Seção: Teleco español

 

FSO II: Fatores Limitantes

 

Introdução

 

Neste seção, serão apresentados os efeitos mais relevantes no desempenho do sistema FSO. A partir da emissão da energia eletromagnética, identificam-se os fenômenos de atenuação atmosférica, atenuação por espalhamentos e turbulência atmosférica. Serão discutidos como alterações na atmosfera afetam a propagação do feixe óptico, comprometendo a recepção do sinal transmitido. Diversas dessas influências serão analisadas e quantificadas no que diz respeito à avaliação do desempenho do enlace.

 

Atenuações atmosféricas

 

Com a propagação na atmosfera o feixe óptico interage com diversos tipos de partículas, como gases, gotículas de água, poeira em suspensão, etc. Esta interação gera uma redução na energia captada pelo receptor através de espalhamento e/ou absorção. Os valores em níveis que dependem do comprimento de onda adotado pelo sistema, do tamanho e do índice de refração das partículas. Dessa interação do feixe óptico com partículas originam-se fenômenos que afetam o desempenho do sistema e, portanto suas análises são de grande importância no projeto de enlaces FSO.

 

Espalhamentos

 

Generalidades

 

O espalhamento ocorre quando o feixe de luz transmitido encontra partículas distribuídas no meio de transmissão. Estas partículas redirecionam parte da energia do feixe e reduzem a quantidade de potência captada pelo receptor. Este fenômeno é um dos fatores de atenuação no enlace. O tipo de espalhamento depende da relação entre raio da partícula e o comprimento de onda da luz, conforme o valor [2]:

 

(1)

 

Sendo r o raio da partícula e λ o comprimento de onda da luz. Conforme o valor deste parâmetro identificam-se os espalhamentos de Rayleigh, de Mie e outros. Alguns destes fenômenos serão analisados resumidamente.

 

Espalhamento de Rayleigh

 

Quando x0 << 1, ou seja, o raio da partícula for bem menor do que o comprimento de onda na faixa de comunicações ópticas ocorre o espalhamento de Rayleigh, causado predominantemente por componentes moleculares contidos no meio de transmissão. Na comunicação via atmosfera, esses componentes são devidos às moléculas em suspensão [2]. Quando o feixe óptico incide em moléculas com as características especificadas, ocorre o espalhamento de maneira quase uniforme em todas as direções. A figura 1 representa a irradiação oriunda por este fenômeno em coordenadas polares, em um plano especificado. Este comportamento reproduz-se em diferentes planos do espaço [10].

 

Descrição: graf 2.jpg

Figura 1: Diagrama de irradiação do espalhamento de Rayleigh, representado em coordenadas polares

 

Espalhamento de Mie

 

Quando x0 ~= 1, ou seja, quando o raio da partícula for comparável ao comprimento de onda, ocorre o espalhamento de Mie. Nas transmissões pelo espaço aberto, geralmente é causado por gotículas d’água, cerração, partículas de poluição e poeira, etc.. Esse espalhamento é o mais frequente e tem grande relevância na quantificação das características de um sistema FSO [2]. No levantamento do diagrama de irradiação relativo ao espalhamento de Mie, identifica-se emissão em muitas direções, porém não com a mesma intensidade, como se ilustra na figura 2. No sentido de propagação retrógrada, a influência do espalhamento de Mie é inferior ao do espalhamento de Rayleigh [1].

 

Descrição: graf 3.jpg

Figura 2: Diagrama de irradiação do espalhamento de Mie

 

Espalhamento Não-Seletivo

 

Quando x0 >> 1, ou seja, o raio da partícula for maior do que o comprimento de onda, tem–se espalhamento não seletivo. A influência do comprimento de onda não é significativo nesse tipo de espalhamento e a principal causa são as gotas d’água [2]. Novamente, com o levantamento do diagrama de irradiação relativo ao espalhamento não seletivo, é possível perceber que a emissão em muitas direções, porém com uma intensidade muito menor no sentido retrógrado como se ilustra na figura 3. Evidenciando, uma menor influência quando comparada com os demais espalhamentos.

 

Descrição: graf 4.jpg

Figura 3: Diagrama de irradiação do espalhamento não seletivo

 

Absorções atmosféricas

 

À medida que a luz se propaga pelo espaço livre, interage com as diversas partículas suspensas, como vapor d’água, poeira, e alguns gases, denominando uma absorção atmosférica.

 

A atenuação por absorção dependerá da características do sinal, principalmente do comprimento de onda empregado. Alguns gases, como o O2 (oxigênio), CO2 (dióxido de carbono), O3 (ozônio) e o H2O (vapor de água), causam severas atenuações nos comprimentos de onda do infravermelho, limitando a transmissão aos comprimentos de onda localizados em uma das janelas de alta transmitância, como observado no espectro de absorção típico da figura 4 [1].

 

Descrição: janela

Figura 4: Janelas Atmosféricas [1]

 

As janelas atmosféricas são as faixas do espectro onde ocorre uma menor absorção por moléculas, ou seja, é o comprimento de onda que possui maior transmitância na propagação.

 

Percebe-se que, no interior das janelas há uma variação suave da transmitância em relação a variação dos comprimentos de ondas. A escolha dos comprimentos de onda utilizado nos enlaces ópticos do FSO (785nm, 850nm e 1550nm) é feita com a escolha das janelas de maior transmitância.

 

Pode-se perceber também que, nas janelas atmosféricas utilizadas, o vapor d’água é o maior responsável por absorção.

 

Pode-se perceber também que, nas janelas atmosféricas utilizadas pelo FSO, na janela onde estão presentes os comprimentos de onda do infravermelho próximo, o vapor d’água é o maior responsável por absorção.

 

Atenuação por chuva

 

Embora seu impacto seja significativamente menor do que a atenuação gerada por neblina, para o feixe óptico, a chuva pode ser um fenômeno muito degradante. Suas gotas possuem dimensões entre 200 mm a 2000 mm (muito maiores que os comprimentos de onda utilizados pela transmissão do FSO), e introduzem uma atenuação moderada. Para contornar tal atenuação deve-se projetar o enlace para operar com uma margem maior do que a atenuação oferecida pela chuva para que o feixe óptico possa penetrar a chuva sem elevada degradação [1].

 

Atenuação por neblina

 

Um dos fatores mais degradante é a neblina, que em certas condições pode interromper o sistema FSO. Composta por de gotículas de água, que possuem apenas alguns de micro diâmetro, formam um obstáculo na trajetória do laser e até mesmo pode impossibilitar a passagem da luz por completo. O problema da neblina pode ser contornado na adoção de enlace de curta distância. A Tabela 4.1 mostra os diferentes graus chuva e neblina de acordo com o Código Internacional de Visibilidade para as condições do tempo e precipitação [1].

 

Tabela 1: Código internacional de visibilidade para as condições do tempo e precipitação [1] e [2]

CONDIÇÕES DE TEMPO

TIPO DE PRECIPITAÇÃO

PRECIPITAÇÃO

(MM/H)

VISIBILIDADE (M)

ATENUAÇÃO (DB/KM)

Nevoeiro Denso

 

 

0 – 50

-271,65

Nevoeiro Grosso

 

 

200

-59,57

Nevoeiro Moderado

 

 

500

-20.99

Nevoeiro Leve

Tempestade

100

770

1000

-12,65

-9,26

Nevoeiro Fino

Chuva Forte

25

1900

2000

-4,22

-3,96

Neblina

Chuva Média

12,5

2800

4000

-2,58

-1,62

Neblina Fina

Chuva Fraca

2,5

5800

10000

-0,96

-0,44

Limpo

Garoa

0,25

18100

20000

-0,24

-0,22

Muito Limpo

 

 

23000

50000

-0,19

-0,06

 

Linhas de Visada (LOS)

 

A linha de visada pode ser definida como a vista de um ponto de interesse sem a obstrução de obstáculos. A utilização de um sistema FSO requer uma linha de visada direta (LOS) o que significa que o transmissor e o receptor devem ser visíveis entre si.

 

Como os raios na faixa do infravermelho, propagam de forma linear. Os critérios adotados para a obtenção de uma linha de visada para o FSO são menos rigorosos, quando comparados com os critérios adotados em sistemas de micro-ondas, pelo requerimento de uma autorização do caminho adicional para dar conta da extensão das Zonas de Fresnel [1].

 

Podemos determinar se há linha de visada no enlace FSO de várias maneiras, a mais simples é a observação visual, porém este método é restrito a longas distâncias, podendo ser empregue telescópio de alinhamento, ou mapeamento por satélite do enlace [1].

 

Atenuação por divergência do feixe

 

Devido à impossibilidade de obtenção de um feixe óptico perfeitamente colimado, a luz sofrerá um espalhamento e essa perda denominamos de atenuação por divergência do feixe. No projeto de um enlace do sistema FSO, o cálculo dessa atenuação e feito a partir do ângulo de divergência oferecido pelo laser. Esta divergência faz com que a área da seção reta do feixe aumente continuamente, e consequentemente apenas uma parcela da energia óptica transmitida será captada pelo receptor. Na figura 5, tem-se uma ilustração do cone de divergência e dos principais parâmetros utilizados no modelo de atenuação por divergência.

 

Descrição: C:\Documents and Settings\santos\Desktop\1.jpg

Figura 5: Diagrama representativo da atenuação geométrica [1]

 

Podemos obter a atenuação por divergência através da equação 2, que descreve a relação entre a área efetiva de captação do Receptor SRX e da área da seção reta do feixe na posição do receptor SRX(R), onde dRX e dTX são os diâmetros efetivos do receptor e do transmissor, respectivamente, q é o ângulo de divergência do feixe e D é o comprimento do enlace.

 

 

(2)

 

Turbulências atmosféricas

 

Definição

 

A partir do que foi discutido anteriormente, conclui-se que locais com clima quente e seco favoreceriam a implantação do sistema FSO. Isso não é totalmente verdade, pois em regiões com estas características ocorrem fenômenos denominados turbulências. Surgem com o aquecimento do solo e, posteriormente, com o aquecimento de bolsas de ar. Algumas bolsas de ar são aquecidas mais do que as outras e isso provoca variações constantes do índice de refração, que por sua vez modifica a direção do feixe óptico interferindo na propagação. A figura 6 ilustra esse fenômeno.

 

Descrição: C:\Documents and Settings\santos\Desktop\2.jpg

Figura 6: Representação do feixe óptico em encontro com bolsas de ar

 

Como o movimento dessas bolsas variam com o tempo e com o espaço, o índice de refração seguirá um movimento aleatório, comportamento denominado Turbulento. Assim todos os feixes ópticos que atravessarem uma região com a presença de bolsas de ar quente sofrem desvios igualmente variantes no tempo e aleatórios.

 

Podemos classificar três efeitos distintos na ocorrência de turbulência, são eles:

  • Passeio do feixe. Na presença de grandes bolsas de ar, o feixe óptico tem seu alinhamento modificado através da mudança aleatória do índice de refração o que pode prejudicar a linha de visada. Este fenômeno é conhecido como “passeio do feixe”. Com o emprego de um eficiente sistema de auto alinhamento podemos reduzir sua influência e até mesmo desconsiderar o passeio do feixe no dimensionamento do enlace [1].
  • O aumento da divergência do feixe. Esse pode ser percebido pelo aumento da seção transversal do feixe, mais do que previsto na análise da atenuação por divergência [1].
  • Mudanças de fase. O efeito devido às mudanças de fase sofridas por parcelas do feixe que percorrem comprimentos ópticos ligeiramente diferentes, devido à propagação através de bolhas de ar quentes menores que o diâmetro do feixe. Essas parcelas do feixe, ao alcançarem o receptor geram interferências construtivas e destrutivas aleatórias. Isso causa flutuações na intensidade do sinal recebido em torno de um valor médio, fenômeno é conhecido como cintilação. Trata-se do efeito que traz maiores prejuízos em um sistema FSO [1].

 

Outros fatores que afetam FSO

 

Visibilidade

 

A baixa visibilidade reduz a eficácia e a disponibilidade dos sistemas FSO. A figura 7 apresenta-se um gráfico com a relação entre visibilidade e o máximo alcance do FSO nas condições climática especificadas pelo Código Internacional de Visibilidade. Nota-se que em um enlace FSO hipotético, seu alcance máximo seria de 8 km, nas condições de céu claro, e em regiões onde probabilidade da ocorrência de nevoeiro é alta, para manter a confiabilidade do sistema, o alcance do enlace seria próximo de 2 km [8].

 

Descrição: graf 1.jpg

Figura 7: Relação entre Visibilidade e o alcance máximo de um enlace FSO

 

No projeto de enlaces FSO necessita-se de dados meteorológicos com uma média anual de visibilidade da região de interesse, a fim de manter a confiabilidade do sistema. Os Gráficos abaixo apresentam uma média anual de visibilidade de algumas das principais cidades brasileiras para uma possível comparação. De acordo com o Gráfico 4.8 (a) nas capitais nordestinas, em 90% do tempo, a visibilidade se aproxima em até 12 km, e em Aracaju a visibilidade chega a até 20 km. No Gráfico 4.8 (b) observam-se as principais cidades da região Sudeste onde a situação é pior, porque em 90% do tempo sua visibilidade seria de apenas 5 km. A exceção é Belo Horizonte, onde esse índice é ainda pior, devido as grandes variações atmosféricas. Analisando a disponibilidade de um enlace FSO por estes gráficos, nota-se que, enquanto em Aracaju o enlace poderia chegar a até 20 km, em Belo Horizonte o enlace poderia chegar a no máximo 2,5km [8].

 

Descrição: C:\Documents and Settings\santos\Desktop\graf nord.jpg

(a)

 

Descrição: C:\Documents and Settings\santos\Desktop\graf sudest.jpg

(b)

 

Descrição: C:\Documents and Settings\santos\Desktop\Gráf  centroeste.JPG

(c)

 

Descrição: C:\Documents and Settings\santos\Desktop\Gráf  sul.JPG

(d)

Figura 8: Visibilidade média anual regional

 

A figura 8. apresenta os gráficos com a média anual de visibilidade [8] de algumas da principais cidades das regiões:

  • Nordeste (a);
  • Sudeste (b);
  • Centro-oeste – capitais (c);
  • Sul – capitais (d).

 

Distância

 

A distância é um dos fatores mais importante para a implantação de um sistema FSO, o impacto sofrido com a sua variação pode ser dividido em três formas:

  • 1°- Mesmo que haja condições climáticas favoráveis, o feixe óptico transmitido irá divergir com o aumento do comprimento do enlace e consequentemente o receptor irá receber menos potência. Por exemplo, se o comprimento de um enlace fosse duplicado, a atenuação geométrica iria ser acrescida de 6dB [1].
  • 2°- A atenuação por espaço livre irá aumentar, proporcional ao aumento da trajetória do feixe óptico [1].
  • 3° - Em distâncias mais longas o efeito da cintilação irá aumentar. Para compensar, será necessário o aumento da margem de segurança para cintilação para manter o valor da BER desejada [1].

 

Obstruções Físicas

 

As obstruções físicas também ocasionam vários problemas de recepção, um simples pássaro voando podem interromper a linha de visada temporariamente, causando pequenas interrupções e a necessidade de retransmissões. Podemos contornar esse problema com transceptores de múltiplos feixes ópticos [4].

 

Segurança

 

O sistema FSO utiliza lasers de alta potência para a transmissão e a exposição do olho humano a esses raios de luz pode ocasionar sérias lesões, por isso a implantação dessa tecnologia deve seguir alguns padrões internacionais que visa um balanço entre segurança e desempenho do sistema [4].

 

Atividade Sísmica

 

Em algumas localidades com registro de pequenos abalos sísmico podem ocorrer à perda do alinhamento dos transceptores, prejudicando o desempenho do sistema. Porém podemos recuperar o alinhamento através de um sistema de auto alinhamento ou transceptores com múltiplos feixes ópticos [4].

 

Balanço de potência

 

Para que um sistema FSO seja corretamente planejado atendendo as exigências de confiabilidade, devemos fazer o cálculo do balanço de potência com a finalidade de equilibrar as atenuações impostas ao enlace com a potência de transmissão e sensibilidade de recepção.

 

(3)

 

Para um enlace onde não haja nenhuma das atenuações apresentadas, ou seja, em condições atmosféricas ideais, a potência total recebida deve ser definida pela equação 4:

 

(4)

 

Onde:

  • SRX: Sensibilidade óptica média do receptor;
  • PTX: Potência óptica média emitida pelo transmissor;
  • dRX: diâmetro da abertura do receptor em metros;
  • dTX: diâmetro da abertura do transmissor em metros;
  • θ: Ângulo de divergência;
  • D: Comprimento do enlace em metros;
  • Dopt: Perda de potência introduzida pelos elementos ópticos;
  • Dal: Perda de potência devido ao desalinhamento entre transmissor e receptor;
  • Mc: Margem de segurança para a cintilação;
  • M: Margem de segurança para as atenuações atmosférica

 

O termo dRX2 / (dTX + θ * R)2 é referente à atenuação geométrica do enlace, as perdas referentes aos elementos ópticos passivos, como lentes e filtros são descritos pelo fator Dopt, e o fator Dal refere-se à atenuação causada pela não uniformidade do feixe óptico dentro do ângulo de divergência, o fator Mc e o fator M são as margens de segurança para acomodar as atenuações e atenuações atmosféricas respectivamente [1], [4] e [9].