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Redes sem fio e o padrão IEEE 802.11 (TEL026)

O futuro está na comunicação sem fio ou "wireless". O emaranhado de conexões necessárias para interligar diversos dispositivos que trocam informações ou mesmo para se fazer o acesso a Internet ou um banco de dados não vai precisar mais de fio e isso já começa a ocorrer agora. Diversos produtos foram desenvolvidos para atender às necessidades das comunicações de dados em alta velocidade sem o uso de conexões físicas, ou seja, sem fios, com a possibilidade de um compartilhamento em escala mundial desses dados. Os produtos são baseados em alguns padrões que já equipam equipamentos disponíveis e um deles é justamente o IEEE802.11 que vamos abordar nesse artigo que pode ser considerado um verdadeiro tutorial.

A possibilidade de se interligar dispositivos diversos para compartilhar informações em redes locais (LANs) foi adotada quase que universalmente, e padrões como o Ethernet que pode operar em velocidades relativamente altas com conexões simples e baratas são vistos em toda parte.

No entanto, as LANs são limitadas por uma infra-estrutura física formada pelos cabos de interligação.

A idéia de LANs sem fio ou "wireless" se adotarmos o termo inglês já popularizado, traz benefícios a um grupo muito grande de usuários nos quais podemos incluir médicos, industrias e universidades.

Com as LANs Wireless aumenta-se a mobilidade, eliminando-se a necessidade de conexões físicas e com isso o acesso pode ser feito por qualquer um, de qualquer parte, conforme mostra a figura 1.

 

Uma conexão wireless.
Uma conexão wireless.

 

Médicos podem fazer o diagnóstico dos pacientes em qualquer parte enviando as informações para onde quiserem; profissionais de manutenção industrial podem diagnosticar um problema de uma máquina em qualquer parte, independentemente da presença de uma conexão física à internet.

Estudantes universitários podem plugar-se à Internet de qualquer lugar do campos, usando notebooks sem a necessidade de conexões físicas.

Na figura 2 mostramos a configuração básica de um sistema baseado no padrão IEEE 802.11/

 

 

Sistema básico baseado no padrão IEEE 802.11/
Sistema básico baseado no padrão IEEE 802.11/

 

O leitor pode fazer da sua imaginação para perceber que essa possibilidade de se conectar diretamente seu computador a uma rede sem a necessidade de fios, tem aplicações ilimitadas.

Mesmo nos locais em que é possível usar uma rede física, a adoção de uma LAN sem fio pode ter suas vantagens.

Em construções antigas o custo de se adaptar os dutos para a passagem de fios além de problemas de se localizar estes fios pode ser maior do que o de uma rede sem fio.

Numa universidade, se bem que possam ser usados pontos de conexão física em diversos locais do campus, a possibilidade se de movimentar com um computador portátil conectado ou ainda de se acomodar em qualquer parte sem a necessidade de se preocupar se nas suas proximidades existe um ponto de acesso é algo a ser levado em conta.

 

IP Móvel

O IP Móvel foi sugerido como meio de se obter redes sem fio, focalizando na Camada de Rede, trabalhando com os Protocolos de Internet na versão4.

Neste protocolo o endereço IP da máquina móvel não muda quando ela se desloca de um endereço para outro.

Para manter as conexões entre o nodo móvel e o resto da rede, uma rotina de acompanhamento é implementada.

 

 

O ponto de acesso se conecta a estação.
O ponto de acesso se conecta a estação.

 

Assim, quando uma estação se movimenta do ponto de serviço básico para um outro ponto de acesso, conforme mostra a figura 3, uma rotina permite que a rede reconheça esse movimento e ela se mantém contatada normalmente.

Os pacotes de informação que ela envia continuam sendo recebidos pela estação remota e ela continua recebendo os pacotes de informação a ela destinadas.

 

As Arquiteturas IEEE 9\802.11

No padrão proposto pelo IEEE para as LANs sem fio (IEEE 802.11) existem duas formas diferentes de se configurar uma rede: ad-hoc e infra-estrutura.

Na rede ad-hoc, os computadores são colocados juntos para formar uma rede flutuante, sem nenhuma estrutura conforme mostra a figura 4.

 

 

Rede ad-hoc.
Rede ad-hoc.

 

Um exemplo desse tipo de conexão ocorre se diversos funcionários de uma empresa se reunirem numa sala tendo seus computadores trocando informações apenas entre eles.

Na rede com infra-estrutura existem pontos de acesso fixos com os quais os nodos móveis podem se comunicar, conforme mostra a figura 5.

 

 

Rede de infra-estrutura
Rede de infra-estrutura

 

Trata-se de ume estrutura similar a que existe nos serviços de telefonia celular em que se empregam estações rádio-base (ERBs) localizadas em pontos específicos para a cobertura do acesso numa região.

 

As Camadas do Padrão IEEE 802.11

O padrão IEEE 802.11 estabelece especificações tanto para as camadas da rede física (PHY) como para o meio de controle de acesso (MAC), as quais manuseiam a transmissão de dados entre os nodos.

Diversas técnicas de transmissão são usadas como espectro espalhado, saltos de frequência espalhada ou ainda modulação de posição de pulso na transmissão infravermelha (IR).

As velocidades de dados podem variar entre 1 Mbps ou 2 Mbps em bandas de frequências de 2,4 - 2,4835 GHz (no caso da transmissão de espectro espalhado) que é uma faixa não licenciada para uso médico, industrial e científico (ISM) e de 300 - 428,000 GHz para transmissões em infravermelho.

As transmissões em infravermelho são consideradas mais seguras já que possibilitam a linha direta do sinal entre as estações, se bem que sejam limitadas pela presença de obstáculos.

Por outro lado, as transmissões em RF podem atravessar paredes e outros obstáculos podendo ser interceptadas de forma indesejável.

A camada MAC é um conjunto de protocolos que visa manter ordem no compartilhamento do meio.

Na figura 6 mostramos como é organizado o compartilhamento dos meios pelas diversas variações desse protocolo.

 

 

A comunicação feita através de diversos protocolos.
A comunicação feita através de diversos protocolos.

 

 

Nesse protocolo, quando um nodo recebe um pacote para ser transmitido, ele inicialmente verifica se nenhum outro nodo está transmitindo.

Se o canal está livre então ele transmite o pacote. Caso contrário, ele escolhe um fator aleatório de "backoff" que determina o tempo que nodo precisa esperar até que seja permitido transmitir o pacote.

Durante os intervalos em que o canal está livre o contador backoff tem sua contagem de tempo decrescente.

Quando o canal está ocupado esta contagem é paralisada.

Quando o contador backoff chega a zero, o nodo transmite o pacote.

Partindo do fato de que a probabilidade de que dois canais alcancem o instante zero da contagem ao mesmo tempo é muito pequena, as colisões entre os pacotes são minimizadas.

A colisão detectada na Ethernet não pode ser usada em transmissões por radio frequência pelo padrão IEEE 802.11.

O motivo é porque quando um nodo está transmitindo ele não tem como receber nenhum outro sinal de algum outro nodo do sistema, já que seu sinal está cobrindo qualquer outro que eventualmente chegue até ele.

Quando um pacote está sendo transmitindo, o nodo transmissor inicialmente encia um curto sinal "ready-to-send" (RTS ou pronto para transmitir) contendo informações sobre o tamanho do pacote.

Se o nodo receptor "ouve" o RTS, ele responde com um curto sinal "clear-to-send" (CTS ou livre para transmitir),

Depois desta troca, o nodo transmissor envia seu pacote.

Quando o pacote for recebido sem problemas, como determinado pelo ciclo de checagem de redundância(CRC), o nodo receptor transmite um pacote de reconhecimento (ACK).

Na figura 7 mostramos um gráfico com a distribuição destes sinais.

 

 

Distribuição dos sinais.
Distribuição dos sinais.

 

 

Essa transferência nos dois sentidos é necessário para evitar um problema de nodo perdido, como ilustrado na figura 8.

 

Evitando perder nodo.
Evitando perder nodo.

 

Vemos, por esta figura, que o nodo A pode se comunicar com o nodo B e o nodo B pode se comunicar com o nodo C. No entanto o nodo A não pode se comunicar com o nodo C.

Em função disso, o nodo A pode receber uma informação de o canal está livre apesar do nodo C estar transmitindo para o nodo B. O protocolo descrito, alerta o nodo A que o nodo B está ocupado e então deve estar antes de transmitir seu pacote de dados.

 

 

Conclusão

O uso do padrão IEEE 802.11 em diversos dispositivos que tenham tecnologia de comunicação de dados sem fio é uma excelente alternativa em nossos dias.

Se bem que outras tecnologias existam proporcionando os mesmos recursos como a Bluetooth, Home RF é importante analisar os benefícios de cada uma e seus custos antes de fazer a escolha.

Nesse artigo demos uma breve visão de como ela funciona, como ponto de partida para os leitores que desejarem se aprofundar mais no assunto.

 

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