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Resumo

Este relatório foi desenvolvido em torno do tema da evolução da

norma IEEE 802.11, também conhecida por redes sem fio Wi-Fi ou

wireless, uma das, senão a melhor inovação tecnológica das últimas

décadas.

A fim de responder a uma questão global onde se pretendia

estabelecer uma norma nas comunicações de redes sem fio, o IEEE decidiu

apresentar um protocolo que procurava implementar uma série de

definições para o Controle de Acesso ao Meio (MAC) e o Camada Física

(PHY).

Atualmente, esta é a norma padrão para a conectividade sem fios no

mundo, tendo vindo a evoluir ao longo dos tempos, originando variantes

melhoradas, mais eficientes e rentáveis. Destas especificações, as mais

utilizadas são a 802.11a, 802.11b, 802.11g, 802.11n e a 802.11ac.

Uma das provas desta crescente utilização é o aumento do número de

“hot spots” assim como o facto da maioria dos aparelhos eletrónicos de hoje

em dia saírem de fábrica incorporados com placa de rede wireless com a

norma IEEE 802.11.

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Índice Resumo .................................................................................................................................................................... 3

Glossário de Abreviaturas Relacionadas ................................................................................................................ 5

Introdução ............................................................................................................................................................... 6

O que é o IEEE? ................................................................................................................................................ 6

Norma 802.11 ......................................................................................................................................................... 7

O que é o wi-fi? ................................................................................................................................................. 7

Norma 802.11a ..................................................................................................................................................... 12

Norma 802.11b ..................................................................................................................................................... 13

Norma 802.11g ..................................................................................................................................................... 15

Norma 802.11n ..................................................................................................................................................... 16

Tecnologia MIMO.............................................................................................................................................. 16

Norma 802.11ac .................................................................................................................................................... 18

Qual o futuro? ....................................................................................................................................................... 21

Norma 802.11ad ............................................................................................................................................... 21

Project Loon ...................................................................................................................................................... 21

Conclusão .............................................................................................................................................................. 22

Referências Bibliográficas e Webgráficas ............................................................................................................. 23

Índice de Figuras

Figura 1 .................................................................................................................................................................. 18

Figura 2 .................................................................................................................................................................. 20

Índice de Tabelas Tabela 1: Evolução cronológica das normas .......................................................................................................... 9

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Glossário de Abreviaturas Relacionadas AP - Access Point

BSS - Basic Service Set

DSSS - Direct Sequence Spread Spectrum

ETSI - European Telecommunications Standards Institute

FCC - Federal Communications Commission

FHSS - Frequency Hopping Spread Spectrum

IBSS - Independent Basic Service Set

IEEE - Institute of Electrical and Electronics Engineers

IP - Internet Protocol

MAC - Medium Access Control

MIMO – Multiple Input Multiple Output

MU-MIMO – Multiuser MIMO

MLME - MAC Sublayer Management Entity

MPDU - MAC Protocol Data Unit

OFDM - Orthogonal Frequency Division Multiplexing

PHY - Physical Layer

PLCP - Physical Layer Convergence Protocol

PMD - Physical Medium Dependent

SAP - Service Access Point

STA - Station

TCP - Transmission Control Protocol

Wi-Fi - Wireless Fidelity

WLAN - Wireless Local Area Networks

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Introdução

No âmbito da disciplina do Projeto FEUP foi-nos proposta a

investigação do tema que abordava a evolução da norma IEEE 802.11.

Como tal, decidimos aprofundar esta questão e averiguar as várias etapas e

alterações a que foi sujeita a norma desde que foi implementada.

Ao longo de vários anos, inúmeras alterações foram instituídas à

norma de forma a conseguir responder às necessidades tanto empresariais

como sociais. Desta forma, o crescimento e aperfeiçoamento deste projeto é

um trabalho constante e dinâmico que vem acompanhando os avanços

tecnológicos efetuados pela ciência e pela investigação.

Desde alterações à banda de frequências até à quantidade de

informação que é transmitida por segundo, as normas têm sido alvo de

constante mudança. Neste trabalho iremos procurar responder à questão

que envolve saber quais são essas alterações, propostas futuras e a história

que deu origem a uma norma que neste momento tem a sua marca em

quase todos os locais da sociedade moderna.

O que é o IEEE?

O Instituto de Engenheiros Eletricistas e Eletrônicos (IEEE), é uma

associação de técnicos, engenheiros e cientistas dedicada ao avanço

tecnológico. Este instituto serve para toda a comunidade científica estar em

contacto com a mais recente tecnologia.

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Norma 802.11

Até alguns anos atrás, as ligações entre computadores apenas eram

possíveis através de cabos.

Este tipo de ligação é bastante popular, mas conta com algumas

limitações, sendo que a distância máxima entre os dois dispositivos é igual à

do comprimento dos cabos. Num local em que seja necessária uma ligação

entre computadores, os cabos não serão a opção mais prática devido à

estrutura do edifício. Felizmente, surgiram as redes wi-fi que permitiram

superar todas estas limitações.

O uso deste tipo de rede é atualmente o mais comum, não só em

ambientes domésticos e corporativos, mas também em locais públicos como

bares, centros comerciais, livrarias, aeroportos, entre outros.

O que é o wi-fi?

O Wi-Fi é um conjunto de normas para WLAN - Wireless Local Area

Network, em português rede local sem fio, baseada na norma IEEE 802.11.

Com esta tecnologia, é possível criar redes que ligam computadores e outros

dispositivos compatíveis (telemóveis, tablets, impressoras e qualquer

aparelho que contenha uma placa de rede) que estejam próximos

geograficamente. Estas redes dispensam cabos, já que efetuam a

transmissão de dados através de radio frequência. Este esquema oferece

várias vantagens, como por exemplo a de um utilizador poder usufruir desta

rede em qualquer ponto dentro do seu alcance máximo, possibilitando

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também a junção de outros computadores e dispositivos na rede. Graças a

esta facilidade de conetar aparelhos sem a necessidade de cabos, a rede

wireless ascendeu ao topo.

A flexibilidade do Wi-Fi permitiu que começasse a ser utilizado na

maior parte dos locais com necessidade de transmissão de dados, tanto

públicos como privados. Para utilizar estas redes, basta ao utilizador ter um

portátil, telemóvel ou qualquer outro dispositivo compatível com a norma

802.11.

A ideia de redes sem fio não é nova. Antes de existir a norma 802.11,

empresas ligadas ao ramo das telecomunicações, preocupavam-se com a

necessidade de redes sem fio, mas a falta de padronização de normas e

especificações revelou-se um obstáculo, já que vários grupos de pesquisa

trabalhavam com propostas diferentes. Por esta razão, algumas empresas

internacionais juntaram-se, e assim, nasceu em 1999, a Wireless Ethernet

Compatibility Alliance (WECA), que a partir de 2003 começou a ser

chamada de Wi-Fi Alliance.

O padrão 802.11 estabelece normas para a criação e para o uso de

redes sem fio. A transmissão deste tipo de rede é feita por sinais que se

propagam pelo ar e podem cobrir áreas na ordem das centenas de metros.

Como existem inúmeros serviços que podem utilizar sinais de rádio, é

necessário que cada um opere de acordo com as exigências estabelecidas

pelo governo de cada país. Esta é uma maneira de evitar problemas,

especialmente interferências.

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Para facilitar a compreensão, é conveniente saber que, para uma rede

deste tipo ser estabelecida, é necessário que os dispositivos (também

chamados de STA - de "station") se conectem a aparelhos que forneçam o

acesso. Estes são genericamente denominados Access Point (AP). Quando

um ou mais STAs se conectam a um AP, tem-se, portanto, uma rede, que é

denominada Basic Service Set(BSS).

Por questões de segurança e pela possibilidade de haver mais de um BSS

em determinado local (por exemplo, duas redes sem fio criadas por

empresas diferentes numa área de eventos), é importante que cada um

receba uma identificação denominada Service Set Identifier (SSID), um

conjunto de caracteres que, após definido, é inserido no cabeçalho de cada

pacote de dados da rede. Por outras palavras, o SSID nada mais é do que o

nome dado a cada rede sem fio.

Tabela 1: Evolução cronológica das normas1

Nome Data de

aprovação oficial Características

802.11-1997 21/03/1997 Norma inicial do IEEE para as especificações do Medium Access

Control (MAC) e do Physical Layer (PHY) para Wireless LAN

ISO/IEC 802.11:

1999

30/09/2005 Norma internacional do IEEE

802.11a 16/09/1999 Maiores velocidades da extensão PHY na frequência de 5 GHz

802.11b 16/09/1999 Maiores velocidades da extensão PHY na frequência de 2.4 GHz

802.11b-car1 10/10/2001 Correções na norma introduzida em 1999

1 "The IEEE 802.11 Universe", IEEE Communications Magazine, Vol. 48, nº 1, Janeiro 2010

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802.11c 16/09/1998 MAC Bridges – Suplementos para support do IEEE 802.11

802.11d 14/06/2001 Efetua operações em domínios adicionais, permitindo aos

dispositivos trabalhar com os requerimentos regionais

802.11e 22/09/2005 Série de especificações para melhorar o MAC e suporte para QoS

802.11f 12/06/2003

802.11g 12/06/2003 Aumento da extensão de dados na banda de frequências de 2.4 GHz.

54 Mb/sOFDM PHY nessa mesma frequência

802.11h 11/09/2003 Alterações do espetro e controlo do poder da transmissão nas

normas para a Europa . Todos os dispositivos que operem na banda

de frequências 5 GHz devem implementar esta norma.

802.11i 24/06/2004 Introdução de novas medidas de segurança no MAC, conhecidas

como WPA e WPA2 desenvolvidas pela Wi-Fi Alliance

802.11j 23/09/2004 Alterações no espetro de operação no Japão, alterando para 5GHz.

802.11ma 08/03/2007 Revisão e manutenção das medidas implementadas pelo 802.11-

1999 que irá ser substituído pela norma 802.11-2007

802.11t 31/12/2009 Norma que define as medidas recomendadas para a avaliação da

performance do 802.11 Wireless

802.11-2007 08/03/2007 Norma que incorpora as medidas e alterações implementadas nas

correções a, b, d, e, & g-j

802.11k 31/03/2008 Radio Resource Measurement

802.11n 11/09/2009 Melhorias para melhor rendimento. 600Mb/s MIMO PHY na banda

de frequências de 2.4 GHz e 5 GHz

802.11r 30/06/2008 Melhorias para dispositivos movéis. Roaming mais rápido

802.11w 30/09/2009 Implementação de medidas de segurança para quadros de gestão

802.11y 30/06/2008 Alterações na banda de frequências nos EUA (3650-3700 MHz).

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A primeira versão da norma 802.11 foi lançada em 1997, após 7 anos

de estudos, aproximadamente. Com o aparecimento de novas versões, a

versão original passou a ser conhecida como 802.11-1997 ou, ainda, como

802.11 legacy. Por se tratar de uma tecnologia de transmissão por

radiofrequência, o IEEE determinou que a norma operasse no intervalo de

frequências entre 2,4 GHz e 2,4835 GHz. A sua taxa de transmissão de

dados é de 1 Mb/s ou 2 Mb/s (megabits por segundo) e é possível usar as

técnicas de transmissão Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) e

Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS).

Estas técnicas possibilitam transmissões utilizando vários canais dentro de

uma banda de frequência, no entanto, a DSSS cria vários segmentos da

informações transmitidas e envia-las simultaneamente aos canais. A técnica

FHSS, por sua vez, utiliza um esquema de "salto de frequência", onde a

informação transmitida utiliza determinada frequência em certo período e,

no outro, utiliza outra frequência. Esta característica faz com que o FHSS

tenha velocidade de transmissão de dados um pouco menor, por outro lado,

torna a transmissão menos suscetível à interferências, uma vez que a

frequência utilizada muda constantemente. O DSSS apresenta-se mais

rápido, mas também mais suscetível a sofrer interferências.

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Norma 802.11a

A norma 802.11a foi introduzida no ano de 1999. Esta foi a terceira

grande alteração às normas 802.11 introduzidas em 1997 e permitia uma

velocidade de transmissão de dados de 54 Mbps. Contudo, a grande

novidade é a introdução de um novo método para o transporte de dados.

Esta norma introduz um método de transmissão de informação que se

chama Orthogonal Frequency-Division Multiplexing (OFDM). Esta

operação é um método de modulação digital de um sinal no qual este é

dividido em vários canais estreitos em diferentes frequências. Esta técnica

apresenta como prioridade o isolamento de algumas interferências, isto

sobrepõe-se à importância de ter canais individuais perfeitos. Este método

funciona particularmente bem em locais como escritórios pois há menor

interferência com outros aparelhos como telefones e micro-ondas.

A banda de 2.4 GHz é constantemente utilizada tornando-se bastante

lotada. Dessa forma, a norma 802.11a torna-se vantajosa porque opera

numa banda de frequências localizada na zona dos 5 GHz. Contudo, esta

norma também possui uma série de desvantagens: devido à sua gama de

frequências bastante elevada, o seu alcance é reduzido e, para além disso, a

sua capacidade de atravessar vários obstáculos e colmatar a absorção das

ondas nas paredes é menor do que as normas que usam a banda de

frequências de 2.4 GHz.

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Norma 802.11b

No ano de 1999, foi revelada uma atualização do padrão 802.11

original, ou seja, 802.11b. O principal interesse desta especificação foi a

possibilidade de estabelecer ligações com velocidade de transmissão de 11

Mb/s. A banda de frequências para esta norma não sofreu alterações em

relação à 802.11 original, mantendo-se aproximadamente nos 2,4 GHz.

Esta banda de frequência traduz-se em preços mais acessíveis para o

mercado pelo que esta foi bastante comercializada na altura do seu

lançamento.

Apesar de esta versão ser similar em termos de frequência utilizada, a

técnica de transmissão limita-se ao DSSS, pois o FHSS não cumpre as

normas estabelecidas pela Federal Communications Commission (FCC),

isto quando a rede opera a velocidades superiores a 2 Mb/s.

Uma transmissão 802.11b pode alcançar os 400m em espaços abertos

e os 50m em locais fechados, isto teoricamente, pois a distância pode sofrer

influência de uma série de fatores, tais como eletrodomésticos que causam

interferência ou podem até impedir a conexão. Assim, este padrão, para

manter a ligação o mais funcional possível, pode tornar a taxa de

transmissão de dados menor, até atingir o limite mínimo de 1 Mb/s à

medida que uma estação se afasta do ponto de acesso. O oposto também é

possível, quando a distância entre a estação e o ponto de acesso diminui, a

velocidade de transmissão aumenta.

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Esta especificação da norma original 802.11, chamada de 802.11b, foi

a primeira a ser utilizada em larga escala, sendo uma das maiores

impulsionadoras no que diz respeito à popularidade das redes Wi-Fi.

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Norma 802.11g

A norma 802.11g foi introduzida no ano de 2003 e uma das

particularidades que a tornaram desvantajosa foi o facto de ser mais cara

do que a norma antecedente, 802.11b. Contudo, esta norma é a primeira

que introduz uma velocidade de transmissão de dados de 54 Mb/s e

permite um suporte a vários utilizadores.

Para além disso, utiliza uma banda de frequências de 2.4 GHz que

sofreu uma alteração. Com estas modificações, ocorreu um aumento da

extensão de dados, o que lhe permitiu que o alcance do sinal fosse maior e

não fosse tão facilmente obstruído.

Contudo, esta alteração da norma não implica que os aparelhos, como

telemóveis e micro-ondas não incomodem a transmissão de informação

pois operam perto dessa banda de frequências.

Desta forma, uma das maiores vantagens desta norma é a sua

versatilidade e compatibilidade com as normas estabelecidas previamente.

Isto é, os pontos de acesso que operam com a norma 802.11g são

conciliáveis com os adaptadores de redes sem fios que se regem pelas

normas previamente em vigor (802.11a e 802.11b).

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Norma 802.11n

A norma 802.11n-2009, abreviada para 802.11n apenas, é uma das

variantes da norma 802.11, pertencente à quarta geração de normas.

Iniciada em 2002, desenvolvida durante 7 anos e aprovada em 2009, veio

acrescentar alguns aspetos inovadores à famosa rede wireless.

Primeiramente, permitiu velocidades na ordem dos 300 Mb/s, 6 vezes

superior à norma anterior 802.11g, operando nas frequências 2,4 GHz e 5,0

GHz e numa largura de banda dos 20 GHz e dos 40 GHz. Além disto, utiliza

também, pela primeira vez, a tecnologia MIMO (Multiple Input, Multiple

Output).

Tecnologia MIMO

A norma 809.11 n utiliza a tecnologia MIMO para aumentar a taxa de

transmissão de dados. Esta tecnologia consiste em usar vários streams.

O código binário é repartido em três streams. Cada transmissor

encaminha um dos três streams independentes, com a mesma frequência

que os outros dois. Na recepção desses streams existem antenas e

receptores independentes.

Esta divisão de dados por três streams permite uma maior taxa de

transmissão, através das reflexões de dados, sem ser necessário aumentar a

banda espectral.

A norma 802.11 n veio trazer algumas vantagens, como maiores

velocidades de transmissão, uma nova maneira de transmitir dados, através

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do MIMO, um novo alcance com menos interferências que as normas

anteriores.

Além disto, esta norma é totalmente compatível com as outras

normas, operando nas bandas de frequência dos 2,4 GHz e dos 5 GHz.

Umas das grandes desvantagens desta norma é o facto de poder haver

interferências na largura de banda dos 2,4 GHz, sendo que é nesta

frequência que operam a maioria dos rádios.

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Norma 802.11ac A norma 802.11ac é a variante mais recente a ser implementada no

mercado, desenvolvida praticamente entre os anos 2011 e 2012, sendo

aprovadas as suas características em 2013 pelo IEEE. Esta evolução

apareceu como um aperfeiçoamento da norma 802.11n, trazendo maiores

velocidades, maior número de possíveis utilizadores em simultâneo

permitindo assim uma melhor experiência em cada conexão.

Figura 1: Melhoramentos 802.11n vs 802.11ac2

Comparando a 802.11ac com a 802.11n, é óbvia a evolução em termos

de largura de banda, fluxos espaciais e densidade de modulação.

2 Cisco “802.11ac: The Fifth Generation of Wi-Fi Technical White Paper”

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Em primeiro lugar, a 802.11ac opera unicamente na banda dos 5GHz,

que é menos ocupada por outro tipo de aparelhos eletrónicos, permitindo

assim um menor número de interferências e uma conexão mais estável.

O aumento da largura de banda de 40MHz para 80 e 160MHz, de que

é capaz a nova norma, traduz-se numa nova velociade, na ordem dos 1024

Mb/s respetivamente. Dessa forma, cada transmissão poderá transportar

muita mais informação ao mesmo tempo; no entanto, ao alargar o espectro

de frequências em que o sistema opera, acresce um diminuir do alcance da

rede uma vez que a transmissão é dividida pelo dobro das frequências.

Porém, esta redução de alcance não é significativa face ao aumento de

velocidades apresentadas.

A compatibilidade com até 8 fluxos espaciais representa um MIMO

melhorado capaz de elevar a velocidade de transmissão para o dobro. Esta

inovação baseia-se no conceito de “spatial multiplexing” (SM), já conhecido

da 802.11n, em que a informação é distribuída em várias partes que são

transmitidas de uma forma paralela ao longo dos diferentes canais. Porém,

esta também implica um aumento de antenas quer no emissor quer no

recetor, pelo que, na realidade, esta caraterística deverá ser limitada pelo

hardware. No entanto, a segunda geração de 802.11ac, implementa uma

nova tecnologia, Multiuser MIMO (MU-MIMO), que permite que vários

blocos de informação sejam enviados para diferentes utilizadores ao

mesmo tempo e na mesma gama de frequências.

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O aumento de modulação de 64 QAM para 256 QAM faz com que

sejam possíveis velocidades cerca de 1,3 vezes superiores a, sobretudo,

curtas distâncias sem necessidade de mais antenas ou maior espectro de

frequência.

Figura 2: Gráfico de velocidade de transmissão em função da distância3

3 Cisco “802.11ac: The Fifth Generation of Wi-Fi Technical White Paper”

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Qual o futuro?

Norma 802.11ad

Hoje em dia está a ser desenvolvida uma nova norma para

utilizadores mais avançados que permite maiores velocidades, menos

interferências e maior alcance.

Esta norma é denominada 802.11ad e promete trazer velocidades na

ordem dos Gb/s. Para tal, esta utiliza uma largura de banda de cerca de 2

GHz na banda de frequências dos 60 GHz.

Num contexto doméstico, deverá atingir 1,3 Gb/s, sendo o máximo

teórico desta norma perto dos 7 Gb/s.

Apesar destas fenomenais velocidades, a 802.11ac deverá ser a rede a

dominar o mercado nestes próximos anos e a norma 802.11ad será mais

dirigida aos utilizadores avançados e empresas.

Project Loon

Neste momento, a Google está a projetar um hotspot a nível mundial com a

tecnologia 802.11ac. Se esta tecnologia ocorrer vai permitir Wi-Fi a nível

global para toda a gente. Além de fornecer contacto com a Internet 24 horas

por 24 horas, em qualquer parte do mapa, vai ainda ter um grande impacto

na maneira como guardamos informação, já que estaremos sempre

conectados com as “clouds”.

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Conclusão

Com este relatório foi possível alargar os nossos conhecimentos sobre

a norma 802.11 e redes wireless na sua generalidade. Ao analisar normas

passadas e correções que lhes foram aplicadas ao longo da história, é-nos,

agora, muito mais fácil compreender a atualidade desta tecnologia que nos

rodeia diariamente.

Desde a norma original, até à antevisão das próximas atualizações,

tem sido um longo percurso que está a culminar numa tecnologia cada vez

mais impressionante. Atualmente já são possíveis velocidades de

transferência na ordem dos Gb/s quando na norma original, era apenas

possível uns míseros 2 Mb/s.

Também podemos inferir que no presente estes protocolos se

encontram muito mais fiáveis e melhorados em alcance do sinal,

possibilitam o acesso a muitos mais utilizadores simultaneamente e maior

segurança de acesso para cada um.

Certamente que a rede sem fios é uma tecnologia que chegou para

ficar.

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Referências Bibliográficas e Webgráficas

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