Introdução

Este trabalho surge no âmbito da cadeira de Arquitectura de Computadores 2, como forma de cimentarmos os conhecimentos transmitidos nas aulas. Assim sendo, e como sabemos que a tecnologia de redes sem fios está em franco desenvolvimento, decidimos aprender algo mais sobre este assunto, nomeadamente no que se refere à descrição do interface de uma placa wireless, que estará mais de acordo com os tópicos abordados na cadeira.

O que é uma Rede Wireless?

Uma rede sem fios (Wireless ou WLAN) é um meio flexível de comunicação de dados implementado como uma extensão de, ou alternativa a uma rede cablada LAN dentro de um edifício ou campus. Usando ondas electromagnéticas, as redes sem fios transmitem e recebem dados sobre o ar, minimizando a necessidade de ligações físicas por cabo. Assim, estas redes combinam conectividade de dados, com mobilidade dos utilizadores e através de configurações simplificadas permitem LAN's móveis.

Apesar das limitações de cobertura geográfica, utilizando-se a arquitetura de sistemas de distribuição, pode-se aumentar a abragência da rede sem fio, fazendo uso de vários sistemas de distribuição interconectados via rede com fio, num esquema de roaming entre microcéclulas, semelhante a um sistema de telemóveis.

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Qual a sua História?

A tecnologia que é utilizada hoje em dia nas WLANs foi desenvolvida na 2ª Guerra Mundial pelo exército dos EUA, como forma de garantir a segurança na entrega de comunicações de voz sem que fosse detectada pelo inimigo. A tecnologia spread spectrum, possibilita a transmissão de voz e dados pela operação de uma gama de frequências, e é utilizada na maioria do equipamento WLAN usado hoje em dia. No entanto esta não é a única tecnologia usada para esse efeito. Existem outras como os IR e UHF, que têm sido usadas em redes WLAN, existem aínda tecnologias mais recentes baseadas na multiplexagem da divisão ortogonal da frequência, que opera na banda dos 5GHz. Os primeiros produtos WLAN surgem no mercado em meados de 1990, apesar do conceito ser conhecido há já vários anos. O surgimento da disponibilidade a nível mundial da banda dos 2.4GHz despoletou o interesse nas redes wireless. Nesta altura surgiram no mercado diversas tecnologias nesta área, sendo todas elas baseadas em tecnologia proprietária, o que levou a um abrandamento do desenvolvimento das WLAN, surgindo a necessidade da intervenção da IEEE, na procura da normalizar estes produtos. Assim, e após várias tentativas de normalização, surgiu em Setembro de 1999 a norma 802.11b. Esta efeméride levou a que diversos fabricantes da área se unissem de forma a assegurar a interoperabilidade dos vários produtos, formando a Wireless Ethernet Compatibility Alliance (WECA), daí surgindo o termo WiFi (Wireless Fidelity). Daí em diante diversos fabricantes se têm aliado à WECA.

Cronologia

1940	Usada pela primeira vez tecnologia de spread spectrum.
1980	Aplicações limitadas usando tecnologia de banda estreita.
1989	A FCC designa frequências para uso comercial. Bandas autorizadas para ISM (900MHz, 2.4GHz, 5GHz)
1990	Surgem no mercado os primeiros produtos a 900MHz A IEEE inicia o trabalho para as normas de WLAN para a industria.
1994	Surgem no mercado os primeiros produtos a 2.4GHz Aprovada a norma IEEE 802.11.
1997	Os produtos a 2.4GHz, começam a dominar o mercado União de várias empresas, formam a WECA.
1999	Rectificação das normas IEEE 802.11a e 802.11b. Surgem no mercado os primeiros produtos 802.11b A WECA cria o termo WiFi, como nome comum para produtos 802.11b.
2000	Várias actualizações e melhoramentos nos produtos WiFi. O grupo WECA cresce para mais de 65 companhias, com mais de 50 produtos WiFi certificados.

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* Quais os seus Benefícios?

As redes sem fios oferecem vantagens em relação às redes cabladas nos aspectos de produtividade, serviço, conveniência e custo:

• A mobilidade das redes sem fios permite que os utilizadores acedam a informação em tempo real em qualquer lugar dentro da sua organização.

• A velocidade e simplicidade de instalação de uma rede sem fios pode ser rápida e fácil por evitar a necessidade de passar cabos por paredes e tectos.

• A flexibilidade de instalação das redes sem fios permite que a rede chegue onde os cabos não permitem.

• Embora o investimento em equipamento de rede wireless seja superior ao cablado, o custo global da instalação e as depesas do tempo de vida da rede podem ser significativamente mais baixos. Estas redes trazem grandes benefícios a longo prazo em ambientes dinâmicos e com grande mobilidade.

• As redes sem fios podem ser constituídas de forma escalável de forma a evoluírem de redes peer-to-peer para poucos utilizadores até redes com infra-estruturas complexas para centenas de utilizadores que cobrem áreas mais vastas.

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Como Funciona?

Através da utilização de portadoras de rádio ou infravermelho, as WLANs estabelecem a comunicação de dados entre os pontos da rede. Os dados são modulados na portadora de rádio e transmitidos através de ondas eletromagnéticas. Múltiplas portadoras de rádio podem coexistir num mesmo meio, sem que uma interfira com a outra. Para extrair os dados, o receptor sintoniza numa freqüência específica e rejeita as outras portadoras de frequências diferentes. Num ambiente típico o ponto de acesso (access point) é conectado a uma rede local Ethernet convencional (cablada). Os pontos de acesso não apenas fornecem a comunicação com a rede convencional, como também intermediam o tráfego com os pontos de acesso vizinhos, num esquema de micro células com roaming semelhante a um sistema de telemóveis.

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Sobre que Tecnologias Assenta?

Num mundo cheio de standards concorrentes para quase tudo, não é de estranhar que as wireless LAN (WLAN), fossem excepção. Felizmente que o pessoal da IEEE tem feito alguma coisa para alterar o estado das coisas. No entanto continuam a haver várias tecnologias concorrentes, nós vamo-nos debruçar apenas sobre a tecnologia WiFi/802.11b Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS)

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WiFi/802.11b Direct Sequence Spread Spectrum - O que é isto?

O WiFi está-se a tornar uma verdadeira tecnologia em expansão. A camada física do 802.11b utiliza spread spectrum por sequência directa (DSSS – Direct Sequence Spread Spectrum) (figura 1.1) para transmitir em qualquer um dos 14 canais na banda dos 2,4GHz (figua 1.2) de radio para fins Industriais, Científicos ou Emergências Médicas (ISM), enquanto que o protocolo da subcamada MAC é o CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidence) (figura 1.1). Esta tecnologia tem uma taxa de transferência máxima de 11Mbps, com decrementos para taxas de 5.5, 2, e 1Mbps.

A DSSS gera um bit-code (também chamado de chip ou chipping code) redundante para cada bit transmitido. Quanto maior o chip maior será a probabilidade de recuperação da informação original. Contudo, uma maior banda é requerida. Mesmo que um ou mais bits no chip sejam danificados durante a transmissão, técnicas estatísticas embutidas no módulo PHY são capazes de recuperar os dados originais sem a necessidade de retransmissão.

Figura 1.1 - Modelo de Referência OSI

Como se pode ver na tabela seguinte, os Estados Unidos só permitem 11 canais e a Europa 13 canais. O Japão só tem um canal reservado para a norma 802.11 a 2,483 GHz.

Figura 1.2 - Os canais do 802.11b permitidos em vários países.

Hoje em dia existem vários dispositivos a competir para o espaço aéreo no espectro de 2.4GHz. Infelizmente a maior parte causa interferências, e são comuns nas nossas casas tais como o microondas e telefones sem fios, no entanto esta tecnologia consegue facilmente ultrapassar estas limitações.

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Tipos de Placas Wireless?

Depois de fazermos esta introdução à tecnologia passemos agora a olhar mais para a parte física do assunto, nomeadamente as placas.
Os produtos wireless vêem com diferentes "sabores", sendo que alguns deles são bem subtis. Olhemos agora para os diferentes tipos de adaptadores.

PC Card

Este formato é muito familiar nos computadores pessoais de mesa, e aparecem geralmente na forma de 16bit e CArdBus( 32bit ). Este formato tem a desvantagem de consumir bastante energia, bem como ter uma fraca orientação da antena.

USB

Estes adaptadores têm a vantagem de não se ter que abrir a caixa para se fazer a instalação e possui um cabo que permite posicionar a antena para optimizar o sinal. O negativo é que se pode dar o caso de existirem problemas relacionados com os drivers, tal como em outros dispositivos USB
A não ser que se tenham muitos dispositivos USB ligados, não há necessidade de preocupações com as limitações de velocidade do USB, porque a maioria dos adaptadores 802.11b, não passa dos 5Mbps comparado com os 8Mbps, que o USB oferece.

PCI e ISA

Dadas as outras opções disponiveis, estes dispositivos de formato interno estão rapidamente a desaparecer. A maioria dos fabricantes vende um adaptador PCI para usar com o seu adaptador wireless PC Card, e dificilmente se encontram companhias que ofereçam adaptador de bus ISA.
Sendo assim não se podem dizer muitas coisas boas acerca destes dispositivos. São mais caros, as instalações podem ser complicadas, e pior é a orientação da antena ( espetada na horizontal na traseira, muito perto do chão e possivelmente a apontar para uma parede que vai dar para o exterior do edifício), o que não abona nada para a sua performance.

Embutidas

Esta opção está-se a tornar muito corrente na nova geração de computadores portáteis e PDAs. A grande vantagem deste método, é que a antena já vem integrada - normalmente no monitor do portátil. Isto coloca a antena numa polarização vertical, coincidindo com a polarização da maioria dos Access Points, aumentando o alcance da mesma. O adaptador embutido, é geralmente mais robusto, porque não fica espetado na lateral do portátil, "pedindo" para ser partido.

O mal é que esta opção é geralmente a mais cara, e fica-se limitado ao adaptador que o fabricante do portátil seleccionou. Também é de notar a dificuldade que existe em desligar a ligação. Pode parecer estranho, mas é o que se terá de fazer quando de facto não se está a usar a ligação, uma vez que o 802.11b pode fazer com que a duração da bateria baixe para metade, mesmo que não se esteja a usar a ligação.

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* Então e a Estrutura Interna?

Uma placa wireless é basicamente constituída por dois módulos principais:

O Módulo MAC (Medium Access Control)

O Módulo PHY (Physical Layer)

Figura 1.3 - Estrutura interna de uma placa wireless

Interligando o módulos WMAC com o módulo PHY, juntando um par de antenas, e escolhendo um adaptador (BUS), tem-se uma solução completa para uma WLAN.

A imagem seguinte mostra o funcionamento interno do módulo PHY.

Figura 1.4 - Módulo PHY (Estrutura Interna)

O módulo PHY é constituído pelos seguintes componentes:

Antenas

Power Amplifier (PA)

Rádio RF/IF

Modulator/Demodulator (I/Q)

Digital Signal Processor (DSP)

EEPROM

• Calibração do rádio.

• Atributos de produção, incluindo o endereço MAC, nº de série, e o nº do produto.

• Espaço para informações de configuração para PC Cards/CardBus/PCI/USB.

RAM

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Conclusão

Apesar de esta tecnologia ser bastante conhecida hoje em dia, foi-nos muito complicado encontrar informações acerca das placas wireless em si. Isto deveu-se a que a maioria dos fabricantes de placas e de componentes para as mesmas, não disponibiliza as informações sobre o seu funcionamento interno, sendo esta proprietária, disponibilizando apenas algumas das suas especificações. Sendo assim e porque os fabricantes não revelam o seu segredo (muito compreensível), tivemos imensas dificuldades para atingir o nível de exigência por nós ditado e requerido pelo professor, no entanto temos a consciência de que fomos o mais fundo possível no que se refere a placas wireless (WiFi). Quanto a tecnologias nomeadamente a 802.11b, não sendo exactamente o que era pedido neste trabalho fizemos uma explicação bastante superficial do funcionamento interno da placa em si e tentámos aprofundar o protocolo 802.11b WLAN. Sobre esta última matéria encontrámos muita informação, mas estamos conscientes de que esta seja mais útil para outras cadeiras relacionadas nomeadamente com redes informáticas.

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Bibliografia e Referências

802.11, 1999 Edition (ISO/ IEC 8802-11: 1999) IEEE Standard for Information Technology - Telecommunications and information exchange betwen systems - Local and metropolitan area networks - Specific requerements - Part 11 : Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications.

Grouping Wireless Picocells to build a Local Area Wireless Infrastructure - Fast and efficient Local Mobility Management and Range Extension - Dipl. Ing. Jost Weinmiller.

agereSYSTEMS - WaveLanTM WL1141 Single-Component 802.11b Physical-Layer Solutions - April 2003

agereSYSTEMS - WaveLanTM 802.11b Chip Set for Standard Form Factors - Preliminary Product Brief - December 2002

Prasad, N., Prasad, A., "WLAN Systems and Wireless IP for Next Generation Communications," Universal Personal Communications, 2002

http://www.wireless.com.pt

http://www.howstuffworks.com/

http://www.wirelessethernet.org

http://wireless.com/interesting.html

http://www.developer.com/ws/other/article.php/10949_1453051_5

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Os tópicos assinalados com ' * ' são referentes às perguntas seguidas das suas respectivas respostas como requerido no enunciado do projecto.

© Daniel Palos & Leandro Vale, 2003