Rádio Spread Spectrum Este tutorial apresenta os aspectos técnicos dos Rádios Spread Spectrum (Técnica de Espalhamento Espectral) aplicados aos Sistemas de Transmissão de Dados. Félix Tadeu Xavier de Oliveira Engenheiro Eletrônico (FESP 86), tendo atuado na área de Engenharia de Sistemas planejando e implantando Sistemas de Comunicação VHF/SHF, Sistemas Trunking, Sistemas de Pager e Sistemas de Localização de Veículos via Satélite. Ocupa atualmente o cargo de Coordenador de Projetos de Rádio e Planejamento de Redes Rádio da Pegasus Telecom. Huber Bernal Filho Engenheiro de Teleco (MAUÁ 79), tendo atuado nas áreas de Redes de Dados e Multisserviços, Sistemas Celulares e Sistemas de Supervisão e Controle. Ocupou posições de liderança na Pegasus Telecom (Gerente - Planejamento de Redes), na Compaq (Consultor - Sistemas Antifraude) e na Atech (Coordenador - Projeto Sivam). Atuou também na área de Sistemas de Supervisão e Controle como coordenador de projetos em empresas líderes desse mercado. Tem vasta experiência internacional, tendo trabalhado em projetos de Teleco nos EUA e de Sistemas de Supervisão e Controle na Suécia. Atualmente dedica-se à Teleco e à prestação de serviços de consultoria em telecomunicações. Email: hbernal@teleco.com.br 1
Categoria: Redes de Dados Wireless Nível: Introdutório Enfoque: Técnico Duração: 15 minutos Publicado em: 03/02/2003 2
Spread Spectrum: O que é Tecnologia Spread Spectrum é uma técnica de codificação para a transmissão digital de sinais. Ela foi originalmente desenvolvida pelos militares durante a segunda guerra mundial, com o objetivo de transformar as informações a serem transmitidas num sinal parecido com um ruído radioelétrico evitando assim a monitoração pelas forças inimigas. A técnica de spread spectrum consiste em codificar e modificar o sinal de informação executando o seu espalhamento no espectro de freqüências. O sinal espalhado ocupa uma banda maior que a informação original, porém possui baixa densidade de potência e, portanto, apresenta uma baixa relação sinal/ruído. Para os receptores convencionais esta comunicação pode até ser imperceptível. Desenvolvimento O desenvolvimento da tecnologia spread spectrum viabilizou a transmissão de dados via rádio com alta confiabilidade e com taxas de transmissão cada vez melhores, o que possibilitou o seu uso na implementação de redes locais (LAN s) ou regionais (WAN s), trazendo grande mobilidade e flexibilidade para seus usuários. Esta tecnologia é também uma alternativa para a implementação da última milha das redes de operadoras de serviços de telecomunicações. Os rádios spread spectrum utilizam os protocolos padronizados para redes sem fio (IEEE 802.11), e suas interfaces suportam os principais protocolos de redes existentes. O padrão IEEE 802.11 originalmente previa taxas de transmissão de até 2 Mbit/s. A versão IEEE 802.11b prevê a utilização de taxas de até 11 Mbit/s. Aplicações As interfaces de dados típicas disponíveis são do tipo Ethernet, embora possam ser encontradas também portas RS-232, V.35, RS-485 e E1/T1. Os serviços mais comuns oferecidos são de interligação de redes corporativas ou de acesso a Internet (que compete diretamente com serviços do tipo ADSL) sendo que, em ambos os casos, a banda oferecida para cada usuário depende da arquitetura implementada. Observa-se, entretanto, que alguns desses sistemas não possuem funcionalidades que permitam a implementação de serviços do tipo VPN (Virtual Private Network) ou VLAN (Virtual LAN) sem o uso de equipamentos adicionais, tais como Switch s ou IP Mux s. Freqüências Os rádios spread spectrum utilizam as faixas de freqüências livres adotadas por vários países, inclusive o Brasil, denominadas internacionalmente como bandas ISM (Instrumentation, Scientific & Medical) definidas nas faixas de 900 MHz, 2,4 GHz e 5,8 GHz. 3
Spread Spectrum: Processos de Transmissão A técnica de spread spectrum é implementada através dos seguintes processos: Salto de Freqüência (Frequency Hopping), Seqüência Direta (Direct Sequence) ou então uma combinação dos dois processos chamada de Sistema Híbrido. Salto em Freqüência (Frequency Hopping) Na técnica de spread spectrum empregando a tecnologia por saltos de freqüência, a informação transmitida salta de um canal para outro numa seqüência chamada de pseudo-aleatória. Esta seqüência é determinada por um circuito gerador de códigos pseudo-randômicos que na verdade trabalha num padrão pré-estabelecido. O receptor por sua vez deve estar sincronizado com o transmissor, ou seja, deve saber previamente a seqüência de canais onde o transmissor vai saltar para poder sintonizar estes canais e receber os pacotes transmitidos. As vantagens desta técnica são: Os canais que o sistema utiliza para operação não precisam ser sequenciais. A probabilidade de diferentes usuários utilizarem a mesma seqüência de canais é muito pequena. A realização de sincronismo entre diferentes estações é facilitada em razão das diferentes seqüências de saltos. Maior imunidade às interferências. Equipamentos de menor custo. As desvantagens desta técnica são: Ocupação maior do espectro em razão da utilização de diversos canais ao longo da banda. O circuito gerador de freqüências (sintetizador) possui grande complexidade. O sincronismo entre a transmissão e a recepção é mais critico. Baixa capacidade de transmissão, da ordem de 2 Mbit/s. Seqüência Direta (Direct Sequence) 4
Na técnica de spread spectrum empregando a tecnologia de Seqüência Direta, o sinal de informação é multiplicado por um sinal codificador com característica pseudo-randômica, conhecido como chip sequence ou pseudo-ruído ( pseudo-noise ou PN-code). O sinal codificador é um sinal binário gerado numa freqüência muito maior do que a taxa do sinal de informação. Ele é usado para modular a portadora de modo a expandir a largura da banda do sinal de rádio freqüência transmitido. No receptor o sinal de informação é recuperado através de um processo complementar usando um gerador de código local similar e sincronizado com o código gerado na transmissão. Em razão da utilização de uma grande largura de banda para transmissão, os sistemas em seqüência direta dispõem de poucos canais dentro da banda. Estes canais são totalmente separados de forma a não gerar interferência entre eles. A técnica de seqüência direta é também o principio utilizado pelo CDMA (Code Division Multiple Access) na telefonia celular. As vantagens desta técnica são: O circuito gerador de freqüência (sintetizador) é mais simples, pois não tem necessidade de trocar de freqüência constantemente. O processo de espalhamento é simples, pois é realizado através da multiplicação do sinal de informação por um código. Maior capacidade de transmissão, da ordem de 11 Mbit/s. As desvantagens desta técnica são: Maior dificuldade para manter o sincronismo entre o sinal PN-code gerado e o sinal recebido. Maior dificuldade para solução dos problemas de interferências. Equipamentos de maior custo. 5
Sistemas Híbridos Os Sistemas híbridos combinam as duas técnicas de modulação: saltos em freqüência e seqüência direta. Esses sistemas utilizam, alternadamente, uma técnica de cada vez, mantendo a outra inoperante. A norma ANATEL define que quando o sistema esta operando com salto em freqüência, cada salto deve ter um tempo médio de ocupação em qualquer freqüência que não exceda 0,4 s, em um período de tempo, em segundos, igual ao número de freqüências de salto utilizadas, multiplicado por 0,4. Quando o sistema estiver operando em seqüência direta o sistema deve ter densidade média de potência de no máximo 8 dbm em qualquer faixa de 3 khz, medida em um intervalo de 1 s. 6
Spread Spectrum: Arquiteturas Típicas Os sistemas de rádio Spread Spectrum podem ser configurados para operar nas arquiteturas Ponto a Ponto ou Ponto Multiponto. Sistemas Ponto a Ponto Na configuração Ponto a Ponto são utilizados dois rádios com antenas altamente diretivas interligando dois pontos. Esta configuração pode ter as seguintes aplicações: Atender isoladamente a um único usuário interligando, por exemplo, dois escritórios de uma mesma empresa; Servir como solução de última milha para atender um usuário a partir de um Ponto de Presença da rede multiserviços de uma operadora de serviços de telecomunicações. Os serviços de interligação de redes corporativas ou de acesso a Internet podem ser implementados utilizando os rádios spread spectrum com suas funcionalidades básicas. Caso seja necessário compartilhar a banda do rádio para mais de um usuário, pode ser necessário o uso de equipamentos do tipo Switch s ou IP Mux s (ponto usuário), além de roteadores no Ponto de Presença da operadora de serviços de telecomunicações. Estes equipamentos permitem ainda oferecer a funcionalidade de segurança entre as redes dos diversos usuários. Sistemas Ponto Multiponto Na configuração Ponto Multiponto o conceito é atender vários usuários simultaneamente a partir de um único ponto chamado de estação Master. Este ponto é estrategicamente posicionado para cobrir uma área de interesse de atendimento. Ele pode ser: 7
Um escritório central ou matriz de uma empresa, a partir do qual se interligam outros escritórios na mesma região (filiais); Um Ponto de Presença da rede multisserviços de uma operadora de serviços de telecomunicações, a partir do qual se atendem vários usuários de uma região. Na arquitetura Ponto Multiponto, são formadas células que podem utilizar antenas tipo omnidirecional (360º) ou diretiva setorial. O ângulo de abrangência da antena diretiva pode ser de 30º, 60º, 90º ou 120º dependendo da área de cobertura desejada. Estas células podem ser configuradas para trabalhar com várias antenas posicionadas sequencialmente formando setores consecutivos que proporcionam uma grande área de cobertura. Dependo da demanda existente numa região específica é possível instalar várias antenas (cada uma com seu rádio) posicionadas nessa direção com o objetivo de aumentar a capacidade de banda da célula. Nesses casos, onde a estação Master possui vários rádios operando simultaneamente, é conveniente realizar um sincronismo entre os rádios para evitar interferências do próprio sistema. Assim como na arquitetura Ponto a Ponto, podem ser oferecidos os serviços de interligação de redes corporativas ou de acesso a Internet utilizando os rádios spread spectrum com suas funcionalidades básicas. O compartilhamento de banda do rádio para mais de um usuário ou uso de mais de um rádio por setor da célula pode demandar o uso de equipamentos do tipo Switch s ou IP Mux s (nos pontos dos usuários), além de roteadores no Ponto de Presença (estação Master) da operadora de serviços de telecomunicações. Também neste caso estes equipamentos permitem oferecer a funcionalidade de segurança entre as redes dos diversos usuários. 8
Spread Spectrum: Regulamentação Nos Estados Unidos a regulamentação para operação dos sistemas que utilizam a tecnologia spread spectrum foi estabelecida pelo Federal Communications Commission FCC, através da recomendação contida no FCC Rules Title 47 Part 15, e a padronização de codificação foi definida pelo Institute of Electrical and Electronics Engineers IEEE, através da recomendação 802.11. No Brasil a legislação para este tipo de sistema foi inicialmente definida pela ANATEL, através da Norma 02/93, posteriormente pela Norma 012/96 (resolução 209 de Jan/2000) e atualmente pela resolução 305 de Jul/2002 Regulamento sobre Equipamentos de Radiocomunicação de Radiação Restrita. As faixas de freqüências estabelecidas para uso por equipamentos de radiocomunicação empregando a técnica de spread spectrum, para aplicações Ponto a Ponto e Ponto Multiponto, estão assim definidas: 902 a 928 MHz, 2400 a 2483,5 MHz e 5725 a 5850 MHz. Desta forma, os sistemas que utilizam a tecnologia de spread spectrum não necessitam da licença ANATEL para a sua instalação e operação, desde que sejam atendidos os requisitos das Resoluções 209 e 305. A regulamentação vigente estabelece as condições de operação para os sistemas que operam por Saltos de Freqüência, para os sistemas que operam em Seqüência Direta e para os Sistemas Híbridos. O resumo a seguir apresenta principalmente as recomendações relativas aos níveis de potência para cada tipo. Sistemas de Salto em Freqüência Nas faixas de 900 MHz a potência de pico máxima de saída do transmissor não deve ser superior a 1 Watt para sistemas que empreguem no mínimo 50 canais de salto e 0,25 Watt para sistemas empregando menos de 50 canais de salto. Sistemas operando nas faixas de 2,4 GHz e 5,8 GHz devem trabalhar com potência de pico máxima de saída do transmissor não superior a 1 Watt. Sistemas de Seqüência Direta Nesse sistema a potência de pico máxima de saída do transmissor não pode ser superior a 1 Watt para todas as faixas de freqüências. Sistemas Híbridos Os sistemas que utilizam uma combinação das técnicas de modulação em seqüência direta e saltos em freqüência devem alcançar um ganho de processamento de, no mínimo, 17 db na combinação dessas técnicas. Cabe ressaltar que a Resolução 305 estabeleceu a potência de saída do transmissor para cada sistema baseado numa antena com Ganho de 6 dbi. A resolução estabelece também que os sistemas Ponto a Ponto operando na faixa de 2,4 GHz, podem fazer uso de antenas de transmissão com ganho direcional superior a 6 dbi, desde que a potência de pico máxima na saída do transmissor seja reduzida de 1 db para cada 3 db que o ganho direcional da antena exceder a 6 dbi. 9
Os sistemas que operam na faixa de 5,8 GHz utilizados exclusivamente em aplicações Ponto a Ponto, podem fazer uso de antena de transmissão com ganho direcional superior a 6 dbi sem necessidade de uma correspondente redução na potência de pico máxima na saída do transmissor. 10
Spread Spectrum: Considerações finais Os sistemas rádio que utilizam a tecnologia spread spectrum são de fato uma alternativa para oferecer serviços de telecomunicações, especialmente de acesso a Internet. Sua utilização apresenta as seguintes vantagens: Não necessita de licença de operação expedida pela ANATEL, minimizando o custo e o prazo de implantação. Para atender usuários que necessitam de acesso a Internet operando com baixas taxas de transmissão, esta solução de acesso torna-se atrativa uma vez que o custo para o usuário é relativamente pequeno, em comparação com o custo das soluções que utilizam os sistemas de rádios microondas convencionais na arquitetura Ponto a Ponto. Os sistemas oferecidos pelos fabricantes utilizam os diversos processos de transmissão existentes. Entretanto, até o momento não se conseguem argumentos técnicos suficientes quanto à performance, robustez e o custo das diversas soluções, para se afirmar a vantagem de algum dos processos de transmissão sobre os demais. Desta forma, o projetista deve comparar as funcionalidades e os processos de transmissão do diversos sistemas, e considerar também as peculiaridades das regiões onde o sistema será instalado, para que o projeto do sistema rádio como um todo seja elaborado com o menor custo e o melhor rendimento. Entre os critérios a serem utilizados para essa análise, destacam-se os seguintes: Em sendo utilizada uma faixa livre de freqüências, estas acabam sendo ocupadas sem nenhum controle e, dessa maneira, problemas de interferência por congestionamento do espectro podem afetar o desempenho do sistema. A taxa de transmissão efetiva ( throughput ) em geral é menor do que a taxa nominal dos equipamentos, devido ao protocolo de transmissão utilizado. Para a viabilização dos enlaces nestas faixas de freqüência é necessário trabalhar com linha de visada direta entre as antenas. O projetista deve adotar uma margem de nível de sinal de recepção que garanta uma relação sinal/ruído suficiente para o bom funcionamento do sistema, sempre respeitando os limites definidos nas recomendações da legislação vigente. 11
Spread Spectrum: Teste seu entendimento 1. Considerando as características da técnica Spread Spectrum, qual das afirmações abaixo é correta: A característica fundamental dos sistemas Spread Spectrum é aumentar a largura de banda passante operando com baixa densidade de potência. A característica fundamental dos sistemas Spread Spectrum é comprimir a largura de banda passante levando a informação praticamente no nível de ruído. O sinal espalhado ocupa uma banda maior que a informação original, e possui alta densidade de potência e, portanto, apresenta uma alta relação sinal/ruído. Nenhuma das anteriores 2. Considerando os tipos de sistemas que utilizam a técnica Spread Spectrum, qual das afirmações abaixo é correta: O espalhamento espectral obtido pela técnica por Salto de Freqüência é realizado através da multiplicação do sinal de informação por um código binário. O espalhamento espectral obtido pela técnica de Seqüência Direta é realizado através da multiplicação do sinal de informação por um código binário. O espalhamento espectral obtido pela técnica Híbrida usa freqüência fixa e um código binário para modular o sinal de informação a ser transmitido. Nenhuma das anteriores 3. Considerando-se a regulamentação vigente no Brasil, qual das afirmações abaixo é correta: A norma ANATEL estabelece que os sistemas ponto a ponto operando na faixa de 2,4 GHz, devem usar antenas de transmissão com ganho direcional superior a 6 dbi. A norma ANATEL estabelece que os sistemas ponto a ponto operando na faixa de 2,4 GHz, podem usar antenas de transmissão com ganho direcional superior a 6 dbi, desde que a potência de pico máxima na saída do transmissor seja reduzida de 1 db para cada 3 db que o ganho direcional da antena exceder a 6 dbi. Os sistemas que operam na faixa de 5,8 GHz e utilizados exclusivamente em aplicações Ponto a Ponto do serviço fixo podem fazer uso de antena de transmissão com ganho direcional superior a 6 dbi, porém com a correspondente redução na potência de pico máxima na saída do transmissor. Nenhuma das anteriores 12