802.11n
Com o 802.11g, os fabricantes chegaram muito próximos do que é fisicamente possível transmitir usando um único transmissor e uma faixa de freqüência de apenas 22 MHz (equivalente a um único canal). Apesar disso, como foi demonstrado pelo Super G e pelo Afterburner, ainda existiam melhorias a serem feitas.
Em 2004 o IEEE formou uma força tarefa destinada a desenvolver um novo padrão 802.11, com o objetivo de oferecer velocidades reais de transmissão superiores às das redes cabeadas de 100 megabits, além de melhorias com relação à latência, ao alcance e à confiabilidade de transmissão. Considerando que uma rede 802.11g transmite pouco mais de 27 megabits de dados reais (descontando todo o overhead do sistema de transmissão), a meta de chegar aos 100 megabits parecia bastante ambiciosa.
A solução para o problema foi combinar melhorias nos algoritmos de transmissão e do uso do MIMO (multiple-input multiple-output). O MIMO permite que a placa utilize diversos fluxos de transmissão, utilizando vários conjuntos transmissores, receptores e antenas, transmitindo os dados de forma paralela.
Existe a possibilidade de criar pontos de acesso e placas 802.11n com dois emissores e dois receptores (2x2), dois emissores e três receptores (2x3), três emissores e três receptores (3x3) ou quatro emissores e quatro receptores (4x4). Os pontos de acesso 2x2 podem utilizar apenas duas antenas, os 2x3 ou 3x3 precisam de três antenas, enquanto os 4x4 precisam de 4 antenas:
Ponto de acesso da Asus e placa 802.11n da Linksys, ambos com três antenas
Inicialmente, o mais comum era o uso das configurações 2x3 e 3x3, com o uso de três antenas. Entretanto, conforme os preços foram caindo e os fabricantes se viram obrigados a cortar custos, os pontos de acesso 2x2 (com apenas duas antenas) passaram a ser mais comuns. Da mesma forma, produtos high-end, com 4 antenas (4x4) podem vir a se popularizar no futuro, conforme o custo dos componentes for caindo.
D-Link DIR-615, exemplo de WAP 802.11n de 2x2 de baixo custo, com duas antenas
Somando todas as melhorias, foi possível aumentar tanto a velocidade de transmissão quanto o alcance. A velocidade nominal subiu de 54 para 300 megabits (600 megabits nos APs 4x4, capazes de transmitir 4 fluxos simultâneos) e o uso de múltiplos fluxos de transmissão torna o alcance do sinal quase duas vezes maior.
Para atingir taxas de transmissão tão altas, o 802.11n combina uma série de melhorias. A primeira é a redução do guard interval (o intervalo entre as transmissões) de 800 ns para 400 ns, o que resulta em um ganho de cerca de 11% na taxa de transmissão. A ele se soma o aumento no número de subcarriers para a transmissão de dados de 48 para 52.
Os subcarriers são faixas de transmissão com 312.5 kHz cada, que combinadas resultam na banda total usada pela rede. Nas redes 802.11g, 4 dos 52 subcarriers são usados para transmitir informações sobre a modulação do sinal, deixando apenas 48 para a transmissão dos dados. No 802.11n foi possível realocar estes 4 subcarriers para a transmissão de dados, resultando em um ganho proporcional na taxa de transmissão.
Somando os dois com uma melhoria no algoritmo de transmissão de erros, foi possível chegar a uma taxa de transmissão de 72.2 megabits por transmissor (usando um único canal).
Se as melhorias parassem por aí, o 802.11n ofereceria um ganho de apenas 33% sobre o 802.11g, o que ofereceria poucos ganhos na prática. Daí em diante, os ganhos se baseiam no uso de "força bruta", combinando o uso de vários rádios e de dois canais simultâneos. É aí que entra o MIMO.
Graças ao uso do MIMO, os pontos de acesso 802.11n podem utilizar dois ou quatro fluxos simultâneos, o que dobra ou quadruplica a taxa de transmissão, atingindo respectivamente 144.4 e 288.8 megabits.
A princípio, o uso de diversos transmissores, transmitindo simultaneamente na mesma faixa de freqüência parece contra produtivo, já que geraria interferência (como ao ter várias redes operando no mesmo espaço físico), fazendo com que os sinais se cancelassem mutuamente. O MIMO trouxe uma resposta criativa para o problema, tirando proveito da reflexão do sinal.
A idéia é que, por serem transmitidos por antenas diferentes, os sinais fazem percursos diferentes até o receptor, ricocheteando em paredes e outros obstáculos, o que faz com que não cheguem exatamente ao mesmo tempo. O ponto de acesso e o cliente utilizam um conjunto de algoritmos sofisticados para calcular a reflexão do sinal e, assim, tirar proveito do que originalmente era um obstáculo:
Reflexão dos sinais no MIMO
Este recurso é chamado de Spatial Multiplexing. Você pode imaginar que o sistema funciona de forma similar ao que teríamos utilizando três (ou quatro) antenas direcionais apontadas diretamente para o mesmo número de antenas instaladas no cliente. A "mágica" do MIMO é permitir que um resultado similar seja obtido mesmo utilizando antenas ominidirecionais, que irradiam o sinal em todas as direções.
Naturalmente, o sistema torna necessário o uso de uma boa dose de poder de processamento, o que demanda o uso de controladores mais complexos nos dispositivos, o que além de aumentar o custo, também aumenta o consumo elétrico (um problema no caso dos portáteis).
Pontos de acesso capazes de transmitir 4 fluxos simultâneos são muito raros, já que eles precisam de 4 emissores, 4 receptores e 4 antenas, além de um processador de sinais extremamente poderoso para lidar com o grande volume de possibilidades de reflexão. A complexidade do trabalho cresce exponencialmente conforme aumenta o número de fluxos simultâneos, de forma que usar 4 fluxos demanda 4 vezes mais processamento do que apenas dois.
As soluções atuais (início de 2008) utilizam apenas dois fluxos simultâneos, o que simplifica muito o projeto. Mesmo no caso dos pontos de acesso 2x3 ou 3x3, os transmissores extra são usados para melhorar a diversidade, permitindo que o ponto de acesso transmita ou receba usando as duas antenas que ofereçam o melhor sinal em relação a cada cliente.
Para conseguir atingir 288.8 megabits utilizando apenas dois fluxos, é utilizado o sistema HT40, onde são utilizados dois canais simultaneamente (assim como no Super G da Atheros), ocupando uma faixa de freqüência de 40 MHz. Somando tudo isso a um pequeno arredondamento, chegamos aos 300 megabits divulgados pelos fabricantes. Um ponto de acesso que combine o uso do HT40 com 4 rádios dobraria a taxa teórica, chegando a 600 megabits.
Devido a normas regulatórias, o uso de uma faixa de 40 MHz não é permitida em muitos países, como no caso da França, onde é permitido apenas o uso dos canais 10, 11, 12 e 13 (o que resulta em uma faixa de freqüência de apenas 20 MHz) por isso existe a opção de usar o sistema HT20, onde o ponto de acesso se limita a usar uma faixa mais estreita, de apenas 20 MHz. A opção fica disponível dentro das configurações do ponto de acesso, como neste screenshot da configuração de um AP Belkin N1:
Este gráfico da Intel mostra uma projeção da taxa de transferência bruta usando diferentes combinações, de acordo com a qualidade do sinal. Veja que um ponto de acesso que utilize dois fluxos simultâneos, usando o sistema HT40, oferece, na prática, um throroughput superior ao de um com que utilize 4 fluxos, mas utilize o HT20:
Na prática, depois de descontado todo o overhead, os melhores pontos de acesso 802.11n conseguem transmitir em torno de 85 megabits usando a faixa dos 2.5 GHz com o HT40, o que chega bem perto do oferecido por uma rede cabeada de 100 megabits. Para efeito de comparação, a taxa de transferência real no 802.11g é de cerca de 27 megabits.
O grande problema é que uma faixa de 40 MHz corresponde a quase toda a faixa de freqüência usada pelas redes 802.11g, o que acentua o já crônico problema de interferência entre redes próximas. Prevendo isso, o padrão 802.11n prevê também o uso da faixa dos 5 GHz, que pode ser usada para reduzir o problema.
Entretanto, nem todos os produtos oferecem suporte à faixa dos 5 GHz, já que incluir suporte a ela encarece um pouco os produtos. Em geral, os produtos oferecem suporte à faixa dos 2.4 GHz, ou oferecem suporte simultâneo aos 2.4 e 5 GHz (produtos que oferecem suporte apenas aos 5 GHz são muito raros). Existem também pontos de acesso "dual-band", que utilizam as duas faixas de freqüência simultaneamente (usando automaticamente o que for suportado por cada cliente) de forma a minimizar o problema de interferência.
Outra observação importante é que o padrão 802.11n ainda está em desenvolvimento e a previsão é que seja finalizado apenas em 2009. Os produtos que existem atualmente no mercado são chamados de "draft-n", pois são na verdade baseados em rascunhos do padrão.
Os primeiros produtos, lançados durante a primeira metade de 2006, eram ainda baseados no primeiro rascunho do padrão (draft 1.0). Eles ofereciam taxas de transferência muito abaixo do esperado e muitos problemas de compatibilidade. No início de 2007 foi finalizado o segundo rascunho (draft 2.0) do padrão, o que permitiu o desenvolvimento de produtos mais adequados e, em novembro de 2007 foi finalizado o terceiro rascunho (draft 3.0), que solucionou problemas adicionais.
Com isso criou-se um certo consenso de que não devem ser incluídas mudanças radicais até a finalização do padrão, o que tem levado todos os principais fabricantes a lançarem produtos draft-n, incluindo a Intel, que adotou o 802.11n na plataforma Santa Rosa, usada nos notebooks com o selo Intel Centrino.
Embora sejam um pouco mais caros de se produzir, os produtos 802.11n tendem a cair rapidamente de preço e substituírem tanto os 802.11g quanto os 802.11a, já que oferecem vantagens em relação a ambos. O ganho de velocidade pode variar de acordo com o produto e com o fabricante, mas (com exceção de alguns produtos baseados no draft 1.0) sempre existem um ganho expressivo em relação a uma rede 802.11g.
Com exceção dos poucos pontos de acesso 802.11n que são capazes de operar apenas na faixa dos 5 GHz, a compatibilidade com os clientes 802.11g e 802.11b é mantida, de forma que é possível fazer a migração de forma gradual. A principal observação nesse caso é que combinar clientes 802.11n com clientes 802.11g ou 802.11b reduz o desempenho da rede, embora o percentual varie bastante de acordo com o modelo usado.
Se você está atualizando sua rede, uma boa opção pode ser manter o ponto de acesso 802.11g atual e apenas adicionar o 802.11n, ficando com dois APs. Nesse caso, configure os dois pontos de acesso com SSIDs diferentes (de forma que o cliente possa realmente escolher qual utilizar na hora de de conectar à rede), com ambos ligados diretamente ao switch da rede. Mantenha-os a uma certa distância (se possível em cômodos diferentes) para minimizar a interação entre eles (e, consequentemente, a perda de desempenho em ambas as redes) e não se esqueça de usar canais diferentes na configuração de ambos.
Se possível, configure o ponto de acesso 802.11n para utilizar a faixa dos 5 GHz, já que além de mais limpa, ela não interfere com os 2.4 GHz usados pelo AP 802.11g. Caso isso não seja possível (se o AP ou alguns dos clientes 802.11n forem limitados à faixa dos 2.4 GHz) então prefira utilizar o modo HT20, que apesar de oferecer uma taxa de transferência mais baixa, interferirá menos com o AP 802.11g.
Caso você esteja utilizando pontos de acesso com funções de roteador, não se esqueça de desativar o servidor DHCP de um deles, caso contrário eles passarão a oferecer os mesmos endereços aos clientes, criando conflitos.
Com essa configuração, você terá essencialmente duas redes distintas, permitindo que os clientes 802.11n e 802.11g disponham de toda a velocidade de suas respectivas redes, sem perdas. Os dois APs podem então conviver até que o último cliente 802.11g seja substituído.
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