Free Space Optics (FSO): Nova Versão de Software para Enlaces Ópticos

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1 Free Space Optics (FSO): Nova Versão de Software para Enlaces Ópticos Este tutorial apresenta a continuação do estudo de um sistema de comunicação óptico tecnologicamente inovador, com lasers e receptores ópticos, mas substituindo a fibra óptica convencional pelo próprio ar livre como meio de transmissão de dados, voz e imagens. Esta tecnologia é conhecida como FSO (Free Space Optics) e se utiliza da luz emitida por um laser para estabelecer comunicação com um receptor óptico devidamente alinhado. A principal contribuição do trabalho é a atualização do desenvolvimento de um programa, com interface gráfica amigável para o usuário, utilizando a plataforma do aplicativo Matlab, para balanço de potência em enlaces FSO. No programa desenvolvido, parâmetros como potência do laser, sensibilidade do receptor, visibilidade, perdas de cintilação, etc., são avaliados no ambiente das principais cidades brasileiras. José Francisco Meireles Aleixo Júnior Engenheiro de Telecomunicações pelo Instituto de Estudos Superiores da Amazônia IESAM, PA (2007), Mestre (2013) e Doutorando em Engenharia Elétrica pela Universidade Estadual de Campinas UNICAMP (Campinas, SP). Profissional com mais de 15 anos de experiência em TI, atuou no mercado de Belém PA com prestações de serviços desde 1999 com sua empresa SIGET Serviços em Informática e Telecomunicações. Atuou como técnico de manutenção de micros, impressoras, infraestrutura de redes, estações e servidores, participando de negociações em tomadas de preços e decisões em compras de equipamentos para empresas onde trabalhou como CLT e PJ. Desenvolveu atividades como instrutor de informática para diversos clientes e empresas, desenvolvendo e executando apresentações para treinamentos privados ou em feiras de tecnologia no estado do Pará. Possui sólidos conhecimentos em configurações e manutenção de micros e notebooks, impressoras, infraestrutura de Servidores Windows 2003 e 2008 R2 (Active Directory, DCs, DNS, RODC), Virtual PC e Hyper-V, em Linux com serviços de configurações do Squid, Samba, Apache, SSH, LTSP, Postfix, Iptables, Bind, entre outros, além de conhecimentos em roteadores CISCO e infraestruturas de redes físicas (metálica ou óptica) e wireless (RF ou óptica), com certificação CCNA, ITIL, e participante do Projeto Microsoft S2B Em São Paulo desenvolveu projetos vinculados ao CNPq/FAPESP ligado ao Instituto de Física, com o trabalho Gestão e Manutenção de Cluster CePOF de Computadores, além de atuante como professor de nível tecnológico e universitário. Prestador de serviços em caráter de consultoria para algumas empresas. Atualmente dedica-se ao doutorado realizando pesquisas em Comunicações Ópticas pelo DMO/FEEC/UNICAMP, e exerce atividade de docente na Faculdade Vila Matilde em São Paulo. 1

2 Categoria: Redes Ópticas Nível: Introdutório Enfoque: Técnico Duração: 20 minutos Publicado em: 16/07/2012 2

3 Free Space Optics (FSO): Introdução A História da Humanidade registra que desde o início de sua existência sobre a Terra, o homem procurou formas de se comunicar, as aperfeiçoou com o passar do tempo e conforme sua própria evolução, a fim de estabelecer elos entre ele e o mundo ao seu redor e entre ele e as gerações procedentes. Como em outros trabalhos aqui publicados de minha autoria foi abordado um pouco dos conceitos e histórico do FSO, neste irei enfatizar a participação do Brasil na história das comunicações ópticas, onde tivemos o Padre Landell de Moura [5], que além de seu trabalho religioso foi um homem dedicado a pesquisa, ciência e avanços tecnológicos para sua época. Quando ainda morava em Roma, este padre brasileiro deu início aos estudos de física e eletricidade. Voltando ao Brasil, atuante como autodidata deu continuidade em seus estudos, e realizou as suas primeiras experiências públicas na cidade de São Paulo, no final do século XIX. Figura 1: Ilustração do Brasileiro Padre Landell de Moura e sua invenção No ano 1892, o nosso brasileiro, o padre Roberto Landell de Moura que nasceu na cidade de Porto Alegre RS, mostrou a todos sua contribuição tecnológica, o primeiro transmissor sem fio para transmissões de mensagens. Isso ocorreu em São Paulo. Esse equipamento utilizava o efeito fotoelétrico para a transmissão de informação usando o feixe luminoso. Em 1894, realizou a primeira transmissão pública por meio de ondas hertzianas entre o alto da Av. Paulista e o alto de Sant Anna, na cidade de São Paulo, cobrindo uma distância de oito quilômetros. Nesse evento, o padre brasileiro mostrou ao público suas três invenções: um transmissor de ondas, um telégrafo sem fios e o telefone sem fios. Essas invenções foram pioneiras no Brasil, no campo das comunicações eletrônica-fotônica, mas não foram reconhecidas oficialmente como invenções nacionais pela comunidade científica. Os esforços em pesquisas e desenvolvimentos atuais têm sido orientados para a busca, por um lado, de sistemas de maior capacidade de transmissão e, por outro lado, de sistemas com alcance sem repetidores, cada vez maiores, logo, a importância de um sistema de comunicação através da luz; com isso reduz-se o alto índice de interferência eletromagnética existente nas cidades além de oferecer alta confiabilidade na transmissão de dados. 3

4 Free Space Optics (FSO): O Sistema na Atualidade É incrível como a preferência por uso de fibra ainda é muito grande, pois além da mesma transferir informações com mais rapidez e suportar altas taxas de transmissões, têm-se com a implantação da infraestrutura um grande ganho financeiro. Estabelecer um enlace por fibra não basta apenas querer implantá-la. Para isso existem diversas articulações e parcerias até o momento desta infraestrutura estar em funcionamento. Figura 2: Transtornos causados por obras de infraestrutura para fibra óptica Para uma fibra ser passada de um ponto a outro se faz necessário liberações por parte de prefeituras, governos e grandes empresários, pois, dependendo do local serão necessária a expedição de alvarás que irão permitir as obras. O custo com a fibra exige mão de obra para escavações, uso de máquinas, licença para implantação entre outros, com isso, observa-se que não envolve apenas o custo da tecnologia e sim cálculos de investimentos para liberações, alugueis e contratações temporárias. Para o FSO, apenas é necessário o técnico ou engenheiro habilitado para instalação e a tecnologia, com isso reduz-se o tempo de instalação, custos que seriam aplicados para a infraestrutura e, no final, têm-se a mesma tecnologia aplicada na fibra. No Brasil, após contatos com algumas empresas, percebemos a existência de diversos pontos de instalação. Por questões de sigilo, não foi autorizado a divulgação dessas instalações, por sua vez, na própria internet encontra-se a notícia de que em 2011 a Intelig, em parceria com um fabricante de equipamentos de FSO, implantou alguns aparelhos na cidade do Rio de Janeiro para transmitir e coletar informações durante os jogos Militares. [1] 4

5 Figura 3: Simulação da comparação entre o link de fibra e FSO Essa divulgação na mídia alternativa demonstra que temos, em pleno funcionamento, essa tecnologia, além das coletamos a respeito de instalações em São Paulo, Salvador, Distrito Federal. Outros estados estão previstos para terem estas instalações. Com isso têm-se a prova de que é uma tecnologia totalmente viável para nossas realidades climáticas. Infelizmente, graças ao lobby comercial que RF e Fibra possuem no mercado, deparamo-nos com situações em que um contato de determinada empresa, veio a informar de que o FSO não estaria viável ao Brasil por causa da influência dos raios solares, por esse motivo deixaram de comercializar o produto. Isso se configura como grande erro sobre essa tecnologia, ou seja, a falta de conhecimentos mais sólidos para a comercialização dos equipamentos. Em algumas de nossas apresentações percebemos que a maioria da plateia fica encantada com o funcionamento desse sistema e a maioria, nunca ouviu falar. Um detalhe sobre esse relato, é que, na plateia sempre temos acadêmicos de engenharias, engenheiros, técnicos e público em geral. As atualizações desses sistemas e novos equipamentos são lançados frequentemente, ainda que a maioria seja utilizada fora do Brasil. No exterior é comum encontrar transceptores em janelas, paredes, telhados e torres para efetuar links. Visivelmente, ao se falar em convergência de redes, nota-se a perfeita implantação do FSO nas atualidades. Existe grande demanda pela implantação de serviços com voz, dados e vídeo integrados, ou seja, se pensarmos em reestruturação de toda a infraestrutura terá custos altíssimos, com isso, imagina-se pontos de instalações ópticas satisfazendo essa necessidade. 5

6 Free Space Optics (FSO): Comparação Com Outras tecnologias Abaixo uma ilustração que compara as tecnologias relacionando a distância com a taxa de transmissão. Figura 4: Ilustração de comparação entre tecnologias Tabela 1: Comparação entre tecnologias de Redes Telecom TIPO DE REDE MEIO DE TRANSMISSÃO TIPO DE MODULAÇÃO Dados Cabeados (meios guiados) - Cobre; - Fibra. - Frequência; - Fase; Dados Sem Fio RF: - Radio; - TV; - Telefonia Celular; - LMDS; - MMDS. - Amplitude. - Frequência; - Fase; - Amplitude. Dados Sem Fio Ópticas (Free Space Óptics). - Amplitude. São fatores chave para o uso da tecnologia óptica no espaço livre: Dispensa pedido de licença à Anatel; Uso de tecnologia a Diodo Laser; Led / Detector com grande capacidade de banda. Similaridades A tecnologia óptica no espaço livre possui particularidades semelhantes com outras tecnologias, algumas delas listadas abaixo: Transmite através do ar como Micro-ondas; Usa Lasers e Detectores Óticos como Fibra; Taxas de dados muito altas como Fibra; Livre de licença como Spread Spectrum; Modulado em Amplitude como Cobre. 6

7 Individualmente pode-se citar como características únicas as seguintes: Muito direcional; Deve levar em conta o clima. 7

8 Free Space Optics (FSO): Software Há tempos estamos desenvolvendo o software para cálculo do enlace óptico e principalmente do FSO, com isso surgiu o interesse em atualizá-lo e modificá-lo para cada vez ficar mais prático e acessível; a primeira versão teve início em meados de 2004 e esta última estava praticamente pronta desde o final de 2008, apenas houve uma parada no desenvolvimento devido a problemas externos. Em trabalhos publicados anteriormente no Teleco, podem acompanhar um pouco mais dessa evolução, onde nosso interesse se iniciou ainda na graduação. Nos dias atuais voltamos a melhorá-lo e dedicarmonos ao seu desenvolvimento mais completo. Este software tem como base o Matlab e sempre usando o Guide, uma ferramenta que permite criar todo o ambiente para utilização do programa, adequando botões, marcadores de seleção entre outras ferramentas que viabilizam uma manipulação dos valores a serem adicionados e análises dos gráficos gerados. Primeira Versão A versão com características simples, ainda bem experimental, sem gerar gráficos, apenas exibia resultados. Os gráficos eram gerados a partir da inserção de valores na área de execução do próprio Matlab com as telas abrindo separadamente. Figura 5: Ilustração de comparação entre tecnologias De acordo com os valores de visibilidade para cada região, fazia-se a inserção na área de execução dos comandos no Matlab usando assim o comando plot para gerar os gráficos e analisá-los. 8

9 Segunda Versão Nesta segunda versão, objetivou-se uma apresentação inicial, conforme fig. 6, onde se apresenta o nome da tecnologia e o nome traduzido do FSO, trazendo assim mais informação sobre o objetivo da criação do programa. Figura 6: Tela de apresentação da segunda versão Após essa apresentação, o usuário encontraria outra tela com diversas opções para preenchimento dos valores a serem calculados, com isso, houve a percepção de deixar mais preciso o cálculo. O uso de opções como sliders oferece a escolha de valores conforme se desliza a barra, como exemplo na opção de divergência do feixe e da visibilidade. Figura 7: Segunda tela da segunda versão Ainda nesta versão a geração de gráficos era de forma separada. Como no primeiro, este apenas fornecia os cálculos do enlace. Versão Atual Esta nova versão, conta com a persistência da escolha pelo GUIDE do MATLAB, já que esta é uma linguagem de programação com muita versatilidade e bem simples para trabalhar, além de contar com diversas funções já definidas dispensando dessa maneira a declaração de variáveis, algo comum e padrão na maioria das linguagens de programação. Os parâmetros desta versão atual continuam sendo os mesmos abordados nas anteriores, como: 9

10 Potência média na saída do transmissor: PT (dbm); Comprimento de onda do laser: (nm); Divergência do raio laser: (mrad); Sensibilidade óptica do receptor para a taxa de transmissão e taxa de bits de erros (BER) de interesse: Srx (mrad); Área de abertura da superfície do receptor: AR (m2); Perdas ópticas no receptor: PLRx (db); Perdas ópticas por desalinhamento: Pdes (db); Margem de segurança do sistema: M (db). Os benefícios agora são uma melhor visualização dos resultados com o benefício dos gráficos agregados ao programa, tudo na mesma plataforma. Além de contar com a dinâmica das ferramentas fornecidas pelo GUIDE. Telas da Versão Atual Seguindo a ideia da segunda versão, nesta têm-se a tela inicial Figura8, de apresentação. A entrada conta com a visualização para escolha de qual o cálculo o usuário irá preferir dos valores que são considerados importantes para a concretização de uma melhor disponibilidade para o enlace, verificando-se as opções dispostas logo nesta tela. Figura 8: Tela inicial do software 10

11 Através da seleção de acordo com os indicadores ao lado de cada item, têm-se a abertura de uma nova tela para cálculos das opções. Estas são: Atenuação Atmosférica; Atenuação por Cintilação; Atenuação Geométrica; Atenuação por Chuvas; Transmitância Atmosférica. A parte matemática desse software possui sua base em literaturas específicas de autores como Oliver Bouchet e de Heinz Willebrand [2, 3]. Além destes, outra fonte importante para este desenvolvimento é a tese de doutorado do pesquisador Isaac I. Kim, hoje, participante da empresa MRV Communications, San Diego CA EUA, uma das empresas fabricantes de transceptores FSO. Kim verificou problemas como degradação atmosférica, dificuldade de visada devido à influência de neblina ou presença de fumaça, perda do sinal devido à poluição, valores esses contemplados no software para obtenção de melhores respostas quanto à visibilidade. O cálculo da atenuação atmosférica é apresentado como primeira opção para escolha, assim, o usuário poderá obter o valor da perda atmosférica com inserção de valores como a distância em Km e o comprimento de onda adequado; declarados esses valores, utiliza-se a opção plotar e assim o gráfico será gerado à direita da tela conforme fig.9, visualizando assim o comportamento da atenuação atmosférica. Figura 9: Tela demonstrando a atenuação atmosférica - tela inicial do software Já na atenuação por cintilação fig.10, este campo é importante para decidir qual tipo do sistema FSO a ser utilizado. Nesta opção pode-se escolher o tipo de feixe, único ou múltiplo, que será adequado ao sistema proposto. O gráfico gerado ao lado, após ser acionado o botão plotar, mostra o comportamento dos mesmos em relação à distância e a atenuação. 11

12 Ao informar a distancia e optando pelo tipo de feixe, obtêm-se o parâmetro perda por cintilação. Para melhor interatividade com o software, todas as telas possuem os botões de limpar; este, quando acionado, zera todos os parâmetros preenchidos anteriormente; e o botão sair, que fecha a tela atual voltando para a tela inicial. Abaixo, a imagem da tela com uma simulação de exemplo. Figura 10: Tela da atenuação por cintilação Para a atenuação geométrica na fig.11 efetua o cálculo através de valores, como área da lente transmissora, da lente receptora, o cone de divergência e a distância em metros. 12

13 Figura 11: Tela da atenuação geométrica Há várias preocupações com o funcionamento do FSO, uma das maiores é com as chuvas, ainda quando se trata de regiões brasileiras, que possuem períodos bem chuvosos, intensamente, ao longo do ano, ou em outras regiões que em seu perfil climático a chuva ocorre com menos frequência. Contando com isso fez-se a introdução de cálculo da atenuação de chuvas. Este campo trabalha com previsões do sistema de acordo com as informações da cidade a ser instalado. Através da precipitação chuvosa por região, torna-se possível o cálculo da atenuação, onde, no gráfico na fig. 12, possuímos a representação por pontos vermelhos, ou seja, quanto mais próximos esses pontos mais perda teremos no sinal devido à intensidade das chuvas. Figura 12: Tela da atenuação por chuvas 13

14 Para entender melhor, a transmitância é uma porção de luz que atenua com um comprimento de onda específico, possuindo capacidade de atravessar amostras de matéria, que neste caso, do software, são as condições climáticas. [4] Esta é parte final do software fig.13, com opções para escolha do comprimento de onda e a condição de visibilidade de acordo com a região; através do software, todos os valores a serem considerados estão inseridos nas formulações dessa estrutura. Figura 13: Tela da transmitância em função da visibilidade Este software, desde o início, foi construído e modificado através do Matlab. Nosso grande interesse sempre foi desenvolvê-lo em plataforma independente, contudo, o tempo não ajudou muito apesar do interesse em desenvolver sempre algo melhor. Atualmente, essa última versão apresentada possui seu formato quase independente, ou seja, foi transformada a interface gráfica em um programa de verdade, com extensão.exe, dessa maneira ele poderá ser executado em outros computadores, mesmo sem o MATLAB. Isso se deu graças ao MATLAB Compiler, compilador existente nesse programa matemático, através do comando mcc -m quando digitado na área do prompt. Como havíamos dito, ele será quase independente, pois, será necessária a instalação do MCR (MATLAB Compiler Runtime). Contudo, a distribuição do programa criado e a ferramenta MCR podem ser de forma livre e dentro da lei, pois a empresa do MATLAB, a MathWorks permite a distribuição dessa ferramenta gratuitamente e a vantagem é a existência dela tanto para Windows como para Linux. Logo, esse programa de cálculos para enlace FSO finalmente possui uma versão própria, independente quando utilizada a ferramenta citada acima. Um pouco mais de trabalho, apenas, é ao efetuar odownload do MCR, já que o tamanho do arquivo é em torno dos 150 a 250 MB variando de acordo com versão e para qual sistema operacional será usado. 14

15 Arquitetura Metro: Considerações Finais A persistência nesse trabalho é cada vez mais melhorar o software de cálculo FSO e assim contribuir para a comunidade acadêmica em pesquisas e até mesmo na desmitificação de que este sistema não seja adequado ao Brasil, pois o mesmo possui todas as condições e tecnologia para um perfeito funcionamento em nosso país. Depois de contatos com determinadas empresas que comercializam os equipamentos e além da notícia de saber que a Intelig utilizou essa tecnologia, reforçamos a importância de que o mercado deveria abrir mais oportunidades para implantação desse sistema. Buscamos oportunidades, com esse trabalho, de encontrar parcerias para divulgar mais o Sistema FSO pelo Brasil além de contribuir com pesquisas que comprovem ainda mais essa viabilidade. São muitas as oportunidades para usar os transceptores em nossas regiões, além de contribuir para a diminuição das interferências eletromagnéticas. Referências [1] [2] Willebrand, Heinz, and Ghuman, Baksheesh S., Free-Space Optics: Enabling Optical Connectivity in Today s Network, SAMS, [3] Bouchet, Oliver; at al, Free-Space Optics:Propagation and Communication, ISTE, [4] [5] Almeida, Hamilton; Padre Landell de Moura - Um heroi sem gloria, Record,

16 Free Space Optics (FSO): Teste seu entendimento 1. O Sr. Landell de Moura, citado neste trabalho, foi: Professor de Matemática. Físico e pesquisador. Padre e estudioso autodidata. Cientista europeu. 2. Ao executar o projeto de fibras têm-se: Total legalização para execução. Rápida implantação. Custo barato e viável. Transtornos e gastos com obras. 3. Quando comparadas às tecnologias, afirma-se: Comunicação óptica no espaço livre alcança a mesma distância que a fibras. Comunicação óptica no espaço livre dispensa o pedido de licença à Anatel. Transmissão de Radio, TV, Telefonia Celular, LMDS, MMDS, utilizam apenas Modulação Fase e Amplitude. Comunicação por rádio frequência é totalmente direcional. 16