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Sistemas de rede sem fio interna

O sistema de rede sem fio interna é integral para o mundo digital atual

Impulsionada pela proliferação de dispositivos móveis, avanços na capacidade e alcance de largura de banda, e pelos benefícios de desconectar dispositivos de conexões cabeadas fixas, a comunicação sem fio está se tornando rapidamente o meio padrão para conectar pessoas e objetos. A maioria das pessoas entende que, por trás de cada conexão sem fio, há uma infraestrutura que fornece a conexão de uplink para a rede local (Local area network, LAN), redes de provedores de serviços e a nuvem. Os profissionais de cabeamento, no entanto, precisam saber exatamente como as comunicações sem fio funcionam e que vários tipos de tecnologias de rede sem fio interna operam em frequências, taxas de dados e distâncias diferentes para várias aplicações.

 

Índice

 

O que é o sistema de rede sem fio interna e por que ele é importante?

Estima-se que 70 a 80% de todo o tráfego de dados móveis seja gerado em ambientes internos. As redes sem fio internas são essenciais para manter nossos dispositivos conectados dentro de edifícios de escritórios, estádios, hotéis, hospitais, aeroportos, estabelecimentos de varejo e outros ambientes.

Nossa dependência diária de dispositivos móveis requer conectividade sem fio em praticamente todas as instalações e, ao mesmo tempo, mais dispositivos de IoT e de edifícios inteligentes estão se conectando por meio de tecnologias sem fio para facilitar a implementação, escalabilidade e economia de custos. Vários outros aplicativos internos usam tecnologias sem fio para tudo, desde controle de acesso e rastreamento de ativos até pagamento móvel, gerenciamento de inventário e dispositivos hands-free diários. Portanto, uma cobertura de rede sem fio interna confiável, por meio de uma variedade de tecnologias complementares, é essencial no mundo conectado de hoje.

 

Como funciona o sistema de rede sem fio interna?

Todos os sistemas de rede sem fio interna operam dentro do espectro eletromagnético, que se refere à gama completa de radiação que consiste em ondas de energia elétrica e magnética que se movem pelo espaço. Essas ondas são caracterizadas por comprimento de onda e frequência.

 
  • • Comprimento de onda é a distância percorrida por um ciclo completo da onda, e frequência é o número de ondas dentro de um determinado período de tempo.

  • • A frequência é expressa em hertz, que equivale a um ciclo por segundo (um megahertz equivale a um milhão de ciclos por segundo, e um gigahertz equivale a um bilhão de ciclos por segundo). Quanto maior a frequência, menor o comprimento de onda.

Todo o espectro eletromagnético varia desde ondas de rádio de frequência extremamente baixa, com os comprimentos de onda mais longos, até infravermelho, ultravioleta, raios X e raios gama de frequência extremamente alta, com os comprimentos de onda mais curtos. Observe no gráfico abaixo que a luz visível, apenas uma pequena fração do espectro, é composta pelas sete cores que os seres humanos conseguem enxergar.

Gráfico mostrando o espectro eletromagnético

O espectro eletromagnético varia de ondas de rádio com um comprimento de onda longo a raios gama com o comprimento de onda mais curto.

 

Frequências de comunicações sem fio
As comunicações sem fio se enquadram na parte de radiofrequência (RF) do espectro, de cerca de 3 Hz a 3000 GHz. O espectro de RF é um recurso fixo e finito que é regulamentado pela Federal Communications Commission (FCC) e pela International Telecommunication Union (ITU) para evitar interferências. Ele é essencialmente fatiado e dividido em várias “bandas” para uma variedade de tipos e aplicações de transmissão, como navegação por GPS, comunicações militares e de emergência, transmissões de televisão, rádio AM e FM, satélites meteorológicos, celular, Wi-Fi, Bluetooth e muito mais. Algumas das bandas são alocadas para um serviço específico, enquanto outras são vendidas ou licenciadas para operadores. Observe que todos os sinais de RF usam algum tipo de antena que transforma sinais elétricos em sinais de RF e vice-versa.

As várias bandas de RF são designadas como frequência muito baixa, baixa, média, alta, muito alta, ultra alta, extremamente alta e tremendamente alta. À medida que a frequência aumenta, a capacidade de largura de banda aumenta e a faixa diminui. A perda do caminho do sinal é menor em frequências mais baixas, o que oferece melhor propagação (a capacidade de penetrar materiais) e alcance. É por isso que os submarinos usam bandas de baixa frequência que podem penetrar na água do mar por longas distâncias. A tabela a seguir resume as várias bandas de RF e suas aplicações comuns.

 

Nome

Intervalo da frequência

Aplicativo

Baixa frequência (LF)

30 kHz
até 300 KHz

Navegação, submarinos, sistemas climáticos, sinal de hora padrão, rádio AM europeu

Frequência média (Medium frequency, MF)

300 KHz a 3 MHz

Navegação marítima/aérea, rádio AM

Alta frequência (High frequency, HF)

3 MHz a 30 MHz

Militar, comunicação ar-ar na aviação, emergência marítima, rádio AM, rádio amador, transmissão em ondas curtas

Frequência muito alta (Very high frequency, VHF)

30 MHz

até 300 MHz

Emergência bidirecional, transmissão de FM/TV, rádio amador

Frequência ultra-alta (Ultra high frequency, UHF)

300 MHz

até 30 GHz

GPS, celular, Wi-Fi, telefones via satélite, rádios bidirecionais (walkie-talkies), radar, transmissão de TV, Bluetooth, Zigbee, longo alcance

Frequência extremamente alta (Extremely high frequency, EHF)

de 30 GH

até 300 GHz

5G de banda alta, satélite, radar, pesquisa científica, astronomia

Alta frequência (Tremendously high frequency, THF)

de 300 GH

para Infravermelho

P&D, astronomia, experimental

Esta tabela mostra as frequências que transportam tipos comuns de comunicações sem fio.

 

Tipos de sistemas de rede sem fio interna

Embora você possa pensar na conectividade sem fio interna como estritamente Wi-Fi, várias tecnologias sem fio são vitais para uma ampla gama de aplicações e dispositivos. Todas elas operam em frequências e funções diferentes de maneira única.

Wi-Fi
As aplicações de Wi-Fi com as quais nos preocupamos no setor de Tecnologia da Informação e Comunicações estão dentro da faixa UHF de 300 MHz a 30 GHz. IEEE 802.11 Wi-Fi é o principal aplicativo implantado no espaço empresarial; Wi-Fi 5, 6, 6E e 7 operam nas bandas de frequência de 2,4, 5 e 6 GHz, conforme mostrado na tabela abaixo. Você pode saber mais sobre os requisitos de cabeamento para aplicações Wi-Fi em nossa página sobre cabeamento para Wi-Fi.

 

 

Wi-Fi 5

Wi-Fi 6

Wi-Fi 6E

Wi-Fi 7

Padrão

IEEE 802.11ac

IEEE 802.11ax

IEEE 802.11ax

IEEE 802.be

Frequência de transmissão

Apenas 5 GHz

de 2,4 GH

e 5 GHz

2,4 GHz, 5 GHz,

e 6 GHz

2,4 GHz, 5 GHz,

e 6 GHz

Número máximo de fluxos

8

8

8

16

Taxa máxima de dados por fluxo

866 Mb/s

1,2 Gb/s

1,2 Gb/s

2,9 Gb/s

Taxa de dados teórica máxima

6,93 Gb/s

9,61 Gb/s

9,61 Gb/s

46,1 Gb/s

Velocidade típica

1,3 Gb/s

5 Gb/s

5 Gb/s

18 Gb/s

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Esta tabela compara os padrões, frequências e capacidades das categorias de Wi-Fi.

Como o espectro de RF é um recurso fixo, enfrentando a crescente demanda de mais usuários e dispositivos que precisam de maior largura de banda, maneiras novas e inovadoras de otimizar o espectro são fundamentais.

Existem vários canais dentro de cada banda de frequência, e a FCC define quais canais estão disponíveis dentro da infraestrutura nacional de informações não licenciadas (Unlicensed national information infrastructure, U-NII). Alguns canais dentro da faixa de frequência foram alocados para usos específicos e não estão disponíveis para Wi-Fi. A banda de 2,4 GHz tem 14 canais, a banda de 5 GHz tem 29, e a banda de 6 GHZ tem 59. Mas, embora os canais de 5 e 6 GHz não se sobreponham, a maioria dos canais na banda de 2,4 GHz se sobrepõe, o que aumenta o potencial de interferência e reduz as taxas de transmissão. Apenas 3 dos 14 canais disponíveis dentro da banda de 2,4 GHz são considerados não sobrepostos: canais 1, 6 e 11.

Gráfico mostrando os canais alocados pela FCC para Wi-Fi operando na banda de frequência de 2,4 GHZ

Dentro da banda de frequência de 2,4 GHz, apenas os canais 1, 6, e 11 são considerados não sobrepostos.

Uma maneira de aumentar a largura de banda é por meio da ligação de canais, onde vários canais estreitos se agregam em canais mais amplos. Na banda de 5 GHZ, por exemplo, canais menores de 20 MHz não sobrepostos podem ser combinados para criar quatorze canais de 40 MHz, sete canais de 80 MHz ou três canais de 160 MHz. A abertura da frequência de 6 GHz, com 59 canais de 20 MHz sem sobreposição para o Wi-Fi 6E e 7, acomoda mais usuários e maior largura de banda ao oferecer mais oportunidades de agregação de canais, permitindo vinte e nove canais de 40 MHz, quatorze de 80 MHz e sete de 160 MHz para suportar mais usuários com alta demanda de largura de banda. Com apenas três canais não sobrepostos, a ligação de canal na banda de 2,4 GHz é limitada a um único canal de 40 MHz.

Gráfico mostrando os canais alocados da FCC para Wi-Fi operando nas bandas de frequência de 5 e 6 GHz.

Dentro das bandas de frequência de 5 GHz e 6 GHz, a agregação de canais pode ser usada para aumentar a largura de banda, combinando canais menores de 20 MHz para formar canais de 40, 80, e até 160 MHz.

Embora alguns pontos de acesso Wi-Fi (WAPs) residenciais básicos sejam definidos com um número limitado de canais, WAPs de nível empresarial de alto nível normalmente oferecem a capacidade de configurar diferentes canais em várias larguras. No entanto, é importante observar que nem todos os WAPs suportam larguras de canais de 160 MHz ou canais que compartilham espectro com sistemas meteorológicos e de radar, conhecidos como canais DFS. DFS significa seleção dinâmica de frequência, que é um mecanismo que requer que os WAPs ouçam eventos de radar e movam automaticamente o tráfego desses canais quando detectados. Para evitar ter que cumprir as regulamentações de DFS e obter a certificação de WAPs, muitos fornecedores simplesmente optam por não oferecer canais de DFS. Além disso, o tempo necessário para verificar os canais DFS em busca de eventos de radar e mover clientes para um canal diferente pode causar atrasos que afetam aplicativos em tempo real, como chamadas de voz, resultando em áudio instável.

É importante observar que a disponibilidade do canal de Wi-Fi pode variar de acordo com a região. Nos EUA, todos os canais dentro do espaço de frequência de 5 GHz estão disponíveis, exceto aqueles entre 5350 MHz e 5470 MHz (U-NII-2B). No entanto, países como China e Indonésia têm restrições que proíbem o uso de canais entre 5350 MHz e 5730 MHz, e o Japão proíbe o uso de canais entre 5735 MHz e 5895 MHz. E embora os EUA tenham adotado totalmente a banda de 6 GHz para Wi-Fi, outros países aprovaram apenas uma parte dela. À medida que mais nações adotam o espectro de 6 GHz de frequência mais alta, as regulamentações de uso de canais podem evoluir globalmente.  

Além da ligação de canais, há várias tecnologias WAP que podem alcançar maior largura de banda. A formação de feixes é uma tecnologia que concentra sinais e os transmite através de várias antenas de envio e recebimento. Isso também é chamado de tecnologia de múltiplas entradas e múltiplas saídas (Multiple-input, Multiple-output, MIMO). O sinal associado a uma antena é chamado de fluxo espacial, e a capacidade de suportar vários fluxos espaciais é um recurso do Wi-Fi 5, 6 e 7, com o Wi-Fi 7 dobrando o número de fluxos espaciais de 8 a 16.

Outra tecnologia que melhora o Wi-Fi é o acesso múltiplo por divisão de frequência ortogonal (Orthognal frequency division multiple access, OFDMA). Introduzido no Wi-Fi 6, o OFDMA é um esquema de sinalização que aloca largura de banda de forma mais eficiente com base nas necessidades do dispositivo e acomoda vários usuários ao mesmo tempo. Além disso, ao manter operações em 2,4 GHz, o Wi-Fi 6, 6E e 7 podem aproveitar o maior alcance da frequência de 2,5 GHz para sensores de IoT sem fio de baixa velocidade, evitando que esses dispositivos reduzam a largura de banda nos canais sem sobreposição de 5 GHz e 6 GHz.

Alguns WAPs avançados também podem ter funcionalidade adicional específica do fornecedor para melhorar o desempenho. Por exemplo, alguns WAPs podem analisar a atividade do canal para selecionar o melhor canal e a melhor largura de canal para dispositivos específicos ou priorizar o tráfego por dispositivo para acomodar aplicativos sensíveis a atrasos.

Celular
Assim como o Wi-Fi, as comunicações celulares operam na faixa de 300 MHz a 30 GHz UHF do espectro eletromagnético, exceto para celulares 5G de banda alta que operam na faixa de 30 a 300 GHz EHF. No entanto, ao contrário do Wi-Fi, que opera dentro de bandas não licenciadas, o celular opera dentro de bandas licenciadas que só podem ser usadas pela empresa que as licencia, exigindo planos de rede de acesso via rádio (Radio access network, RAN) e de provedor de serviços pagos. Por exemplo, a rede 5G de banda média da AT&T opera entre 3,45 e 3,55 GHz, enquanto a Verizon opera entre 3,7 e 3,98 GHz. O Citizen’s Broadband Radio Service (CBRS) é a única tecnologia baseada em celular que opera em uma banda de frequência não licenciada, de 3,55 a 3,7 GHz, estabelecida pela FCC para redes móveis privadas nos EUA. O CBRS é ideal para aplicações controladas localmente, como push-to-talk, IoT e outras aplicações específicas para grandes campi e sites industriais, ou para fornecer serviços de banda larga para comunidades e escolas carentes, pois oferece uma cobertura 4 vezes maior que um WAP típico e é menos caro que a implantação de um serviço 4G ou 5G tradicional.

O celular opera em uma gama mais ampla de frequências do que o Wi-Fi. 4G opera de 600 MHz a 2,5 GHz, 4G LTE opera de 700 MHz a 2,7 GHz e 5G opera de 450 MHz a 40 GHz. Assim como o Wi-Fi, as comunicações celulares aproveitam a ligação de canais para aumentar a capacidade e a largura de banda. O 5G suporta tamanhos de canal que variam de 5 a 100 MHz para abaixo de 6 GHz e de 50 a 400 MHz acima de 24 GHz. Devido à sua ampla faixa de operação, o 5G é dividido em três bandas de frequência: baixa, média e alta.

 
  • • 5G de banda baixa é qualquer coisa menor que 1 GHz. Nessa frequência mais baixa, a propagação e a faixa são significativamente melhores, mas a largura de banda é limitada. O 5G de banda baixa é ideal para cobertura de cobertores em todo o país ao longo de rodovias e em áreas remotas e rurais.

  • • O 5G de faixa média normalmente transmite entre 1 e 6 GHz para equilibrar cobertura e velocidade. É comumente usado para conectividade móvel 5G em cidades e em áreas suburbanas e campi, suportando velocidades de até cerca de 2 Gigabits por segundo (Gb/s).

  • A rede 5G de alta banda opera entre 24 e 47 GHz, proporcionando as taxas de dados mais rápidas e a menor latência em distâncias mais curtas. O 5G de banda alta tem propagação limitada e, portanto, é altamente suscetível à interferência de árvores, edifícios e condições atmosféricas, como chuva e neblina, ao mesmo tempo em que é menos suscetível à interferência de outros dispositivos, uma vez que menos dispositivos operam nessa faixa de frequência. No entanto, uma implementação direta de 5G de alta banda de linha de visão tem o potencial de atingir velocidades de dados de 20 Gb/s. É ideal para áreas de alta densidade e direcionadas e comunicações ultraconfiáveis e de baixa latência para aplicações como carros autônomos, automação industrial, realidade aumentada e virtual e streaming de vídeo de ultra-alta definição.

A má propagação do celular em e através de edifícios muitas vezes requer sistemas de antenas distribuídas (DAS) para fornecer serviços para espaços empresariais internos. Um DAS inclui nós de antena colocados em um edifício para aumentar a cobertura celular e pode suportar várias frequências (ou seja, 3G, 4G, LTE, 5G), o que permite que ele seja compartilhado por várias operadoras e usado para comunicações de emergência. As células pequenas são outra opção para cobertura sem fio interna, mas suportam apenas uma única frequência definida para uma única operadora. Um DAS é considerado uma opção mais escalável e uma melhor escolha para grandes instalações que precisam suportar múltiplos usuários e operadoras, especialmente em espaços públicos densamente povoados, como centros estudantis, aeroportos, shoppings, estádios e centros de convenções.

O cabeamento para um DAS utiliza uma combinação de fibra óptica, cabos coaxiais e cabos de categoria, dependendo do tipo de sistema e da configuração. No headend, um repetidor de sinal celular interno distribui o sinal de celular para os nós através de cabos coaxiais em um sistema passivo ou através de cabos de fibra e/ou cobre em um sistema ativo. Os sistemas coaxiais passivos são usados em instalações menores onde o cabo coaxial funciona como antena, mas não fornecem o sinal mais forte. Os sistemas ativos são ideais para edifícios maiores e usam cabeamento de categoria de fibra óptica e cobre entre o repetidor e os nós ativos, como uma implementação de Wi-Fi. Um DAS também pode ser um híbrido dos dois, com cabo de fibra óptica conectado a unidades de rádio remotas (RRUs), que então distribuem o sinal para antenas passivas por cabo coaxial.

Sem fio de baixa velocidade
Wi-Fi e DAS celular não são as únicas tecnologias sem fio internas usadas no espaço de uma empresa. Uma variedade de tecnologias sem fio de curto alcance e baixa velocidade é usada em uma variedade de aplicações. A tecnologia Bluetooth operando na faixa de 2,4 GHz é usada para comunicações diárias entre dispositivos, como smartphones e fones de ouvido sem fio, alto-falantes e periféricos, como mouses e teclados. Ela também é usada para controle de acesso, consoles de jogos, sensores de IoT e sistemas de localização em tempo real. O Bluetooth vem em dispositivos de Classe 1, Classe 2 e Classe 3. A Classe 1 transmite em 100 mW para alcançar 100 metros, a Classe 2 transmite em 2,5 mW para 10 metros e a Classe 3 transmite em 1 mW para menos de 10 metros em velocidades que variam de 700 kilobytes por segundo (Kb/s) a 50 megabits por segundo (Mb/s).

Tecnologias similares de curto alcance e baixa velocidade incluem Zigbee, que também transmite na frequência de 2,4 GHz para cerca de 20 metros e a velocidades de até 250 Kb/s, e Z-Wave, que opera na faixa de 800 a 900 MHz para menos interferência e uma faixa mais estendida de cerca de 100 metros, mas com uma velocidade de apenas 100 Kb/s. Tanto o Zigbee quanto o Z-Wave usam um hub centralizado e podem suportar saltos entre vários dispositivos. Essas duas tecnologias são usadas principalmente para medição inteligente, automação predial, detectores de fumaça e outros sensores inteligentes de IoT, mas o Zigbee está mais prontamente disponível em uma ampla gama de dispositivos. À medida que as empresas implantam mais sensores IoT para tudo, desde ocupação e qualidade do ar até controle de multidões e detecção de vazamentos, mais fornecedores oferecem WAPs com tecnologia Zigbee integrada. A tecnologia RFID também é considerada uma tecnologia sem fio de curto alcance e baixa velocidade que opera em baixa frequência (30 a 300 KHz), alta frequência (3 a 30 MHz) e frequência ultra-alta (300 MHz a 3 GHz). O RFID é usado principalmente para gerenciamento de estoque de varejo, rastreamento de ativos, controle de acesso e pagamento móvel.

Tecnologias sem fio de longo alcance e baixo consumo de energia também estão disponíveis para coletar dados de dispositivos e sensores IoT operados por bateria e de baixa velocidade em distâncias muito maiores. Essas tecnologias normalmente operam em frequências muito baixas, com excelente propagação e velocidades de suporte de até cerca de 1 Mb/s. LoRa é uma dessas tecnologias que opera a 915 MHz nos EUA e 868 MHz na Europa. Ela pode alcançar distâncias de até 4,8 km (3 milhas) em áreas urbanas e até 16 km (10 milhas) em áreas rurais, embora as implementações rurais de linha de visão em velocidades muito baixas tenham alcançado muito mais longe. A LoRa é ideal para implantações de IoT em grande escala, como aplicativos inteligentes de campus e cidade, agricultura inteligente, dispositivos vestíveis de saúde e monitoramento de frota. Ela usa gateways que recebem dados sem fio e os encaminham por redes com fio existentes. Há também tecnologias sem fio de longo alcance e baixa potência baseadas em celular, como Narrowband IoT (NB-IoT) e LTE-M, projetadas para suportar casos de uso semelhantes de IoT, mas que usam o serviço de celular como backhaul.

 

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