O documento discute as tecnologias de espalhamento espectral utilizadas nos padrões IEEE 802.11, incluindo FHSS, DSSS, OFDM e a introdução da tecnologia MIMO no 802.11n para aumentar a taxa de transferência de dados.

1. Tecnologia em Redes de
Computadores
Tópicos Avançados em Redes
– RED008 –
Parte 5: Nível Físico IEEE 802.11
Professor: André Peres
andre.peres@poa.ifrs.edu.br
Instituto Federal do Rio Grande do Sul - IFRS
Porto Alegre

2. Espalhamento Espectral
● Espalhamento Espectral (spread spectrum)
– Evitar interferências entre dispositivos que utilizam
a mesma frequência
– Aproveitar melhor os canais de frequência
● Funcionamento
– “Espalhamento” das ondas em um canal de
frequência

3. Espalhamento Espectral
● Hedy Lamarr
– Atriz austríaca
– Desenvolveu junto com seu marido a
primeira forma de spread spectrum

4. Espalhamento Espectral
● No padrão IEEE 802.11
– 1997
● Primeiro padrão
● FHSS – Frequency Hopping Spread Spectrum
● DSSS – Direct Sequence Spread Spectrum
– 1999
● HR-DSSS – High Rate DSSS (802.11b)
● OFDM – Orthogonal Frequency Division Multiplexing
(802.11a e 802.11g)
– Obs.
● O padrão IEEE 802.11n utiliza OFDM

5. Espalhamento Espectral
● FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum)
– Divisão entre canais de frequência e fatias de
tempo
– Alterações rápidas entre canais de frequência
– Saltos pré-determinados (pseudo-aleatórios)
– Sincronização transmissor → receptor
– Redes múltiplas no mesmo “canal"

6. Espalhamento Espectral
● FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum)

7. Espalhamento Espectral
● FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum)
– divide o canal em micro-canais de 1 Mhz
– 95 canais - 2.401 GHz; 2.402 GHz; ... ; 2.495 GHz
– as fatias de tempo são de aproximadamente 0.4seg.
(dwell time)
– os saltos não podem durar mais que 224 micro-segundos
– os saltos são padronizados e a sequência é transmitida
nos quadros beacon
– Ex: padrão 1 EUA { 3, 26, 65, 11, 46, 19, 74, 50, 22, ... }

8. Espalhamento Espectral
● FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum)
– Evita interferências não FHSS

9. Espalhamento Espectral
● FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum)
– utiliza modulação GFSK - Gaussian Frequency Shift Keying
(frequência)
– com modulação de 2 níveis a 1MHz = 1Mbps
– com modulação de 4 níveis a 1MHz = 2Mbps
– total de comunicações simultâneas = 26
– 26 x 2Mbps = 52 Mbps

10. Espalhamento Espectral
● FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum)
– Ex: placa IEEE 802.11
Data Rate: 2 Mbps w/ 1 Mbps fallback
Operating Frequency Range: 2.4-2.4835 GHz
Receive Sensitivity:1 Mbps: -85dBm; 2Mbps: -80dBm
Wireless Medium: Frequency Hopping Spread Spectrum
Radio Wireless LAN Topologies: Peer-to-Peer or Access Point RF
Network Standard: Enhanced IEEE 802.11

11. Espalhamento Espectral
● FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum)

12. Espalhamento Espectral
● DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum)
– emite o sinal em uma grande faixa de frequência
– divide a potência (amplitude) do sinal nesta faixa
– o receptor procura alterações que ocorrem por toda a faixa
de frequência (diferenciando sinal/ruído)
– para outros equipamentos o sinal DSSS é ruído
– necessita de maior potência (maior consumo)

13. Espalhamento Espectral
● DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum)

14. Espalhamento Espectral
● DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum)

15. Espalhamento Espectral
● DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum)

16. Espalhamento Espectral
● DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum)
– utiliza sequência de barker para representar os bits (chips)
– clock de 11 MHZ representa 11 Mchip/s

17. Espalhamento Espectral
● DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum)
– divide a banda em 14 canais de 5 MHz
– utiliza DPSK - Differential Phase Shift Keying (fase)
– com modulação de 2 níveis (DBPSK) = 1Mbps
– 11 símbolos barker = 1 bit
– com modulação de 4 níveis (DQPSK) = 2Mbps
– 11 símbolos barker = 2 bits
– total de comunicações simultâneas = 3
– 3 x 2Mbps = 6 Mbps

18. Espalhamento Espectral
● DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum)
– Alterações de fase para transmitir 1 Mbps

19. Espalhamento Espectral
● DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum)
– Alterações de fase para transmitir 2 Mbps

20. Espalhamento Espectral
● HR–DSSS (High Rate DSSS)
– utiliza a mesma estrutura do DSSS
– DQPSK em conjunto com CCK - Complementary Code Keying
– 8 símbolos barker = 4 ou 8 bits
– taxas de 5.5 ou 11 Mbps
– total de comunicações simultâneas = 3
– 3 x 11 Mbps = 33 Mbps

21. Espalhamento Espectral
● HR–DSSS (High Rate DSSS)
– CCK - Complementary Code Keying
– cabeçalho é enviado a 2Mbps
– PSDU enviado a 5.5 ou 11 Mbps
– alterações de fase diferentes para símbolos pares e ímpares
– o final do cabeçalho define as alterações de fase do PSDU
– o primeiro símbolo do PSDU é par

22. Espalhamento Espectral
● HR–DSSS (High Rate DSSS)
– Alterações de fase para 5.5 Mbps
– Primeira parte, definição de “j”
– Análise dos primeiros 2 bits do bloco (d0 e d1)

23. Espalhamento Espectral
● HR–DSSS (High Rate DSSS)
– Alterações de fase para 5.5 Mbps
– Análise dos dois últimos bits (d2 e d3)
– Utilização de “j” para definição dos chips a serem utilizados
– 4 bits em 8 chips
– 11 Mchips/s → 5.5 Mbps

24. Espalhamento Espectral
● HR–DSSS (High Rate DSSS)
– alteração de fase para 11 Mbps (todos os 8 bits)
– 8 bits em 8 chips
– 2 bits a cada 2 chips em 11Mchip/s = 11 Mbps

25. Espalhamento Espectral
● OFDM (Orthogonal Frequency Division
Multiplexing)
– tamanho de canal: 20 MHz
– divide um canal em sub-canais (similar a FDM)
– utiliza 52 subcanais (48 de dados e 4 para controle)
– transmite dados utilizando todos os canais em paralelo
– utiliza canais sobrepostos que não causam interferência mútua

26. Espalhamento Espectral
● OFDM (Orthogonal Frequency Division
Multiplexing)

27. Espalhamento Espectral
● OFDM (Orthogonal Frequency Division
Multiplexing)

28. Espalhamento Espectral
● OFDM (Orthogonal Frequency Division
Multiplexing)
– Taxa de 250.000 símbolos/segundo

29. Espalhamento Espectral
● OFDM (Orthogonal Frequency Division
Multiplexing)
Ex:
QAM-64 = 6 bits por símbolo
6 bits por símbolo x 48 subcanais = 288 bits por canal
dos 288, 216 são dados
taxa de 250000 sinais por segundo (utilizando todos os canais)
250000 x 216 = 54Mbps

30. MIMO
● MIMO (Multiple Input / Multiple Output)
– Após a definição do OFDM, chegou-se próximo ao
limite de espalhamento espectral para a faixa de
frequência reservada para 802.11
– Necessidade de novos mecanismos para ganho
de vazão de dados
– Necessários estudos para novo padrão físico
802.11n

31. MIMO
● MIMO (Multiple Input / Multiple Output)
– A tecnologia MIMO emprega múltiplas antenas
para transmissão e recepção
– Diversos arranjos podem ser implementados
● 2x2 → duas antenas para transmissão x 2 recepção
● 2x3 → duas antenas para transmissão x 3 recepção
● 3x3 → ...
● 4x4 → …
– Motivo de utilização de múltiplas antenas
● Transmissão de fluxos em paralelo
● Aproveitamento de sinal com multicaminho

32. MIMO
● MIMO (Multiple Input / Multiple Output)
– Velocidade final:
● 802.11n → 300 Mbps com 2x3 ou 3x3 antenas
● 802.11n → 600 Mbps com 4x4 antenas
– Melhorias do 802.11n:
● Ainda utiliza OFDM, porém com 52 subcanais de
dados ao invés de 48
● Aumento do canal de 20Mhz → 40 Mhz
● Diminuição do tempo SIFS (de 800ns para 400ns)
● Transmissão de 2 ou 4 fluxos simultâneos
● Alguns equipamentos suportam 2,4Ghz e 5 Ghz
simultaneamente

33. MIMO
● MIMO (Multiple Input / Multiple Output)
– SDM (Space Division Multiplexing)
● Aproveitamento do MIMO
● O fluxo de dados é dividido em partes (spacial stream)
● Cada parte é transmitida utilizando diferentes antenas
● São possíveis até 4 antenas (4x4) → 4 spacial streams
● O número de spacial streams a ser utilizado depende
do número de antenas
– Respeitando sempre o equipamento com menor nro de
antenas
– ex: notebook com 2 antenas e AP com 4 antenas → 2 ss

34. MIMO
● MIMO (Multiple Input / Multiple Output)
– SDM (Space Division Multiplexing)
● Beam-forming
– Envio de envio de dados para uma antena específica
– Objetivo de minimizar interferências
● Diversity
– Utilização de mais de uma antena para envio ou recebimento
de sinais (2x3, por exemplo)
● Existe um aumento no consumo de energia

35. MIMO
● MIMO (Multiple Input / Multiple Output)
– Lidando com multicaminho:

36. MIMO
● MIMO (Multiple Input / Multiple Output)
– Lidando com multicaminho:
O sinal que sai de uma
antena se espalha
no ambiente

37. MIMO
● MIMO (Multiple Input / Multiple Output)
– Lidando com multicaminho:
Ao refletir em um
objeto, pode ocasionar
multicaminho

38. MIMO
● MIMO (Multiple Input / Multiple Output)
– Lidando com multicaminho:
O mesmo sinal chega
em intervalos de
tempo diferentes no
destino

39. MIMO
● MIMO (Multiple Input / Multiple Output)
– Lidando com multicaminho:

40. MIMO
● MIMO (Multiple Input / Multiple Output)
– Lidando com multicaminho:
Onda defasada

41. MIMO
● MIMO (Multiple Input / Multiple Output)
– Lidando com multicaminho:
Ao somar-se as ondas,
uma interfere na outra

42. MIMO
● MIMO (Multiple Input / Multiple Output)
– Lidando com multicaminho:
No MIMO, a defasagem
é identificada
e “corrigida”

43. MIMO
● MIMO (Multiple Input / Multiple Output)
– Lidando com multicaminho:
A soma de ondas
com multicaminho
aumenta a amplitude
da onda → melhora
o sinal !!!

44. MIMO
● MIMO (Multiple Input / Multiple Output)
– Comparativo de velocidade
Fonte: http://80211n.com

45. Espalhamento Espectral
● 802.11n