Risco de perda de dados chave nos links backhaul de polarização dupla

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1 Documento técnico Risco de perda de dados chave nos links backhaul de polarização dupla Introdução O uso da dupla polarização não é nada novo no campo dos rádios de microondas e é frequente nos sistemas centrais ou troncais de transmissão nos quais a alta capacidade multicanal é a norma. No entanto, no que diz respeito aos links backhaul móveis, hoje em dia, só uma pequena porcentagem emprega a dupla polarização, porcentagem que, conforme se prevê, aumentará frente à demanda de maior capacidade e de melhorias na funcionalidade dos sistemas de rádio. Os canceladores de interferência por polarização cruzada (XPIC), dispositivos que são conseguidos facilmente no mercado, atenuam o efeito do acoplamento cruzado de polarização provocado pelas ligações ou equipamentos, de modo que os sistemas que utilizam dupla polarização e um mesmo canal podem oferecer o dobro de capacidade de transmissão dentro de um único canal de frequência. A ANDREW se encontra trabalhando com os principais fabricantes originais (OEM) de equipamentos de rádio para facilitar a integração econômica dos rádios de microondas de última geração com antenas ValuLine. Na montagem do programa, ficou claro que era necessário desenvolver o conjunto rádio/antena como pacote integrado. A estratégia de utilizar componentes guias de ondas complementares de terceiros constitui um alto risco, pois é possível que, por suas características mecânicas e de RF, o conjunto integrado resultante não ofereça a eficiência de espectro ou a vida útil previstas. O presente relatório técnico ilustra os riscos que significa introduzir componentes de terceiros no pacote integrado de rádio e antena, e explica por que convém adquirir a antena e a unidade guia de ondas como pacote integrado apenas de um fabricante de antenas reconhecido. Dupla polarização Tradicionalmente, a dupla polarização funciona graças a uma combinação de antena e rádio na qual um rádio montado de forma remota se conecta com a antena mediante dois guias de ondas: um guia de ondas por polarização. As polarizações se combinam no mesmo trajeto de transmissão mediante um dispositivo conhecido como transformador ortomodal (OMT) ou polarizador que forma parte do sistema de alimentação da antena. Tal dispositivo pode fazer o trabalho de corneta de alimentação, por exemplo, situado junto ao ponto focal de uma antena refletora ou ser colocado na conexão de cliente da antena. O seu funcionamento no modo transmissão (recepção) significa a combinação (separação) das duas polarizações fora (dentro) dos guias de ondas retangulares, dentro (fora) de um trajeto de transmissão comum, normalmente dado por um guia de ondas circular. O guia de ondas circular transmite-recebe as polarizações à (da) abertura de radiação da antena. Nos links backhaul móveis, o que mais se implementa são as unidades de rádio integradas com montagem dividida. Os circuitos de RF são hospedados em uma unidade externa (ODU) integrada com a antena de microondas ou colocada junto a ela, enquanto os circuitos de processamento da banda de base são dispostos em uma unidade interna (IDU), normalmente montada dentro de uma unidade padrão na base da antena. Um cabo coaxial é utilizado para a frequência intermediária, para a comunicação e para a conexão elétrica entre as duas unidades. Pág. 1 de 10

2 A maioria dos rádios integrados de montagem dividida se encontra configurado para funcionar com polarização simples. Utiliza-se um único par de canais de rádio de ida/volta para conseguir um funcionamento duplo total. No entanto, o contínuo crescimento dos serviços de dados dos dispositivos móveis está obrigando os fornecedores de sistemas a considerar a ampliação das suas redes backhaul para atender a demanda crescente. Caso o canal de rádio de polarização simples comprado ou alugado anteriormente seja formatado transmitindo-recebendo simultaneamente a polarização ortogonal, a capacidade de administração de dados do canal pode ser duplicada com um impacto mínimo sobre os custos de aluguel. As melhorias funcionais dos rádios de microondas, incluindo a evolução dos XPIC, facilitam a transmissão simultânea de duas polarizações, vertical e horizontal, no mesmo canal e, por outro lado, reduzem a diafonia (linha cruzada) que existe entre os canais por causa de impedimentos produzidos pelos equipamentos ou links de rádio. Até bem recentemente, quase todos os sistemas com dupla polarização utilizados dentro do espaço de backhaul significavam a montagem remota de dois rádios junto à antena. A conexão com a antena de polarização dupla era realizada mediante guias de ondas flexíveis de baixa perda que iam dos rádios às portas do OMT. Tal esquema é sensato do ponto de vista funcional, mas pode não ser a solução mais econômica, dado o investimento de capital (CAPEX) necessário para adquirir os dois guias de ondas flexíveis e os dois suportes remotos de rádio, além do suporte da antena. Funcionamento integrado com dupla polarização Atualmente, o esquema integrado com montagem dividida está começando a ser utilizado com dupla polarização, além de polarização simples, mediante um OMT integrado. Os dois rádios de polarização simples agora são montados diretamente no OMT, que, por outro lado, vai montado diretamente na antena. Deste modo, já não são necessários dois suportes de rádio adicionais nem dois guias de ondas flexíveis, o que representa uma economia significativa em CAPEX. De fato, o esquema pode parecer similar ao que é utilizado nos sistemas de rádio protegidos (1+1), nos quais se tem um rádio primário e um de reserva montados diretamente na antena e acoplados por meio de um acoplador de 6dB. No caso de falhas no rádio, desativa-se o rádio primário e se ativa o rádio de reserva; desta maneira, se mantém a ligação até que se conserta o rádio primário. No entanto, as características de RF de um OMT são muito diferentes das de um acoplador e resultam fundamentais para a implementação satisfatória do esquema de dupla polarização. Aspectos fundamentais de desenvolvimento A integridade mecânica do pacote integrado é um aspecto fundamental. A montagem de dois rádios de OEM em uma antena junto com os componentes guias de ondas correspondentes representa uma carga considerável, e a sua viabilidade deve ser confirmada mediante a análise e a demonstração prática por meio de testes de carga, choque e vibração. Como cada rádio de OEM é único, os pacotes de integração devem ser armados sob medida para cada cliente. As características fundamentais de RF são a perda por inserção e a discriminação entre as duas polarizações, conhecida como discriminação entre portas, cujos valores típicos de rendimento são 0.2dB e 35dB, respectivamente. Apesar de que uma perda por inserção maior começaria a afetar o lucro do sistema, poderiam ser aceitos valores menores de discriminação supondo a correção da diafonia resultante por meio do XPIC. No entanto, a funcionalidade principal de um XPIC é corrigir os impedimentos da polarização provocados pelos links e não pelas imperfeições internas do OMT, pelo qual se prefere uma maior discriminação. Pág. 2 de 10

3 A perda por inserção e a discriminação entre portas são dois parâmetros que podem ser avaliados no banco de testes dentro de um ambiente de fabricação. No entanto, existe um parâmetro de RF potencialmente significativo que não pode ser avaliado. Vazamento de RF a ameaça oculta Em geral, os dispositivos guias de ondas para esta aplicação, tais como os OMT (e acopladores), são fabricados em forma de bloco dividido, quer dizer que o dispositivo é composto normalmente de duas meias seções longitudinais. A união está colocada de maneira a minimizar a perda de transmissão de RF dentro dos guias de ondas. É necessária alta pressão de contato para uma boa vedação de RF, o qual se consegue tradicionalmente com uma variedade de elementos de fixação colocados nos canais do guia de ondas junto com superfícies de contato integradas. Também é necessária uma vedação ambiental, que pode ser realizada com uma junta tórica ou um adesivo adequado. No entanto, a integridade e a eficácia da vedação de RF só podem ser avaliadas na fase de desenvolvimento mediante a integração direta do dispositivo com a antena em questão e a análise dos padrões de radiação de todo o conjunto em um campo de testes por parte de engenheiros qualificados especializados em antenas. Trata-se de um esquema especial que requer uma grande capacidade de medição da margem dinâmica, pois os limites de radiação estabelecidos pelas autoridades normativas podem oscilar entre 60 e 80dB por baixo do nível máximo do raio principal da antena, de acordo com o seu ganho. O teste consiste em colocar o OMT/antena integrados, o que convencionalmente se conhece como conjunto sob teste (AUT), em um sistema de posicionamento rotatório em azimute. Posteriormente, dirige-se o sinal de RF (microondas) para o AUT a partir de um ponto de transmissão fixo, dentro da faixa operacional de interesse, enquanto o AUT gira em azimute. Por último, registra-se o sinal recebido como função do ângulo de azimute. Convencionalmente, e conforme o indicado pelo ETSI (Instituto Europeu de Normas de Telecomunicações), por exemplo, esta medição costuma ser realizada a frequências baixas, médias e altas dentro da faixa operacional sob análise, tanto para polarizações copolares como polarizações contrapolares incidentais. Na figura 1, mostra-se uma típica antena integrada montada em um campo de testes ao ar livre que é utilizada para a avaliação de vazamentos de RF, ao mesmo tempo em que, na figura 2, ilustra-se uma integração de antena/omt em avaliação. Pág. 3 de 10

4 Figura 1: Campo de testes típico armado para a avaliação de vazamentos de RF. Figura 1: Campo de testes típico armado para a avaliação de vazamentos de RF. Os vazamentos de RF dos AUT podem prejudicar seriamente o rendimento em termos do diagrama de radiação se ele for comparado com o da antena não integrada. Na figura 3a, apresentam-se os diagramas de radiação copolar de uma antena de 18GHz ValuLine da ANDREW quando está integrada com uma unidade de OMT bem projetada em contraposição com os obtidos quando se integra com um OMT mal projetado (por exemplo, de um terceiro). Resulta evidente a degradação dos diagramas de radiação do hemisfério posterior (atrás da antena) causada pelos vazamentos de RF e, neste caso, impede o cumprimento da especificação de envolvente de diagrama da norma ETSI, classe 3, obrigatória. Na figura 3b, mostram-se os correspondentes diagramas de radiação contrapolar, com os quais a especificação é ainda mais rigorosa. Novamente, fica claro o efeito dos vazamentos de RF do paquete de OMT mal projetado. Pág. 4 de 10

5 Figura 3a: Cobertura de diagrama de radiação copolar de uma unidade OMT integrada corretamente, projetada, comparada com componentes mal projetados conforme as especificações normativas obrigatórias do ETSI e da FCC (Comissão Federal de Comunicações). Figura 3b: Cobertura de diagrama de radiação contrapolar de uma unidade OMT integrada corretamente, projetada, comparada com componentes mal projetados conforme as especificações normativas obrigatórias do ETSI e da FCC. Pág. 5 de 10

6 O impacto de tais vazamentos pode ter graves consequências, entre elas: Degradação da relação portadora/ruído do sistema, que conduz a erros de bit potencialmente significativos nos sistemas que utilizam esquemas de modulação de alta capacidade mais rigorosos; Não cumprimento das especificações publicadas; Não cumprimento das especificações normativas obrigatórias, como as da FCC e do ETSI; Não cumprimento da declaração de conformidade com as normas harmonizadas (da UE) e, consequentemente, violação das condições exigidas para que o conjunto receba a certificação CE. Portanto, os vazamentos de RF são um parâmetro fundamental para um sistema de rádio integrado e devem ser eliminados na fase de projeto, o que deve ser confirmado mediante um processo de testes de RF sobre o conjunto. Em geral, os terceiros fornecedores de componentes guias de ondas não possuem a experiência necessária para fazê-lo nem têm acesso direto à infraestrutura requerida para realizar testes e avaliações exaustivas e de alta margem dinâmica do diagrama de radiação durante a fase de desenvolvimento. Adquirir antenas de teste a fim de integrar dispositivos de terceiros e fazer um leasing/ alugar um campo de testes para antenas custa muito caro: os custos normalmente superam os $3.000 por dia. Se tal processo for seguido para as atividades de desenvolvimento correspondentes a cada faixa de frequência sob análise, haverá um gasto considerável. Desta forma, a fim de verificar o cumprimento de uma norma harmonizada necessária para a aprovação da certificação europeia CE, é preciso contratar os serviços de um centro de testes acreditado, o que por si só representa um custo significativo adicional. O processo depois deve ser repetido para cada produto do fabricante de rádios e do fabricante de antenas que vá se integrar com um OMT de terceiros. É evidente que o terceiro se encontra em franca desvantagem na hora de desenvolver e avaliar dispositivos complementares, tais como uma solução de OMT para integração com a antena, frente a um fabricante de antenas reconhecido que não só possui a experiência necessária em matéria de projeto, mas que está preparado para realizar o processo obrigatório de testes. Na Europa, os OEM de rádios são, em última instância, os responsáveis pela declaração de cumprimento das normas harmonizadas aplicáveis a todo o sistema integrado de rádio. Por isso, é seu dever assegurar-se de que se cumpram os parâmetros de rendimento exigidos. Quem pode facilitar essa informação sobre o pacote integrado antena/rádio são os fabricantes de antenas reconhecidos que realizam o projeto e a avaliação geral dos seus próprios produtos integrados dentro do seu processo de desenvolvimento de produtos (tal como exige a norma ISO9000, por exemplo). Entrada de umidade outra ameaça oculta A integridade mecânica que a vedação ambiental oferece a uma unidade integrada é outro aspecto muito importante que deve ser contemplado no processo de projeto e verificação do produto. É relativamente fácil avaliar a integridade da unidade de forma isolada dentro de um ambiente de fabricação utilizando, por exemplo, um detector de vazamentos à pressão. Mais difícil resulta avaliar a vedação ambiental da unidade integrada à antena na conexão de microondas ou junto a ela, para o qual se requerem detalhes precisos sobre as peças acopladas na fase de projeto. Desde já, essa informação está nas mãos do desenvolvedor/fabricante da antena, que possui os direitos de propriedade do projeto e pode fornecer as peças compatíveis corretas que se requerem para a integração. No entanto, os terceiros fornecedores não contam necessariamente com essa informação, pois quase sempre ela é propriedade exclusiva do fabricante de antenas. Pág. 6 de 10

7 Pode ser que na fase de instalação não se detecte uma vedação ambiental mal projetada e ineficaz na conexão entre o OMT integrado e a antena. No entanto, o seu impacto será notado com o tempo, já que a entrada de umidade no trajeto das microondas terminará causando perdas importantes, o que se traduzirá em uma diminuição do rendimento da ligação e o não cumprimento das metas de disponibilidade. Infelizmente, um sistema integrado não conta com redundância nem proteção para mitigar esse mecanismo: a conexão entre a unidade de integração e a antena se encontra no trajeto de RF comum e afeta ambos os canais. Para resolver este problema, é provável que seja preciso trocar tanto a antena como a unidade de integração. Cabe esclarecer novamente que os OEM de rádios podem ter a certeza de que o problema foi avaliado corretamente apenas se falarem diretamente com o fabricante de antenas reconhecido. Ajuste fino de polarização O ajuste fino de polarização é um requisito essencial em um sistema com dupla polarização para otimizar a discriminação de polarização (minimizar o acoplamento cruzado). Quando o conjunto de antena e rádio é montado em um poste, não se considera um procedimento prático alinhar verticalmente o poste de montagem com relação a uma vertical verdadeira de referência. Consequentemente, a orientação das polarizações do transceptor não é exatamente horizontal nem vertical. Da mesma forma, o transceptor da ponta receptora da ligação também está montado em uma posição próxima à vertical verdadeira, mas não exatamente nela. Se for adicionada ao conjunto antena/rádio uma funcionalidade de alinhamento de polarização independente do poste de montagem, a discriminação por polarização cruzada da ligação pode ser otimizada na fase de início do serviço de RF, por exemplo, configurando uma ponta na referência nominal e ajustando de forma fina a ponta remota para conseguir uma discriminação máxima. Desse modo, os XPIC não são utilizados para compensar a polarização cruzada estável gerada internamente pelo desalinhamento, mas sim as variações dinâmicas dos impedimentos da polarização cruzada que derivam da ligação. Esta funcionalidade pode ser incluída facilmente no planejamento integrado de antena/omt dos fabricantes de antenas reconhecidos, mas não necessariamente nos acessórios de terceiros já que, como foi mencionado, para tal fim são necessários detalhes precisos e de propriedade exclusiva que não são de domínio público. Integridade mecânica A presença das duas ODU montadas junto à parte posterior da antena não deve interferir na montagem do conjunto sobre o poste requerido e deve permitir a gama completa de ajuste do azimute e a elevação, normalmente +/- 15 graus em ambos os eixos. A melhor prática para esta avaliação consiste em utilizar um conjunto de antena, unidade de integração e dois rádios de OEM. A presença de duas ODU pode constituir uma carga significativa para a antena ou para o seu sistema de montagem, e o efeito de tal carga sobre o conjunto deve ser determinado empregando todos os elementos de integração, incluindo os rádios de OEM. O trabalho analítico (por exemplo, análise dos elementos finitos [FEA], figura 4) complementado pelos testes práticos de vibração em 3 eixos, choque (conforme a norma ETSI EN ) e carga é o método preferido para garantir a integridade mecânica e a vida útil do conjunto, e também demonstrar o cumprimento da especificação de precisão da pontaria no caso das antenas de ganho elevado e maior frequência, que possuem larguras de raio menores. A vibração causada pelo vento e/ou a deflexão de todo o conjunto pode reduzir a disponibilidade do sistema (figura 5). Pág. 7 de 10

8 Figura 4: Típica análise de elementos finitos da montagem da antena quando carregada com um OMT integrado e dois rádios. Figura 5: Integração polarizada dupla submetida a testes de vibração do eixo Y. Pág. 8 de 10

9 Figura 6: Resultado do teste de choque típico. Um fabricante de antenas reconhecido possui a experiência e a infraestrutura necessárias para realizar o projeto, a análise e a verificação prática do produto. Isso tem particular importância se for considerado que cada OEM de rádio tem a sua própria maneira de projetar as unidades de rádio. Em geral, as unidades variam em tamanho, volume e peso, pelo qual são necessários projetos de integração personalizados em função do cliente. Consequentemente, a fase de verificação mecânica é um aspecto fundamental do processo de projeto: não existe uma solução universal e não há fórmulas mágicas para encontrar a melhor solução. Quem possui a experiência necessária, cabe insistir, é o fabricante de antenas reconhecido, que realiza este tipo de análise de forma rotineira. Normalmente, não se pode dizer o mesmo de um terceiro fornecedor de componentes guias de ondas, que dificilmente tem acesso aos dados de projeto de propriedade exclusiva que fazem falta e aos elementos e às instalações de teste que são necessários para avaliar cada combinação de projeto. Conclusão Há uma necessidade cada vez maior de contar com sistemas de rádio de dupla polarização nos links backhaul móveis, pelo qual agora se requerem novos pacotes integrados de rádio dual e antena de montagem dividida. Uma solução é integrar os componentes guias de ondas de terceiros diretamente na antena para conseguir a interconexão necessária com os dois rádios. No entanto, esse enfoque supõe um risco significativo quanto ao cumprimento das normas e à vida útil do pacote integrado final. É necessária uma grande experiência não só para projetar os componentes, mas também para projetar o pacote de integração e verificar o seu rendimento. Os fabricantes de antenas reconhecidos possuem essa experiência, além da infraestrutura necessária para demonstrar a integridade do produto integrado. Pág. 9 de 10

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