Redes IEEE Makoto Miyagawa 1. Manaus Amazonas Brasil

Redes IEEE 802.11

Makoto Miyagawa1

1_{Faculdade de Tecnologia – Universidade Federal do Amazonas}

Manaus – Amazonas – Brasil

Resumo. A mobilidade oferecida pelas redes sem fio aos usu´arios, aliada ao baixo custo dos produtos com esta tecnologia, tornaram poss´ıvel a popularizac¸˜ao destas redes, tanto a n´ıvel residencial, quanto a n´ıvel comercial. Dentre os di-versos padr˜oes dispon´ıveis destaca-se o padr˜ao IEEE 802.11, que ´e atualmente o padr˜ao mais difundido em todo o mundo. Neste trabalho ser˜ao abordados os detalhes deste popular padr˜ao, o funcionamento das camadas de enlace e f´ısica que este especifica, apontando algumas das diferenc¸as encontradas entre suas revis˜oes.

1. Introduc¸˜ao

802.11 faz parte do padr˜ao IEEE 802, que ´e uma s´erie de especificac¸˜oes para redes lo-cais (LAN). Ele especifica as camadas f´ısica e de enlace, de acordo com o modelo OSI, como mostra a figura 1. Todas as redes 802 possuem componentes MAC e PHY. O MAC, ou controle de acesso ao meio, determina quais dispositivos acessam o meio num de-terminado momento, enquanto os detalhes da transmiss˜ao e recepc¸˜ao ficam a cargo da componente PHY.

As especificac¸˜oes individuais s˜ao identificadas por um segundo n´umero. O 802.3, por exemplo, detalha as redes que utilizam a t´ecnica CSMA/CD (Carrier Sense Mul-tiple Access network with Collision Detection), popularmente chamados de Ethernet. Enquanto os padr˜oes 802.15 e 802.16 detalham redes sem fio pessoais (WPAN), como Bluetoothe ZigBee, e redes sem fio metropolitanas (WMAN), como o WiMax, respecti-vamente.

O 802.11 base detalha redes sem fio locais (WLAN), que incluem especificac¸˜oes do MAC e duas camadas f´ısicas: FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) e DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum). Revis˜oes deste padr˜ao feitas posteriormente acres-centaram novas camadas f´ısicas. 802.11b utiliza o HR/DSSS (High Rate DSSS) e 802.11a utiliza o OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), utilizado tamb´em pelo 802.11g e tamb´em pelo recente 802.11n, aliado a t´ecnica MIMO.

1.1. Tipos de rede

O bloco b´asico de uma rede sem fio ´e o BSS (Basic Service Set), que nada mais ´e um grupo de dispositivos se comunicando entre si. Esta comunicac¸˜ao ´e feita dentro de uma ´area denominada como basic service area, limitada pelas caracter´ısticas do meio sem fio. Quando um dispositivo est´a dentro desta ´area, ela pode se comunicar com outros membros da BSS. Os BSSs s˜ao divididos a seguir:

1.1.1. Redes independentes (Independent BSS)

Nas redes independentes, as estac¸˜oes se comunicam diretamente entre elas, desde que estejam dentro da sua ´area de alcance, como mostra a figura 2. Normalmente essas redes s˜ao de curta durac¸˜ao e criada para prop´ositos espec´ıficos, como compartilhamento de arquivos em reuni˜oes ou palestras. Estas redes tamb´em s˜ao conhecidas como redes ad hoc.

1.1.2. Redes infra-estruturadas (Infrastructured BSS)

Nestas redes encontramos dispositivos que fazem o papel de pontos de acesso, como mostra a figura 2. Os pontos de acesso participam de todas as comunicac¸˜oes feitas dentro do BSS. Quando um membro do BSS quer enviar dados para outro membro, esses dados s˜ao passados para o ponto de acesso e este repassa para o destino. Para um dispositivo fazer parte de uma BSS infra-estruturada, ela deve se associar a um dos pontos de acesso pertencentes a essa rede.

1.1.3. Redes h´ıbridas

As redes h´ıbridas associam caracter´ısticas das redes independentes e das redes infra-estruturadas. Todos os dispositivos dentro deste BSS possuem a capacidade de rotea-mento, dando ao transmissor m´ultiplas rotas at´e o destino. A informac¸˜ao pode ”saltar” por m´ultiplos dispositivos, podendo ser ou n˜ao pontos de acesso. Estas redes possuem a vantagem de poderem abranger ´areas maiores de cobertura, comparado `as outras redes. As redes h´ıbridas tamb´em podem ser chamadas de redes mesh.

1.2. Problemas enfrentados pela rede

Devido `as caracter´ısticas do meio e da disposic¸˜ao dos dispositivos na rede, observamos alguns problemas que se n˜ao forem considerados ou verificados, poder˜ao prejudicar a transmiss˜ao de informac¸˜ao pela rede.

1.2.1. Qualidade do meio sem fio

O 802.11 utiliza as frequˆencias de 2,4 GHz (802.11bgn), e 5,8 GHz (802.11a), essas faixas de frequˆencias s˜ao chamadas de ISM (Industrial, Scientific and Medical) e origi-nalmente foram reservadas para uso industrial, cient´ıfico e industrial para prop´ositos al´em da comunicac¸˜ao. Essas faixas, em especial a de 2,4 GHz s˜ao muito ruidosas devido aos diversos dispositivos que operam nestas faixas. Na faixa de 2,4 GHz, encontramos apar-elhos de micro-ondas, telefones sem fio, alarmes de carro, dispositivos Blutooth e ZigBee, entre outros. Al´em do ru´ıdo, o desvanecimento sofrido pelo sinal pode causar a perda de informac¸˜ao. Por isso, este padr˜ao incorpora a confirmac¸˜ao de recebimento. Todos os pacotes transmitidos devem ser respondidos com uma confirmac¸˜ao, caso haja falhas na transmiss˜ao de um dos elementos, o pacote ´e considerado perdido.

1.2.2. Problema do n´o escondido

A figura 3 ilustra o problema do n´o escondido. Nesta figura vemos trˆes n´os e a ´area de cobertura dos n´os 1 e 3. A ´area do n´o 1 n˜ao abrange o n´o 3, portanto este n´o est´a ”invis´ıvel” pelo 1, assim como a ´area do n´o 3 n˜ao abrange o n´o 1. Poder´a haver um momento onde ambos os n´os 1 e 3 queiram se comunicar com o n´o 2, causando colis˜ao de informac¸˜ao, comprometendo os dados enviados. Uma forma de evitar este tipo de problema ´e aplicando utilizando as flags RTS/CTS, que ser´a explicada mais adiante.

Figura 3. Problema do n ´o escondido

1.2.3. Problema do n´o exposto

Como vemos na figura 4, temos duas redes, uma formada pelos n´os R1 e S1 e outra pelos n´os R2 e S1. Estas redes n˜ao se comunicam entre si, mas a ´area de cobertura de S1 abrange S2 e vice-versa. Portanto, caso S1 tente transmitir ao mesmo tempo em que S2, haver´a colis˜ao e dados ser˜ao perdidos. Assim como o problema do n´o escondido, este problema pode ser resolvido atrav´es das flags RTS/CTS.

Figura 4. Problema do n ´o exposto

1.3. Desvanecimento (fading)

Fading ´e a atenuac¸˜ao sofrida pelo sinal causado pela reflex˜ao, difrac¸˜ao e espalhamento. Durante uma transmiss˜ao de sinal, os dados se propagam em diversos caminhos, sofrendo atenuac¸˜oes, atrasos e mudanc¸as de fase. Ao chegar ao receptor, o mesmo sinal vindo de diversos caminhos se sobrep˜oe, causando interferˆencias destrutivas ou construtivas, amplificando ou degenerando o sinal na recepc¸˜ao.

2. MAC do 802.11

O MAC, ou Camada de Acesso ao Meio, controla a utilizac¸˜ao meio entre os diversos usu´arios da rede. Similar ao 802.3, o 802.11 utiliza a t´ecnica CSMA, mas ao inv´es de de-tectar colis˜oes como o Ethernet (CSMA/CD), ele os evita (CSMA/CA). O 802.11 tamb´em utiliza um esquema de acesso distribu´ıdo sem controlador central, como o Ethernet. 2.1. Func¸˜oes de coordenac¸˜ao

O acesso ao meio sem fio ´e controlado pela func¸˜ao de coordenac¸˜ao. O DCF (Distributed Coordination Function) providencia o acesso para o CSMA/CA. Pode-se usar o PCF (Point Coordination Function) se for necess´ario utilizar um servic¸o livre de concorrˆencia. Servic¸os livres de concorrˆencia s´o poder˜ao ser providenciados em redes infraestruturadas. As func¸˜oes de coordenac¸˜ao s˜ao descritas a seguir:

• DCF: Assim como no Ethernet, o DCF verifica se o meio est´a livre antes de transmitir. Para evitar colis˜oes, as estac¸˜oes utilizam uma janela de backoff. Pode-se utilizar frames RTS/CTS para reduzir a possibilidade de colis˜oes.

• PCF: Estac¸˜oes especiais chamados de point coordinators, coordenam o uso do enlace, para garantir que o meio esteja livre de colis˜oes. Como o PCF n˜ao ´e largamente implementado, ele n˜ao ser´a abordado neste documento.

2.2. Func¸˜oes de detecc¸˜ao de portadora e NAV

A detecc¸˜ao de portadora ´e usada para verificar se o meio est´a livre. O 802.11 implementa dois tipos de detecc¸˜ao: detecc¸˜ao f´ısica e detecc¸˜ao virtual. A detecc¸˜ao f´ısica ´e feita pela camada f´ısica, enquanto a virtual ´e feita pelo NAV (Network Allocation Vector). O NAV ´e um timer que indica por quanto tempo o meio est´a reservado, determinado pelo campo de durac¸˜ao encontrado na maioria dos frames no 802.11. As estac¸˜oes ajustam o NAV, esti-mando o tempo que o meio estar´a sendo utilizado, incluindo quaisquer frames necess´arios

para completar a operac¸˜ao. O NAV ´e ent˜ao decrementado at´e zero. Enquanto o NAV n˜ao for zero, o meio ´e considerado ocupado. Quando o NAV chega a 0, o meio ´e considerado ocioso.

2.3. Espac¸amento inter-quadros

O 802.11 utiliza 4 tipos de espac¸amento inter-quadros, trˆes s˜ao utilizados para determinzar o acesso ao meio. Os tipos de espac¸amento inter-quadros s˜ao descritos a seguir:

• Short interframe space (SIFS): o SIFS ´e utilizado para transmiss˜oes de alta pri-oridade como o envio do RTS/CTS ou de avisos de recebimento. As transmiss˜oes de alta prioridade s˜ao iniciadas ap´os a durac¸˜ao de um SIFS.

• PCF interframe space (PIFS): utilizado pelo PCF durante o per´ıodo livre de dis-puta. Estac¸˜oes com dados a serem enviados podem transmitir ap´os um PIFS e preemptam qualquer tr´afego baseado em disputa.

• DCF interframe space (DIFS): ´e o tempo ocioso m´ınimo para servic¸os baseados em disputa. Estac¸˜oes podem ter acesso ao meio ap´os o per´ıodo de um DIFS. • Extended interframe space (EIFS): utilizado quando h´a erro de transmiss˜ao de

frames.

2.4. Acesso baseado em disputa atrav´es do DCF

O acesso ao meio utilizando o DCF se d´a por algumas regras:

• Se o meio estiver livre por mais de um DIFS, a transmiss˜ao pode comec¸ar imedi-atamente.

• Se o meio estiver ocupado, a estac¸˜ao aguarda o meio ficar ocioso, aguardando um DIFS antes de entrar na janela de disputa.

• Ap´os a transmiss˜ao, um ACK ´e enviado ap´os um SIFS.

• Se a transmiss˜ao foi bem sucedida, o meio ´e considerado livre ap´os um DIFS e a janela de disputa ´e aberta.

• Se ocorreram erros durante a transmiss˜ao, aguarda-se um EIFS e a janela de dis-puta ´e aberta.

Figura 5. Exemplo de envio de dados

Pode-se implementar o RTS/CTS como soluc¸˜ao para os problemas de n´o exposto e n´o escondido. Neste caso, os frames RTS e CTS s`ao enviados antes da transmiss˜ao dos dados, como mostra a figura 6.

Figura 6. Transmiss ˜ao de dados utilizando a soluc¸ ˜ao RTS/CTS

2.4.1. Janela de disputa

Ap´os a transmiss˜ao dos dados e aguardado um DIFS, as estac¸˜oes de tr´afego baseado em disputa entram na janela de disputa. Esta janela ´e dividida em slots. Cada estac¸˜ao escolhe aleatoriamente um slot e aguarda antes de acessar o meio. A estac¸˜ao com o slot de menor valor ganha o acesso ao meio. Quando uma transmiss˜ao falha, a estac¸˜ao escolher´a seu slot em um intervalo maior. O tamanho da janela de disputa s˜ao sempre potˆencias de 2 menos 1 (31,63,127,255). Cada vez acontece uma retransmiss˜ao, esta janela aumenta para a pr´oxima potˆencia de 2. Aumentar a janela de disputa permite que os algoritmos do MAC permanec¸am est´aveis mesmo em carga m´axima. Quando a transmiss˜ao ´e bem sucedida, o tamanho da janela retorna ao seu menor valor.

3. Camada f´ısica do 802.11

A camada f´ısica ´e respons´avel pela transmiss˜ao dos dados pelo meio. As diversas revis˜oes feitas ao 802.11 acrescentaram ao padr˜ao diversos tipos de camada f´ısica. Na tabela 1 vemos as camadas que foram adicionadas ao padr˜ao por algumas de suas revis˜oes e sua taxa m´axima de transmiss˜ao te´orica.

Padr˜ao Tecnologia Taxa de transmiss˜ao Frequˆencia 802.11 Infravermelho, FHSS, DSSS at´e 2Mbps 2,4GHz

802.11a OFDM at´e 54Mbps 5GHz

802.11b HR-DSSS at´e 11Mbps 2,4GHz

802.11g OFDM at´e 54Mbps 2,4GHz

802.11n MIMO-OFDM at´e 600Mbps 2,4GHz

Tabela 1. Algumas revis ˜oes do 802.11

3.1. Infravermelho

O 802.11 possui especificac¸˜oes sobre a utilizac¸˜ao do infravermelho como meio de trans-miss˜ao. Interfaces que utilizam infravermelho s˜ao baratas e seriam muito vantajosas em termo de custo, al´em disso, o infravermelho n˜ao sofre interferˆencia eletromagn´etica. Por´em sua desvantagem ´e o alcance: n˜ao ultrapassa mais do que poucos metros.

N˜ao existem dispositivos 802.11 com interface infravermelho, e os muitos m´odulos de comunicac¸˜ao IR existentes se baseiam no padr˜ao IrDA, tornando uma poss´ıvel en-trada no mercado muito dif´ıcil. Al´em do mais, a mobilidade e flexibilidade desejada pelo 802.11 s˜ao melhores obtidos utilizando radiofrequˆencia.

3.2. FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum)

No FHSS, a banda ´e dividida em diversas faixas de frequˆencias e grupos de estac¸˜oes op-eram na mesma faixa e por um curto espac¸o de tempo. Ap´os dado o tempo, uma nova faixa ´e escolhida aleatoriamente e o processo se repete. Na figura 7 vemos o funciona-mento da FHSS, onde dois grupos de estac¸˜oes (representados em verde e laranja) dividem o meio.

Figura 7. Ilustrac¸ ˜ao do funcionamento do FHSS

3.3. DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum)e HR-DSSS (High Rate DSSS)

Semelhante ao FHSS, por´em ao inv´es dos grupos escolherem a nova frequˆencia aleato-riamente, eles s˜ao definidos previamente atrav´es de c´odigos de espalhamento, assim a colis˜ao entre os grupos s˜ao menores. Para aumentar a taxa de transmiss˜ao do DSSS, foi introduzida a modulac¸˜ao CCK, dando origem ao HS-DSSS, podendo transmitir dados em at´e 11Mbps.

3.4. OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) e MIMO-OFDM (Multiple Input, Multiple Output OFDM)

O OFDM divide a banda em 11 sub-canais, e cada sub-canal carrega uma porc¸˜ao da informac¸˜ao e ´e independente. Esta abordagem possui grande imunidade a interferˆencias e utiliza o espectro de forma eficiente. A figura 8 mostra a divis˜ao dos sub-canais na banda. Tamb´em podemos observar que cada canal gera uma pequena interferˆencia em seus canais vizinhos. Para o bom projeto de redes, ´e aconselhado a utilizar os canais 1, 6 e 11, pois estes n˜ao sofrem interferˆencias entre elas, s˜ao os chamados canais ortogonais.

A introduc¸˜ao do MIMO no 802.11n fez este padr˜ao dar um grande salto em relac¸˜ao a taxa de transmiss˜ao por utilizar diversas antenas para a transmiss˜ao e recepc¸˜ao. Atrav´es de duas abordagens, o Receive diversity e o Spatial multiplexing, maiores taxas de trans-miss˜ao podem ser obtidas.

Figura 8. Divis ˜ao da banda atrav ´es do OFDM

• Receive diversity: as antenas captam a informac¸˜ao vindas de diversas direc¸˜oes e atrav´es de um algoritmo os dados s˜ao combinados, melhorando a qualidade do sinal a ser recuperado e reduzindo as perdas de infomac¸˜ao.

• Spatial multiplexing: a estac¸˜ao quebra a informac¸˜ao em partes e os dados s˜ao enviados atrav´es de cada antena, na recepc¸˜ao, cada antena recebe um fragmento do dado e a informac¸˜ao ´e recuperada.

4. Conclus˜ao

O padr˜ao 802.11 ´e hoje o padr˜ao mais popular de redes locais sem fio, os baixos custos dos produtos aliados `as altas taxas de transmiss˜ao permitiram a difus˜ao deste padr˜ao. Vimos os detalhes deste padr˜ao, a semelhanc¸a do MAC com o do Ethernet e as diferentes tecnologias adotadas por suas revis˜oes em sua camada f´ısica. Atualmente a expectativa est´a sobre sua nova revis˜ao, o 802.11n, onde as altas taxas se devem atrav´es da utilizac¸˜ao de m´ultiplas antenas. O 802.11 ´e, at´e o dado momento, a alternativa mais aceita para redes locais sem fio.

Referˆencias

Gast, M. (2005). 802.11 Wireless Networks: The Definitive Guide, Second Edition (Definitive Guide). O’Reilly Media, Inc.

Walke, B. H., Mangold, S., and Berlemann, L. (2007). IEEE 802 Wireless Systems: Protocols, Multi-Hop Mesh/Relaying, Performance and Spectrum Coexistence. Wiley & Sons, 1st edition.

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