Conceitos de Transmissão sem Fio

Transcrição

1 Conceitos de Transmissão sem Fio Francisco José da Silva e Silva Laboratório de Sistemas Distribuídos (LSD) Departamento de Informática / UFMA 23 de agosto de 2010 Francisco Silva (UFMA/LSD) Computação Móvel 23 de agosto de / 32

2 Sumário 1 Freqüências para Transmissão via Rádio 2 Sinais 3 Antenas 4 Propagação do Sinal 5 Atenuação do Sinal 6 Multiplexação 7 Modulação 8 Leituras Recomendadas Francisco Silva (UFMA/LSD) Computação Móvel 23 de agosto de / 32

3 Freqüências para Transmissão via Rádio Freqüências para Transmissão via Rádio Figura: Espectro de Freqüências Francisco Silva (UFMA/LSD) Computação Móvel 23 de agosto de / 32

4 Freqüências para Transmissão via Rádio Freqüências para Transmissão via Rádio VLF = Very Low Frequency LF = Low Frequency submarinos MF = Medium Frequency estações de rádio: AM ( khz) HF = High Frequency estações de rádio: SW rádio amador ( MHz ),FM ( MHz) VHF = Very High Frequency Estações de TV VHF ( ), áudio digital DAB ( MHz) UHF = Ultra High Frequency Estações de TV ( ), TV Digital ( MHz), telefonia móvel analógica ( MHz), telefonia móvel digital ( , MHz), telefone sem fio ( MHz), telefonia móvel 3G ( , , MHz) SHF = Super High Frequency Enlaces direcionais por microondas (2-40 GHz), satélite (4 e 6 GHz, GHz, GHz) EHF = Extra High Frequency planejado para comunicação via satélite infravermelho conexão de prédios por enlaces laser direcionais, padrão IrDA ( nm) para laptops e PDAs Francisco Silva (UFMA/LSD) Computação Móvel 23 de agosto de / 32

5 Freqüências para Transmissão via Rádio Comprimento de Onda Diretamente relacionado à freqüência temos o comprimento de onda λ = c/f, onde c = m/s (velocidade da luz no vácuo). Francisco Silva (UFMA/LSD) Computação Móvel 23 de agosto de / 32

6 Freqüências para Transmissão via Rádio Regulamentação O ITU (International Telecommunications Union), localizado em Geneva, é responsável por coordenar as atividades de telecomunicações (tanto cabeada quanto sem fio) no mundo; O ITU é uma organização da UN; Além do ITU, cada país possui uma agência reguladora responsável por outras regulamentações (como a FCC - Federal Communications Commission nos EUA); Periodicamente o ITU promove a WRC World Radio Conference, para promover harminizações e planejamento futuro. Francisco Silva (UFMA/LSD) Computação Móvel 23 de agosto de / 32

7 Freqüências para Transmissão via Rádio Regulamentação: Exemplos de sistemas e sua alocação de freqüências Francisco Silva (UFMA/LSD) Computação Móvel 23 de agosto de / 32

8 Sinais Sinais Sinais constituem a representação física dos dados; Sinais são funções do tempo e localização; Parâmetos dos sinais: amplitude (A), freqüência (f) e mudança de fase (ϕ); Figura: Representação de Sinais Francisco Silva (UFMA/LSD) Computação Móvel 23 de agosto de / 32

9 Antenas Antenas Para que a transmissão ocorra, deve-se transferir energia do transmissor para o mundo externo e, de forma reversa, do mundo externo para o receptor; Antenas transferem energia eletromagnética de e para o espaço para um cabo coaxial ou qualquer outro condutor apropriado. Figura: Antena omni-direcional Francisco Silva (UFMA/LSD) Computação Móvel 23 de agosto de / 32

10 Antenas Antenas Figura: Antena direcional Francisco Silva (UFMA/LSD) Computação Móvel 23 de agosto de / 32

11 Antenas Antenas Figura: Combinação de antenas para produzir uma antena setorizada Francisco Silva (UFMA/LSD) Computação Móvel 23 de agosto de / 32

12 Propagação do Sinal Propagação do Sinal Em uma transmissão com cabo, pode-se determinar precisamente o comportamento do sinal à medida que ele atravessa o cabo. Por exemplo, pode-se precisar a energia recebida em função da distância percorrida; Para transmissão sem fio, este comportamente previsível somente pode ser obtido no vácuo, como ilustrado na figura a seguir. Francisco Silva (UFMA/LSD) Computação Móvel 23 de agosto de / 32

13 Propagação do Sinal Propagação do Sinal Figura: Faixas para transmissão, detecção e interferência de sinais Francisco Silva (UFMA/LSD) Computação Móvel 23 de agosto de / 32

14 Propagação do Sinal Propagação do Sinal Faixa de transmissão: comunicação possível, baixa taxa de erro; Faixa de detecção: detecção do sinal é possível mas não a comunicação; Faixa de interferência: o sinal pode não ser detectado e é adicionado ao ruído de fundo. Este esquema leva à noção de célula ao redor do transmissor; No mundo real o círculo acima é na verdade poĺıgonos de formas variadas já que o sinal deve atravessar a atmosfera, montanhas, prédios, etc... Francisco Silva (UFMA/LSD) Computação Móvel 23 de agosto de / 32

15 Atenuação do Sinal Atenuação de Sinal No espaço livre, sinais de rádio se propagam como a luz (independentemente de sua freqüência): em uma linha reta; Mesmo que a transmissão ocorra no vácuo, o sinal sofre uma atenuação: a energia recebida P r é proporcional a 1/d 2, onde d é a distância entre o emissor e o receptor. Ou seja, a intensidade do sinal decresce proporcionalmente ao quadrado da distância entre o emissor e o receptor; Para transmissões entre pontos distantes, a atmosfera (ar, chuva, neve, partículas, etc...) influencia fortemente a transmissão; Ondas de rádio podem penetrar objetos dependendo de sua freqüência; Quanto menora freqüência, melhor será seu poder de penetração. Francisco Silva (UFMA/LSD) Computação Móvel 23 de agosto de / 32

16 Atenuação do Sinal Efeitos de Propagação do Sinal Sombreamento e reflexão são ocasionadas por objetos muito maiores que a largura de onda do sinal; Se o tamanho do obstáculo é da ordem do comprimento de onda ou menor, o sinal pode sofrer scattering, ou seja, ser dividido em diversos sinais de menor intensidade; Sinais de rádio podem ainda sofrer refração e defração, alterando sua direção. Francisco Silva (UFMA/LSD) Computação Móvel 23 de agosto de / 32

17 Atenuação do Sinal Propagação em Múltiplos Caminhos Pelos efeitos vistos anteriormente, vários sinais de diferentes comprimentos podem chegar ao receptor. Esse efeito é chamado de delay spread; Valores típicos de delay spread são de 3 a 12 µs em cidades; A tecnologia GSM tolera até 16 µs de delay spread, ou seja, aproximadamente 5 km de diferença entre os múltiplos caminhos. Francisco Silva (UFMA/LSD) Computação Móvel 23 de agosto de / 32

18 Multiplexação Multiplexação A multiplexação descreve como diversos usuários podem compartilhar um meio de comunicação com pouca ou nenhuma interferência; Para comunicação sem fio, a multiplexação pode ocorrer em quatro dimensões: espaço, tempo, freqüência e código. Francisco Silva (UFMA/LSD) Computação Móvel 23 de agosto de / 32

19 Multiplexação Multiplexação por Divisão do Espaço Espaço de segurança (guard space): espaço físico; Muito utilizado por estações de rádio FM para que rádios de diferentes cidades possam utilizar a mesma freqüência. Francisco Silva (UFMA/LSD) Computação Móvel 23 de agosto de / 32

20 Multiplexação Multiplexação por Divisão de Freqüência Espaço de segurança (guard space): folga no espaço de freqüências; Muito utilizado por estações de rádio FM para que rádios de de uma mesma cidade possam utilizar o meio. Francisco Silva (UFMA/LSD) Computação Móvel 23 de agosto de / 32

21 Multiplexação Multiplexação por Divisão do Tempo Espaço de segurança (guard space): espaços (gaps) no tempo; Se duas transmissões se sobrepuserem no tempo, gera-se interferência co-canal; Para evitar estas interferências, é necessário que haja uma precisa sincronização entre emissores diferentes. Francisco Silva (UFMA/LSD) Computação Móvel 23 de agosto de / 32

22 Multiplexação Multiplexação por Divisão de Freqüência e Tempo Combinados Francisco Silva (UFMA/LSD) Computação Móvel 23 de agosto de / 32

23 Multiplexação Multiplexação por Código Francisco Silva (UFMA/LSD) Computação Móvel 23 de agosto de / 32

24 Multiplexação Multiplexação por Código A separação dos sinais é realizada associando-se a cada canal um código próprio; Espaço de segurança (guard space): utilizando-se códigos que possuam uma distância necessária no espaço de códigos, ou seja, códigos ortogonais; Utilizado inicialmente em aplicações militares devido a sua segurança impĺıcita e hoje estendido a transmissões civis; Analogia: uma festa com vários participantes de diferentes países; O receptor deve ser relativamente complexo, já que será responsável por separar os dados do usuário do ruído composto pelos demais sinais e pelo ambiente. Francisco Silva (UFMA/LSD) Computação Móvel 23 de agosto de / 32

25 Modulação Modulação Em redes sem fio, transmissão digital não pode ser utilizada; Portanto, o fluxo de bits deve ser transformado em um sinal digital antes de ser transmitido; Existem três métodos básicos para isto: amplitude shift keying (ASK) frequency shift keying (FSK) phase shift keying (PSK) Francisco Silva (UFMA/LSD) Computação Móvel 23 de agosto de / 32

26 Modulação Modulação ASK, FSK e PSK Francisco Silva (UFMA/LSD) Computação Móvel 23 de agosto de / 32

27 Modulação Modulação Além da transformação do sinal de digital para analógico, a transmissão sem fio requer também uma forma adicional de modulação: a modução analógica; A modulação analógica modifica a frqüência central do sinal gerado para a freqüência da portadora de rádio. Francisco Silva (UFMA/LSD) Computação Móvel 23 de agosto de / 32

28 Modulação Motivação para Modulação Analógica Por exemplo, a modulação digital traduz um fluxo de 1 Mbit/s para um sinal de largura de banda de 1 MHz. Existem várias razões pelas quais este sinal não pode ser diretamente transmitido em um sistema sem fio: Antenas: uma antena deve ser da mesma ordem de magnitude do coprimento de onda do sinal para que seja efetiva. Um sinal de 1 MHz iria requerer uma antena de centenas de metros de altura. Um sinal de 1 GHz requer antenas de poucos centímetros; Multiplexação por divisão de freqüência: a modulação analógica chaveia o sinal para diferentes freqüências utilizadas pelos canais; Características do meio: os efeitos de propagação de sinal vistos dependem fortemente do coprimento de onda do mesmo. Dependendo da aplicação, a freqüência correta deve ser utilizada: ondas longas para submarinos, ondas curtas para dispositivos de mão, etc... Francisco Silva (UFMA/LSD) Computação Móvel 23 de agosto de / 32

29 Modulação Esquemas de Modulação Analógica Existem três esquemas básicos de modulação analógica: amplitude modulation (AM) frequency modulation (FM) phase modulation (PM) Francisco Silva (UFMA/LSD) Computação Móvel 23 de agosto de / 32

30 Modulação Modulação no Transmissor e Demodulação e Reconstrução do Sinal no Receptor Francisco Silva (UFMA/LSD) Computação Móvel 23 de agosto de / 32

31 Leituras Recomendadas Leituras Recomendadas Francisco Silva (UFMA/LSD) Computação Móvel 23 de agosto de / 32

32 Leituras Recomendadas Leituras Recomendadas Mobile Communications Jochen Schiller Cap 2: Wireless Transmission Addison-Wesley Francisco Silva (UFMA/LSD) Computação Móvel 23 de agosto de / 32