transferindo dados dos clientes através dos access points para a rede de cabos fixos (LAN). Ele é similar nas redes sem fios a uma switch ou a um hub. Em WLAN, os access points substituem as switch/hub e as ondas de rádio substituem os cabos.

Além das funções de bridge entre a rede wireless e a rede de cabos, o access points provê as funções associadas a um roteador. Eles podem funcionar como um servidor DHCP – Dynamic Host Configuration Protocol, e fazer tradução de endereços (NAT – Network Address Translation), para atender vários usuários utilizando um único endereço IP. Pode-se fazer um balanceamento de carga entre múltiplos access points. Permite que um usuário mova-se de um access point a outro sem perder a conexão, funcionalidade conhecida como roaming.

O número de clientes que podem acessar um único access point depende das condições do layout físico, trafego da rede e das aplicações que serão suportadas pela WLAN. Os access points tem um alcance médio de 50 metros até no máximo 100 metros, embora isto dependa fortemente das características do local.

Com exceção do IEEE 802.11a e do HiperLAN/2, todas as WLAN (incluindo o Bluetooth) usam a frequência de 2,4-GHz. Esta mesma frequência é utilizada pelas novas gerações de telefones sem fio, alguns sistemas de controle de iluminação e todos os aparelhos de micro-ondas.

O Rádio do Cliente

Cada equipamento final (notebooks, computadores de mão, etc.) deve ter um rádio que permita estabelecer a comunicação com os access points. Esses cartões são tipicamente um PC Card Type II com uma antena integrada e desenhada para ocupar um slot de expansão do equipamento. Existem alguns adaptadores destes cartões para computadores desktops. Os novos equipamentos já vêm com a capacidade de wireless embutida no hardware.

Os softwares e drives que acompanham os PC cards apresentam várias diferenças. Os softwares devem suportar Windows 95/98/Me/2000/XP e ainda com suporte para Windows CE/PocketPC e Palm. Os cartões também devem suportar Linux, FreeBSD e MacOS.

Padrões da indústria

IEEE 802.11b

O IEEE 802.11b é especificado para operar em 2,4-GHz utilizando a banda ISM (Industrial, Scientific and Medical band). Os canais de rádio frequência usam a modulação DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum), permitido altas taxas de velocidade em distâncias de até 50 metros em escritórios. O padrão permite taxas de transferência de até 11-Mbps, que são até cinco vezes maiores do que a especificação original do IEEE 802.11 e próxima ao padrão Ethernet.

Tipicamente, o padrão IEEE 802.11b é utilizado em pequenos escritórios, em hospitais, em depósitos e em chão de fábrica. Seu principal uso deverá ser em grandes campi para prover conectividade em salas de conferências, áreas de trabalhos, e qualquer outro ambiente inconveniente ou perigoso para se instalar cabos. No curto prazo, em qualquer ambiente onde exista a necessidade de mobilidade será aceitável a instalação de rede sem fios.

IEEE 802.11g

O IEEE 802.11g prevê a especificação do MAC (Médium Access Control) e da camada física (PHY). A camada física será uma extensão do IEEE 802.11b com uma taxa de transmissão de 54-Mbps usando a modulação OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing). A especificação IEEE 802.11g é compatível com a especificação IEEE 802.11b.

Usando um protocolo estendido, o 802.11g permite o uso misto da rede. Esta característica de uso misto permite que equipamentos que usam o 802.11b operando em 11-Mbps possam compartilhar a mesma rede com os novos equipamentos operando em 54-Mbps. Isso permitirá a migração sem impacto das redes de 11-Mbps para as redes de 54-Mbps.

IEEE 802.11a

O IEEE 802.11a é o equivalente Fast-Ethernet do padrão IEEE 802.11b. Ela especifica uma rede cinco vezes mais rápida do que o 802.11b.

O IEEE 802.11a é desenhada para operar numa banda de frequência de 5-GHz-UNII (Unlicensed National Information Infrastructure). A potência máxima especificada é de 50mW para produtos operando em 5,15-GHz até 5,25-GHz, 250mW para produtos operando em 5,25-GHz até 5,35-GHz e de 800mW para 5,725-GHz até 5,82-GHz (tipicamente para aplicações em áreas abertas). Diferente dos padrões IEEE 802.11b/g, o IEEE 802.11a não usa o padrão DSSS. Ao contrário, utiliza o OFDM que opera mais facilmente em ambientes de escritórios.

IEEE 802.11d

O padrão IEEE 802.11d foi desenvolvido para áreas fora dos chamados cinco grandes domínios regulatórios (EUA, Canadá, Europa, Japão e Austrália). O 802.11d tem um frame estendido que inclui campos com informações dos países, parâmetros de freqüência e tabelas com parâmetros.

IEEE 802.11e

O Task Group criado para desenvolver o padrão 802.11e inicialmente tinha o objetivo de desenvolver os aspectos de segurança e qualidade de serviço (QoS) para a subcamada MAC. Mais tarde as questões de segurança foram atribuídas ao Task Group 802.11i, ficando o 802.11e responsável por desenvolver os aspectos de QoS. O QoS deve ser adicionado as redes WLANs para me permitir o uso VoIP. Também será requerido para o ambiente doméstico, onde deverá suportar voz, vídeo e dados.

IEEE 802.11f

O padrão IEEE 802.11 especifica a subcamada MAC e a camada física para as WLANs e define os princípios básicos da arquitetura da rede, incluído os conceitos de access points e dos sistemas distribuídos.

O IEEE 802.11f está definindo as recomendações práticas, mais que os padrões. Estas recomendações descrevem os serviços dos access points (SAP), as primitivas, o conjunto de funções e os protocolos que deverão ser compartilhados pelos múltiplos fornecedores para operarem em rede.

IEEE 802.11h

Na Europa, os radares e satélites usam a banda de 5-GHz, a mesma utilizada pelo padrão IEEE 802.11a. Isto significa que podem existir interferências com radares e satélites. O padrão 802.11h adiciona uma função de seleção dinâmica de freqüência (DFS – Dynamic Frequency Selection) e um controle de potência de transmissão (TPC – Transmit Power Control) para o padrão 802.11a.

IEEE 802.11i

O Task Group IEEE 802.11i foi criado para melhorar as funções de segurança do protocolo 802.11 MAC, que agora é conhecido como Enhanced Security Network (ESN). O esforço do ESN é unificar todos os esforços para melhorar a segurança das WLANs. Sua visão é consiste em avaliar os seguintes protocolos:

  • Wired Equivalent Protocol (WEP)
  • Temporal Key Integrity Protocol (TKIP)
  • Advanced Encryption Standard (AES)
  • IEEE 802.1x para autenticação e criptografia.

Percebendo que o algoritmo RC4 não é robusto o suficiente para as futuras necessidades, o grupo de trabalho 802.11i está trabalhando na integração do AES dentro da subcamada MAC. O AES segue o padrão do DES – Data Encryption Standard. Como o DES o AES usa criptografia por blocos. Diferente do DES, o AES pode exceder as chaves de 1024 bits, reduzindo as possibilidades de ataques.

HiperLAN/2

Desenvolvido pelo Instituto Europeu de Padrões de Telecomunicações (ETSI – European Telecommunications Standards Institute), o HiperLAN/2 é uma especificação de wireless LAN para operar até 54-Mbps, que pode ser utilizada em várias redes, incluindo as redes 3G, redes ATM e redes baseadas em IP. O padrão prevê o uso de dados, voz e vídeo. A especificação inclui o QoS, fundamental para o transporte em redes determinísticas.

Similar ao 802.11a o HiperLAN/2 opera em 5-GHz utilizando a modulação OFDM. Sua subcamada MAC é diferente do padrão 802.11a.

Bluetooth

Diferentemente dos objetivos das WLANs que são desenhadas para serem extensão das redes locais, o Bluetooth tem o objetivo de substituir os cabos que conectam os periféricos das estações de trabalho. O Bluetooth provê as seguintes funcionalidades:

  • Ponto de acesso para voz e dados
  • Redes pessoais
  • Substituição de cabos entre a estação de trabalho e os periféricos

A topologia de rede suporta até sete conexões simultâneas dentro de uma piconet, com uma taxa de transmissão de 1-Mbps. Seus canais assíncronos podem suportar:

  • Um link assimétrico com um downlink de 721-Kbps e um uplink de 56-Kbps
  • Um link simétrico com 432,6-Kbps em ambas as direções.

Esta diferença de velocidade é devida ao overhead do protocolo. A potência de transmissão é de até 0,1 Watts permitindo uma distância de até 10 metros. Usa a banda de freqüência ISM de 2,4-GHz, a mesma utilizada pelo padrão IEEE 802.11b/g.

O Bluetooth usa a modulação FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum). O hopping rate é de 1600 hops por segundo através dos 79 canais em operação normal. Existem quatro hops de reserva usados para o setup das conexões.

O Bluetooth define dois níveis de potência – um baixo que cobre a área pessoal dentro de uma sala, e uma alta que pode cobrir uma área maior, tal como uma casa. A topologia da rede permite conectar rádios para serem mestres ou escravos.

Para prevenir conflitos, cada rádio usa um único padrão de hopping. Todos os equipamentos de uma piconet usam o mesmo hop. Até 10 piconets podem-se operar sem impacto.

Similar a outros protocolos, a criptografia é utilizada para proteger as transmissões entre os equipamentos na rede. A criptografia é baseada no algoritmo Secure And Fast Encryption Routine – SAFER. Este algoritmo é desenhado para ser implementado em software e apresenta um baixo esforço computacional.

Os aspectos de segurança do Bluetooth devem ser melhorados para oferecer mais robustez nas transmissões de dados entre os equipamentos da rede.

Conclusão

Os problemas técnicos das WLAN estão sendo resolvidos e sua aceitação está cada vez maior entre os usuários, principalmente aqueles que requerem mobilidade no trabalho e lazer. Pontos importantes como segurança e qualidade de serviço devem ser resolvidos em breve. O continuo desenvolvimento da subcamada MAC e da camada física assegura que no futuro a tecnologia WLAN será confiável e robusta para aplicações críticas.

Update (25-junho-2006)

MIMO

A tecnologia MIMO (Multiple Input Multiple Output), pronuncia-se “my-mo”, quebra a barreira dos 100Mbps em transmissões wireless. O MIMO utiliza múltiplas antenas para transmissão e recepção para melhorar o desempenho. Quando dois transmissores e dois ou mais receptores são usados, dois canais de transmissão podem ser transmitidos duplicando a taxa de transferência de dados, além de aumentar a distância entre os equipamentos. O padrão IEEE 802.11n utiliza a tecnologia MIMO que no mínimo pode duplicar a taxa de transmissão de 54Mbps dos padrões 802.11a e 802.11g para 108Mbps.

MIMO, MISO e SIMO

Várias são as vantagens de se utilizar múltiplas antenas ao invés de uma. A terminologia é “M” para Múltiplo, “S” para única, “I” para input e “O” para output. Entretanto, os termos input e output são relativos às transmissões no ar e não aos equipamentos. Essa notação particular, múltiplos inputs (MI) significa que múltiplos transmissores enviam múltiplos fluxos de dados no ar; Múltiplos outputs (MO) significa que múltiplos receptores estão recebendo múltiplos fluxos de dados através do ar.

A figura mostra as formas possíveis de transmissão e recepção utilizando a tecnologia de múltiplas transmissões e recepções.

Mimo

Mimo

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