Wireless - WiFi+

Introdução

Conceitos básicos

IEEE 802.11ac, Wi-Fi 5G ou ainda VHT é um padrão de redes de computadores sem fio do 802.11, atualmente sob desenvolvimento (draft), que irá proporcionar alta taxa de transferência em redes locais sem fio (WLAN) na banda de 5 Ghz.
Teoricamente, essa especificação permitirá transferência de dados multicanal de pelo menos 1 Gbps e uma transferência em canal único de pelo menos 500 Mbps.
Isso é alcançado estendendo os conceitos de meio aéreo contemplados pelo 802.11n: Maior largura de banda RF (até 160 MHz), mais fluxos MIMO (até 8), MIMO multi-usuário e modulação de alta densidade (até 256 QAM).

Fornecedores/desenvolvedores

O padrão 802.11ac é desenvolvido pelo IEEE (Instituto de Engenheiros Eletricistas e Eletrônicos), órgão dos EUA responsável pela definição dos padrões para diversas áreas da engenharia, incluindo as redes sem fio.

Cronologia

Em Janeiro de 2011, o Inicial Technical Specification Draft 0.1 foi confirmado pelo IEEE 802.11 TGac.
A finalização do padrão é esperada para o fim de 2012, com aprovação final do grupo de desenvolvimento em 2013.
Espera-se que dispositivos com o 802.11ac já sejam comuns por volta de 2015, com o número de um bilhão de dispositivos no mundo.

• A Quantenna lançou o primeiro chipset 802.11ac para roteadores WI-fi de varejo e consumidores no dia 15 de novembro de 2011.
  
• Redpine Signals lançou a primeira tecnologia 802.11ac de baixo consumo para aplicação em smartphones no dia 14 de Dezembro de 2011.
  
• Em Janeiro de 2012, no dia 5, a Broadcom anunciou seus primeiros chips e parceiros WI-fi 802.11ac.
  
• No dia 27 de Abril de 2012 a Netgear anunciou o primeiro roteador compatível Broadcom.
  
• 14 de Maio de 2012 – Buffalo Technology lançou os primeiros produtos 802.11ac do mercado, lançando um roteador e um adaptador client bridge.
  
• No dia 7 de Junho de 2012 a Asus revelou seu notebook para jogos ROG G74VW, que será o primeiro notebook para consumidores finais a ser completamente compatível com o 802.11ac.
  

Pontos relevantes

No 802.11ac a largura máxima é de 433 Mbps por stream, e o número máximo de streams sobe de três para oito.
Então a largura de banda máxima de uma rede 802.11ac pode ser mais de três vezes superior ao padrão cabeado mais popular atualmente, o Gigabit Ethernet.
Entretanto, os aparelhos de primeira geração estarão limitados ao uso de duas ou três antenas para recepção e transmissão, com uma largura de banda máxima de 866 Mbps ou 1.3 Gbps em teoria.
Para superar o menor alcance da frequência de 5 GHz os chipsets 802.11ac usam uma tecnologia chamada “beam forming” na transmissão e recepção.
Ela era um elemento opcional na especificação 802.11n, mas é obrigatória no 802.11ac.
A maioria dos aparelhos 802.11n atuais transmite e recebe sinais de forma omnidirecional.
Eles se propagam em uma série de “anéis” concêntricos, como as ondas que surgem quando você joga uma pedrinha em um lago.
Com Beam Forming o roteador e os clientes sabem qual sua posição relativa um ao outro e podem “focar” o sinal na direção correta.
Sem essa tecnologia, sinais refletidos podem chegar fora de fase e se cancelar, reduzindo a largura de banda.
Um chipset com Beam Forming pode modificar a fase do sinal para contornar o problema, aumentando substancialmente a largura de banda disponível.

Funcionamento

• Vinculação extendida de canais
  • Largura de banda do canal de 80 MHz e 160 MHz (contra 40 MHz máximo no 802.11n);
  • 80 MHz obrigatório para estações (STAs), 160 MHz opcional;
• Mais fluxos espaciais MIMO
  • Suporte para até 8 fluxos espaciais (contra 4 no 802.11n);
• MIMO Multi-usuário (MU-MIMO)
  • Múltiplas estações, cada uma com mais antenas, transmissão ou recepção independente de dados simultaneamente;
  • Acesso Múltiplo por Divisão no Espaço (SDMA): Fluxos não separados por frequência, mas organizados espacialmenmte, analogamente ao estilo MIMO 11n;
  • Downlink MU-MIMO (um dispositivo transmissor, vários receptores) incluído como modo opcional;
• Modulação
  • 256-QAM, taxa 3/4 e 5/6, adicionados como modos opcionais (vs 64-QAM, taxa 5/6 máximos no 802.11n);
• Outras características
  • Único padrão de beamforming para facilitar feedback e compatibilidade entre fabricantes (padrões variados no 802.11n torna difícil o funcionamento efetivo entre produtos de fabricantes diferentes);
  • Modificações MAC (para suportar mudanças posteriores);
  • Coexistência de mecanismos para dispositivos 11ac e 11a/n que utilizam canais de 20/40/80/160 MHz;

Exemplos de Configurações

Todas as taxas de transmissão utilizam 256-QAM, taxa 5/6:

Scenario	Typical Client Form Factor	PHY Link Rate	Aggregate Capacity
1-antenna AP, 1-antenna STA, 80MHz	Handheld	433 Mbit/s	433 Mbit/s
2-antenna AP, 2-antenna STA, 80MHz	Tablet, Laptop	867 Mbit/s	867 Mbit/s
1-antenna AP, 1-antenna STA, 160MHz	Handheld	867 Mbit/s	867 Mbit/s
2-antenna AP, 2-antenna STA, 160MHz	Tablet, Laptop	1.73 Gbit/s	1.73 Gbit/s
4-antenna AP, 4 1-antenna STAs, 160MHz (MU-MIMO)	Handheld	867 Mbit/s to each STA	3.47 Gbit/s
8-antenna AP, 160MHz (MU-MIMO) -- 1 4-antenna STA -- 1 2-antenna STA -- 2 1-antenna STAs	Digital TV, Set-top Box, Tablet, Laptop, PC, Handheld	3.47 Gbit/s to 4-antenna STA 1.73 Gbit/s to 2-antenna STA 867 Mbit/s to each 1-antenna STA	6.93 Gbit/s
8-antenna AP, 4 2-antenna STAs, 160MHz (MU-MIMO)	Digital TV, Tablet, Laptop, PC	1.73 Gbit/s to each STA	6.93 Gbit/s

Características Técnicas

O 802.11ac planeja reutilizar detalhes das tecnologias 11n (e 11a) quando possível.
Isso é vantajoso, provendo compatibilidade com os modelos anteriores e permitindo aos desenvolvedores focar nas novas características necessárias para atingir os requerimentos definidos.
Por exemplo, o 802.11ac PHY é baseado no bem conhecido OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) PHY usado nos padrões 11a e 11n e manterá a mesma modulação, e arquiteturas de intercalagem e codificação do 11n.
No entanto, algumas alterações e novos parâmetros/características são necessários para atingir os objetivos do 11ac.
Dispositivos 802.11ac (chamados VHT, Very High Throughput) devem suportar canais de 20, 40 e 80 MHz e fluxo espacial.
Algumas outras características são ainda definidas no 802.11ac:

• Maiores larguras de banda (80+80 MHz e 160 MHz);
• Suporte a modulações maiores (256QAM opcional);
• 2 ou mais fluxos espaciais (até 8);
• MU-MIMO (Multi-User MIMO);
• Pequeno intervalo de guarda de 400ns;
• STBC (Space Time Block Coding);
• LDPC (Low Density Parity Check);

Canalização

O canal de 80 MHz consistirá de dois canais adjacentes, não sobrepostos, de 40 MHz.
Os canais de 160 MHz serão formados por dois canais de 80 MHz que podem ser adjacentes (contíguos) ou não-contíguos.
A figura abaixo ilustra o canal adicional de 20 MHz e o aumento resultante dos canais 11ac de 40 MHz e 80 MHz para classes operantes nos EUA e globalmente.

São utilizados 4 campos de sinalização da largura de banda VHT:

• Current Channel Bandwidth: Fornece a largura de banda do canal e pode ser 20 MHZ, 40 MHz, 80 MHz, 160 MHz e 80+80 MHz;
• Current Channel Center Frequency Index 1:
  • Para larguras de banda de 20, 40, 80 or 160 MHz, fornece a frequência central do canal;
  • Para 80+80 MHz, fornece a frequência central do segmento primário.
• Current Channel Center Frequency Index 2:
  • Para larguras de banda de 20, 40, 80 or 160 MHz,está indefinido;
  • Para 80+80 MHz, fornece a frequência central do segmento secundário.
• Current Primary 20 MHz Channel: Fornece a alocação do canal primário de 20MHz. Todas as larguras de banda dos canais terão um canal primário de 20 MHz atribuído.
  

Subportadoras OFDM

O 802.11ac utiliza o OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) assim como o 802.11a e 802.11n (realizando algumas modificações para otimizar o desempenho).
O OFDM utiliza subportadoras igualmente espaçadas para transmitir os dados, e o número de subportadoras no sinal 11ac depende da largura de banda, como mostrado na figura abaixo.
As subportadoras não utilizadas para transmissão de sinal são subportadoras nulas que são usadas como portadoras DC ou de guarda.
A subportadora DC (subcarrier 0) é anulada para reduzir problemas de conversores A/D e vazamento de portadora.

Visto que os dispositivos VHT (11ac) precisam coexistir com os dispositivos existentes (11a e 11n) e porque os dispositivos 11ac suportarão larguras de banda de 20, 40 e 80 MHz, o VHT enviará o mesmo preâmbulo em cada sub-banda de 20 MHz, de forma que os todos dispositivos 802.11 conseguirão se sincronizar ao pacote.
Isso introduz o problema de elevado PAPR (Peak to Average Power Ratio), que reduz a eficiência de amplificadores de potência.
Para minimizar esse efeito, as subportadoras das sub-bandas superiores a 20 MHz são rotacionadas, como mostrado na tabela abaixo:



Os dispositivos familiarizados com o 802.11n-2009 reconhecerão a rotação da subportadora assim como no caso da banda de 40 MHz do 11n.

Formato de Frame

Estágio atual

Serviços

As melhorias single-link e multi-estação suportadas pelo 802.11ac permitem novas aplicabilidades a WLANs, como streaming simultâneo de vídeo HD a vários clientes em uma residência, sincronização rápida e backup de grandes arquivos, desenvolvimentos em campus e auditórios, e automação de chão de fábrica.

Mídia

Abaixo alguns links relacionados à tecnologia 802.11ac: Documento com especificações técnicas detalhadas do 802.11ac: http://www2.rohde-schwarz.com/file_18206/1MA192_7e.pdf

IEEE 802.11 Task Group - Status 802.11ac: http://www.ieee802.org/11/Reports/tgac_update.htm

NetGear - Próxima Geração de WiFi: http://www.youtube.com/watch?feature=player_embedded&v=ACWrtAKkloI

Roteador NetGear R6300 compatível com 802.11ac: http://www.youtube.com/watch?feature=player_embedded&v=SdmiGfM-yvY

Listagem de Dispositivos 802.11ac (06/2012)

Roteadores

• TRENDnet TEW-811DR
• Buffalo AirStation WZR-1750H
• Edimax unknown product, engineering sample
• Buffalo AirStation WZR-D1800H
• Netgear R6300
• Netgear R6200
• Belkin F9K1113
• D-Link DIR-865L
• ASUS RT-AC66U
• TRENDnet TEW-812DRU

Bridges

• 1300 Mbps Wireless AC Media Bridge / AC1750 Dual Band Wireless Media Bridge
• Buffalo WLI-TX4-1300H
• Buffalo WLI-H4-D1300

Adaptadores

• Edimax unknown product, engineering sample
• Netgear A6200
• ASUS PCE-AC66
• ASUS USB-AC53

Chipsets

• Broadcom
  • BCM43516
  • BCM4352
  • BCM43526
  • BCM4360
  • BCM43460

• Marvell
  • 88W8897

• MediaTek
  • MT7650
  • MT7610E
  • MT7610U

• Qualcomm Atheros
  • WCN3680
  • QCA9860
  • QCA9862
  • QCA9880 (consumer) / QCA9890 (enterprise)
  • QCA9882 (consumer) / QCA9892 (enterprise)

• Quantenna QAC2300

• Redpine Signals Quali-Fi
  • RS9333