Seção: Banda Larga
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Esse capítulo se faz presente pelo fato das redes wireless utilizam as ondas de rádio para serem propagadas através do meio físico, que no caso, é o ar. Onde será citada uma breve fundamentação da rádio frequência e também os principais tipos de modulação e técnicas de Radio Frequência (RF) para as redes wireless.
Definição
São correntes alternadas de alta frequência que passam pelos cabos condutores e que chegando até as antenas onde são convertidas em ondas eletromagnéticas (OEM) e irradiadas pelo ar.
No lado do receptor lê capta essa energia OEM e o transforma em sinais elétricos, para ser compreendido pelos rádios na informação útil transmitida, fazendo o processo inverso do transmissor. Conforme ilustra a Figura 10 uma OEM possui as seguintes características:
Figura 10: Forma de uma onda senoidal Fonte: o autor
Espectro de Frequência
Para evitar sobreposições no uso de ondas de rádio, foram criadas faixas de frequência disponíveis para cada tipo de aplicações, e que podem se visualizadas no Quadro 2.
Quadro 2: Frequências utilizadas em telecomunicações
Fonte: LIMA JUNIOR, 2003.
Como pode ser visto no Quadro 2 as faixas em que estão alocadas as WLAN’s são: a Ultra Alta cuja frequência destinada a essa faixa é 300MHz – 3GHz; e a faixa Super Alta que varia de 3GHz – 30GHz. Pois é onde se alocam os equipamentos de 2.4GHz e 5.8GHZ.
Banda Industrial Scientific and Medical – ISM (Industrial, Científica e Medica)
Em 1985 o órgão regulamentador do uso de espectro de frequência dos Estados Unidos da América, o Federal Communicatios Commission (FCC – Comissão de Comunicação Federal), liberou a banda conhecida como ISM. Isso proporcionou aos fabricantes um impulso na fabricação dos seus equipamentos, pois os usuários dos equipamentos nessa banda não necessitariam de qualquer licença do órgão regulamentador, no caso o FCC, porem deveriam atentar para os limites de potência desses equipamentos.
Figura 11: Faixa do espectro da Banda ISM Fonte: Adaptado de SANTOS JUNIOR, 2009.
Como a Figura 11 mostra, foram liberadas 3 faixas de frequência em ISM:
Os limites de potência ficam a critério do órgão regulamentador de cada país. No Brasil o órgão responsável pelos limites de potencia é a Agencia Nacional de Telecomunicações (ANATEL).
Resolução da Anatel
A ANATEL divulgou em 1º de julho de 2008 a resolução N° 506. Em suas seções IX e X, ela trata dos limites de potencia para as faixas de frequência em que operam as redes wireless. Dentre algumas especificações citadas estão:
No Artigo 39, 2° paragrafo cita: “equipamentos cujas estações utilizem potência e.i.r.p (Equivalent Isotropic Radiated Power: Potência Efetivamente Irradiada pela Antena, que é igual a potência do transmissor somado ao ganho da antena) superior a 400 mW, em localidades com população superior a 500.000 habitantes, deverão ser licenciadas na Agência (...)”. ”Na faixa 2400-2483,5 MHz, será admitido apenas o uso de Tecnologia de Espalhamento Espectral ou Tecnologia de Multiplexação Ortogonal por Divisão de Frequência – OFDM”.
No Artigo 41, para sistemas utilizando sequência direta ou outras técnicas de modulação digital, o inciso II determina: “a potência de pico máxima de saída do transmissor não pode ser superior a 1 Watt;”
No Artigo 43, o inciso I determina “sistemas operando na faixa de 2.400-2.483,5 MHz e utilizados exclusivamente em aplicações ponto-a-ponto do serviço fixo podem fazer uso de antenas de transmissão com ganho direcional superior a 6 dBi, desde que potência de pico máxima na saída do transmissor seja reduzida de 1 dB para cada 3 dB que o ganho direcional da antena exceder a 6 dBi”. No Inciso II determina: “sistemas operando na faixa 5.725-5.850 MHz e utilizados exclusivamente em aplicações ponto-a-ponto do serviço fixo podem fazer uso de antenas de transmissão com ganho direcional superior a 6 dBi sem necessidade de uma correspondente redução na potência de pico máxima na saída do transmissor.”
No Artigo 46, para sistemas de acesso sem fio em banda larga para redes locais, operando na faixa 5.150-5.350 MHz, no inciso I cita “as emissões devem estar confinadas aos ambientes internos das edificações”. No inciso II determina “o valor médio da potência e.i.r.p. é limitado ao máximo de 200 mW.”
No artigo 47, para sistema de acesso sem fio em banda larga para redes locais, operando na faixa 5.470-5.725 MHz, o inciso determina “a potência na saída do transmissor é limitada ao máximo de 250 mW”. O inciso II determina “o valor médio da potência e.i.r.p. é limitado ao máximo de 1 W”;
Sistemas de Comunicação
Informação: ela em si é transmitida em banda base, ou seja, na frequência que originalmente que foi gerada. A informação pode ser analógica ou digital, vide Figura 12, no caso das redes wireless o sinal é digital. Em telecomunicações o sinal onde se encontra a informação é chamado de sinal modulante.
Figura 12: Tipos de informação Fonte: o Autor
Meio físico: para se transmitir a informação devemos usar um meio físico, seja ele o ar, fios ou qualquer meio físico que possa transmitir uma informação.
Onda portadora: é ela que transporta a informação, e normalmente tem frequência diferente e maior que a da informação base. A portadora pode ser a luz, sinal de micro-ondas, sinais elétricos e etc. Assim como o sinal modulante podem ter sinais digitais ou analógicos.
Modulação: ela capta o sinal que se quer transmitir e modifica uma onda portadora de acordo com as variações de estados. No caso das redes wireless modificando em função dos sinais base, 0s ou 1s já que usa um transmissor digital.
Os sinais modulantes, também chamados de sinais base, alteram um dos parâmetros da onda portadora, (fase, amplitude ou frequência) para poder transmitir a informação, o resultado dessa alteração é o sinal modulado.
Sinal modulado: é o sinal resultante da modificação da onda portadora através da variação de estado da onda de banda base (sinal modulante) feita através da modulação, é nele que o receptor irá tirar a informação que deseja.
Tipos de Modulação
Em uma LAN cabeada os sinais base que trafegam na rede são digitais, sendo esse transmitido em uma portadora analógica, que nesse caso são os cabos. Caso semelhante ao das WLAN’s, com a única diferença no meio físico que é o ar e não cabos.
Quando o sinal é digital e a portadora é analógica refere-se a esse tipo de modulação como chaveada, as mais conhecidas são: Amplitude Shift Keying (ASK – modulação por chaveamento de amplitude), Frequency Shift Keying (FSK – modulação por chaveamento de frequência) e Phase Shift Keying (PSK – modulação por chaveamento de fase). Todas podem ser visualizadas na Figura 13.
Figura 13: (a) Um sinal binário e Modulações (b) ASK (c) FSK (d) PSK Fonte: TANEBAUN, 2003.
Os tipos de modulação mais usadas nas WLAN’s de alta velocidade são o Binary Phase Shift Keying (BPSK – modulação por chaveamento de fase binário), Quadrature Phase Shift Keying (QPSK - modulação por chaveamento de fase em quadratura), ambas são subdivisões da modulação PSK e o Quadrature Amplitude Modulation (QAM – Modulação por Amplitude em Quadratura).
BPSK
“Para a implementação da modulação BPSK é utilizada uma inversão de fase de um estado para o outro entre 0 e 180 graus.” (NETO, 2005, p. 151).
QPSK
“O sinal digital binário é combinado em conjunto de dois bits – DIBITS. Para uma combinação binária são possíveis quatro DIBITS. Para cada DIBITS há uma inversão de fase do sinal da portadora senoidal, também conhecida como quadratura.” (NETO, 2005, p. 152).
QAM
A modulação QAM (Quadrature Amplitude Modulation – Modulação por Amplitude em Quadratura) é um sistema otimizado de modulação, que modifica simultaneamente duas características da portadora; sua amplitude e sua fase. Com isso obtêm-se grande rendimento e grande performance nas altas velocidade (SILVEIRA, 1991, p. 33).
Com essa modulação é possível conseguir maiores taxas de transmissão. Para cada grupo de quatro bits (TETRABIT), a portadora assume um valor de amplitude e fase. A Figura 14 ilustra as modulações QPSK e QAM.
Figura 14: (a) QPSK (b) QAM-16 (c) QAM-64 Fonte: TANEBAUN, 2003
Os demais tipos de modulação com portadora analógica podem ser vistos de forma resumida na Figura 15.
Figura 15: Tipos de modulação com portadora analógica
Propriedades da Radiofrequência
Apresentam-se a seguir as propriedades das radiofrequências.
Relação Sinal-ruído
A relação sinal-ruído (SNR) descreve a potencia do sinal comparado com o ruído de fundo. Em analogia é como se alguém estivesse ouvindo uma música ou assistindo televisão em algum ambiente, seja em casa, no trabalho ou até mesmo em um bar, e por um algum barulho (carros, motos, equipamentos de som, etc.) já não se ouviria perfeitamente o som do aparelho.
Assim são os receptores de rádio, eles precisam ter um nível mínimo de energia de sinal para poder diferenciá-lo do ruído. Uma SNR descreve a relação da potência do sinal recebido comparada com a potência do sinal de fundo, sendo assim, quanto maior for a SNR melhor é a potencia do sinal.
Atenuação
“Perdas de potência do sinal que se propaga em um meio de transmissão.” (JUNIOR, 2003, p. 412).
Existem diversos motivos para a atenuação entre elas estão: absorção do material, espalhamento de Rayleigh, perdas no espaço livre, perdas nos cabos, e outras variações que um sinal pode sofrer.
Se tratando em atenuação em cabos essa pode ocorre com qualquer tipo de sinal transmitido, tanto digital quanto analógico. Quanto maior for o comprimento do cabo, maior será a atenuação.
Ganho
O ganho pode ser entendido como o aumento da amplitude de um sinal de RF, ele é dado em referência a uma antena padrão, normalmente uma antena isotrópica, onde o ganho é expresso em dBi. Uma antena isotrópica irradia o sinal igualmente bem em todas as direções. Porem essa antena não existe, ela fornece apenas padrões teóricos com os quais as antenas reais podem ser comparadas.
O ganho de antena em uma dada direção é a quantidade de energia irradiada naquela direção, comparada com a energia que uma antena isotrópica iria irradiar na mesma direção quando alimentada com a mesma potência. Usualmente, estamos apenas interessados no ganho máximo, que é o ganho na direção para a qual a antena está irradiando a maior parte da potência. Um ganho de antena de 3 dB, comparado a uma antena isotrópica, é representado por 3 dBi (http://wndw.net/, p. 104).
Deve-se ressalta que qualquer antena real provavelmente irá irradiar mais energia em algumas direções do que em outras.
Desvanecimento
“Ocorre devido a algum problema de propagação, geralmente pelas ondas de multipercurso e dutos. O sinal recebido flutua, varia de intensidade a cada instante, aumenta e diminui passando por nulos e zeros de tensão.” (MEDEIROS, 2007 p. 85).
Formação de Dutos no Percurso de Onda
Para SANSHES (2005, p. 74) o duto é um fenômeno atmosférico de inversão térmica, que ocorre paralelamente a superfície terrestre podendo atingir a ordem de dezenas de quilômetros. É capaz de alterar o curso de um feixe de ondas e de mantê-lo “canalizado” em parte, daí o nome duto. Como esse estudo se aplica a uma rede WLAN mais especificamente em um Campus esse conceito está um pouco fora do nosso contexto, porém um fenômeno em redes WLAN que se assemelha muito com os dutos é a canalização ou guiamento de onda que ocorre no interior construção principalmente em corredores mais exigentes.
“Em corredores ou túneis a perda por propagação é menor que no espaço livre devido à soma de todas as reflexões (...)” (SANSHES, 2005, p 165).
Múltiplos Caminhos
“O múltiplo caminho ocorre quando há mais de um caminho disponível para a propagação do sinal de rádio. O fenômeno da reflexão, difração e espalhamento dão origem a caminhos adicionais de propagação entre transmissor e receptor.” (SANCHES, 2005, p. 158).
As ondas secundárias de diferentes percursos, por isso denominadas ondas de multipercurso, chegam a antena receptora com diferentes intensidades, defasadas entre si e da onda principal. Para o receptor o sinal resultante é a soma vetorial dos diversos sinais captados pela antena. Esse sinal varia de intensidade a cada instante, aumenta e diminui, passa por um nulo ou zero de tensão, resultado da composição vetorial instantânea. O fenômeno da propagação é conhecido como desvanecimento ou fading, em inglês (MEDEIROS, 2007, p. 84. Grifo do autor).
Reflexão
A reflexão de uma onda quando feitas em certas superfícies pode ocasionar a inversão completa (inversão de 180) ou parcial da fase da onda, quando essa onda refletida combinada com a onda original e chega ao receptor pode ocasionar interferências e degradação do sinal. Dependendo do tempo que a onda (refletida e a onda original) chega ao receptor e da inversão de fase que houver, o sinal original pode ser completamente cancelado.
Refração
Desvio sofrido por uma onda de rádio ao passar por meios de diferentes densidades. Por exemplo, uma luz que incide sobre a água que sofre um desvio, para links de longa distância esse fenômeno é prejudicial, pois dependendo das mudanças atmosféricas o sinal pode ser desviado. A Figura 16 ilustra um sinal de origem que sofre com a reflexão e a refração.
Figura 16: Reflexão e refração de ondas de rádio Fonte: FARIAS, 2006
Difração
A difração se assemelha a uma pedra jogada no lago, que cria ondas e que se propagam na água, e que quando se deparam com os obstáculos essas ondas tem a tendência de contornar esses obstáculos, vide Figura 17.
O princípio de Huygnes (Christian Huygens) estabelece que os pontos da frente de onda inicial, ao tocarem um obstáculo, se tornam fontes secundárias de ondas esféricas e a combinação entre elas produz uma nova frente de onda que se estende em todas as direções com a mesma velocidade, frequência e comprimento de onda, que a frente de onda que as precede (SANSHES, 2005, p. 64).
Figura 17: Difração de uma onda em uma montanha Fonte: http://wndw.net/
Espalhamento
Ocorre em superfícies irregulares onde as dimensões são menores que comprimento de onda. Ele é difuso (vide Figura 18) e é produzido normalmente por superfícies muito ásperas, por pequenos ou por folhagem (nesse caso só se deve considerar o efeito das folhagens para instalações de rede sem fio externa).
“O espalhamento acontece quando no meio pelo qual as ondas viajam existem objetos com dimensões pequenas quando comparados ao comprimento de onda, e onde o numero desses objetos por volume de unidade é muito grande. O espalhamento das ondas é produzido por superfícies ásperas, objetos pequenos, folhagens, etc.” (SANSHES, 2005, p. 159).
Figura 18: Espalhamento de sinal Fonte: FARIAS, 2006
Absorção
É quando o sinal de da OEM atingi um objeto e é absolvido pelo material, sem atravessar, refletir ou contorna. Quando ondas eletromagnéticas penetram alguma coisa, elas geralmente enfraquecem ou deixam de existir. O quanto elas perdem de potência irá depender de sua frequência e, do material que penetram.
Interferência
Quando trabalhamos com ondas, estamos sujeito a interferências do ambiente e de outros sistemas que atuam na mesma área e/ou frequência. A interferência é como o nome sugere, ela interfere e prejudica a comunicação entre sistemas. Assumem-se dois tipos de interferência, ambas são ilustradas na Figura 19: a construtiva, quando os picos acontecem simultaneamente; e a destrutiva, é inverso do que acontece com a interferência construtiva.
“Para que trens de ondas possam ser combinados, cancelando perfeitamente um ao outro, eles necessitam ter exatamente o mesmo comprimento de onda e uma relação fixa de fase, ou seja, posições fixas entre os picos de uma onda e a outra.” (http://wndw.net/, p.21).
Figura 19: Interferência construtiva e destrutiva Fonte: http://wndw.net/.
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