O IEEE em 1999, definiu uma
norma para as redes locais sem fio chamada Wireless LAN Medium
Acess Control (MAC) e Physical Layer (PHY). O padrão IEEE
802.11, assim como todos os protocolos da família 802.x,
especifica as camadas física e de controle de acesso ao
meio.
A arquitetura do IEEE 802.11
consiste de vários componentes que interagem entre si para
disponibilizar uma rede sem fio com suporte a
mobilidade.
Um bloco fundamental da
construção da arquitetura do 802.11 é o BSS(Basic
Service Set) que é definido como um grupo de
estações que estão sob o controle direto de uma
única função de coordenação, que determina
quando uma estação pode transmitir e receber
dados.
Existem dois tipos de redes sem
fio, a Ad Hoc e a infra-estruturada. A rede Ad Hoc é composta
somente por estações dentro do BSS que se comunicam entre
si sem auxílio de uma infra-estrutura, não há
necessidade de um ponto de acesso centralizado para haver
comunicação entre as estações, o padrão
802.11 se refere a uma rede Ad Hoc com uma BSS independente.
Já na rede infra-estruturada, é utilizado um ponto de
acesso centralizado que é responsável por quase toda a
funcionalidade da rede, para aumentar a cobertura da rede
vários pontos acesso podem ser interligados através de
backbone chamado de DS (Distribution System). O conjunto dos pontos
de acesso e dos sistemas de distribuição é definido
com um conjunto estendido de serviços ESS (Extented Service
Set). Este modo de rede requer a presença de uma
estação especial no BSS, denominada AP (Acess Point) que
serve de interface entre o BSS e o DS que possibilita a
comunicação entre as estações do BSS e as
entidades externas. O DS permite interligar múltiplos BSSs
formando um conjunto estendido de serviço, que aparente ser um
único BSS alargado.
O 802.11 define três tipos
de camada física: o espelhamento de espectro por salto em
frequências (Frenquency Hopping Spread Spectrum - FHSS), o
espelhamento de espectro por sequência direta (Direct Sequence
Spread Spectrum - DSSS) e o infra vermelho. Todas as camadas
físicas do 802.11 incluem a provisão de um sinal de
avaliação de canal livre (Clear Channel Assessment signal
- CCA) que é utilizado pela camada MAC para indicar se o meio
está livre.
O FHSS é uma técnica
de espelhamento que divide a banda passante total em vários
canais de pequena banda e faz com que o receptor e o transmissor
fiquem em um desses canais por um certo tempo e depois saltem para
outro canal, com isso permitimos a coexistência de várias
redes em uma mesma área através da separação
dessas redes por diferentes padrões pseudo aleatórios de
uso de canal chamados sequências de saltos. O FHSS usa a banda
ISM de 2,400 a 2,4835 GHz. Nos EUA e Europa são definidos 79
canais, o primeiro canal tem uma frequência central de 2,402
GHz e os outros canais são separados por 1 MHz e cada canal
possui uma banda de 1 Mbps. Três diferentes conjuntos com 26
sequências de saltos são definidos, essas diferentes
sequências de saltos permitem que vários BSSs existam
simultaneamente em uma mesma área geográfica e os
três conjuntos de saltos existem para evitar colisões
entre as diferentes sequências de saltos em um
conjunto.
O DSSS é um método
que também usa a banda ISM de 2,4 GHz, a taxa básica de 1
Mbps é gerada através de uma modulação
diferencial binária por chaveamento de fase (Differential
Binary Phase Shift Keying - DBPSK) e a taxa de 2 Mbps usa uma
modulação diferencial quaternária por chaveamento de
fase (Differential Quadrature Phase Shift Keying - DQPSK). O
espelhamento é feito através da divisão da banda
disponível em 11 subcanais, cada um com 11 MHz, e do
espalhamento de cada símbolo de dados usando uma
sequência de Barker de 11 chips dada por
(+1,1,+1,+1,1,+1,+1,+1,1,1,1). A largura de um canal DSSS é de
20 MHz, ou seja, no máximo três canais não
sobrepostos podem ser usados.
O infra-vermelho utiliza
comprimentos de onde de 850 a 950 nm, o infra-vermelho foi
projetado para ser utilizado em áreas fechadas com alcance
máximo de aproximadamente 10m. A codificação da taxa
básica de 1 Mbps é realizada através de uma
modulação por posição de pulso (16-Pulse
Position Modulation - PPM), na qual quatro bits de dados são
mapeados em 16 bits codificados para transmissão. A taxa
opcional de 2 Mbps usa uma 4-PPM, na qual dois bits de dados
são mapeados em 4 bits codificados para
transmissão.
A camada MAC do 802.11 define
dois tipos de funções de acesso ao meio, a
função de coordenação distribuída
(Distributed Coordination Function - DCF) e a função de
coordenação em um ponto ( Point Coordination Function -
PCF). O DCF é o mecanismo básico de controle de acesso ao
meio do IEEE 802.11, sendo um protocolo de acesso aleatório do
tipo CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance). O
PCF, por outro lado, é um protocolo de polling que permite as
estações o acesso ao meio livre de contenção, o
que torna sua utilização mais adequada para o transporte
de trafego de tempo real, entretanto, a sua implementação
não é obrigatória, ao contrário do
DCF.
Os modos DCF ou PCF são
multiplexados no tempo em um superquadro, o qual é
formado por um período livre de contenção (CFP),
seguido por um período de contenção (CP) posicionado
em intervalos regulares. O ponto de acesso transmite quadros de
beacon periódicos de forma a gerenciar a entrega das
informações nos terminais. Os limites entre CFPs e CPs
são marcados por beacons transportando um DTMI (Delivery
Traffic Indication Message). Os terminais podem usar das
informações presentes nos beacons para se associar com o
ponto de acesso, o qual é executado durante o CP. Essa
associação e obrigatória se o terminal precisa ter
suas transmissões comandadas pelo PCF, que é normalmente
requisitada por um dado sensível ao QoS.
As prioridades de pacotes
são implementações definindo o IFSs (Interframe
Spaces) de três diferentes tamanhos:
• SIFS Short Interframe
Space - este e o menor IFS. È usado para transmissões de
quadros de alta prioridade: pacotes de ACK (confirmação
de recebimento de pacotes) de quadros de dados, quadros CTS,
quadros PCF e todo quadro de DCF DATA quadros, exceto o primeiro
fragmento de uma rajada.
• PIFS PCF Interframe
Space - maior que SIFS. Depois de expirado o intervalo, quadros de
qualquer modo de PCF podem ser transmitidos. É usado para o
controle de polling no modo PCF.
• DIFS DCF Interframe
Space - maior do que PIFS. Depois que o intervalo expirar, qualquer
modo de quadros DCF assíncrono podem ser transmitidos de
acordo com o mecanismo de backoff do CSMA. Utilizado para a
transmissão de dados em geral, incluindo o de
aplicações multimídia.
Cabe lembrar que no DFC pode
ser utilizado tanto o modo Ad Hoc quanto o infra-estruturado,
enquanto que no PCF apenas pode ser utilizado o
infra-estruturado.
A Funcão de
Coordenação Distribuída - DCF: O DCF, é o
mecanismo básico de acesso ao meio no 802.11, é de modo
simples um acesso múltiplo com detecção de
portadora evitando colisões (Carrier Sense Multiple Access
with Collision Avoidance - CSMA/CA) com reconhecimento positivo.
Existem dois tipos de DCF no padrão, o baseado em CSMA/CA e o
que utiliza também pedidos e permissões para transmitir
dados (Request to Send - RTS e Clear to Send -
CTS).
A operação do protocolo no modo DCF
pode ser resumida nos seguintes passos:
1) Escuta o meio ate que ele permaneça livre
durante DIFS, logo após transmite o pacote e vai para
(2);
2) Aguarda um ACK que é enviado pelo
receptor após SIFS(contando a partir do fim do envio do
pacote);
a) Caso não receba, houve colisão.
Dobra o valor da janela de contenção atual (se permanecer
abaixo do valor máximo), incrementa o contador de
colisões consecutivas e se este não tiver atingido o
valor máximo vai para (3), caso contrário vai para
(2b);
b) Caso o contador de colisões consecutivas
tenha atingido o valor máximo, descarta o pacote, zera o
contador, e caso ainda existam pacotes a serem transmitidos vai
para (3);
c) Recebido o ACK se ainda existirem pacotes a
serem transmitidos vai para (3);
3) Escolhe aleatoriamente um valor de backoff
dentro da janela de contenção atual e continua escutando
o meio;
a) Ao sentir o meio livre durante um intervalo de
tempo igual a DIFS, inicia (ou continua) a contagem do tempo de
backoff ;
b) Se durante este backoff o meio é sentido
ocupado pausa a contagem, permanece escutando o canal e volta para
(3a);
c) Ao terminar o tempo de backoff transmite o
pacote e vai para (2).
O segundo tipo de DCF que
é opcional, inclui pacotes RTS e CTS para evitar problemas
gerados por terminais escondidos, este tipo de problema surge
quando uma estação A é capaz de receber de dois
transmissores diferentes, B e C, porém estes transmissores
não podem se comunicar entre si, portanto diz-se que B
está escondido para C e que C está escondido para B,
neste caso o transmissor B pode achar que o meio está livre
mesmo que C esteja transmitindo, o que resulta em colisão no
receptor A.
Nesse tipo de DCF, a
detecção de portadora pode ser feita através de
mecanismos físico (CCA) e virtual. O mecanismo de
detecção virtual usa uma distribuição de
informação de reserva do meio através da troca de
quadros RTS e CTS antes do envio do dado. Os pacotes RTS e CTS
contem informações a respeito do nó de destino e de
um tempo relativo ao envio do pacote de dados e de seu respectivo
ACK.
Função de
Coordenação em um ponto - PCF: Outro tipo de acesso da
camada MAC do 802.11 é o PCF. Apesar da
implementação do DCF ser obrigatória pelo
padrão, esse não é o caso do PCF. No modo PCF um
único ponto controla o acesso ao meio, através de
consulta a cada estação, proporcionando a oportunidade de
transmitir sem contenção.O PCF fornece dois tipos
diferentes de serviços:
1) Acesso ao canal livre de contenção
para o AP entregar quadros somente no downlink. Esse serviço
é usado para permitir ao AP transmitir trafego armazenado no
buffer, vindo da rede cabeada para rede
móvel;
2) Acesso ao canal livre de contenção
para terminais moveis suportarem tráfego limitado no
tempo.
1. Introdução
