Aula 1 - Sistemas de Comunicações Óticas e Sem Fio - elétrica UFPR

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Sistemas de Comunicações Óticas e Sem Fio
Prof. Marcelo E. Pellenz
Curso de Engenharia Elétrica
Universidade Federal do Paraná (UFPR)
Características Básicas das Antenas
Fundamentos de Comunicações Sem Fio
Características Básicas das Antenas
❖ Características Básicas das Antenas:
❖ Introdução
❖ Radiador Isotrópico
❖ Diagrama de Irradiação
❖ Plano Horizontal (H) / Plano Vertical (V)
❖ Ganho de Diretividade (dB / dBd / dBi)
❖ Beamwidth da Antena
❖ Potência Efetivamente Irradiada (EIRP)
Fundamentos de Comunicações Sem Fio
Características Básicas das Antenas
❖ A comunicação por rádio frequência (RF) requer a habilidade de transmitir o sinal.
❖ Utilizamos antenas para irradiar o sinal.
❖ O sinal deve ser irradiado com potência suficiente para ser recebido e interpretado pelo 
receptor.
❖ A escolha e instalação da antena pode ter o maior impacto no desempenho da rede.
❖ A antena fornece duas funções:
❖ Recebe o sinal do transmissor e irradia as ondas no ambiente, em um padrão específico.
❖ Capta o sinal de RF do ambiente, converte para sinal elétrico e direciona para o receptor.
Fundamentos de Comunicações Sem Fio
Características Básicas das Antenas
Existem duas maneiras 
para se aumentar a 
potência de saída de 
uma antena
Aumentar a potência do 
transmissor 
(Ganho Ativo)
Direcionar o sinal de RF 
irradiado pela antena 
(Ganho Passivo)
Análogo ao uso de um 
refletor em uma 
lâmpada
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Características Básicas das Antenas
O que é um radiador isotrópico ?
Fundamentos de Comunicações Sem Fio
Características Básicas das Antenas
❖ O ganho (força) da antena é medido em relação a um radiador isotrópico.
❖ Conceitualmente, um radiador isotrópico é um ponto que irradia o sinal 
igualmente em todas as direções.
❖ Analogamente, o sol é um exemplo de radiador isotrópico.
❖ Um radiador isotrópico é uma antena conceitual, que teoricamente irradia 
o sinal de RF em um padrão esférico perfeito.
❖ É impossível fabricarmos antenas que se comportem como um radiador 
isotrópico perfeito.
❖ A estrutura da antena influencia na sua forma de irradiação.
❖ De maneira análoga aos diferentes formatos das lâmpadas.
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Características Básicas das Antenas
❖ Ganho da Antena – Unidade de dBi
❖ A unidade de ganho da antena é geralmente expressa em dBi.
❖ deciBels isotropic (dBi)
❖ O dBi é uma medida do ganho com relação ao radiador isotrópico.
❖ O ganho é medido com relação ao ponto de maior intensidade de radiação 
do sinal na antena (ponto focal da antena).
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Características Básicas das Antenas
❖ Ganho da Antena – Unidade de dBd
❖ O ganho da antena também pode ser medido com relação a outro tipo de 
antena, mais especificamente a antena dipolo.
❖ Neste caso o ganho em decibéis relativo a antena dipolo é expresso na 
unidade de dBd.
❖ deciBels dipole (dBd)
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Características Básicas das Antenas
❖ Exemplo:
❖ Uma antena dipolo possui ganho de 2,14 dBi
❖ Se uma antena possui ganho de 3 dBd, ela possui ganho 3 dB maior 
que uma antena dipolo.
❖ Para converter para dBi, adicione 3 ao 2,14.
❖ Isso resulta que uma antena com ganho 3 dBd é equivalente a uma 
antena com ganho de 5,14 dBi.
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Características Básicas das Antenas
Um Access Point (AP) residencial possui antenas com 
ganhos típicos entre 1 a 5 dBi
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Características Básicas das Antenas
Diagramas de 
Irradiação das Antenas
Azimute Elevação
❖ Estes diagramas de irradiação são medidos em ambientes controlados e 
disponibilizados pelo fabricante.
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Características Básicas das Antenas
❖ Azimute
❖ Representa uma visão olhando de cima para baixo no diagrama de irradiação da 
antena, sendo denominado de Plano-H.
❖ Elevação
❖ Representa uma visão olhando lateralmente no diagrama de irradiação da 
antena, sendo denominado de Plano-E.
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Características Básicas das Antenas
❖ Diagrama de Azimute
❖ O diagrama de azimute mostra a intensidade relativa do sinal em cada direção.
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Características Básicas das Antenas
Existem Duas 
Categorias Principais 
de Antenas
Omnidirecionais Direcionais
Semi-Direcional Altamente 
Direcional
A forma mais fácil de se entender as diferenças entre as antenas é comparar o padrão de irradiação 
do sinal de forma análoga ao padrão de iluminação das diferentes lâmpadas.
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Características Básicas das Antenas
❖ Antenas Ominidirecionais e Direcionais
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Características Básicas das Antenas – Antena Omnidirecional
Antenas 
Omnidirecionais
Irradia em um padrão horizontal de 360 graus, 
quase perfeito.
O aumento do ganho da antena resulta em:
❖ Redução da intensidade na vertical
❖ Aumento da intensidade na horizontal
Fundamentos de Comunicações Sem Fio
Antena Dipolo (Omnidirecional)
https://www.youtube.com/watch?v=UOVwjKi4B6Y
https://www.youtube.com/watch?v=UOVwjKi4B6Y
Fundamentos de Comunicações Sem Fio
Antena Dipolo (Omnidirecional)
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Características Básicas das Antenas – Antena Direcional
Antenas Direcionais
❖ Irradia a energia de forma mais eficiente em uma direção 
do que em outras direções.
❖ Podemos fazer a analogia, comparando a luz direcional 
de um flash e a luz de uma lâmpada comum.
❖ Antenas direcionais podem ser classificadas em antenas semi-direcionais e antenas altamente 
direcionais.
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Características Básicas das Antenas – Antena Direcional
Antenas Direcionais
❖ Antenas semi-direcionais são utilizadas em distâncias curtas e médias.
❖ Também são denominadas de antenas setorizadas.
❖ Fornecem tipicamente um padrão de cobertura na forma de fatia de pizza.
❖ Geram pouca irradiação de sinal de RF na parte de trás da antena (back lobe).
❖ É útil na implantação de conjuntos de antenas (antena array).
Array de Antenas
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Características Básicas das Antenas – Antena Direcional
Antenas Direcionais
❖ Antenas altamente direcionais são utilizadas para enlaces ponto-a-ponto em longas distâncias, 
tipicamente em aplicações outdoor. 
❖ O alinhamento destas antenas pode ser crítico.
❖ Exemplos destas antenas são as antenas do tipo parabólica e tipo grade.
Menos sensível ao efeito do vento
(deslocamentos ou mudanças de posição)
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Antena Tipo Painel (Patch Antenna)
Fundamentos de Comunicações Sem Fio
Antena Direcional
Baixo Sinal Baixo Sinal
Interpretação do 
Diagrama de Irradiação
Distância
Fundamentos de Comunicações Sem Fio
Antena Direcional
Fundamentos de Comunicações Sem Fio
Antena Beamwidth
❖ O objetivo geral de uma rede sem fio é prover acesso sem fio em uma área 
específica de cobertura.
❖ Na prática, existem diversos fatores que afetam o tamanho da área de cobertura:
❖ Tipo de Ambiente
❖ Potência de Transmissão
❖ Obstáculos
❖ Diferentes tipos de antenas podem ajudar com estes aspectos.
Fundamentos de Comunicações Sem Fio
Antena Beamwidth
❖ Teoricamente, os sinais de RF se propagam indefinidamente a partir da antena.
❖ O sinal de RF se torna cada vez mais fraco na medida que se propaga para mais 
longe da antena.
❖ O termo beamwidth é usado para fornecer uma ideia geral com relação a área útil de 
cobertura da antena.
❖ O beamwidth da antena é uma medida de quão amplo ou estreito é o sinal de RF na 
medida que ele se propaga da antena.
Fundamentos de Comunicações Sem Fio
Antena Beamwidth
❖ O conceito de beamwidth é definido com relação aos pontos onde a potência do sinal 
decai pela metade (half-power).
❖ Isso significa uma potência 3 dB abaixo da potência máxima.
❖ O beamwidth é definido espacialmente (3D), ou seja, considera o decaimento na 
horizontal e na vertical.Fundamentos de Comunicações Sem Fio
Antena Beamwidth
Fundamentos de Comunicações Sem Fio
Antena Beamwidth
𝐴𝑛𝑡𝑒𝑛𝑎 𝐵𝑒𝑎𝑚𝑤𝑖𝑑𝑡ℎ (𝐺𝑟𝑎𝑢𝑠) =
22
𝑑 ∙ 𝑓
𝑑 = 𝑑𝑖â𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 (𝑚)
𝑓 = 𝑓𝑟𝑒𝑞𝑢ê𝑛𝑐𝑖𝑎 (𝐺𝐻𝑧)
Fundamentos de Comunicações Sem Fio
Posicionamento da Antena
Fundamentos de Comunicações Sem Fio
Posicionamento da Antena
Fundamentos de Comunicações Sem Fio
Instalação das Antenas
❖ A utilização de antenas com maior ganho de diretividade afeta a forma do diagrama de 
irradiação e portanto a área de cobertura.
❖ Este efeito pode ser positivo ou negativo, dependendo da forma de instalação da antena e do 
posicionamento do usuários.
❖ Antenas omnidirecionais deveriam ser instaladas no centro da área de cobertura.
❖ Antenas direcionais devem ser adequadamente posicionadas.
IP Codes
(Ingress Protection Rating)
Fundamentos de Comunicações Sem Fio
Níveis de Proteção das Antenas
Fundamentos de Comunicações Sem Fio
Problemas da Comunicação Sem Fio
Lista 7 – Plataforma SOCRATIVE
Nome da Sala: SCOMUFPR
Modelo de Propagação de Espaço Livre
Equação de Friis
Fundamentos de Comunicações Sem Fio
Propagação em Espaço Livre
Perda de Percurso de Espaço Livre
(Atenuação de Espaço Livre)
Equação de Friis
Fundamentos de Comunicações Sem Fio
Equação de Friis
𝑃𝑟 = 𝑃𝑡 𝐺𝑡 𝐺𝑟
𝜆
4 𝜋 𝑑
2
𝑃𝑟 dBm = 𝑃𝑡 dBm + 𝐺𝑡 dB𝑖 + 𝐺𝑟 dB𝑖 − 𝐿0(𝑑𝐵)
𝐿0 dB = 10 · log10
4 𝜋 𝑑
𝜆
2
Fundamentos de Comunicações Sem Fio
Equação de Friis
De que forma a perda de percurso (path loss) afeta o desempenho do sistema de 
comunicação/transmissão digital ?
Fundamentos de Comunicações Sem Fio
Modelo de Perda de Percurso de Espaço Livre
❖ Perda de Percurso (Path Loss) em dB
Qual o efeito da frequência (comprimento de onda) no cálculo da perda de percurso ?
Interpretar do ponto de vista prático de operação dos sistemas de comunicação.
Fundamentos de Comunicações Sem Fio
Modelo de Perda de Percurso de Espaço Livre
❖ Exercício 4 - Um Access Point (AP), operando na faixa de frequência de 2.4GHz transmite
com potência média de +20 dBm. Um usuário conectado ao AP, com condição de
propagação em linha de visada (LOS), está situado a uma distância de 20 metros do AP.
a) Considerando modelo de propagação de espaço livre, determine qual o nível de atenuação
(perda de percurso ou path loss) do sinal de rádio entre AP e usuário.
b) Determine a potência recebida (em dBm) assumindo antenas de transmissão e recepção com
ganhos de 2 dBi e 1 dBi, respectivamente.
c) Determine a perda de percurso, se o AP operar na faixa de 5.7 GHz.
d) Determine a potência recebida (em dBm) considerando o cenário do item c), para os mesmos
ganhos das antenas do item b).
e) Compare os valores de atenuação dos itens a) e c), discutindo os resultados.
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Modelo de Perda de Percurso de Espaço Livre
❖ Exercício 5
❖ Considere como exemplo a especificação técnica do Bridge Dlink DWL-G800-AP. 
a) Comparar o alcance OUTDOOR especificado na ficha técnica com o modelo de 
perda de percurso para a taxa média de 24Mbps.
b) Repetir os cálculos para as taxas de transmissão do AP iguais a 54Mbps, 11Mbps 
e 1Mbps e montar uma tabela de mapeamento taxa versus distância.
Fundamentos de Comunicações Sem Fio
Modelo de Perda de Percurso de Espaço Livre
❖ Resolução do item a)
❖ A potência de transmissão do equipamento é 15dBm
❖ Para operar na taxa intermediária de 24Mbps é necessário receber uma 
potência igual ou maior que -79dBm
❖ Portanto o sinal pode ser atenuado de 94 dB = [15dBm - (-79dBm)]
❖ Esta é a perda de percurso (atenuação) que o sinal pode sofrer
❖ Considerando a operação da rede no canal 1 (frequência 2,412GHz), teríamos 
uma distância estimada de:
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Modelo de Perda de Percurso de Espaço Livre
❖ Resolução do item b)
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Modelo de Perda de Percurso de Espaço Livre
Exercício 6 - Considere um sistema de comunicações móveis operando na faixa 
de frequência de 900 MHz, célula com raio de cobertura desejado de 100 m e 
antena omnidirecional. Utilizando o modelo de propagação de espaço livre, 
determine qual a potência de transmissão necessária para que todos os terminais 
receptores dentro da célula recebam uma potência mínima de 10𝜇𝑊.
a) Assumir 𝐺𝑡 = 5 e 𝐺𝑟 = 15 - Fazer cálculo em unidades naturais.
b) Repetir os cálculos do item a) usando unidades logarítmicas.
c) Comparar o valor da perda de percurso, 𝑃𝐿 𝑑𝐵 , para o caso d=100m e 
frequências de 900 MHz e 2 GHz.
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Modelo de Perda de Percurso de Espaço Livre
❖ Atenuação de Sinais na Faixa de 2,4GHz
❖ Chuva Torrencial – 0,05 dB/km
❖ Neblina – 0,02 dB/km
❖ Atenuação de Sinais na Faixa de 5,8GHz
❖ Chuva Torrencial – 0,5 dB/km
❖ Neblina – 0,07 dB/km
Modelo de Perda de Percurso Log-Distance
Fundamentos de Comunicações Sem Fio
Modelo de Perda de Percurso Log-Distance
𝑃𝑟 = 𝑃𝑡 𝐾
𝑑0
𝑑
𝛾
Tipo de Ambiente
Faixa Típica de 
Valores de 𝜸
Macro Células Urbanas 3,7 – 6,5
Micro Células Urbanas 2,7 – 3,5
Prédio de Escritórios (mesmo andar) 1,6 – 3,5
Prédio de Escritórios (múltiplos andares) 2 - 6
Lojas 1,8 – 2,2
Fábricas 1,6 – 3,3
Residências 3
𝑃𝑟 (dBm) = 𝑃𝑡 (dBm) − 𝐾 (dB) + 10 𝛾 log10
𝑑
𝑑0
𝐾 (dB) = 10 log10
4 𝜋 𝑑0
𝜆
2
Tarefa Matlab - Predição de Cobertura Indoor no WiFi
Software Matlab
Fundamentos de Comunicações Sem Fio
Parâmetros e métricas Importantes na Área de Wireless
Unidades de medidas comumente utilizadas na especificação
de equipamentos de rádio e no projeto de Sistemas Wireless:
SNR Relação Sinal-Ruído (Signal-to-Noise Ratio)
RSSI Received Signal Strength Indicator
RCPI Received Channel Power Indicator
dB Unidade de Ganho ou Atenuação
Watt Potência em Unidade Natural
dBm / dBW Potência em Escala Logarítmica
Figura de Ruído Figura de Ruído (Noise Figure – NF)
EIRP Potência Efetivamente Irradiada pela Antena
dBi, dBd Ganho de Antena
BER Taxa de Erro de Bit (Bit Error Rate)
SER Taxa de Erro de Símbolo (Symbol Error Rate)
FER / PER Taxa de Erro de Quadro (Frame / Packet Error Rate)
Exemplo de Ficha Técnica
Fundamentos de Comunicações Sem Fio
Sugestões de Leitura Complementares
Atividade Complementar 1 – Leitura do Artigo de Propagação (Parte 1)
Fundamentos de Ondas e Propagação
Atividade Complementar 2 – Leitura do Artigo de Propagação (Parte 2)
Fundamentos de Ondas e Propagação
Responder as Questões na Plataforma Socrative
Atividade Complementar 3 – Leitura do Artigo sobre Antenas no WiFi (Ruckus)
Conceitos Básicos no Contexto das Redes WiFi