Comunicações sem fios

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1 20. Capítulo 20 Comunicações sem fios Carlos A. Fernandes 20.1 Introdução De entre todas as tecnologias de informação que nos envolvem no dia-a-dia, os telemóveis são os dispositivos que usamos quase como uma extensão inseparável do nosso corpo. Conferem-nos o poder de comunicar à distância instantaneamente, em movimento e sem fios, praticamente sem restringir o local onde nos encontramos, onde se encontra o destinatário ou a fonte de informação. Proporcionam a possibilidade de conversação, a partilha de imagem e de dados em tempo real e até a possibilidade de controlar outros dispositivos. Este privilégio extraordinário, que já consideramos banal, só se tornou possível há muito pouco tempo, à escala da evolução do Homem. Durante séculos as trocas de informação à distância faziam-se por intermédio de mensageiros que viajavam entre o emissor e o destinatário. Por exemplo, quando Pedro Álvares Cabral chegou em 1500 a Porto Seguro, Brasil, teve de destacar duas naus da sua armada para fazer chegar a Portugal a notícia da sua descoberta, uma viagem de quase dois meses. Para melhor percebermos quão recente é a tecnologia para comunicação instantânea à distância, podemos tomar como referência o aparecimento da escrita há cerca de 5200 anos e escalar o tempo decorrido até ao presente como se correspondesse a um único ano, com o aparecimento da escrita a 1 de Janeiro; nesse calendário escalado, a invenção do telégrafo com fios ocorreria só a 18 de Dezembro, a telegrafia sem fios em 22 de Dezembro e o aparecimento dos primeiros telemóveis a 27 de Dezembro. As versões smart apareceriam a meio do dia 31 de Dezembro. Podemos dizer que a aventura das comunicações sem fios começou por volta de 1873 quando James Clerk Maxwell escreveu as equações que previam a existência de ondas electromagnéticas (OEM), capazes de propagar com uma velocidade finita e igual à da luz (ver Capítulo 19). Analiticamente a onda radiada por uma fonte pontual pode ser representada por um vector da forma ( ) ( ) em que r representa a distância do observador à fonte e t representa o tempo; é a frequência angular e é a constante de propagação ou número de onda. Entre

2 a frequência e o comprimento de onda verifica-se a relação em que representa a velocidade de propagação da onda. No vácuo m/s. O vector unitário define a polarização da onda e é transversal à sua direcção de propagação, A comprovação experimental da existência de OEM só veio a ser feita por Hertz, em Hertz encarou o desafio como um mero trabalho académico, sem suspeitar que seria o precursor de uma nova era e que as ondas de rádio iriam ter um impacto extraordinário para o avanço da civilização. Alguns cientistas como Oliver Lodge, Chandra Bose, e Alexander Popov, reproduziram a experiência de Hertz, aperfeiçoarem a tecnologia e demonstraram-na para sinalização sem fios. Mas foi Guglielmo Marconi quem anteviu a possibilidade de explorar comercialmente as OEM para telegrafia sem fios. Patenteou o seu sistema de transmissão e estabeleceu um serviço comercial de telegrafia sem fios em 1902 que se generalizou rapidamente por todo o mundo [1]-[3]. Figura 20.1 James Maxwell ( ); Heinrich Hertz ( ); Guglielmo Marconi ( ). Os desenvolvimentos que se seguiram nesta área a nível teórico e experimental bem como o ritmo a que aconteceram foram estonteantes, suportados em iguais avanços noutras disciplinas, como a física, a electrónica e a matemática [4], [5]. A primeira emissão comercial de rádio (com áudio) fez-se em Em 1930 descobriu-se a radiação da nossa Galáxia no espectro de rádio, levando ao nascimento da Radioastronomia. Na mesma década desenvolveu-se o Radar e a Televisão. Em 1957 foi lançado o primeiro satélite de comunicações, marcando uma nova era das comunicações à distância. Os telemóveis começaram a ser desenvolvidos na década de 70, iniciando a revolução do acesso pessoal e imediato às comunicações móveis via rádio. Nas últimas duas décadas ficaram disponíveis outras aplicações destinadas ao grande público como a localização por satélite (ex. GPS), as redes de dados sem fios Wi-Fi ou as ligações Bluetooth.

3 É interessante reparar que as comunicações baseadas em OEM começaram por almejar alcances muito elevados, mas são hoje de uso generalizado também para distâncias cada vez mais curtas, reduzindo-se em alguns casos a uns meros centímetros. É o casos dos recentes sistemas de comunicação de campo próximo (NFC near-field communications ) que permitem emparelhar dispositivos aproximando-os tipicamente a menos de 5 cm A experiência de Hertz Hertz, enquanto estudante de doutoramento na Universidade de Berlim, começou por declinar um desafio lançado por Helmoltz em 1879 para investigar a relação entre os campos electromagnéticos e a polarização dieléctrica de materiais isolantes. Hertz analisou o problema e considerou não ser tecnicamente viável na altura, por requerer o uso de frequências muito elevadas. No entanto manteve o interesse e voltou ao assunto quando se tornou professor em 1886 na Technische Hochschule Karlsruhe na Alemanha. Apercebeu-se de como poderia gerar e detectar ondas electromagnéticas ao descarregar uma garrafa de Leyden 1 através de uma bobina 2. Observou por acaso o aparecimento de uma faísca na fenda de uma espira que estava próxima da bobina. A B C C 3 m.25 m.25 m.8 m M 1.2 m Figura 20.2 Esquema da montagem apresentada por Hertz em 1886 (adaptada de [1]). O circuito que desenvolveu e que pode agora ser visto como um sistema de rádio completo, está representado esquematicamente na Figura O emissor é constituído por uma bobina de indução (A) ligada a um par de varões metálicos colocados topo a topo com uma pequena fenda entre si (B) e terminados por esferas (C) e (C ). Estes varões e esferas com cerca de meio comprimento de onda formam o elemento radiador, a que hoje chamamos o dipolo de Hertz a antena. O receptor é uma simples espira com uma pequena fenda (M) cujo espaçamento pode ser ajustado para facilitar a faísca. 1 Dispositivo inventado em 1745 para armazenar cargas electroestáticas. Foi o antecedente do que se designa actualmente por condensador nos circuitos electrónicos. 2 Enrolamento de muitas voltas de um fio condutor.

4 Quando se alimenta a bobina de indução e se produzem faíscas na fenda (B) do dipolo, aparecem faíscas na fenda (M) da espira colocada a uma certa distância. O perímetro da espira usada na montagem da Figura indica que estava sintonizada para um comprimento de onda da ordem da ordem de 8 m, ou seja para uma frequência de 37.5 MHz. Posteriormente Hertz incluiu uma capacidade (garrafa de Leyden) no circuito da bobina de indução para formar um circuito ressonante e assim controlar a frequência da onda radiada. A utilização de circuitos ressonantes permitiu melhorar significativamente a sensibilidade da detecção. Este resultado por si só não era suficiente para demonstrar as equações de Maxwell e a existência de ondas electromagnéticas. Note-se que nesta altura já eram conhecidos alguns sistemas de sinalização à distância baseados em indução magnética, que no entanto não tinham nada a ver com as OEM. Maxwell previra que a luz era um fenómeno de natureza electromagnética, pelo que seria necessário demonstrar que as novas ondas invisíveis de Hertz satisfaziam as propriedades conhecidas da luz como a polarização, a reflexão, a refracção e sobretudo a velocidade de propagação. Hertz apercebeu-se que a demonstração das propriedades ópticas só seriam viáveis usando comprimentos de onda razoavelmente mais pequenos que os dispositivos usados para os testes. Hertz comprovou as propriedades referidas acima usando ondas centimétricas. No que respeita ao elemento radiador acrescentou ao dipolo um espelho cilíndricoparabólico para criar direccionalidade. Pode-se considerar que o segundo grande contributo dos trabalhos de Hertz foi a descoberta da forma de fazer as OEM separarem-se dos condutores e propagarem-se no espaço como previsto nas equações de Maxwell, ou seja a invenção do conceito de antena. Figura 20.3: Montagem rudimentar para reproduzir a experiência de Hertz. A experiência de Hertz pode ser facilmente reproduzida num laboratório de ensino recorrendo a objectos correntes, ver Figura Para as antenas de emissão e de recepção podem usar-se dipolos, constituídos a partir de varetas metálicas. Para gerar as faíscas pode ser usado um isqueiro piezoeléctrico devidamente desmontado para permitir o acesso aos terminais, que deverão ser ligados aos terminais de um dos

5 dipolos. Os terminais do outro dipolo podem ser ligados à entrada de um altifalante auto-amplificado. A fenda entre as duas varetas de cada dipolo terá de ser convenientemente ajustada. De cada vez que se accionar o isqueiro, ouvir-se-á um estalido no altifalante, associado à diferença de potencial que se estabelece nos terminais da antena de recepção quando esta é envolvida pelo campo electromagnético gerado pela antena de emissão. Será fácil transmitir por exemplo símbolos do código Morse a pequenas distâncias As primeiras transmissões via rádio Hertz morreu prematuramente em 1894, mas o seu trabalho e os respectivos resultados foram amplamente divulgados quer através das suas publicações quer através das publicações de Oliver Lodge. Os vários investigadores que continuaram os seus trabalhos dedicaram-se principalmente a aperfeiçoar o detector e as antenas, na maior parte dos casos com o objectivo de aumentarem o alcance da ligação e de transmitirem informação. Para além de Lodge, destacaram-se Chandra Bose, Alexander Popov, Nicola Tesla e Guglielmo Marconi. Alguns destes, e nomeadamente Marconi, acrescentaram aos seus sistemas uma chave de Morse 3 no circuito de emissão e auriculares na recepção para poderem escutar e interpretar os apitos típicos do código Morse. A comunicação transatlântica de Marconi Marconi, eminentemente experimentalista, foi o único que conseguiu que os seus inventos nesta área tivessem um impacto directo e duradouro na sociedade. Cedo concluiu que para obter alcances elevados tinha de aumentar o tamanho das antenas e trabalhar com comprimentos de onda na ordem da centena de metros. Nestas frequências o rendimento típico das antenas é inferior a 1-2% o que obrigava a usar potências de emissão da ordem das dezenas de kw. Marconi propôs em 1901 a primeira ligação por ondas Hertzianas (nome dado na altura às ondas de rádio) entre os continentes Europeu a Americano. As antenas foram instaladas em Poldhu, Inglaterra e em St. Jones Newfoundland na América do Norte. A Figura 20.4a mostra a antena instalada em Poldhu. Era um cone invertido com cerca de 60 m de diâmetro e 66 m de altura, formado por vários fios condutores ligando a circunferência no topo com o vértice no solo, Figura 20.4b. Nestas frequências o solo comporta-se como um bom reflector pelo que o cone e a sua imagem formam uma antena do tipo dipolo a antena mono-cone. No entanto a antena da Figura 20.4a desmoronou numa tempestade alguns dias antes da demonstração de Marconi e teve de ser substituída na experiência por uma provisória. Estima-se que terá usado um comprimento de onda de 170 m e uma potência de 17 kw. 3 Interruptor de pressão que permitia abrir e fechar rapidamente o circuito de emissão para gerar o código Morse. Este dispositivo já era usado nos sistemas de telegrafia com fios.

6 a) b) Figura 20.4: a) Antena instalada em Poldhu, Cornualha, Inglaterra, para a primeira emissão transatlântica de Marconi. b) Modelo da antena. A explicação científica dos resultados de Marconi O anúncio do sucesso na ligação foi acolhido com cepticismo pela comunidade científica. Argumentavam que a acentuada curvatura da Terra entre os dois continentes deveria impedir a propagação em linha recta das OEM, tal como acontece com a luz, ver Figura 20.5a. No entanto Marconi não só repetiu a experiência com testemunhas idóneas como iniciou mais tarde um serviço comercial de telegrafia sem fios. A interpretação dos resultados experimentais de Marconi e a modelização dos fenómenos físicos associados ocuparam a comunidade científica durante as décadas seguintes, não só para explicar mas sobretudo para definir regras de projecto para este tipo de ligações. Demonstrou-se que para distâncias pequenas para além do horizonte a cobertura era assegurada pelo fenómeno da difracção, isto é, o encurvamento da direcção de propagação da onda acompanhando o contorno da Terra trajecto (1) na Figura 20.5b, Embora a difracção permita a extensão da cobertura para além do horizonte, o sinal atenua-se mais fortemente com distância do que em espaço livre e o efeito é agravado com o aumento da frequência. Para distâncias maiores e condições adequadas a cobertura era assegurada por uma reflexão das OEM na chamada ionosfera, seguindo um trajecto semelhante ao (2) na Figura 20.5b. A ionosfera é uma camada de gás ionizado que se forma espontaneamente na alta atmosfera (tipicamente acima de 50 km) por acção da radiação solar e da radiação cósmica. O índice de refracção da ionosfera é menor ou igual a 1 e depende da densidade electrónica do meio ionizado. Para frequências baixas como a usada por Hertz na sua ligação, o índice de refracção da ionosfera torna-se negativo impedindo a penetração da onda, sendo esta totalmente reflectida. Acima da uma frequência crítica, a ionosfera vai-se tornando transparente para as OEM deixando de as reflectir. Assim fica claro que Marconi usou uma frequência propícia para a difracção e a reflexão na ionosfera funcionarem ambas; no entanto essa frequência foi escolhida com base noutros critérios, sem o conhecimento prévio da física destes dois fenómenos.

7 Figura 20.5: Propagação de ondas rádio próximo da superfície da Terra. a) Propagação rectilínea antecipada pelos cépticos da experiência de Marconi; b) Mecanismos que suportaram a ligação transatlântica de Marconi: reflexão na ionosfera (1) e difracção da onda de solo (2) O espectro electromagnético O passo seguinte na investigação foi naturalmente passar da transmissão de código Morse para a transmissão de áudio. A estratégia anterior de gerar OEM com base em faíscas não era eficaz para a transmissão de telefonia pelo que se deu a primeira mudança de paradigma: a substituição do gerador de impulsos (faíscas) por um gerador de onda contínua. Um impulso, portanto um sinal com duração curta no tempo, gera uma gama de frequências bastante larga. Pelo contrário um sinal sinusoidal contínuo no tempo gera uma única frequência o que apresenta vantagens como se explica a seguir. A associação de informação a esta onda contínua ( continous wave CW) começou por ser feita por modulação da sua amplitude (AM) 4. Esta modulação gera uma estreita banda de frequências em torno da frequência central, que no entanto é muito mais estreita que a associada aos impulsos dos sistemas de faíscas. Assim, os sistemas CW trouxeram a possibilidade de definir bandas e canais de frequência para os serviços de rádio que foram aparecendo sucessivamente. Foram distribuídas no espectro de frequências de forma coordenada em todo o mundo para minimizar interferências entre serviços. Os nomes dessas bandas e os nomes de alguns serviços de rádio estão indicados na Figura por ordem crescente de frequências. a) b) Figura 20.6: a) Espectro electromagnético, designações das bandas e aplicações. b) Detalhe do espectro de rádio frequência. 4 Processo em que a amplitude da onda sinusoidal portadora é variada no tempo em proporção da amplitude do sinal de informação que se pretende transmitir.

8 O espectro de rádio frequência estende-se da dezena de khz até cerca de 3 GHz. Está assinalado na Figura 20.6a e está expandido na Figura 20.6b. As comunicações de longa distância do início do século XX, incluindo a radiodifusão com modulação de amplitude (AM), funcionavam nas frequências mais baixas do espectro de rádio. A sua utilização acabou por ser suplantada pelas comunicações via satélite, mas ainda subsistem presentemente em comunicações militares de recurso, difusão de padrões horários ou de outros sinais de referência. Para frequências sucessivamente mais elevadas, surge a rádio difusão em modulação de frequência (FM), a televisão, as comunicações móveis, as redes sem fios (como o Wi-Fi), entre várias outras aplicações mais recentes. No espectro de microondas (Figura 20.6a) inclui-se o radar, as ligações de dados entre estações de telecomunicações, as comunicações com satélites e recentemente as redes sem fios que tendem para ritmos de transmissão da ordem de 1 Gbit/s. Na última década tem sido também desenvolvida tecnologia para utilizar o espectro imediatamente abaixo do infravermelho, por exemplo para imagiologia como se explicará na secção Fica pois claro que cada aplicação tem bandas reservadas no espectro electromagnético, podendo estas estar subdivididas em canais para acomodar vários serviços. Por exemplo a banda de radiodifusão em FM (87.5 MHz a 108 MHz na maior parte dos países) está dividida em canais que são atribuídos a cada estação emissora. O espaçamento entre as frequências centrais de canais adjacentes é de 100 khz ou de 200 khz conforme a legislação dos países. Sendo a banda total limitada, conclui-se portanto que o número de estações emissoras que podem operar na mesma região geográfica sem interferirem entre si é limitado Exemplos de aplicações recentes das ondas de rádio Ao longo do século XX e nos nossos dias tem-se desenvolvido um número incontável de aplicações que usam as ondas de rádio, muitas delas fascinantes pela forma como influenciaram o nosso modo de vida. Nesta secção apontamos dois exemplos dos mais recentes, explicando brevemente o seu funcionamento para dar uma pequena ideia da complexidade que nos escapa Comunicações móveis Olá, onde estás é uma saudação típica quando falamos pelo telemóvel. Podemos estar em qualquer lado e ter acesso a tudo e a todos que estejam ligados à rede. O uso não podia ser mais simples, pelo que é acessível até a crianças. Por isso dá-nos a ilusão de que nasceu sem esforço, quando alguém teve a ideia. Vamos então aflorar um ou dois aspectos da complexidade que não vemos. Como oferecer mais conversas telefónicas simultâneas que os canais disponíveis Tal como a radiodifusão em FM, as comunicações móveis têm bandas de frequência específicas atribuídas no espectro electromagnético, subdivididas em canais. Numa primeira visão muito simplista poderíamos dizer que cada chamada telefónica ocupa um

9 canal. Neste caso, dividindo a largura de banda total disponível (para um dado sistema de comunicações móveis) pela largura de banda de cada canal, obtém-se o número de chamadas telefónicas simultâneas permitidas pelo sistema. Nos sistemas reais esse número é da ordem de poucas centenas, pelo que é pertinente perguntar como é possível satisfazer centenas de milhares de chamadas telefónicas simultâneas no país com as poucas centenas de canais telefónicos disponíveis? a) b) A D A C B C B A D A D A C B C B A D A Figura 20.7: a) Cobertura electromagnética tradicional de uma região, com uma única estação base e um único conjunto de canais de rádio; b) Cobertura celular com uma estação base por célula e 4 subgrupos de canais não repetidos. Cada subgrupo é designado pelas letras A, B, C e D. A resolução deste problema passa pela utilização de várias estratégias simultâneas que são aqui explicadas também de forma simplista; a solução real é bem mais complexa. Admita-se para simplificar que cada operador de comunicações móveis dispõe de apenas 80 canais em todo o país o que representa, na visão simplista, capacidade para oferecer apenas 80 chamadas telefónicas simultâneas. Mas em vez de usar uma única estação base 5 para cobrir toda a região como na Figura 20.7a, esta pode ser dividida em várias sub-regiões, cada uma com a sua estação base e com um subconjunto dos canais disponíveis como indicado na Figura 20.7b (cada letra representa um subconjunto independente de 20 canais não repetidos). A cada uma das sub-regiões chamaremos células. A escolha dos subconjuntos de frequências em cada célula tem de ser feita de maneira a não repeti-las em células adjacentes. Se a cobertura rádio de cada estação base não exceder os limites da sua célula (para não interferir com outras distantes com o mesmo subconjunto de canais), então o número de chamadas telefónicas simultâneas na mesma região sobe para 380 = 20 canais 19 células. É fácil perceber que quanto menor for o raio das células utilizado na subdivisão da região inicial, maior será o número de chamadas telefónicas simultâneas que pode ser oferecido. Esta estratégia pode ser complementada com uma partilha de cada canal por vários utilizadores, dividindo entre eles o tempo de acesso ao canal: ou seja, o mesmo 5 Tem um papel semelhante ao da estação emissora nos sistemas de radiodifusão, mas também recebe os sinais transmitidos pelos telemóveis e ainda executa muitas outras funções avançadas.

10 canal pode ser acedido sequencialmente por vários utilizadores com uma cadência tão rápida que cada utilizador não se aperceba que a sua comunicação é na realidade intermitente. Estra estratégia permite aumentar ainda mais o número de chamadas telefónicas simultâneas, mantendo o número inicial de canais. Há outras estratégias para o mesmo efeito que não se abordam aqui. Como localizar os telemóveis para estabelecer uma ligação A mobilidade do utilizador é um outro desafio a ter em conta. Convém não esquecer que quando um telefone móvel pretende comunicar com outro telefone móvel, não sabe onde este se encontra. No limite pode estar noutro país. É portanto necessário haver um registo automático da célula em que se encontra cada telemóvel que está activo em cada momento, nem que seja noutro país. Assim, quando um número é digitado no telemóvel decorrem as seguintes operações (explicação simplificada): o telemóvel sinaliza a estação de base que pretende fazer uma chamada; a estação base atribui um canal para a comunicação e passa a informação do número de destino a um sistema central que gere a busca da estação base onde se encontra o telemóvel pretendido; essa estação de base sinaliza esse telefone sobre a entrada de uma chamada e atribui-lhe um canal de comunicação. Sinaliza para trás que o processo está completo e os telemóveis finalmente são postos em comunicação. Todo este processo é automático e decorre em poucos segundos. Por outro lado se o telemóvel estiver em movimento, por exemplo seguindo um percurso semelhante ao indicado na Figura 20.7b, percebe-se que o utilizador aravessa várias células consecutivamente. Significa que ao longo do percurso a comunicação vai ter de comutar automaticamente entre diferentes estações base, mudando de canal de cada vez. Naturalmente, estes saltos entre estações base e canais têm de ocorrer de forma transparente para o utilizador. Significa que em paralelo com a comunicação que o utilizador mantém com um destinatário, existe uma outra em que o telefone móvel troca informação automaticamente com várias estações base próximas, para o sistema poder escolher aquela que oferece a melhor qualidade de serviço em cada momento e definir qual a menor potência que o telefone deve radiar para poupar a bateria sem prejudicar a qualidade da ligação. O desafio das antenas Ao contrário dos sistemas fixos como a Televisão, em que a orientação das antenas é ajustada uma vez para optimizar a ligação, nos sistemas móveis espera-se que as antenas produzam a melhor resposta independentemente da posição, orientação e condições de utilização do telemóvel. Há aspectos específicos a resolver no lado das antenas da estação base, mas os maiores desafios e a maior inovação encontram-se do lado da antena do telemóvel. Nos telemóveis modernos deixou de se ver a antena. Alguns poderão pensar que perdeu a importância e deixou de existir. Antes pelo contrário, as antenas são imprescindíveis para o funcionamento do telemóvel e são um dos elementos mais difíceis de projectar.

11 O facto de não se verem prende-se com questões estéticas e de comodidade para o utilizador, mas este requisito aparentemente fútil traz dificuldades sérias do ponto de vista técnico. O problema é que para ser eficiente, qualquer antena tem de ter uma dimensão de pelo menos metade do comprimento de onda, ou seja cerca de 10 a 15 cm o que impede de transferir simplesmente a antena tipo dipolo dos primeiros telemóveis para dentro da sua caixa. Quando a antena não está optimizada, reflecte de volta para o emissor a energia que era suposto radiar. É comum os telemóveis serem compatíveis com diferentes sistemas (e portanto diferentes bandas) como o GSM, 3G ou LTE bem como outros serviços como o Bluetooth, Wi-Fi e NFC, sem falar na necessidade de compatibilizar as antenas com as bandas destes serviços em diferentes regiões do Globo. Isso requer não uma, mas eventualmente várias antenas no telemóvel, pelo que rapidamente surgiu o desafio para as integrar no seu interior. E o desafio é ainda mais dificultado pela necessidade adicional de as antenas continuarem a funcionar adequadamente quando se segura o telemóvel junto ao corpo e pela necessidade de satisfazerem os limites de exposição do corpo à radiação electromagnética. a) b) Figura 20.8: a) Exemplo de uma torre com as antenas da estação base. b) Exemplos de antenas integradas no interior de telemóveis (tiras metalizadas convenientemente dobradas). Este desafio ocupou (e continua a ocupar) milhares de cientistas e engenheiros em todo o mundo. A miniaturização da antena passa por dobrar engenhosamente tiras metálicas impressas sobre um plástico apropriado, de tal forma a que a antena fique ressonante nas diversas bandas de funcionamento. Esta condição de ressonância corresponde à transferência óptima da energia do emissor para o ar. Alguns exemplos destas antenas podem ser vistos na Figura 20.8b (tiras mais claras), já integradas em partes do telemóvel. As antenas são projectadas e optimizadas com o auxílio de simuladores electromagnéticos poderosos, antes de se passar ao protótipo. É interessante referir que de cada vez que um novo modelo de telemóvel é lançado, as respectivas antenas têm de

12 ser redesenhadas uma vez que o seu funcionamento correcto depende fortemente dos detalhes mais pequenos de cada telemóvel. Estes são apenas alguns aspectos da complexidade do problema das comunicações móveis relacionados com a radiação electromagnética. Há vários outros aspectos como as interferências causadas por reflexões em paredes, as sombras e atenuações provocadas por obstáculos ou atravessamento de paredes que não são abordadas aqui RFID Todos estamos familiarizados com os cartões de acesso aos sistemas de transportes ou com os identificadores para pagamento nas auto-estradas, que permitem a sua leitura e identificação pela simples aproximação ao leitor (sem necessidade de contacto ou visualização). Esta tecnologia faz parte da classe dos dispositivos de identificação por radiofrequência (RFID). É uma área que está em franco desenvolvimento e que também promete alterar alguns paradigmas da vida em sociedade. Características básicas da tecnologia O sistema RFID é constituído por um conjunto de identificadores electrónicos que podem ser associados a objectos e por um sistema que permite a leitura via rádio da informação contida nesses identificadores. Os identificadores, normalmente conhecidos pela designação em inglês tags, contêm uma memória para armazenamento de dados (onde se inclui um código de identificação único) e um sistema de comunicação via rádio constituído por um circuito de emissão/recepção e por uma antena. Como se percebe da descrição, a aplicação principal destes sistemas é a identificação automática sem contacto, geralmente a curta distância, podendo em alguns casos ser estendida para estimar automaticamente também a localização. Difere dos tradicionais códigos de barras pelo facto de permitir a leitura de um grande número de unidades ao mesmo tempo, mesmo que os tags não estejam visíveis, e pelo facto de permitir que a leitura e aquisição de dados seja completamente automatizada. Note-se que na maior parte dos casos a leitura dos códigos de barras exige um operador para passar o leitor pelo código de cada produto. Antena do leitor etiqueta Transmissões rádio Leitor de RFID etiqueta Tag Produto etiquetado Circuito integrado Figura 20.9: Constituição básica de um sistema RFID.

13 O circuito electrónico da etiqueta de RFID está normalmente em hibernação, acordando apenas quando recebe um sinal de interrogação via rádio emitido pelo leitor. Nessa altura o tag devolve (também via rádio) a sua identificação e eventualmente a informação que tem na memória voltando depois ao estado de hibernação até à interrogação seguinte. Como em qualquer sistema de rádio, existem bandas para operação de RFID regulamentadas em todo o Globo, cobrindo o LF, HF, UHF e microondas. Também está regulamentada a potência de emissão máxima do sinal de interrogação. Desafios da tecnologia Consoante as suas características, os tags podem ser colocados por exemplo em peças ou ferramentas em ambiente fabril, em produtos de consumo, ou mesmo em animais domésticos ou em gado. Os principais desafios para a tecnologia são a redução do factor de forma dos tags, a melhoria do alcance e fiabilidade da leitura em condições adversas e também a redução do custo unitário do tag para valores residuais. Estas características foram alcançadas de forma extraordinária numa categoria de tags que opera na banda de UHF: o tag é fino e flexível como uma folha de papel, pequeno com cerca de 15 cm 2 de área, com um alcance de cerca de 10 m e com um custo unitário de cerca de 0,10 (Figura 20.10ª). Estas características tornaram-se possíveis nesse tipo de tags devido aos seguintes avanços importantes da tecnologia: o circuito electrónico do tag foi reduzido ao tamanho da cabeça de um alfinete e fixado em papel; por outro lado o circuito foi desenvolvido de maneira a dispensar a bateria, sendo a energia necessária para o seu funcionamento retirada da própria onda electromagnética de interrogação. Na literatura designam-se este tipo de tags como passivos. a) b) Figura 20.10: Exemplos de tags de RFID passivos para operação na banda de UHF. a) Tags comerciais; b) Protótipo de um tag desenvolvido em laboratório para integração em malas de viagem. O que domina o tamanho do tag é a antena, devido à necessidade de satisfazer o já referido limite face ao comprimento de onda. A antena, constituída por tiras metálicas, pode ser impressa directamente em papel. Aliás está em desenvolvimento tecnologia que permite produzir todo o tag por impressão, incluindo o circuito electrónico. Se este processo chegar à produção em massa, permitirá realizar o sonho de imprimir estas

14 etiquetas electrónicas directamente nas embalagens dos produtos, com a mesma facilidade dos actuais códigos de barras. No entanto, sobretudo em UHF e em Microondas, o funcionamento das antenas (e portanto o alcance da leitura) é seriamente prejudicado quando os tags são colocados em objectos metálicos ou contendo líquidos ou próximo do corpo humano. Nesses casos é necessário utilizar topologias alternativas para as antenas, que normalmente as tornam um pouco mais espessas e mais caras. Esta é uma área ainda em desenvolvimento. Potencialidades da tecnologia Uma vez que a leitura e a aquisição da informação dos tags pode ser feita de forma automática, abre-se um mundo novo para a gestão dessa informação e criação de novos serviços. No limite pode-se encarar cada tag como o nó de uma grande rede de informação. Estando os tags colados em produtos de consumo, peças em linhas de montagem, documentos e objectos do dia-a-dia, estamos a falar de uma rede de proporções gigantescas e que corporizam o conceito emergente da Internet das Coisas ( Internet of Things IoT). Naturalmente o conceito integra outras tecnologias para além do RFID, como diversos tipos de sensores, telemóveis, PCs, etc. O conceito de IoT, ainda em desenvolvimento, visa criar ambientes inteligentes que facilitem o dia-a-dia dos utilizadores. Listam-se alguns exemplos de aplicações que estão em diferentes fases de desenvolvimento ou de testes, desde os incipientes aos protótipos: Um frigorífico capaz de indicar a gaveta onde se encontra uma determinada embalagem congelada anteriormente, de avisar quais os produtos com a validade a expirar, e de organizar a lista de compras e enviá-la para o telemóvel em resposta a um SMS. Um provador de roupa de loja capaz de reconhecer as peças que estão a ser vestidas, sugerir alternativas, e providenciar a sua entrega no provador. Uma mala de viagem integrando um chip RFID regravável para ser utilizado no check-in para registar os detalhes do percurso e permitir o encaminhamento automático sem erros humanos da mala para os sucessivos voos e ainda permitir ao passageiro fazer o seguimento da mala no seu telemóvel. Uma caixinha de medicamentos capaz de avisar assim que forem horas de tomar um medicamento regular, que seja capaz de esclarecer se o medicamento foi realmente tomado ou não e que mantenha um registo dos medicamentos tomados. Sensores no chão de um apartamento capazes de detectar a situação potencialmente anormal de uma pessoa caída e imóvel e emitir automaticamente um alarme para um telefone pré-definido. Um dispositivo associado aos óculos para ajudar pessoas com disfuncionalidades cognitivas (ex. Alzheimer) a reencontrar o caminho de volta para a sua casa.

15 Encaradas como aplicações isoladas algumas destas podem parecer fúteis, mas se pensarmos num sistema integrado, o cruzamento de diversas aplicações e tecnologias poderá proporcionar serviços mais avançados e úteis Alguns temas de investigação Os novos desenvolvimentos na área das comunicações via rádio têm vindo a migrar nas duas últimas décadas para frequências progressivamente mais altas, para as ondas milimétricas e sub-milimétricas. Para além de permitirem obter dispositivos mais pequenos dado o comprimento de onda ser pequeno, permitem também larguras de banda muito grandes para satisfazer a partilha rápida de enorme quantidade de informação. Não só tem sido possível desenvolver geradores de ondas milimétricas e submilimétricas em tecnologia do estado sólido (o que vulgarmente se designa por circuitos integrados), como o custo da tecnologia tem vindo a descer tornando-a acessível para aplicações para o grande público, Nestas frequências as antenas metálicas tornam-se pouco eficientes e mais difíceis de construir. Há uma tendência para aproximar às soluções da óptica, pelo que passam a ser atractivas por exemplo as antenas baseadas em lentes. A Figura 20.11a apresenta um exemplo desse tipo de antena, com uma forma apropriada para favorecer o desempenho das designadas redes muli-gigabit. Estas redes podem oferecer ritmos de transmissão da ordem de 5 Gbit/s (cerca de cem vezes mais rápidas que as actuais redes wireless). O mesmo tipo de antenas pode ser utilizado para imagiologia, isto é, para obter imagens na parte milimétrica ou sub-milimétrica do espectro electromagnético, Figura 20.11b. Tem utilidade por exemplo em radioastronomia Figura 20.12a, mas pode ser utilizado também para aplicações bem mais terrenas como em aplicações de segurança em lugares sensíveis, Figura 20.12b. As técnicas recentes permitem uma resolução bem melhor que a apresentada na figura, mas em locais públicos a resolução das imagens é automaticamente reduzida ou a imagem é mesmo suprimida quando não há sinais de alarme, como forma de preservar a privacidade dos sujeitos. a) b) Figura 20.11: Exemplos de antena baseadas em lentes dieléctricas. a) Aplicação para pontos de acesso de redes multi-gigabit em 60 GHz. b) Utilização para obter imagens do fundo de radiação cósmica em ondas milimétricas.

16 Poder-se-á perguntar porque não se continua a utilizar o tradicional Raio-X para esta função. É que, ao contrário do Raio-X que corresponde a radiação electromagnética ionizante (portanto potencialmente perigosa para os tecidos vivos) a radiação na zona milimétrica do espectro não representa o mesmo tipo de preocupação. Por esse motivo o espectro de rádio tem vindo a ser considerado também para imagiologia médica, embora em frequência mais baixas, entre 1 GHz e 5 GHz, que são menos atenuadas pelos tecidos humanos que as ondas milimétricas e sub-milimétricas. Esta tem sido uma área de investigação muito activa, sobretudo em relação ao rastreio do cancro da mama. a) b) Figura 20.12: Exemplos de imagens na parte de ondas milimétricas do espectro electromagnético. a) Nebulosa de Orion (NASA); b) Imagens de aplicações de segurança. Uma outra área em franco desenvolvimento é o dos dispositivos biomédicos para usar junto ao corpo ou mesmo implantados, com capacidade de comunicação via rádio. Esses dispositivos permitem monitorizar funções vitais e transmiti-las sem fios para dispositivos externos. Podem ser utilizados em próteses cardíacas, na monitorização da pressão intracraniana ou da compressão em próteses articulares. O desafio para as antenas é a sua miniaturização e simultaneamente o aumento da sua eficiência que fica seriamente afectada pela presença do corpo. A melhoria da eficiência é fundamental para prolongar a longevidade da bateria dos dispositivos. Para coadjuvar esse objectivo, a comunicação dos dispositivos implantados pode ser feita para um repetidor colocado na roupa a poucos centímetros e este, sendo externo e com uma bateria mais acessível é que se encarrega de transmitir um sinal mais forte para sistemas de controlo mais distantes Conclusão Hertz, que respondeu à curiosidade de um aluno em 1886 dizendo que não via qualquer utilidade para as ondas electromagnéticas, ficaria certamente estarrecido se tivesse tido a possibilidade de assistir a tudo o que se passou desde a sua experiência em Karlsruhe até aos nossos dias. E a aventura continua, com novos avanços a acontecerem a um ritmo cada vez mais acelerado.

17 Figura 20.13: Evolução no tempo (escala logarítmica) de alguns sistemas rádio. Espera-se que os alunos que estão a entrar agora no Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores (MEEC) do Instituto Superior Técnico venham a ser num futuro próximo protagonistas em alguma parte da aventura das ondas de rádio. Estarão à altura do desafio na altura própria? Vejamos a Figura que assinala alguns sistemas rádio com as respectivas datas de lançamento. A primeira barra vertical representa o intervalo de tempo em que o autor deste Capítulo e os seus colegas contemporâneos foram alunos no Instituto Superior Técnico. A matéria de estudo estava naturalmente limitada ao que se conhecia até essa altura, sem qualquer vislumbre do que poderia acontecer no futuro. Mas a formação recebida foi a base fundamental para essa geração (e as seguintes) poderem participar activamente no desenvolvimento dos novos sistemas e mudanças de paradigmas que se sucederam. A segunda barra vertical corresponde ao intervalo de tempo em que os alunos que agora começam o curso, estarão no IST. Há mais informação a aprender do que na altura da primeira barra. Mas a lógica da Figura manter-se-á, com o aparecimento de novas tecnologias, por agora desconhecidas, a serem protagonizadas pelas novas gerações de engenheiros. Espera-se que os alunos do MEEC venham a ter um papel relevante no processo. Haverá no entanto nuances relativamente à situação de trinta anos atrás: as mudanças de paradigma tecnológico ocorrerão mais frequentemente, e a concorrência na investigação e nos empregos será exponencialmente crescente dada a multiplicação de novos centros de conhecimento em partes do mundo outrora subdesenvolvidos, que produzem milhões de indivíduos altamente qualificados. É claro que este alerta apresentado a propósito dos sistemas rádio é igualmente aplicável a outras áreas da Engenharia electrotécnica. Assim, os novos alunos terão de preparar-se desde o primeiro ano do curso para enfrentarem depois desafios profissionais que serão cada vez mais exigentes. Os temas abordados neste Capítulo serão desenvolvidos em algumas disciplinas do MEEC, em particular na área de especialização de Telecomunicações. Os aspectos básicos relativos à propagação das ondas electromagnéticas e aplicações serão abordados na disciplina de Propagação e Radiação de Ondas Electromagnéticas, do 1º

18 ciclo. Os aspectos mais aplicados serão abordados nas seguintes disciplinas do 2º ciclo do MEEC: Antenas, Radiopropagação, Sistemas de Telecomunicações, Sistemas de Telecomunicações via Rádio, Sistemas de Comunicações Móveis, e Redes Móveis e sem Fios Bibliografia [1] J. D. Kraus, Antennas, McGraw Hill, 1998 [2] W. E. Gordon, A Hundred Years of Radio Propagation, IEEE Trans. Antennas and Propagation, Vol. AP-33, No. 2, pp , Fev [3] J. D. Kraus, Antennas Since Hertz and Marconi, IEEE Trans. Antennas and Propagation, Vol. AP-33, No. 2, pp , Fev [4] H. Sobol, K. Tomiyasu, Milestones of Microwaves, IEEE Trans. Antennas and Propagation, Vol. AP-50, No. 3, pp , Mar [5] W. Wiesbeck, D. J. Cichon, The Link from Heinrich Hertz to Modern Communication, European Microwave Conference, Bologna, pp , Set. 1995