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
[email protected]
05/07/2010
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 0.1
05/07/2010
Sérgio R F Oliveira
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 PTX é a potência
transmitida em Watts, PRX é a potência recebida em Watts, GTX é o ganho da antena de
transmissão, GRX é o ganho da antena de recepção, λ é o comprimento de onda (= c/f)
em metros, c é a velocidade da luz (3*108 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).
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*fc*t + )
onde A é amplitude, fc 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 802.11 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 2.407 GHz a 2.483 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*fc*t), pois estas só possuem um único componente: o que é está na
freqüência fc (a rigor, matematicamente uma cossenóide pura possui dois
componentes espectrais: um na freqüência +fc e outro na freqüência –fc.). Sob este
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 +/- fc.
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 f1 e um valor f2 (onde f2 > f1) a diferença (f2-f1) é chamada
de “largura de banda”, ou simplesmente “banda” do sinal (obs.: quando f1 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 802.11 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 802.11 opera
na faixa ISM, que vai de 2,407 GHz a 2,483 GHz, e a diferença entre esses dois valores
resulta em 0.076 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
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
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 802.11n 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
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
O padrão 802.11n 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
802.11b
-90 dBm @ 1 Mb/s
-89 dBm @ 2 Mb/s
-87 dBm @ 5.5 Mb/s
-85 dBm @ 11 Mb/s
802.11g
-87 dBm @ 6 Mb/s
-86 dBm @ 9 Mb/s
-83 dBm @ 12 Mb/s
-82 dBm @ 18 Mb/s
-81 dBm @ 24 Mb/s
-80 dBm @ 36 Mb/s
-75 dBm @ 48 Mb/s
-74 dBm @ 54 Mb/s
802.11a
-86 dBm @ 6 Mb/s
-85 dBm @ 9 Mb/s
-82 dBm @ 12 Mb/s
-81 dBm @ 18 Mb/s
-80 dBm @ 24 Mb/s
-79 dBm @ 36 Mb/s
-74 dBm @ 48 Mb/s
-73 dBm @ 54 Mb/s
Figura 5: Sensibilidade de recepção para um determinado equipamento
Atenuação e Distorção
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.
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 802.11 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 (26=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 64PSK, 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 64QPSK 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
deve ser baixado (devem ser usados menos bits por símbolo) para se manter constante
a
probabilidade
de
erros
de
bit,
ceteris
paribus.
Modulation and Coding Scheme (MCS)
O tema “Modulação” nos remete a um conceito bastante presente nos datasheets dos
equipamentos 802.11n, 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 802.11n 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 (24=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.
Figura 6: Modulation and Coding Schemes do Padrão 802.11n
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:
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).
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
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 801.11. 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 802.11). 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 801.11a/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
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 sk(t) = A*cos(2*pi*fc*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 fc*k é uma nova freqüência, cujo valor é um múltiplo inteiro da
freqüência fundamental fc (uma “harmônica” de fc). 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 fc, 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.
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
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 802.11a/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, 802.11n e redes celulares de 4ª geração usam OFDM com mais de 100
subcarriers, tipicamente 128 (=27).
2,4 GHz e 5,8 GHz
Essas são as designações “populares” das redes WiFi. Os padrões 802.11b/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 802.11n 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).