As técnicas de transmissão de dados nas redes sem fio

Outubro 2017

Os canais de transmissão

Chama-se canal de transmissão uma banda estreita de frequência utilizável para uma comunicação. Em geral, em cada país, o governo é o regulador da utilização das bandas de frequência, porque é, frequentemente, o principal consumidor para usos militares.

Contudo, os governos propõem bandas de frequência para uma utilização livre, ou seja, não requer licença de radiocomunicação. Os organismos encarregados de controlar o uso das frequências de rádio são:

O ETSI - European Telecommunications Standards Institute na Europa;
A FCC - Federal Communications Commission nos Estados Unidos;
O MKK - Kensa-kentei Kyokai no Japão.

Em 1985, os Estados Unidos liberaram três bandas de frequência para a Indústria, a Ciência e a Medicina. Estas bandas de frequência, chamadas de ISM, são as bandas 902-928 MHz, 2.400-2.4835 GHz e 5.725-5.850 GHz.

Na Europa, a banda que se estende de 890 a 915 MHz é utilizada para as comunicações móveis (GSM), assim, só as bandas de 2.400 a 2.4835 GHz e de 5.725 a 5.850 GHz estão disponíveis para uma utilização radioamadora.

As tecnologias de transmissão

As redes locais radioelétricas utilizam ondas de rádio ou infravermelhas para transmitir dados. A técnica utilizada, originalmente, para as transmissões de rádio chama-se transmissão em banda estreita e consiste em passar as diversas comunicações em canais diferentes. Contudo, as transmissões de rádio têm várias restrições que tornam este tipo de transmissão insuficiente.

Estas restrições são, principalmente, a divisão da banda larga entre as diversas estações presentes numa mesma célula e a propagação por caminhos múltiplos de uma onda de rádio. Uma onda de rádio pode, efetivamente, propagar-se em direções diferentes e, eventualmente, ser refletida ou refratada por objetos do ambiente físico, de modo que um receptor pode ser levado a receber, em pouco tempo, duas informações.

Assim, a camada física do padrão 802.11 define, inicialmente, várias técnicas de transmissão que permitem limitar os problemas de interferência, tais como a técnica de escalonamento de espectro com salto de frequência, a técnica de escalonamento de espectro de sequência direta e a tecnologia infravermelha.

A técnica de banda estreita

A técnica de banda estreita consiste em utilizar uma frequência de rádio específica para a transmissão e a recepção de dados. A banda de frequência utilizada deve ser tão pequena quanto possível a fim de limitar as interferências nas bandas adjacentes.

As técnicas escalonamento de espectro

A norma IEEE 802.11 propõe duas técnicas de modulação de frequência para a transmissão de dados procedentes das tecnologias militares. Estas técnicas, chamadas escalonamento de espectro (em inglês, spread spectrum) consistem em utilizar uma banda larga de frequência para transmitir dados de potência fraca. Existem duas técnicas de escalonamento de espectro, que são a técnica do escalonamento de espectro com salto de frequência e a técnica do escalonamento de espectro de sequência direta.

A técnica do salto de frequência

A técnica FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum - Escalonamento de espectro por salto de frequência) consiste em dividir a banda larga de frequência num mínimo de 75 canais (hops ou saltos de uma amplitude de 1 MHz) e, em seguida, transmitir utilizando uma combinação de canais conhecida de todas as estações da célula.

No padrão 802.11, a banda de frequência 2.4 - de 2.4835 GHz - permite criar 79 canais de 1 MHz. A transmissão é feita, assim, transmitindo sucessivamente em um canal e depois em outro durante um curto período de tempo (cerca de 400 ms), o que permite a um momento dado transmitir um sinal mais facilmente reconhecível numa frequência dada.

O escalonamento de espectro por salto de frequência foi concebido com objetivo militar para impedir a escuta das transmissões de rádio. Na verdade, uma estação que não conhece a combinação de frequência a ser utilizada não poderia ouvir a comunicação porque lhe seria impossível, no tempo fixado, localizar a frequência na qual o sinal era transmitido e, em seguida, procurar a nova frequência.

Hoje, as redes locais que utilizam esta tecnologia são padrões, o que significa que a sequência de frequências utilizadas é conhecida por todos. O escalonamento de espectro por salto de frequência não garante mais esta função de segurança das trocas. Por outro lado, o FHSS agora é utilizado no padrão 802.11 de maneira a reduzir as interferências entre as transmissões das diversas estações de uma célula.

Escalonamento de espectro de sequência direta

A técnica DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum - Escalonamento de espectro de sequência direta) consiste em transmitir para cada bit uma sequência Barker, às vezes chamada ruído pseudo aleatório, de bits. Assim, cada bit valendo 1 é substituído por uma sequência de bits e cada bit que valendo 0 pelo seu complemento.

A camada física do padrão 802.11 define uma sequência de 11 bits (10110111000) para representar um 1 e o seu complemento (01001000111) para codificar um 0. Chama-se chip ou chipping code cada bit codificado com a ajuda da sequência. Esta técnica (chamada chipping) consegue modular cada bit com a sequência Barker:

DSSS - sequência barker

Graças ao chipping, a informação redundante é transmitida, o que permite efetuar controles de erros nas transmissões, ou mesmo a sua correção. O chipping é o elemento que disponibiliza várias funcionalidades de acompanhamento para simplificar o processo de todos os envios.

No padrão 802.11b, a banda de frequência de 2.400-2.4835 GHz (de uma amplitude de 83.5 MHz) foi dividida em 14 canais separados de 5 MHz, onde só os 11 primeiros são utilizáveis nos Estados Unidos. Só os canais de 10 a 13 são utilizáveis na Europa. Veja as frequências associadas aos 14 canais:

Canal1234567891011121314
Frequência (GHz)2.4122.4172.4222.4272.4322.4372.4422.4472.4522.4572.4622.4672.4722.484

Contudo, para uma transmissão de 11 Mbps correta é necessário transmitir em uma banda de 22 MHz porque, de acordo com o teorema de Shannon, a frequência de amostragem deve ser, no mínimo, igual ao duplo do sinal a ser digitalizado. Assim, certos canais abrangem parcialmente os canais adjacentes. Esta é a razão pela qual canais isolados (os canais 1,6 e 11), distantes um dos outros de 25MHz, são geralmente utilizados.

Assim, se dois pontos de acesso que utilizam os mesmos canais tiverem áreas de emissão que se recortam, distorções do sinal podem perturbar a transmissão. Assim, para evitar qualquer interferência é recomendado organizar a distribuição dos pontos de acesso e a utilização dos canais de maneira a não ter dois pontos de acesso que utilizem os mesmos canais, próximos um do outro:

distribuição dos canais dos pontos de acesso

O padrão 802.11a utiliza a banda de frequência de 5.15GHz a 5.35GHz e a banda de 5.725 GHz a 5.825 GHz, que permite definir 8 canais distintos de uma amplitude de 20 MHz cada um, ou seja, uma banda suficientemente larga para ter interferência entre os canais.

A tecnologia infravermelha

O padrão IEEE 802.11 também prevê uma alternativa para a utilização das ondas de rádio: a luz infravermelha. A tecnologia infravermelha tem como característica principal utilizar uma onda luminosa para a transmissão de dados. Assim, as transmissões são feitas de maneira unidirecional, seja 'em visão direta', seja 'por reflexão'. O caráter não dissipador das ondas luminosas oferece um nível de segurança mais elevado.

É possível, graças à tecnologia infravermelha, obter débitos que vão de 1 a 2 Mbit/s utilizando uma modulação chamada PPM (Pulse Position Modulation - Modulação de posição de pulso).

A PPM consiste em transmitir impulsos com uma amplitude constante e em codificar a informação de acordo com a posição do impulso. O débito de 1 Mbps é obtido com uma modulação de 16-PPM, enquanto que o débito de 2 Mbps é obtido com uma modulação 4-PPM que permite codificar dois bits de dados com 4 posições possíveis:

modulação 4-PPM

As técnicas de modulação

Enquanto o rádio tradicional utiliza uma modulação de frequência (rádio FM para Frequency Modulation) ou uma modulação de amplitude (rádio AM para Amplitude Modulation), o padrão 802.11b utiliza uma técnica de modulação de fase chamada PSK (Phase Shift Keying). Assim, cada bit produz uma rotação de fase. Uma rotação de 180° permite transmitir débitos pouco elevados (técnica BPSK - Binary Fase Shift Keying) enquanto uma série de quatro rotações de 90° (técnica QPSK - Quadrature Phase Shift Keying) permite débitos duas vezes maiores.

Otimizações

O padrão 802.11b propõe outros tipos de codificação que permitem otimizar o débito da transmissão. As duas sequências Barker permitem definir dois estados (0 ou 1) com a ajuda de duas palavras de 11 bits (complementos um do outro).

Um método alternativo chamado CCK (Complementary Code Keying) permite codificar diretamente vários bits de dados em um só chip utilizando 8 sequências de 64 bits. Assim, codificando simultaneamente 4 bits, o método CCK permite obter um débito de 5.5 Mbps e de 11 Mbps codificando 8 bits de dados.

A tecnologia PBCC (Packet Binary Convolutionnary Code) permite tornar o sinal mais robusto no que diz respeito às distorções devidas ao andamento múltiplo das ondas hertzianas. Assim, a empresa Texas Instruments conseguiu criar uma sequência que tira vantagem desta melhor resistência às interferências, oferecendo um débito de 22Mbit/s. Contudo, esta tecnologia, chamada 802.11b+, não está conforme à norma IEEE 802.11b, o que torna os dispositivos que a suportam não compatíveis com os equipamentos 802.11b.

A norma 802.11a opera na banda de frequência dos 5 GHz, que oferece oito canais distintos. Por isso, uma técnica de transmissão alternativa tira partido dos diferentes canais. A OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) permite obter débitos teóricos de 54 Mbps enviando os dados em paralelo para as diferentes frequências:

TecnologiaCodificaçãoTipo de modulaçãoDébito
802.11b11 bits (Barker sequence)PSK1Mbps
802.11b11 bits (Barker sequence)QPSK2Mbps
802.11bCCK (4 bits)QPSK5.5Mbps
802.11bCCK (8 bits)QPSK11Mbps
802.11aCCK (8 bits)OFDM54Mbps
802.11gCCK (8 bits)OFDM54Mbps

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Última modificação: 3 de julho de 2017 às 14:55 por Pedro.CCM.
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