Wireless: MIMO e Multi-User MIMO

Uma das principais funcionalidades dos padrões WiFi 802.11n e 802.11ac reside na camada física do modelo OSI, que utiliza a tecnologia multiple-input, multiple-output (MIMO). A tecnologia oferece o uso de múltiplos rádios e antenas, chamados de radio chains. Os rádios MIMO transmitem múltiplos sinais ao mesmo tempo para tomar vantagem sobre o sinal multipath.

O Multipath é um fenômeno de propagação do sinal que resulta em dois ou mais caminhos do mesmo sinal sendo recebido por uma antena com a diferença de nanosegundos. Devido à natureza do espalhamento das ondas (do sinal RF) e comportamentos de propagação como reflexão, espalhamento, difração e refração poderão ocorrer no sinal, ocasionando o multipath.

As antenas com tecnologia MIMO utilizam-se do DSP (digital signal processing) para separar o sinal original transmitido. Em fato, múltiplos sinais enviados pelo transmissor MIMO podem chegar simultaneamente ao receptor, o sinal então pode ser cancelado e a performance será basicamente a mesma de um sistema não-MIMO.

Antigamente, os DSP’s, ou Processadores de Sinal Digital não eram tão desenvolvidos. Hoje,  os processadores possuem maior poder computacional e são capazes de recuperar o sinal transmitido ao receptor em diferentes intervalos de tempo.

Os DSP’s então têm a responsabilidade de receber os dados, ‘separar’ em diferentes partes, enviar cada parte por antenas diferentes – ao mesmo tempo, no mesmo canal. E fazer o processo inverso no receptor.

Radio Chains

Os rádios legados 802.11 transmitem e recebem sinal RF utilizando o sistema single-input, single-output (SISO), utilizando um radio chain que é um rádio que suporta toda arquitetura, incluindo mixers, amplificadores e conversores digital/analógico.

A tecnologia MIMO consiste em múltiplos radio chains onde cada um possuirá sua própria antena. Um sistema MIMO é caracterizado pelo número de transmissores e receptores utilizados por diversos radio chains. Por exemplo, um sistema 2×3 MIMO poderá consistir em 3 radio chains com 2 transmissores(TX) e 3 receptores(RX), já um sistema 3×3 MIMO poderá utilizar 3 radio chains para transmissão(TX) e recepção(RX).    

O uso de múltiplos transmissores em um sistema MIMO provem a transmissão de mais dados utilizando multiplexação espacial. O uso de múltiplos receptores aumenta a relação sinal ruído (SNR).

Multiplexação espacial

Um rádio MIMO tem habilidade de enviar fluxos de dados únicos de maneira independente. Cada fluxo de dados independente é conhecido como fluxo espacial (spatial stream) e cada fluxo único pode conter dados que são diferentes dos outros fluxos transmitidos por um ou mais rádios. Cada fluxo irá atravessar diferentes caminho caminhos até o receptor, chamado de diversidade espacial (spatial diversity). O envio de diversos fluxos independentes de um único dado utilizando spartial diversity é geralmente referenciado também como spatial multiplexing (SM) ou spatial diversity multiplexing (SDM).

O benefício de enviar fluxo diversos para um único dado é o aumento da largura de banda.

 Na imagem abaixo mostramos um AP MIMO 3×3:3 transmitindo 3 independentes fluxos de um único dado  para um cliente MIMO 3×3:3.

Geralmente os fabricantes utilizam a sintaxe de 3 números para indicar a capacidade de transmissão dos APs, por exemplo 3×3:2: O primeiro número informa a transmissão (TX), o segundo a recepção (RX) e o terceiro número representa a quantidade de fluxos únicos de dados podem ser enviados e recebidos.

Em boas condições, quando um AP 3×3:3 e um cliente 3×3:3 estão comunicando entre si, 3 fluxos espaciais podem ser utilizados para comunicação unicast. Entretanto, quando um AP 3×3:3 comunica com um cliente 2×2:2, somente dois fluxos espaciais serão utilizados para comunicação unicast. Isso será definido durante a conexão ao BSS (basic servisse set), o access point é avisado sobre as capacidades MIMO do cliente.

Multi-User MIMO

Os padrões 802.11n e 802.11ac permitem o uso do MIMO para transmissão de múltiplos fluxos  de dados transmitidos  em diferentes antenas ao mesmo tempo. O padrão 802.11ac também permite a comunicação simultanea com até 4 dispositivos utilizando a tecnologia MU-MIMO. Os rádios 802.11n não suportam MU-MIMO, mas podemos dizer que eles utilizam a tecnologia SU-MIMO (single-user MIMO).

Ambos, 802.11n e 802.11ac são capazes de transmitir múltiplos fluxos de dados, mas muitos equipamentos devido a limitações são capazes de receber apenas um fluxo de dados.

O objetivo do MU-MIMO é o uso de diversos fluxos espaciais quando possível, transmitindo  dados para múltiplos clientes ao mesmo tempo, seja na transmissão para um cliente de 4 fluxos espaciais ou 4 clientes utilizando um fluxo espacial cada,

Com o Multi-User MIMO (MU-MIMO), os APS podem utilizar a sintaxe de 5 números para indicar a capacidade de transmissão dos APs, assim como no MIMO, o primeiro número informa a transmissão (TX), o segundo a recepção (RX) e o terceiro número representa a quantidade de fluxos únicos de dados podem ser enviados e recebidos. O terceiro número representa quantos fluxos de dados de usuário único (SU) podem ser enviados ou recebidos. O quarto número refere quantos fluxos de múltiplos usuários (MU) podem ser transmitidos. Um quinto número é usado para representar um grupo MU-MIMO ou quantos clientes MU-MIMO estão recebendo transmissões ao mesmo tempo. Por exemplo 4×4:4:3:3. O AP pode transmitir e receber 4 fluxos espaciais para 1 usuário (SU-MIMO). Entretanto somente 3 fluxos espaciais podem ser enviados (MU-MIMO) para 3 clientes com capacidade MU-MIMO.

Referências

http://www.telecomhall.com/br/o-que-e-mimo.aspx

COLEMAN, David D.; WESTCOTT, David A. CWNA Certified Wireless Network Administrator – 5ª ed. Sybex – 2018 Aruba Certified Design Professional_ Official Certification

Wireless Aruba – Modo de encaminhamento para os Access Points

Quando uma estação encaminha seus quadros para um Ponto de Acesso, existem diversas maneiras para o AP processar e encaminhar os dados, tudo dependendo de como o Access Point é configurado. 

Um Access Point configurado como IAP não necessita de uma Controller, pois todos os AP que estão na mesma sub rede irão formar um Cluster Virtual e operam independente da Controladora física.

Já os Pontos de acesso gerenciado por uma Controladora, devem ter seu tráfego permitido na rede (caso haja restrições de tráfego na rede).

O modo de encaminhamento (forwarding mode) define como os dados enviados pelo usuário são encaminhados pelo AP e podem ser classificados como:

  • GRE/tunnel
  • Bridge
  • Decrypt-tunnel
  • Split-Tunnel

Alguns termos nesse texto são utilizados com o mesmo significado:

Controladora = Controller = Mobility Controller

Quadros = Frames

Access Point = AP = Ponto de Acesso

GRE/Tunnel

Esse modo utiliza um Tunnel GRE para encaminhar os dados do Access Point para a Mobility Controller. Quando um cliente envia um dado para um SSID (em um AP) que é configurado para utilizar o forwarding mode como tunnel mode, o AP encapsula o quadro 802.11 dentro de um frame 802.3 e encaminha o quadro para a Controladora Aruba.

Nesse processo nem todos os frames são tunelados e encaminhados a controladora, os quadros 802.11 para autenticação e resposta de associação são gerados diretamente no AP.

Para o tráfego que é encapsulado e enviado a controladora, a Mobility Controller removerá o encapsulamento no recebimento, aplicará regras de firewall ao tráfego do usuário e encaminhará o tráfego como solicitado.

Um Access Point Aruba configurado como Campus (CAP), todo tráfego de controle é comunicado com a controladora utilizando o protocolo PAPI, que não é criptografado. Caso haja a necessidade de criptografar a comunicação PAPI é sugerido a utilização juntamente com o CPsec (Control Plane Security) que criptografa a comunicação PAPI com IPsec.

Já os APs configurados como Remote (RAP), a comunicação deverá utilizar um túnel VPN L2TP/IPsec.

Com o modo túnel, todo tráfego é enviado para a Controller que é responsável por prover a visibilidade das configurações e trafego dos usuários de forma centralizada, facilitando a configuração das redes WLAN.

Bridge

O mode bridge permite ao Access Point (não a Controladora) processar os quadros, de forma similar aos APs individuais processam as informações. O AP irá responder qualquer requisição de autenticação e associação com as respostas referentes ao processo, removendo a criptografia dos frames recebidos  e criptografando os quadros de saída para a estação.

 O modo bridge também pode ser configurado em APs configurados como CAP e RAP, mas a sua comunicação com a Mobility Controller deverá ser criptografada com CPsec (CAP) e túnel L2TP/IPsec para RAP.

A Aruba não recomenda esse modo em razão do firewall stateful não ser aplicado.

Decrypt-Tunnel

Este método possui similaridade com o modo tunnel, entretanto os quadros enviados pelo cliente têm a sua criptografia removida e encaminhada dessa forma para a Controladora, encapsulando apenas o quadro 802.11 em um quadro 802.3.

Uma imagem contendo captura de tela

Descrição gerada automaticamente

Esse cenário pode ser utilizado para propósitos de segurança para inspeção e monitoração do tráfego por outras ferramentas ou diminuir o processamento ocorrido no processo de criptografia.

O modo decrypt só pode ser utilizado com RAP e CAP. Todo trafego de sinalização entre a controladora e o ponto de acesso deve ser criptografada com CPsec(CAP) ou L2TP/IPsec (RAP).

O modo decrypt deve ter uma atenção especial em cenários com RAP, pois o tráfego do usuário não é criptografado pelo RAP, criando um risco de segurança para o tráfego sobre a rede pública (Internet).

Split Tunnel

O modo split tunnel é disponível nos RAPs, e é também conhecido com policy-based forwarding.  Quando um RAP constrói um tunnel L2TP/IPsec com a Controladora, não é recomendável encaminhar todo tráfego de usuário pela Internet para a Mobility Controller, por isso é possível criar regras de encaminhamento de firewall para processar o tráfego wireless diretamente no RAP. Essas regras podem permitir o tráfego dos usuários serem encaminhado localmente ou para a Controladora, de acordo com as necessidades, como por exemplo, o trafego HTTP/HTTPS sair diretamente para a Internet.

Referências

Aruba Certified Design Professional_ Official Certification Study Guide ( HPE6-A47)

Westcott, David. – Understanding ArubaOS