Redes Wireless: Entendendo o 802.11n

Com o 802.11g, os fabricantes chegaram muito próximos do que é fisicamente possível transmitir usando um único transmissor e uma faixa de freqüência de apenas 23 MHz (equivalente a um único canal). Apesar disso, como foi demonstrado pelo Super G e pelo Afterburner, ainda existiam melhorias a serem feitas.

Em 2004 o IEEE formou uma força tarefa destinada a desenvolver um novo padrão 802.11, com o objetivo de oferecer velocidades reais de transmissão superiores às das redes cabeadas de 100 megabits, além de melhorias com relação à latência, ao alcance e à confiabilidade de transmissão. Considerando que uma rede 802.11g transmite pouco mais de 25 megabits de dados reais (descontando todo o overhead do sistema de transmissão), a meta de chegar aos 100 megabits parecia bastante ambiciosa.

A solução para o problema foi combinar melhorias nos algoritmos de transmissão e do uso do MIMO (multiple-input multiple-output). O MIMO permite que a placa utilize diversos fluxos de transmissão, utilizando vários conjuntos transmissores, receptores e antenas, transmitindo os dados de forma paralela.

Existe a possibilidade de criar pontos de acesso e placas 802.11n com dois emissores e dois receptores (2×2), dois emissores e três receptores (2×3), três emissores e três receptores (3×3) ou quatro emissores e quatro receptores (4×4). Os pontos de acesso 2×2 podem utilizar apenas duas antenas, os 2×3 ou 3×3 precisam de três antenas, enquanto os 4×4 precisam de 4 antenas.

Atualmente o mais comum é o uso das configurações 2×3 e 3×3, com o uso de três antenas, mas pontos de acesso com apenas duas (2×2) podem se tornar mais comuns conforme os preços forem caindo e os fabricantes se vejam obrigados a cortar custos. Da mesma forma, produtos high-end, com 4 antenas (4×4) podem vir a se popularizar conforme com o avanço da tecnologia.

Somando todas as melhorias, foi possível aumentar tanto a velocidade de transmissão quanto o alcance. A velocidade nominal subiu de 54 para 300 megabits (600 megabits nos APs 4×4, capazes de transmitir 4 fluxos simultâneos) e o uso de múltiplos fluxos de transmissão torna o alcance do sinal quase duas vezes maior.

Para atingir taxas de transmissão tão altas, o 802.11n combina uma série de melhorias. A primeira é a redução do guard interval (o intervalo entre as transmissões) de 800 ns para 400 ns, o que resulta em um ganho de cerca de 11% na taxa de transmissão. A ele se soma o aumento no número de subcarriers para a transmissão de dados de 48 para 52, o que resulta em um ganho proporcional na taxa de transmissão. Somando os dois com uma melhoria no algoritmo de transmissão de erros, foi possível chegar a uma taxa de transmissão de 72.2 megabits por transmissor (usando um único canal).

A as melhorias parassem por aí, o 802.11n ofereceria um ganho de apenas 33% sobre o 802.11g, o que ofereceria poucos ganhos na prática. Daí em diante, os ganhos se baseiam no uso de “força bruta”, combinando o uso de vários rádios e de dois canais simultâneos. É aí que entra o MIMO.

Graças ao uso do MIMO, os pontos de acesso 802.11n podem utilizar dois ou quatro fluxos simultâneos, o que dobra ou quadruplica a taxa de transmissão, atingindo respectivamente 144.4 e 288.8 megabits.

A princípio, o uso de diversos transmissores, transmitindo simultaneamente na mesma faixa de freqüência parece contra produtivo, já que geraria interferência (como ao ter várias redes operando no mesmo espaço físico), fazendo com que os sinais se cancelassem mutuamente. O MIMO trouxe uma resposta criativa para o problema, tirando proveito da reflexão do sinal. A idéia é que, por serem transmitidos por antenas diferentes, os sinais fazem percursos diferentes até o receptor, ricocheteando em paredes e outros obstáculos, o que faz com que não cheguem exatamente ao mesmo tempo. O ponto de acesso e o cliente utilizam um conjunto de algoritmos sofisticados para calcular a reflexão do sinal e assim tirar proveito do que originalmente era um obstáculo:

Reflexão dos sinais no MIMO

Este recurso é chamado de Spatial Multiplexing. Você pode imaginar que o sistema funciona de forma similar ao que teríamos utilizando três (ou quatro) antenas direcionais apontadas diretamente para o mesmo número de antenas instaladas no cliente. A “mágica” do MIMO é permitir que um resultado similar seja obtido mesmo utilizando antenas ominidirecionais, que irradiam o sinal em todas as direções.

Naturalmente, o sistema torna necessário o uso de uma boa dose de poder de processamento, o que demanda o uso de controladores mais complexos nos dispositivos, o que além de aumentar o custo, também aumenta o consumo elétrico (um problema no caso dos portáteis).

Pontos de acesso capazes de transmitir 4 fluxos simultâneos são muito raros, já que eles precisam de 4 emissores, 4 receptores e 4 antenas, além de um processador de sinais extremamente poderoso para lidar com o grande volume de possibilidades de reflexão. A complexidade do trabalho cresce exponencialmente conforme aumenta o número de fluxos simultâneos, de forma que usar 4 fluxos demanda 4 vezes mais processamento do que apenas dois.

As soluções atuais (final de 2007) utilizam apenas dois fluxos simultâneos, o que simplifica muito o projeto. Mesmo no caso dos pontos de acesso 2×3 ou 3×3, os transmissores extra são usados para melhorar a diversidade, permitindo que o ponto de acesso transmita ou receba usando as duas antenas que ofereçam o melhor sinal em relação a cada cliente.

Para conseguir atingir 288.8 megabits utilizando apenas dois fluxos, é utilizado o sistema HT40, onde são utilizados dois canais simultaneamente (assim como no Super G da Atheros), ocupando uma faixa de freqüência de 40 MHz. Somando tudo isso a um pequeno arredondamento, chegamos aos 300 megabits divulgados pelos fabricantes. Um ponto de acesso que combine o uso do HT40 com 4 rádios dobraria a taxa teórica, chegando a 600 megabits.

Devido a normas regulatórias, o uso de uma faixa de 40 MHz não é permitida em muitos países, como no caso da França, onde é permitido apenas o uso dos canais 10, 11, 12 e 13 (o que resulta em uma faixa de freqüência de apenas 20 MHz) por isso existe a opção de usar o sistema HT20, onde o ponto de acesso se limita a usar uma faixa mais estreita, de apenas 20 MHz.

Este gráfico da Intel mostra uma projeção da taxa de transferência bruta usando diferentes combinações, de acordo com a qualidade do sinal. Veja que um ponto de acesso que utilize dois fluxos simultâneos, usando o sistema HT40, oferece, na prática, um throroughput superior ao de um com que utilize 4 fluxos, mas utilize o HT20:

O grande problema é que uma faixa de 40 MHz corresponde a quase toda a faixa de freqüência usada pelas redes 802.11g, o que acentua o já crônico problema de interferência entre redes próximas. Prevendo isso, o padrão 802.11n prevê também o uso da faixa dos 5 GHz que pode ser usada para reduzir o problema.

Entretanto, nem todos os produtos oferecem suporte à faixa dos 5 GHz, já que incluir suporte a ela encarece um pouco os produtos. Em geral, os produtos oferecem suporte à faixa dos 2.4 GHz, ou oferecem suporte simultâneo aos 2.4 e 5 GHz (produtos que oferecem suporte apenas aos 5 GHz são muito raros). Existem também pontos de acesso “dual-band”, que utilizam as duas faixas de freqüência simultaneamente (usando automaticamente o que for suportado por cada cliente) de forma a minimizar o problema de interferência.

Outra observação importante é que o padrão 802.11n ainda está em desenvolvimento e a previsão é que seja finalizado apenas em 2009. Os produtos que existem atualmente no mercado são chamados de “draft-n”, pois são na verdade baseados em rascunhos do padrão.

Os primeiros produtos, lançados durante a primeira metade de 2006 eram ainda baseados no primeiro rascunho do padrão (draft 1.0). Ele ofereciam taxas de transferência muito abaixo do esperado e muitos problemas de compatibilidade.

No início de 2007 foi finalizado o segundo rascunho (draft 2.0) do padrão, o que permitiu o desenvolvimento de produtos mais adequados e, em novembro de 2007 foi finalizado o terceiro rascunho (draft 3.0), que solucionou problemas adicionais. Com isso criou-se um certo consenso de não devem ser incluídas mudanças radicais, o que tem levado todos os principais fabricantes a lançarem produtos draft-n, incluindo a Intel que adotou o 802.11n na plataforma Santa Rosa, usada nos notebooks com o selo Intel Centrino.

Embora sejam um pouco mais caros de se produzir, os produtos 802.11n tendem a cair rapidamente de preço e substituírem tanto os 802.11g quanto os 802.11a, já que oferecem vantagens em relação a ambos. O ganho de velocidade pode variar de acordo com o produto e com o fabricante, mas (com exceção de alguns produtos baseados no draft 1.0) sempre existem um ganho expressivo em relação a uma rede 802.11g.

Com exceção dos poucos pontos de acesso 802.11n que são capazes de operar apenas na faixa dos 5 GHz, a compatibilidade com os clientes 802.11g e 802.11b é mantida, de forma que é possível fazer a migração de forma gradual. A principal observação nesse caso é que combinar clientes 802.11n e 802.11g ou b reduz o desempenho da rede, embora o percentual varie bastante de acordo com o modelo usado.