redes sem fio 802.11 resumo

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Seção: Tutoriais Banda Larga
 
	 
		Câmeras IP I: Transmissão Sem Fio
 
A seção anterior apresentou a comunicação através de meios guiados, ou seja, através da transmissão por irradiação eletromagnética.
 
Wireless
 
Dá-se o nome de Wireless ou Wi-Fi (Wireless Fidelity) a toda a comunicação que é feita sem a conexão por meio de fios, como a transmissão via rádio, telefonia celular, infravermelho, Bluetooth, sistemas depaging, entre outros. (SOUSA, 2004)
 
Quando uma rede local de computadores é formada por tecnologia sem fio, temos uma rede “wireless lan”. Nestas redes, os hosts possuem placas específicas para esta tecnologia, como por exemplo, placas de rede wireless 802.11b, que se comunicam através sinais emitidos e recebidos por suas antenas com os roteadores wireless da rede na forma de sinais de rádio de baixa potência.
 
A utilização de redes wireless cresce a cada ano graças à facilidade de instalação, onde não é necessária a implantação de qualquer infra-estrutura, aliada à tecnologia wireless embarcada nos computadores disponíveis no mercado. Na atualidade, todos os computadores móveis já são comprados contendo placas embutidas de rede 802.11b/g. As redes wireless também são uma excelente saída quando não há tempo para a montagem de uma infra-estrutura, e há uma necessidade emergencial para atender uma grande quantidade de pontos, como numa palestra ou eventos similares, pois pode-se apenas conectar um roteador wireless a um ponto da rede que esteja conectado à internet e todos os usuários que estiverem na nuvem de alcance daquele sinal terão uma rede à sua disposição.
 
As redes sem fio não substituem totalmente as redes cabeadas por vários motivos, como podemos citar a segurança e a velocidade, mas podem ser usadas em combinação com LANs cabeadas, onde os pontos que necessitam de mobilidade são ligados à rede pelo meio wireless e as estações fixas são ligadas à rede via cabo metálico.
 
As vantagens de uma rede local wireless são várias, porém suas facilidades sempre se depararam com o problema da falta de padronização. Este problema era um obstáculo ao crescimento efetivo das tecnologias wireless, uma vez que cada fornecedor apresentava uma abordagem diferente, o que fazia com que os usuários se retraíssem, evitando as soluções proprietárias.
 
Como esta tecnologia tinha uma grande perspectiva de crescimento o IEEE estabeleceu, em meados dos anos 90, um comitê para definir protocolos de transmissão para redes sem fio. Este comitê, ou grupo de estudo como é chamado, foi o 802.11. Em meados de 1997 foram aprovados os primeiros padrões para redes sem fio: IEEE 802.11a e 802.11b. Certamente, o sucesso do padrão está conectado à convergência da interoperabilidade entre diversas abordagens proprietárias para uma abordagem padronizada. (DANTAS, 2002)
 
A introdução do IEEE 802.11, semelhantemente ao que ocorreu com as clássicas redes guiadas, permitiu um aumento no número de fabricantes que puderam prover serviços de redes locais wirelessbaseados em um sistema padrão e aberto. Aliado a isto, vieram também a maior competitividade e a consequente redução dos custos desta tecnologia.
 
Em geral, a responsável por uma variedade de funções de transmissão de dados é a camada de enlace (camada 2 do modelo OSI), incluindo também a certificação dos dados antes de serem transmitidos pelo sistema cabeado ou a rádio, bem como as funções de controle de fluxo e de erro. A subcamada de controle de acesso à mídia, que ocupa a porção mais baixa da camada de enlace de dados, como seu próprio nome sugere, controla o acesso ao meio físico de transmissão. Aí está concentrada a maior atenção por parte do comitê.
 
Com a normatização 802.11, o IEEE define os chamados CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access With Collision Avoidance) e RTS (Request to Send)/CTS (Clear to Send) como métodos de controle de acesso ao meio em redes WLAN. Neste caso, o equipamento que deseja transmitir dados envia um sinal equivalente a um RTS de uma comunicação serial aos transceptores das estações de trabalho da rede e efetivamente transmite a informação somente após receber o CTS correspondente da rede, que se encontrará no estado de espera para que possa haver a transmissão da informação. Caso o CTS não seja recebido pelo usuário que deseja iniciar uma transmissão na rede, será entendido que o canal está ocupado, e uma nova tentativa de conexão será feita num intervalo aleatório de tempo. Portanto, o usuário apenas transmite quando receber o sinal de que o canal está efetivamente livre. (DANTAS, 2002)
 
Para as diversas implementações do padrão, foram escolhidas faixas de frequência que não necessitavam de licenciamento das Agências reguladores, como o ISM e U-NII. A faixa do ISM compreende três segmentos do espectro: de 902 a 928 MHz, de 2400 a 2483,5 MHz e de 5725 a 5825 MHz. Já a U-NII, apenas um segmento que varia de 5150 a 5825 MHz. (MF101 FURUKAWA)
 
Como principais vantagens das redes wireless, podemos citar o menor custo de instalação e exploração, já que não há necessidade de cabeamento; a maior rapidez de instalação e distribuição, considerando que não é necessária a existência de uma grande infra-estrutura de cabeamento; e a mobilidade total dentro dos limites de alcance do sinal, já que não é uma topologia fixa.
 
Como desvantagens, entramos no assunto da qualidade de serviço, uma vez que é inferior àquela que se verifica para as redes cabeadas já que os cabeamentos par-metálicos de categorias 5E, 6 e 6A oferecem hoje uma maior taxa de transmissão – superior às redes Ethernet de 100 Mbit/s; e a segurança nos aspectos de confidencialidade e integridade dos dados transmitidos, já que as interfaces de rádio são “abertas”, facilitando a escuta de informação por parte de intrusos. Este último ponto constitui talvez o tema de maior preocupação no âmbito das redes sem fios.
 
Há ainda a questão de interferência, pois a frequência de 2,4 GHz é uma faixa liberada no Brasil e em grande número dos países, isto é, não é necessário obter nenhum tipo de autorização junto ao órgão responsável local, o que impulsiona ainda mais a utilização de tecnologias que utilizam esta faixa, sejam as WLANs baseadas em 802.11, o Bluetooth (IEEE 802.15) ou outras tecnologias wireless menos conhecidas.
 
A questão que deve ser observada é que um sistema operando no local pode causar interferência em outro, a ponto de nenhum conseguir estabelecer comunicação de forma satisfatória. Além de equipamentos de telecomunicações existem ainda muitos outros que podem causar interferências na faixa de 2,4 GHz, como os fornos de micro-ondas domésticos.
 
Topologias
 
Quanto à topologia, as redes wireless podem ser do tipo Ad-Hoc ou do tipo Infra-Estruturadas.
 
As redes infra-estruturadas são aquelas que, como o próprio nome diz, contam com uma infra-estrutura física de suporte que interliga os dispositivos wireless à rede, como por exemplo, acess points. Neste caso existe um elemento concentrador e este se torna o equipamento central da rede, que estabelece a comunicação com várias estações clientes e detém as configurações de segurança (autorização, autenticação, controle de banda, filtros de pacote, criptografia, etc.). Este modelo facilita a interligação com redes cabeadas e/ou com a Internet, já que em geral o concentrador também desempenha o papel de gateway.
 
Numa estrutura de rede física, estão presentes múltiplos nós (chamados de stations) ligados aos pontos de acesso (Access Points), que têm como dispositivo equivalente nas redes cabeadas, o hub ou roteador. O AP (Acess Point) está tipicamente ligado a uma rede ethernet e comunica com as estações através de uma antena emitindo e recebendo sinais de radiofrequência. As estações são usualmentenotebooks ou outros aparelhos equipados com placas de rede 802.11g/b/n, quepermitem o acesso via rádio através dos pontos de acesso.
 
Um AP e múltiplas estações inseridas na área de cobertura do primeiro formam um BSS (Basic Service Set). Estes são geralmenteinterligados pelo sistema de distribuição ou DS (Distribution System). Um sistema de distribuição liga entre si distintos BSSs através dos APs de modo a constituir uma rede única, permitindo assim estender a cobertura a uma maior área geográfica. A rede no seu todo é neste contexto designada deESS(Extended Service Set). Além disso, o sistema de distribuição interliga através dos APsas várias redes wireless que formam um ESScom outras LANs, como pode ser visto na figura abaixo:
 
Figura 13: Representação de uma rede 802.11 Infra-Estruturada
Fonte: o autor
 
As redes 802.11 suportam roaming entre pontos de acesso, isto é, um utilizadorconsegue ter continuidade de sessão quando comuta entre pontos de acesso pertencentes ao mesmo ESS. Compete aos APsgerir todo o processo de handover através da troca de mensagens de sinalização, cabendo ao sistema de distribuição a transferência de dados entre os diferentes pontos de acesso.
 
Já as redes Ad-Hoc são redes que não necessitam de qualquer suporte físico, permitindo assim a constituição de uma rede de forma espontânea entre estações, ou seja, conecta dois pontos sem a necessidade de cabos ou ainda de um terceiro equipamento ativo, como um acess point, roteadorwireless ou similar.É o tipo de estrutura em que não existe um ponto central de distribuição, neste caso as estações estão interconectadas entre si.
 
Estas redes não estruturadas formam um ou mais BSSs, designados por IBSS. Um BSS comporta um conjunto de estações que usam a mesma frequência de rádio, comunicando diretamente entre si. Neste caso, uma estação não consegue falar com outra se não estiver dentro do seu alcance do sinal de rádio. Há inerentes limitações de alcance, pois sabe-se que a potência do sinal RF decai com o aumento da distância, sendo que no caso da propagação através de obstáculos o decaimento é ainda mais elevado. Não existe, portanto, qualquer ponto de acesso que, estando ligado ao sistema de distribuição, permita a um nó comunicar com outra estação fora do seu alcance de rádio, ou seja, para comunicarem entre si as estações têm que estar dentro do alcance uma das outras.
 
 
Figura 14: Representação de uma rede 802.11 Ad-Hoc
Fonte: o autor
 
Assim, estações num mesmo BSS podem comunicar entre si, enquanto estações em BSSs distintos não conseguem estabelecer qualquer conexão. A constituição de múltiplos BSSs pode ser feita recorrendo à sua separação através da distância ou usando frequências diferentes para cada um dos Basic Service Sets. Neste último caso podem ser definidas várias redes ad-hoc fisicamente sobrepostas no mesmo espaço geográfico.
 
Este modo de operação pode ser mais apropriado em situações em que não haja um concentrador disponível ou mesmo em pequenas redes, porém deve-se enfatizar que a ausência do concentrador cria vários problemas de segurança, administração e gerência da rede.
 
Espalhamento de Espectro e Modulação
 
É importante também entender as modulações e codificações utilizadas nestes sinais de redes sem fio, como o FHSS, DSSS e OFDM.
 
O espalhamento de espectro com salto de frequência (ou FHSS) baseia-se na técnica de codificação de espalhamento de espectro, cuja idéia é espalhar a potência do sinal transmitido numa nova largura de banda, muito maior que a necessária para transmitir o sinal original. Nesta técnica, a SNR é reduzida sem prejudicar o desempenho do sistema.
 
No FHSS, a banda total é dividida em canais que são uma pequena largura de banda associada a uma frequência portadora. Um circuito gerador de códigos pseudo-randômicos que trabalha num padrão na qual os canais ficarão disponíveis para a transmissão. Durante a transmissão, o sinal de informação inicia pelo canal 1 (um), por exemplo, e passados alguns instantes, salta para o canal 3 (três), e assim por diante, fazendo com que o sinal ocupe toda a banda.
 
O espalhamento de espectro por sequência direta (DSSS) é uma técnica que se baseia em aplicar uma modulação ao sinal de banda-estreita por um sinal banda larga, de modo a espalhar o sinal no espectro de frequências. Os sinais utilizados para o espalhamento são códigos ortogonais ou códigos pseudo-randômicos, conhecidos como códigos PN (Pseudonoise), que contém um número finito de símbolos.
 
O resultado da utilização desta técnica em relação à redução de interferências é que após o espalhamento do sinal, a interferência gerada em outros sistemas não é de alta potência em uma faixa estreita, mas uma baixa potência em toda a faixa, similar a um ruído branco de baixa potência.
 
A multiplexação ortogonal por divisão de frequências (OFDM) é uma técnica rigorosamente não deveria ser chamada de espalhamento espectral, mas de técnica de transmissão de dados, pois baseia-se no uso de múltiplas portadoras (chamadas de sub-portadoras), que permanecem fixas (no espectro) e não são espalhadas. Ainda assim, está classificada como espalhamento de espectro, em razão dos seus efeitos.
 
A técnica funciona dividindo o sinal em partes e, cada sub-portadora transmite uma das partes do sinal. A taxa total de transmissão depende de quantas portadoras são utilizadas. Além de permitir a utilização de baixa potência em cada uma das sub-portadoras, esta técnica, utilizada no padrão 802.11g e 802.11a, é mais robusta aos efeitos de multipercursos que as técnicas de espalhamento espectral apresentadas.
Padrões 802.11
 
O comitê 802.11 do IEEE aprovou em meados de 1997 os padrões os padrões 802.11b e 802.11a. Atualmente, o IEEE continua trabalhando nos padrões para a indústria de WLANs, e ainda outros padrões para redes sem fio, como os de WPAN (Wireless Personal Area Network), no qual se inclui oBluetooth (802.15), o BBWA (Broadband Wireless Access, com o grupo 802.16), e o WiMax.
 
Tabela 08: Grupos do IEEE 802.11
	GRUPO
	O QUE FAZ
	802.11a
	Padrão que trabalha em 5GHz com taxas de 54Mbit/s
	802.11b
	Opera em 2,4 GHz com taxas de 11Mbit/s
	802.11e
	Adiciona QoS ao 802.11a/b/g p/ aplicações de voz e vídeo
	802.11f
	Melhora a autenticação na comunicação entre APs
	802.11g
	Opera em 2,4 GHz com taxas de 54 e 108Mbit/s
	802.11i
	Substitui a criptografia WEP e opera com o AES
	802.11n
	Redes Wi-Fi mais rápidas, mais seguras, c/ maior alcance, e que consomem menos energia.
  
Dentre os padrões do 802.11, torna-se mais importante o entendimento dos seguintes:
IEEE 802.11a: Padrão que opera na faixa de 5GHz, utilizando modulação OFDM com 52 portadoras e atingindo uma velocidade máxima de 54 Mbit/s. Possui 12 canais não sobrepostos, sendo 8 para aplicações indoor e 4 para aplicações ponto-a-ponto. As portadoras possuem largura de banda de 16,6 MHz, com espaçamento de 20MHz.
IEEE 802.11b: Opera na faixa de 2,4GHz utilizando modulação CCK, DQPSK e DBPSK, com tecnologia DSSS, atingindo a velocidade máxima de 11Mbit/s. Possui 12 canais não sobrepostos, sendo 8 para aplicações indoor e 4 para aplicações ponto-a-ponto. As portadoras possuem banda com largura de 22MHz, com espaçamento de 5MHz.
IEEE 802.11g: O padrão opera na faixa de 2,4GHz, utilizando a modulação OFDM e atinge velocidade máxima de 54Mbit/s. Ele é compatível com o 802.11b, então, pode operar com uma portadora ou com várias, e deve implementar as mesmas modulações. Possui 13 canais não sobrepostos com banda de 22 MHz e espaçamento de 5MHz. Este padrão equaciona a principal desvantagem do 802.11a, que é utilizar a frequência de 5GHz e não permitir inter-operação com 802.11b. O fato de o 802.11g operar na mesma frequência do 802.11b (2,4 GHz) permite que equipamentos de ambos os padrões (b e g) coexistam no mesmo ambiente, possibilitando assim evolução menos traumática das instalações. Além disso, o 802.11g incorpora várias das características positivas do 802.11a, como a de utilizar também a modulação OFDM (além da DSSS) e taxa próxima aos 54Mbit/s nominais. Por oferece um melhor alcance numa melhor taxa de transmissão (exceto pelo 802.11n) tornou-se o mais utilizado no mercado atualmente. Há aindaequipamentos com o mesmo padrão de 802.11g (ainda não normatizados) que oferecem uma velocidade de transmissão de 108Mbit/s, muito comuns e acessíveis no mercado.
IEEE 802.11n: padrão que opera na faixa de 2,4 e 5GHz. Baseia-se principalmente em antenas MIMO, ou seja, utiliza uma combinação de antenas para uma melhor performance de sinal, alcançando até 600Mbit/s para configurações 4x4 (4 antenas emissoras e 4 antenas receptoras). O padrão ainda é novo e, justamente pela novidade, ainda mostra-se como uma tecnologia cara. Os equipamentos compatíveis (placas, acess points) ainda não se difundiram a todos os produtos novos do mercado, e ainda não apresentam preços acessíveis.
Fonte: http://www.teleco.com.br/tutoriais/tutorialcameraip1/pagina_4.asp