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FACULDADE DE BALSAS
CURSO DE SISTEMAS DE INFORMAÇÃO
PROJETO DE IMPLANTAÇÃO DE REDES WIRELESS
EM DISTÂNCIAS DE 10 KM, 20KM E 50 KM
Acadêmico: JOÃO MOISÉS OLIVEIRA FIGUEREDO
Orientador: CLEVERTON MARLON POSSANI
BALSAS – MA
2013
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FACULDADE DE BALSAS
CURSO DE SISTEMAS DE INFORMAÇÃO
PROJETO DE IMPLANTAÇÃO DE REDES WIRELESS
EM DISTÂNCIAS DE 10 KM, 20KM E 50 KM
Por
João Moises Oliveira Figueredo
Trabalho de conclusão de curso II apresentado
como exigência para obtenção do título de
Bacharel no Curso de Sistemas de Informação
à Faculdade de Balsas, sob orientação do Prof.
Me. Cleverton Marlon Possani.
BALSAS – MA
2013
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RESUMO
A comunicação sem fio é uma tecnologia que faz parte do nosso dia a dia, tendo como principal ganho a mobilidade e redução de infraestrutura física, no entanto, algumas dessas tecnologias Wireless ainda são restritas a pequenas distâncias e velocidade limitada. Este projeto tem
por objetivo desenvolver simulações com o objetivo de atingir as variáveis que podem influenciar em uma rede wireless de longa distância. Serão utilizadas pesquisas bibliográficas,
análises de desempenho de equipamentos, condições climáticas regionais, relevo e com suporte do software Rádio Motion for Windows 11.3.5 Freeware em uma área entre as cidades de
Balsas - MA e Riachão - MA em distâncias de comunicação de 10 km, 20 km e 50 km. Ao
término pretende-se identificar pontos de repetição, altura das torres, custos financeiros e outras condições que influenciam no resultado da pesquisa.
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ABSTRACT
Wireless communication is a technology that is part of our daily lives, having as main-pal
gain mobility and reduction of physical infrastructure, however, some of these wireless technologies are still restricted to small distances and limited speed. This project aims to develop
simulations with the goal of reaching the variables that can influ-ence on a wireless WAN.
Literature searches, analysis of equipment performance, regional climate, topography and
supported by Radio Motion Freeware software for Windows 11.3.5 will be used in an area
between the cities of Balsas - and Riachão MA - MA in communication distances of 10 km ,
20 km and 50 km. At the end we intend to identify points of repetition, height of the towers,
and financial costs, or other conditions that influence the search result.
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LISTA DE FIGURAS
FIGURA1: PADRÃO IEEE 802.11 ......................................................................................... 16
FIGURA2: PADRÃO IEEE 802.11 MODELO OSI ............................................................... 16
FIGURA3: PADRÃO IEEE 802.11 MODELO TCP/IP .......................................................... 17
FIGURA4: MÉTODO FHSS.................................................................................................... 20
FIGURA5: MÉTODO DSSS ................................................................................................... 21
FIGURA6: MÉTODO DSSS ................................................................................................... 22
FIGURA7: REPRESENTAÇÃO DAS DISTÂNCIAS ............................................................ 32
FIGURA8: FIGURA DO CENTRO DE BALSAS - MA (GOOGLE EARTH) ..................... 33
FIGURA9: FIGURA DO CENTRO DE RIACHÃO - MA (GOOGLE EARTH) .................. 33
FIGUR10: DISTÂNCIA ENTRE BALSAS E RIACHÃO (GOOGLE EARTH) ................. 34
FIGURA11: SOFTWARE RÁDIO MOBILE – BOTÃO ABRIR MAPA .............................. 35
FIGURA12: SOFTWARE RÁDIO MOBILE – PROPRIEDADE DO MAPA ....................... 35
FIGURA13: SOFTWARE RÁDIO MOBILE – COORDENADAS ....................................... 36
FIGURA14: SOFTWARE RÁDIO MOBILE – CENTRO DO MAPA .................................. 36
FIGURA15: SOFTWARE RÁDIO MOBILE – ESCALA MAPA ELEVAÇÃO ................... 37
FIGURA16: SOFTWARE RÁDIO MOBILE – ESCALA MAPA ELEVAÇÃO ................... 37
FIGURA17: SOFTWARE RÁDIO MOBILE – PROPRIEDADES DA REDE...................... 38
FIGURA18: SOFTWARE RÁDIO MOBILE – PROPRIEDADES DA REDE...................... 39
FIGURA19: SOFTWARE RÁDIO MOBILE – LISTA DE ESTAÇÕES ............................... 40
FIGURA20: ENLACE ENTRA BALSAS E RIACHÃO ........................................................ 41
FIGURA21: ENLACE ENTRA BALSAS E RIACHÃO ........................................................ 42
FIGURA20: ENLACE ENTRA BALSAS E RIACHÃO ........................................................ 42
FIGURA21: ENLACE ENTRE BALSAS, RIO COCO (REPETIDORA) E RIACHÃO ....... 43
FIGURA22: SOFTWARE RÁDIO MOBILE – COORDENADAS RIO COCO ................... 43
FIGURA23: SOFTWARE RÁDIO MOBILE – COORDENADAS RIO COCO ................... 44
FIGURA24: CONFIGURAÇÃO ESTAÇÃO RIO COCO ...................................................... 45
FIGURA25: RÁDIO MOBILE – ENLACE ENTRE BALSAS E RIO COCO ....................... 46
FIGURA26: RÁDIO MOBILE – ENLACE ENTRE BALSAS E RIO COCO ....................... 46
FIGURA27: RÁDIO MOBILE – ENLACE ENTRE RIO COCO E RIACHÃO .................... 47
FIGURA28: GOOGLE EARTH – AEROPORTO DE BALSAS – MA ................................. 47
FIGURA29: GOOGLE EARTH – PADRINHO AÉREO AGRÍCOLA LTDA ...................... 48
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FIGURA30: RÁDIO MOBILE – ENLACE ENTRE AEROPORTO DE BALSAS E PADRINHO AÉREO AGRÍCOLA LTDA .......................................................................................... 48
FIGURA31: RÁDIO UBIQUITI ROCKET M5 ...................................................................... 49
FIGURA32: RÁDIO INTELBRÁS O PTP 5-23 MIMO PRO ................................................ 51
FIGURA33: RÁDIO MOTOROLA CANOPY PTP 600 ........................................................ 52
FIGURA34: BANDA PASSANTE EM ENLACE DE 50KM ................................................ 53
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LISTA DE TABELAS
TALELA 1 – TRANSMISSÃO IEEE 802.11A ....................................................................... 26
TALELA 2 – TRANSMISSÃO IEEE 802.11N ....................................................................... 29
TALELA 3 – COMPARATIVO ENTRE EQUIPAMENTOS ................................................ 53
TALELA 4 – INVESTIMENTOS............................................................................................ 54
TALELA 5 – CENARIO EM UM ENLACE DE 50KM ......................................................... 54
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GLOSSÁRIO
Wireless (rede sem fio, também chamada de Wi-fi).
UTP ((Unshilded Twisted Par)
IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers)
MHz (Megahertz)
GHz (Gigahertz)
Spread Spectrum (técnica de codificação para a transmissão digital de sinais)
OSI (Open System Interconection)
LCC (Controle de Link Logico)
MAC (Controle de Acesso ao Meio)
ACK (acknowledge)
CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)
FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum)
FH-CDMA (Frequency Hopping Code Division Multiple Access)
DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum)
OFDM (Ortogonal Frequency-Division Multiplexing)
Mbps (Megabits por segundo)
CCK (Complementary Code Keying)
PSK (Phase Shift Keying)
PHY (é uma abreviatura para a camada física do modelo OSI)
µs (Microssegundo)
Throughput (Taxa de transferência)
mW (Megawatt)
BPS (Binary Phase Shift Keying)
QAM (Quadrature Amplitude Modulation)
64-QAM (64-bit Quadrature Amplitude Modulation)
QPSK (Quadrature Phase Shift Keying)
BPSK (Binary Phase Shift Keying)
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SUMÁRIO
1 - INTRODUÇÃO ................................................................................................................. 11
1.1 – Justificativa .............................................................................................................. 12
1.2 – Objetivos.................................................................................................................. 13
1.2.1 – Objetivo Geral ...................................................................................................... 13
1.2.2 – Objetivos Específicos ........................................................................................... 13
1.3 – Metodologia ............................................................................................................. 14
2 – REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ........................................................................................ 15
2.1 – WIRELESS OU WI-FI ............................................................................................ 15
2.1.1 – Controle do Link Lógico (LLC, IEEE 802.2) ...................................................... 17
2.1.2 – Controle de Acesso ao Meio (MAC, IEEE 802.11) ............................................. 17
2.1.3 – Camada Física ...................................................................................................... 18
2.2 – MÉTODOS DE TRANSMISSÃO .......................................................................... 19
2.2.1 – FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum)..................................................... 19
2.2.2 – DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) .......................................................... 21
2.2.3 – OFDM (Ortogonal Frequency-Division Multiplexing) ........................................ 23
2.3 – PROTOCOLOS ....................................................................................................... 24
2.3.1 – IEEE 802.11 ......................................................................................................... 24
2.3.2 – IEEE 802.11b ....................................................................................................... 24
2.3.3 – IEEE 802.11a ........................................................................................................ 25
2.3.4 – IEEE 802.11g ....................................................................................................... 27
2.3.5 – IEEE 802.11n ....................................................................................................... 28
2.3.6 – Alcance ................................................................................................................. 30
2.3.7 – ANTENAS ........................................................................................................... 31
3 – DESENVOLVIMENTO................................................................................................... 32
3.1. – Distância entre os pontos remotos .......................................................................... 32
3.2. – Levantamento das condições de relevo entre os pontos ......................................... 35
3.3. – Levantamento da altura das antenas – Torres de comunicação .............................. 40
3.4. – Levantamento dos equipamentos adequados para a distância ................................ 49
3.4.1 – Rádio Ubiquiti Rocket M5 ................................................................................... 49
3.4.2 – Rádio Intelbrás O PTP 5-23 MiMo Pro com antena integrada de 23 dBi ............ 50
10
3.4.3 – Rádio Motorola Canopy PTP 600 ........................................................................ 41
3.5. – Realização de simulações no ambiente, demonstração do enlace e comparativo entre equipamentos ............................................................................................................... 51
3.6. - Investimentos .......................................................................................................... 54
3.7. – Investimentos em um cenário com um enlace de 50 km ........................................ 54
4 – CONCLUSÃO................................................................................................................... 55
5 – REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ........................................................................... 56
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1. – INTRODUCÃO
Atualmente na área das telecomunicações ou redes sem fio de longa distância há cada
vez mais a necessidade de se obter meios e maneiras eficientes de comunicação entre dois ou
mais equipamentos. Desta forma, com o passar do tempo, muitas são as soluções desenvolvidas para agilizar esse processo e torná-lo economicamente viável, de forma mais recente estudos são feitos para se estabelecer essa comunicação a distâncias cada vez maiores, em algumas tecnologias utilizadas atualmente já é possível criar um enlace de dados de alta velocidade de até 200km com visada direta.
Muitos meios de comunicações sem fio (Wireless) já foram e continuam sendo desenvolvidos, e o mais utilizado deles ainda é a transmissão de dados via cabo, sejam eles, cabos
de rede (UTP) ou fibra ótica. Porém o uso de uma estrutura cabeada está dissipando-se cada
vez mais devido à grande mão de obra necessária e também evidente necessidade de grandes
distâncias a serem cobertas.
As novas tecnologias de comunicação de dados sem fio têm desenhado um novo padrão para as comunicações em redes, tanto para aplicações individuais como as corporativas.
É cada vez maior a convergência entre as novas tecnologias sem fio e os padrões de comunicação móvel em banda larga, favorecendo a interconexão dos mais diferentes tipos de dispositivos.
Com relação aos padrões de comunicação Wireless o mais popular é o 802.11, esse
possui muitas variações que são atualizações, novos recursos descobertos e com isso novos
equipamentos foram desenvolvidos com maior capacidade de transmissão e alcance. Este é o
padrão escolhido para realização deste trabalho.
Basicamente as tecnologias Wireless são compostas por uma rede de antenas que irradia um sinal e os equipamentos, estas conseguem transmitir dados em alta velocidades que
varia de acordo com a capacidade da tecnologia utilizada, nos capítulos a seguir veremos
quais são essas tecnologias, quais equipamentos e mecanismos utilizados para atingir essa
comunicação.
_______________________
Visada direta – Termo que se utiliza quando não há obstáculos entre equipamentos que precisam se comunicar.
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1.1 – JUSTIFICATIVA
A região sul do estado do Maranhão é desprovida de comunicação de qualidade. Desta
forma surge a necessidade de estudos nessa área para melhorar e/ou ampliar o sistema de comunicação local. Este trabalho pode contribuir na tomada de decisão para implantação de um
canal de comunicação sem fio de longa distância.
Empresas como o Grupo Dharma Radiocomunicação (Maior Revenda Premium Motorola da América Latida) fazem esse estudo, no entanto, o alto custo de um projeto elaborado
por essa empresa certamente tornaria inviável a implantação.
Com o desenvolvimento desse trabalho pretende-se apresentar soluções técnicas e comerciais para a implementação de enlace entre dois pontos remotos em distâncias de 10km,
20km e 50 km.
Em nossa região muitas fazendas podem ser beneficiadas com esse projeto, por exemplo, um pequeno agricultor que tem sua lavoura a uma distância de 20 km da cidade e pretende colocar internet em um escritório na própria lavoura, ele pode contratar uma internet na
cidade e leva-la até a lavoura (fazenda, chácara) utilizando os princípios desse estudo.
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1.2 – OBJETIVOS
1.2.1
– Objetivo Geral: realizar análises da viabilidade técnica, de custos e implantação de
uma rede sem fio entre a cidade de Balsas – MA e a cidade de Riachão - MA.
1.2.2
– Objetivos Específicos:
a) – Levantamento da distância entre os pontos remotos;
b) – Levantamento das condição do relevo entre os pontos (Se é plano, se tem visibilidade direta, se tem morros, rios);
c) – Levantamento da altura das antenas (Torres de comunicação);
d) – Levantamento dos equipamentos adequados para a distância, levando em consideração o custo benefício (Rádios, Antenas, Conectores);
e) – Levantamento / análises e testes para determinar a frequência (GHz) a ser utilizada;
f) – Realização de simulações no ambiente, demonstração do enlace e comparativo
entre equipamentos.
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1.3 – METODOLOGIA
A metodologia utilizada será através de pesquisas bibliográficas nos livros do Gabriel
Torres, Andrew Tannenbaum, Simon Haykin, Michael Moher e com o auxílio do software de
Propagação de Rádio e Mapeamento Virtual – Radio Mobile for Windows 10.3.5 Freeware,
que servirá de apoio para fazer as devidas análises no ambiente onde será feita a instalação do
link de dados ponto a ponto.
Para atingir esses resultados devemos inserir todas as variáveis, sejam elas de ambiente ou equipamentos no software Rádio Mobile for Windows e com esse software podemos
chegar aos resultados recomendados para conseguir atingir as taxas de transferências desejadas.
Variáveis de ambiente a ser analisada: o mapa real da região se é cidade ou floresta
com as coordenadas geográficas, refratividade da superfície, condutividade do solo (S/m),
Permissividade média do solo, clima (equatorial, subtropical continental, subtropical marítimo, deserto, temperado continental, temperado marítimo sobre a terra e temperado marítimo
sobre o mar).
As variáveis de equipamentos que serão analisadas: frequência, polarização, modo estático, topologia, altura da antena, tipo de antena, direção da antena, azimute, ângulo de elevação, ganho da antena (dBi), modo de propagação de sinal, potência de transmissão (watt),
limiar do receptor (µV), perda de linha (dB) e perda de cabo adicional (dB/m).
Para fazer as análises será necessário realizar a coleta das variáveis, algumas delas podemos seguir padrões já definidos, as informações do clima, por exemplo, estão disponíveis
do site do INPE (Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais), e inserir no software Rádio Motion, depois de coletadas e inseridas todas essas informações já será possível visualizarmos os
cenários ideais para implantação e também será necessário fazer uma gestão das informações
apresentadas via software, as expectativas a serem alcançadas com a execução do projeto e o
que se pretende investir no enlace de dados.
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2. – REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Neste capitulo serão abordados os conceitos necessários para desenvolvimento do trabalho de acordo com principais autores de livros sobre o assunto e também outros informações relacionados ao tema proposto. A Revisão Bibliográfica será apresentada da seguinte
forma: Definições de Wireless, Métodos de transmissão de dados (FHSS, DSSS, OFDM),
Protocolos (802.11, 802.11a, 802.11b, 802.11g e 802.11n), Alcance e Antenas.
2.1 – WIRELESS OU WI-FI
Existem várias tecnologias para montar uma rede sem fio, sendo o padrão IEEE
802.11 o mais popular. Este padrão também é conhecido como Wi-fi, mas é importante saber
que Wi-fi e IEEE 802.11 não são a mesma coisa. Wi-fi é uma marca registrada da Aliança
Wi-fi, um grupo formado por diversos fabricantes. Para um equipamento ter o direito de ser
chamado de Wi-fi ele tem que ter passado pelo processo de certificação deste grupo. Sendo
assim, todo equipamento Wi-fi é IEEE 802.11, mas nem todo equipamento IEEE 802.11 é
Wi-fi. No mundo Macintosh a arquitetura IEEE 802.11 é também chama de AirPort. Deixando-se esta questão de nomenclaturas de lado, na prática todos acabam usando os termos “Wifi”, “IEEE 802.11”, “Sem fio” e “Wireless” como sinônimos (TORRES, 2009).
O padrão IEEE 802.11 é usado para modelagem de redes locais sem fio, usando
transmissão por ondas de rádio (RF, Radiofrequência). A taxa de transferência e o alcance
dependem do padrão usado na camada física de rede (IEEE 802.11b, IEEE 802.11g, IEEE
802.11n etc.), do ambiente e do tipo de ante usado.
Esse é o propósito do nosso estudo, são vários padrões cada um deles com suas especificações, é preciso termos conhecimento de todos os padrões para que consigamos montar a
melhor projeto para cada cenário. Continuemos entendendo os conceitos que são imprescindíveis para o domínio da tecnologia.
Esse padrão opera nas camadas um e dois do modelo OSI e, portanto, responsável por
pegar os pacotes de dados passados pelo protocolo de alto nível usado, dividi-los em quadros
e transmiti-los via ondas de rádio. Observe na representação abaixo.
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CONTROLE DO LINK LOGICO (LLC) – IEEE 802.2
LIND DE DADOS
CONTROLE DE ACESSO AO MEIO (MAC) – IEEE 802.11
FÍSICA
FÍSICA – IEEE 802.11b, IEEE 802.11n, ETC.
Figura1: Padrão IEEE 802.11 (TORRES, 2009).
Vejamos uma representação mais realista unindo arquitetura no padrão IEEE 802.11
como o do modelo OSI.
7
APLICAÇÃO
6
APRESENTAÇÃO
5
SESSÃO
4
TRANSPORTE
3
REDE
OSI
CONTROLE DO LINK LÓGICO (LLC) IEEE 802.2
CONTROLE DE ACESSO AO MEIO (MAC) IEEE 802.11
FÍSICA IEEE 802.11b, IEEE 802.11n, ETC.
Figura2: Padrão IEEE 802.11 modelo OSI (TORRES, 2009).
WI-FI
802.11)
(IEEE
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Outra representação mais real é representada abaixo onde mostramos o modelo em
camadas de uma rede Wi-fi usando a pilha de protocolos TCP/IP, que é o cenário mais comum.
APLICAÇÃO
TRANSPORTE
TCP/IP
REDE
CONTROLE DO LINK LÓGICO (LLC) IEEE 802.2
CONTROLE DE ACESSO AO MEIO (MAC) IEEE 802.11
WI-FI
802.11)
(IEEE
FÍSICA IEEE 802.11b, IEEE 802.11n, ETC.
Figura3: Padrão IEEE 802.11 modelo TCP/IP (TORRES, 2009).
2.1.1 – Controle do Link Lógico (LLC, IEEE 802.2)
Nessa camada inclui as informações do protocolo de alto nível (isto é, operando na
camada 3 do modelo OSI) que entregou o pacote de dados a ser transmitido. Com isso, a máquina receptora tem como saber para qual protocolo de alto nível ela deve entregar os dados
de um quadro que ela acabou de receber. Esta camada é exatamente a mesma usada na arquitetura Ethernet.
2.1.2 – Controle de Acesso ao Meio (MAC, IEEE 802.11)
Apesar do nome similar ao usado por redes Ethernet – Controle de Acesso ao Meio ou
MAC -, esta camada opera de maneira diferente da camada de mesmo nome usada por outras
arquiteturas.
O papel é o mesmo – gerar o quadro de dados que será transmitido pelo meio físico
(no caso de redes wireless, o ar), porém o padrão IEEE 802.11 difere do IEEE 802.3 (Ethernet) na maneira com que ele verifica se o meio está disponível para a transmissão.
Além de dividir o pacote de dados em quadros e verificar se o meio está disponível para transmissão, em redes IEEE 802.11, a camada de Controle de Acesso ao Meio desempenha
outras funções. Ela conforme se os dados foram recebidos corretamente, enviando um quadro
chamado de acknowledge (ACK) de volta ao transmissor (fazendo com que as redes IEEE
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802.11 sejam confiáveis, ou seja, orientadas à conexão) e também criptografa os dados, caso a
criptografia esteja habilitada.
A maior similaridade desta camada com a camada de mesmo nome usada na arquitetura Ethernet é o sistema de endereçamento físico (endereçamento MAC).
O padrão IEEE 802.11 utiliza um esquema de transmissão chamado CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance). Nesse esquema, uma estação querendo
transmitir dados primeiro “escuta” o meio (o ar) para ver se não há nenhuma outra comunicação em progresso. Se ninguém estiver usando o canal, a estação inicia a sua transmissão. Caso
o canal esteja sendo usado, a estação espera um período de tempo aleatório até testar novamente se o canal está disponível, esse conteúdo de meio de transmissão e acesso a meio nos
foi passado na disciplina de Administração e Gerencia de Redes ministrada pelo professor
Cleverton Marlon Possani no semestre 2012.2 (6° período), além do CSMA/CA existem outros, mas vamos nos limitar a nos aprofundarmos nesse que faz parte do nosso objeto de estudo e pesquisa.
Em teoria só há um único momento onde colisões podem ocorrer, isso acontece quando duas estações percebam, exatamente no mesmo tempo, que o canal está livre e tentam
transmitir dados exatamente ao mesmo tempo.
2.1.3 – Camada Física
Esta camada é responsável por pegar o quadro de dados gerado na camada anterior
(MAC) e transmiti-la via onda de rádio.
A maneira com que isto é feito varia de acordo com o protocolo usado nesta camada,
tais como IEEE 802.11a, IEEE 802.11b, IEEE 802.11g e IEEE 802.11n. Esses protocolos não
só especificam a taxa de transferência máxima da conexão, mas também como exatamente os
dados serão modulados e transmitidos via onda de rádio.
Para uma correta compreensão de como esses protocolos funcionam, precisamos primeiro estudar as técnicas mais comuns para transmissão de dados através do espectro eletromagnético para podemos nos aprofundar nos padrões citados, no nosso caso especifico o padrão IEEE 802.11n que é o que nos permite transmitir dados a distancias mais longas e com
altas taxas de transferências, mas para conseguimos implementar um enlace com todas essas
características e principalmente extrair do máximo dos equipamentos que trabalham nesse
padrão.
19
Redes Wi-fi usam sinais de rádio para se comunicarem e, portanto, precisam usar um
frequência de transmissão, exatamente como acontece com estações de rádio comerciais. Duas faixas de frequência do espectro eletromagnético podem ser usadas: a faixa de 2,4 GHz e a
faixa de 5 GHz. Essas duas faixas de frequência não necessitam de autorização ou licença
para uso e por esse motivo foram escolhidas (rádios comerciais e estações de TV, por exemplo, necessitam de licença para transmissão, por transmitirem em uma faixa de frequência
onde esse procedimento é necessário (TORRES, 2009).
Como essas frequência são “livres” podem ser utilizadas sem a necessidade de autorização junto a qualquer órgão regulamentador, fez com o passar do tempo com que essas frequências ficassem poluídas e gerando interferências e isso compromete a transmissão de dados, reitero que pretendemos apresentar com o projeto meios para que, mesmo em locais com
poluição de frequências é possível otimizar ao máximo o ganho dos equipamentos.
2.2 – MÉTODOS DE TRANSMISSÃO
Neste capitulo abordamos os conceitos e como é o funcionamento dos seguintes métodos de transmissão: FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum), DSSS (Direct Sequence
Spread Spectrum) e OFDM (Ortogonal Frequency-Division Multiplexing).
2.2.1 – FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum)
Esse método de transmissão, também chamado de FH-CDMA (Frequency Hopping
Code Division Multiple Access), pega uma faixa de frequência e divide em vários canais. No
caso do padrão IEEE 802.11 a faixa disponível de 2.400 MHz a 2.495 MHz (“2,4 GHZ”) é
dividia em 96 canais de 1MHz cada (numerados de zero a 95). Desses canais, somente os canais de dois a 79 podem ser usados (2.402 MHz a 2.479 MHz), e com isso temos 78 canais
disponíveis.
TORRES, 2009, afirma que em muitos livros e sites na internet informam que há 79
canais disponíveis, porém os mesmos cometem um equívoco de esquecer-se de descontar os
canais que não podem ser usados.
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De tempos em tempos o canal usado é alterado automaticamente, só que não de maneira sequencial (canal 1, canal 2, canal 3 etc.), mas sim de uma maneira aleatória. Assim
podemos transmitir e receber dados, os dispositivos de rede necessitam saber a sequência exata dos canais a serem usados. Com isso, esse sistema oferece por si só uma segunda que no
sistema de rádio usando um frequência só não há.
Vamos fazer uma representação abaixo (figura 5) e darmos um exemplo para melhor
compreensão do assunto. Nesse exemplo hipotético dividimos o espectro disponível em seis
canais e o transmissor muda de tempos em tempos a frequência na qual ela está transmitindo.
Nesse exemplo específico, os dados começaram a ser transmitidos no canal 4, depois passaram a ser transmitidos no canal 6, em seguida no canal 1 e assim por diante. Para conseguir
capturar os dados sendo transmitidos corretamente, o receptor precisa saber a sequência usada. Como comentamos anteriormente, em redes IEEE 802.11 usando esta técnica 78 canais
são usados. Cada canal é usado por no máximo 400 ms.
Frequência
F6 (Canal 6)
F5 (Canal 5)
F4 (Canal 4)
F3 (Canal 3)
Tempo
F2 (Canal 2)
F1 (Canal 1)
Tempo
Figura4: Método FHSS (TORRES, 2009).
Uma vantagem desse sistema é que várias redes operando por onda de rádio podem
coexistir usando a mesma faixa de frequência na mesma região sem gerarem interferência de
rádio entre elas. Normalmente, quando há dois sistemas de transmissão de rádio operando na
mesma faixa de frequência dentro de uma mesma região de alcance, eles não funcionam corretamente, já que o sistema interferirá no outro, como mencionamos anteriormente sobre a
“poluição” existente hoje, o índice é bem maior nas grandes cidades.
Quando usamos a tecnologia FHSS, caso haja interferência, os sistema terão problemas de estar usando o mesmo canal somente durante no máximo 400 milissegundos. Como a
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troca de canais é feita aleatoriamente, possivelmente o próximo canal usando pelos sistemas
será diferente, eliminando o conflito. Em uma área que tenha dois sistemas FHSS operando,
as chances de conflito de canal são de 1:78 (1,28%), já que existem 78 canais disponíveis. De
fato probabilidade está correta, no entanto, sabemos que em regiões “povoadas” por dispositivos Wi-fi não existem somente 2 sistemas operando no mesmo canal, são inúmeros.
A tecnologia FHSS, por causa das frequentes alternâncias de canal e por conta do tamanho do canal de penas 1 MHz, é bem mais lenta que a tecnologia DSSS que veremos a
seguir, e por esse motivo atualmente não é mais usada. A tecnologia FHSS pode operar a taxas de transferências máximas teóricas de apenas 1 ou 2 Mbps.
2.2.2 – DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum)
A tecnologia DSSS funciona de maneira diferente. Nela a faixa de frequência requerida para a transmissão dos dados é aumentada. Na parte superior da figura 5 nós podemos observar como os dados poderiam ser transmitidos, usando-se uma faixa de frequência pequena.
No entanto, os dados são alterados para que sejam transmitidos usando-se uma faixa de frequência mais larga, como é mostrado na parte inferior da ilustração.
Amplitude
SINAL ORIGINAL
Frequência
Amplitude
SINAL TRANSMITIDO
Figura5: Método DSSS (TORRES, 2009).
Frequência
22
A utilização de uma faixa de frequência maior traz duas vantagens básicas. Primeiro, o
transmissor pode usar uma potência de transmissão menor (quanto mais espalhada a faixa de
frequência for, menos potência de transmissão é requerida) – repare como a amplitude (“altura”) do sinal transmitido é menor do que a amplitude do sinal caso ele fosse transmitido usando uma faixa de frequência mais estreita. Segundo, os dados ficam mais protegidos contra
interferências. Esta característica merece uma explicação mais aprofundada.
Fontes de interferência normalmente “atacam” somente uma parte restrita do espectro
de frequência, ou seja, elas funcionam como o sinal superior da figura 5. Vejamos abaixo na
figura 6.
RUIDO
Amplitude
SINAL ESPALHADO
Frequência
Amplitude
SINAL CORRESPONDENTE
RUIDO
Figura6: Método DSSS (TORRES, 2009).
Frequência
Como o receptor do sinal está “sintonizado” para receber um sinal espalhado no espectro, ou seja, ocupando uma faixa de frequência larga), a interferência, por estar em uma faixa
de frequência pequena, pode ser ignorada pelo receptor. Na figura 6 apresentamos uma me-
23
lhor maneira de se explicar isso. Na parte superior temos o sinal contendo dados, espalhado
no espectro de frequência. O ruído, como explicado, ocupa uma parte pequena do espectro.
Na parte inferior temos o que o gráfico superior realmente significa para o rádio receptor. Como ele está “sintonizado” para receber um sinal espalhado, este sinal correspondente,
para ele, a um sinal como se fosse transmitido em uma faixa de frequência curta. Por analogia,
uma sinal que esteja em uma faixa curta de frequência é visto por ele como se fosse um sinal
espalhado no espectro. Esse método de transmissão é usado pelos padrões IEEE 802.11 E
IEEE 802.11b.
2.2.3 – OFDM (Ortogonal Frequency-Division Multiplexing)
Outro método usado para transmitir dados em redes IEEE 802.11 chama-se OFDM.
Neste método um canal de transmissão, ou seja, uma determinada faixa de frequência do espectro é dividido em vários subcanais, e estes subcanais são usados para transmitir dados paralelamente, aumentando o desempenho. Ou seja, enquanto que os métodos anteriores só há
uma transferência por vez, na OFDM há várias transferências ocorrendo em paralelo. Como
exemplo, o padrão IEEE 802.11a cada canal é dividido em 52 subcanais e desses 48 são usados para a transmissão paralela de dados.
24
2.3 – PROTOCOLOS
Neste capitulo abordamos os seguintes padrões: IEEE 802.11, IEEE 802.11a, IEEE
802.11b, IEEE 802.11g e IEEE 802.11n.
2.3.1 – IEEE 802.11
A primeira especificação da camada física usada por redes IEEE 802.11 recebia o
mesmo nome, ou seja, não tem nenhuma letra a opôs o termo “IEEE 802.11”, e foi lançada
em 1997. Esta especificação permitia três tipos de modo de transmissão: FHSS, DSSS e infravermelho. Ambas as técnicas de transmissão sem fio por ondas de rádio só tinham duas
velocidades de transmissão possíveis, 1 Mbps e 2 Mbps, e operavam na faixa de frequência de
2,4 Ghz.
Resumo do padrão IEEE 802.11:
Taxas de transmissão disponíveis: 1 Mbps e 2 Mbps
Método de transmissão: DSSS e FHSSS
Faixa de frequência de transmissão: 2,4 GHz
Número de canais sem sobreposição: 3
Tipo de Modulação: Codificação Barker + PSK (DSSS) ou GFSK (FHSSS)
SIFS: 28 µs (FHSS ou 10 µs (DSSS)
DIFS: 128 µs (FHSSS) ou 50 µs (DSSS)
2.3.2 – IEEE 802.11b
Lançado em 1999, estre padrão expandiu o funcionamento do padrão IEEE 802.11 para incluir as taxas de transferência de 5,5 Mbps e 11 Mbps. O padrão IEEE 802.11b transmite
dados no modo DSSS, e utiliza-se de outro sistema de codificação, chamado CCK (Complementary Code Keying) para atingir taxas de transferências mais elevadas. Nesse método cada
grupo de quadro ou oito bits de dados é convertido em um símbolo de oito bits. A transmissão
ocorre usando o mesmo clock de 11 MHz, o que agora representa uma taxa de 1,375 milhão
25
de símbolos por segundo (11 MHz / 8 bits). Se cada símbolo representar um grupo de 4 bits
de dados temos um taxa de 5,5 Mbps (1,375 milhão de símbolos por segundo x 4 bits), e
quando cada símbolo representa um grupo de 8 bits de dados temos uma taxa de 11 Mbps
(1,375 milhão de símbolos por segundo x 8 bits), TORRES, 2009.
É importante observar e ter consciência que, enquanto profissional de TI que implementa soluções em redes wireless deve saber que os “bits de dados” a que nos referimos anteriormente refere-se a bits do quadro IEEE 802.11, que incluem bits de dados e bits de controle
(cabeçalho do quadro). Por esse motivo, as taxas de transferências para redes Wi-fi são taxas
impossíveis de serem obtidas na prática, pois para seus cálculos são considerados todos os bits
do quadro, que inclui informação que não são dados do usuário.
Resumo do padrão IEEE 802.11b:
Taxas de transferência disponíveis: 5,5 Mbps e 11 Mbps
Método de transmissão: DSSS
Faixa de frequência de transmissão: 2,4 GHz
Número de canais sem sobreposição: 3
Tipo de modulação: Codificação CCK e PSK
SIFS: 10 µs
DIFS: 50 µs
2.3.3 – IEEE 802.11a
Este padrão foi lançado na mesma época do IEEE 802.11b (1999) para permitir redes
sem fio operando a até 54 Mbps. Para conseguir atingir esta taxa de transferência, passou-se a
usar o método OFDM.
A faixa de frequência escolhida para o padrão IEEE 802.11a foi a de 5 GHz é que ela é
menos utilizada e, portanto possui menos interferência, o que se traduz em uma maior taxa de
transferência prática (throughput). No entanto, quanto maior a frequência de transmissão menor o alcance e, portanto, o alcance máximo deste padrão é inferior ao de redes IEEE 802.11b
e IEEE 802.11ª ao mesmo tempo.
É importante observar que ao utilizar a frequência de 5 GHz não é possível fazer com
que dispositivos IEEE 802.11a seja diretamente compatível com o dispositivo IEEE 802.11b,
26
ou seja, um computador com uma placa de rede IEEE 802.b não consegue conversar com um
ponto de acesso que seja unicamente IEEE 802.11a.
A faixa de 5 GHz usada por redes IEEE 802.11ª começa na frequência de 5.150 MHz
e vai até 5.350 MHz e depois de 5.750 MHz até 5.825 MHz. Estas frequências são divididas
em três grupos: banda inferior, de 5.150 MHz a 5.250 MHz, que pode somente ser usada para
a transmissão em ambiente fechados (escritórios, prédios, por exemplo); banda central, de
5.250 MHz a 5.350 MHz, que pode ser usada tanto em ambientes fechados como abertos; e
banda superior, de 5.725 MHz a 5.825 MHz, que pode ser usada somente em ambientes abertos. Essa separação só dá por conta da potência máxima que o transmissor pode ter: 40 mW
da banda inferior, 200 mW na banda central e 800 mW na banda superior.
Por exemplo, na transmissão a 6 Mbps, uma modulação chamada BPS (Binary Phase
Shift Keying) é usada. Estra modulação codifica um bit por subcanal, ou seja, cada símbolo
transmitirá a informação de 48 bits. Desses 48 bits, metade são bits de dados e metade são bits
de correção de erros (parâmetros que chamamos de “taxa de codificação”, como veremos na
tabela 1 que veremos abaixo. Com isso temos a transmissão de 24 bits de dados por símbolo
transmitido. Como são transmitidos 250.000 símbolos por segundo temos a taxa de 6 Mbps
(250.000 x 24).
Vejamos agora um exemplo de transmissão a uma taxa bem superior, 54 Mbps. Para
esse velocidade é usada uma modulação chamada 64-QAM (64-bit Quadrature Amplitude
Modulation), que codifica 6 bits por subcanal, ou seja, cada símbolo transmitirá a informação
de 288 bits. Desses 288 bits ¼ são bits de correção de erros, portanto ¾ dos bits (216 bits) são
bits de dados. Como são transmitidos 250.000 símbolos por segundo temos a taxa de 54 Mbps
(250.000 x 216).
Na tabela 1 abaixo resumiremos todas as diferentes técnicas que podem ser usadas em
transmissões IEEE.11a.
Velocidade (Mbps)
Modulação
Taxa de Codificação
Bits por subcanal
Bits por símbolo
Bits de dados por símbolo
6
BPSK
½
1
48
24
9
BPSK
¾
1
48
36
12
QPSK
½
2
96
48
18
QPSK
¾
2
96
72
24
16-QAM
½
4
192
96
36
16-QAM
¾
4
192
144
48
64-QAM
½
6
288
192
54
64-QAM
¾
6
288
216
Talela1: Transmissão IEEE 802.11a (TORRES, 2009).
27
Lembrando que as taxas de transferências para redes Wi-fi são taxas impossíveis de
serem obtidas na prática, pois para seus cálculos são considerados todos os bits do quadro,
que inclui informação que não são dados do usuário.
Resumo do padrão IEEE 802.11a:
Taxas de transferência disponíveis: 6 Mbps, 8 Mbps, 12 Mbps, 18 Mbps, 24 Mbps, 36
Mbps, 48 Mbps e 54 Mbps.
Método de transmissão: OFDM
Faixa de frequência de transmissão: 5 GHz
Número de canais sem sobreposição: 12 (4 para ambientes internos, 4 para ambientes
externos e 4 para ambientes internos ou externos)
Tipo de modulação: BSPK (6 Mbps e 9 Mbps), QPSK (12 Mbps e 18 Mbps), 16-QAM
(24 Mbps e 36 Mbps) ou 64-QAM (48 Mbps e 54 Mbps)
SIFS: 16 µs
DIFS: 34 µs
2.3.4 – IEEE 802.11g
Este é o padrão atual para redes sem fio operando a 54 Mbps. Possui como grande
vantagem a obrigatoriedade de ser compatível com o modos IEEE 802.11b e IEEE 802.11, o
que é possível já que esses três padrões operam na mesma faixa de frequência (2,4 GHz).
O padrão IEEE 802.11g funciona praticamente igual ao padrão IEEE 802.11a, a diferença é que IEEE 802.11g opera na faixa de frequência de 2,4 GHz. A principal desvantagem
do IEEE 802.11g em relação ao IEEE 802.11a é a disponibilidade de apenas três canais sem
sobreposição. Por outro lado, o padrão IEEE 802.11g permite um alcance maior do que o
IEEE.11a.
28
Resumo do padrão IEEE 802.11g:
Taxas de transferência disponíveis: 6 Mbps, 8 Mbps, 12 Mbps, 18 Mbps, 24 Mbps, 36
Mbps, 48 Mbps e 54 Mbps.
Método de transmissão: OFDM
Faixa de frequência de transmissão: 2,4 GHz
Número de canais sem sobreposição: 3
Tipo de modulação: BSPK (6 Mbps e 9 Mbps), QPSK (12 Mbps e 18 Mbps), 16-QAM
(24 Mbps e 36 Mbps) ou 64-QAM (48 Mbps e 54 Mbps)
SIFS: 10 µs
DIFS: 50 µs ou 28 µs (se a rede for composta somente com estações IEEE 802.11g)
2.3.5 – IEEE 802.11n
A última palavra em redes sem fio é o padrão IEEE 802.11n, cujo objetivo é atingir
uma taxa de transferência prática (throughput) igual ao de redes Fast Ethernet, ou seja, 100
Mbps.
O grande diferencial do padrão IEEE 802.11n é o uso de mais de uma antena, técnica
conhecida como MIMO (Multiple-Input Multiple-Output, múltiplas entradas e múltiplas saídas). Teoricamente esse padrão suporta até oito antenas (quatro no transmissor e quatro no
receptor. Formato conhecido como 4x4), porém a implementação mais comum é feita com
quatro antenas (duas no transmissor e duas no receptor, formato conhecido como 2x2). A
classificação padrão para os outros sistema é 1x1 (uma antena no transmissor e outra no receptor).
O uso de várias antenas permite uma técnica chamada de multiplexação espacial, que é
a divisão de um quadro e a transmissão dos pedaços do quadro simultaneamente por mais de
uma antena.
Estre padrão pode usara faixas de frequência de 2,4 GHz e 5GHz, usando canais de 20
MHz ou 40 MHz. Teoricamente é possível usar canais de 40 MHz nas duas faixas de frequência, mas na prática usa-se canais de 40 MHz somente quando operando na faixa de 5 GHz.
Como este padrão usa faixas de frequência de 2,4 GHz e 5 GHz, dispositivos IEEE
802.11n são compatíveis com todos os padrões anteriores (IEEE 802.11, IEEE 802.11a, IEEE
802.11b e IEEE 802.11g).
29
No método OFDM do IEEE 802.11n cada canal possui 52 subcanais para a transmissão de dados (como vimos, no IEEE 802.11a e IEEE 802.11g cada canal é dividido em 48
subcanais para a transmissão de dados). A taxa de transmissão básica do IEEE 802.11n é de
65 Mbps, basicamente atingida com esta modificação.
A distância mínima entre os símbolos transmitidos em redes IEEE 802.11n é de 800
ns, tempo chamado de intervalo de guarda padrão. O padrão IEEE 802.11n permite opcionalmente o uso de um intervalo menor (intervalo de guarda curto), de 400 ns, que aumenta a taxa
e transferência, já que mais dados podem ser transmitidos por segundo.
A taxa de transferência do padrão IEEE 802.11n depende do número de antenas usado,
do tamanho do canal e do tamanho do intervalo de guarda. Vejamos na tabela 2 abaixo todas
as velocidades possíveis para este padrão e como é possível obtê-las. Obviamente para usar
uma determinada velocidade tanto no receptor quando no transmissor precisam ter os mesmos
pré-requisitos.
Taxa de Transferência
Antena
Tamanho do Canal
Intervalo de Guarda
65 Mbps
1 x 65 Mbps
20 MHz
800 ns
72,2 Mbps
1 x 65 Mbps
20 MHz
400 ns
130 Mbps
2 x 65 Mbps
20 MHz
800 ns
135 Mbps
1 x 135 Mbps
40 MHz
800 ns
144,4 Mbps
2 x 72,2 Mbps
20 MHz
400 ns
150 Mbps
1 x 150 Mbps
40 MHz
400 ns
195 Mbps
3 x 65 Mbps
20 MHz
800 ns
216,7 Mbps
3 x 72,2 Mbps
20 MHz
400 ns
260 Mbps
4 x 65 Mbps
20 MHz
800 ns
270 Mbps
2 x 135 Mbps
40 MHz
800 ns
288,9 Mbps
4 x 72,2 Mbps
20 MHz
400 ns
300 Mbps
2 x 150 Mbps
40 MHz
400 ns
405 Mbps
3 x 135 Mbps
40 MHz
800 ns
450 Mbps
3 x 150 Mbps
40 MHz
400 ns
540 Mbps
4 x 135 Mbps
40 MHz
800 ns
600 Mbps
4 x 150 Mbps
40 MHz
400 ns
Talela2: Transmissão IEEE 802.11n (TORRES, 2009).
O padrão IEEE 802.11n trouxe também algumas outras modificações para aumentar a
eficiência das transmissões, ou seja, aumentaram a taxa de transferência prática ou real
(throughput). Vimos que a cada quadro transmitido o receptor tem que confirmar o seu recebimento enviando um quadro ACK. No IEEE 802.11n esse processo foi otimizado, permitido
ao receptor enviar um único quadro contendo a confirmação de recebimento de vários qua-
30
dros. Este novo quadro é chamado de BA (Block Acknowledge, confirmação em bloco). Com
isso pode-se ter menos quadros ACK circulando na rede, o que aumenta a taxa de transferência já que o meio estará disponível mais frequentemente.
Outra diferença importante é a possibilidade de se juntar vários quadros que tenham o
mesmo destino em um só quadro maior, processo conhecido como agregação. Usando-se este
recurso o limite do tamanho da área de dados do quadro é aumentado de 2.304 bytes para
7.935 bytes. Isso aumenta a eficiência da transmissão (maior taxa de transferência prática –
throughput), pois mais dados são enviados usando-se um só cabeçalho. Como menos cabeçalhos serão transmitidos, podemos transmitir mais dados ao mesmo tempo.
Resumo do padrão IEEE 802.11n:
Taxas de transferência disponíveis: de 65 Mbps a 600 Mbps (ver tabela 3)
Método de transmissão: MIMO-OFDM
Faixa de frequência: 2,4 e/ou 5 GHz
SIFS: 16 µs
DIFS: 34 µs
2.3.6 – ALCANCE
Até o presente momento muito pouco ou quase nada falamos sobre o alcance, isso se
deve pois é parte especifica do nosso estudo de pesquisa, pois o alcance depende de uma série
de fatores, como relevo, condições climáticas e vegetação, tipo de antena usada e a presença
de interferência ou obstáculos. É muito importante observar que fabricantes fazem estimativas
de alcance para ambientes internos baseando-se no material típico usado em ambientes de
trabalho no países onde os equipamentos são fabricados, como por exemplo, no EUA, que são
completamente diferentes dos usados aqui no Brasil e sendo bem mais especifico e regional, a
região de Balsas – MA tem suas especificidades.
Nos EUA, paredes são feitas usando duas chapas de madeira ou gesso em paralelo,
sendo ocas sem eu interior (drywall); por aqui, mesmo a nível de Brasil é raro, onde o comum
é o uso de paredes de alvenaria e concreto. Esse tipo de construção reduz sensivelmente o
alcance de redes sem fio em ambientes internos.
Principalmente em livros e muitas informações que estão disponíveis na internet não
encontramos em grandes quantidades relatos de alcances de 50 km, por exemplo, a uma alta
31
taxa de transferência, sabemos que o alcance máximo pode ser ampliado através do uso de
repetidoras e/ou substituição de antenas por modelos de maior ganho, por isso vamos nos limitar e essa parte teórica e mostrar na prática que isso é possíveis através das pesquisas, analises e testes que realizaremos no decorrer desse Trabalho de Conclusão de Curso.
2.3.7 – ANTENAS
O alcance das redes sem fio por ondas de rádio é dependente de vários fatores, como
já comentamos algumas vezes, e um dos fatores mais importantes é o tipo de antena usado.
Há dois tipos básicos de antena, omnidirecional (não-direcional) ou direcional. Pela
nomenclatura é simples, o primeiro tipo irradia ou captura ondas de rádio em todas as direções, enquanto que o segundo tipo irradia ou captura ondas de rádio somente em um direção
específica. Antenas que vem em pontos de acesso (Roteadores Wi-fi) e placas de rede sem fio
(de um notebook, por exemplo) são do tipo omnidirecional. O uso mais comum do uso de
antena direcional é na comunicação entre dois pontos específicos (Bridge), um transmissor e
um receptor.
A principal característica de uma antena é o seu ganho. Antenas direcionais possuem
um alcance maior do que antenas omnidirecionais de mesmo ganho por concentrar as ondas
de rádio em um só ponto.
O ganho é medido em comparação com um antena de referência, que pode ser uma antena isotrópica (modelo teórico) ou uma antena dipolo. Com isto, a unidade de medida de ganho poder dBi ou dBd, dependendo e qual antena de referência o fabricante está usando na
comparação. O importante é que dBi e dBd são a mesma coisa. A unidade dBd normalmente é
usada para antenas operando abaixo de 1 GHz, enquanto que a unidade dBi é usada para antenas operando acima de 1 GHz. Como redes Wi-fi operam nas faixas de 2,4 GHz ou 5 GHz,
estaremos diante de antenas com ganhos medidos em dBi (TORRES, 2009).
Bem, esse tópico não apresenta muito mistério, quanto maior o ganho da antena, melhor essa será e maior será o alcance da rede.
32
3. - DESENVOLVIMENTO
Nesse tópico será apresentado os mecanismos para se conseguir implantar uma rede
wireless em distâncias de 10km, 20km e 50km com taxas superiores a 20 Mbps de transferências de dados. Uma vez definidos os pontos para o enlace inicia-se os estudos de viabilidade
técnica do sistema. O primeiro enlace utilizado neste trabalho é entre a cidade de Balsas - MA
e a Cidade de Riachão - MA. O início da implantação começa com o levantamento das variáveis:
10 km
20 km
50 km
Figura7: Representação das distâncias
3.1. – Distância entre os pontos remotos.
Para se conseguir a distância exata entre os pontos do enlace vamos utilizar o software
Google Earth que nos permite de forma simples ter as coordenadas de cada ponto utilizado o
Mapa da Google.
Conforme pode ser observado na figura8, o ponto de referência utilizado na cidade de
Balsas foi o Hipermercado Mateus, suas coordenadas são: latitude 7°31'34.79"S e longitude
46° 2'40.19"O.
33
Figura8: Figura do centro de Balsas - MA (Google Earth).
Da mesma forma pode ser observado na figura9 abaixo um ponto aleatório no centro
da cidade de Riachão – MA, onde as coordenadas são: latitude 7°21'50.49"S e longitude
46°37'21.11"O.
Figura9: Figura do centro de Riachão - MA (Google Earth).
34
Após a coleta da posição exata dos dois pontos iniciou-se o estudo de viabilidade técnica para implantação do enlace ponto a ponto. Para isso foi utilizado software Rádio Mobile
for Windows versão 11.3.5.
A distância exata entre os pontos do enlace é uma das premissas mais importantes para
implantação da rede, essa informação servirá como base para alocação das torres, definição da
altura necessário para estabelecer a comunicação, escolha adequada dos equipamentos, modelo de rádios e antenas.
Na rede que foi escolhida para o estudo entre a cidade de Balsas e a cidade de Riachão
pelo Google Earth pode-se observar na figura10 abaixo que a distância entre os pontos marcados nesse software de acordo com as coordenadas informadas é de 65,7 km. A coleta das
informações de latitude e longitude, ou seja, a posição exata do local onde se encontra ou será
construída a torre de comunicação também pode ser obtida por meio de um GPS.
Figur10: Distância entre Balsas e Riachão (Google Earth).
35
3.2. – Levantamento das condições de relevo entre os pontos.
Para esse levantamento faz-se necessário utilizar o software Rádio Mobile, que iniciase especificando no Software a posição no Mapa Mundi onde será criado o projeto, a figura11
abaixo mostra como iniciar o processo de configuração da posição central no mapa.
Figura11: Software Rádio Mobile – botão abrir mapa.
A figura12 abaixo mostra o botão propriedade do mapa, onde foi informado as coordenadas do ponto central do mapa.
Figura12: Software Rádio Mobile – propriedade do mapa.
36
No projeto foi informada as seguintes coordenadas centrais: Latitude 7°22'22.0"S e
Longitude 45° 58'28. 9"O conforme mostra a figura13 abaixo.
Figura13: Software Rádio Mobile – coordenadas.
Outra informação muito importante é o tamanho da cobertura em km, ou seja, quanto
mais km colocarmos, mais detalhado será o mapa de elevação e menor ficam as distâncias dos
links, na figura14 abaixo mostra 100km, esse é o nosso rádio pegando como ponto central a
região de Balsas.
Figura14: Software Rádio Mobile – centro do mapa.
37
A figura15 abaixo mostra o mapa completo na escala de 100km.
Figura15: Software Rádio Mobile – escala mapa elevação.
Após extrair o mapa temos uma legenda conforme mostrado abaixo na figura16 que
representa o mapa de elevação, ou seja, os pontos mais vermelhos indicam os pontos mais
altos.
Figura16: Software Rádio Mobile – escala mapa elevação.
38
Após extrair o mapa na escala desejada foi iniciado as configurações para o enlace
ponto a ponto, o primeiro passo foi clicar no botão
e informar os dados da rede conforme
mostra a figura17 abaixo.
Figura17: Software Rádio Mobile – propriedades da rede.
Nessa figura17 foi informado o nome da rede e a frequência que será utilizada para o
link ponto a ponto, no enlace que será criado a frequência utilizada é 5125MHz a 5825MHz,
nessa tela essas são as informações necessários para iniciar o projeto. Em seguida deve-se
colocar as informações referentes ao sistema que será implantado.
Na figura18 abaixo foi informado as características do link.
a) - Nome do sistema, neste caso, é de um link ponto a ponto em uma frequência de
5.8GHz com antena direcional de 34Dbi.
b) - Potência do rádio em Watt, ou seja, 0,400 Watts = 400 mil watts ou então 0,100
Watts = 100vmiliWatts.
c) Sensibilidade de recepção do rádio em Microvolts ou dBm conforme o campo da direita. Este campo é para informar qual a sensibilidade ideal do rádio para um link estável. Por exemplo, um rádio Ubiquiti Rocket M5 com -85dBm estabelece um link de
50Mbps, existem outros rádios que vão até -90dBm, ou seja, são muito sensíveis ao
39
sinal. No link que está sendo projetado eu usei -87dBm, para garantir uma margem
boa de erro, essa informação pode variar de equipamento para equipamento, dependendo do alcance e da banda que se espera atingir, essas informações vem no manual
do equipamento. De forma mas sintética o link só vai informar se chegar à este nível
de sinal.
d) Perda da Linha em dB, ou seja, a soma da perda com cabos, conectores e outros.
e) Tipo da antena, neste caso, os Americanos chamam de “CORNER Antenna”, a nossa
tradicional antena direcional. Se clica no botão Visualizar, teremos um gráfico de irradiação da mesma, usaremos esta tela será utilizada para alinhamento do link.
f) Ganho da antena em dBi.
g) Altura da antena, em relação ao solo, não precisa considerar a elevação natural, pois o
software já soma automaticamente, essa informação pode ser alterada posteriormente,
na figura008 abaixo, foi informado o valor 45, ou seja, uma antena de 45 m de altura.
h) Mais um campo para perdas do cabo.
Figura18: Software Rádio Mobile – propriedades da rede.
40
Após informar as características do link, o próximo passo foi verificar as informações
de cada ponto link conforme figura19 abaixo: do lado esquerdo estão marcadas as opções
Balsas e Riachão, onde Balsas é o mestre (AP) e Riachão o Escravo (Client). Nesse momento
será marcado somente dois pontos, ou seja, será verificado a viabilidade de implantação do
link entre esses dois pontos.
3.3. – Levantamento da altura das antenas – Torres de comunicação
Figura19: Software Rádio Mobile – lista de estações.
Na figura19 foi escolhido o sistema, nesse exemplo foi usado o sistema “Rede em
5,8GHz, em seguida altura da antena, por padrão o sistema mostra 45, mas podemos escolher
outra, como podemos ver nesta mesma figura19 que está 30.
Outra informação muito importante é a direção da antena, para alcançar o melhor ganho de sinal é imprescindível que as antenas estejam vem alinhadas. Os dados de azimute e
ângulo de elevação são as variáveis de alinhamento das antenas.
Após colocar essas informações no sistema vamos iniciar os testes no ambiente para
verificar se existem condições favoráveis para o link de dados.
41
A figura20 abaixo mostra que não há visada direta entre os dois pontos com os dados
informados:
Figura20: Software Rádio Mobile – enlace entra Balsas e Riachão.
Do lado esquerdo está Balsas com uma torre de 30 metros e do lado direito está Riachão com outra torre de 30 metros, através da linha central do da figura podemos observar que
não temos “visada direta” ou seja, em uma rede 5,8 GHz precisamos de visada direta para que
seja estabelecida a conexão entre os dois pontos.
42
Nesse caso foi simulado o aumento do tamanho das torres para 60 metros cada uma e
o resultado é mostrado na figura21 abaixo: é possível observar que mesmo com antenas de 60
metros ainda não temos visada direta entre os dois pontos.
Figura21: Software Rádio Mobile – enlace entra Balsas e Riachão.
Nesse caso a solução seria aumentar mais ainda o tamanho das torres, desta vez para
100 metros, abaixo a figura20 mostra que com essa altura temos visada direta, mas torna o
projeto inviável ou com o custo muito alto com a confecção dessas duas torres de 100 metros
de altura.
Figura20: Software Rádio Mobile – enlace entra Balsas e Riachão.
43
Em função desse alto custo com torres vamos simular agora esse mesmo projeto com
um ponto de repetição do meio do caminho, entre uma cidade e outra, vamos utilizar o povoado Rio Coco que fica aproximadamente a 30 km de Balsas, quase na metade da distância
entre as duas cidades.
A figura21 abaixo mostra como será o link completo, ou seja, a cidade de Balsas o
ponto de repetição no meio (Rio Coco) e a cidade de Riachão.
Figura21: Software Rádio Mobile – enlace entre Balsas, Rio Coco (Repetidora) e Riachão.
O procedimento é o mesmo que fizemos com os pontos coletados na Cidade de Balsas
e na Cidade de Riachão, ou seja, precisamos pegar as coordenadas, latitude e longitude do
povoado Rio Coco, que são: latitude
7°27'11.46"S e longitude 46°15'16.25"O. figura22
abaixo.
Figura22: Software Rádio Mobile – coordenadas Rio Coco.
44
Com as informações de latitude e longitude já coletadas o próximo passo é informar
no software Rádio Mobile, da mesma forma que foi feito com as coordenadas dos pontos de
Balsas e Riachão. A figura23 abaixo mostra onde devemos informar as coordenadas do povoado Rio Coco:
Figura23: Software Rádio Mobile – coordenadas Rio Coco.
Na figura23 é possível observar que são dois pontos (Rio Coco – Balsas e Rio Coco –
Riachão) esses dois pontos se devem ao fato de que teremos dois enlaces ponto a ponto, o
primeiro Entre a Cidade de Balsas e o ponto de repetição do sinal no Povoado Rio Coco e o
segundo enlace ponto a ponto entre o Povoado Rio Coco e a cidade de Riachão, no local onde
ficará a repetidora só será necessário uma torre, onde serão colocados dois rádio com duas
antenas, uma direcionada para Balsas e outra para a cidade de Riachão.
45
Figura24: Software Rádio Mobile – configuração estação Rio Coco.
A figura24 acima mostra a configuração do ponto no Rio Coco que faz enlace com a
cidade de Balsas, ele será o escravo e em Balsas fica o AP, obviamente ele precisa estar no
mesmo sistema e foi colocado inicialmente uma torre de 30 metros e mais as informações do
direcionamento da antena, azimute e ângulo de elevação.
Depois de inseridas essas informações já é possível fazer as simulações para definição
do melhor ambiente para instalação dos equipamentos do enlace.
A figura25 abaixo mostra que com as informações já informadas é perfeitamente viável a implantação nessas condições, temos visada direta com os tamanhos de torre informados
e distância entre os dois pontos é de exatos 23,92 km.
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Figura25: Software Rádio Mobile – enlace entre Balsas e Rio Coco.
Nesse caso pode-se verificar que temos visada direta com as torres informadas de altura 30m, na cidade de Balsas, como exemplo, podemos colocar uma torre vem mais baixa com
15m que ainda assim temos condições favoráveis a instalação do link. Veja o exemplo na figura26 abaixo.
Figura26: Software Rádio Mobile – enlace entre Balsas e Rio Coco.
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Agora que já está pronto o estudo do enlace entre Balsas e Rio Coco vamos fazer as
simulações no ambiente entre Rio Coco e a cidade de Riachão. A figura27 abaixo mostra o
enlace com as informações informadas anteriormente, as torres de 30 metros nos dois pontos
são suficientes para estabelecer a conexão entre os dois pontos.
Figura27: Software Rádio Mobile – enlace entre Rio Coco e Riachão.
Nesse enlace é recomendado que se deixe esses tamanhos de torres, 30m, a distância é
maior são 41,75km contra os 23,92km do outro link.
Para a distância de 10 km foi utilizado como exemplo um enlace entre o Aeroporto de
Balsas que tem as coordenadas: latitude 7°31'37.23"S e longitude 46° 3'2.09"O conforme figura28 abaixo e a empresa Padrinho Aéreo Agrícola Ltda.
Figura28: Google Earth – Aeroporto de Balsas - MA.
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As coordenadas da Padrinho são as seguintes: latitude 7°29'32.08"S e longitude 46°
8'28.63"O conforme é mostrado na figura29 abaixo.
Figura29: Google Earth – Padrinho Aéreo Agrícola Ltda.
Ao inserir as informações no Software Rádio Mobile foi observado que temos visada
direta, na figura30 mostra que com torres de 15 metros já é suficiente para estabelecer comunicação entre os dois pontos, a distância exata é de 10,72 km.
Figura30: Rádio Mobile – Enlace entre Aeroporto de Balsas e Padrinho Aéreo Agrícola Ltda.
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3.4. – Levantamento dos equipamentos adequados para a distância.
Para essa parte do projeto será utilizado 03 equipamentos distintos de configurações
diferentes e fabricantes diferentes.
3.4.1 – Rádio Ubiquiti Rocket M5
Esse rádio tem um poder de emissão, 27 dBm (500 mW) e sensibilidade. Estes fatores
permitem maior área de cobertura para aplicações de distribuição (ponto Multi-Ponto) e alcance de até 50 km em aplicações ponto a ponto. Possui 64MB de memória RAM e 8MB de
memória Flash para garantir alto desempenho e armazenamento de dados físicos.
É projetado para ambiente Outdoor, ideal para quem deseja rapidez na instalação e
baixo custo. O rádio Ubiquiti Rocket M5 possui duas saídas SMA para antenas externas (vertical e horizontal), e suporte a fixação em antenas da mesma linha, tanto setoriais como disco
e grade, utiliza o padrão de modulação TDMA e MIMO 2x2, o que garante ao Ubiquiti
Rocket M5 um alto desempenho de throughput, podendo chegar até 150 Mbps reais de tráfego.
Principais características:
Frequência: 5470MHz - 5825MHz
Processador: Atheros 400MHz
Memória: 64MB SDRAM
Flash: 8MB
Potência de Transmissão: 27 dBm (500mW)
Sensibilidade: -75 até -94dBm
Portas LAN: 1 x 10/100Mbps
Conectores Externos: 2 x SMA
Dimensões: 16cm x 8cm x 3cm
Peso: 0.5 Kg
Consumo máximo de energia: 8 Watts
Figura31: Rádio Ubiquiti Rocket M5
Alimentação de energia: 24V 1A
Método de alimentação: PoE passivo (pares 4,5+ ; 7,8 retorno)
Temperatura de operação: -30° até 75°C
Valor do produto: R$ 400,00 a 450,00
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3.4.2 – Rádio Intelbrás O PTP 5-23 MiMo Pro com antena integrada de 23 dBi.
O rádio Intelbrás PTP 5-23 MiMo Pro 5 GHz vem com antena integrada de 23 dBi para estabelecer enlaces ponto a ponto de alta qualidade usando a frequência em 5 GHz. A tecnologia base para construção de enlace sem fio é a IEEE802.11a/n, porém este equipamento
oferece um protocolo proprietário W-Jet2 que potencializa o desempenho alcançando taxas
muito superiores ao padrão IEEE802.11n nativo.
O rádio Intelbrás PTP 5-23 MiMo Pro foi projetado para aplicações PTP de alto desempenho e processamento de pacotes. Possui potência de saída de até 27 dBm, um robusto
enclosure compatível com IP67 e interface de configuração fácil e intuitiva, incluindo ferramentas como Site Survey, Alinhamento de antena, analisador de espectro e é compatível com
o WNMS (sistema de gerenciamento de rede wireless).
Contém ainda um painel de OLED, que permite visualizar status do equipamento, como nível de sinal, throughput, alinhamento de antena, entre outros.
O protocolo proprietário W-Jet² provê um aumento de performance e estabilidade de
um link em longas distâncias. Esta tecnologia inovadora entrega até 190 Mbps (throughput
TCP/IP) com baixa latência e alta capacidade de processamento de pacotes (PPS), sendo ideal
para transmissão de voz, vídeos e dados. Ele também proporciona maior estabilidade em um
ambiente ruidoso, oferecendo um desempenho superior.
Principais características:
Tecnologia wireless: Protocolo W-Jet², MiMo 2x2
Modo de operação: Ponto a ponto (Master, Slave)
Faixa de frequência do rádio: 5,15 – 5,85 GHz
Potência de transmissão: Até 27 dBm
Largura de banda: 20, 40 MHz
Modulação: OFDM (64-QAM, 16-QAM, QPSK, BPSK)
Correção de erro FEC, ARQ Seletivo, STBC
Esquema de duplexação TDD Dinâmico
Antena: Painel direcional integrado de dupla polarização
Ganho: 23 dBi
Interface de Dados: Interface 10/100/1000Base-T, RJ45
Proteção antissurto: Sim
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Taxa de transmissão nominal: 300 Mbps
Throughput TCP efetivo: 190 Mbps
Modos de operação Bridge: (Master e Slave)
Dimensões: L 335 mm x A 335 mm x P 90 mm
Peso: 3,3 kg
Alimentação: PoE passivo 12 - 48 VDC
Fonte de alimentação: 100 – 240 VAC
Consumo de potência: 15 W
Temperatura: -20°C a +60°C
Valor do produto: R$ 5.000,00 a 6.200,00
Figura32: Rádio Intelbrás O PTP 5-23 MiMo Pro
3.4.3 – Rádio Motorola Canopy PTP 600
O rádio Motorola Canopy PTP 600 trabalha com frequências licenciadas de 2,5 e 4,5
GHz e a de 4,9 GHz reservada especialmente para Segurança Pública. As não licenciadas correspondem ao espectro de 5,4, 5,8 e 5,9 GHz. O Canopy PTP 600 pode chegar a taxa de dados
de até 300 Mbps e alcançando distâncias de até 200 km.
As soluções não licenciadas da Série PTP 600 em 5,4 e 5,8 GHz foram projetadas para
manejar uma ampla variedade de aplicativos e requisitos ambientais:
PTP 600 5,8 GHz Integrado – com taxas de dados de até 300 Mbps e antena integrada
PTP 600 5,8 GHz Conectorizada – com taxas de dados de até 300 Mbps e a vantagem
adicional de antenas externas.
PTP 600 5,8 GHz Lite Integrada e Conectorizada – com taxas de dados de até 150
Mbps.
PTP 600 5,4 GHz Integrada – com taxas de dados de até 300 Mbps e antena integrada.
PTP 600 5.4 GHz Conectorizada – com taxas de dados de até 300 Mbps e a vantagem
adicional de antenas externas.
PTP 600 5.4 GHz Lite Integrada e Conectorizada – com taxas de dados de até 150
Mbps.
PTP 600 4,4 a 4,6 GHz com taxas de dados Ethernet de até 300 Mbps, estas pontes suportam aplicativos tais como:
Comunicações de campo de batalha;
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Segurança Pública;
Vídeo monitoramento;
Segurança de fronteiras;
Operações militares táticas;
Redes de treinamento e simulação;
Figura33: Rádio Motorola Canopy PTP
Principais características:
Banda RF: 5.470 GHz–5.725 GHz1 / 5.725 GHz–5.850 GHz1
Tamanho do canal: Configurável em 5, 10 ou 15 MHz
Seleção de canal: Seleção de Frequência Dinâmica inteligente (i-DFS, em inglês) ou intervenção manual; seleção automática no início e adaptação contínua para evitar interferências.
Potência de transmissão: Varia segundo o modo de modulação e a configuração em até 25
dBm2.
Ganho do sistema: Integrado: Varia segundo o modo de modulação; até 168 dB com antena
integrada de 23 dBi²
Sensibilidade do receptor: Adaptativa: varia entre -98 dBm e -58 dBm
Modulação: Dinâmica: adapta-se entre BPSK simples e 256 QAM dual
Correção de erros: FEC
Esquema dúplex: Duplexação por divisão de tempo (TDD) e Duplexação por divisão de frequência Half Duplex (HD-FDD) fixa ou dinâmica; cada enlace compatível com TDD precisa
de uma Unidade de Sincronização Memorylink UltraSync™ GPS-100M para proporcionar
um sinal de referência de sincronização preciso.
Antena: integrado - placa plana integrada de 23 dBi/7°.
Conectorizado: Funciona com uma série de antenas simples e duplas vendidas separadamente
através de 2 conectores fêmea tipo N.
Alcance: Até 200 km (124 milhas).
Segurança e criptografia: criptografia AES opcional de 128/256 bits que cumpre com FIPS197.
Valor do produto: R$ 15.000,00 a 20.000,00
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3.5. – Realização de simulações no ambiente, demonstração do enlace e comparativo entre equipamentos.
Rocket M5
PTP
5-23
MiMo Canopy PTP 600
Pro
Valor Rádio
450,00
6.000,00
Frequência (GHz)
5,47 – 5,825
5,15 – 5,85
Alcance
50 km
50 km
200 km
Sensibilidade
-75 até -94dBm
-75 até -93dBm
-58 até -98 dBm
Taxa de Dados
150 Mbps
190 Mbps
300 Mbps
Antena Integrada
Não
23 dBi
23 dBi
1.600,00
1.600,00
Antena
Externa 1.600,00
18.000,00
2,5 - 4,5 - 4,9
5,4 - 5,8 - 5,9
(34dBi)
Tabela 3: Comparativo entre equipamentos.
A figura34 abaixo mostra a banda passante de um enlace de 50km, pode ser visto que
a banda passante em alguns momentos chega a picos superiores 30 Mbps.
Figura34: Banda passante em enlace de 50km
Esse teste foi realizado no link entre o escritório da empresa Agro Serra em Balsas e a
Fazenda Guaira com o rádio Ubiquiti Rocket M5.
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3.6. – Investimentos
Tabela 4: Investimentos.
3.7. – Investimentos em um cenário com um enlace de 50km
Tabela 5: Cenário em um enlace de 50km.
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4. - CONCLUSÃO
Com o desenvolvimento desse trabalho de conclusão de curso foi constatado que para
implantação de uma rede wireless em distâncias de 10 km, 20 km e 50 km, muitas são as variáveis para um enlace ter um bom desempenho, durante os trabalhos percebemos que as condições naturais do ambiente precisam ser muito bem entendidas para que se possa atingir uma
banda passante alta com baixo investimento. A identificação de pontos de repetição podem
viabilizar ou não o projeto, uma vez que uma repetidora aumenta a quantidade de equipamentos e isso precisa ser muito bem justificado.
A questão do investimento é algo de suma importância na elaboração do projeto, principalmente porque existem vários equipamentos disponíveis no mercado e cada um com suas
características, taxa de dados, alcance, frequência, método de transmissão, cada uma dessas
característica devem ser muito bem observadas, estudadas, analisadas para que o dimensionamento seja de acordo com o negócio, demanda e/ou necessidade. Aplicações com vídeo,
por exemplo, é algo que necessita de mais banda, monitoramento a distância, videoconferências, etc. Soluções somente para voz, já teria um valor de investimento menor, devido ao funcionamento desse serviço necessitar de uma banda menor.
Entre as cidade de Balsas - MA e Riachão – MA, pôde-se observar através do estudo
que para um enlace direto entre uma cidade e outra eleva muito os valores de investimentos,
uma vez que seria necessário a instalação de uma torre em cada cidade com pelo menos 100m
de altura, então foi constatado que ao colocar um ponto de repetição próximo ao povoado Rio
Coco faz com que os valores de investimento se tornem bem menores, tornando a implantação
da rede mais viável economicamente, porque não é necessário muitos investimentos em torres
de comunicação.
Outra contribuição desse trabalho é que o estudo fica disponível para que outras pessoas, empresas, e quem mais tem interesse pelo assunto, tenham através deste trabalho um
embasamento para implantar uma rede wireless em uma longa distância. Empresas especializadas em soluções dessa natureza encarecem muito os projetos devido à complexidade para se
conseguir as condições ideais para instalação link.
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5. - REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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em: 18 nov. 2013.
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f. Trabalho de Conclusão de Curso (3) - Universidade Regional De Blumenau, Blumenau,
2006.
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<http://www.grupodharma.com.br/>. Acesso em: 07 abr. 2013.
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TORRES, Gabriel. REDES DE COMPUTADORES: VERSÃO REVISADA E ATUALIZADA. Rua Matipó, 109 - Sala 312 - Engenho Novo: Novaterra, 2009. 805 p.