Redes Wireless – Parte VI

 

3 – Técnicas de Transmissão

 

Conforme mencionado anteriormente, WLANs utilizam uma técnica de transmissão conhecida como difusão de espectro (Spread Spectrum). Essa técnica se caracteriza por larga largura de banda e baixa potência de sinal. Possuem uma série de vantagens em relação ao seu antecessor (banda estreita) por serem sinais difíceis de detectar  e mesmo interceptar sem o equipamento adequado. São menos susceptíveis a interferência do que os sinais de banda estreita (Narrow Band). Por todas essas razões tem sido a técnica preferida do meio militar.  Existem dois tipos de tecnologias de Spread Spectrum regulamentadas pelo FCC: Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) e Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS). Mas antes, vamos falar um pouco sobre transmissão em banda estreita.

 

3.1 – Banda Estreita (Narrow Band)

 

Transmissão em banda estreita é uma tecnologia que se caracteriza pela alta potência do sinal e pelo uso do espectro de freqüência suficiente para carregar o sinal de dados e nada mais. Quanto menor for a faixa de freqüência utilizada maior deverá ser a potência para transmitir o sinal. Para que esses sinais sejam recebidos, eles devem estar acima (de forma significativa) de um nível de ruído conhecido como noise floor. Devido ao fato de sua banda ser muito estreita, um alto pico de potência garante uma recepção livre de erros. Uma das grandes desvantagens dessa técnica é a sua susceptibilidade  a interferência, aliado ao fato de que é simples evitar que o sinal original seja recebido, transmitindo sinais indesejáveis na mesma banda com potência maior do que a do sinal original.

 

3.2 – Difusão de Espectro (Spread Spectrum)

 

Diferentemente da transmissão em banda estreita, a difusão de espectro, utiliza uma faixa de freqüência muito maior do que a necessária para carregar a informação.

 

São menos susceptíveis a interferência e usam menos potência para transmitir um sinal do que a que seria necessária para transmitir o mesmo sinal na banda estreita. Veja a Fig.22.

 

Figura 22 – Comparação entre transmissão em Narrow Band e Spread Spectrum

 

Para exemplificar, nós usaríamos 1 MHz em 10 watts com Narrow Band e 20 Mhz em 100 mw com Spread Spectrum.

 

As principais características de um sinal Spread Spectrum (Grande largura de banda e baixa potência), faz com que ele se assemelhe a um sinal de ruído. Como receptores não irão interceptar nem decodificar um sinal de ruído, isso cria uma espécie de canal de comunicação seguro.

 

Essa segurança foi o que encorajou o meio militar nos anos 50 e 60 a usar a tecnologia. Obviamente que essa segurança deixava de ser válida se mais alguém usasse a tecnologia.

 

Nos anos 80, o FCC criou uma série de regras que tornava disponível a tecnologia para o público, encorajando sua pesquisa e comercialização. Essa atitude não influenciou o meio militar porque as bandas e as técnicas de modulação usadas pelo público eram diferentes.

 

Desde então a tecnologia tem sido usada em telefones sem fio, GPS, telefones celulares e mais recentemente em WLANs.

 

Embora haja muitas implementações da tecnologia, somente dois tipos são regulamentados pelo FCC; o FHSS (Frequency Hope Spread Spectrum) e o DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum).

 

3.3 – FHSS (Frequency Hope Spread Spectrum)

 

FHSS é uma técnica que usa a agilidade de freqüência para espalhar os dados.

 

Essa “agilidade” pode ser entendida como a mudança repentina da freqüência de transmissão dentro da faixa de RF utilizável. No caso das WLANs, a banda utilizável dentro da 2.4Ghz ISM é a de 83.5 Mhz, segundo regulamentado pelo FCC e o IEEE 802.11.

 

A portadora muda a freqüência de acordo com uma seqüência pseudo-randômica. Essa seqüência nada mais é que uma lista de freqüências que a portadora irá pular em intervalos de tempo especificados. O transmissor usa essa seqüência para selecionar suas freqüências de transmissão. A portadora permanecerá em uma freqüência por um determinado período de tempo e depois pulará para a próxima.

 

Quando a lista de freqüências chegar ao final , o transmissor repetirá a seqüência. A Fig.23, ilustra um sistema de FHSS usando uma seqüência de 5 freqüências : 2.449 GHz, 2.452 GHz, 2.448 GHz, 2.450 GHz, 2.451 GHz.

 

Figura 23 – Sistema FHSS

 

Uma vez que a informação tenha sido transmitida na portadora 2.451 GHz, a seqüência é repetida iniciando em 2.449 GHz. O processo de repetição continuará até que a informação tenha sido recebida completamente.

 

O radio receptor por sua vez é sincronizado na seqüência do transmissor para receber a freqüência correta no tempo certo e por fim o sinal é finalmente demodulado.

 

3.3.1 – Efeitos da Interferência

 

Similarmente a todas as tecnologias de spread spectrum, sistemas FHSS são resistentes, mas não imunes a interferência.

 

Se um sinal viesse a interferir com o nosso sinal ilustrado na Fig.23, na freqüência de 2.451 GHz, aquela porção do sinal estaria perdida e teria que ser retransmitida, o resto do sinal permaneceria intacto.

 

Na realidade um sinal interferente de banda estreita ocuparia vários megahertz da largura de banda. Como a banda do FHSS tem largura maior que 83 MHz, um sinal interferente em banda estreita seria incapaz de causar uma degradação muito significativa do sinal.

 

3.3.2 – Sistemas FHSS

 

O IEEE 802.11 especifica taxa de dados de 1Mbps e 2Mbps para sistemas FHSS. Para que eles sejam compatíveis com o padrão 802.11 , devem operar na banda 2.4 GHz ISM.

 

No máximo 79 rádios sincronizados podem ser usados, mas o fato de cada rádio necessitar de sincronização precisa com os outros sem causar interferência, torna o custo desses sistemas proibitivo e geralmente não é considerado como uma opção.

 

Se forem usados rádios não-sincronizados, o limite cai para 26, levando-se em conta uma  WLAN de médio tráfego. O aumento significativo do tráfego ou a transferência de grandes arquivos faz com que esse limite caia ainda mais, para 15.

 

Se esse limite não for respeitado, haverá interferência entre os sistemas, aumentando o número de colisões, reduzindo drasticamente o throughput da WLAN.

 

3.4 – DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum)

 

DSSS é o método de envio de dados em que os sistemas de transmissão e recepção são ambos um set de freqüências de 22 MHz de largura, sendo a mais conhecida e mais utilizada das tecnologias de espalhamento.

 

Combina um sinal de dados na transmissão com uma alta taxa de seqüência de bit rate, conhecida como chipping code ou ganho de processamento. Quanto maior for o ganho de processamento maior será a resistência do sinal a interferências. Embora o FCC estipule como um mínimo um ganho de processamento de 10, muitos fabricantes trabalham com um ganho de processamento da ordem de 20.

 

O processo de Direct Sequence, que são as duas primeiras iniciais do DSSS, começa com uma portadora sendo modulada com uma seqüência de código. O número de “chips” no código irá determinar como ocorrerá o espalhamento e o número de chips por bit e velocidade da codificação em chips por segundo, irá determinar qual será a taxa de dados.

 

Sua popularidade, principalmente em relação ao FHSS, está baseado na facilidade de implementação e altas taxas de transmissão devido a largura do canal. A maioria dos equipamentos WLAN hoje em dia usa essa técnica de transmissão.

 

3.4.1 – Sistemas DSSS

 

Na banda não licenciada de  2.4 GHz, o IEEE especifica o uso do DSSS na taxa de dados de 1 Mbps e 2 Mbps no padrão 802.11. No padrão 802.11b, taxa de dados de 5 Mbps e 11 Mbps. Dispositivos 802.11b são capazes de operar com dispositivos 802.11, devido a compatibilidade. Logo, não seria necessário fazer upgrade de uma rede 802.11 inteira para 802.11b para usufruir dos benefícios, preservando assim o investimento anterior.

 

Já o 802.11a com taxas atrativas de 54 Mbps não possui essa compatibilidade com os padrões anteriores, pelo fato de usar a banda de 5GHz, fazendo com isso que usuários do 802.11 e 802.11b investissem em upgrade de toda a sua rede para usufruir dessas altas taxas de dados.

 

O 802.11g é uma alternativa ao 802.11a com os mesmos benefícios da taxa de dados de 54 MHz do 802.11a e compatibilidade com os padrões 802.11 e 802.11b, por operar na faixa de 2.4 GHz. Com a popularização do padrão 802.11g, o 802.11a tende a ter seu uso cada vez mais restrito. Existem fabricantes, como a Dlink que fabricam equipamentos para operar a uma taxa de 128 Mbps, também chamada de turbo.

 

3.4.2 – Canais

 

Diferentemente do FHSS que usa seqüências de pulo para definir os canais, DSSS usa uma definição de canais mais convencional. Cada canal é uma banda contígua de freqüências com largura de 22 MHz e portadoras de 1 MHz, como no FHSS. Por exemplo, o canal 1 opera de 2.401 GHz a 2.423 GHz (2.412 GHz +/- 11 MHz). Veja a Fig. 24.

 

Figura 24 – Canais DSSS e relacionamento espectral.

 

Observe que os canais 1 e 2 se entrelaçam de maneira significativa. Cada uma das freqüências mostradas são consideradas freqüências centrais. A partir dela somamos e subtraímos 11 MHz para obter o canal utilizável de 22 MHz. Veja a tabela abaixo:

 

 

O uso de rádios DSSS com canais entrelaçados (1 e 2 por exemplo), no mesmo espaço físico, poderia causar interferência entre eles, reduzindo drasticamente o throughput de toda a rede. Para usar rádios DSSS no mesmo espaço físico, eles deveriam usar canais que não se entrelaçam (canais 1 e 6 por exemplo). Como as freqüências centrais estão distantes de 5 MHz e os canais tem 22 MHz de largura, só é possível colocar no máximo 3 sistemas DSSS no mesmo espaço físico, na teoria os canais 1,6 e 11 não se entrelaçam. Veja a Fig.25:

 

Figura 25 –  3 Canais que não se entrelaçam.