Seção: Tutoriais Banda Larga

 

Wi-FI e WiMAX II: Propagação e Segurança

 

Características do Meio de Propagação

 

Sem o pleno conhecimento dos meios de propagação não seria possível o desenvolvimento de uma tecnologia como o WiMax. Nos próximos itens, são apresentadas as características do meio de propagação.

 

Modelos de Propagação

 

O dimensionamento de sistemas de comunicações sem fio depende basicamente da escolha do modelo de propagação. As três grandes categorias que podem ser citadas são: empíricos, semi-empíricos e teóricos.

  • Modelos empíricos: gerados com base no resultado de campanhas de medidas realizadas em determinados tipos de ambientes e para faixas específicas de valores de parâmetros (alturas de antenas, freqüências, etc.). Costumam apresentar relativa facilidade e rapidez de computação, porém geram resultados tão melhores quanto mais se aproxima a região de projeto da região de medições para obtenção do modelo.
  • Modelos semi-empíricos: gerados também com base em medidas de campo, porém suas equações guardam relação com modelos canônicos de propagação, obtidos da teoria. Como exemplo, há modelos semi-empíricos baseados na atenuação de espaço livre, em que a dependência com a freqüência e distância é da mesma forma, porém a constante aditiva é diferente, obtida por campanha de medições em determinada faixa de parâmetros;
  • Modelos teóricos: criados com base em fundamentos puramente teóricos. Muito usados nos cálculos de enlaces ponto a ponto, incluindo atenuação de espaço livre e formas de se considerar efeitos de difração, reflexão no terreno e rádio-clima.

Com o crescente aumento do interesse por sistemas fixos banda-larga em regiões densamente urbanizadas, com clientes residenciais e em escritórios, cresce o interesse por modelos empíricos que não dependam de descrições detalhadas dos ambientes de propagação e que forneçam resultados rápidos, para uma estimativa do dimensionamento da rede.

 

Antenas (Rádio Freqüência – WiMax)

 

O principal objetivo das antenas é transmitir ou receber ondas de rádio. Os sinais elétricos são convertidos em onda magnética, quando ligados a um transmissor como, por exemplo, um transmissor de TV, rádio, radar e entre outros. Já quando ligadas a um receptor, o processo contrário ocorre convertendo as ondas em sinais elétricos, sendo amplificados e decodificados pelo aparelho receptor.

 

O transmissor produz o sinal na forma de corrente alternada, ou seja, com rápida oscilação, indo e vindo ao longo do seu condutor. A freqüência da oscilação pode ir desde milhares de vezes por segundo até bilhões de vezes por segundo, e é medida em Gigahertz (no caso do WiMax), ao oscilar na antena de transmissão, a corrente produz uma onda eletromagnética em sua volta, que se irradia pelo ar.

 

Quando atinge uma antena receptora, a onda eletromagnética induz nela uma pequena corrente elétrica que se alterna para frente e para trás ao longo da antena, acompanhando as oscilações da onda. Essa corrente é muito mais fraca do que a presente na antena transmissora, mas pode ser amplificada pelo aparelho receptor.

 

A atmosfera encontra-se repleta de ondas eletromagnéticas de várias freqüências, e todas elas atingem as antenas receptoras. Contudo, cada aparelho receptor possui um filtro próprio para captar uma faixa estreita de freqüência, podendo sintonizar um sinal em particular. Ao ser sintonizado na determinada faixa de freqüência o receptor só responde para sinais dessa faixa determinada, excluindo os demais (SILVA 2008).

 

Ocorre uma associação do comprimento de onda com cada freqüência utilizada, deste modo quanto menor o comprimento da onda, maior será a freqüência, e o produto das duas equivale à velocidade da luz. Para que seja eficiente a utilização de uma antena, deve haver uma relação correta entre o comprimento da onda do sinal (transmitido ou recebido) e o seu comprimento físico.

 

Quando se deseja uma maior diretividade da antena, são utilizados refletores parabólicos, que focalizam as ondas em feixes estreitos, permitindo assim a emissão de sinais de boa qualidade. Os refletores parabólicos são muito utilizados em transmissões de comunicações telefônicas, radares, receptação de satélites, entre outros (SILVA 2008).

 

Tipos de Antenas Usadas em WiMax

 

Há dois tipos de antenas que são utilizadas para as aplicações sem fio: omni-direcional e direcional. Omni-direcional são antenas que cobrem 360º no plano horizontal, trabalham bem em áreas amplas ou em aplicações multiponto. Normalmente, esse tipo de antena é utilizado em estações base.

 

Em contrapartida, as antenas direcionais concentram o sinal em uma única direção. Com relação ao sinal, o mesmo pode ser curto ou amplo (longo e estreito), quanto mais estreito for o sinal, maior será à distância. Normalmente, esse tipo de antena é utilizado em estações remotas.

 

A tabela 7 apresenta os tipos de antenas usadas em WiMax.

 

Tabela 7: Tipos de antenas usadas em WiMax.
Tipo Ilustração
Antenas Simples / Standard (PS)

Antenas sem blindagem ou radome, usadas em regiões onde não é necessária alta supressão de níveis de irradiação lateral ou traseira.


Fonte: ALLCNET 2008.
Antenas de Alta Relação Frente-Costas

Antenas com blindagem reduzida e sem radome, indicadas para a grande maioria dos enlaces, pois apresentam alta discriminação de níveis de irradiação traseira a partir de 100 graus, referenciados à direção de apontamento da antena.
N.D.
Antenas de Alto Desempenho

Antenas com blindagem, com elementos supressores de RF no seu interior e com radome. São indicadas para enlaces de grande congestionamento, pois apresentam alta discriminação de níveis de irradiação lateral e traseira.
N.D.
Antenas de Ultra Alto Desempenho

Antenas com blindagem, com elementos supressores de RF no seu interior e com radome. Indicadas para enlaces críticos, principalmente entrada de grandes cidades, pois acrescentam alta discriminação de níveis de irradiação lateral, traseira e principalmente, próxima à direção de apontamento.
N.D.
Antena tipo Yagi

Este tipo de antena foi criado para resistir à ambientes com condições ambientais não favoráveis, como gelo, neve, tempestades e ventos fortes. Seu sinal pode chegar a 30 km, desde que haja condições eletricamente visuais e sua principal função é interligar 2 redes distantes (WIRELESSIP 2008).

As antenas do tipo Yagi são empregadas nos enlaces de rádio internos, pelas dimensões e facilidade de instalação e operação. É muito utilizada quando existe a necessidade de se instalar a antena dentro do próprio escritório, possibilitando que o link seja ativado através de uma das janelas do prédio (quando existem dificuldades técnicas para instalar no topo do prédio ou existe facilidade de visada pela janela).


Fonte: PIGNATTI 2008.
Antena tipo Patch Panel

As antenas Patch Panel podem ser instaladas em ambientes internos ou externos, possuindo a capacidade de atingir grandes distâncias. Este tipo de antena tem formato plano e amplo (MEUCCI 2008).


Fonte: NETWORK 2008.

 

Mecanismos de Propagação

 

Os mecanismos de propagação são os meios pelos quais os sinais são transmitidos, atingindo um determinado raio de propagação, dependendo da freqüência utilizada, do ambiente envolvido e da distância que se deseja atingir.

 

Apresentam-se a seguir algumas das características dos mecanismos de propagação.

 

Difração

 

A Difração ocorre quando uma onda é propagada em uma superfície, e nessa superfície há um obstáculo dotado de estreita abertura. A onda que passará por essa abertura não será afetada e se manterá em linha reta.

 

A difração pode ocorrer com qualquer onda, porém cada tipo de onda terá um sintoma diferente. Nas ondas sonoras, caso uma pessoa esteja atrás de algum obstáculo, que não seja uma porta anti-ruído ou alguma sala que possua o sistema que bloqueia a passagem de som, a voz será ouvida pela outra pessoa que a escuta do outro lado do obstáculo. Há difração também na luz, porém é difícil perceber, pois os obstáculos e aberturas em que a luz incide são normalmente maiores em relação ao seu comprimento de onda (figura 15).

 

Figura 15: Difração.
Fonte: LOURENÇO 2008.

 

É possível explicar a difração pelo princípio de Huygens. Nesse princípio, “quando os pontos de uma abertura ou de um obstáculo são atingidos pela frente de onda eles tornaram-se fontes de ondas secundárias que mudam a direção de propagação da onda principal, contornando o obstáculo” (KISELEV 2008).

 

Reflexão

 

O fenômeno da reflexão consiste na mudança da direção de propagação da energia (desde que o ângulo de incidência não seja 0º). Consiste no retorno da energia incidente em direção à região de onde ela é oriunda, após entrar em contato com uma superfície refletora (SOARES 2008).

 

A energia pode tanto estar manifestada na forma de ondas como transmitida através de partículas . Por esse motivo, a reflexão é um fenômeno que pode se dar por um caráter eletromagnético, óptico ou sonoro.

 

Alguns conceitos de reflexão são:

  • Semi-reta: originada a partir da superfície refletora, situando-se perpendicularmente a esta.
  • Ângulo de incidência: é o ângulo que a direção de deslocamento da energia faz com a normal.
  • Ângulo de reflexão: é o ângulo que a direção que a energia que é refletida faz com a normal.

Interferências

 

Há dois campos em uma onda de rádio: o campo elétrico e o campo magnético. Esses dois campos estão em planos perpendiculares um ao outro. Campo elétrico-magnético é a soma dos dois campos e a energia é transferida continuamente entre os dois campos num processo conhecido como oscilação (figura 16). O plano paralelo ao elemento da antena é chamado Plano-E enquanto que o plano perpendicular ao elemento, chamado de Plano-H (FARIAS 2008).

 

Figura 15: Interferência.
Fonte: FARIAS 2008.

 

Segundo Farias (2008) a relação entre direção, posição e à superfície da terra é capaz de determinar a polarização da onda, que é a orientação do campo elétrico de uma onda de rádio com respeito a sua direção de propagação, e isso é determinado através da orientação e estrutura física da antena. “O campo elétrico, é paralelo ao elemento de radiação de forma que se a antena é vertical a polarização é vertical. Na polarização vertical o campo elétrico está perpendicular a terra e na polarização horizontal o campo elétrico está paralelo a terra.” (FARIAS 2008).

 

Nas WLAN’s utiliza-se a polarização vertical, pois essa técnica diminui as perdas de sinal. Para que isso ocorra, as antenas transmissoras e receptoras devem ser polarizadas da mesma forma, isto é ambas verticalmente ou ambas horizontalmente e normalmente é elíptica. Polarização elíptica ocorre quando a antena varia na polarização da onda de rádio que está transmitindo ao longo do tempo.

 

Segurança

 

A subcamada de segurança está localizada abaixo da subcamada MAC, e tem a responsabilidade de fornecer a segurança das transmissões entre as estações dos clientes e a estação base.

 

Para que essa subcamada consiga controlar os acessos, a utilização de protocolo de gerência de chaves e métodos de autenticação baseado em certificados digitais e de criptografia se faz necessária.

 

Com a autenticação das estações dos clientes e utilizando a técnica de criptografia do tráfego entre as estações base, é possível evitar o roubo de serviços e evitar também o acesso não autorizado aos dados transmitidos.

 

Durante o processo de validação do acesso, caso ocorra alguma ameaça a estação base, o acesso poderá pular o processo de autenticação e criptografia e negar o solicitação de acesso à estação (ESPOSITO 2008).