Planejamento de Canais em Redes Wi-Fi: Como Fazer?

À medida que os eletrônicos dispuseram de chipset ​ Wi-Fi embarcado para suporte à mobilidade, as redes sem fio deixaram de ser apenas conveniente e tornaram-se uma tecnologia crítica, seja para o consumidor final em sua residência ou mesmo para as empresas.

Em casa o uso de smartphones, tablets e laptops praticamente substituiu o uso dos tradicionais computadores de mesa que ocupam muito espaço e são fixos, ou seja, não oferecem suporte à mobilidade. No ambiente corporativo a ausência de uma rede Wi-Fi é inconveniente porque atualmente são fabricados mais dispositivos sem uma porta cabeada do que com uma! Por causa disso, rapidamente as redes de acesso na infraestrutura das empresas estão substituindo o uso de cabos sempre que a mobilidade é um requisito.

Esse panorama é facilmente confirmado nos gráficos abaixo. O primeiro gráfico mostra que em outubro/2016 o uso de dispositivos móveis ultrapassou o uso do desktop tradicional no acesso à Internet. O segundo gráfico, por sua vez, mostra que em março/2017 o sistema operacional mais utilizado passou a ser o Android em vez do Windows. Esse fato é um marco histórico na computação porque a hegemonia do Windows no desktop sempre foi absoluta desde a década de 90. A interpretação desses dois gráficos tem que ser complementar para que o leitor entenda que o crescimento no uso do Android em comparação à queda no uso do Windows não foi uma simples escolha do usuário por outro sistema, mas uma mudança de paradigma na computação que agora é majoritariamente composta por dispositivos móveis.

Sabemos que a principal tecnologia de redes sem fio locais (WLAN) é popularmente conhecida pelo seu nome comercial ​ Wi-Fi​. No entanto esse é apenas um nome comercial e a tecnologia propriamente dita é identificada através de diferentes padrões IEEE 802.11 que são implementados no chipset MAC dos rádios dos dispositivos ​wireless. ​Ao longo dos últimos 25 anos a tecnologia Wi-Fi evoluiu em diferentes padrões, desde o 802.11–1997 original (Wi-Fi 0), passando pelos padrões 802.11b (Wi-Fi 1), 802.11a (Wi-Fi 2), 802.11g (Wi-Fi 3), 802.11n (Wi-Fi 4) e 802.11ac (Wi-Fi 5), até chegar ao atual padrão 802.11ax (Wi-Fi 6).

Observação: Desde outubro de 2018 a Wi-Fi Alliance anunciou oficialmente um novo sistema de nomes para as diferentes gerações de Wi-Fi com o objetivo de ajudar o usuário a identificar facilmente a tecnologia suportada:

Wi-Fi 4 = 802.11n
Wi-Fi 5 = 802.11ac
Wi-Fi 6 = 802.11ax (atual)

As taxas de transmissão nominais dos padrões são: 802.11b (11 Mbps), 802.11a (54 Mbps), 802.11g (54 Mbps), 802.11n (300 Mbps) e os atuais padrões 802.11ac/ax (+1 Gbps), sendo que atualmente os mais utilizados são aqueles listados na parte superior do infográfico acima, ou seja, o legado padrão 802.11n e os atuais padrões 802.11ax/ac​. ​ É importante que o leitor tenha em mente que quando falamos em comunicação sem fio, as taxas de operação dos padrões (informadas pelos fabricantes) são na realidade valores ​ nominais, o que quer dizer que na prática os valores reais têm desempenho muito menor em decorrência de uma série de fatores externos que são responsáveis pela degradação do sinal de radiofrequência. ​Aqueles padrões que operam na mesma frequência são interoperáveis e, portanto, os dispositivos são compatíveis entre si.

Faixa de Frequência de 2,4 GHz

Os padrões 802.11b/g/n operam na faixa de frequência de 2,4 GHz que ainda é bastante popular no Brasil, no entanto esse pedaço do espectro eletromagnético está bastante poluído em decorrência da disseminação de dispositivos que operam nessa frequência, como por exemplo: telefones sem fio, fornos de microondas, headsets Bluetooth, etc.

Essa frequência possui apenas 13 canais (no Brasil) de 20 MHz cada um, sendo que os canais têm aproximadamente 5 MHz de separação entre si, de forma que somente 3 desses canais (1, 6 e 11) não têm nenhuma sobreposição, ou seja, não sofrem interferência se reutilizados adequadamente.

O fato de existirem poucos canais com pequena largura de banda impacta em taxas de transmissão menores, embora a técnica de modulação e o algoritmo de codificação dos dados (denominado MCS) também tenha papel fundamental nesse processo. Outro problema é que com apenas três canais sem sobreposição fica mais difícil projetar ambientes com grande área de cobertura que possuem várias células, uma vez que células vizinhas não devem operar em canais adjacentes, processo ilustrado na figura abaixo.

Faixa de Frequência de 5 GHz

Os padrões 802.11a/n/ac operam na faixa de frequência de 5 GHz, o que lhes confere maior largura de banda porque há mais canais disponíveis, desde que os clientes também tenham rádios com capacidade de operação nessa faixa de frequência. Observe na figura abaixo que a faixa de frequência de 5 GHz tem muito mais canais do que a faixa de 2.4 GHz e, melhor ainda, esses canais não têm sobreposição entre si. Além disso, esses canais podem ser compostos em blocos com maior largura de banda.

Os 24 canais na faixa de frequência de 5 GHz são separados em grupos denominados UNII-1, UNII-2, UNII-2E e UNII-3. Particularmente os canais das faixas UNII-2/2E só podem ser utilizados se o rádio tiver suporte à seleção dinâmica de frequência (DFS), um recurso que faz o rádio ouvir o meio aéreo antes de permitir sua operação, já que essa faixa concorre com outros serviços primários de radares meteorológicos. Sempre que possível, o ideal é evitar os canais UNII-2/2E, optando pelos canais das faixas UNII-1 (36, 40, 44 e 48) e UNII-3 (149, 153, 157 e 161). A razão dessa recomendação é que os APs precisam esperar mais tempo para operar nos canais das faixas UNII-2/2E, fora o fato de que nem todos os dispositivos clientes suportam o recurso DFS que é pré-requisito desses canais.

No que diz respeito à largura de banda disponível, as frequências não licenciadas em 2,4 GHz e 5 GHz têm início e fim bem definidos pelas agências reguladoras dos governos locais, por exemplo o FCC (EUA), a ETSI (Europa) e a Anatel (Brasil). Qualquer faixa fora desses limites requer a utilização de outras frequências licenciadas, o que não é de interesse dos fabricantes nem dos usuários porque implicaria no encarecimento dos dispositivos.

Como contornar essa limitação física de disponibilidade do espectro? Pense na analogia de que a largura de banda é a quantidade de faixas que uma estrada possui. Se não é possível aumentar a quantidade de faixas para viabilizar o fluxo de mais veículos (quadros), então é necessário adotar outras estratégias para transportar mais pessoas (dados). Por exemplo, forçar o rodízio de veículos para “incentivar” o transporte de mais pessoas nos mesmos veículos e evitar a vacância de passageiros. Do ponto de vista prático é exatamente esse o papel dos algoritmos de modulação/codificação - uma espécie de compressão dos dados. Quanto mais eficiente a compressão dos dados, mais informação (em bps) pode trafegar no meio aéreo.

No contexto das melhores técnicas de codificação, o atual padrão ​ 802.11ac ​ opera apenas na faixa de 5GHz (que é menos poluída) e suporta altos índices de modulação da ordem de 256-QAM, enquanto que o legado padrão 802.11n suporta modulação apenas da ordem de 64-QAM. Além disso, o recurso de composição de canais permite formar “canais gordos” de 40 MHz ou 80 MHz (ou mesmo 160 MHz) para atingir taxas de transmissão bem maiores. As figuras abaixo ilustram como ficou bem mais fácil fazer um planejamento de reutilização de canais de 20 MHz e de 40 MHz na faixa de 5 GHz. No entanto, apesar da possibilidade, tenha em mente que utilizar canais maiores do que 20 MHz não é uma prática recomendada em ambientes com muita densidade de clientes.

EDIÇÃO 2023: Faixa de Frequência de 6 GHz

A nova banda de 6 GHz (5.925–7.125 MHz) foi recém liberada pela Anatel para uso no Brasil através da Resolução 726/2020 e com definição de requisitos técnicos no Ato 1306/2021, permitindo o uso licenciado de mais 1.200 MHz pelos novos padrões Wi-Fi.

A nova tecnologia Wi-Fi 6E (6E != 6) implementa o padrão 802.11ax nessa nova banda de 6GHz (6E != 6). Além de haver muito mais banda na nova faixa de 6 GHz (59 canais de 20MHz, 29 de 40MHz, 14 de 80 MHz ou 7 de 160 MHz), ela é NOVA e não haverá overhead de retrocompatibilidade.

Regras de Ouro no Projeto de WLAN

Ao projetar redes wireless com maior área de cobertura onde é necessário instalar vários APs, uma premissa importante é sempre diminuir a potência de transmissão do AP, ao contrário do que muitos pensam e fazem na prática. Em média a potência padrão de transmissão dos APs é da ordem de 20 dBm (equivalente a 100mW), no entanto a potência média de transmissão da maioria dos dispositivos clientes é apenas 50% ou 25% disso. Por isso é muito ruim manter o AP com máxima potência de transsmisão, já que pode acontecer do cliente receber um ótimo sinal do AP, mas não ter potência suficiente para enviar seu sinal para o AP, o que implica em conexões de má qualidade ou mesmo na queda do link.

Além dessa premissa frequentemente ignorada, outra boa prática ainda mais importante é seguir rigorosamente os padrões de reutilização de canais apresentados nas figuras anteriores, em ambas as frequências de 2,4 GHz e 5 GHz. É extremamente prejudicial para o desempenho da WLAN que APs vizinhos estejam operando nos mesmos canais, afinal haverá muitos sinais concorrentes causando interferência.

Em síntese, existem duas regras básicas que sintetizam muito bem aquilo que devemos buscar ao projetar redes wireless em ambientes corporativos:

1. Não pode haver sobreposição de canais entre células vizinhas para minimizar a interferência entres os APs próximos;
2. Deve haver algum grau de sobreposição de células (área de cobertura) para que não haja áreas de sombra que prejudiquem o roaming, ou seja, a transição do clientes entre os diversos APs.

Tenham essas duas regras em mente e sigam os planejamentos de canais apresentados nas figuras anteriores (em 2,4 GHz e em 5 GHz) para ter sucesso na elaboração do seu projeto de WLAN!

A quantidade de APs que serão instalados vai depender do tamanho da célula no ambiente que, por sua vez, depende da potência configurada no AP. Não existe um número “mágico”, então a boa prática para dimensionar a quantidade de APs é realizar um site survey seguindo os seguintes passos:

1. instalar o primeiro AP no local;
2. diminuir a potência do AP para médio (low em ambientes densos), já que a maioria dos clientes opera com a metade ou menos da potência do AP;
3. fazer um survey para medir o alcance do sinal do primeiro AP e, portanto, identificar o limite físico da célula.

Observação: Em relação ao passo 3, no caso de ambientes com grande densidade de clientes (auditórios e arenas), em vez de identificar o limite físico da célula, a recomendação é o administrador definir um valor limite de qualidade, por exemplo -65dBm, travando logicamente essa limitação com o recurso MinRSSI. Para entender o recurso MinRSSI, recomendamos a leitura deste artigo.

Feito isso, o administrador terá identificado o “limite” da célula e saberá onde deve ser instalado o segundo AP. Esse procedimento deve ser repetido sucessivamente, assim o administrador terá idéia de quantos APs serão necessários no ambiente.

Sigam essas regras e tenham sucesso! ;-)

Desde sua fundação em 2005, a Ubiquiti atua na fabricação de dispositivos Wi-Fi. Em 2010 a empresa lançou a linha UniFi que democratizou a oferta de equipamentos Wi-Fi de nível corporativo também para as empresas de pequeno e médio porte (SMB), sendo que há alguns anos todo seu portfólio foi renovado com novos equipamentos U6. Assim como os demais produtos da empresa, a linha UniFi possui relação preço/performance imbatível, consequência de um modelo de negócios disruptivo. A Ubiquiti segue crescendo rapidamente e atualmente está posicionada entre os 4 maiores fornecedores de hardware Wi-Fi para WLAN, segundo estudo recém publicado pela IDC.

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Samuel Henrique Bucke Brito
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