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jun 22 2018

Os desafios dos Engenheiros de Redes com as redes Wireless

Os desafios dos Engenheiros de Redes com as redes Wireless.

Vai longe o tempo em que o Engenheiro de Redes se preocupava, apenas, com comutação e roteamento; com meios físicos restritos aos pares de cobre, fibra ótica e muito raramente, mas muito raramente mesmo, com o meio utilizado para propagação dos sinais de frequência de rádio dos satélites.

Hoje, entretanto, o ambiente de trabalho de um Engenheiro de Redes é muito mais complexo: a convergência de redes, onde no mesmo meio trafegam, voz, vídeo e dados; a comunicação unificada; o vácuo com suas várias frequências dos diversos serviços e onde antes trafegava apenas voz, agora, também compartilha dados e vídeo de alta definição.

Exemplos dessa complexidade podem ser constatados nos números que a Cisco publica todo ano através de seu VNI – Visual Networking Index. Os números são impressionantes e refletem as preocupações que os profissionais de redes deverão ter. Veja uma pequena amostra de 2017:

Até 2021 o tráfego de dispositivos sem fio e móveis representarão mais de 63% do tráfego IP total, sendo que os restantes 37% representarão o tráfego dos dispositivos com fio;

Os smartphones, TVs, tablets, e os módulos Machine-to-Machine (M2M) terão taxas de crescimento do tráfego de até 21%, 29%, 49% e 49%, respectivamente;

O tráfego global de dados móveis atingiu 7,2 EB (Exabytes) por mês no final de 2016 (Um Exabyte equivale a um bilhão de gigabytes ou mil petabytes – PB.), devendo em 2021 alcançar um aumento de 7 vezes e atingirá um tráfego de 48,3 EB por mês;

O tráfego da quarta geração (4G) respondeu por 69% do tráfego móvel em 2016. Embora as conexões 4G representassem apenas 26 por cento das conexões móveis em 2016, elas já representavam 69% do tráfego de dados móveis, enquanto as conexões 3G representavam 33% conexões móveis e 24% do tráfego;

O tráfego de dados móveis excedeu o tráfego de celulares por uma margem significativa em 2016. Sessenta por cento do tráfego total de dados móveis foi transportado na rede fixa através de Wi-Fi ou femtocell em 2016. No total, 10,7 EB de tráfego de dados móveis foram transportados na rede fixa a cada mês;

Cerca de meio bilhão (429 milhões) dispositivos móveis e conexões foram adicionados em 2016. Os smartphones representaram a maior parte desse crescimento, seguidos pelos módulos M2M. Os dispositivos e conexões móveis globais em 2016 cresceram para 8,0 bilhões, ante 7,6 bilhões em 2015.

Junte a estes números o surgimento de conceitos/tecnologias como IoT, IoE, BYOD e teremos o caos tecnológico que o Engenheiro de Redes tem que estruturar e gerenciar e, neste universo a comunicação sem fio, tecnicamente chamada: Wi-Fi ou Wireless, deve receber maior atenção.

WI-FI, O SURGIMENTO DA TECNOLOGIA

Com a maturidade da Internet, atender a necessidade do usuário por mobilidade de acesso e a diminuição na complexidade da infraestrutura de conexão entre um grande número de computadores foram fatores determinantes para o surgimento da tecnologia Wi-FI.

No início das pesquisas para criação de um padrão para redes Wireless, foram escolhidos os meios de transmissão por rádio frequência pela faixa ISM (Industrial, Scientific and medical). Estas frequências de uso livre e não licenciadas são determinadas por cada governo sem a necessidade de aprovação de entidades apropriadas. A escolha objetivava evitar problemas como interferência entre os inúmeros serviços que utilizam sinais de rádio.

Em 1985, a Comissão Federal de Comunicações dos EUA liberou as bandas ISM para uso em comunicações móveis e LANs sem fio. Em 1997, após sete anos de pesquisas e desenvolvimento, o comitê de padronização IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) aprovou o IEEE 802.11, padrão de conectividade sem fio para redes locais. O IEEE 802.11 possibilitava, então, taxas nominais de transmissão de 1 e 2 Mbps na frequência de 2,4 GHz com largura de banda de 22 MHz.

A taxa de transmissão do IEEE 802.11 não atendia satisfatoriamente a necessidade do mercado, problema esse resolvido só 1999 com o lançamento dos padrões IEEE 802.11a e IEEE 802.11b. O padrão 802.11a vinha com a possibilidade de operar com as seguintes taxas de transmissões: 6 Mbps, 9 Mbps, 12 Mbps, 18 Mbps, 24 Mbps, 36 Mbps, 48 Mbps e 54Mbps. Já no padrão 802.11b foi possível estabelecer conexões nas seguintes velocidades: 1 Mbps, 2 Mbps, 5,5 Mbps e 11 Mbps.

De 1999 para cá, as tecnologias Wireless tiveram uma surpreendente evolução: Surge a M2M ou IoT e seus desdobramentos como IoE e IIoT; Tecnologias e conceitos Cloud se consolidaram; Arquitetura Unificada permitiram a comunicação remota segura entre dispositivos; Bring Your Own Device (BYOD) tornou-se uma realidade.

 

Os desafios

Diante deste cenário, projetar, administrar e solucionar problemas de uma rede Wireless vai exigir do Engenheiro de Redes o domínio de novos conhecimentos de tecnologias, conceitos e ferramentas.

Vejamos nos próximos parágrafos quais são os conhecimentos que os Engenheiros de Redes deverão dominar.

Conceitos de sinais RF, condições e interferência

Compreender e dominar os conceitos de sinalização RF é fundamental para o Engenheiro de Redes Wireless, dentre eles temos: bandas ISM e U-NII; como o sinal se propaga; os fenômenos de reflexão, refração e difração; intensidade, ruído e interferência e suas consequências; Algoritmos de codificação; Antenas, teoria das antenas e suas especificidades para cada projeto.

Novos padrões IEEE 802.11x

A partir do padrão WLAN (1997) o grupo de trabalho do IEEE tem lançado – em média a cada 2 anos – padrões e emendas que fornecem a base para novos produtos de rede Wireless usando a marca Wi-Fi Alliance.

Aqui é que os Engenheiros de Redes Wireless deverão ter muita dedicação em: 1) Estar atualizado com todos os padrões e emendas vigentes e/ou adotados pelos fabricantes de dispositivos; 2) Entender as features, potencialidades, aplicações e vendors dos novos padrões/emendas, tendo em vista as características de cada projeto Wi-Fi.

Vejamos alguns dos novos padrões /emendas e principais funcionalidades.

IEEE 802.11n

O desenvolvimento do padrão IEEE 802.11n, que iniciou em 2004, teve sua conclusão oficial em 2009, e durante esse período muitos fabricantes lançaram produtos com a versão não finalizada do padrão, obrigando-os a fazer a atualização do firmware na versão final para que não houvesse a incompatibilidade entre outras versões.

Sua principal característica é o uso do MIMO (Multiple Input Multiple Output), capaz de aumentar consideravelmente as taxas de transferência de dados por meio de combinação de várias antenas de transmissão, atingindo taxas de até 600 Mbps com quatro antenas e 40 MHz de largura de faixa. Em modo simples de transmissão pode chegar até 150 Mbps.

Este padrão trabalha nas frequências de 2,4 GHz e 5 GHz, e largura de faixa em 20 MHz e 40 MHz, tornando-o compatível com os padrões anteriores. Sua técnica de modulação é o OFDM, e seu alcance pode chegar até 250 metros com as técnicas de MIMO.

IEEE 802.11ac

Lançado oficialmente em janeiro de 2014 o padrão IEEE 802.11ac destina alcançar um maior rendimento multiusuário em redes sem fio. Este padrão visa melhorar a experiência do usuário WLAN, fornecendo taxas de transmissão de dados de até 6,9 Gbps na frequência de 5 GHz.

Com a promessa de maior rendimento e mais performance, a banda de 5 GHz traz uma largura de banda com mais espaço no espectro em comparação a banda de 2,4 GHz comumente utilizada. No padrão dual band 802.11n essa frequência era de uso opcional, pois as soluções de 2,4 GHz eram mais populares e de menor custo.

Não obstante todas estas características evolucionarias, a simples implementação do IEEE 802.11ac sem considerar as nuances da tecnologia, não garante o alcance de altos troughputs potencializados. O domínio do padrão é condição “sine qua non” para o sucesso em projetos Wireless baseado no IEEE 802.11ac. Engenheiros e técnicos de rede precisam compreender as características únicas da 802.11ac para que possam ser mais eficientes durante as tarefas de implementação, migração, taxa de transferência, disponibilidade do serviço e segurança.

IEEE 802.11ad

Os dispositivos que têm embarcados a tecnologia IEEE 802.11ad operam em três bandas: 2,4; 5 e 60 GHz, oferecem taxas de transferência de dados de até 8 Gbit/s, aproximadamente tão rápido quanto uma transmissão IEEE 802.11ac de 8 bandas, e cerca de 11 vezes mais rápida que a maior taxa do IEEE 802.11n, mantendo a compatibilidade com os dispositivos Wi-Fi existentes. O sinal de 60 GHz normalmente não consegue penetrar nas paredes, mas pode propagar reflexos de paredes, tetos, pisos e objetos usando beamforming, que otimiza o poder do receptor, embutido no sistemas IEEE 802.11ad.

Dentre as aplicações típicas IEEE 802.11ad, encontramos: Wireless Display; Distribuição de conteúdo HDTV (por exemplo, em salas de estar residenciais); Conexão de PC sem fio para transmitir, rapidamente, arquivos enormes; Aplicações de sincronização automática (por exemplo, upload de imagens de uma câmera para um PC, aplicações “quiosque”); etc.

IEEE 802.11af (White-Fi ou Super Wi-Fi)

É a tecnologia que objetiva utilizar os chamados “White TV Spaces”, isto é, aquelas faixas de frequências – ociosas – do espectro de redes de TV. A bem da verdade, “White TV Spaces”, são faixas de frequências convencionadas livres de usos para que exista uma distancias natural entre transmissores para evitar interferência entre os canais próximos. Essa convenção tem o fim específico de proteger o sinal de outras interferências terrestres que normalmente não ocorrem em várias regiões, condição esta responsável pela baixa eficiência no uso do espectro disponível.

Em termos práticos a tecnologia é considerada desafiadora porque o esforço, para organizar dinamicamente os rádios na utilização das diferentes frequências – sem gerar interferência no serviço primário de televisão é hercúleo. Se não bastasse este esforço, a proposta IEEE.af em Wireless LAN tem características conflitantes com a pesquisa denominada de Software Defined Radio ou “rádios cognitivos”, cujo alcance geográfico – através do padrão 802.22 de WRAN (Wireless Regional Area Network) – é da ordem de 100 Km

IEEE 802.11ah (HaLow)

A especificação do WiFi HaLow tem por objetivo padronizar as características de comunicação entre os dispositivos móveis no contexto da Internet das coisas (IoT). Ele opera em frequências abaixo do GHz, especificamente nas faixas não licenciadas de 900 MHz, o que implica em maior área de cobertura e melhor penetrabilidade do sinal ao enfrentar obstáculos do que as frequências mais altas. Seu aspecto negativo é que nessa faixa de frequência há pouca banda disponível, por exemplo apenas 26 MHz, o que limita a aplicação da tecnologia para comunicações pouco volumosas. Apesar destas limitações suporta sensores telemétricos (machine-to-machine). Outro benefício é o baixo consumo de energia, um grande atrativo para dispositivos portáteis.


 

IEEE 802.11ax de WiFi de Próxima Geração

O padrão de WI-FI de próxima geração vem sendo especificado, desde 2013, por um grupo do IEEE denominado High Efficiency WLAN (HEW). O esforço é definir a tecnologia que deverá substituir o IEEE 802.11ac.

Pelo andamento do projeto as expectativas são de que a documentação do padrão IEEE 802.11ax seja publicada até 2019 e com este subsidio a indústria deverá crias protótipos de equipamentos Wireless embarcados com esta tecnologia. Espera-se que o IEEE 802.11ax utilizará – de forma otimizada – o espectro, devendo suportar taxas superiores a 10 Gbps, o que é extremamente interessante para ambientes com alta densidade dispositivos móveis.

A WI-FI de próxima geração deverá explorar as evoluções da tecnologia celular LTE para aumentar sua eficiência, empregando a técnica de multiplexação OFDMA para suportar MU-MIMO nos sentidos downlink e uplink. Além disso, o novo padrão, deverá utilizar frequências e ajustará automaticamente a potência de transmissão com base na medição do sinal recebido e tudo isso de maneira uniforme.

Uma outra característica prevista pelo grupo HEW é um mecanismo – denominado TWT (Target Wake Time) – para reduzir o consumo de energia e ampliar a vida útil da bateria dos dispositivos móveis. O fundamento implícito é que o AP sinalizará aos clientes quando eles poderão alterar seu status para “sleep” e quando deverão alterar para “wake up”. Este procedimento deverá impactar de forma positiva a autonomia da bateria, mesmo que – na prática – os períodos dos status “sleep” e “wake up” sejam bastantes curtos.

Enfim, o futuro padrão 802.11ax tem várias nuances tecnicas que mereceriam um único artigo para serem discutidas. Para não estender mais sobre essa tecnologia apresento no quadro abaixo as principais caracteristicas do padrão.

  • Taxas de Transmissão > 10 Gbps
  • Suporte a Ambientes de Alta Densidade de Clientes
  • Opera em Ambas as Frequências de 2,4 GHz e 5 GHz
  • Suporta Canais de: 20MHz, 40MHz, 80MHz e 160MHz
  • Utilização de OFDMA (c/ Centenas de Sub-Canais)
  • Modulação OFDM/1024-QAM
  • Suporte a MU-MIMO (Donwlink e Uplink)
  • Algoritmo Inteligente e Adaptável de Otimização da RF
  • Menor Consumo de Energia
  • Intervalo de Guarda Estendido

IoT e seus principais protocolos

A IoT está aí e o engenheiro de redes não pode mais ignorá-la. Recomendamos um estudo aprofundado nos protocolos IoT, principalmente aqueles relacionados ou derivados do TCP/IP. Em janeiro/2017 publicamos um artigo que trata o assunto. Vale uma leitura: http://cldcmp.us/2kd9Y3z

5TH-GENERATION WIRELESS SYSTEMS ou 5G

Este é um outro tema que deverá fazer parte do rol de competências do Engenheiro de Redes.

A tecnologia foi recentemente padronizada (junho/18) e atende aos requisitos IMT-2020 da ITU e o Release 15 do 3GPP. Os principais recursos do 5G incluem alta taxa de transferência, baixa latência, alta mobilidade e alta densidade de conexão.

O IEEE sugeriu os futuros serviços essenciais para a próxima geração de comunicação móvel, que seriam ativados pela rede móvel 5G, os exemplos são smart grid, medicina inteligente, carros conectados e sensores que criam o ambiente da Internet das Coisas

Além das redes de operadoras de telefonia móvel, espera-se que o 5G seja amplamente utilizado para redes privadas com aplicações em IoT industrial, redes corporativas e em comunicações críticas.

Neste contexto, para poder projetar, implementar e solucionar problemas relacionados com as aplicações acima, o Engenheiro de redes deverá ter conhecimentos, habilidades e competências com as seguintes tecnologias relacionadas com a 5G: New Radio (NR), Faixa de Frequência 1 (<6 GHz), Faixa de Frequência 2 (24-86 GHz), MIMO massivo, Edge Computing, Small Cell, Beamforming, Convergência de Rádio.

Outros tecnologias de telefonia móvel, antecessoras da 5G, também deverão se compreendidas pelos Engenheiros de redes para que ele possa fazer a transição de uma tecnologia para outra, dentre elas destaca-se: 3G, LTE Advanced, LTE Advanced Pro, 4G, 4G+ e 4,5G

Neste post, ficaremos por aqui. O Assunto é vasto e nosso objetivo não é o aprofundamento nas tecnologias de redes Wireless, mas sim passar algumas recomendações de conhecimentos, habilidade e competências que deverão ser adquiridos para que você possa se tornar um Engenheiro de Redes especializado em comunicação sem fio. Conhecimentos estes que certamente o mercador já está exigindo de um profissional de redes.

Mas onde buscar estes conhecimentos?

Nosso conselho é que você recorra, primeiramente aos portais das organizações padronizadoras como: ITU, 3GPP, IEEE, FCC e de empresas como AT&T, Cisco, Intel, Samsung e posteriormente ou simultaneamente a livros que tratam dessas tecnologias, inclusive sobre 5G.

Até o próximo post.

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