IEEE 802.11ah

Com o rápido crescimento da demanda por banda ISM de transmissão sem fio, surgiram então as redes sem fio operando em frequências próximas de 900MHz. Atualmente existem dispositivos que já funcionam em redes proprietárias nessa faixa de frequência, alguns sendo adaptações de dispositivos fabricados para trabalhar com outros padrões IEEE (como o IEEE 802.11a), apenas mudando a frequência de operação. Tais produtos ganham vantagem nas aplicações de redes de sensores, mas têm a desvantagem de não serem padronizados de acordo com uma norma. Logo, cada fabricante conta com sua própria implementação, gerando muitos problemas de interoperabilidade e atando o cliente a um único fornecedor. É importante ressaltar que, em alguns países como Estados Unidos e Japão, já existe a reserva de banda ISM abaixo de 1GHz (902-928 MHz nos Estados Unidos), evitando o espaço branco reservado para TV (TV White Space), cuja banda já é foco de utilização em outro projeto, o IEEE 802.11af. No entanto, não há uma norma para a utilização dessa banda em comunicação sem fio.

Figura 1: Alcance e frequência dos padrões IEEE 802.11.

Nesse cenário, surge o projeto IEEE 802.11ah, desenvolvido pelo grupo IEEE 802.11, com o objetivo de criar uma norma para redes sem fio operando em frequências abaixo de 1GHz, daqui por diante denominada rede sub-1GHz. O motivo principal para a utilização de uma nova banda isenta de licença abaixo de 1GHz é, além do alívio de tráfego nas bandas já existentes, explorar as características das ondas de menores frequências, comparando com as utilizadas atualmente.

Por ser baseado em ondas de baixa frequência, o padrão IEEE 802.11ah tornará possível obter redes sem fio com maior alcance. Problemas de interferência entre pontos de acesso de redes distintas, por causa do maior alcance dos sinais, têm sido abordados no projeto e procura-se tentar reduzir esses conflitos por meio de técnicas como o beamforming e multiplexação por divisão de tempo (Time Division Multiplexing - TDM). Outra característica ideal para redes de larga escala é a possibilidade de maior número de dispositivos se comunicando. Isso graças a menor potência utilizada pelos dispositivos trabalhando em rede sub-1GHz, sendo uma imposição de projeto, que acaba por estender a vida útil de suas baterias, ou seja, torna viável a utilização de redes sem fio em instrumentação e sensoriamento de plantas de larga escala como plantas industriais, que não poderiam ter seu funcionamento parado de tempos em tempos para manutenção de baterias, o que ocasionaria perdas financeiras.

Camadas PHY e MAC

O padrão 11ah terá em sua camada física suporte para canais de 2MHz, 4MHz, 8MHz e 16MHz. Adiconalmente, canais de 1MHz serão adotados como unidades de canal base. Dessa forma, assim como nos padrões IEEE 802.11n e IEEE 802.11ac, canais de maior largura serão obtidos pela união de canais mais estreitos.

As bandas ISM abaixo de 1GHz são diferentes ao redor do mundo. Portanto, a distribuição de canais no espectro foi feita de maneira diferente para cada país. A título de exemplo, usamos a já citada banda disponível para os Estados Unidos (902MHz - 928MHz). Com 26MHz de banda disponível nos Estados Unidos, pode-se obter 26 canais de 1MHz. Para se obter canais de banda maior, por exemplo de 2MHz, une-se dois canais de 1MHz, e similarmente para os canais de banda ainda maiores, de modo que o canal de maior banda disponível será de 16MHz. Este é também o canal de maior largura definido pelo padrão IEEE 802.11ah. Para os canais de banda iguais ou maiores que 2MHz, a camada física é exatamente dez vezes menor que à do padrão IEEE 802.11ac em termos quantitativos, ou seja, as larguras dos canais, bem como as taxas de transmissão são um décimo das do padrão 11ac.

Figura 2: Distribuição dos canais na banda ISM dos EUA.

Com relação a camada MAC, o padrão IEEE 802.11ah prevê algumas mudanças que podem trazer melhorias se comparadas com as camadas já presentes nos outros padrões 802.11, principalmente no que tange maior número de estações, economia de energia e mecanismos para maior taxa de transmissão.

Nos atuais padrões 802.11 o número máximo de estações associadas a um ponto de acesso é de 2.007 estações. Isso ocorre por conta comprimento limitado do conjunto de bits que caracteriza o Identificador de Associação (Association IDentifier - AID) dado a cada estação. No 802.11ah, a estrutura do AID será modificada para funcionar como mostra a figura 3. Composto de um conjunto de 13 bits, o número de estações associadas a um ponto de acesso será de 8.191 estações. Os 13 bits serão divididos em 4 níveis hierárquicos, onde cada estação terá um posição dentro de um sub-bloco, cada sub-bloco pertencerá a um bloco e cada bloco pertencerá a uma página. Isso permite poder indicar várias estações, bastando indicar o ID do nível ao qual elas pertencem, ao invés de indicar todos os AID's de cada uma.

Figura 3: Estrutura do AID no padrão IEEE 802.11ah.

O que pode ser uma das maiores deficiências do 802.11ah é a baixa taxa de transmissão. Com o intuito de compensar de alguma forma essa característica, foi proposto um novo formato de pacote na camada MAC. O novo formato traz um novo cabeçalho MAC mais compacto para dimunuir o overhead, onde usa-se os identificadores AID, cujo tamanho é de 2 bytes em comparação com o endereço MAC que é de 6 bytes; o campo de endereço A3 é tido como opcional e tem sua presença determinada por um bit no frame de controle FC. Além disso, alguns campos são retirados e passados para o cabeçalho PHY. Com essas modificações pode-se obter um cabeçalho no mínimo 12 bytes menor.

Figura 4: Cabeçalho MAC.

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