As técnicas de transmissão de dados nas redes sem fios Wi-Fi (80

Julho 2015

Os canais de transmissão


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

Contudo, os governos propõem bandas de frequência para uma utilização livre, ou seja, não necessitando licença de radiocomunicação. Os organismos encarregados de controlar a utilização das frequências rádios 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, baptizadas ISM (Industrial, Scientific, and Medical), são as bandas 902-928 MHz, 2.400-2.4835 GHz, 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 2.400 a 2.4835 GHz e 5.725 a 5.850 GHz estão disponíveis para uma utilização radio-amadora.

As tecnologias de transmissão

As redes locais radioeléctricas utilizam ondas rádios ou infravermelhas para transmitir dados. A técnica utilizada no início para as transmissões rádios chama-se transmissão em banda estreita, consiste em passar as diferentes comunicações em canais diferentes. As transmissões rádios têm contudo numerosos constrangimentos que tornam este tipo de transmissão insuficiente. Estes constrangimentos são nomeadamente:

  • A divisão da banda concorrida entre as diferentes estações presentes numa mesma célula.
  • A propagação por caminhos múltiplos de uma onda rádio. Uma onda rádio pode com efeito propagar-se em diferente direcções e eventualmente ser reflectida ou refractada por objectos do ambiente físico, de modo que um receptor pode ser levado a receber em pouco tempo duas informações.



A camada física da norma 802.11 define assim inicialmente várias técnicas de transmissão que permitem limitar os problemas devidos às interferências :


A técnica da banda estreita

A técnica da banda estreita (narrow band) consiste em utilizar uma frequência 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 estendimento 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 estendimento de espectro (em inglês spread spectrum) consiste em utilizar uma banda de frequência larga para transmitir dados de fraca potência. Distinguem-se duas técnicas de estendimento de espectro:


A técnica de salto de frequência

A técnica FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) consiste em dividir a larga banda de frequência num mínimo de 75 canais (hops ou saltos de uma amplitude de 1MHz), e seguidamente transmitir utilizando uma combinação de canais conhecida de todas as estações da célula. Na norma 802.11, a banda de frequência 2.4 - de 2.4835 GHz permite criar 79 canais 1 MHz. A transmissão faz-se assim emitindo sucessivamente num canal seguidamente sobre outro durante um curto período de tempo (cerca de 400 segundos), o que permite a um momento dado transmitir um sinal mais facilmente reconhecível numa frequência dada.

O estendimento de espectro por salto de frequência foi concebido originalmente com um objectivo militar para impedir a escuta das transmissões de rádio. Com efeito, uma estação que não conhece a combinação de frequência a utilizar não poderia ouvir a comunicação porque seria impossível, no tempo fixado, localizar a frequência na qual o sinal era emitido e seguidamente procurar a nova frequência.

Hoje, as redes locais que utilizam esta tecnologia são standard, o que significa que a sequência de frequências utilizadas é conhecida por todos, o estendimento de espectro por salto de frequência já não assegura por conseguinte 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.

Estendimento de espectro de sequência directa

A técnica DSSS (Direct Sequência Spread Spectrum, estendimento de espetro de sequência directa) consiste em transmitir para cada bit uma sequência Barker (às vezes chamada ruído pseudo-aleatório ou em inglês pseudorandom noise, notado PN) de bits. Assim, cada bit que vale 1 é substituída por uma sequência de bits e cada bit que vale 0 pelo seu complemento.

A camada física da norma 802.11 define uma sequência de 11 bits (10110111000) para representar um 1 e o seu complemento (01001000111) para codificar um 0. Chama-se torrado ou chipping code (em português microplaqueta) a cada bit codificada com a ajuda da sequência. Esta técnica (chamada chipping) consiste em modular cada bit com a sequência barker.

DSSS - sequência barker



Graças ao chipping, a informação redundante é transmitida, o que permite efectuar controlos de erros sobre as transmissões, ou mesmo a correcção de erros.

No padrão 802.11b, a banda de frequência de 2.400-2.4835 GHz (de uma amplitude de 83.5 MHz) foi recortada em 14 canais separados de 5MHz, e só os 11 primeiros são utilizáveis nos Estados Unidos. Só os canais 10 a 13 são utilizáveis em França. Eis 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 correcta é necessário transmitir sobre 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 digital. Assim, certos canais abrangem parcialmente os canais adjacentes, é a razão pela qual canais isolados (os canais 1,6 e 11) distantes um dos outro de 25MHz são utilizados geralmente.

Assim, se dois pontos de acesso que utilizam os mesmos canais tiverem zonas 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 utilizam os mesmos canais próximos um do outro.


distribuição dos canais dos pontos de acesso



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

A tecnologia infravermelha

O padrão IEEE 802.11 prevê igualmente uma alternativa à utilização das ondas rádio: a luz infravermelha. A tecnologia infravermelha tem como característica principal utilizar uma onda luminosa para a transmissão de dados. Assim, as transmissões fazem-se de maneira unidireccional, quer “em vista directa” quer por reflexão. O carácter não dissipativo 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 (pulso posição modulação).


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

modulação 4-PPM

As técnicas de modulação

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

Optimizações

A norma 802.11b propõe uns outros tipos de codificação que permitem optimizar o débito da transmissão. As duas sequências Barker permitem definir apenas dois estados (0 ou 1) com duas palavras de 11 bits (complementos uma da outra).

Um método alternativo chamado CCK (complementary code keying) permite codificar directamente várias bits de dados numa só microplaqueta (chip) utilizando 8 sequências de 64 bits. Assim, codificando simultaneamente 4 bits, o método CCK permite obter um débito de 5.5 Mbps e permite obter um débito de 11 Mbps codificando 8 bits de dados.


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

A norma 802.11a opera na banda de frequência dos 5 GHz, que oferece 8 canais distintos, é a razão pela qual uma técnica de transmissão alternativa que tira partido dos diferentes canais é proposta. O 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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