Redes sem fio MonitoramentoSinal

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REDES SEM FIO
Monitoramento de sinal
Prof. Ulisses Cotta Cavalca
<ulisses.cotta@gmail.com>
Belo Horizonte/MG
2015
 
SUMÁRIO
1) Fenômenos físicos 
2) Cálculos e medidas
 
1. FENÔMENOS FÍSICOS
• Ainda com o auxílio da Física, o entendimento e a 
explicação de certos fenômenos relativos à ondulatória.
• Esses fenômenos implicarão em fatores inerentes ao 
funcionamento de redes sem fio
• Veremos: relação sinal x ruído; ganho; atenuação; 
absorção; espalhamento; reflexão; princípio de Huygens 
e difração.
 
1. FENÔMENOS FÍSICOS
a) RUÍDO
• Ruído é todo fenômeno aleatório que perturba a transmissão 
correta das mensagens e que geralmente procura-se eliminar ao 
máximo.
• Descreve a potência do sinal comparada com o ruído de fundo.
• É extremamente importante nas comunicações, pois 
determinará a qualidade da transmissão do sinal
• Quanto maior a relação sinal/ruído melhor a qualidade do sinal.
• Para melhorar esta relação, devemos: aumentar a potência do 
sinal transmitido, e/ou diminuir o ruído.
• Normalmente fornecido em decibéis [dB]:
SNR=10 log10 S /R
S : potência do sinal
R : potência doruído
 
1. FENÔMENOS FÍSICOS
b) GANHO (Amplificação)
• Todo sinal elétrico que se propaga em um meio, independente de qual 
seja esse meio, sofre uma perda na sua amplitude, ou seja, perde 
potência.
• O ganho é usado para descrever o aumento na amplitude do sinal de 
rádio frequência (RF). 
O sinal original está representado 
pelo traço pontilhado e o sinal 
amplificado pelo traço cheio.
 
1. FENÔMENOS FÍSICOS
b) GANHO (Amplificação)
• Ganho ativo, ou seja, proveniente de uma fonte de 
energia externa (como um amplificador de RF) usado 
para amplificar o sinal.
 
1. FENÔMENOS FÍSICOS
b) GANHO (Amplificação)
• Ganho passivo:
• Através de uma antena, onde a mesma foca o ângulo de irradiação e 
assim aumentar a amplitude do sinal. Diz-se então que o ganho da 
antena é o resultado de diretividade da mesma.
• Um sinal de RF refletido pode combinar-se com o sinal principal, e a 
onda resultante terá um sinal mais forte do que o sinal original 
transmitido. 
 
1. FENÔMENOS FÍSICOS
c) ATENUAÇÃO (Perda)
• A atenuação é a perda de intensidade do sinal.
• Os motivos causadores de atenuação são:
✔ Distância da fonte de propagação;
✔ Resistência de cabos e conectores;
✔ Objetos posicionados diretamente no caminho de propagação da 
onda;
✔ Perdas, intencionais causadas pela inclusão de atenuadores.
 
1. FENÔMENOS FÍSICOS
d) PENETRAÇÃO / ABSORÇÃO
• Ao se deparar com um obstáculo, parte da potência do sinal poderá 
ser absorvida ou consumida durante a sua penetração neste obstáculo
• Ao instalar redes sem fio, devemos atentar para potenciais fontes de 
absorção do sinal (água, papel, vidros blindados, paredes)
 
1. FENÔMENOS FÍSICOS
d) PENETRAÇÃO / ABSORÇÃO
● Cenário de implementação:
● Em uma biblioteca de uma Universidade, deseja-se saber 
quantos equipamentos são necessário para garantir uma área de 
cobertura para um WLAN;
● Após realização de site survey, conclui-se que era necessária 
uma quantidade muito grande de equipamentos;
● Causa: um adulto tem, em médio, 60% de água no corpo. Como 
água realiza absorção, a área de cobertura fica seriamente 
comprometida.
● Conclusão: Densidade de usuários em uma área é fator a ser 
levado em conta.
Adaptado de (CWNA, 2009)
 
1. FENÔMENOS FÍSICOS
e) REFLEXÃO
• Causada pela presença de obstáculos no caminho do sinal.
● Espelhos de água são poderosas fontes de reflexão do sinal 
• A reflexão pode causar alterações na fase do sinal e provocar 
significativas perdas.
Reflexão
 
1. FENÔMENOS FÍSICOS
e) REFLEXÃO
Sinal original
Sinal Refletido
Combinação dos 
sinais na recepção
 
1. FENÔMENOS FÍSICOS
e) REFLEXÃO
• Sistema rádio em HF (alta frequência)
• Distância superiores à 100Km, em uma faixa de 3 a 30 MHz
• Uso da ionosfera como camada refletora
• Aplicação em sistemas militares, rádios amadores, navegação aérea e 
marítima.
 
1. FENÔMENOS FÍSICOS
e) REFLEXÃO
• Sistema de comunicação por tropodifusão
• Distância entre 100Km a 400Km, em uma faixa de 900 MHz à 2GHz
• Uso da troposfera como camada refletora (à 10Km de altura), em função 
 do comportamento dos elétrons nessa região.
 
1. FENÔMENOS FÍSICOS
e) REFLEXÃO: espalhamento (scattering)
• O espalhamento ocorre quando o sinal atravessa um meio com 
dimensões pequenas, se comparados ao comprimento de onda do sinal.
• Telhados, pequenos objetos e outras pequenas irregularidades no 
caminho do sinal podem causar espalhamento do mesmo.
• O espalhamento pode causar sérios prejuízos em uma área de 
transmissão. 
 
1. FENÔMENOS FÍSICOS
e) REFLEXÃO: espalhamento (scattering)
• Dependendo da superfície atingida, o sinal é refletido em muitas direções 
simultaneamente com amplitudes menores interferindo significativamente 
no sinal original.
● Este é o motivo pelo qual a comunicação por rádio é tão sensível a gotas 
de chuva, árvores, folhagens e outros objetos de pequeno tamanho na 
linha de visada do rádio.
• Pequena escala: 
poluição, partículas de 
poeira, partículas 
eletromagnéticas;
• Grande escala: cerca 
elétrica, folhagem de 
árvore, terreno rochoso 
com grande quantidade 
de minério.
 
1. FENÔMENOS FÍSICOS
f) MÚLTIPLOS CAMINHOS (multipath)
• Chegada de sinal à uma antena, a partir de dois ou mais caminhos, 
distorcendo o sinal original.
● Solução: uso de diversas antenas ou reposicionamento do rádio
 
1. FENÔMENOS FÍSICOS
f) MÚLTIPLOS CAMINHOS (multipath)
• Ambientes indoor: causados por mesas, pisos, superfícies metálicas, 
paredes,
• Ambientes outdoor: condições atmosféricas, densidade de usuários, 
prédios, poluição.
• Possíveis consequências do problema de múltiplos caminhos:
• Downfade: Agentes causadores atuam como refletores ou absorventes 
de sinais, causando enfraquecimento no sinal (durante a transmissão).
• Upfade: elementos atuam como amplificadores do sinal, de maneira que 
a amplitude das ondas sejam incrementadas (durante a transmissão).
• Nulling: sinal torna-se nulo, com amplitude zero.
 
1. FENÔMENOS FÍSICOS
f) MÚLTIPLOS CAMINHOS (multipath)
 
1. FENÔMENOS FÍSICOS
g) DIFRAÇÃO: Princípio de Huygens
• Em algumas situações, além da reflexão do sinal, parte da onda irá 
contornar o obstáculo. Isto porque, cada ponto em uma frente de onda 
funciona como uma fonte de ondas secundárias (Princípio de Huygens).
Frente secundária que permitirá ao sinal contornar o obstáculo
 
1. FENÔMENOS FÍSICOS
g) DIFRAÇÃO
• Este princípio, permitirá ao sinal contornar o obstáculo, dando origem ao 
fenômeno da difração.
• Um exemplo da difração pode ser observado pelo modo como se 
propaga a luz. Ao atingir um obstáculo a luz criará uma sombra e próximo 
a essa sombra uma área parcialmente iluminada, provocada pelo contorno 
que ela faz deste obstáculo.
• Quanto maior o comprimento de onda (frequência menor), maior a 
capacidade de um sinal contornar o obstáculo.
Área de Sombra
 
1. FENÔMENOS FÍSICOS
h) REFRAÇÃO
• É a mudança de direção da onda em função da variação da densidade do 
meio no qual ela atravessa.
• Em transmissões de radiofrequência, mudanças atmosféricas podem 
causar a refração do sinal. 
 
1. FENÔMENOS FÍSICOS
ATENUAÇÃO DE SINAIS EM FUNÇÃO DE MATERIAIS
 
1. FENÔMENOS FÍSICOS
● O que é o SOL??
● Bola de plasma, 
composto basicamente 
por hidrogênio e hélio
● Energia solar é 
proveniente da fusão 
nuclear de suas 
partículas
 
1. FENÔMENOS FÍSICOS
● No entanto, variações no campo magnético do sol 
ocasionam nas chamadas erupções solares.
● Isso ocasiona em uma grande emissão de partículas 
(plasma)ou radiação eletromagnética (luz).
● Dessa forma temos as chamadas tempestades 
solares.
 
1. FENÔMENOS FÍSICOS
● Uma consequência das tempestades solares são os 
fenômenos naturais auroras Austrais e Boreais.
 
1. FENÔMENOS FÍSICOS
● Outras consequências seria a instabilidade ou dano 
em massa:
● Sistemas de telecomunicação;
● Satélites, GPS;
● Computação embarcada;
● Sistemas de distribuição de energia.
● Além de danos à seres vivos devido à intensa 
radiação eletromagnética. 
Não é uma boa desculpa caso uma solução wireless 
fique indisponível???
 
2. CÁLCULOS E MEDIDAS
Breve resumo: componentes de transmissão
 
2. CÁLCULOS E MEDIDAS
Breve resumo: componentes de transmissão
● Transmissor: Componente inicial responsável por gerar 
pulsos elétricos alternados (AC), em função de alguma 
técnica de modulação.
● Antena: Transmitir e receber ondas eletromagnéticas
● Receptor: Realiza captação de sinal e transforma em sinal 
modulado. 
● Radiador Intencional (IR): Dispositivo que realiza a geração 
e emissão de ondas eletromagnéticas por radiação ou 
indução. (Conceitual!!!).
● Potência isotrópica irradiada efetiva (EIRP): Sinal final 
irradiado, considerando todas as possíveis perdas 
(particularidade de cada antena)
 
2. CÁLCULOS E MEDIDAS
Unidades de medidas e comparações
● Ondas eletromagnéticas transportam energia. 
Consequentemente, a quantidade de energia transportada em 
um intervalo de tempo denominamos como potência.
● Motivação:
● Ganho e perdas dos dispositivos de conexão (cabos, 
amplificadores, atenuadores) entre o rádio e a antena
● Ganho e potência de saída da antena
● Potência de saída do rádio transmissor
● Placas WLAN trabalham em torno de 30 a 100mW (1mW = 
1W/1000, ou 10-3W ou 1 milésimo de Watt.)
● Celulares trabalham com potências típicas de 600 mW a 3W
 
2. CÁLCULOS E MEDIDAS
Unidades de medidas e comparações
● Watt [W]
● Unidade básica de potência em homenagem à James 
Watt (cientista escocês do séc XVIII);
● P = I * V (Potência é o produto entre corrente e tensão 
elétrica);
● 1 [W] = 1[A] * 1[V] .
● miliWatt [mW]
● Equivalente à 10-3W, justamente por equipamentos 
WLAN terem potência entre 1mW e 100mW.
● Em casos isolados, alguns equipamentos possuem 
potência de 250mW.
 
2. CÁLCULOS E MEDIDAS
Unidades de medidas e comparações
● decibéis [dB]
● Decibels ou dB é uma unidade de comparação entre as 
potências de entrada e de saída de um sistema.
● É um número relativo e permite representar relações entre 
duas grandezas de mesmo tipo, como: potências de 
transmissão, perdas, EIRP e potência de recepção.
● O decibel, serve portanto para indicar o ganho ou a perda 
de um sistema (rádio, conectores, cabos,etc).
● Derivado do termo bel, criado por técnicos da Bell 
Telephone Laboratories, com o propósito de indicar razões 
de potência de ganho ou perda em linhas telefônicas.
 
2. CÁLCULOS E MEDIDAS
Unidades de medidas e comparações
● decibéis [dB]
● Seja o exemplo:
Laptop 1
10mW
Laptop 2
1mW
AP
100mW
10:1 = 10
1 bel
10:1 = 10
1 bel
100:1 = 100
2 bel
101 = 10 → log
10
(10) = 1bels
102 = 100 → log
10
(100) = 2bels
103 = 1.000 → log
10
(1000) = 3bels
104 = 10.000 → log
10
(10000) = 4bels
bels = log
10
(P1/P2)
decibels = 10*log
10
(P1/P2)
 
2. CÁLCULOS E MEDIDAS
Unidades de medidas e comparações
● decibéis [dB]
● Assim, se o resultado da 
conversão para db for um valor 
negativo, dizemos que a 
potência medida é menor que a 
potência de referência ou que a 
potência de saída é menor que 
a potência de entrada e temos 
uma perda.
● Se o resultado for um valor 
positivo teremos assim um 
ganho no sistema.
Valor negativo = Perda
Valor positivo = Ganho
 
2. CÁLCULOS E MEDIDAS
Unidades de medidas e comparações
● decibéis [dB]
● Perda e ganho de potência em um circuito são medidos 
em decibeis e não em Watts [W.
● Perder metade de potência em um sistema corresponde 
a perda de 3 decibéis.
● Como referência rápida, existem números relacionados a 
ganho e perda que deveríamos estar familiarizados:
● -3 dB: Metade da potência em mW
● +3 dB: Dobro da potência em mW
● -10 dB: Um décimo da potência em mW
● +10 dB: Dez vezes a potência em mW
 
2. CÁLCULOS E MEDIDAS
Unidades de medidas e comparações
● decibéis isotrópico [dBi]
● O “i” faz referência a uma antena 
isotrópica, que uma antena teórica 
que emite o sinal igualmente em 
todas direções.
● Assim, esta medida é utilizada para 
representar o ganho de antenas. 
● Desta forma sempre que falarmos 
do ganho proporcionado por uma 
antena este será representado por 
um valor em dBi.
 
2. CÁLCULOS E MEDIDAS
Unidades de medidas e comparações
● decibéis relativos à 1 miliwatt [dBm]
● dBm também realiza comparação, no entanto, em 
relação à 1mW de potência.
● E se apenas a potência em dBm for conhecida??
P dBm=10 log PmW
PmW=10
 P dBm10 
 
2. CÁLCULOS E MEDIDAS
Unidades de medidas e comparações
● decibéis relativos à 1 miliwatt [dBm]
● Se trabalharmos com potências medidas em mW, 
passaremos a trabalhar com dBm.
– dBm < 0 implica em potência abaixo de 1mW
– dBm = 0 implica em potência igual à 1mW
– dBm > 0 implica em potência acima de 1mW
 
2. CÁLCULOS E MEDIDAS
Unidades de medidas e comparações
● Porque usar dBm e não mW????
● Um sinal de RF com qualidade representa -40dBm, 
equivalente à 0,0001mW.
● Um sinal de RF com baixíssima qualidade 
representa -100dBm, equivalente à 
0,0000000001mW.
● Para melhor tratamento com esses valores 
numéricos utiliza-se escala logarítmica, no caso, 
proporcionado pela unidade de decibéis.
 
2. CÁLCULOS E MEDIDAS
Free Space Path Loss (FSPL)
● Toda onda eletromagnética sofre desvanecimento 
(fading), mesmo ao propagar em ambientes sem 
absorção ou atenuação.
● FSPL: Perda de caminho em dB
● f: frequência em MHz
● D: distância em Km entre antenas
FSPL=32,4420log10 f 20log10 D
 
2. CÁLCULOS E MEDIDAS
Free Space Path Loss (FSPL)
● Considerando sinais de aproximadamente 100m, isso 
representará perdas próximas à 80dB.
● Calcular para:
● 300m; 200m
● 50m; 25m; 12m
● Regra dos 6dB:
● Acréscimo no valor de FSPL aproximado de +6dB 
caso a distância for dobrada.
● Decréscimo no valor de FSPL aproximado de -6dB 
caso a distância for reduzida à metade.
 
2. CÁLCULOS E MEDIDAS
Potência isotrópica irradiada efetiva (EIRP)
É a potência utilizada efetivamente para se determinar o alcance do rádio
 
2. CÁLCULOS E MEDIDAS
Received Signal Strength Indicator (RSSI)
● Sensibilidade de recepção refere-se ao nível de 
potência requerido para que ondas de RF sejam 
recebidas satisfatoriamente.
● A sensibilidade de sinal é usualmente definida em 
função da velocidade de transmissão.
● O padrão 802.11-2007 define o RSSI como métrica 
relativa para o padrão WLAN (802.11) na medida da 
força do sinal.
● Valores podem ser mapeados tanto de 0 à 30 como 
de 0 a 100.
 
2. CÁLCULOS E MEDIDAS
Received Signal Strength Indicator (RSSI)
 
2. CÁLCULOS E MEDIDAS
Received Signal Strength Indicator (RSSI)
 
2. CÁLCULOS E MEDIDAS
Received Signal Strength Indicator (RSSI)
● Problemas do RSSI:
● Fabricantes utilizam escalas diferentes (0 à 30, e 0 
à 100).
● Limites superiores são definidos de formas 
diferentes, tanto de -100dBm à -10dBm, como de 
-95dBm à -35dBm.
● O uso do RSSI será de grande valia no estudo e 
implementação do mecanismo de roaming.
● Independentemente do canal de operação, no caso de 
roaming, força do sinal e qualidade de recepção são 
fatores predominantes.
 
2. CÁLCULOS E MEDIDAS
Fade Margin 
● Nível de sinal requerido para que umatransmissão 
sem fio ocorra satisfatoriamente:
● Valor aceitável + margem (perdas flutuantes) = valor 
requerido
● Supondo que uma transmissão tem threshold de 
-80dBm, e na prática recebe -76dBm. Nesse caso, 
considerando que não haverá variações na perda, a 
transmissão funcionará sem problemas.
● No entanto,considerando ambientes dinâmicos, perda 
flutuante pode variar até -10dBm. Considerando que 
seja uniforme essa variação, 40% das vezes a 
transmissão será bem sucedida.
 
2. CÁLCULOS E MEDIDAS
Fade Margin 
● Em WLANs, considerando multi caminhos e 
ambientes com ruídos demasiados:
● Sinal requerido de -65dBm para uma transmissão 
de 11MBps
● Perdas flutuantes na casa de -5dBm
● Sinal aceitável de -60dBm, que representa uma 
qualidade de sinal em torno de 60%.
● Valores citados considerados como boa prática.
● Cada solução possui suas particularidades, e 
portanto, os valores podem sofrer alterações.
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