Sistema Rádio Satélite

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3 Sistema Rádio O sistema rádio ponto a ponto, conhecido também como radiovisibilidade ou links terrestres, constituiu-se por muito tempo como o principal meio de transmissão de alta capacidade. Atualmente, com a evolução dos sistemas de fibra óptica, os backbones de alta capacidade vem sendo substituídos gradativamente por sistemas FOTS SDH (Fiber Optical Transmission System Synchronous Digital Hierarchy). Para os sistemas de transporte de baixa e média capacidades, o radioenlace ponto a ponto vem sendo utilizado em grande escala no Brasil e no mundo, em conjunto com sistemas em fibra óptica. Satélite Os satélites artificiais são largamente empregados em telecomunicações, os quais podem ser classificados em geoestacionários ou não geoestacionários de acordo com sua órbita e podem prover meios de comunicação adequados para muitas aplicações, tanto para comunicações fixas como móveis. Os satélites não são utilizados apenas para telefonia e transmissão de dados; também podem ser empregados na difusão direta de sinais de televisão para finalidades domésticas. A evolução dos satélites ocorreu de forma similar à dos links terrestres, iniciando com sistemas analógicos, evoluindo para sistemas digitais 3

4 Sistemas Celulares Os serviços de telecomunicações via rádio iniciaram-se logo após a invenção do rádio, passando por uma série de estágios de regulamentação e evolução tecnológica. Ainda hoje, devido à grande demanda por serviços de telecomunicações celulares móveis, tanto a regulamentação quanto a implementação de novas tecnologias passam por um processo de conturbados debates, em que grandes interesses estão em jogo. Sistemas FOTS (Fiber Optical Transmission System) Os sistemas que utilizam fibra óptica é o mais importante meio de transmissão utilizados nas redes de transporte de todas as características e dimensões no que se refere à capacidade, localização, extensão da rede, incluindo backbones, entroncamentos e redes de acesso. A fibra óptica apresenta grandes vantagens comparadas aos condutores metálicos, tais como: imunidade a ruídos externos em geral e interferências eletromagnéticas, imune à influência do meio ambiente, ausência de diafonia, cabos de pequenas dimensões, o que implica em economia no transporte e instalação. Sistemas XDSL Nova tecnologia de acesso de dados a alta velocidade, o xdsl (Digital Subscriber Line), que representa uma abreviatura das várias soluções existentes em termos de DSL (ADSL, HDSL, etc.). Enquanto outras tecnologias concorrentes necessitam de melhoramentos nas infra-estruturas existentes, o DSL utiliza como meio de transmissão as linhas telefônicas existentes, tendo como principal característica a de transformá-las em linhas de transmissão de alta velocidade. 4

5 Dentre os diversos meios de transmissão disponíveis podemos destacar as vantagens e desvantagens de cada um. A escolha está intimamente ligada com a relação custo/benefício e considerando também a aplicação desse meio. Procuramos destacar aqui as principais vantagens em escolher um sistema de rádio digital, não que ele seja o melhor mas que, sem dúvida, tem seu lugar dentro de uma rede de telecomunicações e em algumas aplicações torna-se o meio mais apropriado. O objetivo aqui não é esgotar o assunto mas chamar a atenção para um sistema amplamente utilizado em diversas áreas nas telecomunicações. Os sistemas rádio continuam a ser utilizados e implantados em quantidade cada vez maior e em conjunto com os sistemas FOTS, sendo um dos principais meios de transmissão mais largamente empregados. Apesar de não poder concorrer com a fibra óptica em termos de capacidade de transmissão, o rádio continua a ser largamente utilizado, mesmo em backbones, exceto onde a capacidade requerida é muito grande, da ordem de milhares de megabits ou superior. As ligações de rádio apresentam vantagens não somente no caso de regiões não desenvolvidas e inacessíveis, como também no estabelecimento de forma rápida de uma rede flexível e adaptada às condições topográficas e organizacionais. Muitas vezes o radioenlace aparece como única solução adequada, especialmente nos casos de regiões densamente povoadas, em que o 5

6 lançamento de cabos enfrenta dificuldades quase que insuperáveis de direitos de propriedade e licenças de trajeto. Tipicamente, em termos de custos, quando não existe nenhuma infra-estrutura de rádio ou fibra, o custo e prazo de implantação de rádio são bem menores, exceto para links muito curtos (da ordem de centenas de metros). 6

7 A propagação das ondas eletromagnéticas entre as antenas de transmissão e recepção dependem fundamentalmente das propriedades do meio de transmissão. As propriedades do meio, espaço-atmosfera-superfície terrestre e, conseqüentemente o tipo de propagação dominante dependem da frequência da onda irradiada. Alguns parâmetros que determinam o mecanismo de propagação sofrem alterações em função da região envolvida (florestas, desertos, mares, montanhas, etc.) bem como variações naturais (temperatura, pressão, umidade, etc.). Assim, precisamos basicamente considerar, quando falamos de propagação eletromagnética, a superfície da Terra (curvatura e topografia) e a atmosfera formada pelas suas camadas : Troposfera é a camada mais baixa. Tem seu comportamento determinado basicamente por três parâmetros: pressão atmosférica, temperatura e umidade. Nesta camada ocorrem os efeitos meteorológicos. Estratosfera (ou Mesosfera) é a camada intermediária. Tem comportamento muito estável em termos de propagação e por este motivo não tem tanta importância. Ionosfera é a camada mais externa. Tem seu comportamento determinado pela ionização solar e por isso é muito importante para algumas faixas de frequência. 7

8 O espectro de rádio, de 0.3KHz até 300GHz, é uma faixa do espectro eletromagnético (infravermelho, luz visível e ultravioleta e as frequências do raio X são de outras faixas). O espectro do rádio está dividido em nove faixas de frequência, como mostrado acima. As ondas de rádio com frequências abaixo de 30 MHz são refletidas pela ionosfera e pela terra, possibilitando que sejam usadas para o tráfego rádiomarítimo, telégrafo e telex. A capacidade é limitada a algumas dezenas ou centenas de bit/s. Acima de 30 MHz, as frequências são altas demais para serem refletidas pelas camadas ionizadas da atmosfera. As faixas de frequência VHF e UHF usadas para TV, radiodifusão e telefonia móvel pertencem a esse grupo. As frequências acima de 3 GHz estão sujeitas a severas atenuações, causadas por obstáculos (tais como edifícios) e, por isso requerem uma linha de visibilidade livre entre o transmissor e o receptor. Os sistemas de enlace derádio usam as frequências entre 2 e 40 GHz, e os sistemas de satélite usam normalmente as frequências entre 2 e 14 GHz. A capacidade está na magnitude de Mbit/s. 8

9 Uma análise mais completa do espectro do rádio nos revela a forma de propagação em cada uma das faixas : ELF Há uma penetração razoável no solo e distâncias ainda maiores na água. Os sistemas de rádio necessitam de potências elevadas, na ordem de MW (Mega-Watts). Essa faixa de frequência é utilizada para comunicações marítimas e escavações em minas. VLF Nesta faixa de frequência a propagação dominante é através de reflexão(ões) na ionosfera, sendo considerado um ótimo condutor, pois provoca pequena atenuação na onda refletida. LF e MF Na faixa de LF até aproximadamente 100 KHz, ainda predomina o mecanismo de reflexão ionosférica, muito embora a atenuação da onda seja maior que a observada na faixa VLF. Acima de 100 KHz e entrando na faixa de MF, a propagação predominante é através de ondas superficiais que tendem a acompanhar a superfície terrestre, que apresenta menor atenuação que o mecanismo de reflexão ionosférica. HF A propagação é principalmente através da refração ionosférica mas ainda podemos observar ondas superficiais próximas ao transmissor. VHF, UHF O mecanismo de propagação dominante é a onda direta entre transmissor e receptor, neste caso teremos grande influência dos efeitos relacionados com a troposfera, refração atmosférica, e a topografia na região do enlace, reflexões na terra e na água. Em VHF e a parte mais baixa da faixa UHF é possível estabelecer comunicação por difração em obstáculos. 9

10 Os rádios VHF e UHF caracterizam-se pela pequena capacidade de transmissão devido à pequena banda disponível por canal. Estas faixas estão muito saturadas, devido a utilização não somente em radioenlaces como em outros serviços, além de serem mais vulneráveis a ruídos ambientais, como o de ignição causado por veículos, apresentando desta forma uma qualidade e confiabilidade inferiores e são utilizadas em links de acesso. SHF e EHF Sistemas de propagação em visibilidade, uma vez que as antenas permitem focalizar ao ondas e diminuem a influência do terreno na energia propagada. A faixa de SHF mais conhecida por faixa de microondas, é utilizada em enlaces de alta, média e baixa capacidades. As faixas de frequência de 4 a 8 GHz, consideradas as mais adequadas para a utilização em comunicações rádio de alta capacidade desde a época de sistemas analógicos, no que se refere à propagação, projeto de equipamentos, dimensões das antenas e guias de onda, foram as primeiras a serem utilizadas para esta finalidade, principalmente como backbones regionais e nacionais, com enlaces típicos de 30 a 50 Km, podendo atingir distâncias maiores, dependendo das condições do enlace e utilização de diversidade de espaço em casos críticos. Faixas superiores a 10 GHz sofrem atenuações crescentes devido a chuvas, limitando desta forma as distâncias dos enlaces utilizando essas faixas. Para os rádios analógicos de alta capacidade (960 e 1800 canais), forma utilizadas as faixas de 4, 5, 6, 6.7, 7.5, e 8 GHz para longas distâncias e 11 GHz para curtas distâncias. Muitos desses rádios estão ainda em operação comercial como rota principal ou como rotas alternativas para transmissão de telefonia e TV. Com a saturação do espectro, sobretudo nas faixas consideradas nobres, frequências cada vez mais altas, apesar das limitações de distância, são utilizadas. Isto foi possível com a utilização de equipamentos outdoor ou split cuja unidade de RF fica situada na torre, junto à antena, devido à compactação das unidades e componentes, inclusive de RF e a conseqüente eliminação do guia de onda, cuja perda também aumenta muito em função da distância. As faixas acima de 11GHz (15, 18, 23, 38GHz) são utilizadas atualmente, tendo como aplicação principal para links nas regiões metropolitanas e urbanas de curta distância e baixa capacidade, mas são utilizadas também pra média e alta capacidades. A utilização dos espectros de frequência para os rádios ponto a ponto depende naturalmente de regulamentações e normas, que devem ser respeitadas. 10

11 Adota-se o termo radioenlaces ponto a ponto por considerar o que melhor define estes sistemas, apesar de não ser perfeito, causando também algumas confusões e ambigüidades. O termo ponto a ponto está relacionado com o fato de a comunicação em nível de radioenlaces ser sempre realizada entre duas estações, ou seja, um único conjunto de receptores, localizado em uma única estação, recebe o sinal de um único conjunto de transmissores também localizado em um única estação. Obviamente, a rede de transporte como um todo, associada a outros equipamentos como multiplex, centrais de comutação e outros, provê a comunicação entre todos os usuários que a utilizam. Em contraposição, temos sistemas na topologia ponto-multiponto em que um sinal gerado em uma estação é recebido simultaneamente por mais de uma estação, utilizando técnicas de compartilhamento como FDMA, CDMA ou TDMA e antenas omnidirecionais ou setoriais. O termo radioenlace em que referimos pode denominar tanto enlaces isolados (links) como enlaces fazendo parte de uma rota de rádio. 11

12 Vimos que no espectro de frequência do rádio fez-se necessário uma divisão dadas as características de cada faixa de frequência e de forma conveniente a estas características o serviço ou a aplicação de cada uma delas. Com isso, as faixas de frequências denominadas UHF, SHF e o princípio da faixa EHF são as principais utilizadas para sistemas de rádio digital ponto a ponto (point-to-point PTP) e ponto-multiponto (point-multipoint PMP). Temos como principal mecanismo de propagação a onda direta mas também o aparecimento da propagação multipercurso (refrações troposféricas e reflexões), que será muito importante na análise quanto a viabilidade do sistema. A distância dependerá, dentre outros fatores, da frequência utilizada.por exemplo, um sistema de 2GHz possui um alcance de, aproximadamente, 50 Km e um sistema de 18 GHz possui um alcance entre 5 a 10 Km. Quanto a capacidade dos sistemas de rádio digital, essas faixas de frequências mencionadas acima, também estão divididas de forma a atender o serviço o mais eficiente possível e para isso os órgãos regulamentadores (no Brasil ANATEL Agência Nacional de Telecomunicações) definem as capacidades de tráfego sub-dividindo as faixas de frequências bem como definindo também a largura de banda máxima para cada taxa de transmissão. Como nos mostra o quadro acima, é possível implementar sistemas de baixa capacidade na ordem de alguns Kbps até sistemas de alta capacidade na ordem de centena de Mbps. 12

13 Necessidade da Modulação Compatibilizar as características do sinal a ser transmitido com as características do canal de comunicação. Definição da Modulação Processo pelo qual alguma característica de uma forma de onda (portadora) é variada de acordo com uma outra forma de onda (sinal modulante). Características da Portadora que podem ser alteradas: Amplitude Fase Frequência A variação da portadora pode ser feita por um sinal cujo nível varia continuamente (modulação analógica) ou varia de forma discreta (modulação digital). 13

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15 Exemplo de modulação analógica em amplitude, frequência e fase respectivamente. 15

16 Nas transparências a seguir serão apresentados os principais tipos de modulações digitais utilizadas para transmissão digital e suas representações analíticas, temporais e vetoriais. 16

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29 29 Modulação BPSK Exemplo: para E b /N o = 8,4 db P b = o b b N E Q P 2 ada tabul 2 1 ) ( 2 2 d e x Q x 3 para x 2 1 ) ( 2 2 x e x x Q

30 2Es PE( M) 2Q sen para M 2 No M P E (M) probabilidade de erro de símbolo energia por símbolo: E s = E b log 2 M E s Probabilidade de erro de bit x probabilidade de erro de símbolo A relação entre P b x P e depende do mapeamento da seqüência binária no conjunto de M símbolos transmitidos. Um resultado genérico simples não é possível, mas podemos traçar os limites desta relação. 30

31 Exemplo: Sistema QPSK símbolo = 2 bits QPSK com mapeamento Gray 1 símbolo errado mínimo: 1 bit errado máximo: 2 bits errados 1 erro de símbolo em P e = Mínimo : 1 erro de bit em P b = 0, Máximo : 2 erros de bit em P b = / P b Generalizando: Pe log2m P b P e 31

32 Para E b /N o alto e com utilização de código Gray temos: P b Pe log2m Símbolo transmitido Sem código Gray Com código Gray 8-PSK com e sem código Gray 32

33 A figura a seguir apresenta as curvas de P e xe b /N o várias valores de M ,6 E b /N o db Probabilidade de Erro de Símbolo Limite de Shannon M=2 M=4 M=8 M=16 M=32 M= Probabilidade de Erro de Símbolo x E b /N o para o esquema M-PSK 33

34 A seguir vemos uma tabela comparativa do sistema PSK para alguns valores de M. nº de estados por símbolo nº de bits por hetz C/N (db) P b = 10-4 BW=ideal E b /N o (db) P b = ,4 8, ,4 8, ,8 11, ,0 16, ,0 21,0 Comparação entre sistemas M-PSK Para valores grandes de M, o sistema M-PSK torna-se ineficiente, pois para ganhar 1 bit por Hz pagamos um preço de 6 db no C/N. Entre os sistemas do tipo PSK, existe ainda o PSK diferencial ou DPSK. O DPSK é um tipo de modulação que elimina a necessidade de um sinal referência com coerência de fase no receptor para o processo de detecção. Suas principais características são: Maior simplicidade Pior performance (veja tabela a seguir) A seguir apresenta-se uma tabela comparativa do sistema DPSK para alguns valores de M. 34

35 Comparação entre sistemas DPSK M C/N 2 9,4 4 13,5 8 19, , ,0 35

36 Para ilustrar a afirmação acima, sejam os exemplos seguintes, onde determinaremos a energia média necessária do sinal para manter a distância entre os pontos da constelação igual a 2, e portanto obter (praticamente) a mesma probabilidade de erro. 36

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40 O desempenho do sistema depende do tipo de constelação. Em QAM o tipo de constelação mais utilizado é o retangular, apesar do esforço de pesquisa nos mais diversos tipos de geometria, cujo objetivo é sempre o da otimização da energia média da constelação (empacotamento de energia). M=256 M=128 M=64 M=32 M=16 M=4 40

41 A Tabela a seguir apresenta as energias médias das constelações necessárias para a transmissão considerando-se que a distância mínima entre dois pontos da constelação é igual a 2. M Bits/símbolo (log 2 M) 10 log , ,73 6, , , , , ,3 Energia média necessária para constelações QAM retangulares distância mínima igual a 2 41

42 Sistemas M-FSK apresentam pontos no espaço de sinais que são ortogonais entre si. No caso, por exemplo, de um 3-FSK, vemos acima onde estariam as regiões de decisão para detecção de cada um de seus três símbolos. Para sistemas FSK com detecção coerente a probabilidade de erro é dada pela seguinte expressão: P e ( M 1) Q E N s o No gráfico a seguir apresenta-se as curvas de desempenho de probabilidade de erro em função de E b /N o, para vários valores de M. 42

43 -10-1,6 E b /N o, db Proobabilidade de Erro de Símbolo P e M = 2 M = 4 M = 8 M = 16 M = 32 M = 64 Probabilidade de erro x E b /N o para M-FSK

44 Vemos acima uma comparação entre os vários esquemas de modulação digital em termos de eficiência de largura de faixa em função do tipo de modulação e E b /N o para uma taxa de erro constante de Apresenta ainda as regiões limitadas em potência e em largura de faixa. Observa-se que o sistema M-FSK é o único em que para uma dada probabilidade de erro o valor necessário de E b /N o diminui com o aumento de M. Entretanto o preço a ser pago por isso é uma expansão da largura de faixa necessária para a transmissão, que acaba diminuindo a eficiência de largura de faixa, na medida em que M aumenta. 44