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UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE
ESCOLA DE ENGENHARIA
MESTRADO EM ENGENHARIA DE TELECOMUNICAÇÕES
ARTHUR CABRAL FERNANDES GUERRANTE GOMES
CONECTIVIDADE PARA UTILIZAÇÃO DE LAPTOPS EDUCACIONAIS
NITERÓI
2010
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ARTHUR CABRAL FERNANDES GUERRANTE GOMES
CONECTIVIDADE PARA UTILIZAÇÃO DE LAPTOPS EDUCACIONAIS
Dissertação apresentada ao Curso de Mestrado
em Engenharia de Telecomunicações da
Universidade Federal Fluminense, como
requisito parcial para obtenção do Grau de
Mestre. Área de Concentração: Sistemas de
Telecomunicações
Orientador: Prof. Dr. Luiz Cláudio Schara Magalhães
NITERÓI
2010
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ARTHUR CABRAL FERNANDES GUERRANTE GOMES
CONECTIVIDADE PARA UTILIZAÇÃO DE LAPTOPS EDUCACIONAIS
Dissertação apresentada ao Curso de Mestrado
em Engenharia de Telecomunicações da
Universidade Federal Fluminense, como
requisito parcial para obtenção do Grau de
Mestre. Área de Concentração: Sistemas de
Telecomunicações
Aprovada em Julho de 2010.
BANCA EXAMINADORA
_____________________________________________________________
Prof. Dr. LUIZ CLAUDIO SCHARA MAGALHÃES - Orientador
Universidade Federal Fluminense
_____________________________________________________________
Profª. Drª. DÉBORA CHRISTINA MUCHALUAT SAADE
Universidade Federal Fluminense
_____________________________________________________________
Prof. Dr. SIDNEY CUNHA DE LUCENA
Universidade Federal do Estado do Rio de Janeiro
_____________________________________________________________
Prof. Dr. ARTUR ZIVIANI
Laboratório Nacional de Computação Científica
Niterói
2010
Dedico este trabalho a todos que acreditam que a
educação é o mais importante passo para o desenvolvimento de
um país e de sua sociedade.
AGRADECIMENTOS
Primeiramente, agradeço a minha família por me dar o apoio necessário em
todas as minhas escolhas.
Aos meus amigos Luiz Claudio, Keiji, Luana, Joanna e Bruno, por nunca
desistirem da minha amizade, apesar da minha falta de tempo.
Aos meus colegas de projeto RUCA: Leonardo Hideki, Raphael Ruiz, Douglas,
Elidiane, Thiago, Perdido, William, Jairo, Helga e Otávio.
Aos companheiros do MidiaCom: Clayton, Bruno, Rafael Valle, Álvaro,
Maurílio, Cayo, Jean, Joel, Joacir e especialmente Diego, por perder seu
precioso tempo inúmeras vezes para me ajudar nas mais diversas tarefas.
Aos companheiros uruguaios do projeto CEIBAL pela valiosa troca de
experiências.
À Luciana e Marister, por deixarem o ambiente do Midiacom sempre mais
agradável.
E aos professores Débora Muchaluat, Célio Albuquerque, Ricardo Carrano e
Luiz Claudio Schara Magalhães pelo esforço constante em prol do crescimento
e reconhecimento do nosso grupo de pesquisa.
“Anyone who tries to make a distinction
between education and entertainment doesn't
know the first thing about either“
(Marshall McLuhan)
SUMÁRIO
LISTA DE ACRÔNOMOS, p.14
1 INTRODUÇÃO, p.18
2 TRABALHOS RELACIONADOS E OBJETIVO, p.22
3 OS PAPÉIS DO GOVERNO, EMPRESAS E ESCOLAS, p.25
3.1 MODELO 1 – AUTÔNOMO, p.26
3.2 MODELO 2 – CENTRALIZADO, p.27
3.3 MODELO 3 – DESCENTRALIZADO, p.27
3.4 DETALHANDO AS AÇÕES DO GOVERNO FEDERAL, p.28
4 PLANEJAMENTO DE CONECTIVIDADE INDOOR, p.32
4.1 COBERTURA, p.33
4.2 CAPACIDADE, p.36
4.2.1 Limitação de Hardware, p.36
4.2.2 Interferência, p.37
4.3 SITE SURVEY, p.43
4.4 AUMENTANDO A CAPACIDADE E COBERTURA DA REDE, p.48
5 TECNOLOGIAS DE CONECTIVIDADE INDOOR, p.50
5.1 REDE EM MALHA, p.50
5.2 PLC – POWER LINE COMMUNICATION, p.51
5.2.1 Vantagens, p.54
5.2.2 Desvantagens, p.54
5.2.3 Testes com PowerLine Communication, p.55
5.3 CABOS IRRADIANTES, p.60
5.3.1 Vantagens, p.62
5.3.2 Desvantagens, p.63
5.3.3 Testes com Cabo Irradiante, p.63
5.4 COMPOSIÇÃO DE ANTENAS, p.66
5.4.1 Vantagens, p.71
5.4.2 Desvantagens, p.71
5.4.3 Testes com Composição de Antenas, p.71
5.5 HOME PNA, p.73
5.5.1 Vantagens, p.75
5.5.2 Desvantagens, p.75
5.6 ETHERNET, p.75
5.6.1 Vantagens, p.76
5.6.2 Desvantagens, p.76
5.7 CONCLUSÃO SOBRE CONECTIVIDADE INDOOR, p.77
6 PLANEJAMENTO DE CONECTIVIDADE OUTDOOR, p.82
6.1 ANTENAS, p.83
6.2 PONTOS DE ACESSO, p.86
6.3 CABOS, CONECTORES, CAIXA HERMÉTICA E ALIMENTAÇÃO, p.87
6.4 AUMENTADO CAPACIDADE – MÚLTIPLOS APs, p.90
6.5 AUMENTANDO COBERTURA – REDES MESH ESPARSAS, p.91
7 TESTES DE CONECTIVIDADE OUTDOOR, p.94
7.1 TESTE DE COBERTURA PARA VARIADOS TIPOS DE ANTENAS, p.95
7.2 TESTES EM REDES MESH ESPARSAS, p.99
7.2.1 Teste de mesh outdoor, p.100
7.2.2 Testes de mesh indoor, p.101
7.2.3 Testes de mesh indoor, p.109
7.3 CONCLUSÃO SOBRE CONECTIVIDADE OUTDOOR, p.114
8 MATERIAL DIDÁTICO, p.118
9 SOFTWARE DE APOIO – bESTPLACE, p.122
9.1 FUNCIONAMENTO BÁSICO, p.123
9.2 ARQUITETURA DO SOFTWARE, p.125
9.3 INSTALAÇÃO, p.127
9.4 UTILIZAÇÃO, p.129
9.5 CONSIDERAÇÕES FINAIS SOBRE O BP, p.136
10 TRABALHOS FUTUROS, p.137
11 CONCLUSÕES, p.140
12 REFERÊNCIAS, p.143
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Nós dentro da Zona de Transmissão, p.38
Figura 2 - Problema do Nó Escondido, p.39
Figura 3 - Interferência de longo alcance, p.40
Figura 4 - Relação Sinal-Ruído x Taxa de erro de bits para diferentes níveis de modulação,
p.42
Figura 5. Canais sobrepostos, p.47
Figura 6 – Instalação de uma rede usando PLCs, p.53
Figura 7 – Instalação de uma rede usando adaptador PLC com Ponto de Acesso integrado,
p.53
Figura 8 - Configuração do teste 1, p.57
Figura 9 - Influência da distância na qualidade da rede, p.57
Figura 10 - Configuração do teste 2, p.58
Figura 11 - Influência de descontinuidades na qualidade da rede, p.58
Figura 12 - Configuração do teste 3, p.59
Figura 13 - Influência de cargas na qualidade da rede, p.60
Figura 14 - Desenho de um Cabo Irradiante, p.60
Figura 15 - Cabo Irradiante com conector e terminador, p.61
Figura 16 - Cabo Irradiante com terminador casado, p.62
Figura 17 - Cabo Irradiante sem terminador, p.62
Figura 18 - Cabo Irradiante RCF12-50JFN, p.63
Figura 19 - AP com antena padrão, p.64
Figura 20 - AP com cabo irradiante, p.64
Figura 21 - Composição de antenas com divisor de potência, p.67
Figura 22 - Composição de antenas com acoplador desbalanceado, p.68
Figura 23 - Composição de antenas com amplificador, p.69
Figura 24 - Esquema com Amplificadores e Circuladores, p.70
Figura 26 - Cabo irradiante com antena de 12dBi, p.72
Figura 27 - Adaptador HomePNA PCI, p.73
Figura 28 - Adaptador HomePNA externo, p.73
Figura 29 - Arquitetura do Home PNA, p.74
Figura 30 - Metodologia de planejamento de rede sem fio, p.79
Figura 31 - Cobertura outdoor, p.82
Figura 32 - Padrão de irradiação de uma antena omni-direcional de baixo ganho, p.84
Figura 33 - Padrão de irradiação de uma antena omni-direcional de alto ganho, p.84
Figura 34 - Padrão de irradiação de uma antena setorial, p.85
Figura 35 – Padrão de irradiação de uma antena direcional, p.85
Figura 36 – Lóbulo secundário traseiro de uma antena direcional, p.85
Figura 37 - Diagrama de irradiação direcional, p.86
Figura 38 – R-SMA Fêmea, p.88
Figura 39 – RP-TNC Fêmea, p.88
Figura 40 – N-Macho, p.88
Figura 41 – N-Fêmea, p.88
Figura 42 – Cabo RG-58, p.89
Figura 43 – Cabo RG-213, p.89
Figura 44 – Caixa hermética e haste da antena, p.90
Figura 45 - A rede esparsa, p.92
Figura 46 – Omni-direcional 8 dBi, p.96
Figura 47 – Omni-direcional 12 dBi, p.96
Figura 48 – Setorial 12 dBi 60°, p.97
Figura 49 – Setorial 12 dBi 90 °, p.97
Figura 50 – Direcional 19 dBi, p.98
Figura 51 - Cenário de teste na Vila Planetário, p.100
Figura 52 – Primeiro testbed com 12 laptops, p.102
Figura 53 - Formação de 2 nuvens no primeiro testbed, p.103
Figura 54 - Segundo testbed com 12 laptops, p.104
Figura 55 - Formação de 1 nuvem no segundo testbed, p.104
Figura 56 - Resultados do teste de potência, p.108
Figura 57 - Disposição dos nós de testes no Prédio da Engenharia – UFF, p.110
Figura 58 - Rede mesh com antena externa nas casas, p.116
Figura 59 - Uso de repetidores mesh, p.117
Figura 60 – Cartilha Introdução, p.120
Figura 61 – Cartilha Redes sem fio, p.120
Figura 62 – Cartilha Propagação de ondas, p.120
Figura 63 – Cartilha Antenas, p.120
Figura 64 – Cartilha Planejamento de instalação, p.121
Figura 65 – Cartilha Configuração do ponto de acesso, p.121
Figura 66 – Cartilha Segurança, p.121
Figura 67 – Cartilha Projetos de redes sem fio, p.121
Figura 68. Requisição de captura de beacons do servidor aos clientes, p.124
Figura 69. Requisição de resultados do servidor aos clientes, p.125
Figura 70 - Arquitetura do BP, p.126
Figura 71. Janela inicial do programa BestPlace, p.130
Figura 72. Preenchimento do campo “Laptops (IP:Local)”, p.130
Figura 73. Preenchimento do campo “Local do AP”, p.131
Figura 74 - Preenchimento do campo “Nome da Rede” para rede indoor, p.132
Figura 75 - Preenchimento do campo “Nome da Rede” para rede outdoor, p.132
Figura 76. Tela de captura iniciada, p.132
Figura 77. Janela de resultados do ponto “corredor (p1)”, p.133
Figura 78. Preenchimento do campo “Local do AP” com a nova localização do AP, p.134
Figura 79. Janela de resultados dos pontos “corredor (p1)” e “corredor (p2)”, p.135
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Taxa x Alcance, p.35
Tabela 2. Canais em que opera a frequência 802.11b/g, p.46
Tabela 3 - Comparação dos resultados com e sem Cabo Irradiante, e com Cabo e Antena
juntos, p.65
Tabela 4 - Comparação dos resultados sem cabo irradiante e com cabo irradiante com antena,
p.72
Tabela 5 - Simulação de capacidade da rede, p.78
Tabela 6 – Perda e Vazão para teste de conectividade indoor 1, p.105
Tabela 7 - Latência, Perdas e Vazão na Caracterização da rede fixa, p.111
Tabela 8 - Caminhos escolhidos na Caracterização da rede fixa, p.111
Tabela 9 - Latência, Perdas e Vazão na caracterização da mobilidade sobre rede fixa, p.112
Tabela 10 - Caminhos escolhidos no impacto da mobilidade sobre a rede fixa, p.113
Tabela 11 - Arquivos, localização e permissão, p.128
LISTA DE ACRÔNOMOS
ADSL – Assymetric Digital Subscriber Line
ANATEL – Agência Nacional de Telecomunicações
AP – Access Point
BP - BestPlace
CEIBAL – Conectividad Educativa de Informática Básica para el Aprendizaje en Línea
CenPRA - Centro de Pesquisa Renato Archer
CERTI – Centros de Referência em Tecnologias Inovadoras
CSMA – Carrier Sense Multiple Access
CTS – Clear to Send
DS – Distribution System
ESR – Escola Superior de Redes
FUST – Fundo de Universalização dos Serviços de Telecomunicações
GISELE – Gerenciamento de Infraestrutura e Serviços em Larga Escala
GNU - GNU is Not Unix
HPNA – Home Phoneline Networking Alliance
HTML – HyperText Markup Language
IEEE – Institute of Electrical and Electronics Engineers
IP – Internet Protocol
ISM – Industrial, Scientific and Medical
LAN – Local Area Network
LEC – Laboratório de Estudos Cognitivos
LIA – Laboratório de Interação Avançada
LID – Laboratório de Inclusão Digital
LNA – Low Noise Amplificator
LSI – Laboratório de Sistemas Integráveis
MANET – Mobile ad hoc network
MEC – Ministério da Educação e Cultura
OLPC – One Laptop Per Child
PC – Personal Computer
PCI – Peripheral Component Interconnect
PLC – PowerLine Communication
PLIC – PowerLine Indoor Communication
PLOC – PowerLine Outdoor Communication
PoE – Power over Ethernet
RFMS – RF Management System
RFS – Radio Frequency Systems
RNP – Rede Nacional de Pesquisa
RSN – Relação Sinal-Ruido
RSSI - Received signal strength indication
RTS – Request to Send
RUCA – Redes de Um Computador por Aluno
SLA – Service Level Agreement
SERPRO - Serviço Federal de Processamento de Dados
SOHO – Small Office Home Office
SSID – Service Set Identification
TCP – Transport Control Protocol
TIC – Tecnologias de Informação e Comunicação
UCA – Um Computador por Aluno
UDP – User Datagram Protocol
UFF – Universidade Federal Fluminense
USP – Universidade de São Paulo
UFRGS – Universidade Federal do Rio Grande do Sul
UFSCar – Universidade Federal de São Carlos
WDS – Wireless Distribution System
WEP – Wired Equivalent Privacy
Wi-Fi – Wireless Fidelity
Wimax – Worldwide Interoperability for Microwave Access
WMN – Wireless Mesh Network
RESUMO
Este trabalho descreve parte dos estudos do Projeto RUCA, que é parte do Projeto
UCA (“Um Computador por Aluno”), e lida com os aspectos técnicos de TIC deste projeto
(em contraste com os aspectos pedagógicos do uso de laptop nas escolas, estudado por outras
vertentes do UCA).
Neste trabalho são citadas outras iniciativas, como o Projeto CEIBAL no Uruguai, o
Magalhães em Portugal, e projetos espalhados pelos Estados Unidos, de forma a tirar proveito
das experiências já vividas por eles, e ao mesmo tempo aprofundar no estudo técnico sobre a
infraestrutura de rede necessária para que projetos deste tipo atinjam todo o seu potencial.
A ênfase deste trabalho será no estudo dos desafios, e possíveis soluções, para
instalação de uma infraestrutura de rede sem fio, utilizando a tecnologia Wi-Fi, para dois
ambientes: indoor, para que os estudantes e professores possam utilizar a rede em ambiente de
sala de aula; e outdoor, possibilitando o acesso à rede da escola, e à Internet, para os
estudantes de suas próprias casas ou arredores da escola.
Devido às dimensões geográficas e populacionais do Brasil, que demandam um
grande número de escolas, e na forma a qual a gerência das escolas é dividida em diferentes
esferas de governo, este trabalho sugere o uso de um modelo de gestão descentralizado, onde
a contratação das empresas responsáveis pelo projeto e instalação da rede sem fio seja feita
pelos governos Estaduais e Municipais. O presente trabalho oferece estudos que podem ser
usados pelo Governo Federal para elaborar diretrizes e regras que devem ser seguidas pelos
elaboradores dos editais para a contratação da instalação da rede, e também um software, o
BestPlace, que pode ser usado para facilitar e tornar mais barata a instalação de redes sem fio
nas escolas públicas do Brasil.
ABSTRACT
This thesis describes some aspects of the RUCA project which is part of the UCA
(“Um Computador por Aluno” – A Computer per Student) Project, and deals with its
technical ICT aspects (in contrast to the pedagogical aspects of deploying laptops at schools,
covered by UCA).
The work also describes aspects of other initiatives, like the CEIBAL project in
Uruguay, the Magalhães project in Portugal and independent projects in USA. The study
revealed the similar needs in all the deployments, and also showed the lack of research on the
specific network infrastructure to be deployed, which is extremely important for allowing
those projects reach their full potential.
The emphasis of this work is on the study of the challenges and the possible solutions
for installing an wireless network infrastructure, using Wi-Fi technology, for two kinds of
scenarios: indoor, for the usage in classroom by the students and teacher; and outdoor,
allowing Internet access for students inside their own houses, if they live near the school.
Due to Brazil’s physical size and population, which demand a large number of
schools, and the way responsibilities are divided among its different levels of government,
this work suggest the adoption of a decentralized administration model when hiring the firms
to design and install the wireless network, by State and Municipal governments. The present
work offers studies that can be used by the Federal Government to set guidelines and rules
that should be followed by the public bidding process, and also the BestPlace tool, which was
developed to make the task of installing the access points in the Brazilian public schools
easier and cheaper.
1 INTRODUÇÃO
É comum associar-se o nível de desenvolvimento de um país ao nível de educação da
sua população. Uma das idéias que vem sendo mais discutidas ultimamente é o uso de
computadores na educação para auxílio nas atividades pedagógicas e familiarização dos
estudantes com tecnologias de TI, tão importantes nos dias atuais. Os aspectos pedagógicos
desta idéia já vêm sendo discutidos academicamente há bastante tempo, mas a tecnologia
necessária ainda não estava suficientemente madura para grandes implantações. Hoje, com o
amadurecimento da tecnologia, diversos países, como Uruguai e Portugal, embarcaram neste
projeto.
Em algumas implantações pelo mundo, verificou-se que o uso de laptops em sala de
aula poderia, pelo menos, motivar os estudantes, diminuindo a evasão escolar e aumentando a
atenção às aulas. Apesar de depender, em grande parte, da preparação dos professores para
utilizar o potencial do laptop em sua plenitude, é possível trazer mais elementos para o
processo de aprendizado em sala de aula, estimular o potencial criativo dos alunos e tornar
acessível a estes um grande acervo de informações através da grande rede mundial (World
Wide Web). O pioneiro neste campo foi a organização sem fins lucrativos OLPC (One Laptop
Per Child) [1], que desenvolveu o laptop de baixo custo XO, e vislumbrou o seu uso como
uma ferramenta educacional.
A OLPC está baseada em três premissas [1]:
• Aprendizagem e educação de qualidade para todos são essenciais para
alcançarmos uma sociedade justa, equitativa, econômica e socialmente viável;
• Acesso a laptops móveis em escala suficiente oferecerá reais benefícios para o
aprendizado e proporcionará extraordinárias melhorias em escala nacional;
19
• Enquanto os computadores continuarem sendo desnecessariamente caros, esses
benefícios continuarão sendo privilégios para poucas pessoas.
A iniciativa da OLPC de desenvolver um laptop de baixo custo e customizado para
educação, despertou o desejo de inúmeros Chefes de Estado de comprá-los para as escolas de
seus países. O Peru e o Uruguai compraram XOs para serem usados por suas crianças nas
escolas. Alguns outros países, como o Paquistão e a Mongólia, receberam os laptops através
de doações. O Uruguai, recentemente, concluiu a distribuição de 350 mil laptops a todos os
estudantes da rede pública, sendo o primeiro país a atingir tal meta.
Outras grandes empresas do ramo, vislumbrando o mercado potencial que estava
emergindo, também desenvolveram laptops de baixo custo. Um segundo ramo de dispositivos
criado, inspirado na iniciativa da OLPC, são os netbooks, que não precisam ser
necessariamente usados para educação. Mas o mercado da educação já é, por si só, enorme.
Em Portugal, por exemplo, o laptop Classmate, desenvolvido pela Intel, venceu o processo
licitatório, foi rebatizado como Magalhaes e está sendo usado nas escolas portuguesas. Na
disputa licitatória para escolha do laptop que será utilizado no Brasil, o Classmate também foi
o vencedor, levando vantagem sobre o Mobilis, da indiana Encore. O laptop XO não
participou do certame brasileiro por falta de competitividade, devido aos altos impostos
submetidos a equipamentos eletrônicos importados.
Além da questão pedagógica, a distribuição, manutenção e aplicação dos laptops
demandam soluções logísticas bem definidas e planejadas. Da mesma forma, é necessário
prover soluções de gerenciamento e monitoramento, e uma complexa infraestrutura de rede
sem fio nas escolas. O conjunto de soluções desenvolvido por diferentes países podem ser
muito distintas, devido à situação econômica, geográfica, demográfica e política de cada um.
Para estudar a viabilidade do uso dos laptops educativos nas escolas do Brasil, foi
lançado o Projeto UCA (Um Computador por Aluno), onde diversos projetos paralelos,
instanciados em universidades e institutos de pesquisa, estudam os aspectos pedagógicos e
técnicos desse desafio.
Algumas instituições focam o aspecto pedagógico, como LSI (Laboratório de Sistemas
Integráveis – USP) e o LEC (Laboratório de Estudos Cognitivos - UFRGS), onde já foram
feitos trabalhos de introdução do uso de laptops em escolas. Os institutos propõem atividades,
desenvolvem softwares educativos, preparam professores, avaliam a adaptação das crianças
aos laptops, e o quanto estes estão colaborando para o aprendizado. O LIA (Laboratório de
Interação Avançada - UFSCar) também vem desenvolvimento softwares educativos.
Outros projetos dedicam-se a questões mais técnicas, como o CERTI (Centros de
Referência em Tecnologias Inovadoras) e o CenPRA (Centro de Pesquisa Renato Archer). O
primeiro vem trabalhando na elaboração de softwares de gerenciamento. O SERPRO (Serviço
Federal de Processamento de Dados) foi incumbido de realizar testes de hardware e software.
O projeto RUCA (Redes de Um Computador por Aluno), também pertence à vertente técnica
do UCA, e foi criado, sob a responsabilidade da RNP (Rede Nacional de Ensino e Pesquisa),
para dar apoio ao projeto nas questões relacionadas à rede.
O projeto RUCA teve seu início em 2007, e recebeu contribuição de diversas
universidades federais, sob a coordenação técnica da UFF (Universidade Federal
Fluminense). Naquela época, redes mesh, especialmente a proposta pela OLPC (baseado no
IEEE 802.11s [2]), eram pouco conhecidas, e sua eficiência e aplicabilidade deveriam ser
provadas. Havia a expectativa de que as redes mesh poderiam ser usadas tanto para a rede
indoor, minimizando o número de pontos de acessos necessários, quanto para a rede outdoor,
objetivando a inclusão digital da vizinhança da escola. O objetivo principal, então, era testar a
rede mesh dos laptops XO, para dois cenários distintos: dentro de sala de aula; e para inclusão
digital (nas casas dos estudantes). Deles decorrem dois tipos de redes: densa e esparsa.
O RUCA investigou questões relacionadas à conectividade e infraestrutura necessárias
para o laptop XO. Diversos testes foram realizados e eles foram divididos em três partes [3]:
• Capacidades básicas do laptop e detalhamento sobre sua interconexão com a
infraestrutura
• Desempenho da rede em ambientes com alta densidade de laptops
• Desempenho da rede em ambientes com baixa densidade de laptops
Como o governo brasileiro estava em processo de compra de 150 mil laptops
educacionais para um piloto abrangendo 300 escolas públicas, o projeto RUCA foi, então,
estendido para uma segunda fase (RUCA 2), e se propôs a desenvolver métodos para prover
infraestrutura de TIC (Tecnologia da Informação e Comunicação) a essas escolas, e,
futuramente, cobrir toda a rede pública de ensino. O RUCA 2 também se preocupou em
conceber uma metodologia de instalação, manutenção dos servidores, gerenciamento e
monitoramento da rede das escolas de forma mais automatizada e econômica possível, sem
prejudicar a qualidade dos serviços.
Tendo em vista que as classes mais pobres da população brasileira - principais
beneficiárias das escolas públicas – ainda possuem acesso discado à Internet, ou nenhum
acesso, seria deveras interessante se as escolas pudessem oferecer conectividade, fora do
horário de aula, à sua vizinhança (casas próximas, praças, etc.) através da instalação de uma
antena no seu topo. Conciliar informatização das escolas e inclusão digital parece altamente
sinergético. Desta forma, um aluno, que possua o laptop educacional, poderia obter o acesso
sem fio à rede em praças ou em suas próprias casas, desde que esteja próximo à escola. Além
dos ganhos educacionais da inclusão digital, o provimento de conexão à Internet para a
comunidade vizinha à escola pode trazer outros tipos de impacto, como: maior acesso a
informação para os familiares dos estudantes e dinamização da economia local, já que a
inserção na rede mundial de computadores se reflete também na inserção em um novo
mercado consumidor e produtor. O RUCA 2 também estudou a viabilidade técnica desta
proposta.
Atualmente, está em vigor o projeto RUCA 3, onde a RNP (Rede Nacional de Ensino
e Pesquisa), aproveitando os conhecimentos obtidos nas duas primeiras fases do RUCA,
coordena gerencialmente e tecnicamente a implantação das redes sem fio indoor nas 300
escolas públicas. Também está nos planos do Governo Federal a implantação da rede sem fio
outdoor, mas esta ficará para uma próxima etapa.
O presente trabalho detalha alguns dos tópicos que foram estudados durante o projeto
RUCA 2, para implantação em larga escala de infraestrutura de TIC para laptops
educacionais. São do escopo deste trabalho: planejar a cobertura de rede sem fio dentro das
escolas para prover acesso à Internet, ou ao servidor da escola, aos laptops dos alunos e
professores; e planejar a cobertura de rede sem fio na vizinhança das escolas, para inclusão
digital.
O trabalho está organizado da seguinte forma: o Capítulo 2 mostra trabalhos
relacionados ao projeto UCA; o Capítulo 3 detalha os papéis do Governo, empresas e
funcionários das escolas na implantação do projeto RUCA; os capítulos 4 e 5 mostram
estudos e testes de tecnologias que podem ser usadas na conectividade sem fio dentro da
escola (indoor); os capítulos 6 e 7 mostram estudos e testes de tecnologias que podem ser
usadas na conectividade sem fio à vizinhança da escola (outdoor); materiais didáticos
produzidos para funcionários e autoridades locais são mostrados, de forma sintética, no
Capítulo 8; o Capítulo 9 apresenta o software BestPlace que pode ser usado no planejamento
de instalação de rede sem fio indoor e outdoor; trabalhos futuros são propostos no Capítulo
10; e por último, conclusões sobre o trabalho são feitas no Capítulo 11.
2 TRABALHOS RELACIONADOS E OBJETIVO
Diversos trabalhos relatam o planejamento, experiência de uso de laptops
educacionais nas escolas e os impactos pedagógicos e sociais, em vários países do mundo.
O artigo “Seeing No Progress, Some Schools Drop Laptops”, publicado no New York
Times [4], posiciona-se de maneira cética à adoção de projetos do tipo “um computador por
aluno” (one-to-one computing enviroments). O texto mostra estudos de institutos americanos e
depoimentos de diretores de escola criticando os custos envolvidos, os reais benefícios
pedagógicos, a baixa aceitação por parte dos professores, e constantes defeitos nos
dispositivos e na rede.
No entanto, em [5], o autor enfatiza que os objetivos, experiências, receptividade e
resultados de um projeto deste tipo podem variar bastante em função da escola ou sociedade
beneficiária. O que pode ter um impacto baixo em um país desenvolvido como os EUA, em
que os alunos já estão inseridos digitalmente, e os professores possuem uma mentalidade mais
conservadora, pode seguir um caminho diferente em países com menor nível de
desenvolvimento, como o Brasil e Uruguai.
O mesmo trabalho, através das lições aprendidas com o uso de laptops em escolas de
variados estados e províncias dos Estados Unidos, apresenta uma abordagem sistêmica
considerada fundamental para o sucesso do projeto, evitando os problemas evidenciados em
[4]. Tal abordagem divide as etapas de implantação do projeto em cinco áreas: Planejamento,
Treinamento e Desenvolvimento Profissional, Hardware e Software, Gerência de Transição, e
Monitoramento e Avaliação do Programa. Dentre os pontos mais importantes, o trabalho
lista: produção de conteúdo digital e softwares didáticos, e padronização desses últimos para
redução de custo e facilitação do planejamento de treinamento de uso; uso de múltiplas fontes
de financiamento, através de parcerias com empresas privadas e outras esferas de governo;
elaboração de um termo de conduta para o uso apropriado do laptop pelos estudantes e
familiares; parceria com universidades no treinamento dos professores, alunos e familiares,
para que eles possam usufruir melhor os recursos computacionais. As Universidades também
poderiam colaborar com estudos de casos, realimentando o sistema com informações que
possam ser úteis nos planejamentos futuros; importância de uma rede operacional e constante
manutenção do sistema; escolher escolas voluntárias para elaboração de projeto piloto, e
utilizá-las, posteriormente, como casos de sucesso para incentivo às outras escolas na
aceitação do projeto; e utilização gradual dos equipamentos em sala de aula, para uma
adaptação menos traumática no sistema de ensino.
Estudos sobre utilização de dispositivos de comunicação sem fio em sala de aula para
tornar a aula mais interativa, e, com isso, aprimorar e dinamizar a experiência de aprendizado
dos estudantes é o escopo de [6]. Em [7], é apresentado o projeto ENLACE, em que é tirado
proveito da mobilidade dos dispositivos computacionais sem fio para realizar trabalhos de
campo. Outros estudos, como apresentados em [8], vislumbram os possíveis impactos sociais
e econômicos que a distribuição de laptops educacionais para famílias pobres, no Brasil,
podem causar em suas comunidades.
A experiência de uso dos laptops XO no projeto CEIBAL, do Uruguai, são detalhadas
em [9] e [10]. Os dois trabalhos tratam com otimismo o impacto pedagógico e social da
distribuição dos laptops aos estudantes da rede pública daquele país. Dentre os pontos
positivos, são citados: o aumento da colaboração e troca de informações entre os alunos
dentro de sala de aula; e o aumento de interesse, tanto dos alunos, quanto dos familiares, pela
leitura e produção de conteúdos. Em [10], também é exposta a preocupação no treinamento
dos professores para que eles saibam lidar com o excesso de informações presentes na
Internet, sabendo identificar fontes confiáveis de conteúdo. Um ponto negativo lembrado nos
dois trabalhos é a fragilidade de alguns componentes de hardware do laptop XO.
Um ponto em comum entre a maioria dos trabalhos já publicados é a falta de
detalhamento sobre os desafios técnicos, e propostas de soluções, para provimento de
conectividade sem fio a estes laptops. Apesar de vários trabalhos apontarem a conectividade
como ponto crucial para o sucesso do projeto, eles enfocam, com maior ênfase, as questões
pedagógicas, logísticas e de gestão. Algumas exceções são: [11], que propõe o uso de uma
infraestrutura de backbone sem fio, utilizando redes mesh, para interligação dos pontos de
acesso dentro das escolas; e o artigo [12], que mostra estudos e alternativas para provimento
de conectividade dentro e fora das escolas públicas brasileiras, para utilização de laptops
educacionais em ambiente de aula, e para inclusão digital, respectivamente. O trabalho
também propõe uma plataforma de gerenciamento e monitoramento centralizado e
automatizado, baseado no PlanetLab [13] e [14], que pode reduzir consideravelmente os
custos e o tempo de implantação e manutenção do sistema.
Esta dissertação buscará através da apresentação dos trabalhos produzido pelo Projeto
RUCA aprofundar os temas discutidos em [12] no que tange conectividade indoor e outdoor,
suprir a carência na literatura de estudos técnicos relacionados às configurações e
infraestrutura de rede sem fio para cenários similares ao do Projeto UCA, discutir as
responsabilidades das diferentes esferas de poder no Brasil na gestão do Projeto e propor
aplicações dos estudos técnicos apresentados levando em consideração os diferentes modelos
de gestão que podem ser utilizados.
3 OS PAPÉIS DO GOVERNO, EMPRESAS E ESCOLAS
Um projeto de implantação em larga escala de infraestrutura de TIC para laptops
educacionais, como o UCA, pode ser dividido em um conjunto de ações:
• Conexão da escola à Internet
• Compra de equipamentos de TIC
• Projeto de conectividade sem fio dentro da escola
• Projeto de conectividade sem fio para a vizinhança da escola (Inclusão Digital)
• Instalação da infraestrutura de TIC necessária
• Treinamento dos funcionários das escolas
• Gerenciamento e monitoramento da infraestrutura instalada
• Manutenção e Suporte
Cada uma destas ações deve ser delegada aos agentes responsáveis: órgãos
governamentais (federais, estaduais ou municipais), operadoras ou empresas de projetos em
telecomunicações e aos funcionários das escolas. A atribuição das ações aos agentes varia de
acordo com o modelo de gestão de projeto que for adotado pelo País.
É importante que a definição do modelo seja feita na primeira etapa do projeto, de
modo que parte das ações possa ser feita em paralelo. Sem uma definição prévia do modelo a
ser adotado, muitas tarefas podem sofrer atraso apenas pelo fato de elas ainda não estarem
delegadas a um agente específico.
Neste capítulo serão apresentados três possíveis modelos, que se distinguem pelo grau
de centralização no Governo Federal da condução do projeto. Será apresentado o modelo
utilizado pelo Uruguai, o país em que o projeto de uso de laptops educacionais nas escolas
está mais avançado, um modelo que foi pensado no início do projeto UCA e um terceiro
modelo, que é posto por este trabalho como o mais apropriado para o Brasil.
3.1 MODELO 1 – AUTÔNOMO
Neste modelo, o Governo Federal ficaria responsável por licitar apenas a compra de
equipamentos que serão necessários: laptops, pontos de acesso, servidor da escola, etc. Os
equipamentos seriam entregues às escolas, e estas ficariam responsáveis pela instalação da
rede sem fio. Esta proposta de modelo foi levantada durante os fóruns de discussão e
workshops do projeto UCA para tornar o processo de implantação de redes sem fio mais
rápido e barato, pois evitaria entraves burocráticos para repasse de verbas e contratação de
empresas para elaboração de projetos e instalação. Portugal usa um modelo similar a esse.
No entanto, como os funcionários das escolas não têm conhecimento técnico em redes
de computadores, algumas iniciativas precisariam ser tomadas pelo Governo para auxiliá-los a
executar tal tarefa sem que a qualidade do projeto seja prejudicada, tais como:
• Elaboração de modelos de projeto que possam satisfazer uma porcentagem
relevante das escolas, sendo necessários apenas pequenos ajustes para sua
adequação a cada escola.
• Provimento de ferramentas de software que facilitem o processo de instalação.
• Material didático explicando o básico do funcionamento e conceitos de
planejamento de instalação de redes sem fio.
A conexão da escola à Internet seria provida pelas operadoras locais através de um
acordo com o Governo Federal, que será explicado adiante.
A tendência é que esse modelo não seja adotado como padrão, devido à baixa
aceitação dos funcionários das escolas ao mesmo – deveria haver um esforço de aprendizado
técnico de uma área completamente alheia ao seu trabalho. Ao mesmo tempo, há a
possibilidade de que, mesmo com os softwares de apoio, projetos pré-moldados e material
didático, os funcionários não sejam capazes de montar uma rede funcional, pondo em risco o
projeto como um todo, já que a conectividade é um ponto crucial para o macroprojeto
educacional.
No entanto, nada impede que o Modelo Autônomo seja usado em conjunto com algum
outro modelo. Por exemplo, se a entrega dos equipamentos for feita antes do projeto daquela
escola, e esta possua algum funcionário com domínio técnico suficiente ou colaboradores que
o tenha, ela poderá adiantar-se ao processo e instalar os equipamentos, ganhando um tempo
de espera que poderia ser longo.
Mesmo que esse cenário possa parecer improvável, se ele corresponder a 1% dos
casos – porcentagem plausível, já que muitas escolas possuem técnicos em informática –, isso
já representaria uma considerável economia ao Governo, devido à dimensão do projeto.
3.2 MODELO 2 – CENTRALIZADO
Este é o modelo utilizado pelo Uruguai. A idéia básica é centralizar a criação de
projetos e terceirizar a instalação. O Governo Federal é o responsável por licitar a compra dos
equipamentos e o serviço de instalação dos projetos de rede. O Governo também assume
grande parte das outras ações necessárias.
A conexão da escola com a Internet é dada através da operadora de telecomunicações
estatal, e o projeto da infraestrutura de rede, assim como a manutenção da mesma, é feita pelo
projeto CEIBAL (Conectividad Educativa de Informática Básica para el Aprendizaje em
Línea) [15], órgão criado pelo Governo Uruguaio especificamente para o projeto.
Este modelo é perfeitamente adaptável ao Uruguai, que possui dimensões geográficas
e populacionais pequenas. No entanto, para o Brasil, a instalação da rede sem fio em todas as
escolas públicas do País pode ser um processo extremamente caro e demorado caso o
Governo assuma a tarefa de realizar um projeto customizado para cada uma, como no
Uruguai.
A diferença de organização política entre os dois países é outro fator que sugere a
adoção de práticas distintas. O Uruguai possui apenas duas esferas de Poder (federal e
municipal), tornando mais simples a condução, por parte do Governo Federal, das questões
burocráticas e ideológicas do projeto. Além do mais, todas as escolas públicas do Uruguai
estão sob administração do Governo Federal. No Brasil, devido às três esferas de Poder
(federal, estadual e municipal), tanto os Estados como os Municípios possuem uma
independência maior na construção de seus modelos educacionais. Na prática, o Brasil possui
escolas públicas sob administração das três esferas, e cada uma com suas próprias ideologias
pedagógicas e condutas administrativas.
3.3 MODELO 3 – DESCENTRALIZADO
O modelo proposto por este trabalho como sendo o ideal para o Brasil é o
descentralizado. Neste modelo, o Governo Federal seria o encarregado de licitar a compra de
equipamentos que serão obrigatoriamente necessários e que não dependam do modelo de
conectividade escolhido: laptops e servidores da escola. Já o encargo de licitar os serviços de
elaboração do projeto e instalação da infraestrutura de TIC nas escolas seria feito pela
instância governamental responsável por cada uma delas. Por exemplo, os Governos estaduais
licitariam a contratação de empresas para criação do projeto e instalação dos equipamentos
nas escolas públicas estaduais.
Para que o Governo Federal continue tendo controle sobre o andamento do projeto, as
licitações das instâncias inferiores devem seguir diretrizes e normas estabelecidas por ele. Far-
se-ia então um convênio entre os Governos. Nesse convênio, a liberação de verbas para a
contratação dos serviços estaria completamente atrelada ao cumprimento das regras e modelos
técnicos estabelecidos pela instância superior do Governo.
A principal motivação para a exigência de tais regras é evitar que os Governos
estaduais e municipais fujam das diretrizes traçadas para o projeto, ou que produzam editais
falhos que resultariam em aumento de custos e, até, na inviabilidade técnica de implantação
do projeto em sua plenitude.
A conectividade da escola com a Internet dar-se-ia da mesma forma do Modelo
Autônomo. O acordo entre as operadoras locais e o Governo Federal será explicado adiante.
3.4 DETALHANDO AS AÇÕES DO GOVERNO FEDERAL
Esta seção visa a descrever, com mais detalhes, o papel do Governo Federal na
preparação da infraestrutura de TIC das escolas públicas para o uso de laptops educacionais.
Serão considerados apenas os Modelos Autônomo e Descentralizado, que podem ser usados
juntos para o cenário brasileiro, mas a ênfase será dada ao último, visto como ideal pelo
presente autor.
O papel do Governo Federal deve ir muito além da licitação para compra dos
equipamentos. A questão do provimento de banda larga às escolas públicas, por exemplo, já
foi equacionada através de um acordo entre o Governo Federal e as operadoras de
telecomunicações. As operadoras estão utilizando as verbas do FUST (Fundo de
Universalização das Telecomunicações) – fundo governamental mantido através da cobrança
de uma taxa de 1% sobre o valor das contas de telefonia fixa desde 2000 e criado para
subsidiar investimento em telecomunicações em lugares remotos do País – para prover
conexão ADSL (Asymetric Digital Subscriber Line) em banda larga a todas as escolas do
Brasil. O Governo considera que, no momento, esse é o uso mais adequado para o fundo. O
acordo assegura que até o final de 2011 todas as escolas do Brasil sejam contempladas com a
banda máxima comercializada no local, o que hoje dificilmente ultrapassa 1 Mbps.
No Modelo Autônomo, foi listada uma série de ações atribuídas ao Governo para
auxiliar os funcionários das escolas na instalação dos equipamentos de TIC. Caso o Governo
Federal opte por profissionalizar a execução dos projetos de infraestrutura de rede nas escolas,
seguindo o Modelo Descentralizado, o produto dessas atividades, com algumas alterações,
pode ser útil para diversos propósitos:
• Planejamento de conectividade
O Governo deve realizar estudos sobre os desafios de um projeto em larga escala de
conectividade sem fio para dentro (indoor) e fora da escola (outdoor). Questões como o
levantamento dos possíveis cenários arquitetônicos das escolas brasileiras, a metodologia de
elaboração de projeto para cada cenário, o comportamento do usuário quanto à mobilidade e
requisito de banda, a área de cobertura externa à escola que deve ser contemplada e
tecnologias que podem ser usadas para auxiliar a conectividade, servirão como base para que
o Governo Federal determine as regras e diretrizes que os Governos estaduais e municipais
devem seguir na contratação dos serviços.
A centralização do planejamento de conectividade também traria o benefício de
padronizar os projetos, facilitando o gerenciamento da rede depois de instalada, evitando que
o resultado final do projeto oferecido pela empresa contratada não se alinhe às necessidades
do cenário da escola, ou aos custos do Governo Federal, e garantindo certos requisitos de
funcionamento. O papel do Governo Federal, desta forma, seria a de órgão de normatização
para uma execução descentralizada.
• Material didático
De forma semelhante ao Modelo Autônomo, a geração de conteúdo didático
continuaria tendo valia, já que é importante que os funcionários das escolas tenham
familiaridade com a tecnologia, para que possam usufruir melhor dos seus benefícios e, até
mesmo, realizarem pequenas manutenções caso haja necessidade.
O material deve explicar, de forma simplificada e didática, os conceitos básicos do
funcionamento de redes sem fio, ilustrar possíveis problemas com os quais o projetista de rede
e os usuários podem deparar-se, e explicar a função de alguns equipamentos que serão
instalados na escola, como pontos de acesso e antenas.
O material didático serviria também como apoio às autoridades locais (municipais ou
estaduais), ou diretores das escolas, para validação do projeto realizado pelas empresas
contratadas.
• Planejamento pós-instalação
Depois de instalada a infraestrutura de TIC nas escolas, o Governo deve estar
preparado para mantê-la funcionando em boas condições. Em uma empreitada com a escala
do UCA, monitoramento e gerenciamento centralizado é vital para o sucesso do projeto.
Alguns itens importantes a serem constantemente observados são o servidor da escola, a rede
sem fio e a conexão oferecida pelo provedor de Internet.
O Governo Federal deve cobrar, como requisito nos editais dos processos licitatórios
estaduais ou municipais, que a infraestrutura instalada pela empresa contratada seja
compatível com os métodos de gerenciamento e monitoramento planejados.
• Softwares de apoio
O Governo Federal pode criar softwares que facilitem a instalação da rede sem fio
dentro e fora da escola. Esses softwares poderiam ser oferecidos a priori no processo
licitatório com o objetivo de aumentar a afluência de empresas aptas a executar os projetos e,
consequentemente, conseguir preços menores. O uso desses softwares não precisa ser
necessariamente obrigatório pelas regras do convênio.
A tarefa de gerenciamento de monitoramento também demanda a utilização de
softwares especiais. A utilização de um software livre, criado pelo Governo, traria
flexibilidade e economia de custo ao projeto.
O projeto RUCA trabalhou em todas essas frentes, e os capítulos seguintes abordarão
com mais detalhes três delas: planejamento de conectividade, material didático e softwares de
apoio. Este trabalho também apresentará testes que foram realizados para os estudos de
planejamento de conectividade indoor e outdoor, e alguns softwares que estão sendo criados
para auxiliar nas atividades listadas acima.
4 PLANEJAMENTO DE CONECTIVIDADE INDOOR
Entende-se por conectividade indoor o fornecimento de acesso à Internet para todos os
laptops que serão oferecidos aos estudantes, ou qualquer outro dispositivo sem fio que os
funcionários ou professores possam utilizar dentro da escola. A tecnologia de conectividade
recomendada para as escolas é a instalação de redes sem-fio baseadas no padrão IEEE 802.11
[16], por suas características econômicas (equipamentos de baixo custo e banda de frequência
não licenciada) e pelo suporte a mobilidade.
É certo que as escolas contempladas pelo projeto UCA apresentarão diversidades
arquitetônicas, por serem localizadas em diferentes regiões e diferentes datas de construção.
Elas podem variar não apenas em dimensão física ou em número de pavimentos, mas também
em termos de materiais, espessuras de paredes, instalação elétrica, presença de portões
metálicos, ou tipo de teto, dentre outros traços construtivos. Algumas escolas poderão
funcionar em prédios antigos, e até mesmo tombados, ou em regiões onde o fornecimento de
energia elétrica seja instável. A densidade de usuários da rede (alunos, professores e
funcionários) pode variar entre uma e outra, e até mesmo aspectos aparentemente irrelevantes,
como a presença de árvores nos pátios da escola, podem determinar a viabilidade técnico-
econômica de uma solução de cobertura. Por conta disso, acredita-se que é extremamente
improvável que um mesmo modelo de distribuição de conectividade seja suficiente para
atender a todos os casos.
Se, por um lado, modelos universais para as redes sem fio são improváveis, por outro
lado modelos de referência podem ainda ser construídos com o objetivo de traçar linhas gerais
que orientem os funcionários das escolas na realização de um projeto de redes sem fio, caso
seja usado o Modelo Autônomo, ou ofereça um parâmetro contra o qual propostas das
empresas contratadas possam ser contrastadas, se utilizado o Modelo Descentralizado. Uma
rede sem fio Wi-Fi que seja muito discrepante dessas linhas gerais, apesar de possível para
alguns casos muito especiais, deve chamar a atenção dos contratantes.
Acredita-se que a instalação de um único ponto de acesso em local estratégico
atenderá uma grande parcela das escolas brasileiras, principalmente as rurais que possuam
menos de 50 alunos por turno - segundo o censo escolar de 2007, 29% das escolas de Ensino
Fundamental do Brasil possuem menos de 30 alunos. Esse seria, portanto, um modelo óbvio
de projeto. No entanto, casos onde sejam necessários mais pontos de acesso exigirão soluções
complementares ou particulares, levando à criação de outros modelos.
Mesmo o Governo brasileiro não sendo responsável pela elaboração dos projetos de
conectividade, como no Uruguai, é importante que estudos sejam feitos sobre os desafios e
possíveis soluções para esses projetos com o intuito de fornecer aos editais do contratante
dados técnicos suficientes para garantir que o serviço satisfaça os requisitos de qualidade e
custo e, assim, se alinhe às diretrizes traçadas pelo Governo Federal.
Para a elaboração de projetos de conectividade sem fio, é preciso tratar em separado a
questão da cobertura, que diz respeito às áreas da escola “iluminadas” pela rede sem fio, e a
questão da capacidade, que diz respeito à quantidade de acessos simultâneos que a rede deve
ser capaz de suportar. Uma escola pode estar inteiramente coberta e ainda assim prover uma
experiência de uso frustrante devido à incapacidade da rede em suportar um número grande
de usuários. Um bom projeto de rede sem fio deve buscar maximizar a área de cobertura de
um ponto de acesso, para diminuir o número de pontos de acessos necessários, reduzindo
custos – tema que será discutido na Seção Cobertura – e maximizar o número de clientes que
a rede suporta, visto que muitos usuários utilizarão a rede da escola simultaneamente –
assunto que será tratado na Seção Capacidade.
Este capítulo também apresentará uma metodologia para elaboração de projetos de
redes sem fio levando em consideração as questões levantadas sobre cobertura e capacidade, e
introduzindo as tecnologias que podem ser usadas para auxiliar tal tarefa.
4.1 COBERTURA
Alcance do sinal de uma rede sem fio é a distância máxima com que um equipamento
é capaz de trocar informações com uma rede sem fio. A área de cobertura é aquela limitada
pelo alcance em todas as direções. A cobertura de qualquer rede sem fio é função da potência
de irradiação, da sensibilidade de recepção do rádio, do ganho das antenas do ponto de acesso
e dos laptops, das atenuações na propagação do sinal e das interferências eletromagnéticas
presentes no ambiente.
Em uma rede IEEE 802.11b/g formada por laptops e pontos de acesso comuns, com
potência de irradiação de 18 dBm e antenas de 2 dBi (configuração presente na maioria dos
dispositivos Wi-Fi), o alcance de comunicação pode chegar a 500m [17]. Dispositivos IEEE
802.11a possuem alcance menor, pois operam na frequência de 5,4GHz, diferentemente da
faixa de 2,4GHz utilizada pelas emendas “b” e “g” - frequências mais altas sofrem maior
atenuação de propagação (atenuação de espaço livre).
Alguns pontos de acesso especiais possibilitam o uso de array de antenas e potência
de transmissão mais alta. As duas medidas podem aumentar consideravelmente o raio da área
de cobertura, mas deve-se ter cuidado com a última, pois a Anatel possui regras que delimitam
o nível de potência que pode ser usado para equipamentos de radiação restrita (que utilizam
bandas ISM) [18].
Na prática, a área de cobertura em um ambiente indoor é bem menor do que a exposta
acima, cerca de 50 metros, pois as paredes, móveis e até pessoas representam obstruções na
propagação do sinal, inserindo uma enorme perda na potência do sinal (atenuação por
obstrução). As frequências mais altas também sofrem mais com esse tipo de atenuação, pois
possuem grau de penetração e capacidade de contornar os obstáculos (difração) menores.
No entanto, utilizar a emenda “a”, que utiliza a faixa de 5 GHz, poderia ser vantajoso
em um cenário onde há muita interferência na faixa de frequência utilizada pelo IEEE
802.11b/g. Os dispositivos que utilizam as emendas “b” e “g” são muito mais populares que
os da emenda “a”, razão pela qual a faixa de frequência de 2,4 GHz é mais congestionada.
Muitos equipamentos domésticos, como babás eletrônicas, telefone sem fio, microondas e
dispositivos Bluetooth também utilizam a frequência de 2,4 GHz. Outra vantagem da emenda
“a” é a possibilidade de uso de 12 canais ortogonais – as emendas “b” e “g” suportam apenas
3 -, o que diminuiria a interferência entre os pontos de acesso dentro da mesma rede. A nova
emenda “n” também possibilita a utilização da faixa de freqüência de 5 GHz, provendo as
mesmas vantagens da emenda “a”, com a vantagem de oferecer uma banda ainda maior.
Como os laptops que serão comprados pelo Governo Federal – e a grande maioria dos laptops
de baixo custo - não são compatíveis com a emenda “a” e “n”, todo o estudo apresentado
nesta Dissertação considerará o uso apenas das emendas “b” e “g”.
Algo importante a observar é que um ponto de acesso não oferece a mesma qualidade
de comunicação aos laptops dentro de toda a sua área de cobertura. O IEEE 802.11 oferece
uma gama de taxas de transmissão, e a escolha da taxa é feita automaticamente por um
algoritmo escolhido pelo fabricante de acordo com a qualidade do enlace. Quanto mais alta a
taxa, maior a sensibilidade do rádio, isto é, maior será a potência necessária para recebimento
do quadro com sucesso e, consequentemente, menor o alcance. A Tabela 1 mostra essa relação
para um AP popular. Quando o AP oferece taxas próximas a todos os laptops que estão
utilizando a rede, é dito que a rede é homogênea. Esse conceito de rede homogênea será
abordado com maior ênfase na Seção Capacidade.
Emenda Taxa de
transmissão
Sensibilidade do
rádio
Alcance
802.11b 1 Mbps -96 dBm ~50 m
802.11b 2 Mbps -93 dBm ~40 m
802.11b 5,5 Mbps -92 dBm ~35 m
802.11b 11 Mbps -87 dBm ~25 m
802.11g 6 Mbps -92 dBm ~40 m
802.11g 9 Mbps -89 dBm ~30 m
802.11g 12 Mbps -87 dBm ~25 m
802.11g 18 Mbps -86 dBm ~22 m
802.11g 24 Mbps -83 dBm ~20 m
802.11g 36 Mbps -78 dBm ~16 m
802.11g 48 Mbps -74 dBm ~13 m
802.11g 54 Mbps -72 dBm ~10 m
Tabela 1 – Taxa x Alcance
Os valores de alcance da Tabela 1 são aproximados. Na realidade, o alcance de uma
rede sem fio varia para cada cenário em função dos equipamentos utilizados, dos traços
arquitetônicos, e interferência presente no ambiente. As inúmeras reflexões que o sinal sofre
em um ambiente indoor é outro fator que torna a cobertura da rede ainda mais imprevisível.
Por conta disso, é muito comum que sejam feitos testes reais de medição do sinal para
visualizar a cobertura da rede sem fio. Os testes de propagação do sinal de rádio, que medem
a intensidade do sinal em cada ponto, são procedimentos que devem estar presentes no site
survey. Adiante, veremos como o site survey auxilia no planejamento de uma rede sem fio
mais eficiente.
4.2 CAPACIDADE
Um grande número de laptops no mesmo ambiente, como o uso previsto em sala de
aula, pode causar diversos problemas para a rede que influenciam na capacidade da mesma
em prover conectividade a todos esses usuários. Os principais fatores que delimitam a
quantidade de usuários suportados por uma rede são:
• Limitação de hardware do ponto de acesso;
• Alto grau de interferência no ambiente devido à alta densidade da rede.
A capacidade da rede deve ser a primeira questão a ser avaliada em um projeto de rede
para escolas. Fazer o levantamento do número de alunos por turno e da banda necessária para
as atividades que serão aplicadas com os laptops são informações primordiais para a escolha
do modelo e quantidade de pontos de acessos que serão necessários para prover uma boa
conectividade para todos os usuários.
4.2.1 Limitação de Hardware
Os pontos de acesso possuem uma limitação no número de clientes que suportam.
Essa é uma limitação de hardware do dispositivo para processar ou armazenar dados e
estados, concomitantemente, da associação de um grande número de clientes. Pontos de
acesso customer-grade (ou SOHO – Small Office/Home Office), como os modelos mais
populares da D-Link [19] e Linksys [20], suportam por volta de 30 clientes apenas.
Se, por exemplo, o projeto propõe o uso desses pontos de acesso de baixo custo –
pontos de acesso de prateleira que custam menos de R$200,00
1
- e existe necessidade de
1
Preço de 2010.
oferecer acesso concomitante a duzentos alunos, a utilização de apenas um ponto de acesso é
claramente insatisfatória. Nesse caso, o projeto necessitará da instalação de mais APs, como
por exemplo, um ou mais por sala de aula.
Uma alternativa para não aumentar demasiadamente o número de APs é o uso de
equipamentos mais robustos, que suportam um número bem maior de usuários, no entanto,
eles são bem mais caros. Testes realizados no projeto CEIBAL demonstraram que alguns
pontos de acesso enterprise suportam o uso concomitante de até 100 usuários.
4.2.2 Interferência
Uma grande preocupação do projeto RUCA era saber como um laptop se comporta em
um cenário com muita interferência. Interferência pode causar colisões e contenção no acesso
ao meio, devido ao compartilhamento de espectro. Ambos resultam em degradação na
qualidade de comunicação.
Colisões resultam em perda de quadros e retransmissão dos mesmos, o que diminui a
eficiência da rede. No caso de transmissões em TCP, a perda de quadros tem um efeito ainda
pior. O TCP interpreta a perda como congestionamento na rede (herança das redes cabeadas) e
como contramedida diminui sua taxa de transmissão no nível de transporte.
O padrão IEEE 802.11 possui alguns mecanismos para evitar colisões. Observe o
seguinte exemplo: Quando os nós em atividade estão dentro da zona de transmissão um dos
outros, como na Figura 1, o 802.11 resolve o problema com o mecanismo de acesso ao meio
CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Acess/Collision Avoidance). Este mecanismo funciona
através da escuta do meio. No exemplo da Figura 1, se A estiver transmitindo para o ponto de
acesso, B consegue escutar esta transmissão e deve esperar até o meio ficar livre para poder
transmitir.
Figura 1 - Nós dentro da Zona de Transmissão
Se uma transmissão estiver em andamento entre dois nós, e um terceiro desejar
transmitir para o nó receptor da transmissão em curso, mas está fora da zona de transmissão
(área de cobertura) do nó transmissor daquela transmissão, ocorre o problema conhecido
como Nó Escondido. A Figura 2 ilustra este cenário. Os nós A e B estão fora da zona de
transmissão um do outro. Se o nó A estiver transmitindo para o Ponto de Acesso e o nó B
também desejar transmitir para o Ponto de Acesso, ele o fará, por não conseguir ouvir A, e
causará uma colisão no nó central. O RTS/CTS foi criado para solucionar este problema. Este
mecanismo funciona com trocas de pacotes para pedido de reserva do meio, RTS (Request To
Send), e autorização da reserva, CTS (Clear To Send). No caso da Figura 2, antes do nó A
transmitir para o Ponto de Acesso, ele envia um RTS, e recebe como resposta um CTS. O nó
B, ao ouvir o CTS, sabe que o meio estará ocupado por um determinado período de tempo
especificado no pacote de controle, e não transmitirá durante este período.
Figura 2 - Problema do Nó Escondido
Há ainda outro cenário de interferência, onde a interferência é causada por um nó que
está fora da zona de transmissão de todos os nós que estão em atividade em um exato
momento. A Figura 3 ilustra este caso, chamado de interferência de longo alcance. Se A ou B
estiverem transmitindo para o ponto de acesso, e o nó C começar uma transmissão para
qualquer outro nó, este causará uma interferência de longo alcance no ponto de acesso. Este
problema acontece por dois motivos: primeiro, porque C não escuta a transmissão dos nós A
ou B e nem o CTS respondido pelo ponto de acesso; e, segundo, porque a potência necessária
para um sinal causar colisão em outra transmissão é menor que a necessária para que o pacote
da transmissão da primeira seja recebido com sucesso [21]. Em síntese, a zona de
interferência de um nó é maior que a sua zona de transmissão.
Figura 3 - Interferência de longo alcance
Muitos estudos ([21][22][23][24]) mostram que o RTS/CTS não deve ser usado, pois
ele não consegue remediar todos os tipos de interferência – como a interferência de longo
alcance, por exemplo – além de causar uma ineficiência ainda maior na rede, já que a
transmissão dos quadros de RTS e CTS deve ser feita em taxas baixas, ocupando por muito
tempo o meio.
Ao tentar evitar colisões, o CSMA/CA procura evitar que dois nós transmitam ao
mesmo tempo, contendo o acesso de outros usuários durante o período em que a rede está
ocupada. Com isso, a banda também é compartilhada entre todos os usuários através de uma
multiplexação temporal não determinística.
O padrão IEEE 802.11g é capaz de oferecer uma taxa de transmissão de até 54 Mbps,
no entanto, o throughtput real é de, no máximo, 30 Mbps (utilizando UDP) devido ao
overhead dos cabeçalhos dos protocolos envolvidos e ao mecanismo de stop and wait
utilizado para retransmissão na camada MAC. Utilizando TCP, o throughtput máximo cai para
cerca de 22 Mbps devido ao controle de congestionamento, além dos outros fatores já citados.
Esta capacidade é dividida entre os usuários que estão acessando a rede no momento, isto é,
quanto mais clientes associados a um AP, menor será a banda disponível a cada um.
Calculando de forma simplista, e considerando que um aluno precise de 500 kbps para
acessar páginas web com velocidade aceitável, um ponto de acesso ofereceria essa velocidade
a, no máximo, 40 usuários. No entanto o processamento do ponto de acesso a cada
recebimento e envio de quadros também insere uma perda no desempenho da rede, limitando
ainda mais esse número máximo de usuários suportados. Na realidade, a banda é dividida
apenas entre os usuários que estão ativos em dado momento, e não entre todos os que estão
associados. Portanto, para cálculos de capacidade, também é importante realizar o estudo do
comportamento de uso da rede pelos estudantes.
A informação descrita na Seção 4.2.1 sobre a capacidade dos APs enterprise e o
cálculo do parágrafo anterior são para clientes associados na taxa máxima oferecida pelo Wi-
Fi, 54 Mbps. Cabe aqui uma explicação melhor sobre como é escolhida a taxa de transmissão
pelos laptops e APs.
Os dispositivos que seguem o padrão IEEE 802.11 possuem um algoritmo de seleção
de taxa, que pode variar em cada fabricante. O algoritmo seleciona a taxa mais alta possível
para que, naquele ambiente em específico, os quadros consigam ser decodificados no receptor.
Quanto mais alta a taxa, maior é o nível de modulação usado pelo rádio, e, consequentemente,
maior é a Relação Sinal-Ruído necessária para a decodificação do sinal no receptor, ou em
outras palavras, mais difícil é sua recepção. A Figura 4 mostra a variação da taxa de erro de
bit dada a Relação Sinal-Ruído (Eb/N
0
) para diferentes níveis de modulação.
Figura 4 -
Relação Sinal
Com isso, quanto mais longe estiverem os
associação dele
s, e maior será o tempo que este
dados, diminuindo a eficiência na utilização do espectro. Em síntese,
está diretamente ligada à taxa com que os
alguns pontos de acesso, a presença de apenas um cliente
levar toda a rede a trabalhar nessa mesma taxa. Portanto,
desejável que todos os clientes estejam associados a taxas altas, e
rede deve ser homogênea.
Contudo, cobertura homogêne
associe em taxas próxi
mas (e altas de preferência). É possível que um ponto de acesso
instalado dentro de uma sala de aula, onde todos os
dele, opere
em taxas baixas ou diferentes para cada cliente. Isso ocorre porque a maioria dos
algori
tmos utiliza estatísticas de perda de quadros para determinar a taxa que será usada [
Por exemplo, se em determinado momento um
utilizando uma taxa de 54 Mbps e quadros são perdidos, os dispositivos diminuem a t
Relação Sinal
-Ruí
do x Taxa de erro de bits para diferentes nívei
Com isso, quanto mais longe estiverem os
laptops
clientes, men
s, e maior será o tempo que este
s nós ocuparão
o meio para transmitir seus
dados, diminuindo a eficiência na utilização do espectro. Em síntese,
está diretamente ligada à taxa com que os
laptops
estão associados ao ponto de acesso. Em
alguns pontos de acesso, a presença de apenas um cliente
utilizando
levar toda a rede a trabalhar nessa mesma taxa. Portanto,
para redes com muitos usuários, é
desejável que todos os clientes estejam associados a taxas altas, e
,
para isso, a cobertura da
Contudo, cobertura homogêne
a não é suficiente para garantir que toda a rede se
mas (e altas de preferência). É possível que um ponto de acesso
instalado dentro de uma sala de aula, onde todos os
laptops
estejam distanciados igualmente
em taxas baixas ou diferentes para cada cliente. Isso ocorre porque a maioria dos
tmos utiliza estatísticas de perda de quadros para determinar a taxa que será usada [
Por exemplo, se em determinado momento um
laptop
se comunica com o ponto de acesso
utilizando uma taxa de 54 Mbps e quadros são perdidos, os dispositivos diminuem a t
do x Taxa de erro de bits para diferentes nívei
s de modulação
clientes, men
or será a taxa de
o meio para transmitir seus
dados, diminuindo a eficiência na utilização do espectro. Em síntese,
a capacidade da rede
estão associados ao ponto de acesso. Em
uma taxa baixa pode
para redes com muitos usuários, é
para isso, a cobertura da
a não é suficiente para garantir que toda a rede se
mas (e altas de preferência). É possível que um ponto de acesso
estejam distanciados igualmente
em taxas baixas ou diferentes para cada cliente. Isso ocorre porque a maioria dos
tmos utiliza estatísticas de perda de quadros para determinar a taxa que será usada [
25].
se comunica com o ponto de acesso
utilizando uma taxa de 54 Mbps e quadros são perdidos, os dispositivos diminuem a t
axa até
que as perdas cessem. O contrário ocorre quando uma sequência de quadros é enviada sem
perda; então, os dispositivos interpretam o sucesso da transmissão como oportunidade para
aumentar a taxa de transmissão. Algoritmos dessa categoria não funcionam bem em uma rede
com muita interferência, já que perdas nesse caso não são sempre causadas pela degradação
do sinal, mas geralmente por colisões com os quadros transmitidos pelos vizinhos. A redução
da taxa nesse cenário não resolve a causa das perdas, pelo contrário, pode inclusive aumentá-
las, já que os dispositivos ocupam o meio por mais tempo para transmitir em taxas baixas,
aumentando a proporção de transmissões mal sucedidas em relação às bem sucedidas.
Percebe-se então que taxas altas são importantes para o aumento da capacidade da
rede por dois motivos: diminuem o impacto das colisões e tornam mais eficiente o
compartilhamento de banda do canal. Mas para garantir que a rede opere somente em taxas
altas, além da cobertura homogênea, é aconselhável configurar os APs para assim
trabalharem.
Por motivos semelhantes, é desejável que o modo de compatibilidade do AP para a
emenda “b” seja desabilitado. Quando habilitado o modo de compatibilidade, os primeiros
bits de cada quadro, chamado preâmbulo e utilizados para sincronização das estações, são
enviados nas taxas básicas da emenda b – taxas mais baixas - para permitir que as estações
operando nessa emenda sejam capazes de interpretar o sinal, o que diminui a eficiência da
rede.
4.3 SITE SURVEY
Durante o site survey são coletadas informações referentes à disponibilidade de espaço
físico, alimentação elétrica, aterramento, passagem de cabos, e outros detalhes que possam ter
impacto no projeto e instalação da rede sem fio. Dentre as condições estudadas e
documentadas estão também os aspectos referentes à infraestrutura e transmissão,
identificação de equipamentos já existentes no local, condições ambientais e de utilização do
espectro de rádio, rede de dados, número de usuários e locais previstos de uso da rede sem fio.
Através do site survey é possível determinar a localização, configuração e a
quantidade de Pontos de Acesso necessários em cada escola, considerando cobertura, número
de usuários e tráfego previsto de forma a proporcionar as funcionalidades requeridas e
apresentar desempenho compatível com o investimento realizado.
O planejamento de uma rede sem fio difere do planejamento de uma rede com fio
devido à forma como o sinal de rádio se propaga. Em uma rede cabeada, estima-se o número
de usuários em cada local e se faz um cabeamento estruturado, distribuindo tomadas em
quantidades e localidades adequadas para atender a essa demanda inicial e acomodar o
crescimento da rede. Na rede sem fio, não é mais evidente em quais locais o acesso será
possível, porque isso depende dos traços arquitetônicos e condições ambientais, dentre outros
fatores.
Os testes de propagação do sinal de rádio, que medem a intensidade do sinal em cada
ponto, tornando possível uma previsão da cobertura da rede, são realizados durante o site
survey. Nesta seção será visto como o site survey auxilia no planejamento de uma rede sem
fio mais eficiente.
Existem instruções básicas que podem orientar a realização de um site survey, como
mostram os seguintes parágrafos:
1. Definição de requisitos da rede. Entrevistar o contratante, ou beneficiário do serviço,
para avaliar os locais onde deve ser feita a cobertura e o número previsto de usuários
para cada área prevista de cobertura. No caso das escolas, locais óbvios de cobertura
são as salas de aula e a biblioteca, mas outros locais podem também ser de interesse do
diretor da escola.
Nesta etapa, deve ser dimensionada a capacidade da rede e, consequentemente,
determinada a quantidade de APs e outros equipamentos de rede necessários, com base
na estimativa de número máximo de usuários por turno, por ambiente, número de salas
e na largura de banda a ser disponibilizada a cada usuário
2. Conseguir uma planta do local. Através da planta é possível identificar os locais
onde é desejada a cobertura de rede sem fio. Elementos arquitetônicos como paredes,
portas e outras estruturas devem ser consideradas na escolha dos pontos de instalação
dos APs. Caso haja uma infraestrutura de rede cabeada já instalada no prédio, é
desejável que essa esteja representada na planta, assim como a rede elétrica e
telefônica. Estas informações são importantes para determinar os locais mais viáveis
para a instalação do AP.
3. Percorrer fisicamente as instalações. A inspeção do prédio permite conferir o que é
informado pela planta e, ao mesmo tempo, detectar alguns detalhes arquitetônicos não
registrados como paredes espessas ou de metal, plantas, móveis, etc.
Devem ser também confirmados detalhes da sala onde serão instalados os
equipamentos (servidor, switch e nobreak), disponibilidade de espaço em racks
existentes, caminhos de passagem de cabos e locais adequados para instalação dos
equipamentos.
A qualidade da instalação elétrica deve ser avaliada nesta etapa. Deverá ser verificada
a existência e a qualidade de disjuntores no painel elétrico, aterramento, passagem das
fiações elétrica e tomadas.
4. Detecção de interferência externa. Interferência externa ocorre quando redes sem fio
próximas, ou outros equipamentos irradiantes, operam na mesma faixa de freqüência
da rede a instalar, prejudicando o seu funcionamento. Para medi-la, deve-se utilizar
um analisador de espectro que registre o nível de potência de todos os sinais
provenientes de equipamentos que irradiam na mesma faixa de frequência das redes
Wi-Fi. Possíveis fontes de interferência para uma rede Wi-Fi são: dispositivos
Bluetooth, fornos de microondas, telefones sem fios que operem na banda dos 2.4
GHz, ou outras WLANs que operem na mesma área de cobertura da rede que vai ser
instalada. É conveniente que todos os equipamentos do prédio, que possam ser fontes
de interferências, sejam ligados no momento dos testes.
5. Determinar uma posição preliminar para cada ponto de acesso. Baseado na planta
e na inspeção do local, dividir a área de interesse em zonas de cobertura. Colocar um
ponto de acesso por zona, de forma que cada zona satisfaça os requisitos de
capacidade e que a cobertura dentro dessa zona seja a mais homogênea possível. Por
exemplo, se não houver grandes obstruções na zona, ele deve ser colocado próximo ao
meio desta. Deve-se dar preferência a locais altos e pertos de ponto de rede e energia.
6. Planejamento de frequências. É fundamental configurar cada AP para operar no
canal onde foi observada a menor interferência naquele local. APs vizinhos também
interferem entre si e devem ser configurados em canais diferentes, obrigatóriamente
em canais ortogonais (canais não sobrepostos – 1, 6 e 11).
Cada um dos 11 canais alocados ao IEEE 802.11 tem uma largura de banda de 22
Mhz, e a gama de frequências disponível se estende de 2.412 GHz até 2.462GHz,
como mostra a Tabela 2.
Canal Frequência GHz
1 2.412
2 2.417
3 2.422
4 2.427
5 2.432
6 2.437
7 2.442
8 2.447
9 2.452
10 2.457
11 2.462
Tabela 2. Canais em que opera a frequência 802.11b/g.
A Figura 5 apresenta um esquema com os 11 canais definidos pelas normas 802.11 “b
e g” na banda ISM. Pode-se perceber mais facilmente pela figura que os canais
adjacentes apresentam certo nível de sobreposição. Como os canais não são
completamente isolados no espectro de frequência, todas as redes 802.11 que utilizem
canais com algum nível de sobreposição podem sofrer problemas de interferência.
Apenas três canais, os canais 1, 6 e 11, não apresentam sobreposição e podem ser
utilizados ao mesmo tempo por redes distintas na mesma região sem que ocorra
interferência.
Figura 5. Canais sobrepostos
Caso dois APs próximos precisem ser configurados em um mesmo canal, devido ao
reúso de freqüência – caso que ocorrerá em escolas médias e grandes -, a potência de
transmissão dos mesmos deve ser eventualmente diminuída.
A princípio, mesmo quando for utilizada a solução de controladores e Thin APs –
dispositivos que oferecem gerenciamento automático de potência e freqüência -, o
planejamento manual de canais de operação e potência deverá ser adotado. Testes reais
precisam ser realizados para verificar a eficiência destes mecanismos no ambiente de
escola.
7. Medição de sinal nas áreas de interesse. Para determinada localização escolhida para
o AP, devem ser feitas medições de potência de sinal provenientes do AP em toda a
área de interesse de cobertura. Caso haja sinal em um nível aceitável de potência por
toda a região desejada, pode-se dizer que a posição do AP foi bem escolhida. Caso
contrário, deve-se escolher outro ponto de instalação de AP e realizar novamente as
medições. Considera-se sinal bom aquele que permita a recepção na maior taxa do
padrão utilizado (54 Mbps/g e 11 Mbps/b).
É importante a observação de que, dependendo do hardware e software de captura, a
interferência do ambiente estará embutida no valor de potência do sinal medido. O
valor correto a ser medido seria a relação sinal-ruído. Outra abordagem é medir a
qualidade do enlace através de testes de vazão ou perdas de quadros.
Idealmente, o site survey deve ser feito usando os mesmos equipamentos que serão
usados na instalação final, pois existe uma dependência na medição, não só da antena do
ponto de acesso como da antena dos equipamentos.
4.4 AUMENTANDO A CAPACIDADE E COBERTURA DA REDE
Quando a simples instalação de um ponto de acesso não é suficiente para cobrir toda a
escola ou o número de usuários é maior que a capacidade da rede, o planejamento da rede
exige medidas mais complexas.
Para aumentar a área de cobertura, algumas alternativas podem ser adotadas:
• Criação de mais zonas (ou células) de cobertura;
• Transpor barreiras físicas através de um meio de propagação confinado;
• Uso de redes em malha (redes mesh);
• Uso de antena com maior ganho;
• Uso de maior potência de transmissão.
Deve-se ter parcimônia ao utilizar as duas últimas opções. Uma antena de alto ganho
não necessariamente implica melhor cobertura. É importante que o padrão de irradiação da
antena seja adequado ao cenário em questão; se isso implica o aumento do ganho da antena, o
projetista deve considerar a hipótese de trocar a antena do AP. Quanto ao aumento de
potência, esta não é uma prática adequada, pois pode infringir as regras impostas pela Anatel
para os equipamentos de radiação restrita [26].
Para aumentar a capacidade da rede, primeiro deve-se investigar o principal limitador.
Caso a capacidade seja restringida por limitação do AP, a adição de um novo ponto de acesso
é necessária. Caso o problema seja apenas interferência e compartilhamento de banda, deve-se
primeiro trabalhar para tornar a rede mais homogênea, caso isto não seja suficiente, também é
necessária a adição de novos pontos de acesso. Para os dois casos, é necessária a utilização de
outras tecnologias:
•
PLC, Ethernet ou HomePNA para conectar fisicamente os novos APs;
•
Elementos passivos, como Cabos Irradiantes ou Composição de Antenas, para
manipulação da densidade ou pontos de irradiação de sinal.
Observe que os caminhos sugeridos para solucionar a questão de capacidade também
são úteis para o aumento de cobertura. A adição de novos pontos de acesso significa a criação
de mais zonas, e o uso de elementos passivos envolve a propagação em meio confinado, uso
de antena de maior ganho e até criação de novas zonas de cobertura.
No Capítulo 5 será discutido como algumas tecnologias de apoio podem ser usadas
para estender a área de cobertura Wi-Fi ou aumentar a capacidade da rede em um ambiente
indoor. Serão descritos seu funcionamento, padrões vigentes, assim como vantagens e
desvantagens de cada tecnologia para o cenário do projeto RUCA.
5 TECNOLOGIAS DE CONECTIVIDADE INDOOR
5.1 REDE EM MALHA
Uma forma barata de estender a cobertura de uma rede sem fio é através de redes em
malha. Em uma rede em malha, ou rede mesh, cada nó passa a exercer função de roteador.
Com isso, um laptop apto a exercer as funcionalidades de nó mesh (implementando o IEEE
802.11s [2], por exemplo) pode servir como gateway para outro laptop que esteja fora da área
de cobertura do ponto de acesso instalado na escola. Vale lembrar que os laptops que serão
adquiridos pelo Governo para o projeto UCA deverão obrigatoriamente possuir essa
capacidade.
As redes mesh, por ser uma rede ad-hoc, possibilitariam também a comunicação entre
os laptops mesmo na ausência de um ponto de acesso. Esta conectividade dentro da sala de
aula, mesmo sem acesso à Internet, é de grande serventia, do ponto de vista pedagógico.
Cursos poderiam ser preparados para usufruir deste recurso como, por exemplo, tornando as
aulas mais interativas. O professor faria perguntas que os alunos responderiam via rede, e em
tempo real poder-se-ia avaliar o grau de aprendizado da classe.
Apesar do benefício do aumento de cobertura sem custo adicional algum, já que a
infraestrutura usada para aumento da cobertura seriam os próprios laptops educacionais, e da
possibilidade de comunicação entre os laptops na ausência de um AP, estudos apresentados
em [27] mostram que os laptops desenvolvidos pela OLPC, com funcionalidade mesh
habilitada, geram um exagerado número de pacotes de gerenciamento, que acabam
prejudicando bastante o desempenho da rede em um ambiente com muitos laptops (rede
densa). O autor do referido trabalho sugeriu algumas mudanças nos parâmetros de
configuração de rede do XO de modo a diminuir esse tráfego e melhorar a qualidade da rede.
No mesmo trabalho, verificou-se que as rotas escolhidas em um ambiente congestionado nem
sempre são boas, causando retransmissões desnecessárias e, consequentemente, mais
interferência. Apesar de não terem sido testados outros modelos de laptops, são esperados que
tais características sejam comuns em qualquer dispositivo que utilize funcionalidades de mesh
implementados na camada MAC, já que utilizam protocolos de descoberta de caminhos
similares.
Foi verificado também que, em uma rede sem fio com múltiplos saltos, como as redes
mesh, o uso do mecanismo de prevenção de colisão RTS/CTS é ainda menos recomendado
[28] do que em redes infraestruturadas. O mecanismo, além de ocupar um tempo considerável
do canal (airtime), não previne todos os tipos de colisões e ainda inibe algumas transmissões
que poderiam ser bem sucedidas.
Por conta da falta de adaptação das redes mesh inserem em ambientes altamente
interferentes, inseririndo ainda mais interferência, é desaconselhável o uso dessa tecnologia
em ambiente indoor. A Seção 7 mostrará que as redes mesh podem ser mais úteis em
ambientes de rede esparsa, para conectividade outdoor.
5.2 PLC – POWER LINE COMMUNICATION
PLC é a tecnologia utilizada para transmitir dados através dos cabos da rede elétrica,
aproveitando a infraestrutura de cabos elétricos existente no local, sem necessidade de obras
ou outras alterações. Em alguns lugares, PLC também pode ser chamado de Broadband
Power Line (BPL).
A tecnologia PLC pode ser dividida em duas grandes categorias:
• PLIC - Power Line Indoor Communicaton: sub-categoria onde estão os
equipamentos PLC de uso doméstico, utilizados em residências, escritórios,
hotéis, escolas e outros ambientes fechados. Esta modalidade é a que se
enquadra no projeto RUCA.
• PLOC - Power Line Outdoor Communication: sub-categoria onde estão
enquadrados os equipamentos para uso em ambientes abertos. Essa sub-
categoria é mais voltada a empresas de energia elétrica que querem oferecer
acesso à Internet a seus assinantes e , por isso, não será aprofundada, por fugir
do escopo deste projeto.
Na tecnologia PLC, existem vários padrões com o objetivo de transmitir dados através
da rede elétrica. Muitos desses padrões são criados por organizações internacionais como
IEEE ou alianças internacionais entre empresas, como HomePlug [29] e OPERA (Open PLC
European Research Alliance) [30]. Algumas dessas organizações colaboram entre si, como é o
caso da HomePlug e IEEE, que juntos estão desenvolvendo o padrão internacional de PLC,
IEEE P1901[31].
O padrão mais estável e difundido no mercado é o HomePlug. Por este motivo, ele
será nosso objeto de estudo nesta Dissertação. O padrão HomePlug é definido por várias
versões que se diferenciam, geralmente, pela taxa de transmissão de dados e aplicações,
descritas a seguir:
• HomePlug 1.0 – Velocidade (teórica): 14 Mbit/s. Especificação para conexão
de aparelhos PLC de uso doméstico (PLIC).
• HomePlug 1.0 Turbo - Velocidade (teórica): 85 Mbit/s. Especificação para uma
conexão mais rápida de aparelhos PLC de uso doméstico (PLIC).
• HomePlug AV - Velocidade (teórica): 189 Mbit/s. Desenvolvido para
transmissão de HDTV e VOIP em ambientes fechados (PLIC).
• HomePlug Access BPL – Em desenvolvimento (PLOC)
• HomePlug Command & Control – Para automação residencial (PLIC)
Alguns fabricantes utilizam protocolos proprietários para atingir taxas de 200 Mbps.
Para que a rede elétrica de uma escola se transforme em uma rede de dados, basta ligar
os equipamentos PLC nas tomadas comuns e conectar as suas interfaces ethernet às placas de
rede dos computadores, pontos de acessos ou modems com cabos de rede. Se um dos
equipamentos conectados ao PLC estiver conectado à Internet (cable modem ou modem
ASDL, por exemplo), todos os outros equipamentos conectados à rede elétrica, através do
PLC, também estarão também conectados a ela.
A Figura 6 demonstra como é feita a instalação de uma rede usando adaptadores PLC.
Figura 6 – Instalação de uma rede usando PLCs
Crédito: Eletrosystem [32]
Alguns fabricantes oferecem uma solução de AP integrado ao equipamento de PLC. A
Figura 7 ilustra uma rede usando adaptadores PLC com AP integrado.
Figura 7 – Instalação de uma rede usando adaptador PLC com Ponto de Acesso integrado
Crédito: Devolo [33]
5.2.1 Vantagens
• A rede elétrica chega praticamente a todas as cidades brasileiras, enquanto nem
todas as cidades têm serviços de telefonia fixa segundo a pesquisa realizada em
2007 pelo Centro de Estudos sobre as Tecnologias da Informação e da
Comunicação [34].
• Como o PLC utiliza a infraestrutura já disponível, não necessita de obras nas
escolas para ser implantado. Além do mais, a capilaridade da rede elétrica
dentro de uma edificação é grande, já que quase todos os cômodos costumam
possuir tomadas elétricas. Portanto, essa é uma vantagem da tecnologia PLC
sobre todas as outras: em princípio, qualquer escola que possua infraestrutura
elétrica instalada teria também uma potencial infraestrutura de rede.
• A solução do ponto de acesso integrado ao equipamento PLC parece bem
interessante para o objetivo do projeto RUCA 2. Esse equipamento possui uma
interface PLC, onde os dados podem ser trafegados pela rede elétrica, e uma
interface Wireless (802.11b/g), que criaria uma zona de cobertura Wi-Fi aos
laptops.
5.2.2 Desvantagens
• A velocidade de transmissão suportada em uma comunicação por
equipamentos PLC é inversamente proporcional a distância entre os nós. Como
é comum que em algum ponto da rede elétrica a fiação dê muitas voltas ao
invés de fazer o caminho mais curto, uma edificação, mesmo que pequena,
pode não ser capaz de suportar uma rede PLC de boa qualidade.
• Da mesma forma, disjuntores fora do padrão, descontinuidades causadas por
tomadas, emendas e descasamento de impedância entre diferentes fios
instalados na rede irão contribuir para perdas na potência de sinal.
• As tomadas elétricas tipicamente utilizam fios fase e neutro, sendo que o
neutro é compartilhado entre todos os elementos conectados a um mesmo
quadro de energia, isto implica dizer que a rede de dados não pode receber e
transmitir dados simultaneamente (o modo full-duplex não pode ser utilizado),
o que quer dizer que a banda total será compartilhada entre download e upload
(modo half-duplex).
• Equipamentos PLC se comunicam apenas dentro do mesmo quadro de energia.
Para comunicação entre circuitos de quadros diferentes, é necessário o uso de
uma extensão interligando os circuitos, ou o uso de um equipamento
distribuidor, geralmente utilizado para a categoria PLOC, fora do painel
principal do prédio.
• Em uma escola, todos os aparelhos eletro-eletrônicos compartilham o meio
físico; com isso, qualquer conexão ou desconexão destes aparelhos poderá
levar o sistema a apresentar variações de ruído, interferência e impedância o
que pode acarretar uma diminuição da Relação Sinal-Ruído (que indica a
qualidade de um enlace de comunicação) e, consequentemente, limitar a
transmissão em alta velocidade. Na Seção 5.2.3 serão apresentados resultados
de testes com diversos tipos de carga. Em alguns casos, a vazão verdadeira é
menos da metade da vazão nominal.
• A utilização de PLC presume a utilização das tomadas elétricas existente nas
escolas para alimentação dos APs. Isto nem sempre irá ocorrer. Escolas que
não possuam a rede elétrica confiável deverão optar pela utilização de Power
Over Ethernet (PoE). Ao utilizar PoE, é possível centralizar o ponto de
alimentação de todos equipamentos, dando maior segurança de operação aos
equipamentos eletrônicos, já que o equipamento injetor de energia poderia ser
alimentado por um nobreak.
5.2.3 Testes com PowerLine Communication
A rede elétrica, ao contrário de uma rede Ethernet, não é dedicada à transmissão de
dados. Por isso, é normal que a tecnologia PLC ofereça uma vazão menor do que a de uma
rede Ethernet. Espera-se também maior interferência, visto que aparelhos podem ser ligados e
desligados a qualquer momento, gerando ruídos no meio de transmissão (no caso, os fios da
rede elétrica).
Durante todo o período do projeto RUCA 2, foram propostos e realizados testes para
observar o comportamento dos equipamentos PLC em uma rede local e o efeito que fatores
externos à rede poderiam causar na taxa de transmissão. Estes testes tiveram como objetivo
explicar o funcionamento de uma rede PLC, entender seus requisitos e limitações, e mostrar
que características comuns ao ambiente da maioria das escolas públicas poderiam ser
benéficas ou prejudiciais à rede.
Os testes foram realizados no LID (Laboratório de Inclusão Digital), localizado no
prédio da Engenharia da UFF. O ambiente de teste possui fiação e tomadas novas, colocando-
o como um cenário de testes que pode ser usado como referência de desempenho ideal
(máximo) da tecnologia. O equipamento PLC utilizado foi o XET1001, de 85 Mbps, da
Netgear [35]. Dois tipos de fluxos foram usados em todos os testes, utilizando a ferramenta
Iperf [36]:
• Fluxo TCP
• Fluxo UDP, taxa de 60 Mbps e quadros de 1500 Bytes
Cada fluxo teve duração de um minuto e foram gerados de forma intercalados em um
total de três baterias de testes. Foi então calculada a média de cada fluxo para as três baterias.
5.2.3.1 Teste 1 – Influência da Distância
O primeiro teste realizado busca analisar que grau de degradação pode causar a
distância percorrida por um sinal em um circuito elétrico. Para isso, foram montados dois
cenários de teste: no primeiro, foi utilizado um fio paralelo isolado de 8 metros; no segundo,
um fio de 50 metros. Dois equipamentos PLC foram conectados em cada extremidade, como
mostra a Figura 8.
Figura 8 - Configuração do teste 1
A Figura 9 mostra que a vazão UDP diminui apenas 2%, mas a vazão TCP sofre uma
maior degradação. Isso é causado pela taxa de perda de quadros de 1%. Como o mecanismo
de controle de congestionamento do TCP diminui a taxa de transmissão à metade para cada
evento de perda, essa taxa de perda é suficiente para causar uma considerável perda de
desempenho.
Figura 9 - Influência da distância na qualidade da rede
0
10
20
30
40
50
Fio de 8 metros
Fio de 50 metros
Vazão (Mbps)
Influência da distância
UDP
TCP
5.2.3.2 Teste 2 - Influência de Descontinuidades
Este teste investiga a influência que descontinuidades – tomadas, painéis elétricos ou
emendas – no circuito podem ter na qualidade da comunicação. Em um primeiro cenário, dois
equipamentos PLC foram conectados em um fio de 8 metros sem emendas ou tomadas
intermediárias. A seguir, o mesmo teste foi feito entre dois equipamentos conectados a um
circuito com três tomadas intermediárias. A Figura 10 mostra a configuração do segundo
cenário.
Figura 10 - Configuração do teste 2
Os resultados mostrados na Figura 11 mostram uma leve degradação na vazão
encontrada, provavelmente devido à alta taxa de perda de quadros induzidos pela presença das
tomadas.
Figura 11 - Influência de descontinuidades na qualidade da rede
0
10
20
30
40
50
Circuito de parede (8m)
Fio de 8 metros
Vazão (Mbps)
Influência de descontinuidades
UDP
TCP
5.2.3.3 Testes 3 – Influência de Cargas
Usando o mesmo circuito do Teste 2, foram criados dois cenários de teste para
investigar a influência de cargas na vazão da rede (Figura 12). No primeiro cenário, foram
conectados dois no-breaks nas tomadas. Este cenário emula o ambiente de um laboratório de
computadores, onde esses são ligados em no-breaks. No segundo cenário, foi utilizada, como
carga, uma furadeira elétrica.
Figura 12 - Configuração do teste 3
A Figura 13 mostra como cada carga contribui negativamente na velocidade de
comunicação entre os dispositivos. O melhor resultado é para o circuito sem carga alguma,
como esperado. O pior resultado foi obtido quando a furadeira elétrica foi usada –
equipamentos com motores universais geram grande degradação. Apesar de ter uma menor
influência, a inserção dos no-breaks também causou uma perceptível queda na vazão. Algo
interessante a observar é que, mesmo quando os no-breaks estão desligados, eles geram
impacto. Isso ocorre por conta da mudança de impedância que a inserção da tomada causa na
linha, podendo esta ser negativa e até positiva.
Figura 13 - Influência de cargas na qualidade da rede
5.3 CABOS IRRADIANTES
Cabos Irradiantes são cabos coaxiais com fendas no condutor externo, como ilustrado
na Figura 14, que permitem a entrada e saída do sinal de rádio. Enquanto um cabo coaxial
comum é utilizado para transportar um sinal de um ponto a outro, o cabo irradiante pode
também ser considerado uma antena.
Figura 14 - Desenho de um Cabo Irradiante
Crédito: Teleco [37]
Como o cabo irradiante libera o sinal eletromagnético paulatinamente, a zona de
cobertura fica concentrada nas áreas próximas ao cabo. Isso aumenta a eficiência do sistema,
já que pouca energia é desperdiçada para fora do prédio, por exemplo.
Ao utilizar um meio semiconfinado, esta solução também facilita a comunicação via
rádio frequência onde a propagação de ondas eletromagnéticas é prejudicada. Ao mesmo
tempo, cria uma área de cobertura Wi-Fi mais homogênea, diminuindo a distância média entre
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
Sem carga
2 nobreaks off
2 nobreaks on
Furadeira elétrica
Vazão (Mbps)
Influence de cargas
UDP
TCP
a fonte e o cliente móvel e permitindo que mais clientes se associem ao ponto de acesso a
taxas mais altas.
O cabo irradiante é um elemento passivo que deve ser conectado a um ponto de
acesso. Dependendo das distâncias envolvidas, além do AP e do cabo irradiante pode ser
necessária a instalação de um amplificador na faixa de 2.4GHz para que o sinal chegue com
qualidade até a extremidade do cabo irradiante. Neste caso, o sinal recebido no sentido
inverso também deverá ser amplificado. Uma antena indoor pode ser adicionada ao final do
cabo irradiante, ampliando ainda mais a área de cobertura.
Os cabos irradiantes utilizam os mesmos conectores dos cabos coaxiais. Quando se
deseja conectar o cabo a um AP, deve-se utilizar um conector compatível com a entrada deste,
como ilustra a Figura 15. Terminadores usados em cabos coaxiais também podem ser usados
para cabos irradiantes e devem ter a mesma impedância do cabo, para que, assim, estejam
casados e nenhuma reflexão ocorra no fim do cabo.
Figura 15 - Cabo Irradiante com conector e terminador
Crédito: WlanBrasil [38]
Reflexões internas no cabo podem causar interferências na recepção do sinal, o que
degradaria a qualidade de serviço. E outro efeito, ainda mais sério, seria uma possível
danificação do equipamento de rádio. Quanto menor o cabo, mais sério se torna este último
efeito.
Pode-se vislumbrar três possíveis formas de terminação de um cabo irradiante. No
primeiro caso, ilustrado na Figura 16, há o uso do terminador comum. Neste caso, nenhum
sinal é refletido, mas não há preocupação com o padrão de irradiação no final do cabo. A
Figura 17 mostra um terceiro caso: como não é usado terminador, uma fração do sinal será
irradiada e outra refletida. Este é o pior cenário, pois a reflexão, além de poder danificar o
rádio, causa problemas de interferência na recepção do ponto de acesso. A terceira
configuração será explorada com maior ênfase na Seção 5.4, que discute a colocação de uma
antena como terminador do cabo irradiante.
Figura 16 - Cabo Irradiante com terminador casado
Figura 17 - Cabo Irradiante sem terminador
5.3.1 Vantagens
•
O Cabo Irradiante cria uma área de cobertura Wi-Fi homogênea para
computadores e laptops, reduzindo a distância média entre a fonte e o cliente
móvel, e permitindo associação a altas taxas por todos os clientes.
•
Como o Cabo Irradiante permite maior controle na distribuição do sinal de RF,
pouco sinal é desperdiçado para fora do ambiente que se deseja cobrir, como
acontece com pontos de acesso utilizando antenas-padrões.
•
Aumento da área de cobertura, pois a passagem do cabo através de obstáculos
(grossas paredes, armários metálicos, etc.) possibilita a iluminação de áreas
que seriam naturalmente obstruídas.
5.3.2 Desvantagens
• A tecnologia usada para Cabos Irradiantes é patenteada pela empresa alemã
RFS. Isto os torna os únicos fabricantes de cabos irradiantes, elevando o seu
preço no mercado para um patamar bem alto, chegando a custar até 10 vezes
mais que um cabo coaxial similar.
• A instalação do cabo irradiante requer um projeto de engenharia para escolha
do padrão de irradiação do cabo e do caminho que o cabo irá percorrer. A
instalação também exige presença de técnico para a instalação de conectores
do cabo ao ponto de acesso e ao terminador.
5.3.3 Testes com Cabo Irradiante
Os testes realizados, descritos a seguir, constatam a vantagem de se utilizar cabos
irradiantes para maior homogeneidade e cobertura.
Todos os testes foram realizados no prédio de engenharia da UFF. O cabo irradiante
usado é da marca RFS, é representado na Figura 18, e possui as seguintes características:
Modelo: RCF12-50JFN
Bitola: 1/2"
Comprimento: 20 metros
Opera na faixa de frequência: 30 MHz
até 6 GHz
Perda linear: 15,3 dB/100m
Perda por acoplamento: 70/ 82 dB
Figura 18 - Cabo Irradiante RCF12-
50JFN
Dois cenários distintos foram montados, e medições foram feitas em 19 pontos ao
longo do corredor do 2° e 3° andar e dentro de algumas salas do mesmo prédio. Para cada
cenário e cada ponto foram medidos durante dois minutos o número de beacons capturados
por segundo (o AP foi configurado para enviar 10 beacons por segundo), a potência média dos
quadros capturados e o desvio de potência do mesmos.
No primeiro teste, um ponto de acesso com sua antena padrão, omni-direcional de 2
dBi, foi instalado perto de uma extremidade do prédio, e a seguir foram feitas medidas da
potência dos seus beacons em pontos variados entre dois andares do prédio. A Figura 19
mostra o mapa de calor correspondente a este cenário.
Figura 19 - AP com antena padrão
Quando a antena do ponto de acesso foi substituída pelo cabo irradiante, observou-se
uma melhora significativa na cobertura do terceiro andar do prédio, e a cobertura do segundo
andar foi estendida e melhor distribuída (Figura 20).
Figura 20 - AP com cabo irradiante
Com os resultados obtidos a partir dos testes com o cabo irradiante, foi montada uma
tabela comparativa (Tabela 3) entre os dois cenários.
Ponto
N°
Cabo Irradiante Sem Cabo Irradiante
Potência Média
(dBm)
Desvio Padrão
(dBm)
Beacons/s
Potência
Média (dBm)
Desvio Padrão
(dBm)
Beacons/s
1 -59.4418 2.06612 9.74028 -51.3171 5.24275 9.732
4 -60.7808 1.88403 9.74031 -56.2117 2.43418 9.72877
7 -63.8081 1.82123 9.68989 -69.7983 3.42163 9.67302
9 -83.5995 2.16419 9.10567 -89.6795 2.14198 8.87109
11 -75.0286 2.22774 3.21071 -79.3687 2.83907 6.37127
12 -92.2589 1.81896 1.694 -92.9264 1.37859 4.08037
14 -82.1612 1.70517 6.15347 -78.4556 2.73393 8.73006
15 -84.8889 2.34248 9.38026 -83.825 2.28667 9.66712
16 -76.0175 1.87843 9.5544 -84.9222 2.13968 9.64351
17 -78.1006 1.68915 9.03078 -92.0783 1.17766 5.96307
18 -71.5188 1.45703 9.73849 -81.4545 2.72896 9.70216
19 -92.2353 1.05882 0.190033 - - -
Tabela 3 - Comparação dos resultados com e sem Cabo Irradiante, e com Cabo e Antena juntos
Verificou-se que, por conta da distribuição mais homogênea alcançada pelo uso do
cabo irradiante, a diferença entre as potências observadas entre pontos mais próximos e os
mais distantes do ponto de acesso é menor quando se utiliza o cabo irradiante. Tomando por
exemplo, o ponto 4 (próximo ao AP) observou-se uma redução de 4 dB após a instalação do
cabo. No entanto, para o ponto 14, houve um aumento de 4 dB. Considerando que o valor
final da potência no ponto 4 continua satisfatório (-60dBm) a troca se mostra conveniente. Ou
seja, podemos esperar a redução da potência observada em um ponto bastante próximo ao
ponto de acesso, ao instalarmos o cabo irradiante. No entanto, o ganho observado nos pontos
mais distantes compensa vantajosamente essa redução nos pontos próximos.
Outro resultado observado, que mostra o aumento da área de cobertura, é a
“iluminação” dos pontos extremos do edifício e a significativa melhora no sinal observada no
andar superior.
A possibilidade de uma abordagem mais personalizada, utilizando variados tipos de
cabos e antenas e outros elementos passivos será abordada na Seção 5.4: Composição de
antenas.
5.4 COMPOSIÇÃO DE ANTENAS
Uma alternativa para expandir e homogeneizar a área de cobertura de um ponto de
acesso é através da substituição da antena externa deste por um conjunto de elementos
passivos (cabos coaxiais, cabos irradiantes, divisores, acopladores e antenas). As novas
antenas seriam então distribuídas pela área de cobertura desejada, tornando possível construir
um padrão similar a células de cobertura, mas utilizando apenas um rádio. Neste trabalho
serão explorados alguns casos onde são colocadas duas antenas, no entanto, este esquema
pode ser expandido para um número arbitrário de antenas.
Esta solução não adota nenhuma tecnologia especial; ela procura utilizar os elementos
passivos de um sistema de rádio de um modo mais inteligente. Apesar de não ser uma criação
deste trabalho, a abordagem sobre as variadas formas de utilização, os seus benefícios para
aumento e homogeneização da cobertura e a importância desses benefícios para redes densas
e de baixo custo pode ser considerada uma contribuição.
A Figura 21 ilustra um primeiro exemplo de uso de composição de antenas. Supõe-se
que o único ponto possível para instalar um ponto de acesso se encontre próximo à entrada
(no extremo inferior da figura) da edificação. Esta limitação nas opções de local de instalação
pode ocorrer para garantir a segurança física do equipamento, por proximidade do ponto de
chegada do acesso Internet, por acessibilidade ou por outras razões práticas. Sendo usado a
antena omnidirecional de 2 dBi, padrão na maioria dos APs, é possível que em determinados
pontos da edificação não haja cobertura. Este é um cenário em que um arranjo de antenas
pode ser conveniente.
Dentre as muitas possibilidades, dois arranjos são sugeridos na Figura 21 e na Figura
22. Cada um deles pode ser pensado como uma possível solução para o problema de
distribuição do sinal de Wi-Fi. Na Figura 21, duas antenas setoriais concentram a energia
dentro da edificação, ao passo que a antena padrão do ponto de acesso lançaria parte desta
energia para fora da escola.
Se mesmo este arranjo não fosse suficiente para iluminar a parte superior da figura,
outro cenário poderia ser criado, em que uma das antenas seria aproximada da extremidade
superior do prédio. Nesse caso, como a distância percorrida pelo cabo coaxial é maior, a
potência injetada neste deve ser maior. A partir da análise do cenário de cobertura desejada, o
arranjo e os correspondentes elementos passivos devem ser escolhidos. Esta tarefa deve,
preferencialmente, ser executada por um engenheiro.
Exemplificando o trabalho de engenharia que deve ser feito para cada arranjo: se a
distância entre as duas antenas for igual, deve-se usar um divisor de potência na saída do
ponto de acesso. Neste esquema, um cabo coaxial é conectado na entrada da antena do ponto
de acesso, sendo a outra ponta ligada ao divisor. Este irá dividir igualmente a potência do
sinal gerado pelo rádio entre dois novos cabos coaxiais. Na ponta destes cabos secundários, a
antena é instalada, como mostra a Figura 21.
Figura 21 - Composição de antenas com divisor de potência
Já se o posicionamento das antenas em relação ao rádio for assimétrico, como ilustra a
Figura 22, o divisor deve ser substituído por um acoplador desbalanceado. Este dispositivo
divide o sinal proveniente de um cabo coaxial em dois ou mais ramos com potências
diferentes. O acoplador deve, neste caso, oferecer mais potência ao ramo onde o sinal irá
percorrer uma distância maior até a antena. Cabe ao engenheiro do projeto definir o grau de
desbalanceamento desse acoplador.
Figura 22 - Composição de antenas com acoplador desbalanceado
Para compensar as perdas de propagação no cabo coaxial e as de acoplamento nos
outros elementos passivos, e garantir que o sinal oriundo do AP chegue com potência alta à
antena, estes dois cenários, e também o cenário de uso de cabo irradiante, podem ser repetidos
com o uso de amplificador. Este ficaria entre o AP e o divisor de potência ou acoplador
direcional, quando existir mais de um ramo de elementos passivos, como mostra a Figura 23.
Caso haja apenas um ramo, o amplificador deve ser conectado diretamente no cabo coaxial ou
cabo irradiante.
Figura 23 - Composição de antenas com amplificador
Deve-se ter parcimônia no uso de amplificadores, pois, se mal usados, eles podem
piorar, ao invés de melhorar a qualidade de distribuição do serviço. Os amplificadores para
Wi-Fi encontrados no mercado amplificam uniformemente o sinal. Quando usado na
transmissão do sinal, junto ao rádio, não há problema, pois a Relação Sinal-Ruído (RSN) é
muito alta na saída do rádio. Mas quando colocados junto ao rádio, na recepção, a RSN é bem
mais baixa, e com isso, o ruído também seria amplificado, comprometendo a interpretação do
sinal pelo AP. Como na tecnologia Wi-Fi o meio físico é compartilhado, tanto no ar como nos
cabos coaxiais, os sinais, nos dois sentidos, transmissão e recepção, compartilhariam o mesmo
amplificador, resultando no problema exposto acima.
Uma solução para este problema seria construir um esquema com dois amplificadores
e dois circuladores. A Figura 24 ilustra o esquema que separaria os sinais nos dois sentidos.
Um amplificador normal seria usado no sentido da transmissão, e um amplificador de baixo
ruído (LNA - Low Noise Amplifier) no sentido da recepção. O uso desta solução, com
amplificadores, aumentaria bastante o custo do projeto. Portanto, só deve ser utilizada se a
distância do rádio para as antenas for muito grande e o cenário possuir obstáculos
significantes à propagação do sinal, o que exigiria um grande número de rádios caso fosse
utilizado uma solução tradicional.
Figura 24 - Esquema com
Amplificadores e Circuladores
A: Amplificados;
A
LN
: Amplificador de baixo ruído;
Circ: Circulador
Pode-se também unir a solução de cabos irradiantes à da composição de antenas.
Neste caso, o cabo coaxial seria substituído por um cabo irradiante e uma antena com a
mesma impedância de entrada do cabo seria acoplada a ele, resultando numa configuração
como a apresentada na Figura 25. Essa solução, como será visto no teste da Seção 5.4.3, pode
melhorar ainda mais a qualidade de cobertura de um ambiente indoor.
Figura 25 - Cabo Irradiante com uma antena
Soluções ainda mais complexas podem ser adotadas, como intercalação entre cabos
coaxiais e cabos irradiantes para evitar que potência seja desperdiçada em áreas em que não é
desejada a cobertura. O uso em conjunto de cabos coaxiais e cabos irradiantes possui outra
vantagem: redução de custo, quando comparada à solução de cabo irradiante pura.
5.4.1 Vantagens
• Quando comparado à solução de cabos irradiantes, composição de antenas
possui um custo bem menor, devido ao preço baixo de antenas setoriais e cabos
coaxiais.
• Possibilita que a área de cobertura seja projetada de modo a confinar o sinal
em uma área de interesse, evitando desperdício de sinal.
• Assim como a solução de cabos irradiantes, cria uma área de cobertura
homogênea para computadores e laptops, reduzindo a distância média entre a
fonte e o cliente móvel e permitindo associação a altas taxas por todos os
clientes.
• Aumento da área de cobertura, pois a passagem do cabo coaxial através de
obstáculos possibilita a iluminação de áreas que seriam naturalmente
obstruídas.
5.4.2 Desvantagens
• Assim como a solução de cabos irradiantes, a instalação do sistema de
composição de antenas requer um estudo de engenharia para definir o melhor
caminho de passagem dos cabos coaxiais, posicionamento e escolha das
antenas e demais componentes.
5.4.3 Testes com Composição de Antenas
No mesmo cenário montado para os testes da Seção 5.3.3, foi feito um teste
adicionando uma antena de 12 dBi como terminador do cabo irradiante. Essa solução pode ser
vista como uma composição de antenas. A Figura 26 e a Tabela 4 mostram a melhora de
cobertura e homogeneidade.
Figura 26 - Cabo irradiante com antena de 12dBi
Ponto N°
Sem Cabo Irradiante Cabo+Antena
Potência Média
(dBm)
Desvio Padrão
(dBm)
Beacons/s
Potência Média
(dBm)
Desvio Padrão
(dBm)
Beacons/s
1 -51.3171 5.24275 9.732 -66.1757 2.07217 9.73201
4 -56.2117 2.43418 9.72877 -59.4949 1.61382 9.74034
7 -69.7983 3.42163 9.67302 -51.7144 2.21855 9.4292
9 -89.6795 2.14198 8.87109 -64.451 2.60772 9.36289
11 -79.3687 2.83907 6.37127 -64.6095 4.90296 3.38748
12 -92.9264 1.37859 4.08037 -83.499 2.75094 8.50479
14 -78.4556 2.73393 8.73006 -67.9895 4.15199 5.57764
15 -83.825 2.28667 9.66712 -80.9687 3.9713 9.59024
16 -84.9222 2.13968 9.64351 -61.5137 3.71086 9.46346
17 -92.0783 1.17766 5.96307 -74.4133 2.65086 4.76086
18 -81.4545 2.72896 9.70216 -70.2329 2.40516 9.74036
19 - - - -79.8342 1.8417 9.41293
Tabela 4 - Comparação dos resultados sem cabo irradiante e com cabo irradiante com antena
Comparando a homogeneidade de cobertura, ou variabilidade da potência do sinal,
para os três cenários testados, observa-se:
• Variabilidade muito baixa: cabo irradiante com antena como terminador
• Variabilidade baixa: cabo irradiante sem terminador
• Variabilidade alta: AP com antena padrão
5.5 HOME PNA
HomePNA é uma tecnologia baseada nas especificações desenvolvidas pela Home
Phone Networking Alliance (HPNA) [39], e é usada para transmissão de dados através de
cabos telefônicos para pequenas distâncias.
Os sinais transmitidos não interferem com as ligações de voz, nem com os serviços de
acesso via ADSL, pelo fato de que ambos utilizam diferentes frequências. A última versão do
padrão HomePNA oferece vazão de até 320 Mbps, mesmo se o telefone estiver em uso.
Adaptadores HomePNA são usualmente encontrados na forma de placas PCI para PC
(Figura 27) ou de adaptadores externos (Figura 28).
Figura 27 - Adaptador HomePNA PCI
Figura 28 - Adaptador HomePNA externo
Há duas formas de distribuir conectividade utilizando o HomePNA. A primeira,
utilizando extensões telefônicas. A linha telefônica funcionaria como um barramento, e
qualquer usuário com um adaptador HomePNA/Ethernet, que plugue seu computador a
extensão, compartilhará a rede. Se um destes equipamentos estiver conectado à Internet, todos
os outros também estarão. É possível interligar até 50 equipamentos de rede em uma mesma
linha telefônica; no entanto, quanto maior o número de equipamentos, maior o número de
colisões de pacotes e pior o desempenho. A segunda forma de uso do HomePNA é por linhas
dedicadas. Essa é a forma mais comum, pois linhas telefônicas são geralmente dedicadas.
Para distribuir conexão à rede para diversos ramais dentro de um prédio, é necessária a
aquisição de um switch HomePNA. Esse switch teria uma porta ethernet, para conexão à rede
externa (Internet) e diversas portas de telefonia. Cada uma dessas portas deve ser conectada à
respectiva entrada no quadro de distribuição de telefonia do prédio. Os usuários finais
necessitam, da mesma forma que a anterior, de um adaptador HomePNA/Ethernet para
conectar seu computador à linha telefônica (a Figura 29 mostra essa arquitetura). A distância
máxima tolerada entre os pontos é de 330 metros.
Figura 29 - Arquitetura do Home PNA
5.5.1 Vantagens
A principal vantagem desta tecnologia é o aproveitamento da infraestrutura já
existente da rede telefônica para interligar computadores.
5.5.2 Desvantagens
Para a rede telefônica tornar-se uma rede de dados é necessária uma tomada telefônica
próxima de cada computador, pois, caso contrário, será necessário passar extensões de
telefone ou instalar uma nova conexão. Neste caso, é mais vantajoso usar a tecnologia
Ethernet, pois ela tem um menor custo e maior confiabilidade. Por isso, esta solução se torna
pouco aplicável no cenário de uma escola, pois nem todas as salas de aula possuirão uma
tomada telefônica para ser conectada a um dispositivo HomePNA.
5.6 ETHERNET
Ethernet é uma tecnologia usada em redes locais, padronizada pelo IEEE como 802.3
[40], e é o padrão de rede mais usado atualmente. Praticamente todos os computadores e
equipamentos de rede, como pontos de acesso, possuem uma interface Ethernet. É confiável,
estável, tem taxas de transmissão de dados a partir de 10 Mbits/s e alcança taxas de Gbps,
conforme os padrões abaixo:
Fast Ethernet: Em relação ao padrão Ethernet, houve uma mudança da taxa de
transmissão de 10Mbit/s para 100Mbit/s.
Gigabit Ethernet: Este novo padrão aumentou o valor da taxa de trasmissão
para 1Gbps
10-Gigabit Ethernet: Este novo padrão Ethernet alcança 10 Gbps e abrange
sete tipos diferentes de mídias para uma LAN, MAN e WAN. Já está sendo
usado em redes metropolitanas.
O compartilhamento de uma conexão à Internet com vários clientes, que no cenário da
escola serão os pontos de acesso, demanda o uso de um switch. O dispositivo conectado a
Internet (gateway), cable modem ou modem ADSL, deve ser conectado através de um cabo de
rede Ethernet ao switch, e este deve ser conectado também através de cabo ethernet aos
pontos de acesso. Switches mais simples e baratos possuem quatro portas, o que possibilitaria
a conexão de três pontos de acesso ao gateway; mas existe uma gama de switches presentes
no mercado com variados números de portas.
Este trabalho não tratará dos detalhes desta tecnologia, visto que ela já é bem
conhecida e o objetivo aqui seria apenas listar suas principais características, vantagens e
desvantagens frente às outras tecnologias já estudadas.
5.6.1 Vantagens
• A grande adoção resultou numa produção cada vez maior de equipamentos
Ethernet, fazendo com que seu preço caísse cada vez mais, tornando-a a
tecnologia de LAN mais amplamente utilizada, tanto em ambientes domésticos
como empresariais.
• Trata-se da tecnologia mais madura de redes locais. É estável, oferece
velocidades muito altas e modo de transmissão full-duplex.
• Dispensa o uso de adaptadores para conexão aos pontos de acessos e ao
modem ADSL.
• Alguns equipamentos permitem a alimentação dos pontos de acessos através
do cabo de rede, usando a solução de PoE (Power over Ethernet) [41]. Ao
utilizar tal solução, é possível centralizar o ponto de alimentação de todos os
equipamentos, dando maior segurança de operação aos equipamentos
eletrônicos, já que o equipamento injetor de energia poderia ser alimentado por
um nobreak e por um circuito elétrico confiável.
5.6.2 Desvantagens
Apesar de esta tecnologia ser a mais utilizada atualmente, ela envolve alto custo de
implantação, não apenas pelo material (cabos, conectores, patch-panels e outros elementos
ativos) como pela mão de obra para passagem de cabos e conectorização, além da necessidade
de projetos de cabeamento.
5.7 CONCLUSÃO SOBRE CONECTIVIDADE INDOOR
Para determinar o número de pontos de acessos necessário, e que tecnologias de apoio
deverão ser usadas em um projeto de rede sem fio, deve-se pensar na área de cobertura
desejada, no número de usuários da rede, na necessidade de banda para cada usuário e no
comportamento de uso deste usuário – os três últimos estão ligados à capacidade da rede. Os
requisitos que são ligados à capacidade são mais fáceis de mensurar – eles dependem do
número de usuários ativos simultaneamente, banda necessária para cada usuário e limitação
do hardware, todos esses valores conhecidos ou que podem ser estimados - e os principais
delimitadores no dimensionamento da rede sem fio no ambiente denso das escolas; portanto,
estes que deverão ser usados, inicialmente, para o calculo do número de pontos de acesso
necessários.
Considerando que dentro de sala de aula, a utilização simultânea da rede por todos os
alunos será de grande possibilidade, devido ao uso direcionado que poderá ser feito pelo
professor, e que os equipamentos estejam configurados de forma a otimizar a eficiência da
rede – sem RTS/CTS, taxa de 54 Mbps e sem compatibilidade com IEEE 802.11b -, foi
realizado um calculo teórico para obter a banda disponível a cada usuário em uma rede
compartilhada por 50 usuários. Obteve-se um valor de 330 kbps. Foram também realizadas
algumas simulações no NS-2 (Network Simulation 2) [42], com a mesma combinação de
configurações de rede e com algumas variações, com o intuito de corroborar o cálculo teórico
e demonstrar o impacto das configurações de rede propostas na eficiência da rede. Os
resultados, apresentados na Tabela 5, confirmam às análises e cálculos teóricos e, apesar das
limitações inerentes a uma simulação de rede, leva a acreditar que o número de 50 usuários
pode ser utilizado como um limite máximo de usuários por AP, já que 300 kbps é uma
velocidade aceitável para acesso à web.
Simulação
Combinação
de Referência
Combinação 2
Combinação 3
Combinação 4
TT
54Mbps
Sem
RTS/CTS
Sem
802.11b
TT
Variável
Com
RTS/CTS
Com
802.11b
300 Kbps
280 kbps
240 kbps
210 Kbps
Tabela 5 - Simulação de capacidade da rede
Como o número máximo de alunos por sala de aula, determinado pelo Ministério da
Educação, é de 50 usuários, a utilização deste número como referência traz facilidade ainda
maiores, pois evita que seja necessário a instalação de mais de um AP por sala de aula, o que
traria problemas de infraestrutura e aumentaria a interferência entre células.
Portanto, se o ponto de acesso possuir capacidade computacional para absorver um
número maior que 50, o compartilhamento de banda será o principal delimitador para o
cálculo de APs, caso contrário, o delimitador é o próprio AP.
Para escolas pequenas, como as rurais, com menos de 30 alunos por turno, uma
solução com um ponto de acesso customer-grade pode ser suficiente para suprir os requisitos
de capacidade da escola. Caberia, portanto, verificar se a instalação desse AP em local
apropriado – utilizando a prática do site survey - satisfaria o requisito de cobertura. Escolas
um pouco maiores, com menos de 50 alunos por turno, seguiriam o mesmo esquema, com a
diferença de que necessitariam de um ponto de acesso mais robusto para satisfazer o requisito
de capacidade. Nos dois casos, se a cobertura for incompleta ou deficiente, limitando a banda
oferecida a cada usuário, deve-se trabalhar para tornar a rede mais homogênea através do uso
de elementos passivos, ou até mesmo com a instalação de outro AP. A escolha entre uma
opção ou outra deve ser baseada na infraestrutura existente em cada escola - caso ela já tenha
uma rede cabeada Ethernet instalada, por exemplo, pode ser mais barato e vantajoso a
instalação de um segundo AP -, ou na facilidade de elaboração do projeto – elementos
passivos demandam um trabalho mais complexo de engenharia.
Escolas maiores e com quantidade superior de alunos terão que instalar mais de um
ponto de acesso, pois dificilmente um único AP será capaz de associar simultaneamente mais
de 50 clientes, e ainda oferecer-lhes banda apropriada. Nesse caso, ao fazer o projeto, deve-se
contabilizar o número de pontos de acessos necessários em função do número de alunos.
Posteriormente, divide-se a área de cobertura desejada em um número de zonas iguais ao
número de APs. Em cada zona deve-se instalar o AP em um local apropriado, de forma que
ele atenda no máximo 50 alunos
for satisfatória
dentro de cada zona
de elementos passivos.
A Figura 30
mostra
que deve ser utilizada para o planejamento de uma rede sem fio nas escolas.
Figura
Escolas com mais de três APs terão que praticar re
inevitavelmente, interferência entre algumas células. Nestes casos, a diminuição de potência
dos
APs pode ser realizada como medida paliativa. Deve
potência necessária para que ele consiga cobrir a área prevista com um nível de sinal
aceitável. Tal medida, sozinha, não evita a interferência entre as células por comp
isto, seria necessário também diminuir a potência dos laptops, o que é inviável, já que este
deverá funcionar em outros ambientes. A utilização da emenda “a”
solução ideal, pois permite
m
probabilidade de dois APs próximos terem que utiliza
É preciso, ainda,
enco
ou enlace via satélite
, que dará acesso à rede externa
HomePNA
dizem respeito ao
essa rede externa
. No jargão das redes sem fio, esse
ele atenda no máximo 50 alunos
. Novamente, como nos casos
anterior
dentro de cada zona
, deve-se escolher entre a adição d
e novos AP ou utilização
mostra
um fluxograma que apresenta de forma resumida a metodologia
que deve ser utilizada para o planejamento de uma rede sem fio nas escolas.
Figura
30 -
Metodologia de planejamento de rede sem fio
Escolas com mais de três APs terão que praticar re
ú
so de canais ortogonais, causando,
inevitavelmente, interferência entre algumas células. Nestes casos, a diminuição de potência
APs pode ser realizada como medida paliativa. Deve
-
se então configurar o AP na mínima
potência necessária para que ele consiga cobrir a área prevista com um nível de sinal
aceitável. Tal medida, sozinha, não evita a interferência entre as células por comp
isto, seria necessário também diminuir a potência dos laptops, o que é inviável, já que este
deverá funcionar em outros ambientes. A utilização da emenda “a”
ou “n”
m
a utilização de até 12 canais or
togonais, praticamente anulando a
probabilidade de dois APs próximos terem que utiliza
r o mesmo canal.
enco
ntrar uma forma de interligar o AP (ou os APs)
, que dará acesso à rede externa
.
As tecnologia
dizem respeito ao
backhaul
que interconectará esses diversos pontos de acesso
. No jargão das redes sem fio, esse
backhaul
é conhecido como Sistema de
anterior
es, se a cobertura não
e novos AP ou utilização
um fluxograma que apresenta de forma resumida a metodologia
que deve ser utilizada para o planejamento de uma rede sem fio nas escolas.
Metodologia de planejamento de rede sem fio
so de canais ortogonais, causando,
inevitavelmente, interferência entre algumas células. Nestes casos, a diminuição de potência
se então configurar o AP na mínima
potência necessária para que ele consiga cobrir a área prevista com um nível de sinal
aceitável. Tal medida, sozinha, não evita a interferência entre as células por comp
leto. Para
isto, seria necessário também diminuir a potência dos laptops, o que é inviável, já que este
ou “n”
do 802.11 seriam a
togonais, praticamente anulando a
ntrar uma forma de interligar o AP (ou os APs)
ao modem ADSL
As tecnologia
s Ethernet, PLC e
que interconectará esses diversos pontos de acesso
a
é conhecido como Sistema de
Distribuição (DS – Distribution System). Os sistemas de distribuição podem ser cabeados ou
não cabeados (nesse caso são chamados de WDS, Wireless DS). Os mecanismos aqui
descritos são técnicas para a implementação de sistemas de distribuição cabeados. A
tecnologia WDS não foi estudada neste trabalho por ser considerada inviável, uma vez que o
seu uso compartilhando o mesmo rádio da WLAN geraria ainda mais interferência na já
congestionada rede sem fio das escolas – a utilização de dois rádios por AP, utilizando a
emenda “a” para o WDS, soluciona o problema de interferência mas insere em aumento de
custo dos equipamentos e não oferece taxas altas. Redes mesh também poderiam ser usadas
para desempenhar um papel semelhante ao WDS, mas também são desaconselhadas pelos
mesmos motivos.
Para escolha apropriada da tecnologia de interconexão a ser usada, é preciso fazer um
estudo sobre a infraestrutura existente na escola. Sempre que já houver uma rede cabeada
ethernet instalada, ela deve ser utilizada, pois é a tecnologia mais estável, que oferece maiores
velocidades e é compatível com as interfaces de rede presentes nos APs e no modem. Com
isso, seria necessária apenas a compra de um switch e dos APs.
Caso a escola não possua rede Ethernet instalada, deve-se verificar a infraestrutura
presente próxima aos pontos escolhidos para instalação do AP. HomePNA pode não ser
viável, pois nem todos os locais do prédio possuem tomadas de telefone próximas, além desta
tecnologia ter um custo muito alto. PLC, no entanto, possibilita uma interconexão mais
capilarizada, já que tomadas elétricas estão presentes em toda parte de um prédio, e possui
custo mais baixo. No entanto, o projetista deve estar atento às limitações da tecnologia PLC,
como a impossibilidade de comunicação entre quadros elétricos diferentes. São considerados
significativos para o desempenho da rede PLC a variação de distância entre os equipamentos
e as cargas no circuito onde está instalada a rede, principalmente equipamentos elétricos com
motores universais, como ventiladores de teto e furadeiras. Outros equipamentos que
possivelmente serão encontrados no ambiente da escola como, por exemplo, os próprios
computadores e no-breaks, mostraram ser pouco prejudiciais ao funcionamento do PLC.
Constatou-se também que descontinuidades – conexões, emendas, tomadas, etc. - têm efeitos
sobre o desempenho da rede.
A utilização de PLC em ambientes com rede elétrica deficiente também é
desaconselhada por questões de segurança dos equipamentos. Equipamentos eletrônicos são
sensíveis a flutuações e picos de eletricidade. Para garantir a segurança de funcionamento de
todos os equipamentos eletrônicos da escola, seria necessária uma reforma completa da
infraestrutura elétrica da escola, inclusive com aterramento eficiente. Uma solução mais
simples e barata para resolver o problema da estabilidade elétrica é adoção de Ethernet aliada
à tecnologia de Power Over Ethernet. Neste caso, seria necessária a adequação elétrica apenas
do circuito onde estão ligados os injetores PoE.
Feitas todas essas considerações, a tecnologia de PLC também parece promissora
como alternativa em escolas onde a passagem de cabos é inviável economicamente. Havendo,
neste cenário, uma instalação elétrica pré-existente, e em condições satisfatórias, o PLC pode
representar uma solução.
As soluções de uso de elementos passivos, cabos irradiantes e composição de antenas,
são capazes de expandir a área de cobertura sem a aquisição de novos pontos de acesso. Essas
tecnologias também podem ser usadas para aumento da capacidade da rede quando ela está
ligada apenas à questão de interferência. Nesse último caso, o benefício à capacidade da rede
se daria por conta da homogeneização da cobertura, possibilitando que todos os clientes se
associem a taxas altas. No entanto, essas duas tecnologias requerem projetos de engenharia, o
que pode torná-los mais caros e de implantação demorada. Pode-se também enxergá-los como
uma alternativa aos casos onde a propagação do sinal eletromagnético na área desejada de
cobertura seja complicada – por conta de paredes grossas ou metálicas, por exemplo.
Uma alternativa para solucionar o problema de capacidade de uma rede é estabelecer
horários para que cada turma utilize a rede. Um rodízio seria feito entre todas as turmas de
modo que a rede não fique muito congestionada. O Uruguai utiliza essa técnica. O equivalente
para a questão da cobertura seria optar pela iluminação de apenas algumas salas especiais, que
seriam usadas caso o professor necessite o acesso à rede. Cabe, portanto, estabelecer se o uso
concorrente da rede por todos os alunos e em todas as salas de aula é ou não um requisito
necessário. Trata-se de um requisito pedagógico que embasa um projeto técnico.
Em conclusão, podemos afirmar que, face à multiplicidade de tecnologias de conexão
para redes locais, utilizando cabos de rede, cabos elétricos, cabos telefônicos, ou nenhum
cabo, o desafio em se levar conectividade a todos os ambientes necessários é de natureza
primariamente econômica, sendo o aspecto técnico ligado aos projetos de engenharia que
algumas dessas opções pressupõem.
6 PLANEJAMENTO DE CONECTIVIDADE OUTDOOR
O principal objetivo da conectividade outdoor é a inclusão digital para estudantes e
suas famílias, que moram próximos às escolas e, com isso, poderão utilizar os laptops
educacionais em suas casas, ou ruas e praças próximas à escola, para acesso à Internet.
Para prover tal conectividade, um AP compatível com o padrão IEEE 802.11 deverá
ser instalado no topo do colégio junto a uma antena outdoor, que deverá ser escolhida de
acordo com o padrão de cobertura desejado, como mostra a Figura 31. A tecnologia Wimax
[43], apesar de mais apropriada para esse cenário, dada maior cobertura e capacidade dela,
não é aconselhada devido ao alto custo dos equipamentos, à possível necessidade de licença
para operação, o que acarretaria um custo adicional, e à falta de compatibilidade com os
laptops educacionais.
Figura 31 - Cobertura outdoor
Os requisitos de cobertura e capacidade também devem ser considerados na
conectividade outdoor. No entanto, as variáveis que influenciarão estes dois fatores serão
diferentes neste cenário. Para cobertura, as distâncias envolvidas serão maiores e existirão
tipos diferentes de obstrução à propagação do sinal. Ao mesmo tempo, como, neste cenário,
os laptops estarão mais distantes uns dos outros, formando uma rede esparsa, a interferência
entre os nós é menor do que no ambiente denso, dentro de sala de aula.
No decorrer deste capítulo, serão detalhados, além da antena e AP, outros componentes
necessários na instalação da infraestrutura que possibilitará a conectividade nos arredores da
escola, como: cabos coaxiais, conectores, caixas herméticas e alimentação elétrica. E a partir
dos resultados obtidos no teste apresentado em [44], será explicado como a topografia da
região, ou a presença de obstáculos, influenciam na forma de propagação do sinal de rádio
emitido pelo AP e pelos laptops, colaborando positivamente ou negativamente na área de
cobertura alcançada. E, também, serão levantadas alternativas e boas práticas para aumento
tanto da cobertura quanto da capacidade de redes sem fio externas.
6.1 ANTENAS
A grande maioria dos APs, principalmente os que são para utização indoor, já vem
com antenas de fábrica; no entanto, essas antenas quase sempre são omni-direcionais de baixo
ganho (2dBi). Para se obter a cobertura de uma área maior, e com controle maior sobre as
áreas em volta da escola que necessitam de cobertura, é necessário trocar a antena padrão do
AP por uma de maior ganho e com padrão de irradiação adequado para cada cenário.
O ganho de uma antena está relacionado à sua capacidade de concentrar a potência do
sinal irradiado em uma faixa restrita do espaço, fazendo com que a potência de irradiação
nesta faixa seja aumentada em detrimento da potência nas outras direções. O padrão de
irradiação é a forma geométrica através da qual o sinal é irradiado. A classificação mais usual
de uma antena leva em consideração o padrão de irradiação, mais exatamente a forma com
que a antena irradia seu feixe de maior ganho. As antenas podem, então, serem classificadas
como:
• Omni-direcional - Irradia e recebe o sinal de forma equipotencial em todo o
plano em volta do seu eixo. A distribuição de potência do sinal irradiado na
direção do eixo varia de acordo com o ganho da antena. Quanto maior o ganho
de uma antena omni-direcional, maior é a concentração de energia dentro do
feixe vertical (se o eixo da antena estiver na vertical), tornando-o mais estreito.
• Antena direcional - Concentra a potência que será transmitida (ou recebida)
em uma determinada direção, ou seja, possui um alto ganho, o que se traduz
em uma pequena largura do seu feixe (lóbulo) de irradiação. Como
consequência, a cobertura deste tipo de antena é privilegiada na direção e
sentido para a qual está apontada, podendo alcançar distancias maiores quando
comparada à antenas omni-direcionais.
• Antena setorial – Assim como as antenas direcionais, concentra o sinal em
apenas uma direção, no entanto, como possui um ganho menor, a abertura do
feixe é maior, cobrindo um setor maior em volta da antena. Quando comparada
às antenas omni-direcionais, possui um alcance maior, mas o alcance é menor
quando comparada às antenas direcionais.
As Figura 32, Figura 33, Figura 34 e Figura 35 mostram os padrões de irradiação
simplificados dos tipos de antena supracitados.
Figura 32 - Padrão de irradiação de uma antena
omni-direcional de baixo ganho
Figura 33 - Padrão de irradiação de uma antena
omni-direcional de alto ganho
Figura 34 - Padrão de irradiação de uma antena
setorial
Figura 35 – Padrão de irradiação de uma antena
direcional
As Figura 32, Figura 33, Figura 34 e Figura 35 ilustram apenas os lóbulos principais
de irradiação, isto é, os lóbulos de maior ganho. No entanto, todas as antenas possuem lóbulos
secundários, de menor potência, em todas as direções. A Figura 36 mostra o lóbulo de
irradiação traseiro de uma antena direcional. E a Figura 37 mostra o diagrama de irradiação
completo de uma antena similar.
Figura 36 – Lóbulo secundário traseiro de uma antena direcional
Figura 37 - Diagrama de irradiação direcional
É necessário notar que as antenas escolhidas devem ser projetadas para trabalhar na
faixa de 2,4 GHz, que é a faixa de frequência utilizada pelos padrões IEEE 802.11 “b” e “g”.
Se a emenda “a” do padrão fosse utilizada, a antena deveria ser específica para a faixa de 5.8
GHz. Além disso, é necessário que as antenas sejam instaladas em um local alto e
desobstruído, para que seja permitida a propagação do sinal em suas redondezas.
6.2 PONTOS DE ACESSO
Assim como na conectividade indoor, o ponto de acesso continua sendo
imprescindível para a cobertura externa à escola. As mesmas considerações feitas sobre
capacidade dos APs, na Seção 4.2.1, continuam valendo aqui. Dependendo do número
previsto de casas, ou usuários móveis em volta da escola, deve-se optar pelo uso de um AP
enterprise ou um customer-grade.
Outra variável que pode influenciar a escolha do AP é o alcance exigido para cada
cenário. Já foi visto na Seção 4.1 que APs enterprise possibilitam a configuração de potências
mais altas, possuindo, com isso, um alcance maior. No entanto, deve-se estar atento à
legislação brasileira para o uso de equipamentos que operam na faixa de frequência do Wi-Fi.
A Agência Nacional de Telecomunicações (ANATEL) especifica que redes locais sem fio em
ambientes urbanos, com mais de 400.000 habitantes, não devem trabalhar com potências de
irradiação maiores do que 26 dBm (400mW). Para se enquadrar à legislação, os APs
customer-grade, vendidos no Brasil, usualmente são limitados a fornecer essa potência (a
maioria fornece menos). Em ambientes rurais, é permitida a utilização de potências de até
30dBm (1W), e, neste caso, pode-se configurar potências mais altas. No entanto, é preciso
entender que aumentar a potência do AP melhora a qualidade de comunicação apenas em um
sentido, do AP para o laptop. O ganho real de alcance de alguns APs entreprise se deve mais a
utilização de array de antenas. A utilização de amplificadores de potência, utilizando o
esquema exposto na Figura 24, que amplifica tanto a transmissão, como a recepção, teria
também traria ganhos reais de cobertura.
Alguns pontos de acessos, chamados de APs outdoor, possuem outras características
que são próprias para uso externo. Esses APs são hermeticamente fechados, protegendo-os
das intempéries e poeira, possibilitam o uso de PoE e possuem conectores próprios para
acoplagem às antenas externas. É altamente recomendável que o AP instalado para
conectividade outdoor possua essas características.
6.3 CABOS, CONECTORES, CAIXA HERMÉTICA E ALIMENTAÇÃO
Uma vantagem dos APs outdoor é presença de conectores externos que permitem a
colocação de uma antena de acordo com a preferência do projetista da rede – a maioria dos
APs indoor possui antenas internas diretamente conectadas na placa mãe do equipamento. Os
conectores mais encontrados nos APs outdoor são do tipo R-SMA Fêmea ou RP-TNC Fêmea
(Figura 38 e Figura 39), enquanto praticamente todas as antenas de alto ganho possuem
conectores N-Macho ou N-Fêmea (Figura 40 e Figura 41). Para interligá-los é necessário
algum dispositivo, que pode ser um adaptador ou um cabo coaxial com conectores
compatíveis com as entradas da antena e do ponto de acesso.
Figura 38 – R-SMA Fêmea
Figura 39 – RP-TNC Fêmea
Figura 40 – N-Macho
Figura 41 – N-Fêmea
Os cabos coaxiais mais usados para antenas que utilizam a faixa de frequência de 2,4
GHz (utilizada no Wi-Fi) são o RG-58 (Figura 42) e o RG-213 (Figura 43). O RG-213, por ter
um diâmetro bem maior, é mais rígido, o que torna difícil fazer curvas em pequenas
distâncias. O RG-58, mais fino, insere uma perda maior no sinal eletromagnético, no entanto.
Como a distância entre o ponto de acesso e a antena deve ser pequena, a perda não é fator
crítico e a utilização desse último cabo é aconselhável devido à sua flexibilidade.
Figura 42 – Cabo RG-58
Figura 43 – Cabo RG-213
A utilização de fitas de alta fusão para proteção dos conectores é suficiente para
garantir a conservação dos cabos coaxiais e conectores instalados em ambientes externos.
Diferentemente, os pontos de acessos por serem equipamentos eletrônicos e, por isso, mais
sensíveis, necessitam de uma proteção maior contra calor e umidade. Para isto, é utilizada a
caixa hermética, que, além de proteger o AP, permite alojá-lo próximo à antena. A Figura 44
mostra como, através do auxílio de uma haste, uma caixa hermética deve ser instalada junto à
antena.
Figura 44 – Caixa hermética e haste da antena
A questão da alimentação do equipamento instalado em ambiente externo é mais
complicada do que para o ambiente indoor, pois o acesso a uma tomada elétrica é mais difícil,
já que tomadas não são instaladas em locais expostos a chuva, o que exige, na maioria dos
casos, uma extensão até um local coberto que possua tomada. Além do mais, a fonte do AP
também deve estar protegida, exigindo que a caixa hermética seja maior para comportá-la. Por
conta disto, a utilização de PoE para ambientes outdoor é ainda mais aconselhável do que no
indoor.
6.4 AUMENTADO CAPACIDADE – MÚLTIPLOS APS
Um detalhe importante nesta análise é a questão da cobertura versus a questão da
quantidade de usuários suportados. Uma região de interesse pode estar inteiramente coberta e,
ainda assim, prover uma experiência de uso frustrante. Para prover conectividade a um grande
número de estudantes, em suas casas, deve-se seguir o caminho escolhido pelo Uruguai,
utilizando pontos de acesso de alta capacidade, com múltiplos rádios, e mais caros.
Outra solução para o problema da capacidade seria a utilização de vários APs comuns,
cada um ligado a um tipo de antena destinada a cobrir uma determinada região. Por exemplo,
poderiam ser utilizados três APs em canais de frequência não interferentes (1, 6 e 11), sendo
cada um deles conectado a uma antena setorial com 120° de abertura horizontal. Com isto,
uma área de cobertura de 360° ao redor da escola seria obtida, e um melhor nível de sinal
seria fornecido aos usuários. Além disso, um maior número de usuários poderia conectar-se
simultaneamente, já que as capacidades de associação dos três APs seriam somadas. Porém, é
importante notar que tal alternativa possui o custo três vezes maior do que a implementação
de apenas uma antena e um AP.
6.5 AUMENTANDO COBERTURA – REDES MESH ESPARSAS
A literatura não oferece uma definição formal de rede densa ou esparsa. Em geral,
considera-se rede sem fio densa aquela em que a competição pelo meio degrada o
desempenho não apenas de cada nó participante, mas também do tráfego agregado. Redes
densas são sujeitas a congestionamento e escassez do meio. Em contraposição, uma rede
esparsa seria aquela em que o principal desafio é resultante da distância entre os nós. Neste
sentido, o ambiente encontrado em uma sala de aula repleta de laptops educacionais,
constituiria uma rede densa, ao passo que uma rede mesh formada por dispositivos
distribuídos em uma área maior - espalhados por cômodos distintos ou casas próximas –
constituiria uma rede esparsa.
A utilização de redes mesh esparsas possui dois principais objetivos: extensão da
cobertura de um ponto de acesso da escola; e formação de uma rede em malha que permita
aos laptops educacionais se comunicarem entre si, de suas casas. A formação de redes
esparsas é espontânea - laptops educacionais, ao serem ligados dentro de uma mesma
vizinhança, formam uma rede em malha.
A Figura 45 ilustra um cenário [17] onde é utilizada a rede mesh para estender a
cobertura em volta de uma escola. As casas escuras possuem laptops que estão conectados à
rede mesh, sendo que duas delas conseguem comunicar-se com a antena ligada ao ponto de
acesso na escola mais próxima. Como o ponto de acesso, acoplado à antena, está ligado à rede
externa, estes dois gateways dão acesso à Internet para todos os nós que estão dentro da rede
mesh.
Se um laptop dentro de uma casa clara conseguir comunicar-se com quaisquer laptops
das casas escuras, ele entrará na rede mesh, podendo comunicar-se com qualquer um deles, e
também terá acesso à Internet através de algum laptop gateway.
Figura 45 - A rede esparsa
Vale a observação de que a queda de um enlace em um caminho escolhido não implica
falha na comunicação. A arquitetura em malha permite que a rota seja alterada dinamicamente
(contanto que ainda haja caminhos possíveis) assim que haja quedas ou alguma outra opção
de rota se mostre mais vantajosa.
A utilização do padrão 802.11s favorece esse tipo de cenário, pois, como o
processamento do roteamento é todo em nível de enlace, é possível que o laptop continue
funcionando como um roteador mesmo que ele esteja desligado. Para isto, o módulo de rádio
deve ser alimentado independentemente através de uma bateria. O laptop XO utiliza essa
arquitetura de hardware.
Ao contrário do que foi observado na Seção 5.1, em que foi desaconselhado o uso de
redes mesh devido ao aumento de interferência e ao seu mau funcionamento em ambientes
densos, no cenário de cobertura outdoor seu uso é mais adequado. Mesmo que a rede em
malha esteja desconectada da escola – sem um gateway que de acesso à Internet –, a formação
de uma rede entre os próprios laptops proporcionaria uma interação entre os estudantes, que,
através desta rede, poderiam participar de chats, compartilhar atividades e realizar diversas
atividades em grupos.
No Capítulo 7 serão mostrados alguns testes de validação e desempenho do modelo
ilustrado na Figura 45, mostrando também algumas de suas limitações.
7 TESTES DE CONECTIVIDADE OUTDOOR
Para exemplificar melhor a aplicação de alguns dos conceitos apresentados na Seção
6, será apresentado um estudo de caso, descrito com maiores detalhes em [44], que
possibilitará os funcionários das escolas, mesmo sem experiência técnica, ou colaboradores,
prever a área de cobertura que pode ser obtida com variados tipos de antena e o grau de
influência que cada fator ambiental exerce nessa cobertura.
Caso o Governo Federal opte por profissionalizar a elaboração e instalação dos
projetos de infraestrutura de rede nas escolas, através do Modelo Descentralizado, este estudo
de caso pode servir como apoio às autoridades para validação do projeto realizado pelas
empresas, evitando, assim, que o resultado final do projeto oferecido pela empresa
terceirizada não se alinhe às necessidades do cenário da escola.
Também será demonstrado através de testes que as redes mesh esparsas,
diferentemente das redes mesh densas originadas em ambiente de sala de aula, podem ser
utilizadas para estender a cobertura do ponto de acesso instalado no topo do colégio ou prover
conectividade entre os estudantes, de suas casas, através de uma rede mesh comunitária. Os
testes de rede mesh esparsa se dividem em duas partes: Teste para prova de conceito em
ambiente real, apresentado em [45], e testes com análises mais profundas em ambiente
controlado.
7.1 TESTE DE COBERTURA PARA VARIADOS TIPOS DE ANTENAS
A escolha da antena a ser utilizada para provimento de conectividade externa à escola
deve ser feita a partir da definição das áreas em volta da escola em que é desejada a cobertura.
Pode-se desejar cobrir toda a área envolta da escola, o que demanda a utilização de uma
antena omni-direcional, ou apenas uma área especifica em dada direção, demandando a
utilização de uma antena direcional ou setorial.
O teste documentado em [44] estudou os padrões de cobertura obtida com variados
tipos de antenas instaladas no topo de um prédio de quatro andares. Durante os testes, as
seguintes antenas foram utilizadas: direcional de 19 dBi; setoriais de 12 dBi com 60° e 90° de
abertura horizontal; omni-direcionais de 8 e 12 dBi. Esse estudo inclui a influência das
distâncias e tipos de obstrução que podem ser encontradas nos arredores da escola, já que as
medições foram feitas em pontos com diferentes visibilidades em relação à antena.
O AP foi configurado para emitir um beacon a cada 100 ms, e durante 60 segundos um
conjunto de laptops XO operando em modo monitor, distribuídos em uma área no entorno do
prédio, realizavam a captura dos quadros registrando o nível de potência de cada um e
calculando a média de potência entre todos os quadros recebidos e a porcentagem de quadros
capturados em relação ao total de beacons enviados pelo AP no período.
A partir destes valores foram criados gráficos similares a mapas de calor, que podem
ser vistos nas Figura 46, Figura 47, Figura 48, Figura 49 e Figura 50. Os círculos coloridos
representam a média das potências e os números azuis mostram a porcentagem de beacons
capturados. O número de identificação de cada ponto também é apresentado, estando logo
acima dos valores azuis. A localização da antena está marcada com sua respectiva figura
representativa, e a direção de alinhamento, no caso das antenas direcional e setoriais, está
representada por uma linha tracejada branca. Esta direção corresponde à direção do ponto
mais distante da antena, ou seja, o ponto 17, posicionado a 410 metros da antena.
Figura 46 – Omni-direcional 8 dBi
Figura 47 – Omni-direcional 12 dBi
Figura 48 – Setorial 12 dBi 60°
Figura 49 – Setorial 12 dBi 90 °
Figura 50 – Direcional 19 dBi
Os testes demonstraram que antenas omni-direcionais devem ser utilizadas quando se
deseja cobrir toda a área em volta da escola. No cenário de teste, a antena omni de 8 dBi
proveu melhor cobertura para os pontos localizados a até 400 metros da antena, ponto a partir
do qual a antena de 12 dBi começou a levar vantagem. O que explica tal comportamento é a
altura onde estava posicionada a antena – em cima de um prédio de quatro andares. Como as
antenas de maior ganho possuem o feixe de irradiação mais estreito, elas criam uma zona de
sombra nos locais próximos e abaixo da antena. A partir dos 400 metros o feixe adquiriu uma
largura suficiente para atingir o solo, onde foram feitas as medições. Se o prédio fosse mais
baixo, essa distância limiar seria menor.
As antenas setoriais mostraram ser mais adequadas quando se deseja cobrir uma área
específica em volta da escola, enquanto a direcional foi mais eficiente ao cobrir o ponto 17, o
mais distante. Acredita-se que se fossem realizadas medidas em pontos mais distantes e em
direções próximas ao do ponto 17, o desempenho da direcional seria ainda melhor do que das
setoriais. A explicação da diferença de desempenho entre a antena direcional e as setoriais é
similar ao das omni-direcionais com diferentes ganhos, a abertura do feixe, mas neste caso,
não apenas do feixe vertical, mas também do horizontal. Antenas direcionais possuem uma
abertura horizontal menor, prejudicando a cobertura de pontos próximos que estejam fora da
direção de alinhamento da antena. Portanto, antenas direcionais são sugeridas apenas quando
se deseja cobrir uma área mais distante ou uma região bem restrita do espaço.
Os testes também mostraram que pontos sem visada para a antena, por conta
de obstruções, como prédios e árvores, tiveram a cobertura prejudicada. Outros pontos,
porém, tiveram uma qualidade de cobertura contra intuitiva, com resultados abaixo ou acima
do esperado. Tal fenômeno é compreensível em redes sem fio, devido aos inúmeros percursos
que um sinal pode percorrer até atingir um determinado ponto. Os percursos podem ser feitos
através de diferentes mecanismos de propagação como reflexão, difração, refração ou espaço
livre, e o sinal recebido em determinado ponto é o somatório de todos esses sinais, podendo
eles estar em fase, resultando em um sinal de boa qualidade, ou defasados, atenuando ou
anulando o sinal recebido.Apesar do método de medição e equipamentos utilizados no
experimento não sejam os ideais para averiguar a qualidade de cobertura – não há dissociação
entre sinal desejado e ruído -, a idéia proposta por [44] é mostrar a viabilidade de um teste
desta natureza utilizando equipamentos que estarão acessíveis nas escolas: APs e laptops
educacionais.
Por fim, por melhores que sejam as técnicas e os programas utilizados na elaboração
de um projeto de redes sem fio, a natureza dos sistemas de rádio é de alta variabilidade.
Fatores como interferências, condições climáticas e, até mesmo, poda de árvores, causam uma
variabilidade grande no padrão de cobertura. Depois de instalada, a qualidade de cobertura da
rede deve ser constantemente reavaliada.
7.2 TESTES EM REDES MESH ESPARSAS
Primeiramente, esta seção apresentará testes qualitativos em um cenário real
vislumbrado pelo projeto UCA, onde uma comunidade, com o auxílio da rede mesh, consegue
se conectar à Internet utilizando a rede da escola. Posteriormente, devido à dificuldade de
realização de testes em ambientes abertos, optou-se por reproduzir uma rede mesh esparsa em
um ambiente indoor. Tais testes pretendem gerar resultados quantitativos que forneçam
orientações sobre a viabilidade deste modelo de forma mais abrangente. Pelas características
próprias das redes sem fio e pelo fato de não existir uma rede que modele todos os cenários
possíveis em termos topológicos (afinal tratam-se de redes ad hoc, por definição), os
resultados destes testes se dedicam a definição de diretrizes e regras gerais a serem
observadas com o objetivo de aperfeiçoar seu uso e determinar seus limites máximos teóricos.
7.2.1 Teste de mesh outdoor
Este teste foi executado durante o a primeira fase do projeto RUCA[45], como uma
validação do modelo de rede mesh para extensão da cobertura de uma zona externa à escola.
O experimento foi realizado na comunidade Vila Planetário, na cidade de Porto Alegre, RS.
Uma antena omni-direcional de 8 dBi e um ponto de acesso foram instalados no alto de uma
escola próxima à comunidade, e foi testada a formação da rede mesh entre os laptops
posicionados dentro das casas (Figura 51) de cinco estudantes da Escola Luciana de Abreu
(escola piloto do projeto Um Computador por Aluno), moradores da comunidade. A casa da
Sabrina, representada na figura, serviu como nó gateway da rede mesh.
Figura 51 - Cenário de teste na Vila Planetário
Apesar de os testes servirem mais como prova de conceito, eles foram recebidos com
considerável otimismo. Foi possível formar uma rede mesh quando a distância entre os
laptops, operando dentro das casas, era da ordem de 20 metros. No conjunto habitacional
onde o teste foi realizado, isso significa um laptop a cada três casas (cada telhado
representado na Figura 51 cobre inúmeras casas). O uso de antena setorial proporcionaria o
acesso direto, sem múltiplos saltos, à rede da escola por mais laptops, não só o da Sabrina.
Optou-se pelo uso da omni porque se acredita que este será o tipo mais usado. Em um cenário
similar (paredes finas de alvenaria, casas geminadas, número considerável de laptops e baixa
interferência eletromagnética na faixa de 2.4 GHz), o modelo pareceu ser tecnicamente viável.
As favelas do Rio de Janeiro, por exemplo, podem apresentar um resultado até melhor, devido
à alta densidade habitacional e sua verticalização (em encostas), o que possibilitaria a
comunicação em todas as direções.
7.2.2 Testes de mesh indoor
Os testes descritos a seguir medirão parâmetros típicos dos testes de redes
computacionais, como vazão e latência em uma rede mesh indoor. Apesar de, a priori,
parecer estranho abordar redes indoor no capítulo de conectividade outdoor, esta abordagem
faz sentido porque está sendo utilizada, aqui, uma rede esparsa. Redes esparsas formadas por
laptops espalhados entre salas diferentes, ou laptops dentro de casas próximas, são
equivalentes quando o objetivo é formar uma configuração de rede em que cada laptop
consiga se comunicar com um número limitado de nós, e a interferência entre eles seja baixa.
A Figura 52 representa o testbed instalado no bloco E do campus da Praia Vermelha,
na UFF. Nesta instalação, 12 laptops XO foram distribuídos por laboratórios e salas de
pesquisa, com o objetivo de estabelecer uma rede mesh esparsa.
Figura 52 – Primeiro testbed com 12 laptops
Ao testar a conectividade entre nós extremos da rede, verificou-se que eles não se
comunicavam. Observou-se a formação de duas nuvens (rede de laptops), uma entre os XO’s
à esquerda do prédio e outra à direita, como mostra a Figura 53.
Figura 53 - Formação de 2 nuvens no primeiro testbed
Posteriormente, dois laptops foram adicionados, constituindo o testbed ilustrado na
Figura 54. Esta medida possibilitou a formação de uma única rede, totalmente interligada
(Figura 55). Fica claro, aqui, que uma distribuição homogênea dos laptops no ambiente
auxilia na conectividade entre todos os nós. Concentrações de laptops em determinada região,
e ausência deles em outros, geram ilhas de conectividade, cenário indesejável quando se pensa
em estender a área de cobertura do AP da escola através dessa tecnologia.
Figura 54 - Segundo testbed com 12 laptops
Figura 55 - Formação de 1 nuvem no segundo testbed
Antes do início dos testes, foi utilizado o analisador de espectro Wi-spy [46] para
verificar qual dos canais da faixa frequência de 2,4 Ghz era o menos ocupado. Cada laptop
registrou os níveis de interferência na faixa de frequência de operação do Wi-Fi por 24 horas.
Observou-se forte presença de sinal de rádio nos canais 1 e 11; por conta disto, foi escolhido o
canal 6.
Utilizando a ferramenta Scharaperf
2
, foram criados 3 tipos de fluxos entre os laptops
mais distantes: o mais à esquerda do quarto andar e o mais à direita do segundo andar. São
eles:
• Fluxo leve (datagramas UDP de 64 bytes, em intervalo de 1 segundo = 512
bps)
• Fluxo médio (datagramas UDP de 512 bytes, em intervalos de 10ms ~ 400
Kbps)
• Fluxo intenso (datagramas UDP de 1024 bytes, em intervalos de 1ms ~ 8
Mbps)
Nos testes foram enviados 1000 segmentos UDP, variando o intervalo de envio e o
tamanho do pacote, conforme o mostrado acima. Foram medidos: vazão e perda. O resultado
é apresentado na Tabela 6
Perda(%) Vazão
Fluxo leve 99,4 3,072 bps
Fluxo médio 94,13 24,512kbps
Fluxo intenso 93,4 0,54 Mbps
Tabela 6 – Perda e Vazão para teste de conectividade indoor 1
2
Software similar ao iperf, desenvolvido pelo Prof. Dr. Luiz Claudio Schara Magalhães, da Universidade Federal
Fluminense, que gera um fluxo de dados legitimamente CBR, pois força através da aplicação o envio de um quadro a
cada intervalo de tempo especificado, diferentemente do primeiro em que o aplicativo envia um bloco de dados para a
camada 2 da pilha TCP/IP e esta que determina o momento de envio de cada um, podendo haver variação na taxa de
envio.
Mesmo após o reposicionamento dos laptops, o testbed apresentou taxas de perdas
muito altas, inviabilizando o uso desta rede para qualquer finalidade prática. Mesmo com a
presença de fatores que degradam a comunicação - alta densidade de pessoas e equipamentos
no prédio, estrutura bastante robustas (paredes e lajes reforçadas, para o abrigo de maquinário
pesado), que são obstáculos a redes sem fio -, os resultados ainda foram bem abaixo do
esperado.
Testes realizados na primeira fase do RUCA utilizando o mesmo laptop XO, no
mesmo ambiente, apresentados em [28], tiveram resultados bem melhores, chegando a uma
vazão perto de 2 Mbps para quatro saltos. A distância entre os nós das pontas era um pouco
menor que a do teste atual, o que não justiçaria tamanha diferença de desempenho.
Decidiu-se, então, investigar mais a fundo estes resultados, de forma a determinar as
principais causas para o baixo desempenho - fora a causa óbvia da absorção da energia
eletromagnética pelos obstáculos no caminho entre dois nós. As principais linhas de
investigação foram:
• Verificar os efeitos da interferência de outras redes e fontes de ruído nos
experimentos, caracterizando também sua transitoriedade.
• Fixar, para o valor máximo, a potência de transmissão dos laptops, de forma a
melhorar a conectividade entre os nós, visto que a frequência de 2.4GHz,
sobretudo com as baixas potências envolvidas, não é capaz de transpor
obstáculos sem perdas significativas.
• Determinar a sanidade e eficiência do protocolo de descoberta de caminhos
3
implementado nos laptops.
3
Como o padrão IEEE 802.11s (e a implementação da OLPC de rede em malha) são no nível de enlace, o conjunto de nós
que encaminham um pacote entre o nó origem e o nó destino é chamado de caminho e não rota como seria normal em
uma implementação no nível de rede. Os dois são bem similares, mas caminhos usam endereços físicos (MAC) enquanto
rotas usam endereços lógicos (IP).
Interferência
Apesar da análise de espectro feito antes dos testes, é possível que durante o
experimento tenham surgido outras fontes de interferência. Decidiu-se, portanto, realizar
novos testes simultaneamente à análise de espectro. Tais testes serão descritos na Seção 7.2.3.
Esta metodologia permite que seja investigada, com maior precisão, a influência das
interferências nos resultados.
Potência
Durante os testes realizados na primeira fase do RUCA [28], a potência de transmissão
do XO foi ajustada para o seu valor máximo: 20 dBm. Nos testes do RUCA 2, no entanto,
optou-se por não fixar a potência, deixando o ajuste por conta do algoritmo de seleção de
potência do XO (que na realidade foge ao padrão IEEE 802.11, que não prevê controle
automático de potência de transmissão). Esta opção foi escolhida para que o teste se
aproximasse o máximo possível do seu uso real; e como havia distâncias variadas, potências
diferentes poderiam ser usadas. Entretanto, desconfiou-se que o algoritmo não estava
funcionando eficientemente. Dúvida esta que logo foi desfeita em um teste ao registrar a
potência de transmissão, indicada pelo driver da placa de rede sem fio, para várias distâncias
diferentes. Mas o aumento de potência não resultava, nitidamente, em uma melhora da
comunicação. Decidiu-se, então, verificar se a variação de potência indicada pelo driver era
equivalente à real potência de transmissão do laptop.
Foi montado um cenário de teste com um XO em estado de repouso, apenas
emitindo quadros de gerência (beacons). Um script mudava a potência de transmissão a cada
um minuto, variando entre 0 dBm e 20 dBm, enquanto os beacons eram enviados. Este
procedimento foi repetido três vezes para fins estatísticos. Outros três laptops convencionais –
Asus, IBM Thinkpad e HP com Airpcap [47] - capturavam os beacons transmitidos pelo XO,
e registravam a sua potência de recepção. A Figura 56 mostra a variação da potência de
recepção nos 3 laptops monitores em função da potência de transmissão configurada no XO.
Devemos apontar que a potência do sinal recebido, reportado por cada um dos laptops, não
deve ser tomada como um valor absoluto da potência, e sim como uma medida que difere do
valor real por (idealmente) uma constante. Isto se deve às diferentes antenas, posições,
sensibilidade e calibração da placa de rede de cada um dos laptops que fazem a medida. No
entanto, se todos medem o mesmo valor, diferindo apenas de uma constante, a medida
permite uma inferência do que está acontecendo.
Figura 56 - Resultados do teste de potência
Os resultados dos três laptops monitores apresentaram o mesmo padrão de curva nas
três baterias do teste, consolidando a conclusão de que o indicador de potência do driver não
corresponde à sua real potência de transmissão. Portanto, pouca diferença há entre os ajustes
de potência, e, possivelmente, esta potência é limitada a um valor abaixo dos 20 dBm, já que a
preocupação maior da OLPC é diminuir a interferência no modo denso (sala de aula). Este
resultado explica a piora de desempenho, comparado ao teste do RUCA 1, já que a potência
não era limitada no firmware de rádio do laptop utilizado no primeiro teste, e o uso de
potências mais altas é importante em redes esparsas.
-90
-80
-70
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
TX power (dBm)
RX power (dBm)
ASUS (1)
Airpcap (1)
ThinkPad (1)
ThinkPad (2)
ThinkPad (3)
ASUS (2)
ASUS (3)
Airpcap (2)
Airpcap (3)
Sanidade dos caminhos
Como nos testes realizados na primeira fase do RUCA os laptops estavam dispostos
de forma linear, e as condições de teste mais estáticas (prédio vazio e sem nós móveis), a
escolha dos caminhos era uma tarefa trivial. Já no teste atual, com laptops dispostos de forma
mais aleatória, e com movimentação de pessoas pelo prédio, é possível que o protocolo de
escolha de caminhos, utilizado pelo XO, não seja eficiente e escolha caminhos ruins, trazendo
prejuízo na qualidade de comunicação.
Novos testes precisariam ser realizados para investigar a sanidade na escolha dos
caminhos pelo laptop da OLPC. Tais testes serão descritos na Seção 7.2.3.
7.2.3 Testes de mesh indoor 2
O segundo teste de redes esparsas em ambiente indoor foi conduzido usando um
conjunto de nós em número menor que o primeiro cenário, por dois motivos: um conjunto
menor permite ter um maior controle sobre as rotas traçadas pelo protocolo de escolha de
melhor caminho; e o laboratório possui apenas quatro analisadores de espectro Wi-Spy. Com
um grupo menor de nós, é possível medir a interferência em toda a área de teste
simultaneamente ao experimento.
Aproveitou-se a realização dos novos testes para verificar a influência de um usuário
móvel na estabilidade dos caminhos e, consequentemente, nos outros parâmetros medidos
(Vazão, taxa de perda e latência). O usuário móvel no âmbito do projeto UCA, dentro do
cenário de conectividade externa, seria o estudante se deslocando com o laptop dentro de suas
casas, ou pela rua. Em uma rede infraestruturada, um usuário móvel não causa impacto na
rede, somente nele, pois ele é apenas um cliente. Já para a rede mesh proposta para o UCA,
em que cada laptop é também um roteador, existe um impacto.
O novo testbed foi montado com quatro nós fixos e um móvel, formado com os
laptops educacionais XO. Os laptops foram posicionados em laboratórios e salas de aula do
bloco E da Escola de Engenharia da Universidade Federal Fluminense, conforme o mapa da
Figura 57. A primeira parte do teste fará a caracterização do fluxo de um extremo ao outro da
rede formada apenas pelos quatro nós fixos. Em um segundo momento, um nó será conduzido
seguindo um movimento de vai-e-vem num caminho fixo. Esse novo cenário será
caracterizado e, em seguida, serão feitas comparações com o cenário anterior.
Figura 57 - Disposição dos nós de testes no Prédio da Engenharia – UFF
7.2.3.1 Caracterização da rede fixa
Utilizando apenas os quatro nós fixos da rede, foi gerado tráfego de dados entre os nós
1 e 4. Este tráfego foi uma sequência de 60 baterias de ping [48] com intervalos de 10 ms
entre pacotes, tamanho de pacote 1400 bytes e um total de 6000 pacotes enviados por bateria.
Através desta sequência pode-se calcular a latência, taxa de perda e vazão recebida. Para
realizar uma análise dos caminhos utilizados, foram coletadas as tabelas de caminhos dos
XOs a cada 10 segundos. Sincronizaram-se todos os relógios dos XOs, através do servidor ntp
(RFC 1305) [49] e agendou-se o início das coletas dos caminhos e o início da sequência de
ping para o mesmo horário. Com esse início sincronizado, puderam-se traçar os caminhos
utilizados durante o teste com razoável precisão. Como a ferramenta ping envia cada pacote
apenas após o recebimento da resposta do pacote anterior, o tempo de duração do teste é
variável, o que resulta em um número também variável de rotas coletadas em cada teste. Para
prover uma padronização nos scripts de tratamento dos dados, foram consideradas apenas 600
amostras de rotas em cada teste.
Resultados
Analisando a Tabela 7, observa-se uma variância considerável na latência, refletindo a
grande quantidade de retransmissões na camada de enlace. Após um certo número de
retransmissões (sete ou quatro, na maioria das configurações) o transmissor desiste de
transmitir o quadro, acarretando perda de dados. Neste teste, houve uma taxa de perdas alta
(23%). Isto mostra que este testbed 2 ainda tem os problemas do primeiro.
Menor latência média entre todas as baterias 5,591 ms
Média da latência média entre todas as baterias 102,53 ms
Maior latência média entre todas as baterias 1278,266 ms
Média da taxa de perdas entre todas as baterias 22,94%
Média da vazão recebida entre todas as baterias 488,02 kbits/s
Tabela 7 - Latência, Perdas e Vazão na Caracterização da rede fixa
Quanto aos caminhos, a maior parte, quase 80% dos pacotes seguiu o caminho
passando apenas pelo nó 3, enquanto que 18% fez o caminho direto e pouco mais de 1%
seguiu um caminho que faz todo o circuito. A Tabela 8 mostra a distribuição de caminhos
escolhidos, em um total de 600 amostras.
Porcentagem Valor
Absoluto
Caminhos Escolhidos
18.833% 113 1->4
79.5% 477 1->3->4
1.666% 10 1->2->3->4
600 amostras
Tabela 8 - Caminhos escolhidos na Caracterização da rede fixa
7.2.3.2 Impacto da mobilidade sobre a rede fixa
Neste teste, além dos quatro nós fixos, foi colocado um nó móvel em movimento entre
a rede fixa. Através deste experimento buscou-se observar se o nó móvel trará um impacto
sobre a rede. Neste cenário, o nó móvel pode ter um efeito benéfico sobre a rede, por transitar
entre os nós do testbed e criar mais caminhos para o tráfego, talvez melhores que os já
existentes. No entanto, suspeita-se que o deslocamento do nó móvel poderá também ter
efeitos ruins, pois o deslocamento pode quebrar caminhos existentes, e uma dessincronização
entre as tabelas de caminhos pode gerar um loop, quando pacotes ficam sendo enviados entre
pares ou conjunto de nós sem chegar ao destino.
Para realizar uma comparação entre o cenário anterior e este cenário, os mesmos testes
foram repetidos.
Resultados
Uma variância de latência proporcional à encontrada nos testes da caracterização da
rede fixa foi obtida nos testes do impacto da mobilidade sobre a rede fixa. A média da latência
menor indica que houve menos retransmissões na camada de enlace e menos quadros são
perdidos, resultando numa maior vazão recebida. A Tabela 9 mostra os resultados obtidos
Menor latência média entre todas as baterias 5,107 ms
Média da latência média entre todas as baterias 26,82 ms
Maior latência média entre todas as baterias 1400,133 ms
Média da taxa de perdas entre todas as baterias 4,4%
Média da vazão recebida entre todas as baterias
797,74 kbits/s
Tabela 9 - Latência, Perdas e Vazão na caracterização da mobilidade sobre rede fixa
Quanto aos caminhos, a inclusão do nó móvel causou uma maior diversidade na
escolha dos caminhos, sendo que este foi usado como caminho em mais de 80% das 600
amostras. A Tabela 10 mostra a distribuição de caminhos escolhidos,
Porcentagem Valor
Absoluto
Caminhos Escolhidos
1.5% 9 1->4
30.166% 181 1->5->3->4
16.333% 98 1->3->4
0.333% 2 1->2->4
49.833% 299 1->5->4
0.333% 2 1->2->3->4
0.833% 5 1->2->5->4
0.166% 1 1->2->5->3->4
600 amostras
Tabela 10 - Caminhos escolhidos no impacto da mobilidade sobre a rede fixa
Tanto os resultados de latência, vazão e perda como os registros dos caminhos
escolhidos provam que, para o testbed montado para este teste, o impacto da inclusão do nó
móvel foi positivo.
O nível de interferência no ambiente do teste se mostrou mediano, e constante, durante
todos os testes. Acredita-se, então, que nenhum teste foi privilegiado, ou prejudicado, frente
aos demais, por conta da condição interferente do ambiente. No entanto, a comunicação com
redes mesh, como em qualquer rede sem fio, em um ambiente livre de interferências,
apresentaria resultados melhores.
7.3 CONCLUSÃO SOBRE CONECTIVIDADE OUTDOOR
O estudo de conectividade outdoor, assim como na conectividade indoor, deve levar
em consideração as questões de cobertura e capacidade. Primeiramente, deve-se fazer um
levantamento da quantidade de alunos que moram próximos à escola, e poderiam ser
contemplados pelo projeto. Com este número, a quantidade de pontos de acesso necessários
para suprir a demanda deve ser calculada.
O ponto de acesso deve, então, ser instalado no topo da escola junto à antena mais
adequada para o determinado cenário. Deve-se também estar atento aos cabos e conectores
usados – eles devem prover a compatibilidade entre o ponto de acesso e a antena. Outros itens
que merecem atenção são: haste bem fixada, caixa hermética e alimentação. Soluções
utilizando APs outdoor facilitam a instalação e manutenção do ponto de rede, pois dispensam
cabos, caixa hermética, e possibilitam alimentação através de PoE.
Este documento mostrou um estudo de caso para previsão de cobertura com diferentes
antenas. É possível, através desse estudo, ter uma idéia sobre que tipo de antena é a mais
adequada para variados cenários e regiões de cobertura desejadas. Antenas omni-direcionais
devem ser usadas caso se deseje cobrir todas as direções em volta da escola, enquanto antenas
direcionais (direcionais ou setoriais) devem ser usadas caso apenas uma direção precise ser
coberta. O ganho da antena deve ser escolhido de acordo com a distância em que as casas
estão localizadas; quanto mais longe estiverem as casas, maior deve ser o ganho.
Quando mais de um AP é necessário, para suprir o número de clientes, um número de
antenas equivalente também deve ser usado. Para um cenário onde todo o entorno da escola
precise ser coberto, ao invés de se utilizar três antenas omni-direcionais, é mais vantajoso
utilizar três antenas setoriais com abertura horizontal de 120°. Tal solução, além de cumprir o
papel de cobertura em um ângulo de 360°, provê uma cobertura maior. O uso de APs
enterprise, com múltiplos rádios e array de antenas, é outra possibilidade para aumento de
cobertura e capacidade.
Este capítulo também mostrou, e demonstrou através de testes, como as redes
mesh podem ser usadas para aumentar a cobertura de uma rede. Durante o teste de
caracterização da rede fixa, foi observado que a decisão tomada como melhor caminho foi
condizente com a disposição espacial dos nós. Verificou-se, assim, que o algoritmo de seleção
de caminhos do laptop XO em um ambiente de rede esparsa funcionou de forma eficaz, não
formando loops de caminhos, e nem tomando decisões de enlaces ruins.
Os testes também demonstraram que a inserção de um nó móvel cria caminhos que,
apesar de mais instáveis, são bem escolhidos, aproveitando de maneira oportunista a presença
do nó móvel, que se encontrava em posição privilegiada. Nós móveis podem contribuir
positivamente para o desempenho geral da rede, se resultar em um aumento de sua densidade
e possibilidades de bons caminhos. Uma rede mais densa apresenta distâncias menores e,
como consequência, enlaces mais viáveis. Isso reflete a tensão entre as redes densas e as
esparsas. Em redes muito densas, o nível de competição é elevado e os congestionamentos
podem ser frequentes e severos, ao passo que em redes muito esparsas, as distâncias
envolvidas resultam em perdas elevadas e enlaces inviáveis. O ponto ideal, em termos de
densidade, não pode ser esperado em redes ad hoc que, por definição, são formadas
espontaneamente. No caso da mobilidade, então, a topologia é ainda mais imprevisível e,
evidentemente, mutável. O ideal seria o que o laptop obtivesse um mecanismo de adaptação à
cada tipo de ambiente, diminuindo a potência e freqüência de envio de quadros de
gerenciamento em redes densas e fazendo o oposto em redes esparsas.
É preciso sublinhar que estes testes devem ser repetidos em outros dispositivos a
serem usados nas escolas brasileiras, visto que o comportamento do protocolo de descoberta
de caminhos, assim como o ajuste de potência, é específico de cada fabricante.
O modelo de rede mesh, para MANETs, possui limitações técnicas, devido à grande
atenuação causada por obstruções (paredes, pessoas, móveis, etc.) presentes na linha de visada
dos laptops. Outro fator limitante das redes mesh é o número de saltos, que é inversamente
proporcional à vazão oferecida, principalmente por conta da auto-interferência entre os nós.
Portanto, não é possível estender muito uma área de cobertura, com boa qualidade de rede,
utilizando a rede mesh apenas com laptops.
Uma infraestrutura adicional é necessária para prover cobertura e banda maiores.
Utilizar antenas externas de maior ganho no topo das casas pode ser uma solução. Nesse caso,
deve haver alguma forma de repassar esse sinal captado externamente para dentro da casa.
Uma composição de antenas pode servir também para essa aplicação, adicionando apenas
outra antena dentro da casa e um cabo coaxial ligando-o a antena externa, como mostra a
Figura 58. Esta solução ainda não foi testada na prática, mas ela permitirá os laptops a
receberem o sinal com uma potência bem maior, devido ao ganho inserido pela antena externa
e, ao mesmo tempo, evita que o sinal perca potência ao ter que atravessar as paredes da casa.
Consequentemente, taxas mais altas poderão ser utilizadas na comunicação casa-escola.
Figura 58 - Rede mesh com antena externa nas casas
Outra alternativa seria a utilização de repetidores na área de cobertura desejada. Esses
repetidores formariam uma rede mesh conhecida como WMN (Wireless Mesh Network), e
poderiam ser instalados em postes de rede elétrica ou topos de prédios ou casas. Este modelo
é mais eficiente por três motivos: os repetidores seriam fixos, podendo ser colocados em
lugares apropriados, de forma a deixar a distribuição dos nós mais homogênea e as distâncias
apropriadas; os repetidores mesh poderiam ser colocados em lugares altos, com isso, a
comunicação entre eles sofreriam menos atenuação por obstruções; por último, como os
repetidores são pontos de acessos, e não laptops, potências mais altas poderiam ser ajustadas e
antenas de maior ganho também poderiam ser utilizadas. A Figura 59 mostra uma rede desse
tipo, utilizada pela UFF no projeto ReMesh [50], cujo objetivo era prover acesso banda larga
à Internet para os alunos que moravam próximo ao campus. Essa solução é a que garantiria
maior banda e cobertura, mas é também a mais cara, pois exige o uso de um roteador sem fio
por ponto de repetição do sinal.
Figura 59 - Uso de repetidores mesh
8 MATERIAL DIDÁTICO
A confecção de material didático, que explique os pontos básicos para o entendimento
de redes sem fio, pode servir para diversos propósitos, dependendo do modelo de gestão de
projeto adotado. Caso a escola opte por instalar a infraestrutura de rede sem fio por conta
própria, o material serviria como um tutorial, aos funcionários da escola ou colaboradores,
para tal tarefa. O material também serviria, em conjunto com os estudos apresentados neste
trabalho, para orientar as secretarias estaduais e municipais de educação na elaboração dos
editais para contratação dos serviços de preparação da rede sem fio, para a implantação do
Projeto UCA nas escolas.
Alguns benefícios que o material didático poderá trazer são comuns aos Modelos
Autônomo e Descentralizado. A confecção deste material não pretende formar profissionais
especializados em redes sem fio; mas as informações apresentadas permitirão ao leitor,
funcionários ou autoridades locais, evitar algumas armadilhas simples e lidar com problemas
básicos e típicos, além de introduzir a conceituação e o jargão necessários para interagir com
profissionais e fornecedores de equipamentos e soluções em redes sem fio. Com tais
conhecimentos, os funcionários das escolas poderão usufruir melhor os recursos da rede sem
fio e até reparar pequenos problemas que vierem a surgir, economizando tempo e dinheiro de
manutenção. Por último, todo o conhecimento apresentado neste trabalho, e, de certa forma,
resumido e simplificado no material didático, servirá tanto às autoridades locais, quanto aos
funcionários, na validação do trabalho executado pela empresa contratada.
O projeto RUCA, em uma parceria do laboratório MídiaCom/UFF, da ESR (Escola
Superior de Redes) e do MEC, optou pela confecção do material didático sob o formato de
cartilhas [51], pois este valoriza a comunicação direta, podendo ser lidas facilmente e
rapidamente. As cartilhas estão ricamente ilustradas com figuras e tabelas de referência, além
de glossário e referências listadas ao lado do conteúdo relacionado. São compactas e fáceis de
transportar para os locais de trabalho ou estudo.
As cartilhas estão organizadas de forma que podem ser lidas de forma independente,
reunindo os diversos aspectos das redes sem fio Wi-Fi. O conteúdo foi dividido da seguinte
forma:
• Introdução (Figura 60)- Descreve os objetivos almejados com a elaboração
deste material e toca, de passagem, os outros tópicos que serão abordados mais
detalhadamente nas cartilhas.
• Redes sem fio (Figura 61) – Introdução aos conceitos básicos das redes sem
fios Wi-Fi. Equipamentos necessários, padrões vigentes e capacidades teóricas
e práticas desta tecnologia.
• Propagação de ondas (Figura 62) – Conceitos básicos para entendimento do
que é uma onda eletromagnética, utilizada em todas as redes sem fio e
apresentação dos principais mecanismos de propagação de ondas: espaço livre,
reflexão, refração e difração.
• Antenas (Figura 63) – Principais tipos de antenas, suas características e
cenários práticos do uso de cada tipo.
• Planejamento de instalação (Figura 64) – Metodologia padrão de planejamento
de instalação de uma rede sem fio Wi-Fi.
• Configuração do ponto de acesso (Figura 65) – Guia de configuração de dois
dos pontos de acessos mais populares.
• Segurança (Figura 66) – Mecanismos de segurança para redes Wi-Fi mais
conhecidos e a importância deles para a integridade, autenticidade e
privacidade na comunicação.
• Projetos de redes sem fio (Figura 67) – Estudos de caso projetos de redes sem
fio que demonstram na prática alguns dos conceitos apresentados nas cartilhas
anteriores.
Figura 60 – Cartilha Introdução
Figura 61 – Cartilha Redes sem fio
Figura 62 – Cartilha Propagação de ondas
Figura 63 – Cartilha Antenas
Figura 64 – Cartilha Planejamento de instalação
Figura 65 – Cartilha Configuração do ponto de
acesso
Figura 66 – Cartilha Segurança
Figura 67 – Cartilha Projetos de redes sem fio
9 SOFTWARE DE APOIO – BESTPLACE
A instalação dos pontos de rede internos e externos das escolas pode ser bastante
simplificada, e feita com mais agilidade, se softwares apropriados forem usados para auxiliar
tal tarefa.
Na Seção 4.3, foi vista a técnica de site survey, muito importante para realização do
projeto de conectividade sem fio, tanto indoor quanto outdoor. Existem diversos hardwares e
softwares (como o Yellow Jacket [52]) apropriados para realização do site survey, no entanto,
eles são geralmente caros, e exigem um alto grau de conhecimento técnico para o seu
manuseio. O provimento de um software livre e de fácil uso pode aumentar a afluência de
empresas aptas a concorrer nos processos licitatórios, com uma redução de custo significante.
Esta seção apresenta como o software BestPlace (BP), desenvolvido pelo Laboratório
MídiaCom para o Projeto RUCA 2 e documentada em [53], pode ser usado para auxiliar as
empresas contratadas, ou até pessoas sem conhecimento técnico, na instalação de um ponto de
acesso através de um método automatizado, barato e eficiente de medição do sinal. O
programa também pode ser usado, sem alteração alguma, para escolha da melhor antena, ou
alinhamento da mesma, para determinado padrão de cobertura almejado. E o melhor,
utilizando os equipamentos que serão fornecidos às escolas pelo Governo.
No momento do desenvolvimento do software, o Governo Federal ainda não havia
definido o modelo de laptop que seria distribuído às escolas, o projeto RUCA 2 optou por
customizar o software para operar em laptops XO, os únicos modelos de que o Laboratório
MídiaCom dispunha em quantidade suficiente. No entanto, por ser uma ferramenta de código
aberto, escrita em python e gtk [54] e desenvolvida para funcionar em sistemas GNU/Linux,
esse software pode ser facilmente modificado para operar com outros modelos de laptops, ou
melhorado caso haja necessidade.
9.1 FUNCIONAMENTO BÁSICO
Para a realização dos testes, um computador deverá funcionar como “servidor” e os
outros deverão se comportar como “clientes”. Os clientes devem ser espalhados pela área em
que se deseja prover cobertura: cômodos dentro da escola (conectividade indoor), e casa dos
alunos ou outros ambientes externos (conectividade outdoor). Eles exercem a função de medir
a intensidade de sinal proveniente do ponto de acesso. Quanto maior a área de cobertura, mais
laptops clientes devem ser usados.
Ao executar o programa no servidor, uma mensagem Multicast é enviada aos laptops
clientes. Essa mensagem contém o comando que inicializará a execução do programa em
todos os laptops clientes e a identificação (SSID) do AP utilizado.
Ao receber essa mensagem, os laptops clientes entrarão em modo monitor, que é o
modo que possibilita à interface de rede capturar todos os pacotes que cheguem até ela. No
modo convencional de operação (managed, em português, infraestruturado), isso não seria
possível, já que a interface de rede sem fio descartaria os quadros que não fossem destinados a
ele. Após um minuto, a captura é finalizada e os laptops voltam ao modo infraestruturado, se
associando novamente ao AP e enviando os resultados, já tratados, ao servidor.
O laptop servidor, ao receber os resultados dos clientes, faz a soma dos beacons e das
potências médias provenientes de todos os pontos de medição. Esses valores são apresentados
em uma tabela HTML que pode ser vista através de um browser (navegador web).
Depois de terminada essa etapa, o AP deve ser instalado em outra localização dentro
daquela zona de cobertura planejada, ou sua antena trocada ou realinhada, para que uma nova
bateria de medição seja feita. Assim, o processo de trocas de mensagens entre servidor e
clientes se repete, e uma nova tabela com os resultados é obtida. O servidor compara esta
tabela com as previamente existentes e define o melhor local para se posicionar o AP. Esta
definição se baseia no número de beacons coletados e nas médias e variâncias de potência
entre os valores obtidos nas diferentes posições.
Resumidamente, o funcionamento do BestPlace, para cada ponto de instalação do AP,
segue as seguintes etapas (a Figura 68 (passos 1 a 4) e a Figura 69 (passos 5 a 8) ilustram
essas etapas):
1) Preencher os dados na interface gráfica.
2) Envio da instrução de captura de beacons a todos os laptops (clientes).
3) Os laptops (clientes) iniciam o processo de captura e processamento da informação.
4) Paralelamente à etapa 3, os laptops confirmam o recebimento da instrução (isso é
transparente ao usuário).
Figura 68. Requisição de captura de beacons do servidor aos clientes
5) Depois de alguns minutos, o servidor faz requisição dos resultados aos clientes.
6) Clientes processam o pedido.
7) Clientes enviam os resultados (número de beacons capturados e potência média dos
quadros) ao servidor.
8) O servidor exibe na tela os resultados da captura dos laptops (clientes).
Figura 69. Requisição de resultados do servidor aos clientes
9.2 ARQUITETURA DO SOFTWARE
A Figura 70 mostra a arquitetura do software BestPlace. A primeira divisão na
arquitetura é a da instância de servidor, que será executada a partir de algum laptop
convencional, ou até desktops, e a instância de cliente, que rodará nos laptops educacionais, e
servirão como equipamentos de medição da qualidade de cobertura do ponto de acesso. O
servidor e diversos clientes se comunicam através de sockets implementados em um bloco de
códigos, presente nas duas instâncias, denominado, aqui, de “Comunicação Cliente/Servidor”.
Figura 70 - Arquitetura do BP
A outra parte do programa do cliente, “Captura e Tratamento dos Dados”, como o
nome diz, é o código responsável por capturar os beacons provenientes do AP, medir sua
potência e calcular o número de quadros recebidos e a média e a variância da potência desses
beacons. Isso é feito da seguinte forma: a interface de rede sem fio é colocada em modo
monitor. Logo após, o programa evoca a ferramenta Tcpdump [55] para realizar a captura dos
quadros 802.11 durante o intervalo de tempo de 60 segundos; na etapa seguinte, após
coletados os dados, o software utiliza a ferramenta Tshark [56] para filtrar o campo de
potência contido no cabeçalho radiotap dos quadros de beacon que possuíssem o número
MAC de origem do AP; após a filtragem, a média e a variância dessas potências é calculada;
por último, a interface é colocada novamente em modo infraestruturado e o bloco de
“Comunicação Cliente/Servidor” atua novamente para enviar esses dados ao servidor.
A escolha desse método de medição, com a captura de beacons, se baseou no fato de
que esse tipo de quadro é emitido pelo AP independentemente do tráfego existente no canal e
de forma periódica, ou seja, com intervalo conhecido, o que permite a obtenção da relação de
aproveitamento (beacons recebidos/beacons enviados), com razoável precisão, em um
determinado intervalo de tempo de medição. Além disso, esse método dispensa o uso de
outros equipamentos juntos ao AP, para gerar tráfego, facilitando o processo. Esse mesmo
método foi utilizado nos testes com cabos irradiantes, composição de antenas e conectividade
outdoor.
O servidor, ao receber os resultados dos clientes, precisa realizar novos
cálculos para determinar a média e a variância da potência e o número de beacons recebidos
em todos os pontos de medição. Tal tarefa é realizada no bloco “Tratamento de Dados”, do
servidor. Esses novos resultados serão, então, mostrados para o usuário através da interface
gráfica do programa.
A interface gráfica, desenvolvida em gtk, também é usada na requisição da
captura. Nesta etapa, o usuário deve passar alguns dados ao programa, como: pontos de
medição, local de instalação do AP, ou tipo de antena utilizada, e o SSID da rede.
9.3 INSTALAÇÃO
A princípio, qualquer computador com sistema operacional GNU/Linux pode utilizar o
BestPlace. Para isso, é necessária apenas a instalação do software Wireshark [57], facilmente
encontrada nos repositório das principais distribuições GNU/Linux, e cópia de diversos
scripts, com permissões adequadas, para os diretórios apropriados. Para o laptop servidor há
apenas uma restrição: deve possuir interface gráfica desenvolvida em gtk (como o ambiente
gráfico Gnome). Para utilização em sistemas que utilizam o KDE, é necessária a instalação da
biblioteca python-gtk2.
A seguir, são listados todos os arquivos presentes no software BestPlace e as
respectivas permissões e diretórios em que devem ser copiados.
Arquivo Diretório Tipo de Permissão
AplicInfo.py /opt/BestPlace/ 700
APLogParser.py /opt/BestPlace/ 700
capbeacon /usr/bin/ 700
capturar /root/ 700
cat /root/ 700
Comper.py /opt/BestPlace/ 700
ComperMensagens.py /opt/BestPlace/ 700
ComperUtil.py /opt/BestPlace/ 700
daemonize.py /usr/bin/ 700
Dados.xsl /opt/BestPlace/ 700
DadosAP.py /opt/BestPlace/ 700
labratd /usr/bin/ 700
labrat-client /usr/bin/ 700
labrat-dispatcher /etc/NetworkManager/dispatcher.d/ 700
XO.cfg /opt/BestPlace/ 700
XO.py /opt/BestPlace/ 700
Tabela 11 - Arquivos, localização e permissão
O usuário não precisará se preocupar com as dependências, nem com o local e
permissão de cada arquivo. Junto ao arquivo BestPlace.zip, que contém todos os arquivos
acima, foram criados o script BestPlace_INSTALL, que realizará todo o processo de
instalação automaticamente e o script BestPlace_Remove, que realiza a desinstalação do
programa. Para instalar o BestPlace, basta copiar esses três arquivos para a pasta /root e
executar o seguinte comando no terminal:
# sh BestPlace_INSTALL
Observe que o usuário deve estar na lista de sudoers do sistema operacional. E o
computador deve estar conectado à Internet no momento da instalação.
Como já foi dito, o programa foi customizado para funcionar em laptops XO.
Caso deseje-se utilizar o software em outros modelos de laptops, pequenas mudanças são
necessárias nos arquivos BestPlace_INSTALL e capbeacon.
9.4 UTILIZAÇÃO
Inicialmente, para a utilização do programa, é necessário que a área de cobertura
desejada do AP seja identificada, levando em consideração os locais esperados de uso da rede
pelos alunos. Após isso, devem ser escolhidos: os possíveis locais de instalação do AP,
levando em conta a existência de pontos de energia e cabo de rede, necessários para a sua
instalação, e de preferência, em um local alto próximo ao centro da zona de cobertura
desejada; ou os tipos de antenas que serão testadas, caso seja usado para a conectividade
outdoor. A seguir, alguns laptops, rodando a instância de cliente do programa, devem ser
espalhados dentro da área de cobertura desejada e o AP deve ser ligado em um dos possíveis
pontos de instalação, ou acoplado a uma das antenas escolhidas, para a realização de
medições pelo programa.
Ao iniciar o programa BestPlace no laptop servidor, surgirá na tela a janela mostrada
na Figura 71. A seguir, o usuário deve inserir as informações necessárias ao funcionamento do
programa em cada campo desta janela. Nesta etapa, tanto o servidor como os clientes já
devem estar conectados ao ponto de acesso que será monitorado. O servidor pode estar
conectado via cabo de rede.
Figura 71. Janela inicial do programa BestPlace
No campo “Dados dos Laptops (IP:Local)” devem ser inseridos o número IP e a
localização dos laptops clientes utilizados nas medições. As duas informações devem ser
separadas por dois pontos e deve-se pular a linha para inserir um novo laptop. Por exemplo,
se os laptops possuírem, respectivamente:
IP “192.168.1.22” e local “sala 236”;
IP “192.168.1.24” e local “sala 230”;
IP “192.168.1.28” e local “biblioteca”;
IP “192.168.1.27” e local “sala do diretor”,
O valor deverá ser inserido como mostra a Figura 72.
Figura 72. Preenchimento do campo “Laptops (IP:Local)”
Para o caso da instalação indoor, no campo “Local do AP”, deve ser inserida a
localização do AP. Por exemplo, se o AP estiver localizado no “primeiro ponto do corredor”,
pode-se inserir o valor “corredor (p1)” neste campo, identificando esta posição. A Figura 73
ilustra este exemplo. Para a instalação da rede outdoor, o campo “Local do AP” deve ser
interpretado como tipo de antena, ou alinhamento da mesma. Por exemplo, se estiver sendo
testada a cobertura de uma antena omnidirecional com ganho de 8 dBi, pode-se preencher este
campo com o valor “Omni8”. Ou no caso de uma antena direcional, com o alinhamento de 20’
a Oeste: “direcional20W”. É importante notar que este valor será modificado a cada bateria de
medições, para cada localização, ou tipo/alinhamento da antena, utilizados.
Figura 73. Preenchimento do campo “Local do AP”
No campo “Nome da Rede” deve ser inserido o nome da rede (SSID) que está sendo
utilizada nas medições. Esta é a rede formada pelo AP e pelos laptops que estão a ele
associados. Por exemplo, se a rede indoor se chama “UBNT”, o valor “UBNT” deve ser
inserido neste campo. A Figura 74 e a Figura 75 ilustram este exemplo.
Figura 74 - Preenchimento do campo “Nome da
Rede” para rede indoor
Figura 75 - Preenchimento do campo “Nome da
Rede” para rede outdoor
Depois de preenchidos os campos, o usuário deve apertar o botão “Capturar” para que
o BestPlace dê início às medições. Neste momento a janela do programa ficará escura, como
mostra a Figura 76, e o usuário deverá aguardar alguns minutos até que os resultados sejam
gerados e a janela volte à cor original.
Figura 76. Tela de captura iniciada
Para visualizar os resultados, o usuário deverá clicar no botão “Exibir Resultado”.
Uma janela, como a mostrada na Figura 77, irá surgir no navegador web padrão do usuário.
Esta janela contém uma tabela com as seguintes informações:
• Primeira linha da tabela – informa a localização do AP ou tipo/alinhamento da
antena. No exemplo, o local do AP é “corredor (p1)”. Esta linha informa
também, através de sua cor, se o local é o melhor ou não para se instalar o AP.
O local melhor possuirá cor de linha vermelha.
• Laptops - informa os números IPs dos laptops utilizados nas medições;
• Local - informa o local de cada laptop utilizado nas medições;
• Beacons - informa o número de beacons coletados por cada laptop utilizado
nas medições.
• Sinal – Informa a potência média coletada por cada laptop utilizado nas
medições.
• Total – Informa o somatório do número de beacons e das potências médias
coletados por todos os laptops utilizados nas medições. É através desses
números que o programa sugerirá o melhor ponto de instalação do ponto de
acesso. A versão atual do BestPlace está usando o número de beacons
capturados para a escolha do melhor local. O nível do sinal recebido (RSSI)
serve apenas como medida auxiliar para o operador do software.
Figura 77. Janela de resultados do ponto “corredor (p1)”
Depois de finalizada a bateria de medições, o usuário deverá trocar a localização do
AP, ou o tipo/alinhamento da antena. A janela do programa permanecerá aberta com os dados
escritos anteriormente e os valores contidos nos campos “Dados dos Laptops (IP:Local)” e
“Nome da rede” poderão ser reaproveitados. No entanto, o campo “Local do AP” deverá ser
preenchido com o novo valor. Como exemplifica a Figura 78, o AP agora estará localizado no
segundo ponto do corredor, identificado pelo usuário por “corredor (p2)”.
Figura 78. Preenchimento do campo “Local do AP” com a nova localização do AP
Feita esta modificação, o usuário deverá apertar novamente o botão “Capturar” para
iniciar a nova bateria de medições. Após o tempo de execução das medições, quando a janela
voltar à cor clara, o usuário terá a janela do navegador web atualizada com os novos
resultados. Caso a janela tenha sido fechada anteriormente, ela pode ser reaberta clicando no
botão “Exibir resultado”. A Figura 79 mostra a apresentação dos resultados após duas baterias
de testes (dois locais de instalação do AP). Nesta figura, pode-se notar que existem duas
tabelas, uma com o resultado obtido no ponto anterior e outra com o resultado do ponto atual.
Pode-se notar também, através da cor vermelha na primeira linha da tabela, que o ponto
“corredor (p2)”, foi escolhido pelo programa como o melhor ponto, dentre os dois testados,
para se instalar o AP.
Figura 79. Janela de resultados dos pontos “corredor (p1)” e “corredor (p2)”
O processo descrito nos parágrafos anteriores deverá ser repetido até que se esgotem
os possíveis locais de instalação do AP. Uma alternativa interessante é realizar três testes por
ponto de instalação do AP, utilizando um canal não interferente em cada bateria. Esse método
auxiliará também na escolha do melhor canal para operação da rede, ou seja, o canal menos
interferente.
O botão “Sair” deverá ser apertado quando o usuário desejar finalizar o programa.
O procedimento de instalação da antena para conectividade outdoor é análogo. A
diferença é que, ao invés de se escolher diversos pontos para instalação do AP, deve-se
escolher entre diversos tipos de antenas ou alinhamento variados para a mesma, e realizar
medições para cada escolha feita. Ao final do experimento, a melhor configuração de
antena/alinhamento será escolhida e mostrada, através do browser, para o usuário.
9.5 CONSIDERAÇÕES FINAIS SOBRE O BP
A escolha de um local adequado para instalação do ponto de acesso, e o tipo de antena
adequada, são fatores principais em um projeto de cobertura de redes sem fio indoor e
outdoor, respectivamente. Uma escolha equivocada desses parâmetros pode resultar em uma
experiência de conectividade ruim por parte dos usuários, ou até mesmo, deixar áreas de
interesse descobertas (sem acesso a rede). O software BP, ao auxiliar a instalação dos pontos
de acesso e antenas nas escolas, ajuda a cumprir com um dos objetivos do projeto RUCA 2: A
adequação da infraestrutura das escolas para o recebimento dos laptops educacionais.
O BP tem interface gráfica amigável, facilitando seu uso. Além disso, por se tratar de
uma ferramenta de código aberto, seu aprimoramento futuro pode ser realizado por outros
desenvolvedores a fim de readaptá-lo às necessidades de cada cenário.
Outra grande vantagem dessa ferramenta é que ela não exige nenhum equipamento
específico para realizar as medições de cobertura (caros), e sim os próprios equipamentos que
as escolas já terão em mãos: ponto de acesso e laptops com placa de redes sem fio.
Para validação da metodologia utilizada pelo software, isto é, verificar se a escolha do
ponto de instalação do ponto de acesso foi feita da maneira correta, foram realizados testes
[53] de desempenho entre os laptops clientes e o servidor. A ferramenta foi considerada
funcional, já que os resultados mostraram que a posição em que os clientes capturaram maior
quantidade de beacons tratava-se também do local que resultou no maior throughput e menor
latência e perda.
10 TRABALHOS FUTUROS
Uma questão que demanda maior atenção, e deve ser pesquisada, nas próximas etapas
do projeto RUCA diz respeito às ações que devem ser feitas após a distribuição dos laptops e
instalação da infraestrutura de TIC (conexão ao provedor, servidor da escola e rede sem fio).
Sem um planejamento pós-instalação, a manutenção e gerenciamento do sistema se
tornam mais difíceis e a disponibilidade dos serviços pode ser seriamente comprometida. No
Projeto Pro-Info [58] (responsável pela criação de laboratórios de informática nas escolas),
por exemplo, é feito o monitoramento da disponibilidade das máquinas e dos recursos
computacionais consumidos por elas, mas os dados são utilizados apenas para se obter uma
visão geral da atividade dos laboratórios. Na ocorrência de problemas nas máquinas ou na
rede, o reparo é feito por centros locais de apoio, e pode levar várias semanas para todo o
processo de: a escola alertar sobre o problema; a falha ser diagnosticada in loco; e, finalmente,
ter o problema resolvido.
Tal experiência mostra que não só o monitoramento, mas também o gerenciamento
centralizados e integrados são vitais para o sucesso de um projeto de instalação de
infraestrutura de TIC desta escala, e também do UCA.
Existe uma série de serviços, como o backup dos servidores das escolas, o
monitoramento das redes sem fio, o monitoramento do SLA (qualidade) dos enlaces banda
larga com as escolas, a detecção de falhas de software e hardware, e assim por diante, que
devem ser feitos remotamente e preferencialmente de forma automática. O artigo [12] sugere
o uso do framework GISELE (Gerenciamento de Infraestrutura e Serviços em Larga Escala),
baseado na plataforma PlanetLab, para auxiliar esta tarefa, mas o trabalho ainda precisa ser
concluído.
No GISELE, cada serviço instalado no servidor da escola rodaria em uma máquina
virtual própria; estas máquinas podem ser ligadas e desligadas remotamente, de um
controlador central, sem que seja necessário mexer no servidor físico. Isto facilita a
manutenção e atualização de serviços, inclusive permitindo a coexistência de diferentes
versões do mesmo serviço simultaneamente. Além das questões relacionadas a monitoramento
e gerenciamento, o GISELE também deve prever uma forma eficiente para distribuição de
conteúdo, técnicas para a otimização do enlace externo e mecanismos de segurança e proteção
dos dados para o servidor da escola.
Deseja-se também, futuramente, desenvolver uma solução de Thin APs em software
livre. O uso de Thin APs facilitaria o gerenciamento da rede sem fio, já que toda a
configuração é feita a partir de um controlador, que poderia ser uma instância de serviço
rodando no servidor da escola e acessível pelo GISELE. Como o controlador mantém uma
comunicação direta com todos os APs da rede, é possível também colher de forma
centralizada dados de monitoramento da rede sem fio como: estatística das taxas de
transmissão utilizadas, estatística de tráfego por AP e por usuário, interferência entre APs, etc.
Essa solução também possibilitaria o uso de uma gama de técnicas que aumentam a eficiência
da rede sem fio, como: controle de potência e balanceamento de carga. O desenvolvimento de
uma solução em software livre resultaria em uma economia de custos, pois as soluções
proprietárias são demasiadamente caras.
O RUCA 3 optou pela utilização de Thin APs e controladores de rede sem fio em todas
as escolas do projeto piloto. Criou-se, então, uma ótima plataforma de testes que, com o
auxílio do software proprietário da Motorola, RFMS (RF Management System), será usada
nos próximos meses para colher informações de monitoramento de todas as redes sem fio
instaladas. O software permitirá também modificar parâmetros de configuração da rede como:
• RTS/CTS: Habilitar e Desabilitar;
• Configurações de Canal: Habilitar e desabilitar seleção automática de canal
nos APs, configurar canal manualmente;
• Configurações de Potência: Habilitar e desabilitar o controle automático de
potência dos APs, configurar potência manualmente;
• Configurações de Taxa de transmissão: Habilitar e desabilitar delimitação de
taxa básica de transmissão.
Este trabalho possibilitará o mapeamento da melhor combinação de parâmetros de
configurações de rede dos APs para cada tipo de escola, fazendo uma correlação entre os
resultados obtidos e a quantidade de APs e alunos por escola, disposição das salas e
comportamento do usuário.
No entanto, para aperfeiçoar ainda mais a rede sem fio das escolas é necessário
trabalhar também nas configurações dos laptops. O melhor ajuste de parâmetros de potência e
taxa de transmissão depende da densidade da rede e distância entre o laptop e o AP. Em
escolas com muitos alunos por sala, por exemplo, pode ser benéfico para a rede, como um
todo, que os laptops, assim como os APs, utilizem potência mais baixa e taxa de transmissão
fixada em um valor alto. Já ambientes de rede mais esparsa - como um colégio com poucos
alunos distribuídos por uma área maior do que o espaço de uma sala - pode demandar a
utilização de potência um pouco mais alta. E mais alta ainda deve ser ajustada a potência em
um cenário de cobertura outdoor. Seria interessante que o laptop tivesse a inteligência de se
adaptar ao seu meio, configurando os parâmetros do seu driver de rede sem fio da melhor
forma possível para aquele ambiente em que ele se encontra no momento. Também faria parte
do escopo deste trabalho, a adaptação dos parâmetros do protocolo de encaminhamento da
rede mesh dos laptops. Fora verificado que o protocolo gerava uma quantidade excessiva,
para uma rede densa, de quadros de gerenciamento. O intervalo de envio destes quadros,
assim como o próprio protocolo, poderia se adaptar em função da densidade da rede.
11 CONCLUSÕES
É de conhecimento geral que os países em desenvolvimento necessitam de uma
revolução na educação, e a inserção de tecnologia nas escolas e a inclusão digital podem ser
os meios mais rápidos para tal. Entretanto, em um país tão grande como o Brasil, a adaptação
das escolas para receber os laptops pode demandar muito tempo e recursos. A conectividade é
um ponto crucial no projeto UCA, pois ela aumentaria a interação entre alunos e professores,
e possibilitaria o acesso à Internet e à sua enorme gama de informações.
Para prover acesso à rede, de qualidade, dentro (conectividade indoor) e fora
(conectividade outdoor) da escola, é importante satisfazer os requisitos de capacidade e
cobertura. O primeiro requisito deve delinear o início do planejamento de conectividade, pois
determina o número mínimo de pontos de acessos que devem ser usados no projeto.
Na etapa seguinte, deve-se planejar como os equipamentos devem ser instalados, de
forma a maximizar a área de cobertura e, ao mesmo tempo, oferecer níveis altos de sinal de
rádio nos lugares de interesse – locais onde os estudantes ou professores irão utilizar os
laptops.
A escolha de um local adequado para instalação do ponto de acesso, e o tipo de antena
adequada, são fatores principais em um projeto de cobertura de redes sem fio indoor e
outdoor, respectivamente. Uma escolha equivocada desses parâmetros pode resultar em uma
experiência de conectividade ruim por parte dos usuários. O software BestPlace pode ajudar
tal tarefa.
O BestPlace é uma ferramenta com código aberto, interface amigável, que realiza uma
forma simplificada, mas eficiente, de site survey. O software auxilia pessoas sem
conhecimento técnico em redes, como professores, funcionários das escolas ou colaboradores,
a realizar a instalação de um ponto de acesso, dentro ou fora da escola, utilizando, para isso,
apenas equipamentos já presentes na escola. No entanto, o grupo do projeto RUCA 2 acredita
que a execução ideal de um projeto de redes sem fio deve ser feita, preferencialmente, por
profissionais da área. Ainda assim, o provimento desse software possibilita que um número
maior de empresas possa executar a instalação dos projetos e, também, pode auxiliar esses
profissionais para que a instalação da rede sem fio nas escolas seja feita de forma mais
padronizada e rápida em todas as escolas do País.
Deve-se também planejar os canais de operação dos APs para minimizar a
interferência entre as células da escola. Apesar de não ser aplicável atualmente ao Projeto
UCA, este trabalho aconselha para escolas grandes a utilização da emenda “a” ou “n” do
IEEE 802.11, pois estes permitem o uso de um número maior de canais ortogonais, sendo que
o último ainda fornece uma banda superior.
Para conectar os pontos de acesso à Internet, diversas tecnologias de camada de enlace
podem ser usadas: PLC, Ethernet, HomePNA e WDS. Para escolher a tecnologia que será
usada, deve-se verificar a infraestrutura existente na escola. Sempre que já houver uma rede
Ethernet instalada, ela deve ser usada, por ser a mais estável, e por oferecer maiores
velocidades. PLC e HomePNA são alternativas que utilizam a rede elétrica e telefônica,
respectivamente, como canais de conectividade. Entre as duas, PLC é mais vantajosa por
conta do custo e capilaridade da rede elétrica dentro da escola. A tecnologia de WDS não é
aconselhada, pois prejudicaria a já congestionada rede sem fio da escola.
Durante a execução do projeto RUCA 3, verificou-se a situação precária da rede
elétrica da maioria das escolas, tornando arriscada a colocação de equipamentos eletrônicos
sensíveis como APs, switches e controladores de rede sem fio nestes ambientes. Para evitar
que toda a rede elétrica das escolas fosse reformada, optou-se pela solução de PoE. Tal
solução, além de dispensar a necessidade de um ponto elétrico próximo de cada AP, centraliza
a alimentação de todos os equipamentos, fazendo necessária a adequação elétrica apenas neste
ponto central. A utilização de PoE pressupõe a escolha da tecnologia Ethernet e deverá ser
uma tendência nas implantações de redes nas escolas.
Este trabalho também apresentou algumas tecnologias alternativas que podem ser
usadas para aumento da área de cobertura do ponto de acesso. Para redes indoor, verificou-se
que cabos irradiantes e composição de antenas são capazes de expandir, e de forma
homogênea, a cobertura de rede sem fio, sem adicionar novos pontos de acesso. No entanto,
estas tecnologias requerem um projeto de engenharia, o que as tornam mais dispendiosas em
preço e tempo de instalação. Então, é interessante enxergá-las como uma alternativa aos casos
onde a propagação do sinal eletromagnético, em uma determinada região, for complicada.
Uma forma barata de estender a área de cobertura externa à escola, para prover acesso
às casas e ruas próximas à escola, é através das redes mesh formada pelos próprios laptops
educacionais. Foi demonstrado, aqui, que esta tecnologia, apesar de viável em um ambiente
de baixa interferência eletromagnética e razoável concentração de laptops, ela possui
limitações técnicas que limitam a extensão de cobertura e restringe a banda disponível a cada
usuário. A utilização de antenas de alto ganho, instaladas no topo das casas, ou pontos de
acesso como repetidores mesh, formando uma rede WMN, podem prover maiores coberturas
e banda.
Todo o estudo apresentado neste trabalho, junto com BestPlace e o material didático
podem servir de auxílio aos funcionários das escolas, para familiarização com a tecnologia,
instalação dos equipamentos e realização de pequenos reparos. Caso o governo opte por
profissionalizar a execução dos projetos e instalação da rede, de uma forma descentralizada,
delegando às esferas de governo estaduais e municipais a tarefa de licitar tais serviços, estes
estudos poderão nortear o Governo Federal na elaboração das regras e diretrizes que os editais
deverão seguir para que o produto final do projeto UCA seja satisfatório e sem desperdício de
recursos.
Concretizando o vislumbrado pelo autor, este trabalho serviu como base para
confecção do “Manual de Projeto e Construção de Redes Sem Fio em Ambientes Fechados”,
documento utilizado pela RNP na contratação da empresa designada a realizar os projetos e
executar a instalação e configuração da rede sem fio nas 300 escolas públicas do projeto
piloto, especificando diretrizes técnicas que a contratada deveria seguir nas diferentes etapas
da implantação do projeto. O mesmo documento, junto com formulários de vistoria, testes e
inspeção e template para apresentação de projeto, utilizados durante o RUCA 3, será
disponibilizado para o MEC no encerramento do projeto. O Ministério, então, repassará a
documentação a todos os estados e municípios interessados em participar do projeto, tendo
eles, agora, a responsabilidade de realizar as licitações.
O Governo Federal também criou uma linha de investimento para os estados e
municípios que desejarem ingressar no projeto. Diferentemente do sugerido neste trabalho, a
liberação das verbas não está mandatoriamente atrelada ao seguimento da documentação. No
entanto, a documentação, já pronta, dará agilidade e economia de custo ao processo licitatório,
fazendo com que a sua adoção seja uma escolha óbvia.
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[12] Arthur Guerrante, Jairo Duarte, Helga Balbi, Ricardo Carrano, Luis Claudio Schara
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[13] Peterson, L.; Anderson, T.; Culler, D.; and Roscoe, T., “A blueprint for introducing
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Disponível em: http://www.anatel.gov.br
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[19] D-Link
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[20] Linksys
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[26] Regulamento sobre Equipamentos de Radiocomunicação de Radiação Restrita.
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Disponível em: http://www.anatel.gov.br
[27] Carrano, Ricardo, “Improving reliability and scalability of the XO-Mesh network”. Tese
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[28] L. Hideki, R. Martins, A. Guerrante, R. Carrano, and L. Magalhães, “Evaluating the
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[29] HomePlug – Powerline Alliance
Disponível em: http://www.homeplug.org/
Acesso em: Setembro/2008
[30] OPERA – Open PLC European Research Alliance
Disponível em: http://www.ist-opera.org/
Acesso em: Setembro/2008
[31] IEEE - Institute of Electrical and Electronic Engineers – Grupo de trabalho IEEE P1901
Disponível em: http://grouper.ieee.org/groups/1901/
Acesso em: Setembro/2008
[32] Eletrosystem
Disponível em: http://www.eletrosystem.com
Acesso em: Setembro/2008
[33] Devolo
Disponível em: http://www.devolo.com/co_EN_cs/produkte/dlan/dlanwirelessext.html
Acesso em: Setembro/2008
[34] Centro de Estudos sobre as Tecnologias da Informação e da Comunicação
Disponível em: http://www.cetic.br/tic/2007/indicadores-cgibr-2007.pdf
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[35] Netgear
Disponível em: http://www.netgear.com.br
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Disponível em: http://dast.nlanr.net/Projects/Iperf/
[37] TELECO – Informações em Telecomunicações
Disponível em: http://www.teleco.com.br/tutoriais/tutorialwifi/pagina_3.asp
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[38] WlanBrasil
Disponível em: www.wlanbrasil.com.br/downloads/rfs/Curso-Solucao-Radiaflex-Indoor-para-
Distribuidor-v4.ppt
Acesso em: Setembro/2008
[39] HomePNA
Disponível em:http://www.homepna.org/en/about/index.asp
Acesso em: Setembro/2008
[40] IEEE - Institute of Electrical and Electronic Engineers – Grupo de trabalho IEEE 802.3
Disponível em: http://standards.ieee.org/getieee802/download/802.3-2002.pdf
Acesso em: Setembro/2008
[41] Power over Ethernet (PoE) – IEEE P802.3af
Disponível em: http://www.ieee802.org/3/af/
Acesso: Julho/2008
[42] NS-2 – Network Simulation 2
Disponível em: http://www.isi.edu/nsnam/ns/
Acesso: Julho/2010
[43] Wimax – IEEE P802.16
Disponível em: http://www.ieee802.org/16/tgd/
Acesso: Outubro/2008
[44] Balbi, Helga, “Metologia para instalação de rede Wi-Fi extena em escolas”, Projeto Final
de Graduação em Engenharia de Telecomunicações, 2009.
[45] Guerrante, Arthur.,“Teste de Validação do Modelo de Rede da OLPC”, Projeto Final de
Graduação em Engenharia de Telecomunicações, 2008.
[46] Wi-Spy
Disponível em: http://wi-spy.com/
Acesso em: Julho/2009
[47] Airpcap
Disponível em: http://www.airpcap.eu/
Acesso em: Janeiro/2009
[48] Ferramenta Ping: RFC 792
[49] Servidor NTP: RFC 1305. Mills, David. Network Time Protocol.
[50] Célio Vinicius Neves de Albuquerque, Débora Christina Muchaluat-Saade, Julius Cesar
Barreto Leite, Luiz Claudio Schara Magalhães, “GT-ReMesh: Grupo de Trabalho em Redes
Mesh”, VII Workshop da Rede Nacional de Pesquisa , Curitiba, PR, Brasil, Ocorrido entre
29/05/2006 e 02/06/2006
[51] Cartilhas – Projeto UCA
Disponível em: http://esr.rnp.br/leitura/cartilhas-uca
Acesso em: Junho/2010
[52] Yellow Jacket – BVS
Disponível em: http://www.bvsystems.com/Products/WLAN/YJ-BAG/YJ-BAG.htm
Acesso em: agosto/2009
[53] Mercado, William. “Metodologia e software de apoio para instalação ótima dos pontos de
acesso”. Dissertação de Mestrado, UFF, 2010.
[54] Python-GTK
Disponível em: http://www.pygtk.org
Acesso em: Dezembro/2008
[55] Tcpdump
Disponível em: http://www.tcpdump.org/
Acesso em: Julho/2009
[56] Tshark
Disponível em: http://www.wireshark.org/docs/man-pages/tshark.html
Acesso em: Julho/2009
[57] Wireshark
Disponível em: http://www.wireshark.org/
Acesso em: Julho/2009
[58] Pro-Info
Disponível em: http://portal.mec.gov.br/
Acesso em: Junho/2009
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