comparação técnica entre wi-fi e rede móvel 4g para acesso...
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Comparação técnica entre Wi-Fi e rede móvel 4G para acesso à Internet 1/35
Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto
Comparação técnica entre Wi-Fi e rede móvel 4G
para acesso à Internet
Projeto FEUP 2015/2016 – MIEEC:
Armando Sousa Nuno Fidalgo
Manuel Firmino
Sara Ferreira
Equipa 3:
Supervisor: Sérgio Cunha Monitor: Manuel Silva
Estudantes & Autores:
André Baltazar [email protected] Carlos Barros [email protected]
Daniel Baptista [email protected] Nelson Pereira [email protected]
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Resumo
Vivemos num mundo em evolução, e até há pouco tempo atrás, apenas se conseguia
conectar à Internet por meio de cabos. Este método ainda hoje é muito conhecido, no
entanto apresenta alguns obstáculos, por exemplo o comprimento do cabo restringe a
mobilidade do computador; a ligação por cabo pode exigir adaptações no espaço em que
haja a necessidade de vários computadores se conectarem à rede. Para fazer face a estes
obstáculos surgiram a redes sem fios, Wi-Fi. E, atualmente, é cada vez mais usada, não só
em ambientes domésticos, mas também em espaços públicos.
Outra tecnologia que também sofreu uma grande evolução ao nível das redes móveis
foi o 4G, criado com o intuito de oferecer uma rede com até 10 vezes as velocidades da
rede móvel 3G.
Neste relatório pretende-se estudar as características do Wi-Fi e da rede móvel 4G,
estabelecendo-se algumas comparações técnicas entre elas. Para realizar uma
comparação e para que esta seja válida foi necessário abordar os mesmos temas em
ambas as tecnologias, sendo eles os seguintes: segurança, consumo energético, taxa de
dados, gama de frequências, largura de banda, robustez a variação de sinal, partilha do
meio, sincronização, área de cobertura e ramos de protocolos.
No fim é possível concluir que estas duas tecnologias apresentam diferentes
características quando analisadas no mesmo tema, apresentando cada uma vantagens e
desvantagens.
Palavras-Chave
Wi-Fi; 4G; mobile; evolução; velocidade; comparação.
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Agradecimentos
Este projeto teria sido muito mais difícil de realizar se não tivesse existido a ajuda do
supervisor, Sérgio Cunha, e do monitor, Manuel Silva.
As palestras e atividades realizadas na primeira semana deste ano letivo também nos
permitiram melhorar os nossos conhecimentos e hábitos necessários para realizar um
relatório, assim como o poster e a apresentação.
Agradecemos assim, ao monitor, ao supervisor e também à Faculdade de Engenharia
da Universidade do Porto.
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Índice
Lista de figuras ............................................................................................................... 5
Lista de tabelas .............................................................................................................. 5
1. Introdução ................................................................................................................... 6
2. Wi-Fi ........................................................................................................................... 7
2.1. Origem ................................................................................................................. 7
2.2. Funcionamento..................................................................................................... 7
3. 4G ............................................................................................................................... 9
3.1. Origem ................................................................................................................. 9
3.2. Funcionamento..................................................................................................... 9
4.Parâmetros de comparação ....................................................................................... 10
4.1. Taxa de dados ................................................................................................... 10
4.1.1. Teste prático ................................................................................................ 11
4.2. Segurança .......................................................................................................... 13
4.3. Ramos de protocolos ......................................................................................... 15
4.4. Gamas de frequência ......................................................................................... 17
4.5. Largura de banda ............................................................................................... 19
4.6. Variação de sinal ................................................................................................ 21
4.6.1. Distância do router. ...................................................................................... 21
4.6.2. Obstáculos Físicos ao sinal. ........................................................................ 21
4.7. Partilha do meio ................................................................................................. 24
4.7.1. Redes Ad-Hoc ............................................................................................. 24
4.7.2. Hotspots ...................................................................................................... 24
4.8. Área de cobertura ............................................................................................... 25
4.9. Sincronização ..................................................................................................... 27
4.10. Consumo energético ........................................................................................ 28
5. Conclusões ............................................................................................................... 30
Referências bibliográficas ............................................................................................. 32
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Lista de figuras
Figura 1 - Conversão de megabits em megabytes ........................................................ 10
Figura 2 - Velocidades teóricas e reais das redes móveis. ........................................... 11
Figura 3 - Teste com o wi-fi da FEUP (eduroam), à esquerda e com 4G no mesmo local,
à direita. .............................................................................................................................. 12
Figura 4 - Frequências dos canais na gama dos 2,4Ghz e interferências causadas entre
si ......................................................................................................................................... 17
Figura 5 - Alteração da frequência (canal) de um router e funcionalidade “Monitor de
qualidade Wireless”. ........................................................................................................... 18
Figura 6 – Largura de banda ........................................................................................ 19
Figura 7 - Distância do Wi-Fi e do 4G. .......................................................................... 20
Figura 8 – Distribuição do Wireless sem repetidor de sinal. .......................................... 22
Figura 9 - Distribuição do Wireless com repetidor de sinal. ........................................... 23
Figura 10 - Esquema que demonstra utilização dos acess points ................................. 26
Figura 11 - Torre de transmissão/receção de redes móveis ......................................... 26
Figura 12 - Duração da bateria quando usados diferentes tipos de tecnologia: Wi-Fi, 4G
e 3G. ................................................................................................................................... 29
Lista de tabelas
Tabela 1 - Modelo OSI. ................................................................................................ .16
Tabela 2 - Resumo das frequências usadas pelas diferentes gerações de redes móveis
em Portugal. ....................................................................................................................... 18
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1. Introdução
Este trabalho tem como tema "Comparação técnica entre Wi-Fi e rede móvel 4G para
acesso à Internet" e foi realizado no âmbito da unidade curricular "Projeto Feup".
Como ponto de partida foram escolhidos alguns temas em que é possível comparar
estes dois diferentes modos de nos conectarmos a uma rede e em cada um deles foram
pesquisadas características das duas diferentes tecnologias.
No início realizou-se uma pequena introdução ao Wi-Fi e ao 4G, descrevendo
sucintamente a sua origem e um pouco do seu funcionamento e no decorrer do relatório
descrevem-se as características da cada um relativamente ao tópico abordado.
Propõe-se assim analisar estas duas tecnologias, que revolucionam o nosso mundo
facilitando o acesso à Internet e a outros serviços relacionados com a mesma, e assim obter
as vantagens e desvantagens que cada uma apresenta.
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2. Wi-Fi
2.1. Origem
O nome Wi-Fi surge como uma abreviatura do termo “Wireless Fidelity”, embora nunca
tenha sido confirmado pela entidade responsável pelo licenciamento de produtos baseados
nesta tecnologia, a Wi-Fi Alliance.
Através desta tecnologia, existe a possibilidade de criar redes onde é possível ligar
dispositivos compatíveis, como computadores, smartphones, tablets, impressoras, etc.
tendo estes apenas de se encontrar geograficamente próximos uns dos outros. Não há
necessidade do uso de cabos, já que os dados são transmitidos por radiofrequência.
Consequentemente, isto proporciona várias vantagens, pois é possível utilizar a rede desde
que o utilizador se encontre dentro dos limites de alcance da transmissão, também torna
que a conexão dos dispositivos à rede seja mais rápida e evita ainda que tenhamos de
adaptar uma estrutura para que se efetue a passagem de fios.
Devido às vantagens enumeradas anteriormente que diminuem os gastos associados a
esta tecnologia, redes Wi-Fi foram implementadas nos mais variados ambientes, por
exemplo: aeroportos, restaurantes, escolas, cafés, escritórios, etc., o que demonstra a sua
enorme flexibilidade. Para usufruir destas redes basta possuir um dispositivo compatível
com esta tecnologia.
Desde há muito tempo que a criação de um padrão de normas e especificações era um
objetivo para várias empresas, e conforme as suas pesquisas apresentavam propostas
diferentes. Por este motivo, algumas empresas como 3Com, Nokia, Alcatel-Lucent (na altura
Lucent techonolies) e Symbol Technologies (adquirida pela Motorola) juntaram-se para
enfrentar este problema, desta forma surgiu a Wireless Enthernet Compatibility Alliance
(WECA) em 1999, e mais tarde o nome foi alterado para Wi-Fi Alliance. Mas imediatamente
começaram-se a associar mais empresas estando este número a aumentar
constantemente.
2.2. Funcionamento
O Wi-Fi funciona baseando-se no protocolo IEEE 802.11, contudo, isto não implica que
qualquer dispositivo que trabalhe segundo este padrão seja Wi-Fi. Para isso é necessário
que a Wi-Fi Alliance avalie e certifique o produto e então este recebe um selo com esta
marca. Desta forma garante-se aos utilizadores que todos os produtos com selo Wi-Fi
Certified seguem regras de funcionamento que permitem a interação com outros
equipamentos.
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Regras para a criação e utilização de redes wireless são definidas pelo padrão 802.11.
O Wi-Fi é transmitido por sinais de radiofrequência, estes propagam-se pelo ar e podem
abranger áreas na casa das centenas de metros. Como este não é o único serviço que
utiliza sinais de rádio, é necessário que haja exigências estabelecidas pelo governo de cada
país segundo as quais cada serviço deve trabalhar a fim de evitar problemas, sobretudo de
interferências.
No entanto existem intervalos de frequência que podem ser utilizados sem que
entidades de cada governo tenham de aceitar, estes são designados de ISM (Industrial,
Scientific and Medical), que trabalham com os seguintes intervalos: 902 MHz - 928 MHz; 2,4
GHz - 2,485 GHz e 5,15 GHz - 5,825 GHz. Os dois últimos são os que o Wi-Fi usa, podendo
variar conforme a versão do protocolo 802.11.
Para que uma rede Wi-Fi seja estabelecida, os dispositivos têm que se conectar a
aparelhos que fornecem o acesso. Por sua vez, estes são chamados de Access Point(AP).
Portanto, quando um ou mais dispositivos se conectam a um AP, obtém-se uma rede,
designada por Basic Service Set(BSS).
Devido a possibilidade de existir mais do que um BSS no mesmo local é importante que
seja escolhida uma identificação para cada um, esta é denominada de Service Set Identifier
(SSID), e trata-se de um conjunto de caracteres que é inserido no cabeçalho de cada pacote
de dados, dizendo de forma mais simples, é o nome que cada rede sem fio tem.[1]
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3. 4G
3.1. Origem
As redes móveis iniciaram-se com o velho 1G (a primeira geração), este foi construído
na década de 1980, tratava-se de um serviço que permitia apenas chamadas de voz. No
início de 1990, a evolução deu-se e surgiu o 2G, este já fornecia aos utilizadores o acesso a
dados básicos, como mensagens de texto e e-mail.
No início de 2000 assistimos ao aparecimento do 3G, e com ele surgiu também o
conceito de Internet móvel. Com uma conexão mais rápida, permite navegar na Web
embora no início ainda fosse uma experiência um bocado lenta. Com o tempo houve a
necessidade de tornar esta tecnologia mais rápida e de imediato começou-se a trabalhar
neste objetivo.
Nos dias de hoje, vivemos na presença do 4G, não havendo nenhum padrão
universalmente conhecido. Trata-se apenas de um termo comercial para representar apenas
que se trata de um serviço de Internet mais rápido do que o 3G.
3.2. Funcionamento
Assim como o 3G, o 4g é “IP-based” (Internet protocol), ou seja, guia-se segundo um
protocolo para enviar e receber pacotes de dados. Ao contrário do 3G, o 4G usa IP também
na comunicação por voz, sendo assim designado por “all-IP”. Para enviar e receber dados,
em primeiro lugar o dispositivo tem que comunicar com a estação base, composta por torres
fixas equipadas com antenas, cuja função é transmitir dados de e para a Internet e para os
dispositivos.
A rede móvel 4G é uma tecnologia que ultrapassa em muito a comunicação por voz, ao
contrário das tecnologias anteriores ao 3G, que se limitavam ao envio e receção de
chamadas bem como, mais tarde, de SMS. As maiores novidades implementadas no 4G
são várias, entre as quais se destacam a possibilidade de ser usada para
videoconferências, “mobile TV”, conteúdo em HD (Alta Definição), entre outros, com a
vantagem de poder ser utilizado onde quisermos e quando quisermos. Para além destas
vantagens que só eram possíveis através da internet fixa, o 4G também conta com uma
redução de custos associados à tecnologia e investimentos para a ampliação da mesma.
Mas qual é, afinal, a principal diferença entre o 4G e o 3G? Essa diferença é a
velocidade, ou seja, a razão da criação do 4G e das próximas gerações. O 4G foi criado
para atingir velocidades 10 ou mais vezes superiores às do 3G, podendo chegar, assim,
rapidamente ao nível do wi-fi. [2]
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4.Parâmetros de comparação
4.1. Taxa de dados
A taxa de dados ou, mais especificamente, a taxa de transferência de dados indica o
número médio de bits que passam ou são transmitidos por unidade de tempo entre
dispositivos. É a velocidade com que os dados são transmitidos e é normalmente medida
em bits por segundo ou múltiplos deste, como por exemplo, Kbps, Mbps e Gbps.[3]
Estas unidades de transmissão de dados, principalmente Mbps (Mbit/s ou megabits por
segundo) que é frequentemente usada para determinação da velocidade da conexão à
internet, não devem ser confundidas com MB (megabytes) ou MB/s (megabytes por
segundo) que são normalmente usadas para determinar o tamanho de ficheiros (KB, MB,…)
e a velocidade de transferência de um ficheiro dentro de um computador ou da internet
(KB/s, MB/s,…). Visto que 8 bits equivalem a 1 byte, uma ligação à internet com velocidade
de download máxima de 120 Mbps não ultrapassa os 15 MB/s, pois 120/8=15. [4] [5]
Figura 1 - Conversão de megabits em megabytes
A taxa de dados varia com os diferentes protocolos, padrões ou normas de wifi
disponíveis atualmente, bem como, por outro lado, com as várias gerações de redes
móveis.
A taxa de dados, referente à velocidade de download, é de 600 Mbps (Mbit/s) para o
padrão 802.11n, que ainda é o mais usado atualmente, e cerca de 1.3 até 6.93 Gbps
(Gbit/s) para padrões mais recentes como o 802.11ac e 802.11ad. Estes valores aplicam-se
a testes em condições excelentes de utilização.
Apesar destes valores surpreendentes, maior parte das conexões de internet vulgares
ainda não atingem velocidades tão elevadas, o que não justifica o investimento de, por
exemplo, um utilizador normal de internet em sua casa, em routers que suportem estes
padrões mais recentes.[6][7][8]
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Com 4G LTE (“Long Term Evolution”), a velocidade de download pode atingir,
teoricamente, os 100Mbps (Mbit/s) mas, em utilização, a média varia entre 14 e 21 Mbps.
Com uma das mais recentes redes desta geração e que ainda se encontra em
desenvolvimento, o 4G LTE advanced (“Long Term Evolution Advanced”) ou 4G+, a
velocidade de 100Mbps é teoricamente o máximo para um utilizador em movimento e de
1Gbps para um utilizador parado num local com boa cobertura de rede. No entanto, a
velocidade média consta-se que irá, num momento inicial, atingir apenas 450 Mbps (para o
caso de um utilizador fixo).
Apesar destas grandes diferenças entre velocidades teóricas e velocidades médias
reais, a diferença de velocidade entre o 4g e o 3g, seu antecessor, e a maior estabilidade da
mesma é perfeitamente notável pelo utilizador.[9][10][11]
Figura 2 - Velocidades teóricas e reais das redes móveis. [12]
4.1.1. Teste prático
Com um simples teste realizado na FEUP, foram testadas ambas as tecnologias e foi
possível obter os seguintes resultados de velocidades:
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Figura 3 - Teste com o wi-fi da FEUP (eduroam), à esquerda, e com 4G no mesmo local, à direita.
Neste teste, realizado com boa cobertura wi-fi e 4G na FEUP, foi utilizado o aplicativo
“SpeedTest” da Ookla para determinar as velocidades de download e upload de ambos.
Como estes valores podem, por vezes, ser instáveis, realizaram-se vários testes e utilizou-
se, como referência, a mediana em ambos os casos (Figura 3). Assim, concluiu-se que
neste local, como previsto, o wi-fi superou o 4G em termos de velocidade de resposta, de
download e de upload.
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4.2. Segurança
O principal problema relacionado com a segurança da rede sem fio é a simplicidade
usada no acesso à rede, pois para nos podermos ligar basta estarmos dentro do seu
alcance.
Muitas pessoas, de forma oculta, conectam um dispositivo a uma determinada rede e
aproveitam-se dos seus recursos sem terem autorização para tal, em consequência várias
medidas de segurança foram criadas para que estas situações não ocorram.
Estas medidas de segurança resumem-se em mecanismos de autentificação, o WEP
(Wired Equivalent Privacy) foi o primeiro a ser criado e, quando ativado, é configurada uma
chave de segurança, esta encripta as informações que são trocadas por determinados
dispositivos através desta rede. [13]
Contudo o uso do WEP não é recomendado devido às potenciais falhas de segurança.
Pois este mecanismo faz uso de vetores de inicialização que fazem com que a chave seja
facilmente decifrada. Tomando o exemplo de uma rede que utiliza WEP de 64 bits, tem 24
bits como vetores de inicialização. Os bits restantes formam uma chave muito fácil de ser
quebrada.
Desta forma, em 2003, surgiu outra solução: o Wired Protected Access (WPA). O WPA
baseia-se no mesmo modelo do WEP mas funciona de uma forma muito mais segura.
Apesar desta evolução, a Wi-Fi Alliance procurou obter um esquema de segurança
ainda mais seguro. E assim foi criado o 802.11i, tratando-se de um conjunto de
especificações de segurança, sendo também designado como WPA2. Advanced Encrypion
Standard (AES) é um padrão de criptografia utlizado muito seguro e eficiente que é utilizado
neste método. No entanto também apresenta uma desvantagem: exige um processamento
muito elevado, sendo assim aconselha-se o seu uso a quem deseja um alto nível de
segurança, mas o desempenho de equipamentos de redes pode sempre ser afetado. [1]
No caso das redes móveis, devido a algumas fraquezas na tecnologia 2/2.5G e à
necessidade de suportar a transmissão de voz e de dados, a terceira geração (3G) foi
desenvolvida. Com a criação desta geração, foram também resolvidos grande parte dos
problemas de segurança que o 2G apresentava: foi criado um método mais genérico de
autentificação e agrupamento de chaves (Authentication and Key Agreement,AKA), foram
também introduzidos mecanismos de criptagem mais fortes. No entanto continuam a existir
vário problemas relacionados com a segurança no 4G. [14]
Existem interferências no meio causadas pelo homem, devido a estas os sistemas de
comunicação pode parar de funcionar devido a uma relação elevada de sinal-ruido. Ataques
de interferência podem ser facilmente realizados, desde que se possua o equipamento e o
conhecimento necessário para realizar tais ataques. A frequência de radio pode ser
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bloqueada, se um transmissor enviar um sinal com a mesma frequência. O sinal LTE é
muito complexo, composto por vários subsistemas, e em certos casos, se um dos
subsistemas for desligado, toda a estação base é desligada. A natureza aberta da
arquitetura e dos protocolos do 4G fazem com que a rede seja suscetível a vários tipos de
ataques. [15]
Para fazer face a alguns dos problemas existentes existem várias soluções: o controlo
de acesso, que mede o nível de proteção necessário para evitar usos não autorizados da
internet; a autentificação que serve para confirmar a identidade de cada pessoa que se
conecta à rede; a confidencialidade dos dados, através da qual se garante que os
utilizadores não acedam a dados para os quais não tenham autorização; segurança na
comunicação, permitindo que a informação circule apenas entre os pontos autorizados; e
por fim a integridade dos dados, que possibilita a exatidão dos dados pois estes podem ser
modificados, apagados ou replicados sem autorização, e também permite a deteção de
tentativas não autorizadas para alterar os dados. [16]
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4.3. Ramos de protocolos
Por definição os protocolos são as regras a que os dispositivos que se ligam a rede
estão sujeitos.
Apesar de que os protocolos do Wi-Fi e os do 4G são diferentes tantos os de uma
tecnologia como os da outra podem ser agrupados no chamado modelo OSI (Open
Systems Interconnection), que é simplesmente designação dada à estrutura onde estão
organizados os protocolos para ser mais fácil a compreensão do funcionamento dos
protocolos. Sabemos que o modelo OSI está organizado em camadas e serve para
demonstrar uma espécie de hierarquia entre elas, isto porque o controlo é passado de
camada para camada em direção à camada mais inferior. [17][18][19][20]
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Modelo OSI
Camada
Função
Exemplos de protocolos
1.Física
Engloba o hardware envolvido num certo processo. Neste caso a camada física trata dos meios nos quais circulam os dados, é a mais inferior de todo o modelo OSI.
Modem, RDIS, RS-232, EIA-422, RS-449, Bluetooth, USB, ...
2.Ligação de dados
É a segunda camada mais inferior do modelo OSI. Esta camada consegue identificar erros existentes na camada física e dá ainda a opção de poder corrigir os erros detetados.
Ethernet, 802.11 (WiFi), 802.1Q (VLAN), 802.1aq (SPB),802.11g, HDLC,Token ring, FDDI, PPP, ...
3.Rede
É a terceira camada mais inferior do modelo OSI. Esta camada tem como funções a condução de pacotes, controla o congestionamento e faz a contagem dos bytes utilizados.
IP (IPv4, IPv6), Ipsec, ICMP, ARP, RARP, NAT...
4.Transporte
É a quarta camada do modelo OSI. Nesta camada é feito o controlo do fluxo de informação, garantindo a transferência de dados completa e faz a correção de erros.
NetBEUI, TCP, UDP, RTP, SCTP, DCCP, RIP ...
5.Sessão
É a quinta camada do modelo OSI e faz o controlo do fluxo de dados entre aplicações.
NetBIOS...
6.Apresentação
É a sexta camada do modelo OSI. Converte a informação para que esta possa ser usada na camada de aplicação, ou seja nesta camada é feita a conversão de dados para que estes possam ser lançados na rede.
XDR, TLS ...
7.Aplicação
É a sétima e última camada do modelo OSI. Tem como função fazer a comunicação entre a rede e os aplicativos instalados no dispositivo.
HTTP, SMTP, FTP, SSH, Telnet, SIP, RDP, IRC, SNMP, NNTP, POP3,...
Tabela 1 - Modelo OSI. [17][18][19][20]
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4.4. Gamas de frequência
As redes wi-fi e as móveis, como o 2g, 3g e 4g, operam em diferentes gamas de
frequências e possuem diferentes formas de funcionamento e distribuição.
No caso do wi-fi, o protocolo 802.11 usa atualmente cinco gamas de frequências
distintas: 2,4 GHz (Gigahertz), 3,6 GHz, 4,9 GHz, 5 GHz e 5.9 GHz. Cada escala é dividida
numa multiplicidade de canais legalmente permitidos e todos os países aplicam os seus
próprios regulamentos para os canais admissíveis e níveis de potência máxima dentro
dessas gamas de frequências.
Estes canais são resultado de pequenas diferenças de frequência dentro de cada
gama, o que torna um sinal diferente do outro. Por exemplo, na banda (gama) dos 2,4 Ghz,
o canal 1 corresponde a 2,412 Ghz; o canal 2 a 2,417 Ghz; etc.
A banda de frequências mais comum e mais usada atualmente em redes wi-fi é, ainda,
a de 2,4 GHz (usada pelos protocolos 802.11 b, g e n). Em Portugal, por exemplo, são
permitidos os primeiros 13 canais nesta gama.[21]
Figura 4 - Frequências dos canais na gama dos 2,4Ghz e interferências causadas entre si [21]
É necessária a existência de diversos canais dentro de cada gama de frequências,
mesmo com pequenas diferenças entre si, com vista a evitar a interferência entre sinais wi-fi
de routers diferentes, quer seja dentro da mesma rede ou em redes distintas. Para isso, os
dispositivos que emitem sinal wi-fi possuem uma página de configuração onde é possível,
entre outras opções, alterar o canal em que o sinal está a ser emitido. Alguns aparelhos,
para complementar esta opção, possuem uma funcionalidade que deteta a frequência
emitida pelos dispositivos wi-fi que os rodeiam e indica quais os melhores canais a escolher
para um melhor desempenho via wireless.[22]
A figura seguinte é uma captura de ecrã que mostra a mudança de canal num router
com wi-fi, obtida através do acesso à página de configuração do mesmo.
Comparação técnica entre Wi-Fi e rede móvel 4G para acesso à Internet 18/35
Figura 5 - Alteração da frequência (canal) de um router e funcionalidade “Monitor de qualidade
Wireless”.
No caso das redes móveis (em geral), as gamas de frequências utilizadas em Portugal
são cinco e estão distribuídas para transmitirem sinal das diferentes gerações ainda
disponíveis atualmente, denominadas 2g, 3g e 4g.
Em Portugal, são usadas as seguintes gamas de frequências para as redes móveis: 800
Mhz (Megahertz), 900 Mhz, 1800 Mhz, 2100 Mhz e 2600 Mhz (2,6 Ghz) (1000 Mhz = 1
Ghz). No entanto são usadas frequências ligeiramente diferentes dentro de cada gama, para
ser possível diferenciar o sinal das diferentes operadoras (tal como nas frequências de wi-fi).
Para emissão de sinal 2G (GSM) são usadas (em Portugal) as frequências na banda
dos 900 Mhz e dos 1,8 Ghz. Já para o 3G (UMTS) foi adquirida a gama dos 2,1 Ghz e, por
fim, para o 4G (LTE) são utilizadas as restantes gamas, dos 800 Mhz e dos 2,6 Ghz. É de
notar que GSM, UMTS e LTE são sistemas de comunicações móveis que permitem a
emissão do sinal das diferentes gerações de redes. [23][24]
Geração de redes móveis Frequências
2G (GSM) 900 Mhz e 1,8 Ghz
3G (UMTS) 2,1 Ghz
4G (LTE) 800 Mhz e 2,6 Ghz
Tabela 2 - Resumo das frequências usadas pelas diferentes gerações de redes móveis em
Portugal. [24]
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4.5. Largura de banda
Quando nos referimos a wireless, largura de banda é o termo usado para referir os
conjuntos de frequências dentro da frequência mínima e máxima que o sinal emite. O sinal
é analógico e é medido em hertz. Existe um limite físico para os canais que é designado lei
de Hartley, que nos diz que o limite de taxa de dados digitais, ou capacidade de canal, de
um link de comunicação físico é proporcional à sua largura de banda em hertz (figura 6).
[25]
Figura 6 – Largura de banda. [26]
Usando o 802.11n como referência, o método de transmissão varia entre as faixas de
frequências 2,4 GHz e/ou 5 GHz, e com taxas de transferências entre 65Mbps e 450Mbps.
[27].
No 4G, podemos utilizar a mesma definição, apesar de existirem algumas diferenças
que são necessárias de referenciar. A largura de banda do 4g é semelhante a do wireless,
com a particularidade de ambos serem projetados para fins diferentes. O 4g foi projetado
para redes com alcances maiores, enquanto o wireless é projetado para redes de menor
alcance. Quer isto dizer que ambas as tecnologias são utilizadas de maneira diferente,
tendo em conta a necessidade prática do problema. [28]
Quer isto dizer que o 4G trabalha com frequências diferentes.
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Figura 7 - Distância do Wi-Fi e do 4G.
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4.6. Variação de sinal
Existem diversas interferências físicas que podem influenciar um qualquer sinal. Em
relação ao wireless e 4G, existem um conjunto de fatores principais que afetam o sinal.
4.6.1. Distância do router.
Como já foi referido anteriormente, o wireless é uma rede de curto alcance, isso
implica que quanto maior a distância da fonte de emissão de sinal, mais fraco o sinal vai
ser. Podemos então concluir que a disposição do emissor tem que ser estudada, para que
este se encontre num local onde satisfaça o maior número de casos possíveis, quer isto
dizer que num determinado espaço onde se realize uma instalação wireless, temos que
colocar o emissor onde exista o maior aglomerado de recetores.
4.6.2. Obstáculos Físicos ao sinal.
Normalmente, o que temos em consideração quando falamos nestes obstáculos são
as paredes. Quando um router é posicionado num determinado espaço, quantas mais
paredes o sinal tiver que atravessar, mais fraco se vai tornar. Porém existem casos
específicos em que isso não se verifica devido a natureza do sinal. Como é sabido, o sinal
wireless tem tendência a subir, isto significa que um recetor posicionado acima do emissor,
mesmo tendo mais obstáculos, poderá obter um sinal melhor, visto que está enquadrado
com a projeção do sinal.
Também é importante referir que existem outros tipos de obstáculos como por
exemplo: redes wireless vizinhas, outros equipamentos eletrónicos domésticos e até mesmo
humanos. [29]
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Figura 8 – Distribuição do Wireless sem repetidor de sinal.
Como melhorar?
As redes wireless têm uma solução que resolvem os dois problemas em simultâneo,
utilizando os repetidores de sinal. Com os repetidores conseguimos aumentar a distância de
alcance do sinal, e por sua vez evitar obstáculos físicos visto que podemos ligar via cabo.
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Figura 9 - Distribuição do Wireless com repetidor de sinal.
Comparação técnica entre Wi-Fi e rede móvel 4G para acesso à Internet 24/35
4.7. Partilha do meio
Por partilha do meio entende-se a troca de informação oriunda de dois ou mais
dispositivos que se possam ligar à rede sem fios.
Existem duas formas de partilhar informação com outros dispositivos: as redes Ad-hoc
e os hotspots.
4.7.1. Redes Ad-Hoc
As redes Ad-Hoc são redes que não precisam de pontos de acesso para que seja
possível a ligação, isto é cada dispositivo serve de “ponto de acesso”, em vez de haver um
local por onde passe toda a informação é possível que os sistemas ligados possam
comunicar diretamente entre si, sendo assim possível a partilha do meio. [30]
4.7.2. Hotspots
Um hotspot é uma zona de acesso, criada por um dispositivo, onde é possível ligar-se à
rede. Os hotspots costumam usar tecnologia wi-fi porém o aparelho que dá origem ao
hotspot não necessita de estar ligado a uma rede wi-fi. Por exemplo é possível criar um
hotspot através de um telemóvel ligado à rede móvel 4G, afinal criar um hotspot não é mais
do que converter um sinal para outro e depois construir um ponto de acesso com o sinal
convertido. [31]
Comparação técnica entre Wi-Fi e rede móvel 4G para acesso à Internet 25/35
4.8. Área de cobertura
A área de cobertura de uma rede wi-fi é totalmente diferente de uma rede móvel (2G,
3G ou 4G), devido, principalmente, à tecnologia utilizada e à distribuição do sinal.
O alcance de uma rede wi-fi depende principalmente do número e tipo de pontos de
acesso (routers) usados para construí-la. Para além disso, o alcance do sinal wi-fi de
qualquer ponto de acesso também varia significativamente dependo do dispositivo utilizado.
Outros fatores que são também determinantes no alcance de uma rede wi-fi são, por
exemplo:
- o padrão 802.11 por ela utilizado;
- a potência de transmissão do router (ou pontos de acesso);
- a existência de obstruções físicas ao sinal;
- a interferência com outros equipamentos nesse local.
Normalmente, os routers wi-fi em redes domésticas a emitir à frequência tradicional de
2,4Ghz emitem sinal alcançável a cerca de 46 metros no interior e até 92 metros no exterior.
[32][33]
Apesar das vantagens de utilizar um router que use o padrão 802.11ac ou ad, como por
exemplo, uma velocidade mais elevada por wi-fi, existe a grande desvantagem do sinal por
eles emitido ser mais suscetível a obstruções (paredes, mobília, …) devido a utilizar a
banda dos 5 Ghz em vez dos 2,4 Ghz. Este facto é comprovável através de leis físicas.
No entanto, a gama dos 2,4 Ghz também é afetada em termos da área de cobertura por
certos aparelhos eletrónicos usados em casa, como o micro-ondas que, quando em
funcionamento, emite frequências entre os 2,4 e os 2,45 Ghz, podendo causar interferência
com o sinal wi-fi de um router.
Para contrariar estes problemas, são usados, quando necessário em termos de
alcance, vários pontos de acesso dentro da mesma rede (com o mesmo nome e credenciais
de acesso, se aplicável), sendo apenas diferenciáveis pelo canal em que estão, ou seja,
frequência em que emitem o sinal e que estão interligados por cabo, resultado em pouca ou
nenhuma perda de velocidade. Podem também ser utilizados para este efeito os extensores
de sinal wireless (“Range extenders”) que são dispositivos que, captando o sinal wi-fi de um
router, retransmitem-no com o mesmo nome e credenciais. Neste último caso, não é
necessário cabos para interligar os aparelhos, mas há, normalmente, perdas de velocidade
e de velocidade de resposta.[34]
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Figura 10 - Esquema que demonstra utilização dos acess points. [35]
O alcance do sinal das redes móveis (em geral), por sua vez, depende do número de
torres emissoras/recetoras que um certo local possui. Estas torres são também conhecidas
como “células”.
Nas cidades, cada célula pode ter um alcance de até cerca de 0,80 km, enquanto nas
zonas rurais, o alcance pode chegar até 8 km.
Como estão localizadas em pontos altos e emitem sinais de maior potência, estas
torres de transmissão/receção de redes móveis (células) têm um alcance superior ao wi-fi.
As antenas mais potentes (e também que estão mais altas) podem transmitir com 50 até
100 watts de potência.
No entanto, apesar de este sinal ser menos suscetível a interferências do que o wi-fi,
também pode ser reduzido dentro de áreas cobertas e em zonas que se encontrem longe
de uma torre (ou “célula”).[36][37][38]
Figura 11 - Torre de transmissão/receção de redes móveis. [39]
Comparação técnica entre Wi-Fi e rede móvel 4G para acesso à Internet 27/35
4.9. Sincronização
Por definição sincronizar é tornar duas ou mais coisas simultâneas isto é, fazer com
que ocorram ao mesmo tempo. No caso do Wi-fi e da rede móvel 4G será fazer com que a
partilha de informação entre o emissor e o recetor do sinal seja simultânea. [40]
Tanto no Wi-fi como na rede móvel 4G a comunicação entre os emissores e os
recetores é feita sem fios.
No caso do Wi-fi a transmissão de dados é realizada através de ondas rádio tendo estas
um alcance médio de 100 metros dependendo do protocolo. Porém, como existem mais
serviços que utilizam ondas rádio é necessário que cada um desses serviços opere de
acordo com as normas estipuladas pelo governo do em que o serviço atua, isto para que a
possibilidade de interferências seja praticamente nula, porém há intervalos de frequência
cujos sinais não precisam de esperar pela aprovação das autoridades. As frequências são:
no intervalo de 2.400-2.500 GHz (para os protocolos 802.11b, 802.11g, e 802.11n) e 4.915–
5.825 GHz (para os protocolos 802.11a e 802.11n). [1] [34]
Quanto à rede móvel 4G inicialmente o sinal é transmitido por fios até à antena (que
vai emitir o sinal) onde o sinal e convertido de forma a respeitar os padrões/protocolos a que
está sujeito. A frequência em que o sinal é emitido pode ir até aos 2600 MHz, que são
frequências mais altas do que na geração anterior, o que também permite maior alcance do
sinal emitido. [41]
Comparação técnica entre Wi-Fi e rede móvel 4G para acesso à Internet 28/35
4.10. Consumo energético
Com o avanço da tecnologia tudo mudou, tanto as tecnologias 4G e WiFi como os
dispositivos móveis, mas o mesmo fator limitante continua a existir: a duração da bateria.
Os consumidores não têm grande escolha senão adotar uma estratégia através da
qual a bateria seja mais eficiente e se aguente por mais tempo, existem técnicas básicas
como reduzir o brilho do ecrã, desligar o GPS ou usar o modo silencioso. Mas centremo-nos
na forma como nos conectamos à Internet.
Atualmente os dispositivos móveis possuem 3 rádios: GSM (Global System for Mobile
Communications), WiFi e Bluetooth e sempre que um destes é usado mais energia é
consumida. Comparando entre eles, na maioria dos casos o GMS utiliza mais bateria
seguido do WiFi e do Bluetooth. No entanto esta ordem pode variar de uns dispositivos para
outros. [42]
A maioria dos dispositivos móveis desligam automaticamente o 4G quando estão
conectados via Wi-Fi. Um dispositivo conectado a uma rede Wi-Fi consome,
significativamente menos energia, do que quando conectado ao 4G. Por outro lado, caso o
dispositivo não esteja conectado a uma rede Wi-Fi, é aconselhável que o Wi-Fi seja
desligado, caso contrário o dipositivo irá constantemente procurar uma rede e consumir
bateria durante o processo. [43]
Isto leva-nos a pensar que devemos desligar os dados móveis sempre que podemos,
mas não tem que ser necessariamente assim isto porque, no caso do 4G, na maioria do
tempo, o rádio GSM não está a transmitir, este trabalha ligando ocasionalmente o telefone à
Internet para verificar o estado da conexão com o objetivo de otimizar a qualidade de
receção. Se for feita ou recebida uma chamada, o rádio vai transmitir durante a chamada,
certificando-se que se mantém conectado com a antena emissora mais forte. Quando é
enviado uma mensagem de texto, ele transmite durante o processo de envio e, em seguida,
para. Quando se está num local onde o sinal é irregular, o rádio GSM possui intervalos em
que se tenta ligar à rede. [42]
Muitas pessoas pensam que o 4G consome bateria tão rápido simplesmente porque é
mais forte no entanto não é assim tão simples, e as razões disto não estão relacionadas
com a tecnologia 4G em si. Atualmente, os provedores fazem os dispositivos com a
capacidade de se conectar a redes 3G e 4G simultaneamente. Isto significa que é duas
vezes mais difícil para manter uma conexão e, desta forma, o dispositivo usa duas vezes
mais energia. Sempre que se faz uma chamada ou se envia e recebe uma mensagem de
texto, o rádio 3G tem que fazer uma pausa. Esta mudança de estado causa uma tensão
enorme na bateria. Quando se está a viajar, o dispositivo tem que estar, constantemente
Comparação técnica entre Wi-Fi e rede móvel 4G para acesso à Internet 29/35
a mudar de torres para se manter ligado à rede, esta mudança faz com que a bateria seja
consumida mais rapidamente.[44]
Por outro lada o Wireless é uma conexão que está sempre ligada. Os rádios Wi-Fi estão
constantemente a transmitir independentemente de existirem ou não dados a ser
transmitidos através da conexão. No entanto pode-se dizer que a longo prazo estes rádios
usam menos energia que os rádios GSM[42]. A existência de uma placa de rede nos
dispositivos faz com que o consumo de energia aumente, não só pela existência a da placa
em si mas também pelo gasto adicional feito pelos restantes componentes para se
manterem conectados com a placa de rede. Para que a placa de rede possa realizar as
suas funções é necessário que haja uma interação com o processador, os barramentos e a
memória e isto gera um consumo adicional.[45]
Figura 12 - Duração da bateria quando usados diferentes tipos de tecnologia: Wi-Fi, 4G e 3G.
[46]
Comparação técnica entre Wi-Fi e rede móvel 4G para acesso à Internet 30/35
5. Conclusões
No fim da realização deste relatório conclui-se que cada uma das tecnologias, Wi-Fi e
4G apresenta as suas próprias características tendo obtido várias conclusões ao longo dos
vários tópicos abordados.
Atualmente o Wi-Fi possui valores de velocidades superiores mas com toda a evolução
registada ao nível do 4G, as redes móveis podem vir a obter valores iguais ou mesmo
superiores aos do Wi-Fi.
Ao nível da segurança foi possível observar que tanto o Wi-Fi como o 4G apresentam os
seus métodos para tornarem o acesso à rede mais seguros, no entanto nenhum deles
possui um método 100% fiável;
São utlizadas gamas de frequências diferentes pelos dois tipos de rede e são usadas de
maneira diferente, no Wi-Fi os intervalos são divididos em canais para evitar interferências
enquanto no 4G a frequência dentro da cada intervalo varia conforme a operadora. O
espetro das frequências utilizadas pelo Wi-Fi é muito maior do que o das redes móveis em
geral.
A largura de banda do 4G e do Wi-Fi é semelhante, a diferença entre as duas
tecnologias está no alcance das redes emitidas.
O 4G é mais robusto que o Wi-Fi pois este ultimo foi criado para computadores que são
equipamentos eletrónicos que estão em repouso e sofrem poucas variações de sinal que,
por norma, são sempre as mesmas. Já o 4G foi projetado para sofrer mais variações visto
que é uma tecnologia para equipamentos móveis, logo esta sujeito a mais variações, como
por exemplo num carro em movimento.
Para que seja possível partilhar o meio tanto no Wi-Fi como no 4G são usados hotspots
ou redes Ad-hoc. No primeiro caso existe um ponto de acesso e no segundo não, pois os
dispositivos ligam-se entre eles.
A área de cobertura de uma rede Wi-Fi depende principalmente do número de pontos
de acesso que nela existem enquanto no 4G depende do número de antenas (células) que
existem numa determinada área. No entanto a cobertura de todas as redes móveis é
superior devido à potência destas mesmas antenas. Em geral, o sinal Wi-Fi é mais
suscetível a interferências do que o 4G.
A sincronização no 4G apresenta uma maior facilidade, pois permite mais utilizadores
conectados ao mesmo tempo e num maior raio
Ao nível do consumo energético conclui-se que o 4G consome mais bateria que o Wi-Fi.
Comparação técnica entre Wi-Fi e rede móvel 4G para acesso à Internet 31/35
No caso do 4G não é a tecnologia em si que provoca este gasto enorme de bateria mas sim
a forma como os dispositivos estão configurados. Claro que estão configurados desta forma
por algum motivo, e caso contrário o 4G não iria funcionar com tanta eficácia.
Comparação técnica entre Wi-Fi e rede móvel 4G para acesso à Internet 32/35
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