A evolução do protocolo Wi-Fi (IEEE 802.11)

A crescente demanda por conexões mais rápidas e confiáveis resultou em um avanço muito grande do protocolo Wi-Fi nos últimos anos. Para enfrentar os diversos desafios presentes nas redes de comunicação sem fio, houveram evoluções em vários aspectos voltados para autenticação, bandas de frequências, protocolos de modulação, coding rate, etc.

Introdução

A crescente demanda por conexões mais rápidas e confiáveis resultou em um avanço muito grande do protocolo Wi-Fi nos últimos anos. Para enfrentar os diversos desafios presentes nas redes de comunicação sem fio, houveram evoluções em vários aspectos voltados para autenticação, bandas de frequências, protocolos de modulação, coding rate, etc.

Os dois últimos conceitos citados são os que mais influenciam na taxa de transferência da rede. A modulação se resume na técnica de mudar um sinal com o intuito de transmitir dados, os protocolos de modulação mais robustos são capazes de enviar mais dados em um determinado período de tempo, porém necessitam de um ambiente com menor nível de interferência. Já o coding rate determina a proporção entre dados úteis e dados para correção de erro, em uma rede com coding rate 1/2, metade dos dados são úteis para o usuário e a outra metade é utilizada internamente pelo protocolo na correção de erros.

Desde o princípio, o nível de ruído no ambiente é um dos fatores que mais impacta na seleção do protocolo de modulação e do coding rate. O protocolo é autossuficiente em mensurar o nível de ruído e selecionar os parâmetros adequados de forma a minimizar o número de retransmissões por colisões de pacotes e maximizar a velocidade de acordo com as limitações impostas pela interferência presente no ambiente. 

Na prática, isso significa que em locais com nenhuma ou pouca interferência o protocolo utilizará uma modulação capaz de transmitir uma quantidade relativamente grande de dados em um determinado período de tempo. Já em ambientes com muitas redes ou dispositivos transmitindo nas mesmas frequências, o protocolo selecionará uma modulação com uma capacidade menor, já que o ruído dificulta a identificação dos dados resultando em colisões de pacotes, o que causa um aumento no número de retransmissões e consequentemente uma taxa de transferência menor.

802.11 (Wi-Fi 1)

O primeiro protocolo Wi-Fi foi certificado em 1997, possuindo apenas duas taxas de transferências: 1 ou 2 Mbps. A primeira era utilizada em ambientes com maior nível de ruído, já em ambientes mais “limpos” (ambientes com poucos dispositivos atuando na faixa de frequência) era possível utilizar a maior taxa de transferência. A modulação utilizada era a DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) em canais de 22 MHz de largura, utilizando a banda 2,4 GHz [1].

Banda 2.4 GHz

Por ser utilizada em muitos equipamentos, essa faixa de frequência possui grandes desafios relacionados a interferência. Como pode ser observado na Figura 1, nessa banda há apenas 3 canais sem sobreposição, então se há mais de 3 dispositivos no mesmo ambiente, certamente haverá interferência entre eles. Com o intuito de evitar sobreposição de frequências, usualmente apenas os canais 1, 6 e 11 são utilizados. Caso um dispositivo utilize um canal diferente desses três, este estará sujeito a interferir e receber interferências de dois canais sem sobreposição, ao invés de apenas um, que seria o melhor caso em ambientes com mais de três dispositivos utilizando 2.4 GHz.

wi-fi
Figura 1: Canais de 22 MHz disponíveis na banda 2,4 GHz

802.11b (Wi-Fi 2)

A diferença desse protocolo para o anterior foi basicamente a modulação, a qual passou a ser a HR-DSSS (High-rate direct-sequence spread spectrum), isso permitiu que duas novas taxas de transferências fossem adicionadas. Dessa forma, a taxa de transferência no Wi-Fi 2 poderia chegar até 11 Mbps, já nos ambientes que apresentam maiores níveis de ruídos a velocidade poderia ser diminuída para 5,5, 2 ou 1 Mbps.

802.11a (Wi-Fi 3)

Ainda na década de 1990, foi lançado o Wi-Fi 3 com suporte a modulação OFDM (Orthogonal frequency-division multiplexing) juntamente com a nova banda 5 GHz. Com essas mudanças, o protocolo passou a suportar várias taxas de frequências, como pode ser visto na Tabela 1 [2].

Tabela 1: Taxas de transferências – 802.11a

Modulation Coding Mbps

BPSK
1/2 6,0
3/4 9,0

QPSK
1/2 12,0
3/4 18,0

16-QAM
1/2 24,0
3/4 36,0

64-QAM
1/2 48,0
3/4 54,0

Adaptado de: https://www.duckware.com/tech/wifi-in-the-us.html

Banda 5 GHz

A introdução dessa nova banda no Wi-Fi 3 foi uma mudança com um impacto positivo em termos de interferência, especialmente por ter disponível 12 canais de 20 MHz sem sobreposição. Com níveis de interferência menores é possível que modulações mais robustas sejam utilizadas, o que torna a velocidade do Wi-Fi maior. Apesar das vantagens, as frequências inclusas nessa banda são mais altas, o que provoca uma atenuação mais rápida, resultando em um alcance menor se comparado as frequências da banda 2,4 GHz [3].

802.11g

O 802.11g ainda faz parte da versão 3 do Wi-Fi, a mudança para este protocolo específico, foi a adoção do OFDM para a banda de 2,4 GHz, logo o Wi-Fi 3 passou a suportar as mesmas taxas de transferências presentes na Tabela 1 para às duas bandas de frequência.

802.11n (Wi-Fi 4)

O grande avanço nessa versão do Wi-Fi foi a introdução do MIMO (Multiple inputs multiple outputs), que é capaz de quadruplicar a taxa de transferência máxima, em relação ao Wi-Fi 3. Basicamente, o MIMO consiste em utilizar múltiplas antenas para transmitir os dados de forma simultânea, porém ambos os dispositivos devem suportar o MIMO. Na prática, a capacidade de transferência de dados em uma rede pode ser dobrada ao utilizar MIMO 2×2, triplicada ao utilizar MIMO 3×3 e assim sucessivamente.

Além disso, foi introduzida uma implementação para utilizar dois canais de 20 MHz, o que resulta em uma banda total de 40 MHz permitindo dobrar a velocidade. Na prática, no caso de redes 2,4 GHz em ambientes “limpos” essa implementação realmente traz um melhor desempenho, porém em ambientes ruidosos (ambientes com muitos  dispositivos atuando na faixa de frequência) a performance da rede pode ser pior ao comparar com a largura de banda menor. Isto pode acontecer devido à sobreposição de canais, ao utilizar uma banda maior há uma probabilidade também maior de haver conflitos com outras redes próximas, já que a banda disponível no 2,4 GHz é bem limitada como pode ser observado na Figura 1.

802.11ac (Wi-Fi 5)

Para a quinta geração do Wi-Fi, a grande mudança foi relacionada ao melhor aproveitamento do espectro disponível para a banda 5 GHz. Nesta versão passou a ser utilizado canais de 80 MHz, ou seja, um único canal desse seria maior que todos os 3 canais sem sobreposição da banda 2.4 GHz juntos. Como pode ser observado na Figura 2, a banda da maior frequência possui 6 canais de 80 MHz sem sobreposição e no caso de canais de 40 MHz, esse número aumenta para 12. 

wi-fi
Figura 2: Distribuição de canais da banda 5 GHz

Contudo, os canais que estão na faixa DFS (Dynamic Frequency Selection) possuem restrições de acordo com a região, pois usualmente algumas aplicações militares e de radar, utilizam essas frequências. Então, para que um roteador suporte os canais DFS, é necessário que ele cumpra uma série de requisitos. Estes envolvem a limitação de potência para esses canais específicos e a realização de varreduras periódicas para checar se há presença de radares, em caso positivo o roteador deve automaticamente migrar a rede para outro canal [4].

Com a introdução de canais 80 MHz, modulação 256-QAM e as demais mudanças na versão 5 do Wi-Fi, é possível chegar em uma velocidade de até 433 Mbps em ambientes favoráveis, como pode ser visto na Tabela 2, e essa velocidade pode ser multiplicada ao utilizar o MIMO.

Tabela 2: Taxas de transferências – 802.11ac (MIMO 1×1, 80 MHz e 400 ns de intervalo de guarda)

Modulation Coding Mbps
BPSK 1/2 32
QPSK 1/2 65
3/4 97
16-QAM 1/2 130
3/4 195
64-QAM 2/3 260
3/4 292
5/6 325
256-QAM 3/4 390
5/6 433

Adaptado de: https://www.duckware.com/tech/wifi-in-the-us.html

802.11ax (Wi-Fi 6)

Diferentemente das versões anteriores, o Wi-Fi 6 não traz a proposta de aumentar significantemente a velocidade de um único cliente. Se compararmos com a versão 5, a nova versão traz um aumento de apenas 11% para testes utilizando configurações similares. A grande proposta do Wi-Fi 6 é melhorar significantemente o desempenho da rede em cenários nos quais há uma quantidade grande de clientes (usuários) como estádios, aeroportos, centro de eventos, etc.

Na prática, um único usuário utilizando o Wi-Fi da sua casa não deve notar nenhuma melhoria ao mudar do 802.11ac para o 802.11ax, porém em ambientes densos (ambientes com muitas pessoas utilizando Wi-Fi) a velocidade deve ser significantemente melhor ao utilizar a nova versão. Contudo, o 802.11ax introduz o protocolo de modulação 1024-QAM que traz de fato uma grande melhoria na taxa de transmissão, porém é importante ressaltar que para utilizar essa modulação, além de ser mandatório estar em um ambiente sem interferência, deve estar bem próximo ao roteador. Logo, neste caso, utilizar um cabo ethernet pode ser mais viável, considerando que é possível atingir maiores níveis de velocidade e confiabilidade.

Diferentemente do 802.11ac, esta versão permite a conexão de clientes que suportam apenas canais 20 MHz, visando a compatibilidade com dispositivos IoT (Internet of Things). Para desfrutar de todos esses benefícios da nova versão, é mandatório que todos os clientes suportem o Wi-Fi 6, em caso negativo o roteador irá simplesmente utilizar a versão anterior (802.11ac). Portando, é provável que a utilização em massa do 802.11ax demore alguns anos até que as pessoas passem a utilizar os futuros dispositivos que serão lançados com suporte a essa nova versão do Wi-Fi.

Wi-Fi 6E e a banda 6 GHz

O Wi-Fi 6E se resume a aplicar a banda 6 GHz para a sexta versão do protocolo Wi-Fi. Sem dúvidas, a velocidade para um único cliente irá aumentar drasticamente, pois será possível utilizar canais de 160 MHz, já que o espectro disponível nessa banda possui 1200 MHz de largura, como mostra a tabela 3. Assim como na banda 5 GHz, há restrições de potência para alguns intervalos de frequência que somados resultam em 350 MHz, isso significa que há 850 MHz de banda para usar sem restrições mais rígidas.

Tabela 3: Espectro disponível na banda 6 GHz

Banda (GHz) Largura (MHz) Nome Possui restrições?
5.925 – 6.425 500 U-NII-5 Sim
6.425 – 6.525 100 U-NII-6 Não
6.525 – 6.875 350 U-NII-7 Sim
6.875 – 7.125 250 U-NII-8 Não

Adaptado de: https://www.duckware.com/tech/wifi-in-the-us.html

Para utilizar toda a banda disponível, o roteador deverá operar em um modo de baixa potência, o que diminuirá o alcance da rede que já não seria alto, considerando essa introdução de frequências mais altas. Caso o usuário opte por utilizar a máxima potência permitida, o roteador deverá reportar sua localização geográfica periodicamente, para fins de monitoramento e controle de possíveis casos de interferências.

O recomendado é que o Wi-Fi 6E seja utilizado apenas em ambientes internos visando evitar interferências com outras tecnologias que também utilizam essas frequências como satélites, rádios utilizados na astronomia, rede de celulares, etc. Contudo, será possível utilizá-lo em ambientes externos desde que apenas as bandas U-NII-5 e U-NII-7 sejam utilizadas. Para tentar evitar o uso do 6 GHz em ambientes inapropriados, foram estabelecidas algumas regras para os roteadores com suporte a Wi-Fi 6E, as mais relevantes são [2]:

  • Não podem ser resistentes ao clima (água, sol, etc.);
  • Não podem ser alimentados por bateria;
  • Não serão permitidos em carros, trens, embarcações ou aeronaves (exceto para grandes aviões voando acima de 10000 pés de altitude);
  • É recomendável que o roteador seja fixo em um único local;
  • Smartphones e outros clientes não podem permitir modo roteador em 6 GHz.

Por utilizar uma frequência mais alta, o Wi-Fi 6E proporcionará um menor alcance, então para garantir uma boa cobertura em ambientes maiores será necessário adotar o uso de repetidores. É importante ressaltar que para aderir a essa nova tecnologia serão necessários novos dispositivos, então para utilizar o Wi-Fi 6E, será necessário substituir os atuais roteadores e clientes que suportam apenas as versões anteriores.

Referências

Tenho sólido conhecimento em desenvolvimento de software para sistemas embarcados baseados em microcontroladores, domino programação em linguagem C e entendo um pouco de Java. Atualmente faço parte do departamento de computação embarcada do Instituto de Pesquisas Eldorado, trabalhando no lado embarcado do Android, entregando atualizações de software para 10 milhões de usuários ativos.

Notificações
Notificar
guest
1 Comentário
recentes
antigos mais votados
Inline Feedbacks
View all comments
Alan Firmiano
Alan Firmiano
12/08/2021 18:04

Muito bom, parabéns pelo post!! Muito sucesso!

WEBINAR

Imagens de Ultrassom: Princípios e Aplicações

DATA: 26/10 ÀS 19:30 H