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REDES II – LONGA DISTÂNCIA E DE ALTO DESEMPENHO AULA 5 Prof. Gian Carlo Brustolin 2 CONVERSA INICIAL As redes ópticas de transmissão, embora extremamente eficientes e estáveis, como estudamos, não são sempre uma opção aceitável. Os custos de implantação se justificam quando grandes quantidades de dados e usuários competem pelas conexões providas pela rede óptica. De fato, não só a questão de desembolso financeiro precisa ser levada em conta, mas o processo de implantação é delicado e demorado. Além disso, após a conclusão da obra, os investimentos estarão literalmente “enterrados” em um lugar só. Não há flexibilidade para relocar implantações equivocadas ou corrigir projetos de engenharia de tráfego baseados em premissas que se alteraram. Redes de longa distância e alto desempenho normalmente são projetos de longo prazo que justificam os riscos associados às implantações ópticas. Há situações, entretanto, em que se demanda interconexão de alta velocidade, implantada rapidamente, para um atendimento por tempo insuficiente para que o plano de rentabilidade da solução óptica seja viável. Nesses casos, soluções sem fio são indicadas, assim como quando a mobilidade de usuários é imprescindível. A qualidade de serviço de sistemas rádio para atendimento de altas demandas de dados foi por muito tempo fator limitador do uso da tecnologia. O surgimento de novas técnicas de uso de espectro e multiplexação mudaram definitivamente essa realidade. A flexibilidade de soluções de radiopropagação as tornam opções bastante interessantes, tanto para WANs de comutação pública quanto privadas. Projetos privados de extensão da rede pública para atendimento a geografias remotas, normalmente escolhem sistemas sem fio. As próximas aulas apresentarão os conceitos teóricos elementares da comunicação sem fio, como também algumas implementações de redes WANs com base nessas soluções. Nesta aula, forneceremos os rudimentos de comunicação sem fio. TEMA 1 – CONCEITOS DE RADIOPROPAGAÇÃO O estudo das aplicações de ondas eletromagnéticas (OEM) remonta ao século XIX, com as experiências de Michael Faraday e Henrich Hertz. A primeira transmissão de rádio foi realizada por Marconi em 1901, embora o cientista 3 Nicola Tesla tenha realizado boa parte do trabalho de desenvolvimento e tenha sido reconhecido tardiamente como inventor do rádio, em 1943. No Brasil, a primeira transmissão de rádio se dá em 1922 e as primeiras estações comerciais são inauguradas em 1931 (Senac, 2021). Naturalmente, esses primeiros equipamentos contavam com canais simplex, modulados por amplitude, ainda muito precisaria ser desenvolvido para chegarmos ao estado atual. Iniciemos, então, nosso estudo das ondas de rádio para que possamos entender esse processo e as potencialidades dessa tecnologia. 1.1 Transmissão de rádio As ondas de rádio são emissões de ondas eletromagnéticas (OEM), com características particulares, em função da frequência em que operam. Ondas de baixa frequência têm boa transparência a objetos, porém, perdem potência rapidamente ao nos distanciarmos da antena transmissora. A contrario sensu, altas frequências permitem transmissões mais longas, mas sofrem atenuações significativas ao colidirem com objetos, como gotas de chuva, por exemplo (Tanenbaun, Wetherall; 2011, p. 67). A utilização do contínuo do espectro eletromagnético pode ser vista na Figura 1. Figura 1 – Espectro eletromagnético Fonte: Tanenbaun; Wetherall, 2011. Para que um sinal seja transmitido pelo ar (ou vácuo), basta que capturemos esse sinal, transformando-o em uma oscilação eletromagnética (o som é uma oscilação mecânica) e, posteriormente, oferecendo-o a uma antena de dimensões compatíveis com seu comprimento de onda. Como o comprimento 4 de onda é inversamente proporcional à frequência, transmissões de sinais abaixo das dezenas de kHz (ditas ondas longas) são fisicamente complexas, posto as grandes dimensões das antenas necessárias. As comunicações de segurança marítima, com submarinos, por exemplo, ocorrem nessas baixas frequências. Antenas de centenas de metros, no litoral, são necessárias para viabilizar tal comunicação. Três são, classicamente, os modos de propagação da onda, segundo sua frequência. Até 3 MHz, a propagação ocorre sobre a superfície da terra. Por esse motivo, essa faixa será dita ondas terrestres. Entre 3 MHz e 30 MHz, a OEM pode ser refletida na ionosfera (a depender do ângulo de irradiação) e recebe a designação de onda ionosférica. Acima dos 30 MHz, temos ondas troposféricas. 1.2 Canal de rádio Conceituamos, anteriormente, o canal de comunicação como o meio percorrido pelo sinal entre transmissor e receptor. Segundo Medeiros (2013, p. 78), o canal de rádio será concebido como um segmento de frequências utilizado pelo equipamento transceptor (transmissor e receptor de rádio). O fechamento do enlace de comunicação é conceitualmente bastante simples, bastando que ao menos dois transceptores operem no mesmo espectro e tenham capacidade de captar o sinal um do outro. Figura 2 – Radioenlace Fonte: Medeiros, 2016. O canal de rádio opera no modo simplex, ou seja, não permite resposta à transmissão (na mesma faixa de frequência e ao mesmo tempo). Para que opere no modo duplex (em ambas as direções), devemos prover o canal de diversidade de frequências ou temporal. Nesse último caso, a aplicação mais simples se resume a um transceptor informar ao outro que encerrou a transmissão, 5 liberando o espectro para “escutar” seu par. Num exemplo dessa técnica, nos enlaces de voz, um operador comunica ao outro pelo uso da palavra “câmbio”. Para que a capacidade de resposta seja simultânea à transmissão (full duplex) os transceptores deverão operar dois canais simplex, em frequências diferentes. O canal de rádio elementar será aquele espectro de frequência capaz de transmitir, como já comentado, a voz humana, cuja maior parte da energia se concentra entre 300 Hz e 4,3 kHz. Por motivos expostos, em nossas primeiras aulas, esse espectro de frequências não pode ser apenas transformado em OEM e transmitido. Será necessário transladar o sinal em frequência, ou seja, elevar o espectro. Tal translação será obtida pela modulação. Ao ser propagada pelo espaço, a OEM sofrerá alguns efeitos naturais, ditos distúrbios, que alterarão suas características e deverão, sempre que possível, sofrer correção na recepção. 1.3 Distúrbios do canal Os sinais, ao trafegarem nos canais de comunicação, sofrem certos efeitos que normalmente dificultam sua inteligibilidade na recepção. Um efeito inevitável é a inserção de distorções no sinal. Genericamente, pode-se classificar distorções como sistemáticas ou aleatórias. As primeiras são provocadas por eventos conhecidos, determinísticos, que podem ser previstos, ao passo que as aleatórias têm ocorrência estatística (Neto et al.,1999). A interferência entre canais, ou distorção sistemática, é bastante estudada em transmissão de dados e, normalmente, pode ser convenientemente evitada. Nos canais de rádio, a interferência se dá pela presença de sinais espúrios sintonizados, ou seja, na faixa de frequência em que ocorre a comunicação. A solução para essa interferência é bastante complexa e só recentemente implementada através de complexos algoritmos matemáticos de detecção e eliminação. Multipercurso é um fenômeno de distorção próprio de OEM, dadas as características de reflexão de cada espectro eletromagnético. Assim, uma OEM transmitida pode chegar ao receptor por vários caminhos diferentes, uma vez que reflete em várias superfícies, como ilustrado na Figura 3. Caminhos diferentes significam tempos de chegada diferentes. Parcelas da potência transmitida chegam ao receptor com pequenos retardos em relação à visada direta (caminhosem reflexão) distorcendo o sinal recebido. 6 Figura 3 – Multipercurso de OEM O resultado é chamado de desvanecimento ou fading do sinal. Um fator importante de desvanecimento é a presença de gotículas de água no cone de propagação (região de presença da OEM entre as antenas RX e TX), ou seja, as intempéries e as características superficiais têm influência direta sobre a qualidade do sinal recebido. Isso ocorre porque, no cone de propagação, as variações do meio (como o exemplo das gotículas de água) causam alterações aleatórias no índice de refração, tornando a propagação irregular, refratando ou refletindo partes do sinal de forma irregular. Em comunicações móveis, como a telefonia celular, ainda deve-se considerar o efeito doppler sobre a frequência, ou seja, a velocidade relativa de deslocamento do transmissor em relação ao receptor que altera o espectro de frequência do canal. TEMA 2 – MODULAÇÃO A transmissão de uma OEM por um sistema rádio depende da adequação de seu espectro. A faixa de frequência para a qual transladaremos o sinal não é uma escolha aleatória. A escolha se dá por aspectos físicos e legais. Algumas faixas de frequência aceitam melhor determinadas técnicas de modulação do que outras. O uso de cada região do espectro também tem regras próprias e reservas legais, a exemplo de faixas reservadas ao uso de órgãos governamentais ou para determinadas tecnologias. Por outro lado, certas técnicas de modulação, principalmente aquelas mais elaboradas e com melhores resultados na qualidade de transmissão, têm custos de implementação eletrônica inviáveis para o uso de sinais não 7 multiplexados. Dessa forma, compartilhar o meio de transmissão torna-se essencial. Apresentaremos, a seguir, alguns rudimentos de processamento de sinais para que possamos compreender os sistemas rádio de alta capacidade de transmissão de dados. Fugiremos, propositalmente, das representações matemáticas e de engenharia, de forma a apresentarmos os conceitos de maneira meramente informativa. 2.1 Modulação AM e ASK Quando um sinal precisa ser transladado em frequência, usamos de um subterfúgio: a escolha de uma onda portadora. A onda portadora, ou simplesmente portadora, é uma onda senoidal de frequência igual ao centro do espectro para onde queremos transladar o sinal. Utilizaremos então o sinal original para alterar as características dessa onda, segundo algum algoritmo específico. Dito de outra forma, moldaremos (ou modularemos) a portadora segundo o sinal original. A primeira técnica de modulação historicamente implementada, chamada de AM (Modulação por Amplitude), altera a forma da portadora segundo o sinal original, dito modulante, obtendo-se a onda modulada, como na representação abaixo. Figura 4 – Modulação AM: formas de onda Fonte: Medeiros, 2016. 8 A modulação AM, como acabamos de expor, permite a transmissão de frequências baixas, uma vez que a onda modulante utiliza a portadora para propagar-se. A desvantagem, entretanto, está na necessidade de variar o nível do sinal modulado, tornando os segmentos de menor amplitude do sinal, mais susceptíveis à distorção. Quando aplicada a sinais digitais binários, apenas dois níveis de sinal serão necessários. Por tal motivo, a modulação AM é rebatizada de ASK (Amplitude Shift Keying) ou modulação por chaveamento de amplitude. Nesse caso, a desvantagem acima levantada desaparece, posto que não há níveis baixos semelhantes que possam ser distorcidos. Como o sinal modula uma portadora, mais sinais (ou canais) podem ser transmitidos simultaneamente, bastando para isso utilizar portadoras distintas. Figura 5 – Multiplexação em frequência com uso de AM Fonte: Tanenbaun; Wetherall, 2011. Com essa implementação, obtemos uma forma de multiplexar o sinal digital pelo uso da modulação. Aplicando a técnica aos sinais binários digitais, teremos o que se costuma chamar de OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing). 9 2.2 Modulação FM e FSK Outra possibilidade de modulação é atuar na frequência da portadora, e não em sua amplitude, como na AM. Os sistemas de modulação em frequência, ou FM, alteram a frequência da portadora segundo o nível do sinal modulante no tempo. Estabelece-se uma variação de frequência em torno da portadora, assim tem-se uma frequência mínima e uma frequência máxima que corresponderão às amplitudes do sinal. À menor amplitude do sinal modulante, faz-se corresponder a frequência mínima. Da mesma forma, à maior amplitude, será a frequência máxima. As demais amplitudes serão proporcionalmente distribuídas no intervalo. No caso de modulação de um sinal binário, a aparência do sinal modulado será próxima à representada na figura abaixo. A modulação FM, quando aplicada a sinais digitais, é dita FSK (Frequency Shift Keying), ou chaveamento de frequência, uma vez que apenas 2 frequências serão suficientes para modular o sinal. Figura 6 – Sinal binário modulado em frequência Fonte: Tanenbaun; Wetherall, 2011. A modulação FM apresenta resultado melhor, em termos de relação entre sinal e ruído, do que a modulação em amplitude, embora a eletrônica seja um pouco mais complexa, principalmente no que se refere à precisão dos geradores de frequência. 10 TEMA 3 – MODULAÇÃO DIGITAL As técnicas de modulação até aqui apresentadas foram originalmente desenvolvidas para permitir a transmissão de voz e, posteriormente, adaptadas para a comunicação digital. Ao se adaptar o AM para o ASK, por exemplo, perde- se muito da potencialidade do canal. Utilizamos um canal que pode transportar um espectro de 4 kHz, operando em chaveamento, ou seja, ora transmitindo uma frequência (simbolizando o nível 1), ora silenciando o canal (simbolizando o nível 0). Podemos facilmente imaginar que, em um canal de 4 kHz, é possível utilizar mais de um conjunto de frequências e, dessa forma, transmitir um segundo sinal ou duplicar a taxa de transmissão codificando dois bits de cada vez. Essa é ideia por trás da multiplexação digital. 3.1 Modulação por chaveamento de fase: PSK e QPSK Uma ideia interessante, que não obriga a variação da frequência e também não altera a amplitude do sinal modulado, é a modulação por fase. Nesse caso, utiliza-se a fase da portadora como elemento a ser modulado. As vantagens são evidentes: o sinal modulado terá frequência e amplitude constante. Na Figura 7, é possível ver essa técnica aplicada ao sinal digital que recebe a designação de BPSK (Binary Phase Shifting Keying). Figura 7 – Sinal binário modulado por BPSK Fonte: Tanenbaun; Wetherall, 2011. 11 Com base na ideia de deslocamento de fase do BPSK, utilizando-se não apenas duas fases, mas quatro, criou-se o QPSK, ou modulação por chaveamento de fase em quadratura. Figura 8 – QPSK indicando quatro fases possíveis Dessa forma, como temos quatro possibilidades à disposição, a transmissão se dará em pares de bits, ou seja, o par binário 00 poderá ser representado pela defasagem de 90°, já 01 poderá ser representado pela defasagem de 135°, 10 por 225° e 01 por 315°. Essa solução contorna o problema da taxa máxima de transmissão proposta por Nyquist (conforme vimos em outro momento). Com o uso do chaveamento de fase em quadratura, podemos utilizar a mesma portadora para amostrar pares de bits, e não apenas um bit. A pergunta que segue é por que não prosseguirmos com a ideia, escolhendo outros defasamentos? A modulação QAM é a resposta a essa pergunta. 3.2 Modulação QAM Seguindo a técnica de modulação por quadratura, mais alterações de fase podem ser imaginadas. Outra ideia, que ampliaria ainda mais as possibilidades de transmissão é associar à fase também uma amplitude, como presente na modulação AM. Dessa maneira, um sinal com fase de 45°, por exemplo, poderia ter duas (ou mais) amplitudes,cada amplitude codificando um sinal diverso ou permitindo a criação de um símbolo com mais de 2 bits. A essa técnica de associação entre o QPSK e o AM chamaremos de QAM. No diagrama que vimos 12 anteriormente (chamado de diagrama de constelação), poderemos então acrescentar outros quatro pontos, como abaixo. Figura 9 – QAM indicando quatro fases e duas amplitudes de modulação As linhas tênues, na Figura 9, em 45°, estão presentes apenas para indicar a manutenção do ângulo. Temos assim oito símbolos de transmissão, compostos pelo ângulo e amplitude. Dessa forma, podemos codificar uma tétrade de bits. Compreendido esse processo, podemos expandi-lo ainda mais. Abaixo, um exemplo de QAM 64, com 64 símbolos. Figura 10 – QAM 64 Fonte: Tanenbaun, Wetherall, 2011. A presença de múltiplos símbolos em uma única frequência portadora “fp” permite a transmissão, segundo o teorema de Nyquist, de um sinal com taxa máxima “fp/2” (em ambiente ideal, sem ruídos) por símbolo. Como existem 64 símbolos, podemos optar entre transmitir 64 sinais independentes simultâneos de taxa “fp/2” ou apenas um sinal com até “32 x fp”. 13 Interessante que, até esse ponto, estamos variando a fase e a amplitude, mas não a frequência. Ao associar o QAM ao OFDM, obteremos as modernas técnicas de multiplexação, utilizadas em tecnologias como 802.11, em suas mais recentes versões, como a 802.11.ac. TEMA 4 – ANTENAS Para aqueles que mergulham pela primeira vez no universo da transmissão sem fio, as antenas suscitam curiosidade e desconfiança. Trata-se do componente mais importante do sistema, cuja simplicidade é marcante. No entanto, seu mal funcionamento, ou projeto equivocado, impedirá o correto funcionamento do sistema de forma irremediável. Uma antena é definida como um transdutor, um dispositivo desenvolvido para irradiação e captação de OEM. De fato, a antena converte o sinal elétrico, de banda base, modulado, em onda, na fase de transmissão e converte a OEM em sinal elétrico na recepção (Medeiros, 2011, p. 181). O projeto de uma antena depende de sua aplicação, desempenho esperado e, principalmente, do comprimento de onda de operação. Os parâmetros de cálculos se baseiam em princípios complexos de eletromagnetismo e são importantes para engenheiros de telecomunicações. Em nosso curso, apresentaremos alguns conceitos básicos de antenas, suficientes para que possamos entender a ideia geral sobre o tema. 4.1 Dipolos A antena elementar é o dipolo. Essa antena é construída a partir de uma linha de transmissão que, em dado momento, tem seus dois fios separados em um ângulo de 180° (Quevedo; Lodi, 2010, p. 321). 14 Figura 11 – Dipolo elementar Fonte: Medeiros, 2016. As dimensões do dipolo, como já comentamos, têm uma relação direta com o comprimento de onda e deve ser proporcional a ele. Voltaremos a este tema em breve. Vamos, inicialmente, entender como a conversão entre o sinal elétrico para uma OEM acontece. Imagine uma corrente elétrica variável no tempo (portanto, uma oscilação elétrica) circulando pela linha de transmissão (LT). Essa corrente caminha por um dos condutores e tem o outro por retorno. Pode-se pensar que ao “abrirmos” a LT, o sinal, não encontrando o caminho de retorno, se projeta no espaço, irradiando. A irradiação, no entanto, depende do casamento de impedâncias entre a antena e a saída do transceptor. O casamento se dá sempre que o comprimento do segmento aberto do condutor é proporcional ao comprimento de onda da portadora (λ). Esse casamento denomina-se sintonia da antena. A potência irradiada tem uma relação de proporcionalidade com a corrente do sinal elétrico. Na verdade, a proporção ocorre com o quadrado da intensidade da corrente. Para dipolos pequenos (quando o tamanho da antena é bastante inferior ao valor do comprimento de onda λ), as dimensões do dipolo influenciam na quantidade de potência emanada, conforme a seguir: 𝑃 = 40 𝜋2 𝐼2( 𝑙 𝜆 ) 2 15 Em que: • 𝐼 é a corrente; • 𝑙 é a dimensão do dipolo. Por esse motivo, em dipolos com 𝑙 << λ, a eficiência é baixa em relação à potência elétrica. Antenas dipolo maiores são mais eficientes na propagação de potência. Quando 𝑙 ≈ λ / 2, a proporcionalidade quadrática com a dimensão do dipolo se perde e a potência se torna proporcional apenas ao quadrado da corrente fornecida ao dipolo. Nesse ponto, é conveniente lembrar que o valor de λ para faixas de frequência de UHF, a exemplo dos celulares que operam próximos a 800MHz, é de aproximadamente 40cm. Sistemas Wi-Fi que operam em 2,4GHz podem, por exemplo, ter boas antenas com λ / 2 com apenas 5cm. 4.2 Monopolos e antenas verticais Um formato bastante conhecido de antenas são os monopolos verticais. São antenas de construção simples, idealizadas para comunicações de baixa frequência, porém extremamente populares nos receptores AMs e FMs domiciliares e veiculares. Podem ser representadas por uma torre, como abaixo, ou, mais singelamente, por uma haste metálica, telescópica ou não. Figura 12 – Torre monopolo Fonte: Medeiros, 2016. O monopolo opera como um dipolo, com um dos polos substituído pelo substrato (a terra, por exemplo). O monopolo é alimentado na base e deve estar isolada do plano terra. 16 Figura 13 – Plano terra no monopolo Fonte: Quevedo; Lodi, 2010. O transceptor, de sua parte, terá sua carcaça conectada ao mesmo plano de terra contra o qual o monopolo estará apoiado. No que se refere à eficiência de irradiação, em relação ao dipolo antes apresentado, teremos, no caso do monopolo, a metade da potência emitida. 4.3 Microstrip Com a miniaturização dos transceptores, a criação de antenas em formato similar se tornou uma necessidade. De fato, não há, por hipótese, limitações para o tamanho da antena. Uma fita metálica impressa na placa do equipamento pode ser um emissor de OEM. Figura 14 – Microstrip Fonte: Medeiros, 2016. 17 4.4 Diagrama de irradiação e ganho da antena Observando-se a intensidade do campo elétrico nas proximidades de uma antena plana, dita omnidirecional, verificou-se que a irradiação não ocorre uniformemente (dito comportamento isotrópico). A distribuição da intensidade do campo, na realidade, se assemelha a um toroide, dado que o campo irradiado na direção “z°” será proporcional ao seno de “z”. Dessa forma, pode-se concluir que a direção perpendicular é aquela que tem melhor desempenho de potência. Considerando os valores do seno de um ângulo, não ocorre propagação na direção do eixo da antena (Quevedo; Lodi, 2010, p. 330). Figura 15 – Diagramas de radiação da antena omnidirecional Fonte: Bastiti, 2021. Essas considerações permitem-nos imaginar a criação de formatos de antena que maximizem a propagação em dada direção, mormente a ortogonal. Essas novas geometrias oferecem um ganho de propagação, na direção ortogonal, em relação ao radiador isotrópico, uma vez que nesse caso a potência irradiante se propaga igualmente em todas as direções. Na geometria focada, é possível concentrar a propagação em uma direção (com o evidente custo de perda de omnidirecionalidade). Dessa forma, antenas parabólicas, por exemplo podem apresentar ganhos acima de 30dBi na direção ortogonal (a unidade de ganho dBi, recebe a letra “i” para indicar que esse ganho é, em realidade, relativo a antena isotrópica). Para permitir a comunicação entre dois transceptores distantes, suas antenas podem necessitar de elevação, demandando a instalação sobre uma torre, por exemplo. Elevar a antena monopolo altera o posicionamento do plano de terra e, consequentemente, a impedância da antena. Essa alteração pode dessintonizar a antena, provocando perda de potência irradiada. Importante 18 citar, por outro lado, que as geometrias de antenas de alto ganho, de fato sãoalterações do plano de terra (dito refletor), e não do monopolo. 4.5 Refletores Concentrar o feixe do dipolo é uma solução que confere ganho à antena, permitindo a irradiação acima do valor isotrópico. O refletor pode ter geometrias diversas, bem como ser composto de uma única peça refletora ou várias, como se observa na Figura 16. Ao contrário do senso comum, um refletor não precisa ser necessariamente metálico; basta que a superfície do material tenha coeficiente de reflexão alto para a faixa de frequências de operação da antena. Figura 16 – Antena UHF Fonte: Medeiros, 2016. 4.6 Cálculo elementar de radioenlace Um radioenlace precisa ser projetado de forma a ser viável quanto às potências mínimas recebidas, de forma semelhante ao que se afirmou nos enlaces ópticos. É necessário que a combinação entre transceptor, antena e distância entre transceptores resulte na captação de um sinal passível de recuperação. Todo transceptor tem um limite de inteligibilidade, ou seja, há uma potência mínima, dita limiar de recepção, que deve ser entregue ao transceptor para que ele identifique e demodule corretamente o sinal recebido. Abaixo deste nível de recepção, o equipamento não será capaz de separar o sinal do ruído interferente. Para avaliarmos a viabilidade, então, basta que a potência recebida 19 seja maior que o limiar. Para calcular a potência recebida, devemos levar em conta a potência de transmissão, as perdas de interconexão entre transceptor e antena (ditas perdas de inserção), os ganhos das antenas e a atenuação que a OEM sofre no percurso entre RX e TX. Quando um feixe de OEMs percorre a atmosfera sofre atenuação, esta é dita, em radiocomunicação, atenuação do espaço livre (𝐴𝑒𝑙). O cálculo da perda de potência proveniente da propagação é dependente da frequência e é feita segundo a fórmula: 𝐴𝑒𝑙 = ( 𝜆 4𝜋𝑑 ) 2 Substituindo 𝜆 pela frequência e convertendo para dB: 𝐴𝑒𝑙 = 92,45 + 20 𝑙𝑜𝑔 (𝑓 𝑑) Conhecido o valor da 𝐴𝑒𝑙, o cálculo da potência recebida poderá ser feito pela fórmula de Friis, conforme abaixo: 𝑃𝑅𝑥(𝑑𝐵) = 𝑃𝑇𝑥(𝑑𝐵) + 𝐺𝑇𝑥 + 𝐺𝑅𝑥 − 𝐴𝑒𝑙 − 𝐴 Em que: • 𝑃𝑇𝑥(𝑑𝐵) – potência de transmissão; • 𝐺𝑇𝑥 𝑒 𝐺𝑅𝑥 – ganhos de antena; • 𝐴 – demais atenuações (a exemplo das perdas de inserção). Essa forma de calcular é bastante elementar, mas se prestará às avaliações básicas de alcance máximo de um sinal. Como já comentamos, há outras atenuações a serem levadas em conta, a exemplo daquelas provocadas por intempéries, como chuvas, nevoeiros, presença de gases ou a mera mudança abrupta de umidade do ar. Além disso, o meio de propagação pode sofrer alterações mecânicas como a interposição ou supressão de objetos refletores, prédios que são construídos, lagos criados e montanhas removidas. Todos esses fatores modificam o radioenlace e podem ser motivo de fading temporário ou de longa duração. 20 TEMA 5 – REDES WAN SEM FIO Conexões de longa distância sem fio podem ser implantadas por operadoras de telecomunicação ou por particulares. De fato, antes da consolidação das redes ópticas, as redes de transmissão públicas de longa distância terrestres eram baseadas, quase que exclusivamente, em enlaces rádio. Ainda hoje, certas localidades remotas são atendidas por tal tecnologia, porém a aplicação mais significativa em WANs públicas está ligada a tecnologias de distribuição e last mile. A aplicação privada, normalmente, relaciona-se ao atendimento de sedes remotas ou cuja contratação de last mile da operadora é inviável economicamente. Estudaremos, a seguir esses casos. 5.1 Redes de longa distância sem fio privadas Em uma WAN privada, o projetista deve escolher as tecnologias para a interconexão entre as diversas LANs, de forma a obter uma rede de bom custo- benefício. Isso quer dizer que se deve selecionar a tecnologia que responda convenientemente às necessidades de qualidade da rede no menor custo possível. Por vezes, um canal de alta qualidade, porém de alto custo, pode ser substituído por canais mais econômicos, associados a redundâncias, cuja quantidade e características dependem da criticidade da conexão. Soluções proprietárias de interconexão normalmente apresentam disponibilidade inferior a seus paralelos comutados ou roteados por operadoras, porém o custo tende a ser menor. Fato é que soluções sem fio são fortes candidatas a investimento proprietário por dois fatores: • a implementação da solução é normalmente mais rápida e econômica, se comparada com obras de instalação de fibras ópticas (FO); • tornando-se necessário ampliar a conexão para além da capacidade do equipamento rádio instalado, esses transdutores podem ser removidos e reaproveitados facilmente, o que não se verifica com os cabos de FO, cuja remoção para relocação é economicamente inviável. O uso de rádios proprietários não está restrito à interconexão entre duas LANs de uma rede WAN. Por vezes, a operadora não possui solução de last mile para atendimento à sede. Nesses casos, pode-se conectar o ponto de presença 21 da operadora à sede remota com uso de rádio. Essa solução foi apresentada em momento anterior, quando introduzimos a arquitetura de comutação mista. Naquele caso, sugerimos a contratação de uma segunda operadora para o atendimento. A implantação de um segmento de rede com rádio proprietário pode ser uma alternativa viável sempre que: • operadoras têm baixa ou nenhuma capacidade de atendimento a uma das sedes; • sedes atendidas têm necessidade de baixas taxas de dados e estão próximas (até 30 km) de outra sede. 5.2 Redes de longa distância sem fio públicas Algumas sedes remotas, em localidades distantes dos centros urbanos, a exemplo de propriedades rurais ou mesmo pequenas geradoras de energia elétrica, podem ser interconectadas a uma rede empresarial de pequenas e médias empresas com uso de redes celulares fixas. Essa solução é simples e foi largamente usada nessas situações. Instala-se uma infraestrutura para antena direcional, apontada para uma estação rádio base próxima; utiliza-se um transceptor com nível mínimo de recepção mais elevado e saídas para interconexão de voz e dados. A seleção da antena será feita de forma a viabilizar o balanço de potência do enlace. Esse enlace pode ser conectado ao MPLS da empresa contratante por iniciativa da operadora ou por roteamento privado, via internet. Mais recentemente, soluções oferecidas pelas operadoras utilizam tecnologias similares ao sistema celular. Nas próximas aulas, estudaremos essas tecnologias com mais detalhes. FINALIZANDO Nesta aula, apresentamos conceitos rudimentares de radiopropagação que subsidiarão nosso estudo final sobre tecnologias sem fio para redes WAN. Entendemos como é possível a propagação de altas taxas de dados, em canais com bandas relativamente estreitas. Apresentamos técnicas de modulação, que demandam muitas horas de estudo, de forma cirúrgica, para que tenhamos o mínimo conhecimento necessário sobre o tema. 22 Estudamos alguns aspectos de usos de antenas e cálculos de enlace que permitirão uma avaliação básica, porém eficiente, de enlaces de rádio. Esses são temas de extrema importância para a atuação profissional em redes de longa distância. Será necessário, naturalmente, dada a complexidade do tema, o estudo das obras referenciadas em cada item apresentado. 23 REFERÊNCIAS BASTITI, J. Redes Wireless. Disponível em: <https://www.juliobattisti.com.br/tutoriais/paulocfarias/redeswireless012.asp>. Acesso em: 9 set. 2021. MEDEIROS, J. C. de O. Princípios de telecomunicações: teoria e prática. 5. ed. São Paulo: Érica, 2016. NETO, V. S.; SILVA, A. de P.; JUNIOR, M. B. C. Telecomunicações: redes de alta velocidade, cabeamento estruturado. São Paulo: Érica, 1999 QUEVEDO, C.; LODI, C. Ondas eletromagnéticas:eletromagnetismo, aterramento, antenas, guias, radar, inonosfera. São Paulo: Pearson Education do Brasil, 2010. SENAC. A História do rádio. Disponível em: <https://www.rj.senac.br/noticias/comunicacao/historia-do-radio-um-veiculo-de- tradicao-e- eficiencia/#:~:text=A%20primeira%20companhia%20de%20r%C3%A1dio,sinto nia%20selecionando%20a%20frequ%C3%AAncia%20desejada>. Acesso em: 9 set. 2021. TANENBAUN, A.; WETHERALL, D. Redes de computadores. São Paulo: Pearson Education do Brasil, 2011.
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