TCC_Desenvolvimento de Ferramentas Para

Alan Henrique Ferreira

Desenvolvimento de Ferramentas para

Anlise do Espectro no Licenciado 2,4GHz e Taxas

de Dados em Pontos de Acesso no Padro 802.11

Niteri 31 de Maro de 2014





Trabalho apresentado ao Curso de

Engenharia de Telecomunicaes da

Universidade Federal Fluminense -

UFF, como requisito para obteno do

ttulo de Bacharel em Engenharia de

Telecomunicaes.

Orientadora: Profa. Dra. Natalia

Castro Fernandes

Niteri, 31 de Maro de 2014





Trabalho apresentado ao Curso de

Engenharia de Telecomunicaes da

Universidade Federal Fluminense -

UFF, como requisito para obteno do

ttulo de Bacharel em Engenharia de

Telecomunicaes.

Aprovado em: 31 de Maro de 2014

Comisso julgadora:

_____________________ ____________________

Prof. Dr. Ricardo Campanha Carrano Prof. Dr. Tadeu Nagashima Ferreira

_____________________________

Profa. Dra. Natalia Castro Fernandes

Niteri, 2014

i

Agradecimentos

Agradeo a Deus por ter me sustentado nos momentos de cansao e de desanimo. Sem Ele, eu

no teria chegado at aqui. Agradeo a minha famlia por sempre estar ao meu lado, a minha

me Ana, meu pai Elio e a minha av Dorcina (in memoriam), que sempre me ensinou que o

estudo a coisa mais valiosa que podemos ter. Agradeo a minha namorada Thas por sua

compreenso em momentos que estive ausente por conta dos estudos e por me ajudar nos

momentos de dificuldades. Aos professores Gilberto Vianna, Ricardo Carrano, Tadeu Ferreira,

Murilo Bresciani e Natalia Castro agradeo pela seriedade e empenho que demonstraram dentro

e fora da sala de aula. Isto, sem dvidas, foi um dos fatores que motivaram esta grande paixo

que tenho pelas telecomunicaes. Agradeo aos amigos por me acompanharam durante este

rduo caminho de aprendizado madrugadas adentro e tambm por estarem presentes nos

momentos de descontrao e celebrao. Um muito obrigado a Dona Isabel, que durante este 5

anos e meio que cursei minha graduao me acolheu em sua casa como um filho e a minha

sogra Nilce que me deu todo o suporte necessrio para que eu no me desviasse dos meus

objetivos. Muito obrigado a todos.

ii

Resumo

As redes sem fio tm se tornado uma ferramenta fundamental no dia a dia de um nmero cada

vez maior de pessoas, o que nos permite ter acesso Internet em locais como aeroportos e

restaurantes, um servio que seria impraticvel sem esta tecnologia. Em grandes corporaes e

universidades, as redes wireless tm sido utilizadas largamente, pois possibilitam uma

acessibilidade em grande escala com um custo reduzido. Contudo, este crescimento traz consigo

a necessidade de planejamento e critrio no projeto de redes orientadas cobertura e

capacidade, visto que um grande nmero de pontos de acesso localizados em um mesmo

ambiente pode provocar interferncia co-canal. Alm disso, interferncias de equipamentos que

compartilham a mesma banda esto cada vez mais presentes nestes ambientes e devem ser

considerados em um projeto. Este trabalho visa oferecer ferramentas de pesquisa de campo a

partir da medio, armazenamento e processamos de dados quanto ao comportamento do

trfego de dados nos canais de pontos de acessos indoor e outdoor, bem como medir as

variaes do espectro no licenciado de 2,4GHz em um dado perodo de observao a fim de

auxiliar projetos de implantao e gerenciamento de redes sem fio.

iii

Abstract

Wireless networks have become a fundamental tool in the daily life of an increasing number of

people. Nowadays, the use of wireless networks offers Internet access in many places like

airports and restaurants, a service that would be impractical without this technology. In large

corporations and universities, wireless networks have been widely used because they provide a

large-scale accessibility at reduced cost. However, this growth requires the planning and design

criteria in order to supply coverage and capacity, because a large number of access points

located in the same environment may cause co-channel interference. In addition, the

interference from equipment that shares the same band is increasingly present in these

environments and so it must be considered in a project. This essay aims to provide field research

tools to measure, storage, and process data according to the behavior of data traffic at channel

of indoor and outdoor access points. Also, we measure changes in the unlicensed spectrum of

2.4 GHz in specific periods in order to help the management and the implantation of network.

iv

Lista de Figuras

Figura 2.1.1 Topologia de rede Ad-hoc .................................................................................. 5

Figura 2.1.2 Topologia de rede estruturada ............................................................................. 5

Figura 2.1.3: Topologia rede estruturada 802.11 .................................................................... 6

Figura 2.4.1: Diviso do espectro no licenciado 2,4GHz no padro 802.11 (RODRIGUES,

2006) ..................................................................................................................................... 9

Figura 2.5.1: Transformada de Fourier do pulso quadrado (Portes de Albuquerque &

Albuquerque, 2004) ............................................................................................................. 10

Figura 2.5.2: representao de sinais no espao euclidiano ................................................... 13

Figura 2.5.3: Constelao de modulao BPSK e QPSK. ..................................................... 14

Figura 2.6.1: Tcnica de espalhamento por sequencia direta ................................................. 17

Figura 2.6.2: Diagrama em blocos do espalhamento CCK .................................................... 20

Figura 2.6.3: Diagrama em blocos da tcnica PBCC ............................................................ 21

Figura 2.6.4: Estruturao das tcnicas de modulao no padro IEE 802.11 at gerao

802.11b ................................................................................................................................ 21

Figura 2.6.5: Diagrama de multiplexao OFDM de forma direta (Guimares & Souza, 2012)

............................................................................................................................................ 23

Figura 2.6.6: Modulao OFDM via IFFT (Guimares & Souza, 2012) ............................... 24

Figura 2.6.7: DEP sinal OFDM (Guimares & Souza, 2012) ................................................ 25

Figura 2.7.1: Terminal escondido por obstculo ................................................................... 29

Figura 2.7.2: Terminal escondido por desvanecimento ......................................................... 29

Figura 2.7.1: Interferncia de Forno micro-ondas (MetaGeek, 2013) .................................. 32

Figura 2.7.2: Interferncia de sensores de movimento (MetaGeek, 2013) ............................. 32

Figura 2.7.3: Interferncia de cmera de segurana sem fio (MetaGeek, 2013) ..................... 33

Figura 2.7.4: Interferncia de dispositivo Bluetooth (MetaGeek, 2013) ................................ 34

Figura 3.1.1: Plano de canais 802.11b&g (Cisco B.2004) ..................................................... 35

Figura 3.1.2: Regies de operao em um AP (Aerohive, 2012) ........................................... 35

Figura 3.1.3: Interferncia Co-Canal (Aerohive, 2012) ......................................................... 36

Figura 3.2.1: Topologia da rede SciFi (Balbi, et al., 2012) .................................................... 37

Figura 3.3.1: Representao do rudo no plano euclidiano de sinais ...................................... 38

Figura 4.1.1: Diagrama em blocos do programa de aquisio de dados Airview ................... 42

v

Figura 4.1.2: Interface do usurio da aplicao de aquisio e armazenamento dos dados do

Airview ................................................................................................................................ 43

Figura 4.2.1: Diagrama em blocos do programa de aquisio de dados Iperf ........................ 45

Figura 4.2.2: interface do usurio da aplicao de aquisio e armazenamento dos dados do

Iperf ..................................................................................................................................... 46

Figura 4.3.1 Aba Cadastro do arquivo modelo para gerao de relatrios .......................... 47

Figura 4.3.2: Abas de introduo de dados para gerao de relatrios................................... 47

Figura 4.3.3: Exemplo de filtros para dados sobre a taxa de dados gerados pelo Iperf ........... 49

Figura 4.3.4: Exemplo de filtros para dados sobre a DEP gerados pelo Airview ................... 50

Figura 4.3.5: Aba Grficos com exemplo de mdia mvel das amostras da taxas de dados

praticada entre o Cliente-Servidor Iperf no canal do AP sobre observao ........................... 50

Figura 4.3.6: Aba Grficos com exemplo de superposio de todas as amostras do espectro

2,4GHz em um intervalo de tempo ....................................................................................... 51

Figura 4.3.7: Aba Grficos com exemplo de raiais espectrais com maior frequncia de

repetio ao longo de todo o intervalo de observao ........................................................... 51

Figura 5.1.1: Layout de equipamentos no ensaio com interferncia de forno micro-ondas .... 53

Figura 5.1.2: Mdia mvel das amostras da taxas de dados praticada entre o Cliente-Servidor

Iperf no canal do AP sobre observao ................................................................................. 53

Figura 5.1.3: Valores medidos sem interferncia de rudo do forno micro-ondas. ................. 54

Figura 5.1.4: Valores medidos com interferncia de rudo do forno micro-ondas. ................. 55

Figura 5.1.5: Valores com raiais espectrais de maior frequncia de repetio em todo o intervalo

de observao. ..................................................................................................................... 55

Figura 5.1.6: Layout de ensaio com configurao de APs em interferncia co-canal ............. 56

Figura 5.1.7: Mdia mvel das amostras da taxas de dados praticada entre o Cliente-Servidor

Iperf no canal do AP sobre observao ................................................................................. 57

Figura 5.1.8: Valores medidos com interferncia co-canal. ................................................... 57

Figura 5.1.9: Valores medidos sem interferncia co-canal. ................................................... 58

Figura 5.1.10: Valores com maior frequncia de repetio em todo o intervalo de observao.

............................................................................................................................................ 58

Figura 5.1.11: DEP de um sinal 802.11g com modulao OFDM ......................................... 59

Figura 5.2.1: Sistema de medio montado na rea externa da biblioteca de engenharia Campus

Praia Vermelha-UFF ............................................................................................................ 60

Figura 5.2.2: Localizao do AP indoor observado no Bloco D Campus Praia Vermelha-UFF

............................................................................................................................................ 61

vi

Figura 5.2.3: Localizao AP outdoor observado na biblioteca de Engenharia - Campus Praia

Vermelha-UFF ..................................................................................................................... 62

Figura 5.2.4: Grfico com variao das taxas de dados praticada entre o Cliente-Servidor Iperf

no canal do AP observado no 2 andar do bloco D ............................................................... 63

Figura 5.2.5: Grfico com atividade espectral na regio atendida pelo AP no 2 andar do bloco

D no intervalo sem interferncia .......................................................................................... 63

Figura 5.2.6: Grfico com atividade espectral na regio atendida pelo AP no 2 andar do bloco

D no intervalo com interferncia .......................................................................................... 64

Figura 5.2.7: Grfico com elementos com maior frequncia de repetio na regio atendida pelo

AP no 2 andar do bloco D ................................................................................................... 64

vii

Lista de Acrnimos

ACK- Confirmao de Recebimento (Acknowledgement)

AP - Ponto de Acesso (Access Point)

API- Interface de Programao de Aplicativos (Application Programming Interface)

AWGN- Rudo Branco Gaussiano Aditivo (Additive white Gaussian noise)

BB- Banda Base

BER- Taxa de Erro de Bit (Bit Error Rate)

BP- Banda Passante

BSA- rea Bsica de Servios (Basic Service Area)

BSS - Conjunto Bsico de Servio (Basic Service Set)

CCI- Interferncia Co-Canal (Co-Channel Interference),

CCK- Chaveamento de Cdigo Complementar (Complementary Code keying).

CLI - Interface de Linha de Comando (Command-Line Interface)

CSMA/CA- Acesso Mltiplo com Deteco de Portadora com Preveno de Coliso (Carrier

Sense Multiple Access with Collision Avoidance)

CSMA/CD- Acesso Mltiplo com Deteco de Portadora com Deteco de Coliso (Carrier

Sense Multiple Access with Collision Detection)

CTS- Pronto para Envio (Clear To Send)

dB - Decibel

dBm - Decibel Miliwatt

DBPSK- Modulao quaternria e diferencial por deslocamento de fase (Differential Binary

Phase Shift Keying)

DCF- Funo de Coordenao Distribuda (Distributed Coordination Function)

DEP- Densidade Espectral de Potncia

DIFS- Espaamento Interquadros Distribudo (Distributed Inter-Frame Spacing)

viii

DQPSK- Modulao binria e diferencial por deslocamento de fase (Differential Quaternary

Phase-Shift Keying)

DSSS- Espalhamento Espectral por Sequncia Direta (Direct Sequence Spread Sprectum)

FEC- Fator de Correo de Erros (Forward Error Correction).

FFT- Transformada Rpida de Fourier (Fast Fourier Transform)

FHSS - Espalhamento Espectral por Salto de Frequncia (Frequency Hopping Spread

Sprectum)

GFSK- Modulao Gaussiana por Deslocamento de Frequncia (Gaussian Frequency Shift

Keying)

GHz- Gigahertz

IDE- Ambiente de Desenvolvimento Integrado (Integrated Development Environment)

IEEE- Instituto de Engenheiros Eletricistas e Eletrnicos (Institute of Electrical and

Electronics Engineers)

IFFT - Transformada Rpida de Fourier Inversa (Inverse Fast Fourier Transform)

IIS- Interferncia Inter Simblica

IP- Protocolo de Internet (Internet Protocol)

ISM- Instrumentao Cientfica e Mdica (Instrumentation, Scientific and Medical)

MAC - Controle de Acesso ao Meio (Media Access Control)

Mbps - Megabit por Segundo

MHz- Megahertz

MIMO- Mltiplas Entradas e Mltiplas Sadas (Multiple-Input and Multiple-Output)

NAV- Vetor de Alocao de Rede (Network Allocation Vector)

OFDM- Multiplexao por Diviso de Freqncia Ortogonal (Orthogonal Frequency-Division

Multiplexing)

PBCC- Codificao Convolucional de Pacotes Binrios (Packet Binary Convolutional Coding)

PN- Pseudo-Ruido (Pseudo-Noise)

ix

RF- Rdio Frequncia

RTS- Solicitao de Envio (Request To Send)

RZ- Retorna a Zero

SciFi- Sistema de Controle Inteligente para Redes sem Fio

SIFS- Espaamento Curto Interquadros (Short Inter-Frame Spacing)

SNR- Relao Sinal-Rudo (Signal-to-Noise Ratio)

STA- Estao Wireless em Rede Local (Wireless LAN Stations)

TCP- Protocolo de Controle de Transmisso (Transmission Control Protocol)

TDMA- Acesso Mltiplo por Diviso de Tempo (Time Division Multiple Acces)

UDP- Protocolo de Datagramas do Usuiros (User Datagram Protocol)

WLAN - Rede de rea Local Sem Fio (Wireless Local Area Network)

x

Sumrio

Lista de Figuras .................................................................................................................... iv

1 Introduo ....................................................................................................................... 1

1.1 Motivao ................................................................................................................ 2

1.2 Organizao do Trabalho ......................................................................................... 2

2 A Camada Fsica e o Protocolo de Controle de Acesso no Padro 802.11 ........................ 4

2.1 Topologia de Redes 802.11 ...................................................................................... 4

2.2 Caractersticas do Meio de Transmisso ................................................................... 7

2.3 Ferramentas de Medio no Espectro no Licenciado 802.11 ................................... 8

2.4 Diviso do Espectro no Licenciado 802.11 ............................................................. 9

2.5 Formatao de Pulso e Introduo as Tcnicas de Modulao ................................ 10

2.6 Tcnicas de Modulao nos Padres 802.11 ........................................................... 15

2.7 Protocolo CSMA-CA ............................................................................................. 28

3 Fonte de Rudo na Banda 2,4GHz e Metodologia de Mitigao da Interferncia Co-Canal

31

3.1 Fontes de Rudo na Banda 2.4GHz em Redes 802.11 ............................................. 31

3.2 Interferncia Co-Canal e Projetos de Plano de Canais ............................................ 34

3.3 Projeto SciFi .......................................................................................................... 36

3.4 Estudo do Rudo no Plano Euclidiano de Sinais ..................................................... 37

4 Softwares para Monitorao da Banda 2,5GHz e as Taxas de Dados de Pontos de Acesso.

40

4.1 Software para Monitorao da Atividade do espectro No Licenciado 2,4GHz. ..... 41

4.2 Software para Monitorao das Variaes nas Taxas de Dados em um Canal de um

Ponto de Acesso ............................................................................................................... 43

4.3 O Excel como Ferramenta de Processamento de Dados e o VBA ........................... 46

5 Metodologia de Pesquisa de Campo .............................................................................. 52

5.1 Ensaios Realizados na Presena de Interferncia conhecida ................................... 52

xi

5.2 Pesquisa de Campo em reas Atendidas pelos Pontos de Acesso da Rede SciFi .... 59

6 Concluso ..................................................................................................................... 65

6.1 Trabalhos Futuros .................................................................................................. 66

Apndice A .......................................................................................................................... 67

1. Cdigo da Aplicao DEP- Wifi ............................................................................ 67

Apndice B .......................................................................................................................... 73

1. Cdigo da Aplicao Server-Iperf .......................................................................... 73

Apndice C .......................................................................................................................... 81

1. Script Macro Formata_dados ................................................................................ 81

2. Script Macro Grfico1 .......................................................................................... 85



Apndice D .......................................................................................................................... 92

1. Medies Realizadas na rea Externa da Biblioteca de engenharia ........................... 92

Referncias Bibliogrficas ................................................................................................... 94

1

1 Introduo

A tecnologia Wireless, como conhecemos hoje, resultado de um longo processo de

aperfeioamento, que se iniciou no final da dcada de 60 e sofreu diversas mudanas,

principalmente no que diz respeito s tcnicas de transmisso visando maiores taxas de dados. A

ideia de trafegar pacotes pelo ar trazia grandes benefcios, visto que era possvel fornecer

acesso a um nmero elevado de usurios sem demandar grande infraestrutura.

Durante a evoluo das redes Wireless, o padro mais difundido foi o padro IEEE 802.11. Este

ficou mais conhecido como Wi-Fi devido Wi-Fi Alliance (Alliance, (2013)), rgo certificador

de um grande nmero de dispositivos que utilizam este padro.

Como j foi dito, as redes sem fio tm recebido grande destaque como soluo para uma

acessibilidade mais flexvel e com um grande alcance de usurios, tanto em ambientes

acadmicos, coorporativos e at mesmo para o trfego de dados mveis para telefonia celular.

Conforme (Cisco, 2013), para os prximos quatro anos so esperados 13 vezes mais trfego de

dados mveis que no ano de 2012, e para dar vazo a este alto volume de dados, a rede Wireless

est sendo cotada por 89% das operadoras no mundo como ferramentas complementar s redes

mveis de telefonia (Wang, 2013).

Alm das inmeras vantagens para aqueles que fornecem o servio, a tecnologia Wi-Fi tem

obtido uma grande aceitao por parte dos usurios, porque permite o acesso a diversos servios

de forma muito mais prtica no dia a dia das pessoas. No meio acadmico, por exemplo, o antigo

paradigma de depender de um nmero restrito de desktops nas bibliotecas e salas multimdia vem

sendo substitudo por laptops que concentram, em um nico dispositivo, o acesso internet e s

ferramentas pessoais necessrias para um melhor aproveitamento nos estudos. Um fator que

tambm contribuiu foi a facilidade na aquisio de dispositivos mveis portando rdios 802.11

como celulares, laptops e tablets nestes ltimos anos. Em 2008, o desktop era a preferncia de

95% das pessoas. Em 2012, esse nmero j caiu para 79%. Em paralelo, neste mesmo perodo,

os laptops saram de apenas 3% e deram um salto chegando a 39% (CGI.br, 2012).

Na Universidade Federal Fluminense, assim como em outras universidades do mundo, existem

projetos que visam expandir a acessibilidade Internet por meio de pontos de acesso

sistematicamente alocados dentro de prdios e reas externas dos Campus universitrios. No

entanto, por conta da saturao do espectro no licenciado, que hoje intensamente utilizado por

2

redes Wireless, a elaborao de projetos de redes sem fio tornou-se mandatrio para se garantir

um bom desempenho e o correto funcionamento da rede.

1.1 Motivao

A proposta deste projeto oferecer um ferramental para medir e analisar a atividade do espectro

na banda no licenciada de 2,4GHz em um ambiente atendido por um ponto acesso e as variaes

nas taxas de dados praticadas dentro do canal deste ponto de acesso a fim de relacion-los no

tempo. Para isto, sero desenvolvidos mecanismo para armazenamento destes dados, com intuito

de manter um histrico destas medies. Em especifico, neste trabalho utilizaremos estas

ferramentas para monitorar os pontos de acesso atendidos pelo controlador da rede SciFi

Sistema de Controle Inteligente para Redes sem Fio, dentro de sua regio de atuao. Estes dados

podero auxiliar a identificar interferncias co-canal com relevncia nas taxas de dados, alm de

aferir a influncia de rudos recorrentes dentro do canal observado.

1.2 Organizao do Trabalho

O trabalho possui a seguinte estrutura:

No Captulo 2, sero apresentados um conjunto de definies acerca dos padres estabelecidos

para redes Wireless e as principais caractersticas nos mecanismos de transmisso. O objetivo

oferecer os fundamentos tericos necessrios para uma interpretao mais profunda acerca dos

dados obtidos por este trabalho. Alm disso, falaremos um pouco sobre a atuao do protocolo

CSMA/CA como elemento de controle da transmisso.

O Captulo 3 cita as principais fontes de interferncia nas redes Wireless, assim como algumas

metodologias de identificao e mitigao das mesmas. Ao fim deste captulo ser demonstrado

de que forma a relao sinal- rudo interfere na taxa de dados de transmisso e como funcionam

os mecanismos bsicos de proteo dos dispositivos Wireless ao perceber uma relao sinal-

rudo muito baixa

O Captulo 4 apresenta as frentes de atuao escolhidas para obter os dados necessrios a este

trabalho e de como foram concebidos os softwares de aquisio de dados a partir dos

instrumentos de medies disponveis. So abordadas tambm as ferramentas definidas para o

3

desenvolvimento, as linguagens utilizadas, o banco de armazenamento de dados escolhido e o

hardware selecionado. Alm disso, falaremos de como o Excel pode ser utilizado como

ferramenta para o processamento de dados atravs do VBA- Visual Basic para Aplicaes (Visual

Basic for Applications).

O Captulo 5 discute a metodologia de pesquisa de campo utilizada nestes trabalhos e a forma

como os dados foram organizados para gerao dos relatrios.

Encerrando este trabalho, no Captulo 6, se encontram algumas concluses sobre a metodologia

utilizada, os resultados obtidos e as dificuldades encontradas, como tambm algumas sugestes

para trabalhos futuros.

4

2 A Camada Fsica e o Protocolo de Controle de Acesso no Padro 802.11

O propsito deste captulo oferecer um breve entendimento sobre as padronizaes nas redes

Wireless e conduzir um desenvolvimento terico a respeito dos mecanismos de transmisso

associados ao padro 802.11. Isto possibilitar uma leitura mais assertiva em relao aos dados

obtidos pelas aplicaes desenvolvidas neste trabalho.

Ser possvel entender como so gerados os sinais que carregam as informaes trocadas entre

os dispositivos Wireless, e de como represent-las matematicamente, a fim de proporcionar a

compreenso do que sinal, do que rudo e qual a banda utilizada em cada situao. A partir

deste desenvolvimento matemtico, apresenta-se os processos bsicos da modulao digital,

como os bits so formatados, e de como estes dispositivos so capazes de se comunicar por meio

de ondas eletromagnticas em especficas frequncias ou canais.

Tambm ser abordado como feito o controle de acesso dentro de um canal, a fim de permitir

que vrios dispositivos possam trafegar informao de forma eficiente.

2.1 Topologia de Redes 802.11

As redes WLANs podem ser configuradas de dois modos distintos conforme as Figuras 2.1.1

eFigura 2.1.2:

Ad-hoc mode Independent Basic Service Set. A comunicao entre as estaes de trabalho

so estabelecidas diretamente sem a necessidade de um AP Ponto de acesso (Access

Points) e de uma rede fsica para conectar as estaes.

Infrastructure mode Infrastructure Basic Service Set. A rede possui APs fixos que

conectam a rede sem fio rede convencional e estabelecem a comunicao entre os

diversos clientes.

5

Figura 2.1.1 Topologia de rede Ad-hoc

Figura 2.1.2 Topologia de rede estruturada

Neste estudo, consta com mais detalhes esta ltima modalidade de rede, por ser uma estrutura

intensamente utilizada no padro 802.11.

6

Figura 2.1.3: Topologia rede estruturada 802.11

A topologia de uma rede 802.11 na modalidade de infraestrutura pode ser vista com maiores

detalhes na Figura 2.1.3 onde possvel identificar os seguintes elementos:

BSS (Basic Service Set). Corresponde a uma clula de comunicao da rede sem fio.

STA (Wireless LAN Stations). So os diversos clientes da rede.

AP (Access Point). o n que coordena a comunicao entre as STAs dentro da BSS.

Funciona como uma ponte de comunicao entre a rede sem fio e a rede convencional.

DS (Distribution System). Corresponde ao backbone da WLAN, realizando a comunicao

entre os APs.

ESS (Extended Service Set). Conjunto de clulas BSS cujos APs esto conectados a uma

mesma rede convencional. Nestas condies, uma STA pode se movimentar de uma

clula BSS para outra permanecendo conectada rede.

Todos estes elementos devem ser considerados no estudo do desempenho de uma rede 802.11,

porque a canalizao dos dados para uma rede externa WLAN obrigatoriamente passa por um

7

deles. Um projeto pouco criterioso pode fazer com que um destes elementos seja um gargalo para

o escoamento dos dados, ocasionando uma queda no desempenho da rede.

Este trabalho propem monitorar o comportamento do espectro de uma BSS e tambm o

desempenho do trfego de dados praticado pelo AP responsvel por esta mesma BBS ao longo

do tempo.

2.2 Caractersticas do Meio de Transmisso

O meio de transmisso ar influncia de forma direta na correta recepo dos dados trocados

entre dispositivos Wireless, isto porque as ondas eletromagnticas que carregam a informao

so fortemente atenuadas com o quadrado da distncia ao serem transmitidas neste meio. Alm

disso, este meio sofre interferncias de inmeras fontes que trabalham na mesma banda de

frequncia, incluindo equipamentos eletrnicos como aparelho Bluetooth, forno micro-ondas e

tambm os prprios Aps, onde dispositivos de outros domnios so configurados para

trabalharem em um mesmo canal em reas muito prximas (isto ser discutido com mais detalhes

no captulo 3). Outro fator que deve ser considerado a interferncia de mltiplos percursos que

ocorrem quando ondas com atrasos diferentes (devido reflexo e disperso de objetos no meio)

se somam na recepo, causando, em um dado instante de tempo, uma amplificao ou uma

atenuao do sinal.

Estas interferncias podem confundir o receptor que acaba interpretando de forma errada a

informao que foi transmitida. Um dos parmetros mais importantes que definem se estes dados

so corretamente interpretados na recepo chama-se SNR- relao sinal-rudo (signal-to-noise

Ratio). A SNR importante porque no faz sentido falar da potncia de um AP isoladamente ou

a quantidade de rudo no meio. Se existe fonte de rudo no meio, mas sua potncia bem inferior

ao nvel de potncia do AP na recepo, esta informao provavelmente ser recuperada.

Usualmente este valor referenciado em dB (decibel).

8

2.3 Ferramentas de Medio no Espectro no Licenciado

802.11

Medir o nvel do sinal de um dado AP recebido por um STA relativamente simples.

Considerando que o usurio pode escolher a potncia de transmisso no AP atravs de sua

interface de configurao do prprio AP, basta levantar alguns dados como ganho das antenas de

recepo e transmisso, perda nas guias de onda e distncia entre o receptor e transmissor para

que, atravs de um clculo direto, seja obtida uma boa aproximao para potncia do sinal no

receptor.

Em contrapartida, medir a potncia de fontes de rudo no receptor a partir de modelos

matemticos, muitas vezes uma tarefa custosa. Usualmente, esta medio no feita de forma

isolada, visto que grande parte destas fontes desconhecida. Na prtica, para que sejam medidas

a potncia do sinal e a potncia do rudo em uma banda definida, utilizam-se instrumentos que

se baseiam no conceito da representao sinais no plano das frequncias. Um rudo, assim como

o sinal de um AP, pode ser representado por infinitas raias com diferentes amplitudes. Estas raias

que possuem diferentes pesos de importncia ou amplitudes so o conjunto de frequncias que

representam um sinal no domnio matemtico da frequncia. A esta distribuio de potncias d-

se o nome de DEP-Densidade Espectral de Potncia. Um equipamento capaz de medir a DEP em

um intervalo finito de frequncias chamado analisador de espectro. Com ele, possvel verificar

a presena destas fontes de rudo e tambm do sinal sob observao a partir de suas frequncias.

Para isto, importante um conhecimento prvio das caractersticas do sinal: sua forma, largura

de banda utilizada e onde o seu sinal est alocado no espectro. Sabendo como deve se comportar

o seu sinal no espectro, qualquer atividade espectral que divergir destas definies podero ser

indcios de uma fonte de rudo.

A fim de qualificar e quantificar estas caractersticas, nos prximos subtpicos define-se como o

espectro no licenciado foi dividido no padro 802.11 e quais os mecanismos de modulao

utilizados.

9

2.4 Diviso do Espectro no Licenciado 802.11

Objetivando simplificar a utilizao de RF- Rdio frequncia por aplicaes especficas com

baixas potncias, criou-se uma forma de uso no-licenciado do espectro. Ou seja, equipamentos

de radiao restrita que em geral no causa interferncia em outros sistemas de RF dispensa a

autorizao para uso de radiofrequncia em bandas especficas. Incluem-se nessa modalidade as

aplicaes de microfone sem fio, sistemas de telefone sem fio, controles remotos de alarmes

veiculares, equipamentos para redes locais sem fio, entre outros.

Para o caso dos equipamentos que utilizam redes locais sem fio, a banda ISM (Instrumentation,

Scientific and Medical), compreendida entre os segmentos espectrais de 2.400 MHz a 2.483,5 MHz

ou 5.725 MHz a 5.850 MHz foram s bandas especificadas para realizao das transmisses.

Figura 2.4.1: Diviso do espectro no licenciado 2,4GHz no padro 802.11 (RODRIGUES, 2006)

Dentro destas bandas foram definidos pelo padro 802.11 diversos canais (sub-bandas) onde em

cada um possvel confinar o sinal de RF que carrega a informao (dados) trocados entre um

AP e um STA. Conforme a Figura 2.4.1 (RODRIGUES, 2006), estes canais sempre ficam

superpostos dentro da banda ISM. No caso da banda 2,4GHz, tem-se 83.5MHz disponveis para

a utilizao, onde cada canal deve possuir 22MHz. A frequncia central do primeiro canal

2.412GHz. Sendo assim, existem 13 canais superpostos, e trs canais no superpostos (Canal 1,6

e 11).

10

2.5 Formatao de Pulso e Introduo as Tcnicas de

Modulao

A transmisso utilizada pelo padro 802.11 exclusivamente digital. O AP recebe uma sequncia

de bits 0 ou 1 (onde podem ser pulsos quadrados com tenses 0V e +V), envia para um

modulador e depois para um transmissor que propaga a informao pelo ar. Para entendermos

como esta transmisso realizada, inicialmente utilizaremos alguns conceitos da teoria de anlise

de sinais.

No estudo dos sinais, para representar sinais variantes no tempo em outro domnio matemtico

conhecido como domnio da frequncia, usualmente utiliza-se um operador especial conhecido

como Transformadas de Fourier (Lathi, 2007). Aplicando-se este operador a uma funo g(t)

constituda por um pulso retangular, ou seja, um bit, obtm-se na frequncia uma funo SINC

de banda infinita conforme a Figura 2.5.1.

Figura 2.5.1: Transformada de Fourier do pulso quadrado (Portes de Albuquerque & Albuquerque, 2004)

11

Sendo assim, a DEP deste sinal corresponderia a:

() = |{()}|2 = 222() ( 2.1 )

Em que F{g(t)} a Transformada de Fourier de g(t) e |F{g(t)}|2 a DEP do pulso g(t),

representada por S(f).

importante observar que, no mundo real, todo canal tem banda finita e com isso, este pulso,

consequentemente, ficaria limitado em banda. Isto no tempo corresponde a um espalhamento do

pulso (alargamento), que a principal causa da IIS- Interferncia Inter-Simblica (Coimbra &

Maria Lopes Passeri de Almeida, 1991). No entanto, mesmo limitada pelo canal, esta banda

muito grande para ser trafegada no espao e certamente interfere em outros sinais.

O que feito na prtica a formatao do pulso por meio do filtro cosseno levantado. Este filtro,

alm de limitar o pulso em uma banda praticvel dentro do espectro disponvel, por conta de

algumas propriedades especiais, tambm elimina a IIS entre os smbolos. (Coimbra & Maria

Lopes Passeri de Almeida, 1991).

Esta filtragem no distorce o sinal de forma agressiva, pois levando em conta que a energia do

sinal est praticamente toda concentrada nas baixas frequncias conforme a Figura 2.5.1, as

outras frequncias que so eliminadas so aquelas que pouco contribuem na caracterizao do

sinal.

Um valor importante na caracterizao de um pulso formatado a banda que ele ocupada. Para

um pulso retangular, a banda ocupada igual a R= 1/T em pulsos RZ - retorna a zero (j que no

foi considerada a frao negativa do espectro), onde T o tempo de durao do pulso e R a

taxa de pulsos. Ou seja, a banda ocupada por um pulso retangular formatado em Banda Base

igual a:

= [] ( 2.2 )

Apesar da DEP de um pulso retangular seguir a forma de uma Sinc, em um primeiro momento

no se pode afirmar que isso vale para o sinal que chega ao modulador, visto que por conta do

mapeamento em nveis realizado pelo codificados do sistema de modulao, este sinal consiste

de um trem de pulsos g(t) com duas ou mais amplitudes que alternam de forma aleatria a cada

instante.

12

Para encontrar a DEP de um trem de pulsos aleatrios, necessrio utilizar alguns conceitos do

estudo de processos estocsticos, no qual possvel determinar que a densidade espectral de

potncia de um sinal aleatrio igual Transformada de Fourier da funo de auto-correlao

do sinal (Leon-Garcia, 2008). O que se conclui que a DEP para uma sequncia binria aleatria

com pulsos () equiprovveis equivalente a DEP de um pulso de durao T como em (2.1)

(Guimares D. , 2009). Sendo assim:

() =|{()}|2

( 2.3 )

De posse desta informao, agora s resta transladar os sinais em banda base para suas

respectivas posies no espectro. Um mtodo simples de se fazer isto consiste em compor o sinal

em BP- Banda passante a partir do sinal em banda base, conforme (Guimares & Souza, 2012).

Como ser visto a mais a frente, um sinal digital em banda passante pode ser expresso por meio

da Equao (2.4), em que as funes seno e cosseno so bases ortonormais, e () e ()

constituem a componente de fase e quadratura respectivamente que so sinais em banda base

que dependem linearmente do sinal modulante (Guimares & Souza, 2012).

() = () (2) + () (2) ( 2.4 )

Seja () a DEP de () e () a DEP de () , pelo o que foi exposto, pode-se

afirmar que () (a DEP do sinal s(t) em banda passante) proporcional a soma destas duas

parcelas do sinal em banda base conforme a Equao (2.5):

() =1

4[( ) + ( + )] ( 2.5 )

Utilizando o resultado de (2.3) em (2.5), pode-se determinar a DEP do sinal digital modulado.

Quantitativamente, o valor da banda de um sinal digital modulado segue o raciocnio da Equao

(2.2). No entanto, como o sinal foi deslocado no espectro, agora, se considera todo o lbulo

principal do sinal, ou seja:

= 2 [] ( 2.6 )

Alm da DEP, outra representao muito til para uma completa compreenso dos sinais em

banda passante a representao geomtrica dos sinais no plano euclidiano. Um rigor terico

seria exigido para demonstrar esta representao, porm, com o intuito de prover os conceitos

necessrios para o entendimento deste trabalho, alguns pontos sero discutidos de forma mais

direta, sem uma deduo prvia.

13

Antes de tudo importante relembrar a Equao (2.4).

() = () cos(2) + ()sen (2)

Nesta equao nota-se que no sinal s(t) a, a componente de fase e quadratura multiplicada pela

funo seno e cosseno respectivamente. Pela teoria dos sinais, pode-se afirmar que um sinal pode

ser representado geometricamente desde que ele seja formado por uma base ortonormal como na

lgebra linear (Strang, 2009). Partindo do princpio de que as funes seno e cosseno so

ortogonais, pois a integral do produto delas se anula em um determinado intervalo, que no caso

da famlia de funes trigonomtricas est compreendido entre o valor 0 e 2, possvel obter

uma base ortonormal com estas funes apenas com a simples normalizao de cada uma delas

pelo valor . Com esta adequao, a integral do o produto destas funes no intervalo de 0

2 igual a um, condio imposta s funes ortonormais.

A Equao (2.4) pode ser remontada da seguinte forma:

() = ()1() + ()2() ( 2.7 )

Onde so os coeficiente das bases ortonormais 1 2 respectivamente. Se assumem qualquer valor, os pares coordenados sero capazes de representar

geometricamente qualquer sinal-vetor no espao euclidiano de eixos 1 2.

Figura 2.5.2: representao de sinais no espao euclidiano

Com o intuito de obter uma representao visualmente mais limpa, os vetores so indicados

apenas por pontos. Este tipo de representao tambm conhecido por constelao de sinais ou

apenas constelao.

14

Dessa forma, uma modulao do tipo QPSK ou BPSK pode ser facilmente representada no

espao euclidiano de sinais. Os coeficientes das bases ortonormais seno-cossenoidais da Equao

(2.7), na verdade, so nveis de tenso que so mapeados pelo modulador para um dado conjunto

de bits, de forma que a fase dos smbolos varie, mas amplitude se mantenha constante. O nmero

de pontos ou smbolos possveis em uma modulao so sempre uma potncia de dois, pois se

trata da codificao de bits. Sendo assim, para representar uma modulao BPSK que possui dois

smbolos, seriam necessrios apenas dois nveis em um nico eixo. Em contra partida, para

representar uma constelao QPSK com quatro smbolos precisa-se de dois nveis de tenso em

cada eixo. A Figura 2.5.3 ilustra estas duas constelaes.

Figura 2.5.3: Constelao de modulao BPSK e QPSK.

No exemplo da modulao QPSK, o nmero de bits necessrios para representar os quatro

estados possveis igual a 2 , sendo assim o modulador poderia realizar um mapeamento seguindo a

Tabela 2.1:Mapeamento de dibits x estados mapeados pelo modulador QPSK.

Estado Dibit

11 00

11 01

11 10

11 11

15

Na Tabela (2.1), cada smbolo QPSK carrega dois bits de informao, sendo assim, a durao de

um smbolo QPSK ser o dobro da durao de um bit de entrada, ou seja, tem-se uma taxa de

smbolos igual a metade da taxa de bits de entrada. Esta uma das principais caractersticas da

modulao tipo M-PSK, pois possvel confinar elevadas taxas de transmisso em bandas

reduzidas.

Da Equao (2.6), a banda de um sinal em banda passante igual a 2R, significando que, ao

entrar com um taxa R1 em um modulador QPSK, obtm-se na sada uma taxa de smbolos R1/2

para ser transmitida. Logo, a banda ocupada ser igual a:

= 2 1

2= 1 ( 2.8 )

Este clculo pode ser generalizado para uma modulao M-PSK onde:

= 2

2 = 2 ( 2.9 )

Outro parmetro importante na representao de sinais no espao euclidiano a energia

relacionada a um vetor-sinal que pode ser obtida por meio da Equao (2.10) (Guimares D. ,

2009).

= ()2

0 ( 2.10 )

O comprimento de um vetor-sinal igual a e representa a potncia agregada ao smbolo de

uma dada modulao.

2.6 Tcnicas de Modulao nos Padres 802.11

Na famlia de padres 802.11, foram utilizadas vrias modulaes ao longo da evoluo das

geraes, onde estas foram sendo substitudas com o objetivo de se alcanar maior robustez

contra o rudo e maiores taxas dentro do espectro disponvel.

Originalmente o padro 802.11 possua trs abordagens diferentes sobre as tcnicas de

modulao:

16

Modulao GFSK- Modulao Gaussiana por Deslocamento de Frequncia (Gaussian

Frequency Shift Keying), com tcnicas de espalhamento FHSS - Espalhamento Espectral

por Salto de Frequncia (Frequency Hopping Spread Sprectum).

Modulaes DQPSK- Modulao binria e diferencial por deslocamento de fase

(Differential Quaternary Phase-Shift Keying) ou DBPSK - Modulao quaternria e

diferencial por deslocamento de fase (Differential Binary Phase Shift Keying) com tcnicas

de espalhamento DSSS - Espalhamento Espectral por Sequncia Direta (Direct Sequence

Spread Sprectum).

Uso de feixes infravermelho para o trfego de dados

As trs tcnicas operavam na banda de 2,4Ghz e suportavam taxas de transmisso de

1Mbps e 2Mbps, que constituam as taxas standard na especificao original.

A tcnica de infravermelho no foi muito difundida, e atualmente seu uso muito restrito. Como

ela foge ao escopo deste trabalho, no ser abordada.

Modulao GFSK

A modulao GFSK com tcnica de espalhamento FHSS consiste na utilizao de saltos

pseudoaleatrios nas frequncias utilizadas na modulao FSK. Ao invs de se utilizar duas

frequncias pr-definidas para transmitir o bits 0 ou 1, as frequncia utilizadas so variadas de

acordo com uma sequncia pseudoaleatria gerada por um cdigo PN- pseudo- rudo (Pseudo-

Noise). Com isso, o sinal adquire uma melhor imunidade a rudos. A modulao 2-GFSK

utilizada para taxas de 1Mbps enquanto que 4GFSK utilizada para taxa de 2Mbps em um canal

de 1MHz, totalizando 75 sub-canais na banda de 2,4GHz. O GFSK similar ao FSK, porem

utiliza pulsos gaussianos ao invs de senoidais.

Por ser menos eficiente que as tcnicas que o sucederam, o uso do FHSS foi praticamente

descontinuado, e no ser abordado em detalhes neste trabalho.

Modulao DBPSK e DQPSK com espalhamento DSSS

As modulaes DBPSK e DQPSK so tcnicas de modulao que utilizam a fase das portadoras

para transmitir a informao. Nas primeiras geraes do padro 802.11, alm da modulao

17

DBPSK ou DQPSK, o sinal a ser transmitido era submetido a um tipo de espalhamento espectral

conhecido por DSSS. Esta tcnica realiza um espalhamento da energia do sinal (DEP) em uma

banda mais extensa como na Figura 2.6.1. Isto obtido a partir da utilizao de uma sequncia

aleatria de bits com uma taxa muito superior taxa do sinal de entrada. A sequncia utilizada

no padro original 802.11 chamada Backer, onde esta constituda por 11-chips (bits pseudo-

aleatrio) de comprimento. Assim como no FHSS, o espalhamento faz com que o sinal

transmitido seja mais robusto a interferncias, pois ele possui uma baixa correlao com o rudo.

Em uma interpretao mais simplista, pode-se dizer que as componentes de frequncia que

compem o rudo so iguais a uma pequena parcela das frequncias que compem o sinal

espalhado. Nesta tcnica, para cada smbolo de informao temos 11 chips de redundncia de

forma que ao entrar com uma taxa de 1MSps no espalhador obteremos na sada uma taxa de 11

MSps. Por conta disto, utiliza-se o modulador BPSK para taxas de 1Mbps e QPSK para taxas de

2 Mbps com a finalidade de manter o sinal dentro da banda de 22MHz especificada pelo padro

802.11. Por fim, as modulaes DBPSK e DQPSK ainda fazem uso da tcnica de diferenciao,

que faz com que os feixes de dados sejam codificados em funo da mudana de fase da portadora

e no em relao fase absoluta da mesma. Este processo torna o sinal imune ambiguidade de

fase muito comum em receptores com recuperao de portadora suprimida.

Figura 2.6.1: Tcnica de espalhamento por sequencia direta

18

Padro 802.11b e o espalhamento CCK

Objetivando otimizar a utilizao do espectro, obtendo taxas ainda mais elevadas, o padro

802.11 evoluiu para uma nova gerao chamada 802.11b.

Como foi visto, o padro 802.11 DSSS utilizava uma sequncia de 11 chips para realizar o

espalhamento espectral. Com isto, para cada smbolo de informao obtm-se 11 chips de

redundncia. A nova gerao 802.11b buscou se manter dentro do padro original de

22MHz/canal, porm utilizando o espectro de forma mais eficiente. No padro original, as taxas

de bits por sequncia eram de 1 bit/sequncia ou 2 bits/ sequncia. Neste novo padro, as taxas

foram elevadas para 4 bits/ sequncia ou 8 bits/ sequncia. Isto foi possvel a partir da utilizao

de outra sequncia de espalhamento conhecida como CCK- chaveamento de cdigo

complementar (Complementary Code keying).

A ideia do CCK realizar o espalhamento por meio de sequncias complexas ortogonais. Para

isto, foi utilizado um cdigo de espalhamento composto por 8 chips complexos, onde neste

cdigo, estes os 8 chips carregam a informao de 4 bits ou 8 bits. Os smbolos CCK so enviados

a uma taxa de 11Mchips/s para ocupar uma banda de 22MHz. Onde a cada 4Mbits ou 8Mbits de

informao so enviados a cada 8 Mchips. Sendo assim, cada 11Mchips/s recebe 1,375MHz*

4bits que i igual a 5,5Mbps ou 1,375MHz* 8bits igual a 11Mbps que so as taxas de entrada

suportadas neste padro.

A tcnica CCK calcula o cdigo de espalhamento em duas etapas: primeiramente, os oito bits

so agrupados em pares, ou seja, so criados quatro dibits para calcular quatro ngulos ou fases

, , e . O segundo, terceiro e quarto dibit so utilizados para calcular , , a

partir de um mapeamento seguindo a Tabela 2.2 O ngulo calculado seguindo a Equao

(2.11), onde utilizamos o valor de do smbolo anterior somado a um ngulo de deslocamento

para o dibit atual que tambm segue a Tabela 2.2 e por fim soma-se 180 se o smbolo corrente

um valor decimal impar ou soma-se 0 se ele par.

1() = 1( 1) + (1) + (, 2) ( 2.11 )

19

Tabela 2.2: Mapeamento de dibits para ngulos da modulao CCK

Tabela 2.3: Mapeamento de ngulos dentro dos chips complexos

A segunda etapa consiste em utilizar s quatro fases para calcular os 8 chips complexos que

seguem a Tabela 2.3. Feito isto, estes chips poderiam ser modulados por um modulador QPSK e

depois transmitidos dentro do canal do AP. O diferencial desta tcnica para a DSSS que os

chips, alm de espalhar o sinal, tambm transportam informao em sua fase.

A verso 5,5Mbps CCK calculada de forma anloga a verso 11Mbps CCK , exceto pelo fato

de usar 4 chips para calcular as quatro fases , , e . A primeira fase segue o mesmo

procedimento da verso 11Mbps CCK utilizando a Equao (2.11). No entanto, o clculo de

, , deve seguir as equaes 2.12, 2.13 e 2.14

2 = (3 ) + /2 ( 2.12 )

3 = 0 ( 2.13 )

4 = (4 ) ( 2.14 )

20

Na prtica, a codificao utilizado a codificao DQPSK e, com isso, o processo acima

realizado de uma maneira um pouco diferente, mas segue o mesmo princpio.

Primeiramente, as formulas da Tabela 2.3 devem ser modificas, onde eliminado, de forma

que cada chip seja funo apenas de , , , onde o oitavo chip ser igual a . O smbolo

que ser espalhado gerado por um codificador DQPSK, onde este obtido a partir da diferena

de fase entre do smbolo atual e do smbolo anterior mais 180 se o smbolo atual mpar

ou 0 se ele par, seguindo a mesma ideia da Equao (2.11). O processo pode ser melhor

ilustrado no diagrama encontrando na Figura 2.6.2 conforme (Henty, 2001).

Figura 2.6.2: Diagrama em blocos do espalhamento CCK

Padro 802.11b e a tcnica PBCC

Alm da tcnica de espalhamento CCK, o padro 802.11b tambm pode ser utilizado com uma

outra tcnica chamada PBCC- codificao convolucional de pacotes binrios (Packet Binary

Convolutional Coding) para alcanar os 5,5Mbps ou 11Mbps de taxa de dados. Neste tipo de

tcnica, os bits de entrada so codificados por um cdigo convolucional com de proporo , ou

seja, a cada um bit de entrada, so gerados 2 bits de sada.

Este cdigo mapeado por uma constelao QPSK caso a taxa de dados de entrada seja 11Mbps

ou em BPSK se a taxa 5,5Mbps. A grande diferena desta tcnica que nela no existe um

espalhamento propriamente dito. Na verdade, um cdigo randmico utilizado para rotacionar

a constelao do modulador e no para espalhar o sinal, ou seja, os bits so codificadas pelo

modulador diretamente na taxa desejada. Este cdigo randmico composto por 16 sequncias

de 16 bits, de forma que a cada instante, num ciclo de 16 possibilidades, um smbolo ser

21

mapeado por uma constelao diferente (Henty, 2001). desta forma que o sinal adquire um

nvel de descorrelao suficiente para no ser to distorcido pelo rudo. Na Figura 2.6.3 podemos

ver o diagrama em blocos da aplicao da tcnica PBCC.

Figura 2.6.3: Diagrama em blocos da tcnica PBCC

Na Figura 2.6.4, esto estruturadas as geraes 802.11 at o padro 802.11b.

Figura 2.6.4: Estruturao das tcnicas de modulao no padro IEE 802.11 at gerao 802.11b

Padro 802.11a e a modulao OFDM

Outro padro importante, que apesar de no ter se expandido de forma mais expressiva por conta

dos custos, foi o 802.11a. Mesmo que a nomenclatura induza a isto, o padro 802.11a no surgiu

antes do padro 802.11b, de forma que a abordagem utilizada nesta gerao bem diferente das

dos seus antecessores. Assim como os mecanismos utilizado no padro 802.11b, as tcnica de

modulao utilizada no 802.11a so parte das geraes mais recentes do padres 802.11.

22

Uma das diferenas neste padro a faixa de frequncia utilizada, de 5GHz ao invs da faixa de

2,4GHz. Isto trouxe grandes vantagem, como por exemplo, uma baixa suscetibilidade a

distores causadas por interferncia, visto que poucos dispositivos trabalham nesta faixa de

frequncia. Outra grande diferena, neste padro, foi a utilizao do sistema de modulao

OFDM- Multiplexao por Diviso de Frequncia Ortogonal (Orthogonal frequency-division

multiplexing). Neste tipo de modulao, ao invs de se utilizar uma nica portadora para cada

sinal, so utilizadas vrias sub-portadoras, onde cada uma destas so moduladas em M-PSK ou

M-QAM. Neste padro, tambm foi utilizado um cdigo corretor de erro convolucional chamado

FEC- fator de correo de erros (Forward Error Correction). Este cdigo eleva as taxas de entrada

em uma relao de 1/2, 2/3 ou 3/4. Em sua configurao mxima, o 802.11a pode chegar a

54Mbps (IEEE , 2012) .

Tabela 2.4: Configuraes do padro 802.11

Em sistemas com mltiplas portadoras, os feixes seriais so convertidos em feixes paralelos e

multiplexados por meio de diferentes portadoras. Apesar do sinal OFDM como um todo possuir

altas taxas, dentro de cada sub-portadora as taxas de transmisso so baixas. Isto acontece pois

smbolos de entrada com uma curta durao Ts so convertidos em smbolos paralelizados de

durao T=NcT, onde Nc o nmero de sub-portadoras do smbolo OFDM. Este processo, alm

de permitir que o desvanecimento dentro de cada sub-portadora seja praticamente constante para

todas as componentes espectrais, ele tambm diminui bruscamente a IIS, pois formatos de pulsos

mais longos so menos suscetveis a IIS. A Figura 2.6.5 mostra forma simplificada o processo

de multiplexao OFDM.

23

Figura 2.6.5: Diagrama de multiplexao OFDM de forma direta (Guimares & Souza, 2012)

Matematicamente, a forma de onda de um conjunto de Nc smbolos podem ser representados

pelas componentes reais e complexas como na Equao (2.15), onde K=1,2,3.....,Nc:

() = () + () ( 2.15 )

Estes smbolos so multiplicados pelas exponenciais complexas e posteriormente

somados para gerar o sinal OFDM em banda base. Na prtica, estas exponenciais so obtidas

pela multiplicao das componentes em fase por uma portadora cossenoidal e a componente em

quadratura por uma portadora senoidal. Uma translao para banda passante pode ser feita

multiplicando o sinal OFDM por uma outra exponencial complexa , onde fc a frequncia

central do sinal OFDM.

Sendo assim, o sinal OFDM em banda base poderia ser obtido pela seguinte equao:

() = 21

=0 = 1=0 , 0 < ( 2.16 )

Em que,

() = {2, 0 <

0, ( 2.17 )

Para que no haja interferncia entre os sinais multiplexados, estes sinais devem ser ortogonais

entre si no intervalo do smbolo OFDM. Isto alcanado a partir do momento que o espaamento

entre as portadoras seja igual 1/T ou mltiplo inteiros de um 1/T, lembrando que T o intervalo

de durao de um smbolo OFDM.

Em sistemas reais, processos como o da figura 2.13 tornam-se proibitivos, pois demandariam

mltiplos osciladores com uma alta preciso. Na prtica, esta configurao de ortogonalidade

24

facilmente alcanada, utilizando-se uma IFFT - Transformada Rpida de Fourier Inversa (Invertse

Fast Fourier Transform) para multiplexao e FFT - Transformada Rpida de Fourier (Fast Fourier

Transform) para demultiplexao. A Figura 2.6.6 demonstra um transmissor OFDM utilizado

IFFT.

Figura 2.6.6: Modulao OFDM via IFFT (Guimares & Souza, 2012)

Os bits com altas taxas so mapeados em smbolos complexos de acordo com a modulao que

cada sub portadora ir utilizar. Estes Nc smbolos so paralelizados com uma durao T e

posteriormente so amostrados pelo operador IFFT. Por fim, estas amostras so serializadas e

um intervalo de guarda Tg introduzido ao final desta stream. Este intervalo introduz uma folga

entre os smbolos OFDM, reforando ainda mais a robustez do sinal contra a IIS. Para ser

transmitida, esta stream convertida para um sinal analgico e deslocada para a frequncia

desejada.

A demonstrao de como a IFFT est diretamente relacionada com a Equao (2.15) e envolve

procedimentos simples, mas que fogem ao escopo deste trabalho. A DEP de um sinal OFDM

tambm pode ser obtida a partir de (2.15). Ela corresponde modulao de portadoras ortogonais

por pulsos retangulares de durao T. A DEP de uma nica sub-portadora modulada centrada na

frequncia f0 dada por (Guimares D. , 2009)

() = {||2}2[( 0)] ( 2.18 )

Onde {||} a potncia mdia da sequncia de smbolos .

Como o espaamento entre as sub-portadoras igual a 1/T, a DEP de um sinal OFDM dado

por:

() = {||2} 2[( 0 /)]

1=0 ( 2.19 )

Sendo assim, a DEP de um sinal OFDM pode ser representada pela sequncia de Sincs espaadas

por valores mltiplos de 1/T, como mostrada na Figura 2.6.7.

25

Figura 2.6.7: DEP sinal OFDM (Guimares & Souza, 2012)

Deste ponto em diante possvel entender como os valores da Tabela 2.4 foram encontrados.

Como exemplo, ser calculada a taxa de entrada de 6Mbps a partir dos parmetros definidos na

Tabela 2.4. O nmero total de subportadores em um smbolo OFDM no padro 802.11a so 64,

porm, somente 52 so utilizadas. Destas 52, 4 so subportadoras para pilotos restando apenas

48 subportaddoras para o trfego efetivo de dados. Assim como no padro 802.11b, o espectro

de 5GHz tambm foi dividido em canais, porm no caso do 802.1a os canais devem possuir

20MHz. Sendo assim, j que todas as subportadora possuem o mesmo tamanho de banda e

considerando que valor de espaamento entre as subportadoras igual ao tamanho da banda (para

no ocorra superposio), o comprimento da banda de cada subportadora igual a 20MHz/64=

312,5KHz. Sabendo que o tempo de um smbolo OFDM igual a 1/(espaamento entre as

subportadoras) ento:

=1

312,5= 3,2 ( 2.20 )

Introduzindo um intervalo de guarda igual , (IEEE , 2012), chega-se a um valor total de

durao de smbolo igual .

Portanto, a taxa de smbolo OFDM com intervalo de guarda igual a:

=1

4= 250 ( 2.21 )

Onde se l o nmero de Smbolos OFDM por segundo.

Para calcular o nmero de bits por smbolo, ou seja, quantos bits um nico smbolo OFDM

capaz de carregar, primeiramente, observa-se qual tipo de modulao em cada subportadora. No

exemplo proposto, foi usada uma modulao BPSK que, como j foi demonstrado, pode carregar

1bit/smbolo. Logo:

Bit/SmboloOFDM= (N de subportadoras de dados) * (Bit/Subportadoras) ( 2.22 )

26

Ento:

Bit/SmboloOFDM = 48 *1 =48 bits

Note que o nmero de bits que cada smbolo recebe sempre equivalente ao tipo de modulao

usada em cada subportadora, de forma que em cada intervalo de smbolo OFDM sempre haja 48

smbolos da modulao utilizada.

Por conta da codificao FEC, os dados de informao que efetivamente so transmitidos seguem

a proporo da coluna Taxa de codificao (coding Rate), ou seja, a taxa de entrada suportada

para o exemplo em questo ser de 24 bits de informao (48 bits multiplicado por um bit rate

igual a ). Logo:

R= 250k*24= 6Mbps como era esperado.

importante notar que, neste exemplo, cada subportadora carrega 0,5 bit de informao e 0,5 de

redundncia FEC.

Padro 802.11g

O padro 802.11g foi criado com o objetivo de agregar em uma s tecnologia um alto

desempenho e a compatibilidade com o padro 802.11b.

Nesta configurao, clientes que possuem dispositivos Wireless 802.11b so capazes de ingressar

em uma rede 802.11g com taxas de 5,5Mbps ou 11Mbps. Em contrapartida, clientes com

dispositivos 802.11g so capazes de alcanar as mesmas taxas alcanadas pelo padro 802.11a,

pois a modulao operante deste padro o OFDM, porm adaptado para operar na banda de

2,4GHz.

Sendo assim, todos os conceitos apresentados para as geraes anteriores so validos neste novo

padro, de forma que, quando um STA portando a tecnologia 802.11b ingressa em uma rede

802.11g, a modulao utilizada ser a CCK com taxas de 5,5Mbps ou 11Mbps, como j foi

demonstrado. Se um dispositivo com tecnologia 802.11g encontra um rede 802.11g, a tcnica

operante a OFDM e as taxas podem alcanar 54Mbps.

Alm disso, ambos os padres podem compartilhar um mesmo canal a partir de um AP 802.11g,

porm sobre a pena de uma reduo no desempenho da rede. Isto ocorre, pois para que ambas as

tecnologias convivam em um mesmo canal de forma coordenada, foi desenvolvido um

mecanismo de proteo nos APs que demandam certa quantidade de recursos da rede (Broadcom

27

, 2003). Isto necessrio, pois um rdio 802.11b incapaz de perceber se o canal est sendo

usado por um transmissor OFDM. O mecanismo de proteo impede que clientes 802.11b

transmitam indevidamente caso o canal esteja sendo usado por um STA 802.11g. Os dispositivos

802.11g continuam transmitindo nas mesmas taxas, porm quando existem dispositivos de

diferentes padres na mesma rede, o AP transmite pequenas mensagens 802.11b para os STAs

802.11b pedindo para estes clientes aguardarem por um certo perodo, pois existe um cliente

802.11g usando o canal. Estas mensagens acabam gerando um trafego de sinalizao, que reduz

o desempenho de dados. Dependendo do mecanismo utilizado, as taxas 802.11g podem ficar

truncadas em valor prximos de 15Mbps (Broadcom , 2003). Apesar desta sensvel queda, as

taxas ainda assim permanecem acima da sua predecessora 802.11b.

Padro 802.11n e 802.11ac

A evoluo do padro segue buscando maiores taxas de operao. Hoje, possvel encontrar

dispositivos capazes de alcanar 600Mbps utilizando o padro 802.11n, que se baseia na tcnica

MIMO - mltiplas entradas e mltiplas sadas (Multiple-input and multiple-output) a partir de duas

ou mais antenas separadas no espao ou at mesmo elevadas taxas de 1,3Gbps utilizando o mais

recente padro homologado pela Wi-Fi Aliance: o 802.11ac .

O padro 802.11n pode operar com canais de 20MHz ou 40MHz nas bandas de 2,4GHz ou 5GHz.

Porm neste padro, para se alcanar taxas superiores aos padres anteriores, mandatria a

utilizao de duas ou mais antenas na banda de 5GHz. Quando utilizamos um AP 802.11n em

sua configurao bsica (uma antena na banda de 2,4GHz), as tcnicas utilizadas so as mesmas

apresentadas no padro 802.11g, onde ocorre um pequeno aumento de 8Mbps nas taxa de dados

por conta do nmero de subportadoras utilizadas neste padro, que passam de 48 para 52

subportadoras para o trfego efetivo de dados.

Quanto ao padro 802.11ac, por ainda ser muito recente, sua utilizao muito restrita.

Como neste trabalho no sero utilizados equipamentos com mais de uma antena, e no sero

monitorados dispositivos operando na banda de 5GHz, estes dois padres no sero abordados

com mais detalhes.

At aqui, foram abordados todos os padres espectrais de modulao especificados para as

tecnologias correntes da famlia de padres 802.11. O prximo subtpico faz uma breve

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abordagem na camada de enlace do padro 802.11 para entender como mltiplos usurios podem

compartilhar um mesmo canal em um nico AP.

2.7 Protocolo CSMA-CA

A transmisso Wireless pode ser definida como uma transmisso ponto a ponto, onde a cada

instante existe um transmissor e um receptor se comunicando dentro de um canal, ou seja, se

mais de uma transmisso ocorrer ao mesmo tempo, elas iro se interferir dentro deste canal.

Sendo assim, foi necessrio o desenvolvimento de um mecanismo que gerenciasse a utilizao

do canal pelos seus diversos usurios a fim de minimizar a ocorrncia de colises.

Nas redes de computadores, o trfego dito em rajada. Assim, uma estao gera trfego durante

pouco tempo, mas quando o faz, necessita de muitos recursos de rede. Devido a esta

caracterstica, um mtodo de alocao fixa como o TDMA- Acesso Mltiplo por Diviso de

Tempo (Time Division Multiple Acces) no seria uma boa soluo. Uma soluo seria utilizar uma

alocao dinmica do canal por meio de acesso aleatrio. No entanto, neste tipo de abordagem,

existe a possibilidade de ocorrncia de colises, que ocorre quando duas estaes tentam

transmitir ao mesmo tempo. Como normalmente as redes Wireless so redes de curta distncia,

comparado ao tempo de transmisso de um pacote, possvel que uma estao sinta o meio antes

de transmitir, evitando assim uma coliso. O protocolo que atende a estes requisitos chamado

CSMA-CA- Acesso Mltiplo com Verificao de Portadora e com Preveno de Coliso (Carrier

Sense Multiple Access with Collision Avoidance). Ele dito com deteco de portadora, pois, antes

de uma transmisso, os dispositivos da rede procuram saber se o canal est sendo utilizado e s

transmite se ele estiver livre, diferente do protocolo utilizado em redes cabeadas CSMA/CD -

Acesso Mltiplo com Deteco de Portadora com Deteco de Coliso (Carrier Sense Multiple

Access with Collision Detectio), que capaz de detectar uma coliso durante a transmisso. O

CSMA-CA capaz apenas de evitar uma coliso com uma certa probabilidade, pois em redes

sem fio seria muito oneroso fazer com que as estaes tenham a capacidade de transmitir e escutar

o canal simultaneamente. E mesmo que isso fosse implementado, o meio de transmisso deste

tipo de rede guarda caractersticas peculiares que dificulta que uma STA perceba uma

transmisso realizada por uma outra STA como ser visto no exemplo a seguir.

Suponha duas STAs desejem transmitir para um AP ao mesmo tempo. Devido a obstculos

fsicos, possvel que as ondas eletromagnticas sejam bloqueadas em uma direo, evitando

que as STAs se percebam. Alm disso, o desvanecimento em RF pode fazer com que uma

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mquina esteja fora do alcance da outra como ilustrando na Figura 2.7.1 e na Figura 2.7.2. Este

problema conhecido como terminal escondido.

Figura 2.7.1: Terminal escondido por obstculo

Figura 2.7.2: Terminal escondido por desvanecimento

Para resolver estas questes, o padro 802.11 especificou mecanismos de camada de controle de

acesso ao meio (MAC) , onde a pea fundamental nesta camada chamado de DCF- funo de

coordenao distribuda (Distributed Coordination Function) (Hargreaves, 2003). O DCF baseado

em um esquema de acesso aleatrio usando deteco de portadoras. Neste tipo de mecanismo,

sempre que uma STA precisa transmitir, ela antes monitora a atividade do canal. Caso ele esteja

ocioso por um perodo maior que o intervalo DIFS- Espaamento Interquadros Distribudo

(Distributed Interframe Space), a estao transmite o quadro, caso contrrio, ela monitora o canal

at que este esteja ocioso por um perodo DIFS e ento inicia um contador de durao aleatria

(backoff) antes de transmitir para minimizar a probabilidade de coliso.

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Como uma estao no pode transmitir e escutar ao mesmo tempo, para saber se uma coliso

ocorreu, um ACK confirmao de recebimento (Acknowledgement) transmitido pela estao

receptora logo aps um perodo SIFS Espaamento Curto Interquadros (Short Interframe Space)

sempre que um pacote recebido sem erros. Se aps um perodo de timeout ACK, no ocorrer

nenhuma confirmao, a estao transmissora sabe que ocorreu uma coliso e uma retransmisso

do pacote agendada.

Uma outra forma de operao na camada de controle chamada modo de reserva. Neste modo,

se o transmissor sentir que o canal est ocioso por um tempo igual a DIFS seguindo as regras de

backoff descritas anteriormente, aos invs de transmitir seus dados teis, ele envia um quadro de

reserva RTS- Solicitao de Envio (Reservation Request) contendo a durao do pacote de dados

que ser transmitido. Se a estao de destino receber corretamente, ela espera por um tempo SIFS

e envia um quadro chamado CTS Pronto para Envio (Clear-To-Send) sinalizando que a estao

origem pode enviar os dados, aps um perodo SIFS. Terminado este perodo a estao que

recebeu o CTS inicia a transmisso.

Tanto o RTS como o CTS carregam a informao sobre o tamanho do payload que ser

transmitido, sendo assim, como o canal conserva as caracterstica de difuso, todas as estaes

recebem estes quadros e podem utiliza-lo para saber por quanto tempo o canal ir permanecer

ocupado. Este controle feito por meio do NAV -vetor de alocao de rede (Network Allocation

Vector). Desta forma, as estaes que aguardam, no precisam ficar escutando o canal a todo

instante.

Pode-se observar que operao em modo de reserva otimiza o processo de alocao do canal,

pois se ocorrer uma coliso, o pacote perdido ser curto (ser apenas o pacote RTS). Alm disso,

ele resolve o problema de terminal escondido, pois mesmo que uma estao no receba o RTS

transmitido por uma estao escondida, certamente ela ir receber o CTS enviado pelo AP.

31

3 Fonte de Rudo na Banda 2,4GHz e Metodologia de Mitigao da Interferncia Co-Canal

O captulo 2 caracterizou de forma integral um sinal 802.11 dentro da banda no licenciada

2,4GHz. Sendo assim, utilizando-se um analisador de espectro torna-se fcil reconhecer este

sinal e saber qual o canal usado na comunicao.

Neste captulo, so apresentados alguns padres de rudo comuns na banda de 2,4GHz e quais

as metodologias de mitigao da interferncia co-canal mais usadas. Tambm apresentado

um breve histrico sobre o projeto SciFi e de como feito o gerenciamento dos APs, afim de

diminuir a interferncia co-canal de forma automatizada. Este capitulo importante, pois ser

demonstrado como o rudo tem influncia direta nas taxas de transmisso praticada entre um

transmissor e um receptor 802.11.

3.1 Fontes de Rudo na Banda 2.4GHz em Redes 802.11

Apesar das redes Wireless serem a utilizao mais conhecida para o espectro no licenciada

de 2,4GHz, uma diversidade dispositivos tambm compartilham esta banda. Tem-se como

exemplo a tecnologia Bluetooth, fornos micro-ondas, sensores de movimento, telefones sem

fio, dentre muitos outros.

A utilizao do espectro por parte destes dispositivos pode ser encarada pelas redes 802.11

como uma fonte de rudo, uma vez que eles sero captados pelo receptor e podem fazer com

que as informaes que esto sendo trocadas na rede sejam distorcidas e interpretadas de

forma incorreta. Nas Figura 3.1.1, Figura 3.1.2, Figura 3.1.3 e Figura 3.1.4, esto

exemplificados algumas fontes de rudo e como normalmente eles se distribuem no espectro.

a) Interferncia de Fornos micro-ondas.

Como podemos ver, um forno micro-ondas cria formas semelhante a montes, distorcendo a

curvatura dos sinais que se encontram entre o dcimo e o dcimo primeiro canal. Um

comportamento bem tpico deste tipo de interferncia possvel de ser observado quando se

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analisa a interferncia durante um intervalo de tempo, pois normalmente a presena destas

raias espectrais perduram de 1 a 5 minutos que tempo habitual de utilizao deste

dispositivo.

Figura 3.1.1: Interferncia de Forno micro-ondas (MetaGeek, 2013)

b) Sensores de movimento

Como pode ser visto na Figura 3.1.2, a assinatura de um sensor de movimento consiste em

um sinal de banda estreita, e marcado por um nico pico.

Figura 3.1.2: Interferncia de sensores de movimento (MetaGeek, 2013)

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c) Cmeras de segurana sem fio

Um caracterstica deste tipo de equipamento a presena de 3 picos sequenciais de grande

potncia no espectro. Este tipo de dispositivo utiliza o espectro continuamente.

Figura 3.1.3: Interferncia de cmera de segurana sem fio (MetaGeek, 2013)

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d) Dispositivos Bluetooth

O Bluetooth utiliza a banda de 2,4GHZ com saltos em vrias frequncias por conta da

modulao utilizada (FHSS). Este tipo de sinal, apesar de poluir toda a faixa do espectro,

dificilmente causa severa interferncias nos sinais Wireless.

Figura 3.1.4: Interferncia de dispositivo Bluetooth (MetaGeek, 2013)

3.2 Interferncia Co-Canal e Projetos de Plano de Canais

A ICC- Interferncia Co-Canal, sem sombra de dvidas, a maior causadora de perda de

desempenho em redes Wireless.

Como foi visto, um canal 802.11 foi projetado para receber apenas um transmissor e um

receptor por vez. O que ocorre que, muitas da vezes, dois APs so configurados para utilizar

um mesmo canal ou canais que se superpem no espectro, de forma que determinados pontos

na rea de cobertura do sinal destes APs se tornam uma regio de intensa disputa pelo canal,

onde APs constituem-se em uma fonte de interferncia mtua.

O plano de frequncias de 2,4GHz possui 13 canais, sendo que apenas trs no se superpem

no espectro: o canal 1,6 e 11. O objetivo ao se projetar um plano de canais consiste em

posicionar sistematicamente APs configurados para um destes trs canais de forma que

pontos de acesso adjacentes nunca trabalhem em um mesmo canal. Esta disposio pode ser

observada na Figura 3.2.1

35

Figura 3.2.1: Plano de canais 802.11b&g (Cisco B.2004)

evidente que APs que utilizam o mesmo canal, mesmo que distantes, acabam se

interferindo. No entanto, se o nvel do sinal interferente suficientemente baixo, ele pode ser

considerado um rudo de fundo tendo pouca influncia sobre o sinal interferido.

Normalmente, so definidas trs regies dentro da cobertura de um AP: Regio de associao

(Association Range), regio de disputa (Contention Range) e rudo de fundo (Noise Floor)

(Aerohive, 2012).

Figura 3.2.2: Regies de operao em um AP (Aerohive, 2012)

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Se entre dois APs trabalhando em um mesmo canal existir uma regio de interseo onde o

nvel do sinal de cobertura de ambos estiverem entre -67dBm -85dBm, isto significa que

existe uma regio de disputa e consequentemente haver ICC. Sendo assim, necessrio

encontrar a distncia certa ente os APs de forma que a regio de -85dBm de um AP no

tangencie a regio de -85dBm do outro, como est demonstrado na Figura 3.2.3.

Figura 3.2.3: Interferncia Co-Canal (Aerohive, 2012)

3.3 Projeto SciFi

Um exemplo interessante para o controle da ICC o projeto SciFi, desenvolvido na

Universidade Federal Fluminense. Neste projeto, utilizando APs de baixo custo e software

livre, foi possvel desenvolver um sistema de integrao entre os APs utilizados em uma rede,

de forma a automatizar o controle da ICC. Alm disso, ele realiza um balanceamento de carga

nestes APs, onde possvel que um AP absorva a carga de outro.

O controlador SciFi atua na configurao dos APs em duas frentes:

Um seletor de canais permite que um canal de operao seja escolhido em cada ponto de

acesso de forma que no ocorra a ICC.

A potncia de transmisso pode ser alterada em cada ponto de acesso, reduzindo o alcance

de um dado AP e impedindo a intercesso entre a cobertura de dois APs que operam em

um mesmo canal.

37

Este gerenciamento obtido a partir de um controle centralizado que possui uma viso

completa de toda rede. Na Figura 3.3.1 encontra-se a topologia proposta neste projeto (Balbi,

et al., 2012).

Figura 3.3.1: Topologia da rede SciFi (Balbi, et al., 2012)

3.4 Estudo do Rudo no Plano Euclidiano de Sinais

Neste subtpico, utilizando conceitos sobre constelaes de sinais, demonstrada a

influncia do rudo na recuperao do sinal transmitido. A princpio, intuitivo pensar que,

pelo fato do rudo presente no canal distorcer o sinal transmitido, o receptor ir

constantemente requisitar uma retransmisso dos dados, fazendo com que a velocidade de

conexo percebida pela usurio receptor seja mais lenta.

De fato, existe uma relao entre o nvel de rudo do ambiente e as taxas de dados alcanadas

em um AP, porm esta queda na velocidade no causada pelo rudo de forma direta, e sim

porque, o transmissor ao perceber que um nmero predefinidos pacotes no foram recebidos

corretamente, inicia alguns procedimentos de proteo, onde o mais importante consiste em

comutar o sistema para um tipo de modulao com menos smbolos (Mathieu Lacage &

urletti, 2004). Este procedimento certamente ir reduzir a BER-taxa erro de bit (Bit Error Rate)

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dentro deste canal, mas tambm ir comprometer as taxas de transmisso praticadas entre o

transmissor e o receptor.

Para entender o porqu desta relao, primeiramente ser visto como realizado o processo

de deciso dos bits que so demodulados pelo receptor.

No processo de deciso, o receptor basicamente compara o nvel dos smbolos recebidos com

os nveis de referncia que ele possui. Ou seja, os smbolos resgatados pelo receptor passam

por um bloco chamado decisor, que possui regies de tolerncia, onde cada smbolo pode

excursionar livremente sem que o sistema incorra em erro. Se um dado smbolo chegar com

um nvel muito alterado, ao ponto de exceder esta tolerncia, o decisor ir se decidir por um

smbolo diferente do transmitido, cometendo um erro.

Agora, considere que o canal utilizado para transmitir este smbolo seja um canal AWGN-

Rudo Branco Gaussiano Aditivo (Additive White Gaussian Noise), possvel provar que esta

distoro ser causada pelo acrscimo de rudo durante a passagem do smbolo pelo canal.

Com o apoio da representao geomtrica dos sinais, pode-se considerar um rudo branco W

que somado ao vetor sinal. Sendo assim, para um smbolo S11 encontra-se um vetor

resultante que segue a Figura 3.4.1

Figura 3.4.1: Representao do rudo no plano euclidiano de sinais

39

Observe que o smbolo foi desviado de sua posio original, agora imagine que a regra que

o decisor QPSK ir obedecer seja como segue:

Se um smbolo recuperado estiver localizado na regio do primeiro quadrante do plano, o

decisor se decidir pelo smbolo S11. Porm, se o smbolo estiver localizado no segundo

quadrante, ele se decidir pelo smbolo S21 e assim sucessivamente para os outros smbolos.

Sendo assim, dependendo do tamanho e da direo do vetor W, o smbolo pode ultrapassar

os limites do quadrante ao qual ele pertence, e com isso, o decisor ir se decidir por um

smbolo errado. Note que o smbolo da Figura 3.4.1 s pode variar uma unidade de distncia

na vertical e na horizontal para no invadir a fronteira dos dois outros quadrantes mais

prximos (o segundo e o quarto), sendo que apara invadir o quadrante mais distante ele teria

que variar uma distncia maior que 2 (o terceiro). Sendo assim, existe uma alta

probabilidade do smbolo S11 ser confundido com os smbolos S-11 e S1-1 e uma probabilidade

menor de ser confundido com o smbolo S-1-1. Esta probabilidade cai sensivelmente se

utilizarmos uma modulao BPSK mantendo a potncia dos smbolos. Isto porque para o

caso do BPSK, existe apenas duas regies separadas pelo eixo 2. A soma das probabilidades

de erro para este timo caso bem menor.

Fica claro porque as taxas de bit caem quando so detectados sucessveis erros na transmisso

dos quadros: o transmissor procura utilizar uma modulao com menos smbolos com o

intuito de expandir a regio de deciso dos seus smbolos.

No prximo capitulo, ser discutido como foi concebida a ideia para observao das

variaes do espectro e das taxas de dados e quais as ferramentas foram escolhidas para sua

implementao.

40

4 Softwares para Monitorao da Banda 2,5GHz e as Taxas de Dados de Pontos de Acesso.

Utilizar instrumentos capazes de observar o espectro fundamental para se ter um melhor

entendimento sobre o comportamento da rede, principalmente no que diz respeito as taxas de

dados vigentes a cada instante.

Diante de tudo o que foi exposto nos Captulos 1 e 2, e de posse destes instrumentos, foi

possvel desenvolver, neste trabalho, aplicaes de aquisio e processamento de dados com

o intuito relacionar a atividade do espectro com as variaes das taxas de dados em um canal

e, com isto, identificar potenciais fontes de interferncia em redes Wireless.

Basicamente, foram desenvolvidas trs aplicaes:

1. O primeiro software buscou capturar dados sobre a atividade do espectro na banda

2,4GHz fornecidos por um analisador de espectro de baixo custo, inserindo uma

varivel tempo em cada conjunto de amostras e armazenado este dados em um banco

para um processamento off-line.

2. O segundo software buscou monitorar a variao das taxas de dados no tempo

praticada em um AP a partir da aquisio de dados de um software j desenvolvido e

armazenar estes dados neste mesmo banco de dados para o processamento off-line.

3. A terceira aplicao na verdade consiste em um conjunto de macros que iro processar

os dados armazenados no banco, a fim de organiz-los, gerar grficos e relatrios a

respeito do comportamento do espectro em relao a taxa de dados em um rea

atendida por um AP especfico.

41

4.1 Software para Monitorao da Atividade do espectro No

Licenciado 2,4GHz.

A primeira etapa do desenvolvimento consistiu em encontrar um equipamento de mercado de

baixo custo, que pudesse ser integrado a um software de desenvolvimento pessoal, a fim de no

depender dos recursos oferecidos pelo software proprietrio do equipamento. Isto porque a

aplicao fornecida junto com o hardware limita sobremaneira a manipulao dos dados. Alm

disso, os resultados das medies precisariam ser arquivados em banco, e dificilmente este

recurso seria disponibilizado de forma gratuita.

O hardware para medio do espectro que foi utilizado neste trabalho pode ser considerado um

analisador de espectro de baixo custo, podendo ser encontrado no mercado por menos de 100

Dlares. O Airview2 Ext, produzido pela empresa UBIQUIRI Network, trabalha dentro da faixa

ISM 2,4GHz, realizando uma varredura neste espectro em passos de 500KHz comeando pela

frequncia de 2,399GHz at a frequncia de 2,485GHz. A cada ciclo de 260ms so

disponibilizadas potncias acima de -94dBm de 173 raias espectrais. Estes dados so serialmente

enviados para um PC por meio da interface USB, afim de serem processados pelo software

proprietrio que deve estar instalado na mquina.

Conhecendo a formatao e como os dados so enviados para o computador, foi possvel captur-

los interceptando a porta serial utilizada pelo equipamento dentro do sistema operacional onde

foram instalados os drives do hardware. A aplicao que realiza esta aquisio foi desenvolvida

sobre a plataforma Windows, utilizando a IDE-Ambiente de Desenvolvimento Integrado

(Integrated Development Environment) Visual Studio 2013.

Tanto o sistema operacional como a IDE, foram escolhidos levando em conta a familiaridade

com estes ambientes, visto que o Airview tambm pode ser utilizado sobre plataforma Linux.

O IDE Visual Studio 2013 oferece inmeras facilidades para o desenvolvimento de aplicaes

robustas e de forma prtica, onde em um mesmo ambiente possvel trabalhar com vrias

linguagens. Neste trabalho, foram utilizadas duas linguagens: o C++ e o C#, alm de alguns

mecanismos de integrao a banco de dados nativos IDE visual Studio.

42

O banco de dados utilizado foi o Sql server 2012, onde por meio de classes, APIs- Interface de

Programao de Aplicativos (Application Programmin

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