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Arquiteturas de um projeto Wireless (Wi-Fi)

Recentemente escrevi um artigo sobre qual a plataforma de hardware escolher. Vejo que com as tendências e a realidade do mercado, duas coisas serão necessárias para atender as demandas geradas pela explosão de dados e a transformação ocasionada pela IoT: o acesso (redes sem fio confiáveis e de alta velocidade) e o armazenamento (escrevi sobre estes dois temas em Dezembro passado).

Desde 2013 venho sonhando em criar uma solução de acesso wireless, basicamente um Access Point, agora resolvi colocar isso em prática, afinal um sonho sem execução não passa de um sonho. O primeiro passo da execução é colocar as ideias no papel e compartilhar com outras pessoas, afinal quando compartilhamos nossas ideias, recebemos críticas e sugestões que podem fortalecer o projeto.

Mas você deve estar imaginando: Access Point? Existem vários no mercado. E é verdade, existem vários, mas poucos realmente robustos para suportar operações críticas de negócio e esses poucos são muito caros. Então temos duas situações: Soluções escaláveis, confiáveis e ricas em funcionalidades que possuem custos proibitivos; e do outro lado soluções extremamente acessíveis, com o foco no usuário doméstico ou o mercado PME (pequenas e micro empresas), que são pobres em funcionalidade, segurança e pouco confiáveis.

Bem, o primeiro ponto do meu projeto (que apesar de ser pessoal, tem uma pontinha de ambição comercial) é entender os componentes de um Access Point e as alternativas de arquitetura de Hardware existentes. Bem basicamente um Access Point é composto de: Antena, Rádio e MAC (Frame)/Pacote (IP). A antena e o rádio basicamente se resumem à disciplina de rádio frequência (modulação e demodulação de sinais), já o terceiro componente necessariamente exige um trabalho mais dedicado (CPU?). Considerando estes componentes, temos três alternativas.

SOC (System On Chip)

É arquitetura mais comum, se você possui um Access Point em casa, provavelmente ele usa esta arquitetura. Basicamente temos um único chip que combina as funções de rádio e processamento. Temos uma CPU (usualmente MIPS ou ARM) agregada a um módulo de rádio e com as funções MAC (inclusive as portas WAN e LAN). Na figura 1 temos um diagrama de blocos de um SOC RTL8186.

Projeto Wireless: Diagrama de blocos RTL8186.
Figura 1: Diagrama de blocos RTL8186. (crédito: WikiDev)

Veja que temos praticamente todos os componentes necessários em um único chip. Na Figura 2 temos uma foto de um Access Point baseado no RTL8186. Veja que além do SOC os únicos chips adicionais são a memória e os Transceivers (tanto para as portas cabeadas como a parte de RF).

Projeto Wireless: Placa de Access Point baseado em SOC RTL8186.
Figura 2: Placa de Access Point baseado em SOC RTL8186.

A grande vantagem de se escolher um SOC é a simplicidade do projeto, baixo custo e baixo consumo de energia.

CPU Dedicada

Nesta arquitetura, temos no mínimo dois chips principais, uma CPU e outro para a função de rádio, além dos Transceivers (Wireless e LAN). A vantagem desta arquitetura é o maior poder de processamento, principalmente para funcionalidades avançadas incorporadas no próprio Access Point (tratamento de pacotes, QoS, criptografia, etc.). Como desvantagens podemos citar o custo maior que uma solução SOC e o maior consumo de energia. Na Figura 3, temos a imagem de um projeto com CPU dedicada e dois rádios.

Projeto Wireless: Access Point com CPU dedicada e dois rádios.
Figura 3: Access Point com CPU dedicada e dois rádios. (crédito: OpenWrt)

CPU Offload

Com certeza, a melhor arquitetura. Basicamente é o mesmo projeto de uma solução com CPU dedicada, porém com a descarga (Offload) de várias tarefas (MAC, QoS, criptografia e outras) para os chips de rádio, que neste caso serão substituídos por SOCs. A CPU pode ser usada para tarefas de controle, como: captive portal, autenticação, filtro de conteúdo, etc.

As desvantagens desta solução são: o maior custo entre as opções disponíveis, maior consumo de energia, complexidade de projeto (necessária estrita integração para o compartilhamento de tarefas da CPU para os SOC’s).

Desafios

Bem após explorarmos de forma resumida as 3 opções de arquitetura de hardware, temos alguns pontos que merecem atenção. Em muitos momentos mencionei o consumo de energia. As boas soluções que estão disponíveis no mercado usualmente extraem sua alimentação da própria rede (Power Over Ethernet), que no padrão 802.3af limita o dispositivo a uma potência máxima de 15,4 Watts. Outro ponto, talvez o mais desafiador, é desenvolvimento do software por trás do hardware, pois muitas funcionalidades avançadas são de fato implementadas no software, além, é claro, do fator custo.

E você, já desenvolveu algum projeto Wireless? Compartilhe sua experiência.

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eletronpi
eletronpi
11/12/2016 10:49

Estamos trabalhando numa solução baseada no radio transceiver SI4467, com suporte a 802.15.4 e operando em 910Mhz. Os resultados são bem interessantes com alcance de 120m em linha direta, sem muito esforço. Os transmissores são operados por bateria de 3,6V e a durabilidade da bateria fica acima de 2 meses. O projeto atual é todo embarcado e utiliza como CPU um PIC18F66J94 da Microchip.

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