Redes sem fio

Aula: 01 Histórico e Contextualização das Redes Sem Fio

Definição E Requisitos De Uma Rede Sem Fio

Uma vez selecionada a modalidade de rede sem fio para suporte à uma determinada aplicação, em telecomunicações, é necessário verificar quais requisitos são necessários para suporte à aplicação e ao modelo de negócios, antes de escolher qual será a tecnologia aplicada.

A seguir analisarmos os requisitos mais frequentes:

·         Área de cobertura: Deve-se considerar a área de cobertura a ser abrangida, principalmente se será uma cobertura para ambientes confinados (indoor) ou para regiões abertas (outdoor). Em cada caso existem tecnologias mais apropriadas, por exemplo o padrão Wi-Fi foi desenhado para cobertura indoor e, um outro padrão, o WiMAX IEEE 802.16 foi desenhado para cobertura outdoor, mas isso não impede que sejam utilizados em ambientes diferentes para os quais foram desenhados. Indica apenas que sua máxima performance será obtida no ambiente para o qual foi desenhado.

Nas redes outdoor deve-se adicionalmente, verificar se há necessidade de ‘penetração indoor’ ou seja que o sinal da estação rádio base externa penetre nas estruturas das edificações à sua volta, isso limita o raio de cobertura e exige a utilização de níveis de potência adequados.

Também é necessário calcular quantas estações rádio, ou satélites, serão necessários para cobrir toda a região de interesse, seja ela indoor ou outdoor.

·         Largura de Banda: Este requisito limita a banda total líquida (througput) entregue ao terminal (taxa de donwlink), e a banda total líquida (througput) que o terminal pode entregar à rede (taxa uplink).

Todavia, esse não é um parâmetro de fácil obtenção pois dependerá de outros parâmetros como potência do sinal, níveis de interferência, quantidade de terminais concorrentes na mesma portadora de acesso (canal de rádio a que está associado), comportamento estatístico do tráfego dos demais terminais e capacidade máxima (taxa de pico) de cada da portadora.

Após todas as considerações de projeto é possível obter um valor típico de througput médio esperado para cada usuário. Se este valor típico suportar a aplicação ela poderá ser cursada.

Por exemplo, aplicações de voz digitalizada com Codec ITU-T G.711, necessitam de pelo menos 60kbps de uplink e de donwlink ao mesmo tempo para a emulação de VoIP. Se for necessário enviar um canal de TV digitalizado em Standard Format ou SD compactada por H.264 é necessária uma rede que suporte largura de banda de pelo menos 4Mbps na média com picos de 8Mbps.

·         Capacidade: O conceito de capacidade está relacionado ao througput máximo concentrado, tanto de downlink como de uplink, de todos os usuários sobre o ponto de acesso. Por consequência a quantidade de usuários suportado pode ser estimada a partir da capacidade máxima de dados cursados pelo ponto de acesso dividida pelo perfil de consumo de banda (obtido estatisticamente) , ou por uma limitação programada da banda passante de dados média por usuário.

Existem vários modelos matemáticos para se calcular a capacidade de uma rede sem fio, eles variam conforme a tecnologia e conforme as características do serviço que será oferecido.

·         Duplexação (Direcionalidade): A duplexação tem haver com a direção da comunicação, quando a comunicação ocorre apenas em um sentido, por exemplo como ocorre com as redes de broadcast de TV digital a duplexação é classificada como Simplex.

Em relação ao terminal sem fio, quando a comunicação ocorre tanto no sentido da recepção, downlink, quanto no sentido da transmissão, uplink, simultaneamente, como ocorre nas redes digitais de telefonia celular tipo GSM, a duplexação é classificada como Full-Duplex.

Em relação ao terminal sem fio, quando a comunicação ocorre tanto no sentido de recepção, downlink, como no sentido de transmissão, uplink, entretanto de forma não simultânea, hora recebendo, hora transmitindo, como ocorre com as redes Wi-Fi, a duplexação é classificada como Half-Duplex.

As diferentes tecnologias de rede sem fio utilizam diferentes esquemas de duplexação, a análise deste requisito é necessária para se avaliar se há necessidade de comunicação bidirecional e caso haja se a aplicação é sensível aos intervalos de tempo do esquema Half-Duplex.

Esquemas Half-Duplex tem se demonstrado mais eficientes no uso do canal em aplicações de comunicação dados, pois o tráfego de dados, estatisticamente possui maior vazão em um dos sentidos raramente sendo simétrico. No caso de aplicações de telemetria e telecomando o uplink prevalece, no caso de aplicações de acesso à Internet o downlink prevalece. O uso de esquema de tráfego simétrico para aplicações não simétricas implica em ociosidade no uso da banda de uma das direções.

·         Número de Nós: O número de nós da rede influencia na escolha da tecnologia a será adotada e no dimensionamento da infraestrutura.

Cada ponto de acesso suporta um número limitado de terminais, logo podem ser necessários vários pontos de acesso para atender uma determinada quantidade de terminais, o perfil de  tráfego dos terminais pode motivar o redimensionamento da capacidade do backhaul e do backbone.

·         Espectro de Operação: O espectro está diretamente relacionado às condições de propagação adequadas à aplicação. Quanto mais baixas as frequências menor é sua atenuação no espaço livre, maior a capacidade da onda em contornar obstáculos, logo maiores são as distâncias percorridas pela onda entre transmissor e receptor, para uma mesma atenuação. Também são melhores as condições de penetração em edificações.

Entretanto, nem sempre é desejável que a cobertura de uma estação rádio ou de um ponto de acesso seja muito grande. Por exemplo, quando se ativa um ponto de acesso Wi-Fi em um edifício, não se deseja que a portadora penetre em todos os andares da edificação, nem mesmo que ela se expanda além dos cômodos onde estão as estações terminais. Neste caso é utilizado espectro com canais em frequência mais alta, como GHz.

A escolha do espectro de operação também influencia no tamanho e na complexidade das antenas. Quanto maior a frequência de operação de um canal, menores são as antenas utilizadas, por isso que aplicações de comunicações pessoais sem fio ou com transceptores pequenos operam em geral com frequências na faixa de microondas.

·         Mobilidade: A mobilidade é um requisito essencial para a análise de comportamento do canal de rádio e para os cálculos de enlace. O modelo de comportamento de um canal móvel, inclui margens de potência adicionais nos cálculos de enlace em comparação com os cálculos para estações fixas.

A mobilidade pode ser classificada em nomadicidade e mobilidade plena. Na nomadicidade a região de cobertura é composta por vários pontos de acesso, cada área de cobertura de um ponto de acesso  é chamada de célula, a estação terminal pode se associar a qualquer célula da rede e se mover dentro da região de cobertura de uma célula, todavia não pode passar de região de cobertura de uma célula para outra sem perder a conexão.

Na mobilidade plena, a estação terminal pode se mover em toda região formada pelas áreas de cobertura de cada célula e realizar procedimentos de troca de célula sem reassociação ou perda de conexão, chamados de handover ou handoff.

Na análise dos requisitos de mobilidade também devem ser pesquisada as velocidades máximas envolvidas cada tecnologia de rede sem fio móvel possui sua limitação.

·         Licenciamento de Espectro: Quanto ao licenciamento de espectro existem dois modelos de uso: espectro não licenciado e espectro licenciado.

Para o espectro não licenciado não é necessário solicitar licenças e pagar tarifas de instalação ( TFI ) e tarifas de funcionamento (TFF) é necessário apenas que os transceptores utilizados estejam homologados pela Anatel.

Existem bandas de espectro não licenciado em várias faixas, por exemplo 2.4GHz, 5.8GHz, 900MHz etc. Estas bandas são chamadas de bandas Industrial Scientific Medical (ISM), o Wi-Fi foi desenvolvido para operar principalmente nas bandas de 2.4GHz e 5GHz.

Existem muitos telefones sem fio operando na banda de 2.4GHz o que gera interferência no Wi-Fi, este é um exemplo de ônus para as redes sem fio em banda não licenciada, a interferência. Como o uso desta banda não é fiscalizado, não há garantias de que ela não esteja interferida e não é possível requerer a desativação de uma fonte interferente de um equipamento homologado, mas em posse de terceiros operando sobre o mesmo canal de rádio.

Já a operação em banda licenciada apesar dos custos junto á Anatel, representa uma segurança maior de que o canal de rádio não será interferido, e de que será possível manter uma Qualidade de Serviço QoS adequada. Empresas podem solicitar canais de operação do Serviço Limitado Privado (SLP) para operar suas redes sem fio. Outro caminho para lançar uma aplicação sobre banda licenciada é alugar rede de uma Operadora de Telecomunicações que já possua Outorgas no Brasil, assim é possível alugar banda em um transponder satelital, lançar uma rede privada de dados sem fio sobre a infraestrutura de telefonia celular digital 2G, 3G ou WiMAX.

·         Segurança: Os principais problemas de segurança nas redes sem fio dizem respeito à interceptação de informações e ao “jamming” (interferência lançada com o objetivo de derrubar uma operação).

Devido á impossibilidade de blindar o sinal de rádio entre o transmissor e o receptor, a camada física das redes sem fio pode ser ‘escutada’ por qualquer um que possua um receptor na mesma frequência e um demodulador equivalente. Para evitar que a informação trafegada nesta rede seja interceptada faz-se uso de técnicas de criptografia.

Em redes sem fio digitais os bits são submetidos a algum algoritmo de criptografia de forma que a informação criptografada possa ser aberta apenas pelo receptor autenticado que possua a chave decriptografia.

Para combater o ‘jamming’ os os transceptores devem possuir a função de seleção automática de canais e modificarem o canal de rádio utilizado caso os níveis de interferência ultrapassem o limite previamente configurado. Todavia se o jamming for potente em todos os canais da banda de operação não há alternativa.

Em redes sem fio em que á um procedimento de associação como no caso do Wi-Fi também ocorre o risco de algum intruso tentar se fazer de usuário autorizado.

·         Autonomía de bateria do terminal: A autonomia de bateria está relacionada a fatores como: potência do transmissor, protocolo de comunicação, tecnologia da bateria, mobilidade, características da aplicação etc. Este requisito pode variar muito, algumas aplicações em  tecnologias de telemetria e telecomando como ZigBee possuem requisitos de mais de 20 anos de autonomia, enquanto algumas aplicações embarcadas em mísseis antiaéreos, por motivos óbvios necessitam de autonomia de apenas alguns segundos.

A bateria pesa nos custos dos terminais, isso gera problemas quando se integram tecnologias diferentes sobre um mesmo terminal. A exemplo, para um chamado SmartPhone sua bateria está dimensionada para alguns dias de operação como telefone celular, todavia quando opera como terminal Wi-Fi, mesmo que para prover serviço similar como o VoIP, com outro protocolo e outros níveis de potência sua bateria se descarrega em algumas horas.

Logo o consumo, portanto a autonomia de bateria está diretamente associada à aplicação e à tecnologia de rede sem fio sobre a qual a aplicação é entregue.

·         Custos de infraestrutura e terminais: Se a aplicação desejada puder rodar sobre uma tecnologia padronizada e com grande base de usuários, ou seja massificada, os ganhos de escala da adoção dessa tecnologia irão reduzir bastante os preços da rede.

Por exemplo as tecnologias Wi-Fi e ZigBee, são tecnologias padronizadas pelo IEEE e pelos respectivos fóruns, possuem uma base instalada de milhões de terminais e centenas de fabricantes homologados. Ou seja os custos de implementar uma rede sobre essas tecnologias tendem a ser menores do que utilizando-se soluções proprietárias.

Também é possível obter custos reduzidos em terminais se a opção for o uso de módulos de comunicação com tecnologias GSM/EDGE, EVDO ou WCDMA/HSPA, que possuem base de bilhões de terminais pelo mundo.

·         Topología da Rede: A topologia é a forma com que os terminais se interligam ou se comunicam com uma estação base. Os modos de enlace mais comuns são: ponto-a-ponto e ponto-multiponto.

As topologias ponto-a-ponto são compostas de enlaces entre dois nós de rede, em geral essa topologia é utilizada em redes fixas com parâmetros de enlace bem definidos e comportamento previsível para o canal de rádio. Um exemplo típico desse tipo de topologia seria a interligação de dois prédios por uma rede de dois nós posicionados no topo do edifício. Esses dois nós podem ser dois transceptores utilizando tecnologia de laser na faixa de infravermelho. Para esse enlace todos os cálculos de variações meteorológicas já foram realizados e a disponibilidade, bem como a taxa de transmissão mínima já encontram-se calculadas para o ano todo.

As topologias ponto-multiponto são mais comuns em redes sem fio móveis e com muitos terminais, nesta topologia uma estação central, que pode ser chamada de estação rádio base, repetidora ou de ponto de acesso intermedia a comunicação de cada estação terminal com o backbone da rede e intermedia o envio das comunicações entre as estações da rede. Neste modo a banda passante do canal é dividida entre todos os terminais, a forma com que esta banda é dividida depende da tecnologia utilizada.

Também existe uma topologia não estruturada em que cada terminal também pode se comportar como um nó de rede assumindo o papel de roteador. Neste caso são montadas as chamadas redes Mesh. Em uma rede Mesh não há uma topologia bem definida e cada elemento agrega o seu tráfego mais o tráfego de roteamento no transmissor, por óbvio com maior consumo de bateria e protocolos mais complexos.

·         Modo de configuração: Toda rede precisa de configurações para ativação, tipo: canal, potência, alguns temporizadores de protocolo etc. Porém existem redes em que não haverá condições de se manter um monitoramento e operação pelas condições físicas ou por limitações de custo. Neste caso são necessários recursos de rede mais avançados que permitam a autoconfiguração da rede, com ajustes automáticos de potência, seleção automática dos melhores canais etc. Permitindo que caso as condições de operação se alterem a rede possa se adaptar sem a intervenção de um operador humano.

Esses recursos são bastante úteis principalmente quando se está utilizando banda não licenciada, pois de um dia para o outro o canal de operação selecionado pode ser interferido, havendo a necessidade de escolha de outro, ou que pelo aumento do número de terminais haja necessidade de solicitar um ajuste das potências desses terminais para reduzir a interferência etc.

Comparativo entre redes sem fio e redes confinadas (cabo)

Não existe uma métrica apropriada de comparação entre redes cabeadas e redes sem fio pois tratam-se de tecnologias diferentes com características e aplicações diversas, analogamente seria como comparar um avião a uma locomotiva. Todavia as redes são meios de transporte de dados e a evolução das redes sem fio e redes cabeadas guarda algumas tendências que podem ser objeto de comparação de performance.

A primeira tendência é que para aplicações de um mesmo domínio PAN, LAN, MAN ou WAN, a tecnologia substituta sem fio ou seja a (Wireless) WPAN, WLAN, WMAN ou WWAN, apresenta as seguintes vantagens: menor custo de infraestrutura, implementação mais rápida, alcance maior, melhor intervenção no meio, flexibilidade de alteração de leiaute, mobilidade do terminal entre outras. Todavia a tecnologia cabeada apresenta vantagens tipo: maior vazão de dados (througput), maior controle do QoS, maior controle de acesso pois depende de uma tomada física e não é possível invadir a rede pelo ar, menor custo para os terminais ou placa de rede entre outras.

Para a correta seleção de uma solução por redes cabeadas ou sem fio, é necessário um estudo profundo dos modelo de negócio e dos requisitos da aplicação. Em geral as redes sem fio são utilizadas onde há baixa concentração de demanda de tráfego de dados e as redes cabeadas em aplicações de alta concentração de tráfego. Também costuma-se escolher uma rede sem fio quando há necessidade de lançamento rápido. Outra característica da rede sem fio é que para uma mesma classe de rede, seus terminais ou placas de rede são mais caros, isso implica que para uma rede com muitos terminais em um espaço concentrado as contas vão tender a favorecer uma infraestrutura cabeada.

Classificação das redes sem fio: WPAN, WLAN, WMAN ou WWAN

Correlação direta com o seu alcance e alguma correlação com a capacidade de terminais que a rede pode suportar. O alcance e a capacidade crescem do WPAN para o WWAN. O quadro comparativo a seguir ilustra as principais aplicações e tecnologias utilizadas para prover serviço a estas redes.

No quadro são agrupadas as condições de alcance, vazão ( througput), os padrões de tecnologia mais utilizados para o atendimento a esse tipo de rede e uma descrição das principais aplicações que rodam em cada tipo de rede.

Para melhor ilustrar o principal fator de classificações das redes sem fio, alcance, a imagem  a seguir representa isso graficamente. Sua interpretação leva a não apenas entender o raio de cobertura de cada classe de rede mas também a considerar que redes de maior alcance também podem atuar no raio das redes de menor alcance. Ou seja uma aplicação de WPAN pode ser realizada por uma WLAN pois o raio de cobertura da WLAN é maior e também abrange a WPAN, seguindo o mesmo raciocínio para as outras redes de maior alcance.

Então por que tantas camadas, não seria melhor apenas uma única rede WWAN capaz de suportar desde o mouse sem fio até as chamadas internacionais?

Não porque para cada classe de rede existe um hardware específico cujo valor varia muito, pois quanto menor a rede menor a complexidade de protocolos e controle, logo mais barata é a interface de rede. Por exemplo, um adaptador para WPAN Bluetooth custa em torno de 10 vezes menos que um Dongle de Dados para rede celular 3G.

Conceito de sinais analógicos, digitais e periódicos

·         Sinais Analógicos:  Os sinais analógicos apresentam variação contínua no tempo ou espaço e diversos níveis de estado. Podem ter um conjunto infinito de valores num intervalo de tempo qualquer.

o   Sinal analógico (senoidal):

a) no domínio do tempo;

b) no domínio da freqüência

·         Sinais Digitais:  Os sinais digitais apresentam variação abrupta (discreto no tempo) e com no mínimo de dois níveis de estado. Possuem apenas um conjunto limitado de valores:

o   Sinal digital binário no domínio do tempo.

o    Sinal digital binário no domínio da freqüência.

·         Sinais Periódicos e Não periódicos:  Sinal periódico completa um padrão dentro de um período de tempo. Tanto os sinais analógicos, quanto os digitais podem ser periódicos.

Em comunicação de dados utilizamos geralmente sinais analógicos periódicos e sinais digitais não periódicos.


Aula: 01 Histórico e Contextualização das Redes Sem Fio

Crescimento das redes wi-fi

Aumento da Confiabilidade;

Aumento da velocidade de transmissão;

Redução dos custos dos equipamentos;

Substituem redes cabeadas e atendem a novas demandas criadas pela evolução tecnológica.

Na realidade, acrescentar ou mover o cabo de conexão de rede para um novo local, rapidamente disponibilizar um novo ponto na sala de reuniões. Certamente para essas mudanças físicas a solução mais viável seria rede sem fio.

Podem imaginar a instalação de uma rede cabeada em um prédio tombado pelo patrimônio histórico?

Como solucionar esse problema?

Simples, rede sem fio.

Exemplos de casos em que podem substituir as redes cabeadas:

1 - Em prédios que não possuem estrutura para cabeamento;

2 - Prédios tombados pelo patrimônio histórico;

3 - Quando o custo é menor do que de uma rede cabeada;

4 - Mudança ou acréscimo de pontos.

Vantagens e desvantagens de rede sem fio:

Vantagens:

- Portabilidade;

- Instalação rápida,  fácil e de baixo custo;

- Possibilidade de criar redes temporárias;

- Instalação em locais de difícil passagem de cabos.

Desvantagens:

Interferências dificultando a transferência de dados;

Segurança das informações trafegadas.

Utilização das redes wi-fi

Para atendermos as novas demandas de mobilidade desses tempos modernos, citaremos a seguir algumas possibilidades com a utilização de redes sem fio:

Disponibilizar acesso à rede para passageiros no saguão de um aeroporto;

Integrar os PDA’s dos garçons com a cozinha em um restaurante.

Telefonia Wi-Fi – realizar ligações a partir de redes wireless, integrando a telefonia legada.

Telemetria a favor dos negócios

Ar Condicionado

Setor: Químico

Objetivo: Monitorar condições de temperatura da sala de servidores (CPD) através da intervenção à distância do ar condicionado.

Tanque de gás

Setor: Distribuição de gás

Objetivo: Controle remoto do nível do reservatório de gás.

Chaves religadoras

Setor: Concessionária de energia elétrica

Objetivo: Implantação de relés de proteção às chaves eletromecânicas: viabilizando a leitura e comando à distância

Comparando redes sem fio e redes confinadas (cabo)

Tecnologias de LAN sem fio

·         LANs infravermelho (IR) - Uma célula individual de uma LAN IR é limitada a uma única sala, pois a luz infravermelha não penetra em paredes opacas.

·         LANs de amplo espectro - Esse tipo de LAN usa a tecnologia de amplo espectro. Na maioria dos casos, essas LANs operam nas bandas ISM (Industrial, Scientific e Medical) de modo que nenhum licenciamento FCC é necessário para seu uso nos Estados Unidos.

·         Micro-ondas de banda estreita - Essas LANs operam em frequência de micro-ondas, mas não usam amplo espectro. Alguns produtos operam em frequências que exigem licenciamento FCC, enquanto outros usam uma das bandas ISM não licenciadas.

Comparativo entre as tecnologias de LAN sem fio

Limitações das tecnologias

A utilização de determinadas frequências e/ou tecnologias ficam limitadas por suas próprias características.

Como exemplo, as LANs com sistema infravermelho precisam de visada livre.

Tipos de Redes

Aula 02: Fundamentos de transmissão de sinais digitais

Conceito de sinais analógicos, digitais e periódicos

·         Sinais Analógicos: Os sinais analógicos apresentam variação contínua no tempo ou espaço e diversos níveis de estado. Podem ter um conjunto infinito de valores num intervalo de tempo qualquer.

Sinal analógico (senoidal):

a) no domínio do tempo;

b) no domínio da freqüência.

·         Sinais Digitais:  Os sinais digitais apresentam variação abrupta (discreto no tempo) e com no mínimo de dois níveis de estado. Possuem apenas um conjunto limitado de valores:

- Sinal digital binário no domínio do tempo

- Sinal digital binário no domínio da freqüência.

·         Sinais Periódicos e Não periódicos: Sinal periódico completa um padrão dentro de um período de tempo. Tanto os sinais analógicos, quanto os digitais podem ser periódicos. Em comunicação de dados utilizamos geralmente sinais analógicos periódicos e sinais digitais não periódicos.

Analise de Fourier (série de Fourier)

O matemático Francês Fourier provou que qualquer sinal periódico expresso por uma função do tempo g(t) e com período T, pode ser considerado como uma soma de senos e co-senos de diversas freqüências, chamada de Série de Fourier, representada da seguinte forma:

Onde f é a freqüência fundamental do sinal, os demais sinais em outra freqüências múltiplas da fundamental são chamadas de componentes do sinal. Assim um sinal de período T terá suas componentes centradas em 0, f, 2f, 3f, sendo f a freqüência fundamental do sinal.

O resultado é que um sinal pode ser representado de 2 formas:

1.No domínio do tempo.

2.No domínio da freqüência a partir de suas harmônicas.

Apesar de nem sempre viável, para a recuperação exata de um sinal deve ser transmitidos vários múltiplos de freqüência através do canal utilizado. E por sua vez o receptor deve ser capaz de recuperar todos os harmônicos.

Ruído e relação Sinal Ruído

O que é Ruído?

Ruído é um sinal aleatório, produzido por fontes naturais. Exemplos de ruídos:

·         Ruído de intermodulação: Sinais de diferentes freqüências no mesmo meio físico. A intermodulação produz sinais em outras freqüências,que podem perturbar outro sinal que trafega naquela freqüência.

·         Crosstalk: Comum em telefone (linha cruzada). É uma interferência entre condutores próximos que induzem sinais entre si.

·         Ruído impulsivo: É não contínuo, com pulsos irregulares, e de grande amplitude, sendo de difícil prevenção. Pouco danoso para transmissão de voz,porém é a maior causa de erros na comunicação digital.

·         ATENUAÇÕES: São as quedas de potência de um sinal devido à distância na sua transmissão.

O que é Interferência?

Interferência é um sinal indesejável, gerado por processos criados pelo homem.

O que são Distorções ?

Distorções é uma mudança na forma de onda devido à resposta imperfeita do sistema em relação ao sinal.

Esses fatores podem ocorrer em qualquer ponto do sistema de comunicação e a ocorrência dos mesmos é estudada no canal de comunicação, raciocinando como se o transmissor e receptor fossem ideais.

Apesar de também ocorrerem no transmissor e receptor, são dimensionados nesses dispositivos nos limites da qualidade aceitável ou possível e, portanto, pode-se ignorá-los no estudo do sistema de comunicação em questão.

Relação sinal-ruído ou razão sinal-ruído

Abrevida por S/N ou SNR (signal-to-noise ratio).

Conceito muito utilizado em telecomunicações, que envolve medidas de um sinal em meio ruidoso, definido como a razão da potência de um sinal e a potência do ruído sobreposto ao sinal.

A potencia de uma onda eletro magnética (EM) é medida em watts, ou mais precisamente pela relação logarítmica da força do sinal dividido por 1 miliwatt [ 10 LOG (Pwatts/0.001) ]. dBm. se referem aos decibéis relativos a um miliwatt ( 1 mW ) de potencia dissipada em uma impedância resistiva de 50 ohms ( definido como o nível de referencia de 0 dB ).

Por exemplo, um sinal de entrada ou de saída pode ser definido em termos de dBm. Similarmente, o ruído de fundo de um receptor pode ser fornecido em dBm.

Tecnicamente a relação sinal-ruído é um termo para a razão entre as potências de um sinal contendo algum tipo de informação e o ruído de fundo:

SNR =  Psinal

            --------

             Pruido

SNRdb = Sdbm - Ndbm

P é a potência média e

A é o valor quadrático médio (RMS) da amplitude.

SNRdB relação sinal ruído em dB

SbBm potência do sinal em dBm

NdBm potência do ruído em dBm

As potências (ou amplitudes) tanto do sinal, quanto do ruído devem ser medidas no mesmo ou em pontos equivalentes em um mesmo sistema, e dentro de uma mesma largura de banda.

Algumas conclusões são óbvias, porém vamos deixar registradas.

Por exemplo:

Equipamento com potência de sinal de 100 W. Agora pense nesse mesmo equipamento com as seguintes potências de ruído 2W e 50W. Não esquecer que o resultado dessa relação é adimensional pois cortamos Watts com Watts.

SNR = 100W/2W = 50

SNR = 100W/20W = 5

Conclusão:

Quanto SNR MELHOR a qualidade do sinal recebido e MENOR a taxa de erros.

Quanto SNR PIOR a qualidade do sinal recebido e MAIOR a taxa de erros.

Capacidade do canal e fórmula de Shannon

Em 1924, Nyquist percebe que até mesmo um canal perfeito tem uma capacidade finita de transmissão.

Se um sinal é transmitido através de um canal de largura de banda B Hz, o sinal resultante da filtragem pode ser completamente reconstruído pelo receptor através da amostragem do sinal transmitido, a uma freqüência igual a no mínimo 2B vezes por segundo

Em 1948, Shannon realizou estudos baseado em um canal sujeito a ruído aleatório (termodinâmico).

O teorema de Shannon estabelece um limite teórico máximo para a taxa de dados em um canal de telecomunicações limitado em largura de banda com ruído.

Quanto maior a relação sinal ruído, melhor a qualidade do sinal e melhorando a qualidade podemos atingir MAIOR taxa de transferência de dados e MENOR taxa de erros.

A relação sinal ruído pode diminuir quando aumentamos a distância do enlace de comunicação. Existem outros fatores que também podem diminuir a relação sinal ruído, equipamentos elétricos, outros equipamentos de telecomunicações e a própria radiação solar, que aumentam o ruído e aumentando o divisor os valores da relação diminuem. A própria atenuação acarreta diminuição da relação sinal ruído, pois aumenta o ruído.

PDF - 20RSF_aula02_doc02.pdf

·         Meios confinados:   O sinal elétrico transportado por uma linha de transmissão fica sob o ataque constante de elementos internos e externos. Dentro dessa linha de transmissão os sinais se degradam por causa de diversas características elétricas, inclusive a oposição ao fluxo de elétrons.

·         Meios não confinados (Analógicos ou Digitais): Nos sistemas não confinados, o espaço livre é o meio utilizado para a transmissão de sinais. O que caracteriza tais sistemas é um equipamento de rádio transmissor e um equipamento rádio receptor nos extremos. Inicialmente utilização de HF, a faixa que dram início às comunicações a grandes distâncias.

A finalidade dos sistemas de telecomunicações é a de transformar em um ou mais pontos as informação provenientes de uma ou mais fontes. Numa configuração típica temos:

Transmissor - transformar informação em sinal adequado para trafegar no meio de transmissão.  

Meio de transmissão ou canal - meio no qual o sinal é transportado.

Receptor - captar, selecionar e condicionar o sinal decodificando-o e transformando-o, quando possível na informação original num formato adequado para o destino da informação.

Componentes de um sistema de comunicação digital

Alguns autores definem um sistema básico de comunicação de dados como sendo composto por cinco elementos:

PDF 20RSF_aula02_doc03.pdf

Modulação: Variação de um parâmetro de uma onda portadora senoidal, de maneira linearmente proporcional ao valor instantâneo do sinal modulante ou informação, com o objetivo de facilitar a transferência de informação através do meio.

Por exemplo:

– Uma estação de radio imprime (codifica) o som de uma musica em uma onda de rádio (processo de modulação). A estação de radio transmite essa onda de rádio com o dado codificado (musica) em certa freqüência através de uma antena. A antena de seu carro capta as ondas transmitidas conforme a freqüência que você sintonizou no seu carro. O rádio por usa vez, decodifica os dados impressos naquela onda e toca aquela informação através dos alto-falantes.

Portadora: Onda senoidal que, pela modulação de um dos seus parâmetros, permite a transposição espectral da informação (ou sinal modulante).

Como a portadora senoidal tem três parâmetros: Amplitude,

Freqüência e Fase, existem três formas básicas de modulação:

• Modulação em Amplitude AM,

• Modulação em Freqüência FM e

• Modulação em fase PM.

Modulação e demodulação

Fases para transmissão de uma informação:

• Uma portadora é gerada no transmissor;

• A Portadora é MODULADA (modificada) com a informação a ser transmitida;

• A onda portadora é transmitida no meio;

• No receptor, mudanças confiáveis detectadas no sinal são DEMODULADAS (recuperam o sinal original).

  

Aula 03: Fundamentos de rádio comunicação

Introdução

Para melhor entendimento da propagação de sinais de rádio frequência, é necessário conhecer os conceitos de propagação de acordo com a frequência, atenuação, ganho, perda de sinal e técnicas de modulação e codificação de sinais. Deve-se conhecer as características das antenas e sua aplicabilidade, seu diagrama de irradiação e seus principais parâmetros técnicos, bem como conhecer os fundamentos de rádio comunicação.

Esse estudo requer conhecimentos matemáticos para diversos cálculos e também os limites estabelecidos para operações de equipamentos de radio frequência em território nacional.

Conceitos de transmissão eletromagnética e propagação

Ondas Eletromagnéticas.

A corrente elétrica ao passar por um meio condutor gera alguns efeitos, como os seguintes:

·         Efeito Térmico: Aquecimento do condutor

·         Efeito Luminoso: Por exemplo lâmpadas incandescentes

·         Efeito Químico: A cromagem por exemplo.

·         Efeito Magnético: O condutor percorrido por uma corrente elétrica cria, na região próxima a ele, um campo magnético.

·         Campo Magnético: É toda região ao redor de um imã ou de um condutor percorrido por corrente elétrica.

As ondas eletromagnéticas são formadas pela combinação dos campos elétrico e magnético em movimento, os quais se propagam perpendicularmente um em relação ao outro.

 O campo magnético variando com o tempo, gera um campo elétrico, que varia com o tempo, o qual gera um campo magnético.

Como o processo se repete a onda se propaga pelo espaço com a velocidade da luz.

• Eletroímã e o dínamo SAP exemplos de como esses campos se relacionam.

• Essas ondas eletromagnéticas são utilizadas para a transmissão de dados sem fio,

   conforme  exemplificado no diagrama da antena dipolo.

Ondas eletromagnéticas, em geral, se diferem uma das outras quanto ao valor da freqüência de propagação e quanto à forma que são produzidas. Como exemplo, raios ultravioleta são emitidos por átomos excitados, com freqüências superiores às visíveis pelo ser humano.

ULTRAvioleta – acima da freqüência da cor violeta.

INFRAvermelho – abaixo da freqüência da cor vermelha.

Polarização:

Ondas eletromagnéticas possuem um plano elétrico (E) e um plano magnético (H), que são normalmente perpendiculares entre si. A orientação do plano elétrico é usada para definir a polarização da onda, ou seja, se o campo elétrico esta orientado perpendicularmente a superfície da terra a onda esta verticalmente polarizada e se ele está paralelo a superfície da terra a onda esta horizontalmente polarizada. As vezes o campo elétrico gira com o tempo e neste caso dizemos que ele esta polarizado circularmente.

Espectro Eletromagnético

O uso do espectro de freqüência é controlado pelas autoridades governamentais através de processos de licenciamento.

Autoridades internacionais

·         FCC: Federal Communications Commision.

·         ERO: European Radiocommunications Office

·         IEEE: Institute of Electrical and Electronics Engineers.

·         ITU: International Telecommunication Union.

Autoridade nacional

·         ANATEL: Agência Nacional de Telecomunicações (administrativamente independente).

Espectro eletromagnético

• É o intervalo que contém as radiações eletromagnéticas, desde as ondas de rádio aos raios gama.

Frequências livres (ISM) e licenciadas

Banda ISM

Ondas Magnéticas podem se propagar em todas as direções e por longas distancias (de acordo com a freqüência ) e são capazes de atravessar barreiras. Um problema então é o compartilhamento de freqüências ou bandas do espectro eletromagnético. Assim se torna necessário o controle centralizado.

A Anatel concede licenças de utilização em determinado território de acordo com a tecnologia escolhida.

No caso de redes sem fio, existem três bandas de freqüências que podem ser utilizadas sem licenciamento: 900MHz, 2,4 Ghz e 5 GHz.

Aplicações:    sistema de travamento de porta de veículos;  dispositivos médicos e outros.

O requisito obrigatório para utilização compartilhada destas bandas é que a potencia máxima dos sinais não pode exceder a 1 W. Isto limita a faixa de utilização do equipamento e evitam interferências entre dispositivos que compartilhem esta freqüência em outras regiões

Conceitos de matemática usada em radiofreqüência

Vamos recuperar alguns conceitos matemáticos utilizados em cálcuos para radiofreqüência.

Lagaritmo: O logaritmo de a na base b, (Loga b=c, por exemplo Log2 8), é o expoente a que b deve ser elevado para que o resultado seja a

(a  = b, no exemplo 2³=8)

ou

A que número 2 deve ser elevado para que o resultado seja 8? 3, então

Log2 8 = 3 (lê-se log de 8 na base 2 é igual a 3)

Exemplo:

Se 10³ = 1000 então Log 1000 = 3

Quando a base não estiver explícita ela é = 10.

No caso de utilizarmos calculadoras onde não podemos colocar a base na função logarítmica?

Obs: Na calculadora a tecla de log, normalmente, é relativa à base 10

Exemplo:

Log   1000 = log    1000 / log    2 = 3 / 0,30 = 10

Log   250 = log    250 / log    5 = 2,3979 / 0,6989 aproximadamente 2,4 / 0,7 = 3,4

Genericamente falando:

Log      valor  =  log    valor/ log    base

Decibel – dB

O dB é uma expressão usada para representar a relação entre dois sinais. Os sinais podem ser tensão(volts-V), corrente(amper-A) ou níveis de potência(watts-W).

                        P medida

dB= 10 log    ---------------

                       P referência

Podem ser as unidades de referencia citadas na tabela ou até mesmo o ganho de uma antena.

Por isso as derivações, como o dBW, dBm, dBi.

Exemplo 1:

Um sinal de potência de 10 watts é aplicado a uma longa linha de transmissão. A potência medida no fim da carga é de 7 watts. Qual é a perda em decibéis ?

Solução:

dB = 10 LOG ( P final / P inicial )

dB = 10 LOG ( 7 / 10 )

dB = 10 LOG ( 0.7 ) = (10)(-0.155) = -1.55 dB

Note que o sinal da resposta, -1.55 dB, é negativo.

Negativo indica que a relação representa uma perda.

Se a taxa representasse um ganho o número seria positivo.

Exemplo 2:

Um sinal de potência de 15 watts é aplicado a uma longa linha de transmissão. A potência medida no fim da carga é de 10 watts. Qual é a perda em decibéis ?

Solução:

dB = 10 LOG ( P final / P inicial ) dB = 10 LOG ( 10 / 15 ) dB = 10 LOG ( 0.666 ) = (10)(-0.176) = -1.76 dB

Note que o sinal da resposta, -1.76 dB, é negativo.

Negativo indica que a relação representa uma perda.

Se a taxa representasse um ganho o número seria positivo.

Vamos recuperar alguns conceitos matemáticos utilizados em cálcuos para radiofreqüência.

Características gerais dos vários tipos de propagação

A escolha da freqüência portadora é suma importante, definindo diversas características de propagação do sinal

O próprio alcance do sinal está relacionado com sua potência associada às características da freqüência escolhida.

Independentemente da baixa ou alta freqüência não ficam imunes aos equipamentos elétricos e motores.

Alguns exemplos:

Transmissão de Rádio

Fáceis de serem geradas e podem percorrer longas distâncias, além de penetram facilmente nos prédios. Mesmo assim estão atreladas à característica frequência:

Baixas freqüências, como o comprimento de onda é grande, atravessam obstáculos com maior facilidade, mas a potência diminui drasticamente à medida que a distância aumenta.

Altas frequências comprimento de onda muito pequeno, quase se transformando em um “sólido”, tende a ter dificuldades em atravessar obstáculos, geralmente viajando em linha reta.

Transmissão de Microondas

Trafegam praticamente em linha reta.

Para obtenção de maiores distâncias, deve ser utilizada torres mais altas, e as antenas devem estar perfeitamente alinhadas.

Como sua faixa de freqüência são maiores que as ondas de rádio, menor será sua imunidade a obstáculos. Outra característica é a absorção pelas águas das chuvas.

Transmissão de Ondas de Infravermelho

Utilizadas em curto alcance, não atravessam paredes sólidas.

Propagação no espaço livre: atenuação, difrações

Propagação em Espaço Livre

Em linhas gerais a propagação em espaço livre é dita propagação na atmosfera, que o mais freqüentemente utilizado. Faz-se uso de antenas para a transformação de energia guiada em energia irradiada, que pode ser concentrada em uma direção ou em diversas direções.

Podemos concluir que o canal fisco dessa propagação é o espaço livre entre as antenas transmissora e receptora, sendo considerado um canal aberto.

Atenuação

A atenuação é a diminuição da intensidade do sinal ao atravessar um obstáculo, como resultado da absorção da energia, da reflexão, e da divergência do feixe, distribuindo a energia sonora em uma área maior. É diretamente proporcional à freqüência do emissor, ou seja, quanto maior a freqüência do emissor maior será a atenuação do feixe. Para compensar a atenuação os equipamentos possuem recursos de ampliação, denominados controles de ganho.

Difração

Esse efeito que pode ocorrer em decorrência da interação da onda eletromagnética com partículas que se comportam como ondas. É a dispersão da onda em torno de um obstáculo.

Nesta situação a reflexão gerada não se dá preferencialmente numa única direção, mas ocorre em ondas esféricas (espalhamento).

Por trás do obstáculo se formará uma zona de interferência (onde as ondas se sobrepõem, podendo tanto se reforçarem como se cancelarem), enquanto que a parte desobstruída do bordo anterior da onda prossegue em sua direção original.

Assim, difração é a mudança da direção da onda quando a mesma passa junto a um obstáculo. Seu efeito prático é uma diminuição na potência do sinal na área de sombra, e um padrão perturbado numa curta distância fora dessa área sombreada.

Zonas de Fresnel

Fresnel estabeleceu que a quantidade de energia transmitida no espaço livre esta contida no volume de um elipsóide, cujo tamanho depende do comprimento de onda e da distância entre as antenas. Em geral os enlaces ponto a ponto utilizam altas freqüências requerendo cada vez mais uma visada livre.  Visada livre não significa podermos de uma antena enxergar a outra, é necessário uma área maior desobstruída, e quanto maior a distância do enlace maior será essa área. Importa para efeito prático que uma visada é considerada direta quando a primeira zona de Fresnel está desobstruída, pois dentro dessa encontra-se 97% da potência transmitida.

Caso algum obstáculo natural (montanha) ou artificial (edifícios) esteja dentro da primeira zona, haverá atenuação severa no sinal recebido, provocando perda de informação podendo chegar a interrupção total do mesmo. Existem formulas matemáticas para o cálculo das elipsóides de Fresnel bem como atenuação imposta por obstáculos que invadam estas Zonas. A solução em alguns casos é elevar a altura das torres. Esses cálculos não participarão da constituição de provas, mas serão apresentados a seguir para conhecimento e percepção da influência do fator distância.

Zonas de Fresnel

Para calcular o raio da primeira zona de Fresnel utilizamos a seguinte formula:

Onde:

Rn é o Raio de Fresnel, n o número do raio, d1 e d2 são as distâncias até o ponto e assim como lâmbda estão em metros. Ou ainda:

Onde:

D é a distância total em km, f a freqüência em MHz e d1 e d2 a distância até o ponto em km.

Conceitos básicos de uma antena, a antena isotrópica e diagrama de radiação

Antena isotrópica é aquela que irradia igualmente em todas as direções. Os diagramas de irradiação vertical e horizontal são em forma de circunferência, pois o diagrama no espaço seria equivalente a uma esfera.

Essa antena é um modelo teórico não existe antena ideal, e sua finalidade é servir como padrão de referência na medição de outras antenas, embora alguns fabricantes considerem a antena dipolo um elemento bem melhor como padrão de referência, porque ela é uma antena real e não imaginária. Os valores expressos em dBi (de isotrópica) ou dBd (de dipolo).

O diagrama de irradiação nada mais é do que o mapeamento da distribuição de energia irradiada, levando em conta o campo tridimensional. Pode ser confeccionado através em campo ou através de simulação computacional.

Geralmente a radiação de uma antena é mensurada através da unidade dBi, quando a referência é a isotrópica. Esse diagrama representa graficamente o comportamento da antena quanto a sua irradiação. Apesar de ser tridimensional, o diagrama é comumente encontrado nos planos horizontal e vertical.

Linha de visada, Curvatura da terra

Atmosfera é o meio gasoso que se estende desde a superfície da Terra até milhares de quilômetros de altitude. Esta é dividida em basicamente três regiões com características bem diferentes:

Observa-se que uma parte desta energia se propaga paralelamente à superfície da Terra, enquanto o restante desloca-se para cima, até que se choca com a ionosfera e reflete-se de volta à Terra. Esta onda refletida, quando alcança a superfície terrestre, reflete-se outra vez em direção às altas camadas da atmosfera, onde pode refletir-se de novo para a Terra

A parte da energia que segue a superfície da Terra denomina-se onda terrestre, as que são refletidas denominam-se ondas celestes ou ionosféricas. As ondas que se propagam em linha reta têm o nome de ondas diretas.

Limites de potência para transmissão em 2,4/5,0 GHz (Res. 506 – ANATEL)

Limites de potência para sistemas de salto de radiofreqüência:

902-907,5 MHz e 915-928 MHz:

• Mínimo 35 radiofreqüências de salto (não coincidentes).

• Limite 35 radiofreqüências de salto:

     - Se menor - potência máxima de pico 250mw.

     - Se maior ou igual - potência máxima de pico 1W.

2.400 MHz a -2.483,5 MHz:

• Mínimo 15 radiofreqüências de salto (não coincidentes).

• Limite 75 radiofreqüências de salto:

     - Se menor - potência máxima de pico 125mw.

     - Se maior ou igual - potência máxima de pico 1W.  

5,150-5,250MHz:

• Valor médio de potência e.I.R.P. 200mw.

• E.I.R.P. Máximo 50mw/mhz.

• Sem transmit Power Control (TPC) 100mW.

5,250-5,350MHz:

• Valor médio de potência e.I.R.P. 200mw.

• E.I.R.P. Máximo 50mw/mhz.

• Sem TPC 100mw.

5.470-5.725mhz:

• Saída do transmissor 250mw.

• Valor médio de potência e.I.R.P. 1w.

• E.I.R.P. Máximo 50mw/mhz.

• Sem TPC 500mw.

5.725–5.850 mhz:

• Mínimo 75 radiofreqüências de salto (não coincidentes).

• Limite 75 radiofreqüências de salto:

     - Se menor – não pode ser utilizado.

     - Se maior ou igual - potência máxima de pico 1W.

Aula 4: Fundamento de radio comunicação – Parte II

Introdução

Nesta aula serão reconhecidas as principais características das modulações digitais utilizadas em redes sem fio (foco em WiFi). Serão entendidas e conhecidas as vantagens e desvantagens das técnicas de modulação por FHSS, DSSS e OFDM. Entenderão e serão capacitados a especificar antenas de transmissão. Deverão diferenciar os tipos de antenas e as principais aplicações.  

Entenderão um diagrama de irradiação de uma antena correlacionando com o alcance. Conceituar potência de transmissão e recepção e a margem de operação de um sistema rádio, calculando a potência necessária para a operação de um sistema de redes sem fio eficiente.

Transmissão por espalhamento espectral

O processo que possibilita que vários sinais possam ser enviados ao mesmo tempo em um mesmo canal, é chamado de multiplexação. Existem diferentes técnicas de multiplexação sendo as mais importantes a multiplexação por divisão em freqüência, por divisão no tempo e por divisão em códigos.

O espalhamento espectral é uma técnica que distribui a informação a ser transmitida por uma largura de banda maior que a necessária para sua transmissão. Envolve  a utilização de múltiplas portadoras (frequência) com o objetivo de aumentar a confiabilidade na recepção.

Uma vantagem desta técnica é que, como a quantidade necessária de energia por banda é menor, garante uma maior imunidade a interferências. A técnica codifica e modifica o sinal, espalhando-o no espectro de RF.

O espectro utilizado nas aplicações de uso não-licenciado sofre com uma considerável quantidade de sinais interferentes e o uso desta técnica se justifica pois a banda de frequência disponível é dividida em canais independentes e os dados são enviados alternado-se o canal de transmissão ao longo do tempo.

O espalhamento do sinal pode ser obtido de várias formas, como por sequência direta, por salto de frequência ou formas híbridas

As técnicas de espalhamento espectral podem ser:

·         Com salto de frequência (FHSS)

·         Com sequência direta (DSSS)

Frequency Hopping Spread Spectrum

1.       O espectro de dispersão de saltos de frequência, em sistemas WLAN que operam na faixa de 2.400 a 2.483MHz, divide a banda em 79 canais com 1 MHz de largura cada um. Os dados são transmitidos por canais escolhidos por uma sequência pseudo-randômica e utilizada pelo transmissor e que deve ser conhecida do receptor para que a informação seja totalmente recuperada.

2.       O uso de um mesmo padrão pseudo-aleatório por todas as estações, garante que estas mudem para a mesma frequência de forma simultânea seguindo a ordem de canais escolhidos. Isto gera também uma boa segurança já que para monitorar a transmissão será necessário o conhecimento prévio da sequência de canais utilizada.

3.       O tempo gasto para mudança de um canal para outro, entre os 79 canais, durante a transmissão deve ser de no máximo 0.4 segundos (tempo de parada), mas é um tempo ajustável.

O FHSS tem como vantagem ser pouco sensível a interferência de rádio e como desvantagem uma baixa largura de banda.

Direct Sequency Spread Spectrum

A técnica de espalhamento espectral por sequência direta combina dois sinais, o de informação, que tem uma taxa menor, com um outro de taxa mais elevada.

A largura de banda necessária para transmitir um sinal digital esta diretamente relacionada com a taxa de bits deste sinal.

O DSSS multiplica o sinal modulado por uma sequência pseudo-aleatória também chamada de pseudo-noise (PN). Sendo o código PN modulado sobre o sinal com a informação primeiro e posteriormente multiplicado pela portadora de RF.

A técnica chamada chipping, consiste em modular cada bit com a sequência Barker respectiva, conforme figura:

Todo este processo espalha a banda transmitida do sinal resultante, reduzindo a potência de pico, mas mantendo a potência total sem alteração.

Orthogonal Frequency Division Multiplexing

Utilizada na primeira WLAN de alta velocidade, a 802.11a este método de modulação é utilizado em diversas tecnologias como xDSL.

O OFDM divide a largura de banda disponível em várias faixas estreitas e modula cada uma com uma taxa de dados (bits) menor, em vez de transmitir mais dados em uma única portadora.

A banda é dividida em 52 sub-canais, sendo 48 utilizados para transmissão de dados e 4 para controle.

O OFDM pode utilizar modulação BPSK, QPSK, 16 QAM e 64 QAM.

Possui melhor imunidade à interferência de banda estreita e possibilidade de utilizar frequências não contíguas.

As taxas possíveis de transmissão são 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48 e 54 Mbps, sendo as taxas de 6, 12 e 24 Mbps obrigatórias para o padrão 802.11.

Esta técnica de modulação reduz a interferência causada pela propagação multipercurso (Vários sinais que chegam ao receptor por meio de reflexão.)

Antenas

As antenas são as responsáveis por promover a dispersão da energia confinada no cabo para o espaço e vice-versa. É um dispositivo crítico para o bom funcionamento de sistemas sem fio e com uma característica básica.

Antenas têm características de reciprocidade, ou seja, funcionam tanto para transmissão como para recepção.

Equipamentos com antenas externas e que podem ter suas posições alteradas, permitindo uma nova polarização (mudança do ângulo), auxiliam na correção de problemas com interferências intra ou intersistemas em ambientes indoor ou outdoor.

Antenas não amplificam o sinal transmitido, apenas direcionam (focalizam) a energia deste sinal.

·         Largura de banda: Indica a faixa de frequência que a antena pode operar de modo satisfatório.

·         Ganho e diretividade: O ganho é a relação entre a energia irradiada por uma antena com base no diagrama de irradiação da mesma, em comparação com as mesmas características de uma antena isotrópica (irradiador hipotético capaz de irradiar em todas as direções), ambas de mesma potência. O ganho é a representação numérica dessa diretividade indicando o quanto a antena verificada é mais diretiva que a antena isotrópica, e não deve ser interpretado como uma amplificação de potência. Uma antena com um lóbulo principal de maior ângulo possui menor diretividade mas cobre uma área maior, já uma antena com um lóbulo de ângulo mais fechado tem maior diretividade  e concentra maior energia. Uma antena terá uma maior densidade de potencia irradiada em uma determinada direção, quanto maior for sua diretividade e o seu ganho.

·         Polarização: A onda irradiada de uma antena é composta por um componente de campo elétrico (E) e por outro de campo magnético (H) com mesma direção, mas perpendiculares entre si (defasadas em 90°). A polarização refere-se à posição do campo elétrico em relação a Terra, sendo vertical quando está perpendicular  ao eixo e horizontal quando está paralela ao eixo.

A polarização de uma antena pode ser vertical, horizontal ou circular e é uma propriedade da RF produzida na antena. A polarização linear (vertical ou horizontal) é a mais utilizada em sistemas WLAN. As antenas do transmissor e do receptor devem estar orientadas para mesma polarização com a possibilidade de se ter uma perda (atenuação) maior que 20 dB para pares de antenas com polarizações diferentes, devido a discriminação de polarização cruzada.

Alguns sistemas podem operar com antenas de dupla polarização. Esta característica permite a mudança da orientação de polarização de acordo com determinados efeitos indesejáveis, como minimizar efeitos de interferências.    

·         Discriminação de polarização cruzada: É a medida de discriminação de uma antena polarizada em um sentido (por exemplo: verticalmente) em relação a ondas polarizadas em outro sentido (horizontalmente).

Os fabricantes informam este valor, algumas vezes com o termo em inglês XPD – Cross Polarization Discrimination, que é a diferença em dB entre o sinal recebido na polarização correta (V-V ou H-H) e o recebido na polarização cruzada (V-H ou H-V).

Este parâmetro deve ser considerado quando se deseja instalar um novo sistema onde já existem outros, com o objetivo de verificar possíveis interferências que possam inviabilizar o projeto.

Acessórios para redes sem fio

·         Divisor (spliter): Utilizado para dividir o sinal de saída, para alguma finalidade específica, como ampliar a área de cobertura incluindo mais uma antena para alcançar uma área não atendida por uma única antena. Características como: perda por inserção (atenuação), fator de divisão de potência (perda teórica por divisão) e isolamento (Atenuação entre as saídas do divisor), devem ser observados antes da utilização deste acessório.

·         Amplificador de potencia: Utilizado para amplificar o sinal transmitido ou recebido. São úteis para compensar perdas por atenuações. Quando utilizados em sistemas ponto-área (um ponto para diversas estações) devem ser bidirecionais (amplificar o sinal transmitido e o recebido), pois caso contrário devem ser também incluídos nas estações, o que em alguns casos não é possível.

·         POE: Baseado no padrão IEEE 802.3af, que define o uso do cabo Ethernet (cabo de dados) para conduzir também a energia elétrica necessária a alimentação do equipamento.

·         Conversores de Frequência: Utilizados com a finalidade de alterar a frequência de comunicação entre dois dispositivos. Devem ser utilizados em pares (transmissor – receptor). Úteis quando a frequência padrão, utilizada, está comprometida por excesso de ruído (interferências).

·         Protetor de Linha: Utilizado para proteção contra descargas atmosféricas quando a antena está instalada em área externa e conectada por cabo de RF.

Diagrama de irradiação

A descrição da energia irradiada por uma antena é de grande importância, por representar graficamente esta característica em um determinado plano.

O diagrama exibe, entre outros parâmetros:

• Plano de irradiação vertical e horizontal;

• Relação de irradiação frente/costa;

• Abertura do feixe.

Diagrama de irradiação de uma antena isotrópica (antena teórica ideal), usada como referência para descrever propriedades diretivas de antenas reais.

Diagrama de irradiação de uma antena setorial. Normalmente utilizadas em sistemas ponto-multiponto e ponto-área. Mais comuns em ângulos de 30, 60, 90 e 120 graus de abertura.

Diagrama de irradiação de uma antena parabólica vazada. Ângulos vertical e horizontal estreitos, maior alcance. Podem ter o alimentador focal (no ponto focal da antena) ou alimentador off-set (fora do ponto focal).

Cálculos de potência

Perda no espaço livre (Free Space Loss)

Ondas de rádio se propagam no espaço em linha reta e parte da potência de irradiação se perde no espaço livre, mesmo sem obstáculos. O FSL é uma medida em decibel e que representa a quantidade de força de sinal que é perdida no espaço livre. Também não leva em consideração os ganhos das antenas e/ou perdas no cabo. O FSL é proporcional aos quadrados da distância e da frequência.

FSL(dB) = 92,4 + 20log(d.f)

    d = distância em quilômetros

    f = frequência (GHz)

Para f em MHz, a fórmula será:

FSL(dB) = 32,4 + 20log(d.f)

Alcance e relação sinal/ruído

Não é suficiente que o sinal transmitido atinja o receptor com um nível de sinal maior que  a sensibilidade do mesmo. Um sinal com potência ideal mais com muito ruído não será adequado ao bom funcionamento.

A relação entre o sinal e o ruído (SNR – Signal Noise Ratio) é o valor obtida da relação entre a potência da portadora no receptor, e a potência do ruído, numa dada largura de banda, expressa em dB. Os ruídos podem ter origem térmica, industrial ou de outro sistema sem fio.

A SNR pode ser obtida pela expressão:

SNR = 10log(Ps/Pr)

    Ps = potência do sinal (Watt)

    Pr = potência do ruído (Watt)

Cálculos de potência

Perda no espaço livre (Free Space Loss)

Ondas de rádio se propagam no espaço em linha reta e parte da potência de irradiação se perde no espaço livre, mesmo sem obstáculos. O FSL é uma medida em decibel e que representa a quantidade de força de sinal que é perdida no espaço livre. Também não leva em consideração os ganhos das antenas e/ou perdas no cabo. O FSL é proporcional aos quadrados da distância e da frequência.

FSL(dB) = 92,4 + 20log(d.f)

    d = distância em quilômetros

    f = frequência (GHz)

Para f em MHz, a fórmula será:

FSL(dB) = 32,4 + 20log(d.f)

Alcance e relação sinal/ruído

Não é suficiente que o sinal transmitido atinja o receptor com um nível de sinal maior que  a sensibilidade do mesmo. Um sinal com potência ideal mais com muito ruído não será adequado ao bom funcionamento.

A relação entre o sinal e o ruído (SNR – Signal Noise Ratio) é o valor obtida da relação entre a potência da portadora no receptor, e a potência do ruído, numa dada largura de banda, expressa em dB. Os ruídos podem ter origem térmica, industrial ou de outro sistema sem fio.

A SNR pode ser obtida pela expressão:

SNR = 10log(Ps/Pr)

    Ps = potência do sinal (Watt)

    Pr = potência do ruído (Watt)

Em um determinado sistema de recepção a potência do sinal é de – 68 dBm e a

potência do ruído é de -113dBm. Determine a relação sinal ruído?

SNRdB = SdBm - NdBm

SNRdB = -68dBm – (-113)dBm

SNRdB = 45dB

Em um determinado sistema de recepção a potência do sinal é de – 80dBm e a

relação sinal ruído mínima requerida é de 50dB. Determine a potência máxima do

ruído para manter a qualidade especificada (50dB)?

SNRdB = SdBm - NdBm

NdBm    = SdBm - SNRdB

NdBm    = -80dBm - 50dB

NdBm    = -130dBm

Em um determinado sistema de recepção a potência do ruído é de – 122dBm e a

relação sinal ruído mínima requerida é de 68dB. Determine a potência máxima do

sinal para manter a qualidade especificada (68dB)?

SNRdB = SdBm - NdBm

SdBm    = SNRdB + NdBm 

SdBm    = 68dB +(- 122)dBm

SdBm    = -54dBm

Em um determinado circuito temos a entrada das seguintes potências -35dBm e

ruído de -70dBm. Na saída desse circuito medimos as seguintes potências -25dBm e

ruído de -58dBm. Determine o ganho desse dispositivo, a SNR de entrada, a SNR de

saída e conclua se houve amplificação do sinal ou perda? 

Ganho:

GdB = [SdBm]entrada - [SdBm]saída

GdB = -25dBm – (-35)dBm

GdB = 10dB

SNR - Entrada  SNR - Saída

SNRdB = SdBm - NdBm

SNRdB = -68dBm – (-113)dBm

SNRdB = 45dB

SNRdB = SdBm - NdBm

SNRdB = -54dBm – (-96)dBm

SNRdB = 42dB

 

Houve uma degradação da qualidade do sinal em 3 dB.



Interferência na largura de banda 

Quanto maior a largura de banda, melhor a qualidade de sinal e maior deve ser a taxa de 
dados. 
A largura de banda é diminuída ao aumentarmos a distância do enlace. Da mesma forma 
que em uma corrente, se o elo mais fraco define a fora dessa corrente, a menor banda é 
quem define a banda disponível pelo sistema. Alem de tudo pode ser complicado definir a 
largura de banda de uma sistema ou dos equipamentos. 


Para pensar!!! 
Se com o aumento da relação sinal ruído a qualidade melhora, então ao aumentar a 
potência do sinal ou diminuir a potência do ruído será aumentada a relação sinal ruído 
melhorando a qualidade. 


Largura de Banda em comunicação analógica - é a quantidade de sinais que podem 
ser transportados por um canal. Utilizando a seguinte fórmula: 

Largura de Banda (Hz) = Freqüência_Mais_Alta (Hz) - Freqüência_mais_Baixa 
(Hz) 

Exemplificando: 
  Transmissão de voz em telefones convencionais ou celulares 1G. 
  Freqüência de 300Hz a 3.300Hz (mínimo requerido para Tx de voz)  
Largura de Banda (Hz) = Freqüência_Mais_Alta (Hz) - 
Freqüência_mais_Baixa (Hz) 
Largura de Banda (Hz) = 3.300Hz                                   - 300Hz 
Largura de Banda (Hz) = 3.000Hz  ou   3KHz  ou  0,003MHz 

Conclusão: maior a faixa de freqüências, mais intervalos de freqüência podem ser 
alocados para representar dados. 

Tabela exemplo: 
Comunicação 
analógica 
Largura de  
Banda 
(MHz) 
Celulares 1G  0,03 
Celulares 2G  0,03 a 0,2 
Celulares 3G  1,25 a 5 
Celulares 4G  20 
Conexões Wi-Fi 
20 

Na comunicação digital, a largura de banda é a quantidade de bits que podem ser 
transmitidas em um único segundo.  
Tabela exemplo: 
Comunicação 
digital 
Largura de  
Banda 
(Kb/s) 
Modem 56K  7 
USB 1.0  192 
Canal T1  1.544 
Canal E1  2.048 
USB 2.0  61.440 


2 


Recordar é viver: 
GIGA  MEGA  KILO  BITS 
                7  0  0  0 
            1  9  2  0  0  0 
          1  5  4  4  0  0  0 
          2  0  4  8  0  0  0 
        6  1  4  4  0  0  0  0 


Taxa Baud – representa a velocidade de modulação, esse sinal pode ser binário (0 ou 1) 
ou multinível. A velocidade de modulação e tem como unidade o bauds, ou seja, quantas 
modulações em 1 segundo. Por exemplo 300 bauds equivale a 300 modulações em 1 
segundo, observe que a taxa baud sirva para representar a velocidade de transmissão, 
ela não é a mesma coisa que a quantidade de bits transmitida em um segundo. 
Dependendo do método de comunicação usado, cada sinal pode transmitir mais 
informação que um único bit 
Exemplo: 
  Em um sinal digital cada pulso possui largura de 2ms. Pergunta-se qual a 
velocidade de modulação desse sinal? 
Se 1 pulso  tem a largura de 2ms, quantos pulsos em 1 segundo 

1 pulso  -------  2ms 
X pulsos  -------  1 seg 

Recordar é viver: 
seg  ms 10-3  µs 10-6 
          2       
    0  0  0  2       

1 pulso  -------  0,002 ou  2x10-3seg 
X pulsos  -------  1 seg 

1pulso * 1 seg   =   500 pulsos em 1 segundo = 500 bauds 
    0,002 seg 

   
Outro exemplo:  
A velocidade de modulação de um sinal é de 4000 bauds. Qual a largura de cada 
pulso? 
Se 1 pulso  tem a largura de 2ms, quantos pulsos em 1 segundo 

1 pulso  -------   x 
seg 
4000 
pulsos 
-------  1 seg 

1pulso * 1 seg   =   0,00025 seg = 0,25ms ou 250µs 
    4000pulsos 

Recordar é viver: 
seg  ms 10-3  µs 10-6 
    0  0  0  0  2  5   
          0  2  5   


3 

            2  5  0 

E ai como entra a quantidade de bits por segundo (bps)??? 
O mais fácil é observar e analisar a figura a seguir. 

000
001
010
011
100
101
110
111
010 010 110 111 011 010 001 000
sinal digital multinível
8 pulsos em 1 seg = 8 bauds
sinal digital binário equivalente
3 bits por pulso * 8pulsos = 24 bps


  Esse exemplo apresenta 8 níveis diferentes, cada nível representa 3 bits, ou seja, 
23 = 8 possibilidades de 0 a 7. Nesse caso 8 bauds e 24 bps. 

Capacidade de Fluxo 
Diferentemente de Nyquist, Shannon leva em consideração o ruído, para estimar a 
quantidade máxima de dados de um canal analógico e segue a seguinte fórmula: 



TDM é a taxa de dados máxima dada em bytes por segundo; 
B é a largura de banda dada em Hz,  
S é a força do sinal dada em decibéis e  
R é a força do ruído também dada em decibéis. 

Exemplo:  
A linha telefônica convencional possui largura de banda de 3.000 Hz (freqüência 
máxima – a mínima) e que a razão sinal ruído(SNR) é de aproximadamente 1000, qual 
seria a taxa máxima de dados que pode ser transmitida através dessa linha telefônica? 

Resposta: 
TDM = 3000Hz log2 (1+1000) 
TDM = 3000Hz [log2 (1001)] 
TDM = 3000Hz [log (1001)/log(2)] 
TDM = 3000Hz [ 3 / 0,3 ] 
TDM = 3000Hz [ 10 ] = 30.000bps 

Na prática os cálculos ratificam os índices que os modens analógicos conseguem atingir 
de 33.600 bpsbatem com os índices máximos calculados através da formula proposta por 
Shannon. 



4 

Pratique: 
Realize o mesmo cálculo para SNR = 100 e SNR = 10.000



Codificação de dados (NRZI, Manchester, etc)  

A codificação de dados é a colocação de dados num sinal digital, os dados podem 
ser analógicos ou digitais. No primeiro caso procede-se a uma conversão prévia 
analógico/digital logo na prática, em termos de codificação ficamos reduzidos à 
codificação de dados digitais. 

NRZ 

A forma mais simples de codificação consiste em associar um nível de tensão a 
cada bit. 
Esta codificação é conhecida por NRZ-L (“Nonreturn to zero - Level”), um bit 1 
será codificado sob a forma de uma tensão elevada e um bit 0 sob a forma de 
uma tensão baixa. 

Non return to zero (NRZ): o pulso realiza a transição no final da duração do bit. 

Return to zero (RZ): o pulso retorna ao nível zero antes de terminar a duração  
do bit. 

Existem mais duas codificações NRZ (o sinal não retorna ao nível zero após uma 
transição provocada pelos dados a transmitir). 
A codificação NRZ-M (“NRZ - Mark”) produz uma transição de nível sempre que 
surge um bit 1. 
A codificação NRZ-S (“NRZ - Space”) produz uma transição de nível sempre que 
surge um bit 0. 

Desvantagem – grande seqüências de bits 1 ou 0 produzindo um sinal sem 
qualquer variação, dificultando a sincronização(leitura do bit no 
ponto correto). 
Vantagem – simplicidade. 

Codificação NRZI 

A codificação NRZI é diferente da codificação NRZ.  
Bit 1 - o sinal muda de estado antes de terminar a duração do bit. 
Bit 0 - o sinal não sofre nenhuma mudança de estado. 



2 



Vantagem: a detecção da presença ou não do sinal 
A necessidade de uma fraca corrente de transmissão do sinal 

Desvantagem: a presença de uma corrente contínua quando ocorrer uma 
seqüência de zero, dificultando a sincronização entre emissor e receptor. 


MANCHESTER 

Na codificação Manchester, cada período de bits é dividido em dois intervalos 
iguais.  
Um bit 1 binário e enviado quando a voltagem e definida como alta durante o 
primeiro intervalo, e como baixa no segundo intervalo.  
Um bit 0 binário é exatamente o oposto: primeiro baixo, e depois alto.  

Tempo de
um bit bit 1 bit 0
Codificação Manchester


Vantagem - cada período de bit terá uma transição na parte intermediaria, 
tornando fácil para o receptor sincronizar-se com o transmissor.  

Desvantagem - exige o dobro da largura de banda que a codificação binária 
direta, pois os pulsos são a metade da largura. Por exemplo, para 
transmitir dados a 10 Mbps, o sinal tem de mudar 20 milhões de 
vezes por segundo. 

A codificação Manchester diferencial, é uma variação da codificação Manchester 
básica. 
bit 1 é indicado pela ausência de uma transição no inicio do intervalo. 
bit 0 e indicado pela presença de uma transição no inicio do intervalo



Unidade e potências a serem utilizadas e calculadas 

É imprescindível o conhecimento de algumas unidades de medidas, como db, dbm, dbi, 
dbd, mw, largamente utilizadas na área de redes sem fio. 

decibel (db) unidade criada para facilitar os cálculos de ganho e perdas de um sinal, 
seja ele de ondas sonoras ou de rádio freqüência. Tornando cálculos de multiplicação e 
divisão desnecessários, usando apenas a adição para o ganho e a subtração para a 
perda. 

Em outras palavras, o decibel define a relação entre dois sinais, podendo ser em níveis 
de potência, em W (watt), mW(miliwatt), ou µW (microwatt), bem como tensões, que 
convertidos em decibéis através do logaritmo das relações, possibilitam o uso somente 
da adição e subtração sem necessidade de multiplicação e divisão. 

Criado pela indústria de telefonia, o bel representava as perdas e ganhos dos sinais nas 
redes de telefonia. Como essa medida nos cálculos em eletrônica era muito alta, passou 
a ser usado um décimo do bel, ou seja o decibel, abreviado como db. 
Como visto anteriormente, recordar é viver. 

db = 10 log (P1/P2) 

Onde:  
dB é o equivalente da relação P1/P2 
P1medida e P2referência são os níveis de potencia 
LOG se refere ao logaritmo de base 10 

Obs: como em qualquer cálculo com unidades de medidas, os níveis de potencias devem 
ser expressos em unidades iguais. 

Exemplo: 
Ao injetarmos um sinal com potencia de 12 watts numa linha de transmissão, e 
medindo o final da mesma, encontramos apenas 4 watts. Observamos que a potência 
inicial era de 12 watts e ocorre uma perda, sendo como potência no final da linha de 4 
watts. Calcular em decibel (db) a perda desta linha de transmissão? 

Cálculo: 
db = 10 log(P1medida/P2referência) 
db = 10 log(4w/12w)   Obs mesma unidade de medida watts 
db = 10 log(0,33) = (10)(-0,48) = -4,8 db 

Resultado negativo, significa que houve uma perda de 4,8 db, se o resultado fosse 
positivo, representaria um ganho, e não uma perda. 


2 


Observe que a unidade de medida em db é logaritmo, dobrando a cada 3db, ou seja, 
10mw é igual a 10db, já 20mw é igual a 13db, a cada 3db, a potencia é dobrada, isto 
vale também para as perdas, ou seja, a cada 3db de perda dividimos por dois a potencia, 
ex: 18db é igual a 63,1mw, já 15db é igual a 31,6mw, a metade da potência. 

Potência 

Potência é algo relacionado à energia. Potência é uma razão e não uma quantidade, 
significando que é alguma coisa que muda com o tempo. A fórmula para potência é: 
P = ΔE/Δt  
Onde: 
ΔE é a quantidade de energia transferida (ou a taxa de trabalho executado) em 
algum processo; 
Δt é o intervalo de tempo no qual a energia é transferida. 

Se transferirmos 1 Joule de energia em 1 segundo, teremos 1 Watt (W) de 
potência. Potência é definida como um ampére multiplicado por um volt. 



Comportamento da Radiofreqüência (atenuação, ganho etc)  

Atenuação 

sinônimos - minimizar, reduzir, diminuir, enfraquecer. 

Atenuação ou perda de transmissão ocorre com qualquer tipo de sinal, seja digital 
ou analógico, transmitido com ou sem fio. Isso ocorre quando há diminuição do sinal à 
medida que a distância é percorrida, quanto maior for a distância, maior é a atenuação, até 
o ponto que o sinal torna-se fraco e não pode mais ser entendido pelo destinatário. De uma 
forma geral, os sinais analógicos podem ser transmitidos a distâncias maiores que os 
digitais, enquanto os sinais digitais trabalham apenas com dois sinais distintos (os bits 1 e 0, 
representados por diferentes e pequenas tensões elétricas).  

Mesmo sem qualquer obstáculo, todo sinal é atenuado ao se afastar da antena transmissora. 
A atenuação do espaço livre é dada pela relação: 

At = 32,4 + 20 log (freqüência em MHz) + 20 log (distância em Km) 
Ou 
At = 32,4 + 20 log (freqüência em MHz * distância em Km) 

Exemplo: 
  Freqüência 900MHz  
Distância 100 m 

At = 32,4 + 20 log (900 MHz) + 20 log (0,1 Km) 
At = 32,4 + 59,0848 – 20 
At = 71,48 

At = 32,4 + 20 log (900 MHz * 0,1Km) 
At = 32,4 + 39,0848 
At = 71,48 


Ganho 
É uma particularidade apresentada por um dispositivo amplificador, que consiste em 
modificar a amplitude de um sinal RF aplicado à sua entrada. O objetivo desses 
equipamentos é que o sinal de saída seja maior que o sinal de entrada, podendo cobrir 
distâncias maiores e permitindo a comunicação cada vez mais distante. 
Em radiofreqüência nem sempre ganho significa a amplificação do sinal, podemos 
encarar como o resultado da diretividade menos as perdas. 
Podemos obter através 3 processos: 
• Ativo: uso de fonte de energia externa (amplificador) ou 
 aumento da energia do transmissor. 
• Passivo: Sinal refletido combina-se com sinal principal; 
• Diretividade de uma antena 

Diretividade 


2 

É a relação entre o campo irradiado pela antena na direção de máxima irradiação e o 
campo que seria gerado por uma antena isotrópica que recebesse a mesma potência. 
A diretividade de uma antena define sua capacidade de concentrar a energia irradiada 
numa determinada direção. A fórmula a seguir é para visualização e consulta futuramente 
não será cobrada em prova. 
  
Emáx: Energia da antena em estudo. 
EISO: Energia da antena isotrópica