Entendendo a questão do alcance em redes wireless

Publicado em 23/02/2009 – 19:46
por Carlos Morimoto
Uma das grandes dúvidas ao montar uma rede wireless é o alcance da rede, um fator que varia de forma brutal de acordo com os obstáculos pelo caminho e com o tipo de antenas usadas, entre outros fatores.

De uma forma geral, o alcance prometido pelos fabricantes para as redes Wi-Fi são 30 metros para ambientes fechados e 150 metros para ambientes abertos. Devido ao uso de mais transmissores e mais antenas, o novo padrão 802.11n oferece um alcance um pouco maior, prometendo 70 metros em ambientes fechados e 250 metros em campo aberto. Entretanto, estes valores são apenas médias estimadas, tiradas em testes padronizados. Em situações reais, podemos chegar a extremos, como links de longa distância, de 30 km e clientes que não conseguem manter uma transmissão estável com um ponto de acesso a apenas 6 ou 8 metros de distância.

Os três fatores que explicam diferenças tão brutais são:

a) O ganho das antenas instaladas no ponto de acesso e no cliente
b) A potência dos transmissores
c) Os obstáculos e fontes de interferência presentes no ambiente

As antenas usadas por padrão na maioria dos pontos de acesso, placas e notebooks são antenas dipole com ganho de apenas 2 ou 2.2 dBi, mas existem no mercado antenas com até 24 dBi. Existem ainda casos de antenas de uso restrito, que podem superar a marca dos 30 dBi de ganho.

O "ganho" da antena diz respeito ao quanto ela consegue concentrar o sinal transmitido. Quanto maior o ganho, mais concentrado é o sinal e maior a distância que ele consegue percorrer. Para efeito de comparação, uma antena de 22 dBi transmite um sinal 100 vezes mais concentrado do que uma antena de 2 dBi.

As antenas usadas por padrão nos pontos de acesso são chamadas de dipole ou ominidirecionais, pois irradiam o sinal em todas as direções, permitindo que você se conecte à rede a partir de qualquer ponto na área em torno do ponto de acesso. Na verdade, o "em todas as direções" é uma figura de linguagem, pois as antenas concentram o sinal na horizontal, em um raio de 360 graus, irradiando, em compensação, pouco sinal na vertical.

Você pode imaginar que, ao utilizar uma antena ominidirecional, o sinal emitido pelo ponto de acesso tem formato de um donut, como você pode ver neste gráfico:



É por isso que as antenas do ponto de acesso devem ficar sempre na posição vertical, a menos é claro que você queira que o sinal seja irradiado na vertical, de forma a conseguir se conectar à rede quando estiver no andar de cima, por exemplo. Ao instalar o ponto de acesso, o ideal é que ele fique em uma posição central e um pouco mais alto que os móveis e demais obstáculos, de forma que o sinal possa trafegar até os clientes sem muitos desvios.

Antenas ominidirecionais maiores, de uso externo, podem oferecer ganhos de 10 ou até mesmo 15 dBi. O sinal continua sendo transmitido em todas as direções na horizontal, mas o ângulo vertical se torna muito mais estreito em relação ao oferecido pelas antenas padrão, ou seja, o maior ganho da antena não faz com que ela transmita mais sinal, mas apenas com que concentre a transmissão em uma faixa mais estreita:



Em seguida temos as antenas yagi, que oferecem um ganho ainda maior, mas em compensação são capazes de cobrir apenas uma pequena área, para a qual são diretamente apontadas (normalmente em um raio de 24 x 30 graus, ou mais estreito). Você pode imaginar que uma antena yagi emite o sinal em um ângulo similar ao de um cone, resultando em um padrão de transmissão similar ao do diagrama abaixo:



O foco concentrado resulta em um ganho muito maior do que o das antenas setoriais. A maior parte das antenas yagi à venda oferecem ganho de 14 a 19 dBi, mas não é incomum ver antenas com até 24 dBi.

Estas antenas são úteis para cobrir alguma área específica, longe do ponto de acesso, ou interligar duas redes distantes.

Em seguida temos a questão da potência dos transmissores usados nas placas e nos pontos de acesso, que é medida em milliwatts. Um ponto de acesso típico utiliza um transmissor de 56 milliwatts (17.5 dBm) ou de 63 milliwatts (18 dBm), mas o valor varia de acordo com o modelo e o fabricante.

Usar uma antena de maior ganho tem um efeito similar a aumentar a potência de transmissão do sinal e vice-versa. É justamente a combinação do uso de antenas de alto ganho (em muitos casos combinadas com amplificadores) dos dois lados da conexão, com um caminho livre de obstáculos, que permite a criação de links de longa distância.

Por outro lado, em redes domésticas você raramente usa amplificadores ou substitui as antenas do ponto de acesso ou dos clientes e é quase impossível oferecer um caminho livre de obstáculos. Como o sinal wireless utiliza uma potência muito baixa, qualquer obstáculo significativo causa uma grande perda, o que nos leva ao outro extremo, os casos em que o sinal mal consegue percorrer uma distância de poucos metros.

As maiores inimigas do sinal são superfícies metálicas, como grades, janelas, portas metálicas, lajes, vigas e até mesmo tintas com pigmentos metálicos. O metal reflete a maior parte do sinal (propriedade que é explorada por muitas antenas), deixando apenas uma pequena parte passar.

Em seguida temos materiais densos, como concreto e pedra. Paredes leves, feitas com tijolo furado (tijolo baiano) absorvem muito menos sinal do que paredes de construções antigas, feitas com tijolos maciços, enquanto lajes ou vigas de concreto com armação metálica absorvem mais do que ambas. O efeito é cumulativo, de forma que quanto mais paredes pelo caminho, mais fraco é o sinal que chega do outro lado.

Outro obstáculo importante são corpos com grande concentração de líquido, como aquários, piscinas, caixas d'agua e até mesmo pessoas passeando pelo local (nosso corpo é composto de 70% de água). Ao contrário dos metais, que refletem o sinal, a água o absorve, o que acaba tendo um efeito ainda pior.

Além dos obstáculos, temos também focos de interferência, que competem com o sinal do ponto de acesso, prejudicando a recepção por parte dos clientes, assim como duas pessoas tentando falar ao mesmo tempo.

Fornos de microondas operam a 2.4 GHz, na mesma freqüência das redes wireless, fazendo com que, quando ligados, eles se transformem em uma forte fonte de interferência, prejudicando as transmissões em um raio de alguns metros. Um forno de microondas é justamente um transmissor de rádio, de altíssima potência, que opera na mesma faixa de freqüência das redes wireless, mas que serve para cozinhar alimentos ao invés de transmitir dados. Se você pudesse aumentar a potência de transmissão de uma placa wireless em 10.000 vezes, teria um forno de microondas portátil.

Este é um dos motivos para a existência de normas que limitam a potência de transmissão dos transmissores wireless domésticos a um máximo de 1 watt. No caso do forno de microondas, é usada uma grade de metal para evitar que o sinal de rádio escape. Ela é suficiente para evitar que ele cozinhe as pessoas em volta, mas uma pequena porção do sinal, mais do que suficiente para interferir com as redes wireless próximas, acaba escapando.

Telefones sem fio, além de transmissores bluetooth e outros aparelhos que operam na faixa dos 2.4 GHz, também interferem, embora em menor grau. Os telefones sem fio quase sempre utilizam o modo FH (Frequency Hopping), onde a freqüência de transmissão varia em uma sequência pré-definida, em intervalos de apenas alguns milisegundos. Com isso o telefone interfere com a rede em alguns momentos, quando as freqüências se cruzam (causando uma queda momentânea na taxa de transferência e algumas retransmissões de pacotes), mas raramente o problema é crônico. De qualquer forma, em escritórios e outros ambientes onde vários aparelhos de telefone sem fio precisarem conviver com a rede wireless, é recomendável utilizar aparelhos que trabalham na faixa dos 900 MHz.

Existe ainda a questão da interferência entre diferentes redes instaladas na mesma área. Imagine um grande prédio comercial, com muitos escritórios de empresas diferentes e cada uma com sua própria rede wireless. Os pontos de acesso podem ser configurados para utilizarem freqüências diferentes, divididas em 14 canais. Na maioria dos países, apenas 11 canais podem ser utilizados (devido à questão da legislação) e destes, apenas 3 podem ser usados simultaneamente, sem perdas.

Ou seja, com várias redes instaladas próximas umas das outras, os canais disponíveis são rapidamente saturados, fazendo com que o tráfego de uma efetivamente reduza o desempenho da outra.

A combinação de todos esses fatores faz com que o alcance varie muito de acordo com o ambiente. Você pode conseguir pegar o sinal de um ponto de acesso instalado na janela de um prédio vizinho, distante 100 metros do seu (campo aberto), mas não conseguir acessar a rede do andar de cima (a armação de ferro e cimento da laje é um obstáculo difícil de transpor). Para compensar grandes distâncias, obstáculos ou interferências, o ponto de acesso reduz a velocidade de transmissão da rede, como um modem discado tentando se adaptar a uma linha ruidosa. Os 54 megabits do 802.11g podem se transformar rapidamente em 11, 5.5, 2 ou até mesmo 1 megabit.

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