Antenas

As antenas usadas por padrão nos pontos de acesso são chamadas de dipole ou ominidirecionais, pois irradiam o sinal em todas as direções, permitindo que você se conecte à rede a partir de qualquer ponto na área em torno do ponto de acesso. Na verdade, o “em todas as direções” é uma figura de linguagem, pois as antenas concentram o sinal na horizontal, em um raio de 360 graus, irradiando, em compensação, pouco sinal na vertical.

Você pode imaginar que, ao utilizar uma antena ominidirecional, o sinal emitido pelo ponto de acesso tem formato de um donut, como você pode ver neste gráfico:

É por isso que as antenas do ponto de acesso devem ficar sempre na posição vertical, a menos é claro que você queira que o sinal seja irradiado na vertical, de forma a conseguir se conectar à rede quando estiver no andar de cima, por exemplo. Ao instalar o ponto de acesso, o ideal é que ele fique em uma posição central e um pouco mais alto que os móveis e demais obstáculos, de forma que o sinal possa trafegar até os clientes sem muitos desvios. Se instalar o ponto de acesso em uma posição central não for possível, considere usar uma antena setorial ou um defletor caseiro (veja a seguir), de forma a direcionar o sinal para a área desejada.

Continuando, sempre que possível, as antenas nos clientes devem sempre estar alinhadas (também de pé) em relação à antena do ponto de acesso, para uma melhor recepção. Caso o cliente use algum tipo de antena mini-yagi direcional, então a antena deve ficar apontada para o ponto de acesso.

Por não irradiar muito sinal na vertical, concentrando-o na horizontal, uma antena ominidirecional típica oferece um ganho de 2.2 dBi, o que equivale a um aumento de 65% na potência de transmissão (e também na qualidade da recepção) em relação a uma antena (teórica) que irradiasse o sinal igualmente em todas as direções.

A partir daí, é possível aumentar a potência de transmissão do ponto de acesso de duas maneiras:

A) Usando um amplificador de sinal, de forma a aumentar a potência de transmissão do ponto de acesso.

B) Substituindo a antena padrão por uma antena de maior ganho, ou seja, por uma antena que concentre o sinal, permitindo que ele atinja distâncias maiores.

A opção A (usar um amplificador) é uma forma de resolver o problema na base da força bruta. Usando um amplificador, é possível aumentar a potência de transmissão do ponto de acesso (ou da placa wireless) para até 1 watt, que é o máximo permitido pela legislação.

A grande maioria dos pontos de acesso trabalha com menos de 100 milliwatts de potência de transmissão, de forma que 1 watt significa um ganho considerável. Ao usar um amplificador, é importante escolher um amplificador bidirecional (que amplifica nas duas direções, atuando também sobre sinal recebido dos clientes), caso contrário o alcance prático da rede ficará limitado pela potência de transmissão dos clientes (afinal, se o ponto de acesso não recebe o sinal do cliente, não é possível abrir o canal de comunicação). 

Amplificador Wi-Fi de 1 watt

Muitos pontos de acesso permitem ajustar a potência de transmissão, mas normalmente o ajuste é liberado apenas para baixo. Ou seja, você pode reduzir a potência de transmissão, de forma a intencionalmente reduzir a área de cobertura da rede (o que ajuda na questão da segurança), mas não aumentar:

Ajuste da potência de transmissão na configuração do AP

Grande parte dos pontos de acesso utilizam transmissores com uma potência maior, mas ela é limitada via firmware, de forma a atender as normas das agências reguladoras de diversos países. Em muitos casos, é possível “destravar” o ponto de acesso, permitindo usar toda a potência disponível através de um firmware alternativo, como no caso do DD-WRT e o OpenWRT. Note que regravar o firmware pode inutilizar o ponto de acesso caso ele não seja suportado, ou caso algo dê errado durante o processo, por isso não deixe de checar as listas de compatibilidade e as instruções de instalação.

Diferentemente de um amplificador bidirecional, que irá amplificar tanto a transmissão, quanto a recepção do sinal dos clientes, amplificar o sinal do ponto de acesso melhora apenas a transmissão no sentido ponto de acesso > cliente, sem fazer nada para melhorar a recepção das transmissões dos clientes. Devido a isso, o alcance da rede continuará basicamente o mesmo, mas teremos ganhos com relação à recepção dos clientes, permitindo que eles obtenham um sinal mais estável e taxas de download mais altas quando dentro da área de cobertura. Em outras palavras, você obtém parte dos benefícios de usar um amplificador sem precisar colocar a mão no bolso.

Em seguida temos a opção B, que consiste em utilizar uma antena de maior ganho, que concentra o sinal em uma única direção, aumentando, assim, a potência efetiva de transmissão. Quando mais estreito o foco da antena, mais concentrado é o sinal.

O ganho da antena é medido em dBi, sendo que um ganho de 3 dBi equivale ao dobro da potência de transmissão e um ganho de 10 dBi equivale a um aumento de 10 vezes. Usar antenas de alto ganho tanto no ponto de acesso quanto no cliente permite criar links wireless de longa distância, indo muito além dos 150 metros nominais.

Existem no mercado antenas ominidirecionais com maior ganho, que podem substituir diretamente as antenas do ponto de acesso. Temos aqui uma antena de 5 dBi ao lado de uma antena padrão de 2.2 dBi:

Antenas ominidirecionais maiores, de uso externo, podem oferecer ganhos de 10 ou até mesmo 15 dBi. O sinal continua sendo transmitido em todas as direções na horizontal, mas o ângulo vertical se torna muito mais estreito em relação ao oferecido pelas antenas padrão, ou seja, o maior ganho da antena não faz com que ela transmita mais sinal, mas apenas com que concentre a transmissão em uma faixa mais estreita:

Em seguida temos as antenas direcionais, que além de concentrarem o sinal na vertical, concentram-no também na horizontal, fazendo com que, em vez de um ângulo de 360 graus, o sinal seja concentrado em um ângulo de 90 graus ou menos.

As primeiras em ordem hierárquica são as antenas setoriais, que concentram o sinal em um ângulo de aproximadamente 90 graus, ou seja, um quarto de um círculo completo. Se instaladas no canto de um galpão ou cômodo, elas distribuem o sinal em todo o ambiente, deixando pouco sinal vazar no outro sentido. A maioria das antenas setoriais trabalham com ganho de 12 a 17 dBi. Embora no papel a diferença possa parecer pequena, uma antena de 17 dBi trabalha com uma potência de transmissão pouco mais de 3 vezes maior que uma de 12 dBi.

Antena setorial

Duas variações das antenas setoriais são as patch antennas (antenas de painel) e as round patch antennas (antenas circulares).

As patch antennas são antenas quadradas, que contêm internamente uma folha de metal. Elas trabalham com um ângulo de cobertura mais aberto do que as antenas setoriais, mas em compensação oferecem menos ganho, servindo como uma espécie de meio-termo entre elas e as antenas ominidirecionais:

Patch antenna (antena de painel)

As antenas round patch seguem o mesmo princípio, mas são redondas. Devido a isso, elas são muitas vezes instadas no teto (como se fosse um soquete de lâmpada) de forma a irradiar o sinal igualmente por todo o cômodo.

Em seguida temos as antenas yagi, que oferecem um ganho ainda maior, mas em compensação são capazes de cobrir apenas uma pequena área, para a qual são diretamente apontadas (normalmente em um raio de 24 x 30 graus, ou mais estreito). Você pode imaginar que uma antena yagi emite o sinal em um ângulo similar ao de um cone, resultando em um padrão de transmissão similar ao do diagrama abaixo:  

O foco concentrado resulta em um ganho muito maior do que o das antenas setoriais. A maior parte das antenas yagi à venda oferecem ganho de 14 a 19 dBi, mas não é incomum ver antenas com até 24 dBi.

Estas antenas são úteis para cobrir alguma área específica, longe do ponto de acesso, ou interligar duas redes distantes. Usando duas antenas yagi de alto ganho é possível criar links de até 25 km, o que é mais de 150 vezes o alcance inicial.

Para melhores resultados, uma antena deve ficar apontada exatamente para a outra, cada uma no topo de um prédio ou morro, de forma que não exista nenhum obstáculo entre as duas. Em instalações profissionais é usado um laser para fazer um ajuste fino no final da instalação, “mirando” as duas antenas:

As yagi são também o melhor tipo de antena a usar quando é preciso concentrar o sinal para “furar” um obstáculo entre as duas redes, como, por exemplo, uma parede bem no meio do caminho. Nestes casos a distância atingida será sempre bem mais curta, naturalmente.

Uma solução muito adotada nestes casos é usar um repetidor instalado em um ponto intermediário, permitindo que o sinal desvie do obstáculo. Existem até mesmo pontos de acesso extremamente robustos, desenvolvidos para uso industrial, que além de um gabinete reforçado utilizam placas solares e baterias, que permitem a eles funcionar de forma inteiramente autônoma:

A maioria das antenas yagi é coberta por um “tubo”, que protege a antena das intempéries e melhora o aspecto visual, mas a antena propriamente dita tem um formato de espinha de peixe. É justamente este formato que permite que o sinal seja tão concentrado:

As antenas feitas com tubos de batatas Pringles seguem o conceito de funil defletor e se comportam justamente como um tipo de antena yagi de baixo ganho.

Outra dica é que, no caso dos pontos de acesso 801.11a/b/g com duas antenas, você pode usar uma antena convencional em uma das saídas (para manter o sinal em um raio circular, atendendo aos micros próximos) e usar uma antena yagi na outra, de forma a melhorar a cobertura em algum ponto cego, ou para atender um cliente distante do ponto de acesso. Na verdade, no 802.11a/b/g, o ponto de acesso transmite o mesmo sinal usando ambas as antenas, simplesmente selecionando a que oferece um sinal de melhor qualidade com relação a cada cliente. Esta técnica é chamada de “antenna diversity” (variação de antenas) e melhora a qualidade da recepção, prevenindo o aparecimento de pontos cegos. Entretanto, como a segunda antena não é obrigatória, muitos fabricantes optam por produzir pontos de acesso com uma única antena, de forma a cortar custos.

Os pontos de acesso 802.11n, por sua vez, utilizam o MIMO, um sistema mais sofisticado, onde cada uma das antenas transmite um sinal independente e o ponto de acesso se encarrega de remontar o sinal original combinando os sinais, além de levar em conta fatores como a reflexão do sinal por paredes e outros objetos. O uso do MIMO é um dos principais fatores que permite que os produtos 802.11n ofereçam uma taxa de transmissão e alcance maiores que os 802.11g.

Embora (no 802.11n) todas as antenas sejam usadas simultaneamente, o ponto de acesso é capaz de operar com apenas duas ou mesmo com uma única antena, mas nesse caso a velocidade de transmissão é reduzida, de forma que a ideia de substituir uma das antenas por uma antena direcional não funciona tão bem em redes 802.11n: Com apenas uma antena apontada para o cliente, você consegue estabelecer a conexão, mas a taxa de transmissão não será muito mais alta do que no 802.11g.

Continuando, temos as antenas parabólicas, que também captam o sinal em apenas uma direção, de forma ainda mais concentrada que as yagi, permitindo que sejam atingidas distâncias ainda maiores. A maioria das antenas parabólicas destinadas a redes WI-FI utilizam uma grelha metálica no lugar de um disco sólido, o que reduz o custo e evita que a antena seja balançada pelo vento, saindo de sua posição ideal. Por causa disso, elas são também chamadas de antenas de grelha, ou grid antennas, em inglês.

Antena parabólica de grelha

A maioria das parabólicas Wi-Fi disponíveis no mercado oferecem ganhos de 22 a 24 dBi, mas pesquisando é possível encontrar antenas com ganhos ainda maiores. Para uso profissional, existe também a opção de usar antenas parabólicas com refletor sólido, que oferecem ganhos de até 32 dBi. Entretanto, devido ao alto ganho, é muito difícil usar uma (legalmente) sem obter a licença apropriada junto à Anatel (veja mais detalhes sobre essa questão da legislação a seguir).

Usar uma antena de maior ganho aumenta tanto a capacidade de transmissão quanto de recepção do ponto de acesso, permitindo tanto que o sinal transmitido se propague por uma distância maior quanto que ele seja capaz de captar o sinal fraco de clientes distantes, desde que eles sejam instalados dentro do foco da antena (que se torna cada vez mais estreito conforme aumenta o ganho).

Ao criar links de longa distância, é necessário usar antenas de alto ganho tanto no ponto de acesso quanto no cliente, o que soma o ganho das duas antenas, aumentando exponencialmente o alcance. Em situações ideais, é possível criar links com 25 ou até mesmo 30 km, combinando duas antenas de alto ganho, perfeitamente alinhadas.

Uma curiosidade é que muitos fabricantes incorporam placas wireless USB às antenas, de forma a torná-las mais atrativas, permitindo que você instale a placa com a antena diretamente em uma porta USB disponível, sem precisar se preocupar com pigtails e conectores. Como os adaptadores wireless USB são muito baratos (chegam a custar menos de 15 dólares no exterior), esta acabou se tornando uma opção muito comum.

Continuando, é também perfeitamente possível instalar uma antena de maior ganho diretamente no PC ou notebook, de forma a captar o sinal de um ponto de acesso distante ou melhorar a recepção da rede, nesse caso sem mexer no ponto de acesso. Muitas placas PC-Card ou USB oferecem um conector para antena externa, mas é possível também, instalar a antena diretamente na placa interna do notebook. O resultado estético acaba não sendo muito bom (já que você precisa abrir a tampa que dá acesso à placa e deixar o cabo para fora), mas funcionar funciona.

Além das antenas tradicionais, existem também antenas yagi ou setoriais portáteis, feitas especialmente para uso em conjunto com um notebook. Por serem bastante compactas, é fácil carregar a antena e apontá-la para o ponto de acesso:

Antena setorial e antena yagi portáteis

Normalmente estas antenas portáteis oferecem apenas 4 ou 6 dBi de ganho, mas isso já corresponde a uma melhora significativa em relação às antenas padrão.

Uma observação importante é que usar a faixa dos 5 GHz, seja em uma rede 802.11a ou 802.11n, demanda o uso de uma antena própria para a faixa de frequência. Salvo algumas antenas multiband (mais raras e quase sempre mais caras), as antenas são construídas para operar em uma faixa de frequência específica e não podem operar em outras sem adaptações, por isso é importante verificar a faixa de operação da antena antes de comprar.

Uma solução caseira para aumentar o ganho da(s) antena(s) do ponto de acesso, que funciona tanto com antenas que operam na faixa dos 2.4 GHz, quanto com as que operam na faixa dos 5 GHz, é fazer um defletor caseiro. Ele permite concentrar o sinal recebido pela antena padrão do ponto de acesso, fazendo com que ela cubra uma área mais focalizada, porém com um ganho maior (de forma similar ao que seria obtido ao utilizar uma antena setorial).

Além de melhorar a qualidade do sinal na área desejada, o defletor reduz o alcance nas demais direções, o que também ajuda na questão da segurança.

Esta é uma receita muito simples. Você precisa de alguma folha de metal ou fio (como uma malha de fios, papel alumínio, papel laminado ou um pedaço de lata) e papelão. Cobrindo um pedaço retangular do papelão com a folha metálica e dobrando-o de forma a formar um semi-círculo, você obtém um concentrador de sinal, que pode ser espetado em uma antena ominidirecional:

Os sinais são refletidos pela folha metálica e concentrados, melhorando tanto a transmissão quando a recepção do sinal. A desvantagem é que o defletor precisa ser apontado para a área desejada. Naturalmente, o defletor não reflete todo o sinal, apenas a maior parte dele. Um cliente próximo pode se conectar normalmente à rede se estiver na direção contrária, porém a poucos metros do ponto de acesso, mas um vizinho a 50 metros não teria a mesma sorte.

Você pode baixar o modelo com os ângulos corretos no: http://www.freeantennas.com/

Existe ainda a popular “cantenna”, a antena yagi feita usando uma lata de batata Pringles que citei anteriormente. Ela não é tão efetiva quanto uma antena yagi comercial, mas oferece a vantagem de poder ser montada usando materiais baratos. Você encontra a receita no:
http://www.oreillynet.com/cs/weblog/view/wlg/448.