Seção: Banda Larga
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Os principais objetivos na criação deste padrão foram:
Estes objetivos exigiram alterações significativas nas 2 camadas de rede (PHY e MAC), permitindo a este padrão chegar até os 600 Mbps, quando operando com 4 antenas no transmissor e no receptor, e utilizando a modulação 64-QAM (Quadrature Amplitude Modulation).
Alterações na Camada Física
Disponibilidade de Canais de 40 MHz de banda e Junção de canais
As versões IEEE 802.11a, IEEE 802.11b, IEEE 802.11g e suas variantes operam sobre um canal de 20 MHz com modulação OFDM ou ainda 22 MHz trabalhando em modulação DSSS. O padrão 802.11n introduziu a possiblidade de utilização de canais com 40 MHz de banda, permitindo praticamente duplicar as taxas de transferência por canal. Mais do que isto, permite que 2 canais adjacentes (sem superposição) de 20 MHz sejam combinados para formar um único canal de 40 MHz.
Desta forma, os canais do padrão 802.11n podem ser configurados como 20MHz, 40MHz, ou Conversão automática de 40/20 MHz. Os canais com conversão automática operam em 40 MHz, mas podem automaticamente retornar para 20MHz, na presença de interferências.
Em relação a banda de 2,4 GHz, isto não representa um ganho significativo porquanto podem existir apenas 3 canais de 20 MHz que não se superpõem, mas em relação a banda de 5GHz os resultados são bastante satisfatórios:
Quando se utiliza o padrão 802.11n com canais de 20MHz na banda de 2,4GHz pode-se atingir até 288,9 Mbps. De forma análoga, na banda de 5 GHz, qualquer canal disponível pode ser designado com largura de 40 MHz, permitindo atingir a expressiva taxa de 600 Mbps.
Intervalo de Guarda Menor
Para uma melhor decodificação cada símbolo deve chegar ao receptor sem ruído ou interferência. O padrão 802.11n também conseguiu otimizar o intervalo de tempo entre símbolos (caracteres) nas transmissões, de modo a minimizar a interferência entre símbolos.
Os espaços entre símbolos nas transmissões de rede sem fio, também denominados intervalos de guarda, são utilizados para minimizar a interferência entre símbolos (Inter Symbol Interference - ISI). Esta interferência ocorre quando o retardo entre diferentes trajetórias RF excede o intervalo de guarda. Nas versões anteriores do protocolo 802.11 este intervalo era de 800 hs, porem no padrão 802.11n este intervalo pode ser reduzido para 400 hs, mediante negociação entre transmissor e receptor sempre que a diferença máxima entre os tempos de propagação for menor do que este valor (equivalente a cerca de 120 m, em distância). Isto permite duplicar a quantidade de símbolos transmitidos por unidade de tempo, e uma melhoria significativa na taxa de transferência final.
Maior Número de Subportadoras OFDM
A principal inovação das versões 802.11a e 802.11g foi a introdução de OFDM, uma técnica de multiplexação em frequência que divide o canal em muitas subportadoras. A vantagem é que se muitas subportadoras forem utilizadas, cada uma só necessita suportar uma taxa de transmissão de dados relativamente baixa, aumentando a confiabilidade e previsibilidade, tornando o sistema mais resistente a interferências e efeitos de reflexão.
O padrão 802.11a/g atinge uma taxa total de 54 Mbps, dividindo cada canal de 20 MHz em 52 subportadoras com capacidade de até 1,038 Mbps cada. No padrão 802.11n o mesmo canal de 20 MHz é dividido em 56 portadoras com a mesma taxa individual, aumentando a taxa de transferência total em cerca de 7,7%. Utilizando canais de 40 MHz, pode-se acomodar até 114 subportadoras, representando um incremento de 119% na taxa de transferência.
Modulação Mais Eficiente
O padrão IEEE 802.11n permite uma modulação e codificação mais eficiente do que seus predecessores, empacotando mais informação em cada subportadora. Isto se deve ao fato que dispõe de um conjunto muito mais amplo de taxas de modulação. As taxas de modulação, referidas pelo IEEE como Modulationand Coding Schemes – MCS referem-se a técnica de modulação (por exemplo, Binary Phase Shift Keying - BPSK, Quadrature Phase Shift Keying – QPSK, Quadrature Amplitude Modulation – QAM, etc..), a taxa de codificação (proporção útil de informação contida no código transmitido) e ao número de fluxos espaciais transmitidos.
Transmissão e Recepção em Diversidade
Nos sistemas legados 802.11, o equipamento de rádio opera uma antena de cada vez, e recebe apenas sobre uma antena de cada vez, geralmente a mesma antena. Apesar de que frequentemente existam 2 antenas, a entrada de rádio e a saída de rádio são alternadas de modo que somente uma delas está ativa de cada vez. O padrão IEEE 802.11n permite que múltiplas antenas sejam utilizadas simultaneamente quer pelas funções de transmissão, quer pelas funções de recepção ou por ambas.
Quatro algoritmos distintos podem ser utilizados. Esses algoritmos são descritos a seguir.
Maximum Ratio Combining – MRC
É uma função localizada na recepção rádio, em que os sinais recebidos por diversas antenas, (provenientes de uma ou diversas antenas da outra extremidade) são combinados para otimizar a relação sinal/ruído. Devido a condições de ruído intrínsecas, e efeitos de diferentes trajetórias do sinal, as antenas receberão diferentes sinais.
O Algoritmo MRC permite ao receptor processar os sinais independentemente e então combiná-los proporcionalmente a sua potência de recepção, para extrair uma réplica mais aderente ao fluxo de dados transmitido. O Algoritmo só é eficaz se forem recebidos, pelas antenas de recepção, sinais distintos (diferentemente distorcidos por ruído e interferência) do sinal original transmitido, o que pode ser obtido pela separação das antenas em cerca de meio comprimento de onda (6,25 cm para 2,4 GHz e 3 cm para 5 GHz).
Space-Time Block Coding – STBC
Utilizado na transmissão quando há diversas antenas de transmissão, independentemente do número de antenas de recepção. STBC é outra técnica de diversidade para melhorar a relação sinal-ruído, mas se aplica quando o número de antenas transmissoras excede o número de antenas receptoras. O Algoritmo gera códigos diferentes para a transmissão de cópias do fluxo de dados a partir de diferentes antenas.
Supondo-se que o receptor conheça a regra de codificação, este será capaz de extrair os dados originais com menos erros do que se houvesse apenas uma antena transmitindo. O esquema de codificação utilizado denomina-se Código Alamouti, e é aplicável a um fluxo físico de dados que passa a gerar um par de fluxos de dados no tempo realizando operações específicas sobre estes a cada intervalo de tempo. No processamento desta sequência de pares de símbolos provenientes dos fluxos temporais-espaciais, o receptor é capaz de reconstruir o fluxo de dados original, ainda que na presença de ruído e distorções, já que intervalos consecutivos contêm os mesmos símbolos básicos, modificados pelo código.
O Código Alamouti oferece uma complexidade mínima ao transmissor e receptor, porém com melhorias otimizadas na relação sinal ruído, sob condições normais de deterioração.
Spatial Division Multiplexing – SDM
Essa técnica, frequentemente identificada com o conceito MIMO (Multiple Input, Multiple Output) porque pressupõe esta característica, se refere a habilidade de receber ou transmitir simultaneamente através de múltiplas antenas transmissoras e receptoras, dividindo o fluxo de dados em blocos independentes que são transmitidos por canais diferentes associados a diferentes antenas.
A transmissão e recepção em diversidade com multiplexação por divisão espacial permite aumentar drasticamente a taxa de transferência de dados entre estações. Deve-se observar que as técnicas MIMO pressupõem que o receptor possa estimar as características dos canais de recepção. Isto é realizado pela transmissão de sequências de sinais conhecidos, a partir dos quais o sistema “aprende” como avaliar os símbolos recebidos em cada antena.
Desta forma, as estações podem sintonizar os sinais de diferentes antenas transmissoras em diferentes antenas receptoras, e assim dobrar a taxa de transferência, em relação aos sistemas legados 802.11. O padrão 802.11n define diversas configurações de "M x N" antenas, desde "1 x 1", até "4 x 4". (M) refere-se ao número de antenas transmissoras e (N) refere-se ao número de antenas receptoras, por exemplo, um Ponto de Acesso (AP) que transmite em duas antenas e recebe em 3 antenas é um dispositivo MIMO "2 x 3". Na figura 2 observa-se o funcionamento da técnica, onde é apresentado um sistema MIMO hipotético funcionando no modo 2 x 2, onde os sinais gerados para transmissão são combinados com pesos Wij antes da transmissão e na recepção são combinados a pesos Pij para avaliação dos símbolos recebidos. Quando as características dos canais RF são aprendidas, os pesos Pij podem ser calculados e estabelecidos para otimizar a taxa de transferência do canal. Uma questão crucial em sistemas MIMO diz respeito em como sintonizar os sinais transmitidos em diferentes antenas para recepção ótima nos respectivos receptores.
O padrão 802.11n oferece diferentes métodos: Com retorno implícito o transmissor MIMO caracteriza os sinais a partir do receptor e assume que o canal é simétrico (ou seja, que as reflexões e distorções) atuam da mesma forma em ambas as direções, o que é razoável para a maior parte dos casos. Entretanto, um melhor desempenho é alcançado quando o receptor envia mensagens de retorno (retorno explícito), de modo que o transmissor possa sintonizar com precisão seu sinal para uma recepção otimizada, maximizando a relação sinal/ruído.
Figura 2: Operação MIMO 2x2
Transmissão Beamforming
É a técnica em que os sinais enviados por múltiplas antenas de transmissão podem ser sintonizados de forma tal que a potência RF em relação a uma antena de recepção alvo seja maximizada. Embora esta técnica possa ser utilizada com clientes sem 802.11n (por exemplo, 802.11b/g), torna-se mais eficaz quando o receptor também é 802.11n e pode cooperar realimentando o processo e permitindo ao transmissor otimizar sua área de iluminação. Na prática, a técnica beamforming é utilizada quando a técnica SDM não é eficaz. Enquanto a SDM se baseia em na diversidade de sinais independentes, a técnica beamforming busca um sinal RF coerente focado no receptor. Entretanto não é uma técnica de direcionamento de antena já que a iluminação não é baseada na indicação de direção do receptor, mas de suas condições de recepção. Aplicam-se os mecanismos similares de retorno implícito e explícito identificados na técnica SDM. O IEEE 802.11n define duas formas de beamforming: O primeiro método é denominado implícito, porque se baseia no envio de quadros de sondagem pelo receptor ao transmissor que assume a simetria do canal de RF e utiliza os pesos derivados dos sinais recebidos para estabelecer o foco de iluminação. O segundo método, denominado explícito, é considerado o de melhor desempenho, onde o transmissor transmite quadros de sondagem que são avaliados pelo receptor, que calcula e informa o transmissor sobre os pesos corretos.
Alterações na sub Camada MAC
As funcionalidades básicas da subcamada MAC dos padrões 802.11 foram mantidas, bem como os tipos básicos de quadro existentes, os quadros de dados, quadros de controle que são utilizados para controlar o acesso ao meio (Acknowledgement - ACK, por exemplo) e os quadros de gerência.
O mecanismo básico utilizado na entidade MAC IEEE 802.11 para acesso ao meio de transmissão é o Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance– CSMA/CA. Neste protocolo, qualquer estação que deseja transmitir um quadro de dados verifica se o meio está ocupado. Se este for o caso, esta retarda sua transmissão um tempo, ao final do qual verifica novamente o meio de transmissão. Quando este estiver livre, a transmissão é realizada. A estação passa então a aguardar um reconhecimento. Se este reconhecimento não for recebido, a estação aguarda um intervalo aleatório, supondo que outra transmissão tenha causado interferência. Ao final deste período busca novamente o padrão de canal livre e retransmite os dados. Entende-se que isto resulte em contenção temporária do tráfego, e retardos indesejáveis, quando o meio for mais disputado.
Agregação de Quadros
O padrão IEEE 802.11n inclui mecanismos para agregação de quadros nas estações, reduzindo desta forma o número de eventos de contenção. Além da capacidade de agregar pacotes de mesma origem e destino, conhecida como Aggregated MSDU (A-MSDU) é também possível a concatenação de MPDUs em um quadro MAC agregado, técnica conhecida como Aggregated-MPDU (A-MPDU).
Cada MPDU é criptografada e descriptografada separadamente. Em consequência, ao invés de reconhecer os pacotes enviados (com a MPDU ACK) um a um, o mecanismo permite o reconhecimento em bloco das A-MPDUs que se destinam a um mesmo host, num único quadro que pode reconhecer até 64 MPDUs. Em virtude que podem ocorrer perdas de quadros, o ACK em Bloco especifica exatamente que quadros foram recebidos, permitindo uma retransmissão seletiva daqueles que foram perdidos. Assim que todos os quadros forem corretamente recebidos, estes podem ser colocados na ordem e passados para a aplicação.
RIFS (Reduced Inter Frame Space)
Outra melhoria implementada no padrão IEEE 802.11n diz respeito ao intervalo de tempo entre quadros, utilizado devido ao tempo de contenção e propagação do sinal no ar.
O tamanho desse intervalo pode afetar diretamente o desempenho da rede. Um tempo curto demais irá gerar perdas na recepção dos dados, porém se o espaço de tempo for muito longo isso causará uma sobrecarga na rede, devido ao tempo excessivo de ociosidade do canal. Os padrões anteriores IEEE 802.11 permitiam um intervalo entre quadros denominado Short Inter Frame Space – SIFS da ordem 16 µs.
O padrão IEEE 802.11n conseguiu definir um intervalo ainda menor de tempo, denominado Reduced Inter Frame Space – RIFS de 2µs.
Modo de Economia de Energia
Neste modo, o cliente notifica o Ponto de Acesso do seu status de economia de energia, desligando até ser notificado da presença de tráfego.
A IEEE 802.11n provê um mecanismo adicional relacionado com a operação MIMO, permitindo ao cliente reduzir o consumo em todas as cadeias RF, exceto uma.
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