CECSF/NE Conceitos Elementares em Comunicações Sem Fio Para Não-Engenheiros

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1 CECSF/NE Conceitos Elementares em Comunicações Sem Fio Para Não-Engenheiros Termos populares do mundo wireless apresentados de forma simples e descomplicada Sérgio Ricardo de Freitas Oliveira sergio.r.f.oliveira@lanlink.com.br 05/07/2010

2 Os conceitos apresentados neste documento visam a elucidar alguns termos muito citados na área de redes sem fio, para aqueles que não vêm da área de telecomunicações. A seqüência em que cada termo aparece não segue a ordem alfabética, mas sim o inter-relacionamento entre os conceitos, de maneira que na explicação de um termo não sejam usados conceitos que ainda não foram definidos em entradas precedentes. Por isso a leitura aconselhada é a seqüencial, do primeiro ao último conceito, de cima para baixo. Procurou-se fugir do formalismo, de maneira que cada conceito pudesse ser explicado da forma mais didática possível sem recorrer ao rigor teórico ou matemático, tendose, entretanto, o cuidado de não comprometer a exatidão das informações. Versão /07/2010 Sérgio R F Oliveira

3 Potência No contexto desse documento, potência é o quanto de energia um sinal eletromagnético carrega por unidade de tempo. As unidades de potência que consideraremos aqui são o Watt (W), o dbw e o dbm, sendo o primeiro na escala linear e os dois últimos na escala logarítmica de base 10. Usa-se a fórmula db = 10*log(W) para converter de Watt para db; dbm = 10*log(W/0,001) para converter de Watt para dbm; W = 10 (db/10) para converter de db para W; e finalmente W = 0,001*10 (dbm/10) para converter de dbm para W (onde log é o logaritmo na base 10). Usa-se dbw se a potência é medida em relação a um sinal de 1W, e usa-se dbm se a potência é medida em relação a um sinal de 1mW (10-3 W). Em redes sem fio, a potência recebida segue uma lei de decaimento exponencial com a distância, segundo a fórmula de Friis:, onde P TX é a potência transmitida em Watts, P RX é a potência recebida em Watts, G TX é o ganho da antena de transmissão, G RX é o ganho da antena de recepção, λ é o comprimento de onda (= c/f) em metros, c é a velocidade da luz (3*10 8 m/s), f é a freqüência em Hz e d é a distância em metros entre transmissor e receptor. O ganho é um fator numérico adimensional na escala linear ou dado em db ou dbi na escala logarítmica (será dado em dbi se for medido em comparação a uma antena isotrópica isto é, uma antena teórica pontual que irradia em todas as direções, e será dado em db se for medido em relação a uma antena dipolo). O ganho multiplica a potência transmitida ou recebida por este fator numérico (na escala logarítmica ele se soma à potência dada em dbw ou dbm). Obs: a fórmula de Friis só é válida no espaço livre, sem obstáculos, e sem reflexões do sinal. Relação Sinal/Ruído Um dos termos mais usados na área de Engenharia de Telecomunicações e menos compreendidos fora dela, a relação sinal/ruído (SNR Signal to Noise Ratio) na escala linear denota o quociente entre a potência do sinal e a potência do ruído; na escala logarítmica (Decibéis) denota a diferença entre a potência do sinal (em DbW ou dbm) e a potência do ruído (em DbW ou dbm). Na escala linear ela é adimensional, e na escala logarítmica ela é dada em db (e não em dbw nem dbm). Valores em db podem aparecer como números negativos. Isso decorre do fato de que valores entre 0 e 1 na escala linear se transformam em valores menores que zero na escala logarítmica, denotando relação sinal/ruído onde a potência do sinal é menor que a potência do ruído, ou denotando atenuação (o sinal recebido é inferior ao sinal transmitido). Por isso é comum se ouvir que a potência no receptor é de -70 dbm (=0,1 nano W).

4 Domínio do Tempo e Domínio da Freqüência Outro conceito básico a ser entendido é o de Domínio do Tempo e Domínio da Freqüência. Motivo: qualquer sinal (pelo menos os sinais reais, do dia-a-dia), seja ele de que forma for, pode ser representado como um somatório de senóides e cossenóides. O que muda de um sinal para outro são as amplitudes e freqüências das senóides e cossenóides que os compõem. Esse resultado foi postulado por um matemático francês chamado Fourier. Só para relembrar, uma cossenóide (ou senóide) é um sinal que varia com o tempo e tem a seguinte forma: s(t) = A*cos(2*pi*f c *t + ) onde A é amplitude, f c é a freqüência, t é o tempo e é a fase do sinal. (Para facilitar, deste ponto em diante iremos usar apenas a palavra cossenóide, sabendo que a diferença de uma para a outra é apenas no valor da fase, de 90 graus). Não importa quão estranho o sinal seja, via de regra ele poderá ser representado como uma soma de cossenóides. Assim, quando se diz que um sinal opera na freqüência de 2,4 GHz, grosso-modo está se dizendo que as cossenóides responsáveis pela maior parte da energia do sinal têm freqüências que estão centralizadas nas proximidades de 2,4 GHz (mais precisamente entre GHz a GHz a chamada faixa ISM, de Industrial, Scientific and Medical). Não é que o sinal não possua componentes em freqüências fora desta faixa ele possui, mas os que estão fora não têm energia significativa (por significativa entenda: acima de um limiar definido pelas entidades normatizadoras no caso, o ITU e o IEEE). Isso explica a possibilidade de dois sinais trafegarem simultaneamente sobre o mesmo meio físico sem interferirem um com o outro: basta que os componentes significativos de freqüência de um sinal (o seu espectro ) não se sobreponham com os componentes significativos de freqüência do outro. Este é o princípio básico no qual se baseia a técnica de multiplexação em freqüência. Voltaremos mais tarde a este ponto. Até mesmo o ruído branco pode ser representado como um somatório de cossenóides, mas ele é um caso especial, porque é composto por cossenóides com freqüência entre - e + e todas elas têm mais ou menos a mesma energia (não existe uma faixa que seja mais significativa do que outra). Por isso é que ele é chamado de branco, pois assim como a luz branca contém todas as cores, o ruído branco contém todas as freqüências. Os únicos sinais que não podem ser decompostos são as cossenóides puras s(t)=a*cos(2*pi*f c *t), pois estas só possuem um único componente: o que é está na freqüência f c (a rigor, matematicamente uma cossenóide pura possui dois componentes espectrais: um na freqüência +f c e outro na freqüência f c.). Sob este

5 ponto de vista, uma cossenóide pura é o oposto do ruído branco: enquanto este ocupa todo o espectro de freqüências de - a +, aquela ocupa apenas a freqüência +/- f c. Pois bem, essa capacidade de analisar um sinal em função do tempo ou em função das freqüências (cossenóides) que o compõem é que caracteriza a análise no domínio do tempo e no domínio da freqüência. Quando se analisa a maneira como um sinal varia com o tempo, está-se trabalhando no domínio do tempo. Quando se analisa a maneira como os seus componentes (harmônicos) estão distribuídos numa faixa de freqüências (espectro), está-se trabalhando no domínio da freqüência. Via de regra é mais produtivo analisar sinais no domínio da freqüência, por dois motivos principais: a) os meios físicos por onde os sinais trafegam (ex: o ar, no caso das redes sem fio) não se comportam da mesma forma para todas as freqüências, provocando distorções mais significativas em determinadas freqüências do que em outras, e os engenheiros precisam analisar tais efeitos nas faixas de freqüência de interesse; b) operações matemáticas que são complicadas no domínio do tempo (as chamadas convoluções) se transformam em simples multiplicações no domínio da freqüência. Canal Este termo tem duplo significado, um rigoroso e outro nem tanto. A rigor o termo canal denota o meio físico no qual um sinal será transmitido, por exemplo, o espaço livre, no caso das redes sem fio. Esse termo é também usado de forma genérica como sinônimo de onda portadora (freqüência central): transmitir pelo canal 1, na faixa ISM, significa usar a portadora de 2,412 GHz. Dizer que na faixa ISM se podem usar 3 canais não sobrepostos significa que existem 3 portadoras cujos componentes espectrais (harmônicos) não interferem entre si (2,412 GHz, 2,437 GHz e 2,462 GHz). Banda (Largura de Banda) Conforme dissemos anteriormente, grosso-modo um sinal é composto de componentes de freqüência (cossenóides). Quando os componentes significativos do sinal (de novo: significativo depende de quem define o padrão) estão concentrados numa faixa entre um valor f 1 e um valor f 2 (onde f 2 > f 1 ) a diferença (f 2 -f 1 ) é chamada de largura de banda, ou simplesmente banda do sinal (obs.: quando f 1 é zero, o sinal é dito ser de banda-base ). Conclui-se dessa definição que banda é medida em Hertz (e seus múltiplos: khz, MHz, GHz, etc.), e não em bits por segundo (como se houve no popular). Por exemplo, quando se diz que um sinal tem banda de 20 MHz, grosso modo está-se informando que a diferença entre o componente de maior freqüência e o componente de menor freqüência do sinal é de 20 MHz. A princípio isso parece um contra-senso, uma vez que informamos acima que o padrão opera na faixa ISM, que vai de 2,407 GHz a 2,483 GHz, e a diferença entre esses dois valores resulta em GHz (ou 76 MHz). A banda disponível na faixa ISM é, portanto, de 76 MHz. Mas essa faixa é dividida em 11 canais de 20 MHz cada. Ora, 11 x 20 = 220

6 MHz, valor bem superior à banda disponível (76 MHz). A explicação é que cada canal na faixa ISM tem superposição de espectro com seus canais adjacentes, exceto 3 deles, como veremos mais adiante. Um ponto importante a ser ressaltado é que, ao se informar a banda de um sinal, nada se pode deduzir da freqüência na qual ele opera, ou vice-versa. Por exemplo: dizer que um sinal opera na freqüência central de 2,412 GHz não diz nada sobre a largura de banda que esse sinal requer. Dentre outras coisas, os padrões são definidos fixando-se simultaneamente a largura de banda máxima que cada sinal pode ocupar e a sua freqüência de operação. A banda mínima requerida depende de quanta informação deve ser transportada pelo sinal, segundo um teorema fundamental postulado por Shannon. Esse teorema (Teorema de Shannon da Capacidade do Canal), juntamente com o teorema de Fourier (já mencionado numa sessão anterior deste documento), o Teorema da Amostragem de Nyquist (não abordado aqui), as 4 equações de Maxwell (idem) e a Lei de Friis, representam os mais elegantes e significativos resultados sobre os quais se embasa toda a atual tecnologia de comunicações sem fio. Outro ponto importante a ser ressaltado é que usar o termo banda para designar a taxa de bits por segundo é uma grave impropriedade. Por exemplo, é muito comum nos meios não formais se dizer que a banda de uma interface é de 1 Gbps. Na verdade esse número designa a taxa de transferência máxima daquela interface em bits por segundo. A banda ocupada por esse sinal vai depender do tipo de modulação que está sendo usada. Os meios físicos são também denominados de canais (não confundir com as subdivisões de uma faixa de freqüência, como no caso da ISM citado acima). Como já dito, cada meio físico (ou seja, cada canal) age diferentemente sobre freqüências diferentes, provocando distorções diferentes em cada componente de freqüência do sinal. É como se o canal se comportasse como um filtro, deixando passar com pouca ou nenhuma distorção determinadas faixas de freqüência e provocando forte distorção ou atenuação aos componentes que estão fora dessa faixa. Dada uma determinada freqüência central de operação, a largura de banda do canal (não confundir com largura de banda do sinal que ele transmite) é a faixa de freqüências para as quais o canal se comporta de maneira idêntica, isto é, para todas as freqüências dentro dessa faixa a atenuação do sinal imposta pelo canal será praticamente a mesma, e a mudança de fase do sinal imposta pelo canal será uma função linear da freqüência. No caso das redes sem fio, a banda do canal é chamada de banda de coerência, e depende dos componentes de multicaminho do sinal (já que o sinal sofre reflexões e chega ao destino em várias cópias ou ecos que são os seus componentes de multicaminho, cada um tendo sofrido um atraso diferente em relação ao componente que chegou primeiro, devido a ter percorrido um caminho maior por causa das

7 inúmeras reflexões que sofreu). No caso das redes cabeadas, a largura de banda do canal depende do cabo que está sendo usado: por exemplo, um cabo UTP de 500 MHz tem largura de banda suficiente para transportar sinais de até 500 MHz sem impor distorções significativas (obs.: nas redes Ethernet a freqüência inferior da banda de operação é de zero Hertz por isso elas são chamadas de redes banda base como veremos mais adiante). Máscara Espectral e Densidade Espectral de Potência (PSD) Densidade Espectral de Potência diz respeito à distribuição de potência por entre os componentes de freqüência (os componentes espectrais, ou harmônicos ) do sinal. Ela é dada em W/Hz na escala linear e em db na escala logarítmica. Assim, se um sinal tem PSD=0,002 W/Hz, cada Hertz desse sinal carrega 0,002 W de potência. Neste exemplo consideraremos 0,002 W como sendo zero db em vez de -27dB, pois nossa escala é relativa), como veremos a seguir. Figura 1: máscara espectral do padrão n para 2,4GHz As normas determinam quais devem ser os níveis de PSD que um transmissor pode irradiar em torno da freqüência central de operação. Por exemplo, na figura acima, se a freqüência central (representada pelo 0 no eixo horizontal) equivaler a 2,412 GHz, então os componentes espectrais na faixa de 2,412 GHz +/- 9 MHz (isto é: de 2,403 GHz até 2,421 GHz) podem ter a máxima densidade espectral de potência (0,002 W/Hz); neste mesmo exemplo, os componentes espectrais de 2,421 GHz a 2,423 GHz e de 2,401 GHz a 2,403 GHz devem ter PSD 20 db menor que a PSD máxima (daí a unidade dbr o r é de relativo ), ou seja, 0,002 0,00198 = 0,00002 W/Hz (portanto 100 vezes menor). Os transmissores e receptores devem ser projetados, construídos e homologados para trabalharem adequadamente dentro das máscaras espectrais de potência das faixas de freqüência às quais eles se destinam. No Brasil quem homologa se os equipamentos

8 estão ou não aderentes aos padrões é a ANATEL, através de laboratórios credenciados. Nos estados Unidos é a FCC. Na figura acima observe que a maior parte da energia do sinal está a +/- 10 MHz da freqüência central, ou seja, a largura de banda é de 20 MHz. Os componentes espectrais fora dessa faixa não possuem energia suficiente para interferir na faixa de interesse de canais adjacentes (a faixa de interesse é a compreendida entre +/- 10 MHz da freqüência central do canal). Figura 2: divisão de canais na banda ISM Observe pela figura acima que a banda ISM só comporta 3 canais de 20 MHz que não interferem entre si nas suas respectivas faixas de interesse: o canal 1, o canal 6 e o canal 11. Esses 3 canais podem então conviver num mesmo local físico. Figura 3: divisão de canais na banda ISM em diversos países

9 O padrão n pode utilizar a faixa ISM ou a faixa U-NII. Esta última faixa, como se pode ver pela figura abaixo, possui 12 canais de 20 MHz não sobrepostos (seus componentes espectrais na faixa de interesse não se sobrepõem); logo, esses 12 canais podem conviver num mesmo local físico sem interferirem um com o outro. Figura 4: Banda U-NII Duas células que usam a mesma portadora (mesmo canal = mesma freqüência central de operação) devem estar separadas de uma distância tal que no local do AP interferido a potência irradiada pelo AP interferente seja inferior à menor sensibilidade do equipamento, caso contrário ocorrerá o fenômeno de interferência co-canal. Para executar o Site Survey é importante consultar o datasheet do equipamento, verificar a menor sensibilidade suportada (em dbm), e considerar o raio da célula de forma a obedecer à condição acima. A figura abaixo foi retirada de um desses datasheets: Receive Sensitivity b Mb/s Mb/s Mb/s Mb/s g Mb/s Mb/s Mb/s Mb/s Mb/s Mb/s Mb/s Mb/s a Mb/s Mb/s Mb/s Mb/s Mb/s Mb/s Mb/s Mb/s Figura 5: Sensibilidade de recepção para um determinado equipamento Atenuação e Distorção

10 Atenuação é a redução na potência de um sinal transmitido. Normalmente é causada pelo meio físico (canal). Por exemplo, se um sinal de 1 W (0 dbw) sofrer uma redução de 50% de potência, ele tem uma atenuação de 0,5 W (3 db), passando a valer -3 dbw. As ondas eletromagnéticas sofrem atenuação no ar livre diretamente proporcional ao quadrado da distância percorrida (na prática o expoente é até maior do que 2, podendo ser encontrados expoentes de atenuação com valor 2,5 ou até maior que 3). A atenuação no ar-livre é também diretamente proporcional ao quadrado da freqüência do sinal, o que significa que um sinal de 2 GHz sofre 4 vezes mais atenuação do que um de 1 GHz para a mesma distância percorrida, ceteris paribus. Já dissemos que idealmente um canal só deve provocar no sinal uma atenuação invariável (zero ou um valor constante) e/ou uma mudança de fase que varie linearmente com a freqüência. Se a atenuação imposta pelo canal variar com a freqüência dos componentes espectrais que trafegam sobre ele, isso se chama atenuação seletiva em freqüência, e causa distorção. Da mesma forma, se mudança da fase imposta pelo canal não for uma função linear da freqüência, isso também causa distorção. Meios físicos que distorcem o sinal transmitido tornam mais difícil a sua recuperação. Normalmente um meio físico só consegue transmitir sem distorção sinais abaixo de uma determinada freqüência, a qual denota a largura de banda de coerência do meio falaremos mais sobre isso a seguir. Por exemplo, se um canal tem largura de banda de 500 MHz, ao transmitirmos um sinal 1 GHz por este canal este sinal sofrerá distorção. Modulação, Banda Base, Banda Passante Isso nos remete a outro conceito fundamental, que é o de modulação. Em telecomunicações muitas vezes é necessário adequar o sinal às características do meio físico que será usado para transmiti-lo (canal). Por exemplo: a voz humana é um sinal que ocupa uma banda de 4 KHz (seus componentes espectrais possuem freqüências entre zero Hz e 4000 Hz). Teoricamente para transmitir a voz humana em uma rede sem fio bastaria convertê-la em um sinal eletromagnético com componentes entre zero Hz e 4000 Hz. Contudo existem alguns limitadores de ordem prática. Para começar, ocorre que o tamanho de uma antena precisa ser um divisor (tipicamente um quarto: 1/4, ou um meio: 1/2) do comprimento da onda eletromagnética que ela irá transmitir. Ora, um sinal eletromagnético de 4000 Hz possui comprimento de onda de 75 km! Uma antena para transmitir um sinal banda-base de 4 khz teria que ter um tamanho impraticável. Então usam-se técnicas de modulação, para transladar o sinal de original para uma freqüência maior que permita o uso de antenas com tamanhos viáveis (formalmente isso se chama translação de freqüência ). Por exemplo, as emissoras de radiodifusão comercial FM transmitem em freqüências entre 88 MHz e 108 MHz, o que permite o uso de antenas de menos de 3 metros de tamanho.

11 Existem inúmeros outros limitadores de ordem física, que não cabe aqui detalhar, que obrigam o uso de técnicas de modulação. O sinal original de voz é um exemplo de sinal banda-base, que é como se denominam os sinais que possuem componentes entre zero Hz e um determinado valor B Hz (no caso da voz, B vale cerca de 4000). Já o sinal de uma estação FM comercial é um sinal modulado, no caso é modulado em freqüência (existem outras técnicas de modulação, que aqui não vêm ao caso). Um sinal pode ser modulado em banda-base ou em banda passante (i.e.: com translação de freqüência). Em comunicações sem fio utilizam-se técnicas de modulação em banda passante, como no exemplo acima da emissora FM. A modulação em banda base não faz translação de freqüência, apenas são feitos ajustes nos níveis (amplitudes) e/ou duração do sinal para se adequar ao meio físico a ser usado (exemplo: Modulação por Amplitude de Pulso PAM). Modulação de bandabase é o tipo usado nas redes Ethernet (é daí que vem o nome 10BaseT, 100BaseT, 1000BaseT, etc. a palavra Base designa modulação em banda base). Está fora do escopo deste documento prover detalhes sobre modulação em banda-base. A modulação pode ser contínua (como no caso do AM e FM amplitude modulada e freqüência modulada) ou digital. Grosso-modo a diferença de uma para outra é que na modulação contínua o sinal banda-base possui infinitos valores de amplitude, que variam continuamente de um para o outro (exemplo: a voz humana). Já na modulação digital (usada nas redes e nas redes celulares a partir da segunda geração em diante) os sinais-banda base são finitos (discretos), e denominados símbolos. A forma mais básica de modulação digital possui 2 símbolos, um para representar o bit 0 e outro para representar o bit 1. Tipicamente um símbolo é uma cossenóide pura, e o que varia de um símbolo para outro é a fase, ou a freqüência, ou uma combinação delas. Algumas modulações digitais trabalham com vários símbolos, por exemplo, 64 símbolos diferentes onde cada símbolo representa uma seqüência única (diferente), neste exemplo de 6 bits de comprimento (2 6 =64). Via de regra, quanto mais bits cada símbolo representar, maior será a eficiência espectral da modulação (em termos informais: podem-se transportar mais bits por Hertz); contudo isso tem uma contrapartida, que é a maior sensibilidade ao ruído e à interferência: por exemplo, para uma mesma probabilidade de erro de bit (BER Bit Error Rate), a modulação 64- PSK, em que cada símbolo representa 6 bits, exige uma relação sinal/ruído bem maior isto é, bem melhor do que a modulação BPSK, onde cada símbolo representa apenas 1 bit. Em outras palavras, se for mantida a mesma relação sinal/ruído, deve-se esperar em média uma ocorrência bem maior de erros de bit se a modulação for 64- QPSK do que se a modulação for BPSK. Este é o motivo pelo qual as modulações de maior nível (i.e.: as que trabalham com mais bits por símbolo) são usadas em meios relativamente mais confiáveis, e para meios menos confiáveis o nível de modulação

12 deve ser baixado (devem ser usados menos bits por símbolo) para se manter constante a probabilidade de erros de bit, ceteris paribus.

13 Modulation and Coding Scheme (MCS) O tema Modulação nos remete a um conceito bastante presente nos datasheets dos equipamentos n, que é o conceito de MCS. Conforme dito acima, quanto melhores forem as condições do meio, potencialmente menor será o Bit Error Rate (BER taxa de erro de bits). Os equipamentos n se adaptam dinamicamente às condições do meio, subindo ou descendo o nível de modulação (Modulation Scheme) à medida que o meio apresenta maior ou menor relação sinal/ruído. Por exemplo, na figura abaixo vê-se que o MCS 11 utiliza modulação 16-QAM, onde cada símbolo transporta 4 bits (2 4 =16). Vê-se também que no MCS 11 a taxa do código (Coding Rate) é ½, ou seja, para cada bit de dado, 1 bit de proteção (para detecção e/ou correção de erros) é adicionado. Já o MCS 31 utiliza modulação 64-QAM (6 bits por símbolo) e uma taxa de código de 5/6, ou seja, para cada 5 bits de dados 1 bit de proteção é adicionado. Percebe-se que quanto melhores forem as condições do meio, menor é a necessidade de adição de bits de proteção, e maior a eficiência espectral (mais bits por Hz). Vale frisar que nem todos os fabricantes implementam todos os MCS em seus equipamentos.

14 Figura 6: Modulation and Coding Schemes do Padrão n Na figura acima, GI se refere a Guard Interval, que é um intervalo de proteção inserido entre cada frame, o qual pode ser de 400 ns ou 800 ns. Mais sobre isso na sessão sobre OFDM/OFDMA, adiante. Multiplexação Eis aqui outro termo dos mais usados na área de telecomunicações e menos compreendidos fora dela. Multiplexação é, grosso-modo, transmitir vários sinais no mesmo meio físico simultaneamente. Coloco entre aspas porque existem técnicas de multiplexação onde, a rigor, os sinais não seguem simultaneamente, como por exemplo a multiplexação por divisão de tempo (TDM). No TDM, cada slot de tempo é ocupado pela transmissão de um único sinal, mas como normalmente os slots são muito curtos (da ordem de microssegundos ou menos) tem-se a impressão que os sinais estão seguindo em paralelo (essa é a técnica usada nas redes telefônicas digitais convencionais isto é, aquelas redes telefônicas que não se baseiam no protocolo IP). Na técnica de multiplexação por divisão de freqüência (FDM) os sinais efetivamente seguem em paralelo (isto é: simultaneamente no mesmo meio), e como vimos anteriormente isso é possível se cada sinal ocupar uma banda diferente no espetro de freqüências, ou seja, se a porção significativa de energia de um sinal não ocupar a mesma faixa de freqüências ocupada pela porção significativa de energia do outro sinal relembre a sessão intitulada Domínio do Tempo e Domínio da Freqüência deste documento. Outra técnica cada vez mais usada em comunicações sem fio é a multiplexação espacial (SDM), onde vários sub-sinais ( streams ) pertencentes a um mesmo sinal são transmitidos por várias antenas diferentes ao mesmo tempo e recombinados no receptor técnica conhecida como MIMO (Multiple Input, Multiple Output). Polarização e Padrão de Irradiação É comum encontrar nos datasheets de antenas um gráfico designado como Antenna Radiation Pattern semelhante ao abaixo:

15 Antena Padrão de irradiação no azimute Padrão de irradiação na elevação Figura 7: Padrões de Irradiação Na figura acima, percebe-se pelo lóbulo maior em cor vermelha que a antena tem grande diretividade no plano de irradiação horizontal (azimute), e também grande diretividade no plano de irradiação vertical (elevação). Isto é, ela possui um pequeno ângulo de abertura ( apperture ) em ambos os planos, significando que a maior parte da energia irradiada está na direção vertical e horizontal num feixe estreito. Os lóbulos menores são fugas de energia em direções de não interesse. No exemplo seguinte (Figura 8) a antena tem baixa diretividade no plano horizontal (azimute), pois é uma antena ominidirecional, significando que ela irradia quase igualmente nos 360 graus do plano horizontal. Já no plano vertical ela tem um padrão irregular e baixa diretividade receptores posicionados a +/- 90 graus em relação ao plano central da antena (isto é, para cima ou para baixo dela) receberão pouca energia irradiada, ao passo que receptores posicionados a 0 ou 180 graus em relação ao plano central da antena (isto é: os que estiverem aproximadamente no mesmo nível dela) receberão muita energia irradiada. No diagrama de irradiação a escala circular está em graus, e a escala vertical está em db, sendo 0 db no perímetro do círculo e os valores mais próximos do centro são negativos. Quanto mais próximo do centro, mais negativo, indicando maior atenuação de potência (isso decorre do fato de que a escala circular não mede a distância, mas sim o afastamento angular em relação ao ponto de maior diretividade da antena).

16 Antena Padrão de irradiação no azimute Padrão de irradiação na elevação Figura 8: Padrões de Irradiação A direção de maior diretividade é também a de maior ganho da antena. O ganho é um fator numérico adimensional na escala linear, ou dado em db ou dbi na escala logarítmica (será dado em dbi se for medido em comparação a uma antena isotrópica isto é, uma antena teórica pontual que irradia em todas as direções, e será dado em db se for medido em relação a uma antena dipolo). O ganho multiplica a potência transmitida ou recebida por este fator numérico (na escala logarítmica ele se soma à potência dada em dbw ou dbm). Existe uma fórmula que relaciona a potência transmitida, a potência recebida, os ganhos das antenas transmissora e receptora, a freqüência e a distância, (a chamada fórmula de Friis já comentada). Importante salientar que os planos de azimute e de elevação não devem ser confundidos com a polarização da antena, que é outro parâmetro presente nos datasheets. Grosso-modo, a polarização indica a direção do campo elétrico (e não a do campo magnético) irradiado pela antena. Ela pode ser linear ou elíptica, sendo que a linear se subdivide em vertical e horizontal. Uma antena que tem polarização linear vertical (exemplo, a da figura acima) irradia seu campo elétrico na direção vertical, e a antena receptora também deve ter polarização linear e vertical para uma melhor recepção do sinal. As antenas de polarização elíptica irradiam campo elétrico giratório, onde a forma circular é um caso especial; não são usadas em redes WiFi, sendo mais comuns em rádio-enlaces externos (ponta-a-ponta) de microondas Na montagem física das antenas a polarização e o diagrama de irradiação devem ser observados. Múltiplo Acesso Muitas vezes confundidas com multiplexação, as técnicas de múltiplo acesso permitem que vários usuários compartilhem um mesmo meio físico (canal). As mais conhecidas

17 dessas técnicas são o protocolo CSMA/CD (Collision Sense Multiple Access with Collision Detection), usado nas redes Ethernet cabeadas, e o CSMA/CA (Collision Sense Multiple Access with Collision Avoidance) usado nas redes Basicamente no primeiro há a possibilidade de colisões (mais de um usuário transmitindo ao mesmo tempo o que destrói os sinais transmitidos), enquanto no segundo não há (desde que mantidas certas condições que fogem ao escopo desde documento detalhar). No TDMA (Acesso Múltiplo por Divisão de Tempo), técnica que se popularizou com as redes celulares de segunda geração, a cada usuário é concedido um slot de tempo para ocupar o meio. Outra técnica que também que se popularizou com as redes celulares de segunda geração é o CDMA (Acesso Múltiplo por Divisão de Código), a qual se baseia numa técnica bem mais antiga chamada de espalhamento espectral (na verdade as redes CDMA são redes que usam espalhamento espectral, assim como as primeiras redes ). No CDMA cada usuário tem um código, que é usado para multiplicar o sinal modulado. Do lado do receptor o sinal recebido é correlacionado com o código do usuário transmissor (que é conhecido por ambos) e o sinal é recuperado. Uma técnica bem mais moderna, usada nos sistemas celulares de quarta geração, nas redes WiMax e nos sistemas a/g/n, é o OFDMA (Acesso Múltiplo por Divisão de Freqüências Ortogonais), do qual falaremos mais adiante. Interferência Inter-Simbólica Os meios físicos (canais) são dispersivos, no sentido de que alteram ou distorcem a forma de onda do sinal. Quando o canal provoca o fenômeno de, no lado do receptor, um símbolo invadir o tempo de outro símbolo (exemplo: a parte inicial de um símbolo interferir na parte final do símbolo anterior que ainda não foi recebido completamente), tem-se o fenômeno de interferência inter-simbólica. Se o tempo de duração de um símbolo é menor do que o tempo médio dos atrasos provocados pelo meio (o chamado delay spread ), haverá interferência inter-simbólica. Disso decorre que quanto maior for a taxa de transmissão de símbolos por unidade de tempo, maior será a probabilidade de haver interferência inter-simbólica, já que o tempo de duração do símbolo é inversamente proporcional à taxa de transmissão, e dessa forma tenderá a ficar menor que o delay spread. Ortogonalidade Isso nos remete a outro conceito muito em voga e pouco compreendido fora dos meios especializados: o de ortogonalidade. Grosso modo, dois sinais são ditos ortogonais se eles não interferem um com o outro mesmo se transmitidos simultaneamente no mesmo meio físico. Expandindo esse conceito, um número muito grande de sinais ortogonais pode ser transmitido simultaneamente no mesmo meio e recuperados no receptor de forma independente. Sinais mutuamente ortogonais, quando vistos no domínio da freqüência, têm seus picos (máximos) coincidindo com os zeros de todos os demais (em outras palavras: quando um dos sinais está no seu ponto

18 de maior magnitude, os outros todos estão com magnitude zero), o que permite a recuperação (demodulação) individual de cada sinal pelo receptor. Por exemplo, todos os sinais da forma s k (t) = A*cos(2*pi*f c *k) onde k é um número inteiro, são mutuamente ortogonais (formalmente: a integral definida de menos infinito a mais infinito do produto desses sinais no domínio do tempo resulta zero). Observe que o produto f c *k é uma nova freqüência, cujo valor é um múltiplo inteiro da freqüência fundamental f c (uma harmônica de f c ). Então basta que cada sinal destes seja usado para modular um sinal banda-base que contenha a informação a ser transmitida: multiplicando-se cada sinal banda-base por um destes sinais modulantes, também chamados de sub-portadoras (subcarriers), e a soma de todos esses produtos sendo transmitida, os sinais banda-base poderão ser recuperados no receptor. Embora esse método seja bastante didático, na prática não é ele o usado, pois ele exigiria que a eletrônica fosse muito complexa e precisa, ao ponto de haver tanto no transmissor quanto no receptor vários sintetizadores de freqüência para gerar n múltiplos inteiros de f c, e esses sintetizadores não poderiam se desviar do valor projetado de freqüência sob pena de comprometer a ortogonalidade do sinais. Na prática o método usado na multiplexação OFDM é o IFFT (Inverse Fast Fourier Transform), cuja explicação foge aos objetivos deste documento, mas cujo resultado prático é exatamente o mesmo do método didático acima, sendo muito mais simples e econômico. OFDM (Multiplexação por Divisão de Freqüências Ortogonais) e OFDMA (Acesso Múltiplo por Divisão de Freqüências Ortogonais) Conforme vimos na sessão sobre interferência inter-simbólica (IIS), quanto maior for a taxa de símbolos por unidade de tempo (isto é: quanto maior for a velocidade de transmissão dos símbolos), maior será a probabilidade de IIS. Com a atual demanda por taxas de transmissão cada vez maiores, o efeito deletério da IIS se torna mais significativo do que o do ruído provocado pelo meio físico. Para amenizar esse problema, vislumbrou-se um artifício: transmitir em taxas menores, mas usando-se vários streams (*) de transmissão em paralelo, de maneira que a taxa total resultante pudesse ser a desejada (por exemplo, em vez de transmitir um único stream à taxa de 1 bilhão de símbolos por segundo, transmitir 4 streams à taxa de 225 milhões de símbolos por segundo). Com isso cada stream teria símbolos com duração maior e, portanto, seriam menos susceptíveis à IIS. Como os streams devem ser transmitidos simultaneamente no mesmo canal, é preciso garantir que um stream não interfira com outro, e isso é possível se cada stream for transportado por sinais mutuamente ortogonais. Isso se constitui numa forma de multiplexação, e esta forma é chamada de OFDM. Quando cada stream pertence a usuários diferentes, isso se constitui numa forma de múltiplo acesso, e é chamada de OFDMA.

19 Infelizmente, utilizar OFDM em redes sem fio reduz as chances de ocorrer, mas não elimina completamente, a interferência inter-simbólica. O motivo é que além das nãolinearidades do meio (que são as responsáveis pela mudança da forma de onda do símbolo), outro fator causa a sobreposição de símbolos no receptor: o efeito multipath (multicaminhos), que pode ser explicado da seguinte forma: As ondas eletromagnéticas estão sujeitas a três efeitos em sua propagação: reflexão, difração e espalhamento (os dois últimos não serão abordados aqui). Por melhor que seja a antena do ponto de vista de apperture, a onda por ela transmitida não segue um único caminho de propagação, pelo contrário, mas se propaga em mais do que uma direção. A reflexão dessas diversas cópias da onda nas paredes, teto, divisórias, móveis, pessoas, etc. faz com que cada cópia percorra uma distância diferente até o receptor. Figura 9: Multipath Algumas cópias chegarão primeiro (as que percorrerem distâncias menores), outras chegarão depois, se sobrepondo às que ainda estão sendo recebidas. Esse efeito é tão deletério, que se a diferença entre as distâncias percorridas por duas cópias tiver um valor igual a meio (½) comprimento de onda, essas duas cópias se anulam mutuamente no receptor (na faixa de 2,4 GHz esse valor é da ordem de míseros 6 cm, e a metade disso na faixa de 5 GHz). Essa sobreposição, no mínimo, causará IIS, mesmo em sistemas OFDMA. A boa notícia é que nem todos os streams transmitidos serão prejudicados, pois o meio causará efeitos diferentes em freqüências diferentes, e como o sinal OFDMA é composto de múltiplas sub-portadoras, cada uma carregando o seu stream em uma freqüência diferente, alguns poderão ser prejudicados e outros não. Para amenizar o problema do multicaminho, três técnicas existem: (a) instalar duas antenas no receptor separadas por algum múltiplo do comprimento de onda, de forma que o receptor consiga aproveitar as duas cópias por meio de algoritmos especializados de PDS (processamento digital de sinais). Essa técnica é chamada de diversity ; (b) inserir um intervalo de proteção entre cada símbolo transmitido (o chamado Guard Interval - GI) cuja duração seja superior à do delay spread; (c) inserir na parte inicial de cada símbolo um prefixo (o chamado Cyclic Prefix ) que seja uma

20 cópia da parte final do próprio símbolo, de forma que se essa parte final se sobrepuser à parte inicial do próximo símbolo a informação ainda poderá ser recuperada. A técnica c é usada nas redes WiMax e nas redes celulares de 4ª geração; a técnica b é usada nas redes a/g/n; a técnica a pode ser usada em qualquer tecnologia onde as dimensões físicas do receptor permitam. (*)Não confundir esses múltiplos streams com a tecnologia MIMO. A multiplexação OFDM pode ser usada mesmo que o transmissor (ou o receptor) tenha apenas 1 antena. OFDM tem a ver com multiplexação em freqüência, enquanto MIMO tem a ver com multiplexação espacial (SDM Spatial Division Multiplexing), e ambas podem existir independentemente uma da outra. Na prática o número de streams ortogonais é uma potência de 2, porque isso facilita a geração do sinal OFDM por meio da operação matemática de IFFT. Tecnologias como WiMax, n e redes celulares de 4ª geração usam OFDM com mais de 100 subcarriers, tipicamente 128 (=2 7 ). 2,4 GHz e 5,8 GHz Essas são as designações populares das redes WiFi. Os padrões b/g/n operam de 2,407 GHz a 2,483 GHz (faixa ISM), e essa faixa é genericamente designada como a freqüência de 2,4 GHz. O padrão n também pode operar na faixa que vai de 5,150 GHz a 5,350 GHz, e adicionalmente de 5,725 GHz a 5,825 GHz (faixas U-NII), e essas faixas são genericamente designadas como a freqüência de 5,8 GHz. As vantagens da faixa ISM são duas: a) porque opera em menor freqüência, é menos susceptível a atenuação do que a faixa U-NII (tanto atenuação de espaço-livre quanto atenuação devido a obstruções); b) a maioria dos dispositivos clientes opera na faixa ISM, pouquíssimos suportam a faixa U-NII. A desvantagem da faixa ISM é que ela só permite 3 canais (portadoras) de 20 MHz não sobrepostos, ao passo que a faixa U-NII permite 12 canais de 20 MHz não sobrepostos. Contar com apenas 3 portadoras não sobrepostas restringe bastante a flexibilidade do deployment e potencialmente traz mais problemas de interferência co-canal. Além disso, na faixa ISM operam dispositivos não-wifi como fornos de microondas, telefones sem fio, joysticks e dispositivos Bluetooth. Alguns fabricantes dotam seus Access Points com analisadores de espectro que ajudam no diagnóstico de fontes interferentes (inclusive fontes não WiFi).