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No caso da potência de transmissão, o parâmetro de comparação é um sinal de 1 milliwatt. Dentro da escala, um sinal de 1 milliwatt corresponde a 0 dBm. A partir daí, cada vez que é dobrada a potência do sinal, são somados aproximadamente 3 decibéis, já que, dentro da escala, um aumento de 3 decibéis corresponde a um sinal duas vezes mais forte, da mesma forma que temos com o som:
O ganho da antena, por sua vez, é medido em relação a um radiador isotrópico, um modelo teórico de antena, onde o sinal seria transmitido igualmente em todas as direções. Um radiador isotrópico seria uma esfera perfeita, sem diferença alguma de polarização em toda a superfície. Ele é impossível de construir na prática (já que a presença do conector já tornaria a esfera imperfeita) e não seria muito útil de qualquer forma, pois mandaria muito sinal para o céu e para a terra e menos sinal para os clientes que devem recebê-lo.
Todas as antenas concentram o sinal em determinadas direções, sendo que quanto mais concentrado é o sinal, maior é o ganho. Uma antena de 3 dBi, por exemplo, irradia o sinal com o dobro de potência que um radiador isotrópico, porém irradia em um ângulo duas vezes menor. Uma antena de 6 dBi oferece um sinal quatro vezes mais concentrado, porém para um ângulo 4 vezes mais estreito, e assim por diante. De uma forma geral, quanto maior é o ganho desejado, maior precisa ser a antena; justamente por isso as antenas ominidirecionais e yagi de alto ganho são muito maiores que as antenas padrão de 2.2 dBi dos pontos de acesso.
Continuando, a potência total de saída é obtida convertendo a potência do transmissor, de milliwatts para dBm e, em seguida, somando o ganho da antena (em dBi). Duas calculadoras que oferecem a opção são:
Como comentei, a maioria dos modelos domésticos de pontos de acesso trabalham com 17.5 dBm (56 milliwatts) ou 18 dBm (63 milliwatts) de potência, mas existem modelos com apenas 15 dBm (31.6 milliwatts) e, no outro extremo, alguns modelos com até 400 milliwatts (26 dBm), como o Senao ECB-3220 e o OVISLINK WL-5460, dois pontos de acesso da velha guarda:
Muitos pontos de acesso populares podem ter a potência de transmissão aumentada para até 250 miliwatts (24 dBm) usando o DD-WRT ou o OpenWRT, mas em muitos casos você vai precisar improvisar um sistema de ventilação para manter a estabilidade do ponto de acesso com o aquecimento adicional.
É importante notar que, em muito casos, a potência anunciada pelo fabricante inclui o ganho da antena, de forma que um ponto de acesso com sinal de 20 dBm pode ser, na verdade, um ponto de acesso com transmissor de 18 dBm e uma antena de 2 dBi. Nesse caso, você obteria 24 dBm ao substituir a antena padrão por uma antena de 6 dBi e não 26 dBm (20+6) como poderia pensar à primeira vista. Uma diferença de 2 dBm pode parecer pequena, mas na verdade equivale a um aumento de 66% na potência do sinal, daí a importância de checar as especificações com atenção.
A lógica é simples: Nenhuma antena irradia o sinal igualmente em todas as direções. Mesmo as antenas ominidirecionais irradiam mais sinal na horizontal que na vertical. Isso significa que o sinal é concentrado dentro da área de transmissão da antena, tornando-se mais forte. Como vimos, quanto maior o ganho da antena, mais concentrado e forte é o sinal, fazendo com que ele seja capaz de percorrer distâncias maiores e superar mais obstáculos. Se a potência de transmissão nominal é de 400 mW, o uso de uma antena de 2.2 dBi faria com que, na prática, tivéssemos uma potência de transmissão de 880 mW (29.4 dBm).
Em se tratando de links de longa distância, é preciso ter em mente que a potência de transmissão do ponto de acesso não está necessariamente relacionada à sua sensibilidade de recepção, e a falha em captar o sinal do cliente também leva à perda da conexão. Ou seja, para obter um ganho tangível, é necessário usar produtos com uma maior potência de transmissão dos dois lados do link.
Uma antena de alto ganho (corretamente focalizada), por outro lado, aumenta tanto a potência de transmissão quanto a sensibilidade de recepção, já que é capaz de concentrar o sinal em ambas as direções. É por isso que instalar uma antena yagi na placa do seu notebook permite que ele consiga se conectar a redes tão distantes, mesmo sem modificações nos respectivos pontos de acesso.
A margem é necessária, pois em uma situação real você raramente consegue obter um alinhamento perfeito das antenas e fatores ambientais, como o vento e a chuva podem balançá-las (tirando-as da posição ideal). Além disso, variações da umidade afetam o sinal, de forma que o sinal é mais atenuado em dias chuvosos, o que é um dos grandes problemas dos provedores que oferecem acesso wireless. Sem uma boa margem de tolerância, sua rede poderá funcionar bem nos dias de tempo bom, mas ficar instável nos dias nublados ou durante as chuvas.
Ao criar um link de longa distância, é importante usar pontos de acesso e placas com a maior sensibilidade possível. Tenha em mente que uma diferença de apenas 6 dB na recepção permite obter o dobro do alcance, utilizando as mesmas antenas. Este acaba sendo o principal diferencial entre placas de diferentes fabricantes, mesmo quando elas são baseadas no mesmo chipset.
Uma dica é que os pontos de acesso e placas 802.11g atuais oferecem em geral uma recepção melhor do que produtos antigos, baseados no padrão 802.11b (mesmo se utilizadas as mesmas antenas), devido a melhorias nos chipsets e projetos.
Os aparelhos baseados no 802.11n oferecem uma taxa de transferência muito maior a curtas distâncias, devido ao uso do MIMO, mas esta característica é praticamente inútil em links de longa distância, onde normalmente utilizamos uma única antena. O 802.11n oferece algumas melhorias adicionais no sistema de correção de erros e na transmissão do sinal, que reduzem o overhead da transmissão em relação ao 802.11g, resultando em um certo ganho na taxa de transmissão (mesmo com uma única antena), mas não espere muito. Note também que um grande número de pontos de acesso 802.11n utilizam antenas fixas, o que os tira da lista de opções.
Você encontra a relação entre o nível mínimo de sinal para cada taxa de transferência nas especificações da placa ou do ponto de acesso. A maioria dos dispositivos trabalha com um valor mínimo de -92 dBm e alguns chegam a -95 dBm (note que a sensibilidade de recepção não está necessariamente relacionada à potência de transmissão). Entretanto, esse valor corresponde à taxa de transmissão mínima, a 1 megabit. Para que a rede possa trabalhar a velocidades mais altas, é necessário um sinal mais forte. Aqui vai uma tabela de referência para que você possa ter uma ideia. Os valores podem variar em até 6 dBm, de acordo com a marca e o modelo da placa:
Pela tabela podemos ver que um sinal de -98 dBm é muito baixo, mesmo para criar um link de apenas 1 megabit. Para cada redução de 3 dB no sinal, temos uma redução de 50% na potência, de forma que -98 dBi corresponde a apenas um quarto de -92 dBi, que seria o mínimo para estabelecer a conexão, dentro das especificações da tabela.
Como citei anteriormente, o ganho da antena afeta também a habilidade de recepção do cliente, de forma que seria possível estabelecer a conexão com sucesso usando uma antena de maior ganho no cliente, que permitisse elevar o sinal de -98 dBm até o nível mínimo necessário.
Uma antena de 26 dBi de ganho seria muito cara e volumosa, e a instalação seria difícil, já que tanto ganho resulta em um sinal muito focalizado. Nesse caso, seria muito mais simples usar uma antena de maior ganho no ponto de acesso, mantendo o cliente com uma antena de 8 ou 12 dBi.
Potência de transmissão + ganho da antena - perda de sinal + ganho da antena receptora
Na prática, temos mais duas variáveis, que são as perdas introduzidas pelos cabos (quanto mais longo é o comprimento e menor for a qualidade do cabo, maior é a perda) e também o volume de ruído de fundo (a combinação de todos os outros sinais de rádio na mesma frequência) presente no ambiente.
Cabos curtos e de boa qualidade normalmente resultam em uma perda inferior a 1 dB, mas cabos muito longos ou mal construídos podem facilmente introduzir uma perda de 3 dB ou mais.
A menos que você consiga instalar a antena diretamente no conector da placa (o que é impossível com uma antena de alto ganho), você vai precisar usar dois cabos, um no emissor e outro no cliente, de forma que a perda do cabo torna-se uma questão crítica. Se cada cabo causar uma perda de 3dB, a perda total subiria para 6 dBi, suficiente para fazer com que a velocidade da conexão caísse de 54 para 36 megabits, ou de 36 para 18 megabits.
A perda de sinal causada pelo cabo é também o motivo de algumas antenas baratas, de 4 ou 5 dBi, muitas vezes oferecerem uma recepção pior do que a antena padrão do ponto de acesso. Se o cabo for ruim ou houverem falhas nas soldas, a perda pode acabar sendo maior do que a diferença de ganho da antena.
Se o sinal for mais fraco que a interferência, o cliente não consegue captá-lo e se o sinal for mais forte, mas a diferença for pequena, haverá um grande volume de pacotes perdidos e a conexão será instável. Para manter uma conexão minimamente estável, é necessário que o signal to noise ratio seja de pelo menos +5 dB, ou seja, que o sinal seja 5 dB mais forte que o ruído de fundo ou interferência.
Em zonas rurais ou pouco povoadas, o ruído de fundo raramente é um problema, já que o volume de transmissões é pequeno, mas nas grandes cidades ele pode atrapalhar bastante, obrigando-o a usar antenas de maior ganho para compensar, assim como alguém que é obrigado a falar mais alto para ser ouvido.
Usando amplificadores e antenas de alto ganho, é relativamente fácil criar links de longa distância. Basta calcular que um amplificador de 1 watt gera um sinal de 30 dBm. Adicionando uma antena parabólica de 32 dBi, chegamos a 62 dBm. Usando o mesmo conjunto de amplificador bidirecional e antena do outro lado, poderíamos facilmente criar um link de 32 km ou mais. O problema é que um sinal tão forte criaria um forte interferência em toda a faixa de sinal da antena, derrubando ou reduzindo a taxa de transmissão de todas as redes pelo caminho.
Para ter uma ideia, o recorde de distância atual com uma rede Wi-Fi, obtido em junho de 2007 por uma equipe de técnicos da Venezuela é de 382 km e existem outros exemplos de links com mais de 200 km (faça uma pesquisa por "wireless long-distance link record" no Google), como um link de 304, km obtido por uma empresa Italiana:
Link Wi-Fi experimental de 304 km, criado pela Ubiquiti, na Itália
Em ambos os casos, os links foram criados em áreas pouco povoadas e obtidos usando antenas de altíssimo ganho, que resultam em um feixe extremamente estreito, limitando, assim, o nível de interferência com outras redes. Entretanto, tentativas similares em áreas densamente povoadas, poderiam criar sérios problemas. Com certeza você não iria gostar se o seu vizinho da frente jogasse um sinal de 62 dBm bem em direção à sua janela.