Guilherme Marques Mattos
Redes de Acesso em Banda Larga utilizando Sistemas
VSAT e WiFi
Dissertação de Mestrado
Dissertação apresentada como requisito parcial para obtenção do título de Mestre pelo Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica da PUC-Rio.
Orientador: Prof. Luiz A. R. da Silva Mello
Rio de Janeiro Abril de 2006
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Guilherme Marques Mattos
Redes de Acesso em Banda Larga
Utilizando Sistemas VSAT e WiFi
Dissertação apresentada como requisito parcial para obtenção do grau de Mestre pelo Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica do Departamento de Engenharia Elétrica do Centro Técnico Científico da PUC-Rio. Aprovada pela Comissão Examinadora abaixo assinada.
Prof. Luiz Alencar Reis da Silva Mello
Orientador
Centro de Estudos em Telecomunicações - PUC-Rio
Prof. Erasmus Couto Brazil de Miranda
UCP
Profa. Marlene Sabino Pontes
Centro de Estudos em Telecomunicações - PUC-Rio
Prof. Rodolfo Sabóia Lima de Souza
Centro de Estudos em Telecomunicações - PUC-Rio
Prof. José Eugenio Leal
Coordenador Setorial do Centro
Técnico Científico - PUC-Rio
Rio de Janeiro, 12 de abril de 2006
Todos os direitos reservados. É proibida a reprodução total ou parcial do trabalho sem autorização da universidade, do autor e do orientador.
Guilherme Marques Mattos
Engenheiro de Telecomunicações graduado pela Universidade Federal Fluminense – UFF em 2003. Cursou a Pós-Graduação em Redes de Computadores pela PUC/RJ, tendo concluído a especialização em 2004 com trabalho final voltado para o estudo de aplicações VoIP em redes via satélite. Atualmente, é Especialista Satélite pela Star One/Embratel/Telmex, onde desenvolve atividades de coordenação e gerência de projetos especiais na área de engenharia da empresa.
Ficha Catalográfica
CDD: 621.3
Mattos, Guilherme Marques
Redes de acesso em banda larga utilizando sistemas
VSAT e WiFi / Guilherme Marques Mattos; orientador: Luiz
A. R. da Silva Mello. – Rio de Janeiro: PUC, Departamento
de Engenharia Elétrica, 2006.
172 f. : il. ; 30 cm
Dissertação (mestrado) – Pontifícia Universidade
Católica do Rio de Janeiro, Departamento de Engenharia
Elétrica.
Inclui referências bibliográficas.
1. Engenharia elétrica – Teses. 2. VSAT. 3. WiFi. 4.
Satélite. 5. 802.11. 6. Metodologia. 7. Projeto. I. Mello, Luiz
A. R. da Silva II. Pontifícia Universidade Católica do Rio de
Janeiro. Departamento de Engenharia Elétrica. III. Título.
Aos meus sempre amados pais, Raimundo José e Maria de Fátima, por toda dedicação, apoio, confiança e coragem passadas durante os momentos difíceis enfrentados na
realização deste curso e trabalho.
Agradecimentos
Ao meu Orientador Professor Silva Mello, M.Sc. pelo estímulo, dedicação e
parceria para o desenvolvimento deste trabalho.
Aos meus colegas do Curso de Mestrado em Eletromagnetismo Aplicado da
PUC-RJ pelo companheirismo presente durante os estudos.
À todos aqueles com os quais convivo no ambiente da StarOne/Embratel e que
muito contribuem no meu conhecimento.
Aos meus queridos pais Raimundo José e Maria de Fátima, pela educação,
amor, motivação, carinho e atenção em todos os momentos.
Aos meus irmãos Patrícia e Gustavo pela paciência e auxílio na compreensão
de alguns textos em línguas estrangeiras.
À minha querida namorada Ellen e sua mãe Solange pela compreensão, amor
e o constante apoio prestados durante o desenvolvimento deste trabalho.
À todos os amigos que de uma forma ou de outra me estimularam ou me
ajudaram.
Ao CCE, à PUC-RJ e seus professores pelo profissionalismo e conhecimento
passados durante todo o curso.
Mas acima de tudo à Deus, que me deu plena força para enfrentar as
dificuldades durante todo o curso e ao qual me apoiei e busquei abrigo quando
me foi preciso, e nunca me faltou.
Resumo
Mattos, Guilherme Marques. Redes de Acesso em Banda Larga
utilizando Sistemas VSAT e WiFi. Rio de Janeiro, 2006. 172p.
Dissertação de Mestrado - Departamento de Engenharia Elétrica, Pontifícia
Universidade Católica do Rio de Janeiro.
As Redes de Acesso em Banda Larga utilizando Sistemas VSAT e WiFi
são uma forma de atender à demanda por informação a todo tempo e lugar;
demanda esta que tem se tornado a grande mudança nos últimos tempos no meio
das Telecomunicações. O acesso à informação passa a ser exigido nas mais
longínquas localidades, onde a infra-estrutura terrestre se mostra quase que
totalmente ausente. Aí se enquadram as redes VSAT (Very Small Apperture
Terminal) que permitem este acesso através de uma rede via satélite capaz de
oferecer cobertura à grandes dimensões geográficas. Da mesma forma, a
informação precisa ser obtida a todo tempo, e desta maneira, as redes WiFi se
apresentam como a forma com que o usuário pode ter a informação mesmo
enquanto aguarda seu vôo no saguão de um aeroporto, ou enquanto desfruta de
um jantar em um restaurante, ou no caso de corporações que procuram agilizar a
difusão dos dados entre seus profissionais através da mobilidade. Este trabalho
procura portanto, estudar as características dos sistemas e da propagação das
ondas rádio para as redes VSAT em banda Ku e Wi-Fi (Wireless Fidelity) nas
faixas de 2,4GHz e 5,2GHz em ambientes abertos (outdoors) e fechados
(indoors); propor o desenvolvimento de uma metodologia de planejamento de
projeto de redes VSAT-WiFi e sua aplicação em um caso prático, o que permite
a conclusão de que um correto planejamento de projeto deve ser executado para
que resultados eficientes e de qualidade possam ser alcançados.
Palavras-chave
VSAT;WiFi;satélite;802.11; metodologia;projeto
Abstract
Mattos, Guilherme Marques. Broadband Network Access using VSAT
and WiFi Systems. Rio de Janeiro, 2006. 172p. MSc. Dissertation –
Electric Engeneering Department, Pontifícia Universidade Católica do Rio
de Janeiro.
Broadband Network Access using VSAT and WiFi Systems are one way
to attend the demand for information in every time and place; where this
demand, has been turning into a big change in Telecomunications’ field. The
access to information starts to be required in the farthest places, where the
terrestrian infra-estructure shows itself almost totally missed. It´s included the
VSAT networks (Very Small Apperture Terminal) that offer access for
information through a capable satellite network that gives coverage to huge
geographic areas. By the same way, the information has got to be gathered at any
time and this way, WiFi networks shows itself as the way the user can obtain
information, even if while waiting his flight at the airport, or while enjoying a
dinner in a restaurant, or in the case of corporations making faster the data
sending among their professionals through mobility. The goals of this
dissertation are the study of systems characteristics and propagation of the radio
waves for the VSAT (Ku band) and Wi-Fi (Wireless Fidelity) networks (2,4GHz
and 5,2GHz) in outdoors and indoors areas; the development of a methodology
to planning projects for VSAT-WiFi networks and its application in a study case
that permits a conclusion of a correct project planning must be done to efficient
and good results can be reached.
Keywords
VSAT;WiFi;satellite;802.11; metodology;project
Sumário
Introdução 15
2 Sistemas via Satélite 17
2.1 Lançamento de um satélite 19
2.2 Componentes de um satélite 20
2.3 Principais órbitas para operação 23
2.4 Faixas de frequências operacionais 25
2.5 Histórico das comunicações via satélite 27
2.6 Sistemas VSAT 30
2.6.1 Componentes de um sistema VSAT 32
2.6.2 Principais técnicas de acesso 33
2.6.3 Aplicações das VSATs 37
2.6.4 Vantagens e desvantagens da tecnologia VSAT 37
3 Propagação em sistemas via satélite 39
3.1 Enlace de comunicação via satélite 39
3.2 Enlace de uplink 41
3.3 Terra-Espaço 47
3.4 Satélite 50
3.5 Espaço-Terra 51
3.6 Estação Terrena 52
4 Redes sem fio 59
4.1 Redes Locais 59
4.1.1 O padrão IEEE 802 59
4.2 Redes locais sem fio 60
4.2.1 Tecnologias wireless 61
4.2.2 Histórico das redes sem fio 62
4.2.3 Redes 802.11 63
4.2.4 Vantagens e desvantagens das redes sem fio para as cabeadas 64
4.2.5 Componentes de WLANs 66
4.2.6 Topologias de Wireless LAN 69
4.2.7 Segurança em WLANs 74
4.2.8 Camada MAC 76
4.2.9 Camada Física 79
5 Propagação em redes WiFi 98
5.1 Caracterização do canal rádio 99
5.1.1 Dependência com a distância 99
5.1.2 Variabilidade de larga escala 101
5.1.3 Variabilidade de pequena escala 102
5.1.4 Espalhamento do retardo 103
5.1.5 Outros mecanismos e efeitos de propagação 105
5.2 Modelos de Propagação 108
5.2.1 Modelos Teóricos 108
5.2.2 Modelos Semi-empíricos 113
6 Metodologia de projeto e simulação de caso 118
6.1 Metodologia de projeto 118
6.1.1 Rede WiFi 119
6.1.2 Rede VSAT 120
6.2 Simulação 123
6.2.1 Estudo da Rede WiFi 125
6.2.2 Estudo da Rede VSAT 133
6.3 Premissas de tráfego da rede 134
6.4 Dimensionamento da rede 135
6.5 Dimensionamento de segmento espacial 136
6.6 Projeto de RF 154
6.7 Custos 155
6.8 Considerações 156
7 Conclusão 157
8 Referências bibliográficas 159
Glossário 163
Lista de figuras
Figura 2.1 – Exemplo de footprint 18
Figura 2.2 – Exemplo satélite Boeing 376 18
Figura 2.3 – (a) Exemplo Boeing 601 (b) Exemplo Boeing 702 19
Figura 2.4 – (a) Plataforma de lançamento marítima 20
Figura 2.4 – (b) Exemplos de veículos lançadores 20
Figura 2.5 – Alguns componentes dos satélites 22
Figura 2.6: Diagrama em blocos básico do satélite 22
Figura 2.7: Diagrama em blocos básico do transponder 22
Figura 2.8: Esquema da Órbita Geoestacionária 24
Figura 2.9: Distribuição dos satélites GEO ao redor da Terra 25
Figura 2.10: Componentes de um sistema via satélite 26
Figura 2.11: Arquitetura convencional para redes VSAT 31
Figura 2.12: Topologia em Estrela 31
Figura 2.13: Estação Terrena ou Teleporto onde a HUB fica localizada 31
Figura 2.14: Componentes da rede VSAT 32
Figura 2.15: Componentes de um terminal VSAT 33
Figura 2.16: Rede VSAT DAMA/SCPC típica 36
Figura 2.17: Esquema de rede VSAT TDM/TDMA típica 37
Figura 3.1: Diagrama geral de um enlace satélite 40
Figura 3.2: Elementos de subida em uma Estação Terrena 40
Figura 3.3: Elementos básicos de um satélite de comunicação 40
Figura 3.4: Elementos de descida em uma Estação Remota 40
Figura 3.5: Níveis de potência no uplink 41
Figura 3.6: Curva de transferência de um amplificador do tipo TWT 43
Figura 3.7 – Ganho da antena 44
Figura 3.8 – EIRP em 14,25GHz 45
Figura 3.9 – Atenuação em espaço livre para satélites geo-estacionários 48
Figura 3.10 – Posição da estação terrena em relação ao satélite 48
Figura 3.11 – Perdas atmosféricas 49
Figura 3.12 – Influências sobre Ts de um sistema de recepção 53
Figura 3.13 – Temperatura de ruído troposférico 54
Figura 3.14 – Temperatura de ruído versus atenuação por chuvas intensas 55
Figura 3.15 – Temperatura de ruído devido à presença do Sol 56
Figura 3.16 – G/Ts versus Ts para diversas antenas 57
Figura 3.17 – Figura de mérito para a faixa de 11,7GHz 58
Figura 4.1 - Relação entre os padrões IEEE 802 e OSI 60
Figura 4.2 – Access Point 66
Figura 4.3 – Antenas externas 67
Figura 4.4 – Wireless Bridge 68
Figura 4.5 – Workgoup Bridge 68
Figura 4.6 – Client Adapters 69
Figura 4.7 - Rede sem fio ponto-a-ponto 69
Figura 4.8 - Cliente e Ponto de Acesso 70
Figura 4.9 - Configuração com superposição celular 71
Figura 4.10 - Configuração Multi-Hop 71
Figura 4.11 - Utilização de Antenas Direcionais 72
Figura 4.12 – Topologia Infra-estrutura (configuração multicelular) 72
Figura 4.13 – Troca de quadros RTS/CTS 79
Figura 4.14 – Frequency Hopping Spread Spectrum 80
Figura 4.15 – Utilização do Chipping Code 81
Figura 4.16 – Influência do sinal interferente 81
Figura 4.17 – Sobreposição de canais DSSS 82
Figura 4.18 – Espectro das sub-portadoras OFDM 87
Figura 4.19 – Esquema de modulação 802.11b com CCK 90
Figura 4.20 – Canalização do padrão IEEE 802.11 no Brasil (2,4GHz) 97
Figura 5.1 - Perda mediana em relação à distância 100
Figura 5.2 - Representação do Ponto de quebra 100
Figura 5.3 - Variabilidades de pequena e larga escala 102
Figura 5.4 - Exemplo de Multipercurso em Ambiente Indoor 104
Figura 5.5 - Resposta para um Retardo por Espalhamento de 300 ns 104
Figura 5.6 - (a) Reflexão e Refração, (b) Difração, (c) Espalhamento 107
Figura 5.7 - Ilustração do modelo de 2 raios 110
Figura 5.8 - Reflexão em superfície rugosa (espalhamento) 111
Figura 5.9 - Ilustração do modelo de 6 raios (vista superior do ambiente) 112
Figura 6.1 – Metodologia de projeto VSAT-WiFi 123
Figura 6.2 – Distribuição das localidades 124
Figura 6.3 – Diagrama da rede VSAT-WiFi 124
Figura 6.4 – Ambiente de escritório 126
Figura 6.5 – Cobertura AP1 127
Figura 6.6 – Cobertura AP2 127
Figura 6.7 – Cobertura AP3 128
Figura 6.8 – Canalização do padrão IEEE 802.11 no Brasil (2,4GHz) 131
Figura 6.9 – Parâmetros de uplink da Estação Master 137
Figura 6.10 – Parâmetros de downlink da estação remota 138
Figura 6.11 – Modelo de chuvas 139
Figura 6.12 – Características do satélite 140
Figura 6.13 – Características das portadoras 141
Figura 6.14 – Resultados (a) 142
Figura 6.15 – Resultados (b) 143
Figura 6.16 – Resultados (c) 144
Figura 6.17 – Resultados (d) 145
Figura 6.18 – Resultados (e) 146
Figura 6.19 – Parâmetros de uplink da Estação Remota 147
Figura 6.20 – Parâmetros de downlink da Estação Master 147
Figura 6.21 – Modelo de chuvas 148
Figura 6.22 – Características do satélite 148
Figura 6.23 – Características das portadoras 149
Figura 6.24 – Resultados (a) 149
Figura 6.25 – Resultados (b) 150
Figura 6.26 – Resultados (c) 151
Figura 6.27 – Resultados (d) 152
Figura 6.28 – Resultados (e) 153
Figura 6.29 – Exemplo de cobertura e dimensionamento das remotas 154
Lista de tabelas
Tabela 2.1 - Classificação orbital versus distância em relação à Terra 25
Tabela 2.2 - Principais faixas de frequências 26
Tabela 3.1 – Tipos de amplificadores 43
Tabela 3.2 – Temperatura efetiva de ruído da antena para chuvas intensas 55
Tabela 3.3 – Temperatura da linha versus atenuação da linha 57
Tabela 3.4 – Valores típicos para Ts em 11,7GHz 58
Tabela 4.1 - Padrões de camada física e MAC 60
Tabela 4.2 – (a) Padrões de redes sem fio 61
Tabela 4.2 – (b) Padrões de redes sem fio 62
Tabela 4.3 – Resumo dos padrões IEEE 802.11 64
Tabela 4.4 – (a) Canais DSSS 81
Tabela 4.4 – (b) Canais DSSS 82
Tabela 4.5 - Comparativo entre DSSS e FHSS 83
Tabela 4.6 – Mapeamento na modulação PPM 85
Tabela 4.7 – Valores do campo rate 86
Tabela 4.8 – Configurações para o 802.11a 87
Tabela 4.9 – Canalização do 802.11a 88
Tabela 4.10 – Níveis de potência do 802.11a 89
Tabela 4.11 – Configurações para o 802.11b 90
Tabela 4.12 – Canalização do 802.11b 91
Tabela 4.13 – (a) Níveis de potência do 802.11b 91
Tabela 4.13 – (b) Níveis de potência do 802.11b 92
Tabela 4.14 – Resumo das configurações para os padrões 802.11 93
Tabela 4.15 – Canalização do padrão IEEE 802.11 no Brasil (2,4GHz) 97
Tabela 5.1 - Retardo por Espalhamento 105
Tabela 5.2 - Perdas de penetração em obstáculos em 2,4GHz 105
Tabela 5.3 - Coeficiente de atenuação 114
Tabela 5.4 - Coeficiente de atenuação por piso atravessado 115
Tabela 5.5 - Desvio padrão da distribuição log-normal 115
Tabela 5.6 - Valores do Fator de Penetração da Parede 116
Tabela 5.7 - Perdas de penetração em obstáculos 117
Tabela 6.1 – Resumo descritivo das atividades (a) 121
Tabela 6.1 – Resumo descritivo das atividades (b) 122
Tabela 6.2 – Legenda dos ambientes 126
Tabela 6.3 – (a) Relação pontos x potência x distância ao AP1 128
Tabela 6.3 – (b) Relação pontos x potência x distância ao AP1 129
Tabela 6.3 – (c) Relação pontos x potência x distância ao AP2 129
Tabela 6.3 – (d) Relação pontos x potência x distância ao AP3 129
Tabela 6.4 – Valores usuais de tráfego médio de usuário 132
Tabela 6.5 – Premissas de tráfego 132
Tabela 6.6 – Distribuição das remotas 134
Tabela 6.7 – Dimensionamento de rede 135
Tabela 6.8 – Dados do satélite NSS7 136
Tabela 6.9 – Resultados consolidados 153
Tabela 6.10 – Custos estimados do projeto WiFi 155
Tabela 6.11 – Custos estimados do projeto VSAT 155
15
Introdução
As corporações têm procurado atualmente otimizar a sua forma de
comunicação ao mesmo tempo em que reduzem os custos associados a
qualquer mudança nesse sentido. O avanço da tecnologia de comunicação sem
fio, por meio de ondas rádio, tem se apresentado bastante adequada pois é
capaz de oferecer baixo custo de implementação diante das soluções até então
empregadas por meio de cabos e conexões que, além disto, obrigam a
interrupção das atividades desenvolvidas pelos profissionais quando há
necessidade de deslocamento.
Além do ponto crucial que diz respeito ao custo, a mobilidade tem sido
alcançada muito facilmente por meio desta tecnologia, o que tem tornado mais
ágil o ambiente de trabalho. Esta mobilidade talvez represente o mais recente
passo no que se refere à liberdade tão desejada pelas pessoas, e há tempos
vem ocorrendo uma gradativa evolução através dos sistemas de acesso remoto,
via web, etc. Além das redes wireless, as redes celulares têm apresentado um
papel fundamental neste processo de mudança de conceito na troca de
informação, porém, ainda não atendem de forma completa à demanda por
comunicação de dados, com seu foco ainda voltado ao tráfego de voz.
Da mesma forma, o crescimento da tecnologia VSAT (Very Small
Apperture Terminal) que provê acesso local por meio de redes via satélite se
acelerou fortemente nos últimos anos, quando diversas redes baseadas neste
tipo de solução surgiram ao redor do mundo, inclusive no Brasil, onde a empresa
pioneira foi a Star One, do Grupo Embratel. O foco foi atender à demanda por
dados, voz e vídeo existente principalmente em localidades não servidas por
infra-estrutura terrestre, como é o caso do interior do país, onde existe um
grande número de fazendas, pousadas e cooperativas que necessitam de algum
tipo de acesso à Internet, por exemplo.
Este trabalho procura mostrar em seu segundo capítulo, uma visão geral
sobre a tecnologia VSAT introduzida recentemente no Brasil para acesso local
principalmente em áreas pouco urbanizadas. São abordadas também as
vantagens e desvantagens deste sistema, suas arquiteturas e componentes. No
mesmo capítulo, são apresentados alguns dos aspectos mais importantes para o
16
planejamento de sistemas VSAT, como interferências, polarização, diversidade
de antenas, tráfego, etc.
O terceiro capítulo apresenta alguns dos principais modelos de
propagação usados para comunicações via satélite do tipo VSAT na faixa de
frequências denominada de banda Ku.
O quarto capítulo apresenta uma visão geral da tecnologia das redes
wireless, padronizadas segundo o 802.11 do IEEE, abordando suas vantagens e
desvantagens sobre as redes cabeadas convencionais, algumas discussões
sobre segurança, topologias e tipos de equipamentos envolvidos. É apresentado
ainda, alguns aspectos importantes para o planejamento de sistemas wireless,
como interferências, polarização, diversidade de antenas, tráfego, englobando as
camadas física e de enlace segundo o modelo OSI. Este capítulo procura
enfatizar as características mais importantes para ambientes indoor e outdoor.
O quinto capítulo apresenta alguns dos principais modelos de propagação
determinísticos e semi-empíricos, utilizados para ambientes abertos e fechados,
bem como uma caracterização do canal de rádio-propagação, que é a base para
compreender os efeitos previstos pelos modelos.
O sexto capítulo, principal contribuição do trabalho, apresenta uma
metodologia de projeto de redes VSAT-WiFi mostrando o passo-a-passo das
análises e tarefas necessárias para a realização de um bom projeto, desde o seu
planejamento de cobertura e dimensionamento de tráfego até sua implantação.
O capítulo é finalizado com uma simulação abordando questões práticas de um
projeto de uma rede VSAT-WiFi onde procurou-se aplicar todos os pontos vistos
neste trabalho.
17
2 Sistemas via Satélite
Em sua definição, um satélite é um corpo físico que gira em torno de um
grande objeto, assim como a Lua (satélite natural) que gira em torno da Terra.
Existem também os satélites desenvolvidos por cientistas e engenheiros que
giram ao redor de nosso planeta realizando diversas tarefas.
Os satélites são portanto, dispositivos posicionados em algum lugar no
espaço e têm sua funcionalidade determinada de acordo com o tipo de aplicação
para o qual foram desenvolvidos. Assim, satélites militares têm como objetivos a
telecomunicação, observação, alerta avançado, ajuda à navegação, como o
GPS (Global Positioning System), e reconhecimento.
Já os satélites voltados ao meio científico, englobam os meteorológicos, os
de exploração do universo e os de coleta de dados da Terra, como exemplificado
anteriormente. Os meteorológicos visam a óbvia tarefa de identificação do clima,
possibilitando a prevenção de mortes por desastres naturais como furacões ou
tempestades. Já os de exploração do universo, têm seu alvo voltado justamente
para a exploração do espaço a fim de obter mais conhecimento da Terra, do
sistema solar e do universo como um todo. Já os de coleta de dados, visam a
elaboração de informações sobre fenômenos físicos, químicos e biológicos da
superfície da Terra e da atmosfera, através de uma gama infinita de sensores.
Por fim, os satélites de comunicação que são utilizados na transmissão de
informações (voz, dados e vídeo) por todo o mundo. Esses tipos de satélites
podem ter acessos múltiplos, isto é, servir simultaneamente a diversos usuários
de localidades ou mesmo de países ou continentes diferentes.
Independente do tipo de aplicação, o sinal encaminhado por um satélite
pode cobrir uma área restrita sobre a superfície da Terra, como por exemplo,
cobrir somente um determinado conjunto de ilhas na Indonésia. Há possibilidade
inclusive de se direcionar feixes distintos para localidades distintas também. A
área coberta por um satélite é também chamada de footprint, e é representada
de maneira bastante simplificada na Figura 2.1 [53].
18
Figura 2.1 – Exemplo de footprint
A Figura 2.2 [53] mostra um tipo de satélite, o da empresa Boeing, modelo
376, que é utilizado principalmente para difusão de sinais de TV. A Família
Brasilsat (controlada pela operadora StarOne/Embratel), assim chamado o
conjunto de satélites brasileiros atualmente em órbita, utiliza este tipo de
artefato.
Figura 2.2 – Exemplo satélite Boeing 376
Outros tipos de satélite da mesma empresa são apresentados na Figura
2.3 [53], como o Boeing 601 e o Boeing 702, que são responsáveis pela difusão
de sinais de TV para terminais remotos com antenas de pequena abertura, tais
como as do serviço oferecido pela DIRECTV ou Sky. Além deste serviço, voz,
fax e dados trafegam por ele.
A título de curiosidade, um satélite como o Boeing 601 possui cerca de 4m
de altura quando compactado (stowed) e 26m quando em operação no espaço
(deployed), pesando aproximadamente 1.700Kg. Já os similares ao modelo 702,
medem 7m compactados, 40m em operação e pesando cerca de 3.000Kg.
19
Figura 2.3 – (a) Exemplo Boeing 601 (b) Exemplo Boeing 702
2.1 Lançamento de um satélite
Um satélite é lançado por um veículo lançador que é levado ao espaço por
meio de foguetes. Poucos lugares no mundo são pontos de lançamento de
satélites, alguns exemplos são o Cabo Canaveral na Flórida, Kourou na Guiana
Francesa, Xichang na China e Baikonur no Cazaquistão. Os melhores lugares
para se lançar um satélite são próximos ou no próprio oceano pois se algum
acidente ocorrer, eles caem em água e não em terra.
Para se colocar um satélite em órbita, diversas companhias de diferentes
países precisam trabalhar juntas para que tudo esteja coordenado e o mais
imune possível a erros durante todo o processo de lançamento.
No lançamento, os foguetes carregam o satélite até o espaço quando
então se desprendem e o veículo lançador passa a direcionar os movimentos por
mais algum tempo. Em seguida, ele também se solta e os motores acoplados ao
próprio satélite passam a controlar sua posição, buscando colocá-lo em perfeita
órbita, o que leva vários dias. No momento em que o satélite se encontra em sua
posição definitiva, suas antenas e painéis solares se abrem e ele passa a entrar
em operação transmitindo e recebendo sinais.
As Figuras 2.4 (a) e (b) [53], mostram diversos tipos de veículos
lançadores.
20
Figura 2.4 – (a) Plataforma de lançamento marítima
Figura 2.4 – (b) Exemplos de veículos lançadores
2.2 Componentes de um satélite
De uma forma mais técnica, podemos dizer que o satélite é uma estação
repetidora de sinais provenientes da Terra. Eles são compostos basicamente
por:
21
Subsistema de propulsão
Inclui todos os motores responsáveis pelo posicionamento do satélite em
sua órbita. Os pequenos motores chamados de thrusters também auxiliam neste
processo, pois os satélites necessitam de constantes ajustes de posição devido
à presença dos ventos solares e das forças gravitacionais e magnéticas que os
tiram da posição correta. Por isso, comandos vindos de uma estação de controle
na Terra procuram atuar sobre esses pequenos motores.
Subsistema de potência
Gera e armazena a eletricidade em baterias, a partir da energia coletada
pelos painéis solares. Fornece potência para todos os demais subsistemas,
principalmente quando o Sol não está iluminando o satélite.
Subsistema de comunicação
Manipula todas as funções de transmissão e recepção de sinais vindos da
Terra. Aqui estão presentes as antenas e os chamados transponders. Estes
transponders são formados por um conjunto de componentes eletrônicos que
realizam processamentos com o sinal, tais como sua detecção, o ganho de
potência por meio do LNA (Lower Noise Amplifier), a filtragem, a translação de
freqüência e sua retransmissão. Um satélite geralmente é composto de vários
transponders que atuam como unidades independentes de repetição, cada um
ocupando uma faixa exclusiva de freqüências, sendo importante para aumentar
a confiabilidade e versatilidade do satélite.
Subsistema de estrutura
Corresponde à estrutura física do dispositivo satélite.
Subsistema de controle térmico
Mantém a temperatura do satélite a níveis aceitáveis para o seu
correto funcionamento. O excesso de calor é eliminado de forma a não
provocar interferência em outro satélite.
Subsistema de controle e posicionamento
Procura manter o footprint em sua correta localização. Caso a cobertura se
mova sobre a superfície terrestre, a área descoberta ficará sem os serviços que
para ali foram designados. Então, é necessário que este subsistema, alerte o
subsistema de propulsão para acionar os thrusters que moverão o satélite para
sua correta posição.
22
Subsistema de comando e telemetria
Fornece maneiras para que uma estação na Terra tenha condições de
monitorar e controlar as ações de um satélite. As Figuras 2.5 [53], 2.6 e 2.7
procuram esquematizar estes conceitos.
Figura 2.5 – Alguns componentes dos satélites
Figura 2.6: Diagrama em blocos básico do satélite
Figura 2.7: Diagrama em blocos básico do transponder
23
2.3 Principais órbitas para operação
Uma órbita é o caminho descrito por um objeto quando girando ao redor de
outro, mantendo-se sempre a mesma distância entre eles. Desta forma, quando
um satélite é lançado, ele é posicionado em uma órbita ao redor da Terra. A
órbita é conseguida pois a gravidade do planeta Terra o mantém a uma certa
altura da superfície terrestre. Mas não somente isto; é necessário algum controle
vindo da Terra para auxiliar neste posicionamento. Com isso, existem diversos
tipos de órbitas, onde as mais conhecidas são:
LEO (Low Earth Orbit)
Os satélites de baixa órbita são aqueles posicionados até 2.000Km da
superfície terrestre e devido à sua proximidade, desenvolvem uma velocidade
bastante alta, cerca de 28.000Km/h, para evitar que a gravidade da Terra os tire
do percurso e os faça se chocar com a superfície. Em uma hora e meia, estes
satélites completam uma volta na Terra, ou seja, um ponto na Terra consegue se
comunicar com este satélite por cerca de apenas 10 minutos.
Durante muitos anos, os satélites de baixa órbita raramente foram usados
em comunicações devido ao fato de que as antenas não mantinham a visada por
muito tempo em um único ponto da superfície terrestre. Geralmente eram
utilizados com propósitos de sensoriamento científico ou militar durante todos
estes anos, mas recentemente alguns projetos, por exemplo, o Iridium os
empregou.
MEO (Medium Earth Orbit)
Satélites que distam de 5.000Km a 15.000Km da superfície do planeta
estão em uma órbita média. Neste tipo de órbita, um ponto na Terra consegue
comunicações com este satélite por cerca de duas horas ou mais, pois entre 4 e
8 horas, uma volta completa é dada ao redor da Terra.
GEO (Geostationary Earth Orbit)
Um satélite, posicionado sobre a linha do Equador e em órbita
Geosíncrona ou Geoestacionária, leva cerca de 24 horas para completar uma
volta em torno do planeta, o mesmo tempo que a Terra leva para completar seu
movimento de rotação. Ou seja, se estes satélites são posicionados de tal forma
que giram com a mesma velocidade angular que a Terra, eles estarão portanto
parados em relação à um ponto na superfície, e assim, este ponto sempre
poderá se comunicar com o satélite 24 horas por dia. Esta órbita, representada
24
pela Figura 2.8 [55], corresponde a uma distância de aproximadamente
36.000Km da superfície terrestre.
A órbita Geoestacionária é tal que, as forças da Gravidade da Terra e a
Centrífuga se equilibram mantendo o satélite a uma mesma distância da
superfície, sendo necessários somente alguns ajustes de posicionamento pela
Estação de Monitoração de tempos em tempos. A força da Gravidade é criada
por grandes massas físicas e faz com que os objetos se aproximem dela. A força
Centrífuga é aquela que força os objetos a se distanciarem da massa física
sobre a qual estão girando ao redor.
O posicionamento dos satélites no espaço geoestacionário da Terra é
dependente da disponibilidade de posições, chamadas de Posições Orbitais. A
União Internacional de Telecomunicações (UIT) dividiu o espaço geoestacionário
em 180 posições orbitais, cada uma separada da outra por um ângulo de 2°
reduzindo ao máximo a interferência mútua entre elas. A utilização de
freqüências diferentes poderia solucionar este problema diminuindo a distância
entre os satélites, porém o aumento das freqüências, além de ser
tecnologicamente custoso por exigir equipamentos muito específicos, também é
polêmico devido aos acordos internacionais de utilização das faixas de
freqüências.
Figura 2.8: Esquema da Órbita Geoestacionária
A Figura 2.9 [51] a seguir, apresenta o posicionamento dos satélites
geoestacionários ao redor do planeta Terra, com algum destaque os dispositivos
da companhia Hughes.
25
Figura 2.9: Distribuição dos satélites GEO ao redor da Terra
Existem ainda os satélites de órbita alta, ou HEO (High Earth Orbit). A
Tabela 2.1 abaixo procura resumir os pontos discutidos.
Classificação Distância entre o satélite e a Terra Vida útil do
satélite
Órbita Geoestacionária – GEO 36.000 Km
Órbita Alta – HEO Acima de 20.000 Km 15 a 20 anos
Órbita Média – MEO Entre 5.000 Km e 15.000 Km
Órbita Baixa – LEO Até 2.000 Km 7 a 10 anos
Tabela 2.1 - Classificação orbital versus distância em relação à Terra
A vida útil dos satélites é determinada basicamente pela quantidade de
combustível nele armazenado. Este é utilizado pelos motores para correção de
posicionamento, assim, quando o combustível acaba, o satélite tem sua vida útil
encerrada. Na verdade, ele é posto em outra órbita e é inutilizado.
2.4 Faixas de frequências operacionais
Um sistema de comunicações via satélite é composto basicamente pelo
satélite e pelas estações rádio base de origem e destino, denominadas de
Estações Terrenas. Além destas, ainda podem existir estações responsáveis
pelo gerenciamento da comunicação.
26
Figura 2.10: Componentes de um sistema via satélite
Os enlaces de satélite são formados por transmissões e recepções a partir
das Estações Terrenas. São denominados: Enlace de Subida (uplink), toda
transmissão que se inicia em uma Estação Terrena; e Enlace de Descida
(downlink), a comunicação que parte do satélite. Cada um deles, opera em uma
faixa de frequências apropriada, conforme a Tabela 2.2, onde se pode verificar
que o downlink e o uplink operam em faixas diferentes, para que seja possível
reduzir substancialmente a interferência mútua entre eles.
Banda Faixa do uplink Faixa do downlink Observações Relevantes
L 1.626,5 - 1.645,5MHz
1.646,5 - 1.652,5MHz
1.525 - 1.544MHz
1.545 - 1.551MHz
1.574,4 - 1.576,6MHz - empregada em aplicações de sensoriamento
C 5.850 - 6.425MHz 3.625 – 4200MHz - sinais menos sujeitos a interferência de chuva - antenas de grande porte - maior interferência com sistemas terrestres - maior cobertura
X 7.965 - 8.025MHz 7.315 - 7.357MHz - utilizada no Brasil para comunicações militares
Ku 13,45 – 14,50GHz 10,7 - 11,2GHz
11,45 - 12,20GHz
- antenas de pequeno porte - menor interferência com sistemas terrestres - menor custo por terminal - sinais sujeitos a interferência de chuva - menor cobertura
Ka 29,5 – 30,0GHz 19,7 - 20,2GHz - antenas bastante reduzidas - alta interferência com fenômenos atmosféricos
Tabela 2.2 - Principais faixas de frequências
Cada uma destas faixas é mais recomendada a determinados tipos de
aplicações, onde as freqüências mais utilizadas para comunicação via satélite
atualmente são as da banda C e banda Ku, que internacionalmente, é a banda
mais popular pois permite cursar um tráfego com antenas transmissoras e
receptoras menores que as de banda C, devido ao fato das suas freqüências
serem mais altas. Entretanto, pelo mesmo motivo, a transmissão em banda Ku é
mais suscetível a interrupções causadas pela chuva, por exemplo. Desta forma,
a banda C é mais popular em países tropicais, tais como o Brasil. Dependendo
da intensidade da chuva, uma interrupção ou degradação do enlace via satélite
pode ocorrer, indisponibilizando o serviço prestado. Apesar disto, com a
27
evolução da tecnologia de comunicação via satélite, já está sendo possível
implementar enlaces em Banda Ku nesses países.
A banda C, atualmente com menos uso em novos projetos, foi a primeira a
ser explorada comercialmente devido a sua cobertura ser mais ampla. Esta
banda apresenta elevada interferência terrestre dificultando, principalmente, a
recepção, já que os enlaces de microondas operam nesta mesma faixa.
A banda Ka, além de sofrer a interferência da chuva utiliza uma banda de
freqüências muito altas. Por este motivo, os equipamentos utilizados para a
banda Ka são muito caros e de difícil desenvolvimento.
O maior inconveniente da transmissão satélite, o retardo de propagação,
foi minimizado com códigos corretores de erro poderosos (FEC - Forward Error
Correction), que diminuíram bastante o número de retransmissões de
mensagens. A diferença básica entre transmissão de dados terrestre e via
satélite é exatamente o retardo de propagação. O sinal de rádio, viajando à
velocidade da luz, leva cerca de 270ms para ir da Terra ao espaço
geoestacionário e deste de volta à Terra. Uma aplicação que requeira uma
transmissão e uma resposta associada (acknowledgment - ACK) leva, portanto,
540ms para ser concluída. Na prática, retardos adicionais nas Estações
Terrenas envolvidas acabam levando este retardo total para cerca de 600ms.
2.5 Histórico das comunicações via satélite
A idéia dos satélites de telecomunicações apareceu pouco depois da
Segunda Guerra Mundial pelo então oficial de radar Arthur C. Clarke. A idéia
original propunha a colocação em órbita de três repetidores separados de 120º
sobre a linha do Equador a 36.000Km de altitude. Estes repetidores teriam a
finalidade de realizar a comunicação de rádio e televisão a toda parte do globo.
Devido à falta de tecnologia para o lançamento de tais equipamentos, o
exército americano fez os primeiros experimentos de propagação de
radiocomunicações entre 1951 e 1955 utilizando a Lua, um satélite natural, como
refletor passivo. Os experimentos não obtiveram sucesso devido a grande
distância existente entre a Terra e a Lua e a falta de tecnologia na época.
O primeiro satélite espacial, o Sputnik 1, realizou a primeira experiência de
transmissão e recepção de sinais do espaço, enviando para Terra sinais nas
freqüências de 20MHz e 40MHz, o que provava a possibilidade de uma
comunicação à longa distância nessas proporções. Apesar dos russos terem
sido os primeiros a lançarem um satélite espacial, a História destinou à voz do
28
Presidente Eisenhower, a honra em ser a primeira voz a ser retransmitida do
espaço. Somente no final de 1960, com a troca das baterias por células solares
realizou-se uma retransmissão de dados enviados da Terra.
A partir de 1960, concluiu-se que a utilização de satélites artificiais era a
melhor opção para as comunicações, sendo abandonado os experimentos dos
satélites naturais. Pretendia-se que eles fossem como as torres de repetição de
microondas existentes no sistema telefônico. Assim, o primeiro satélite de
comunicações propriamente dito foi lançado em 1962, chamado de Telstar 1 e
foi o primeiro satélite de utilização comercial. A partir disto, vários outros satélites
foram lançados a fim de realizar testes, aperfeiçoamentos e comunicações
intercontinentais como forma de atrair atenção e mercado, onde o Syncom 3
destacou-se por ter realizado, ao vivo, a transmissão dos Jogos Olímpicos de
1964.
Em 1965 foi lançado o Intelsat com 240 circuitos telefônicos que, apesar
de ter sido projetado para funcionar 18 meses, permaneceu em operação por 4
anos. Ressalta-se que nesta época, década de 70, as antenas de comunicação
com os satélites tinham 12m de diâmetro e requeriam elevada potência. No
início da década de 80, as antenas ainda possuíam 7 metros e, de lá para cá, o
desenvolvimento não parou, tanto no tamanho quanto nas formas de
transmissão/recepção, além da compactação dos dados visando a economia de
banda.
Ainda nos anos 80, uma companhia americana, a Equatorial, lançou no
mercado, com grande sucesso, um sistema de comunicações de dados via
satélite unidirecional permitindo a recepção de uma portadora com taxa de
informação de 19,2Kbps, em antenas parabólicas de apenas 60cm de diâmetro.
Utilizando transmissão satélite em banda C, este feito só foi possível graças ao
uso de uma tecnologia de uso militar conhecida como Spread-Spectrum, ou
Espectro Espalhado. Nos sistemas de comunicações convencionais sempre se
busca transmitir mais informação em menos faixas de freqüências pois desta
forma maximiza-se a eficiência da rede, reduzindo os custos referentes ao
segmento espacial. Na modulação Spread-Spectrum acontece o oposto, pois ao
se dividir cada bit em um certo número de chips (de menor duração que o bit),
aumenta-se o espectro de freqüências com o intuito de tornar o sinal transmitido
mais imune a interferências intencionais, que ocorrem em aplicações militares.
Para a aplicação satélite referida acima, o principal problema, resolvido com o
emprego da modulação Spread-Spectrum, foi o do estabelecimento de um
enlace com uma antena das proporções mencionadas, num cenário de
29
interferência provocada por satélites adjacentes que interferem mais em antenas
de pequeno diâmetro.
Por volta de 1984, a mesma empresa Equatorial lançou um novo sistema,
bidirecional, consistindo de uma estação central de grande porte chamada de
HUB ligada à estações remotas, com diâmetros de 1,2m, capacidade de
transmissão de até 9,6Kbps e capacidade de recepção de 156Kbps. Neste
sistema, tirou-se proveito de outra característica da modulação Spread
Spectrum: sua capacidade de múltiplo acesso que leva o nome de CDMA (Code
Division Multiple Access), e permite a identificação de cada estação através de
um código específico inerente ao processo de modulação.
Em meados da década de 80, apareceu o acrônimo VSAT, para designar
estações terrenas de satélite com antenas de abertura reduzida, tipicamente
inferiores a 2,4m de diâmetro, que normalmente se comunicam com uma
estação HUB, com antenas de até 6m. Inicialmente usado apenas como marca
por uma empresa fabricante, este nome ganhou posteriormente uso geral na
designação de micro estação.
A expansão das telecomunicações no Brasil começou com a família de
satélites Brasilsat lançados pela Embratel a partir de 1985. Esses e outros
satélites tiveram e ainda têm participação essencial na interligação de todo o
território nacional, levando a televisão, a telefonia e a comunicação de dados aos
quatro cantos do país, possibilitando a expansão da Internet e colocando ao
alcance de todos um universo de serviços.
No Brasil, no final da década de 80, iniciou-se o uso pelo segmento
bancário de redes VSAT. Soluções nas quais o cliente investe na estação HUB,
instalada em suas dependências, e nas micro estações, com transmissão por
satélite em banda C. Esse tipo de solução foi oferecida pela Embratel através de
sua frota de satélites. Em 1991, a Embratel iniciou a operação de uma estação
HUB compartilhada com tecnologia TDMA, localizada inicialmente no Rio de
Janeiro e depois transferida para São Paulo. Nesta outra modalidade, há um
compartilhamento da estação HUB e das portadoras outbound e inbound entre
vários usuários. Hoje, já existem no país, VSATs interligadas à estações HUB no
exterior, utilizando satélites em Banda C da organização Intelsat. Mais
recentemente, a Embratel passou a oferecer outras modalidades de serviços em
banda Ku, através de segmento espacial contratado à Intelsat, embora sem
cobertura em todo o território nacional, permitindo a entrada em operação da
primeira rede VSAT nessa banda de freqüências adquirida por uma grande
indústria do setor automotivo. Acordos com países da América Latina estão
30
sendo negociados, o que ampliará a utilização transfronteira de redes VSAT a
partir do Brasil, como o que está sendo feito pela operadora de satélites Star
One/Embratel.
As redes VSAT passaram a disputar o mercado de comunicação de dados
até então ocupado por sistemas terrestres de linhas dedicadas e de comutação
de pacotes. Atrasos na disponibilização e baixa qualidade das linhas de
comunicação de dados terrestres, muitas vezes a não existência das mesmas e
ainda a dificuldade em fazer negócio com mais de um provedor de serviço eram
e continuam sendo, motivos determinantes na opção por redes VSAT.
Com o novo cenário de competição que se configura com a entrada da
Hispamar como concorrente à Star One/Embratel, aguarda-se um grande
aumento no número de redes VSAT operando no país. Deve-se esperar também
que a tecnologia se desenvolva no sentido de taxas de bits mais elevadas,
adequando-se às novas técnicas de transmissão, protocolos, perfis de tráfego e
aplicações. [3]
2.6 Sistemas VSAT
A respeito das Redes VSAT em si, existem três tipos de topologia: Estrela,
a Mesh e a Híbrida. Na Topologia Estrela da Figura 2.12, todos os terminais
VSAT estão conectados a uma grande Estação Terrena denominada HUB, ou
Master, que age como um grande hub (das redes LAN), ou seja, não é possível
que uma VSAT se comunique com outra sem que o tráfego passe pela HUB. A
Figura 2.11 [55] ilustra a HUB, o satélite e o terminal remoto. Para existir uma
comunicação VSAT-VSAT, devem ser utilizados dois saltos (duas subidas e
duas descidas ao satélite). Isto representa um incoveniente: o dobro do retardo
para esta comunicação deve ser computado quando comparada à de único
salto. Esta estação central contém toda inteligência para controlar a operação, a
configuração e o tráfego da rede. É função também da HUB, armazenar
informações referentes ao desempenho, status e níveis de atividade de cada
terminal VSAT. É possível dizer ainda que se trata de uma topologia estática,
porém flexível no sentido operacional. Em termos econômicos, esta topologia
somente se torna viável para um grande número de estações.
31
Figura 2.11: Arquitetura convencional para redes VSAT
Figura 2.12: Topologia em Estrela
Figura 2.13: Estação Terrena ou Teleporto onde a HUB fica localizada
A Figura 2.13 acima, retrata uma fotografia registrada em 2005 da Estação
Terrena de Guaratiba no Rio de Janeiro, administrada pela StarOne/Embratel.
Uma estação como esta abriga todas as funções de gerência de uma rede via
satélite.
A Topologia Mesh ou Topologia Hubless Full-Mesh permite que todos os
terminais comuniquem diretamente entre si sem necessidade da existência de
uma HUB, a não ser para desempenhar funções de gerência. Esta topologia, já
com inúmeras redes espalhadas pelos continentes, obriga as estações remotas
a possuírem antenas maiores e com capacidade para transmitir sinais com maior
potência diretamente através do satélite. Essa topologia é mais recomendada na
comunicação VSAT-VSAT para aplicações como a voz, onde o retardo é um
fator determinante para a definição da qualidade da comunicação. Embora
existam exemplos de sistemas VSAT sem HUB por comutação de pacotes, os
32
mais comuns no mercado utilizam comutação de circuitos, com canais do tipo bit
pipe, sem portanto emulação de protocolos. Pode-se dizer que esta topologia
age de forma dinâmica e é bem mais flexível que a Topologia em Estrela. Ela se
torna mais econômica com um pequeno número de estações terminais.
A Topologia Híbrida permite que um grupo de VSATs se comunique
através da topologia em Estrela e outro grupo através da topologia Mesh, sendo
bastante útil quando determinado grupo de terminais têm muito mais demanda
de tráfego entre si, ao contrário do que ocorreria com os outros terminais.
2.6.1 Componentes de um sistema VSAT
O primeiro e mais crítico componente do sistema VSAT é sem dúvida o
satélite. Caso haja algum problema nos seus painéis solares ou no controle do
seu sistema de geonavegação, simplesmente não haverá comunicação. Os
satélites modernos são compostos por dezenas de transponders cada, onde a
largura de banda de cada um deles pode ser combinada de diversas formas,
desde que se mantenha o limite do transponder.
A Figura 2.14 [54] apresenta um diagrama dos componentes de uma rede
VSAT de a Figura 2.15 mostra em algum detalhe, os componentes de um
terminal VSAT.
Figura 2.14: Componentes da rede VSAT
33
Figura 2.15: Componentes de um terminal VSAT
Um terminal VSAT consiste tipicamente de uma antena, equipamentos
externos (outdoor unit - ODU), cabos e conexões e equipamentos internos
(indoor unit - IDU). A antena e a ODU realizam a conversão em frequência e
amplificação do sinal de uplink (Power Amplifier - PA e Frequency Converter) e o
de downlink é realizado pelo módulo LNA. A função da IDU, de uma maneira
genérica, é fornecer a interface para carregar os serviços do usuário. Além disso,
existe o bloco Base Band Controller que limita o uplink e o downlink da
comunicação. O modulador e o demodulador também fazem parte da IDU. O
consumo de energia para o funcionamento das estações VSAT é muito baixo e
em alguns casos a própria energia solar pode ser utilizada para alimentar esses
terminais. A IDU se conecta à ODU por meio de cabos coaxiais, cuja distância
máxima varia de 50 a 100 metros, e onde a transmissão é feita na Frequência
Intermediária (FI), geralmente na faixa de 2GHz.
Com relação à HUB, alguns computadores estão ligados fisicamente a ela.
O primeiro deles é o Host Computer, com função de fornecer a informação
necessária às estações ou conectá-las a uma rede externa. O Information Center
é utilizado para guardar as informações dos clientes podendo ser convertido
para uma estação junto à HUB. E, por fim, o NMS (Network Management
System) utilizado pelo gerente da rede. Através do NMS pode-se controlar os
limites dos canais, o uso, a performance e o tráfego, além de executar
diagnósticos e gerar relatórios estatísticos para cada terminal. A estação
principal, HUB, dispõe de uma antena maior e é capaz de se comunicar com
todas as estações VSAT remotas dos usuários, coordenando o tráfego entre
elas. A estação HUB também se presta como ponto de interconexão para outras
redes de comunicação, como a Internet, redes corporativas ou ainda redes de
voz.
2.6.2 Principais técnicas de acesso
Em todos os sistemas no sentido HUB-VSAT (outbound), são utilizadas
portadoras conduzindo um canal TDM estatístico, tal como numa rede de
34
pacotes terrestre. No sentido contrário, VSAT-HUB, cada esquema de múltiplo
acesso define as características do canal inbound, ou seja, os protocolos de
acesso ao satélite descrevem a forma com que os terminais irão acessar os
recursos de banda do satélite.
Para que as comunicações aconteçam entre as VSATs e a HUB, é preciso
que a uma estação VSAT esteja associado um canal de RF (Rádio Frequência).
Essa associação pode ser permanente ou por demanda, variando
dinamicamente. Quando a associação é permanente, existe um canal fixo para
cada VSAT e temos o método de alocação do tipo PAMA (Permanent
Assignment Multiple Access) ou Acesso Múltiplo com Alocação Permanente. Sua
desvantagem pode estar no desperdício da banda alocada a uma VSAT que
pode não estar transmitindo a todo momento. Quando a alocação é dinâmica
existe um pool de canais administrados pela estação HUB do qual são alocados
os canais para cada VSAT na medida em que são solicitados e para o qual são
liberados ao término do uso. Neste caso, temos o método de alocação DAMA
(Demand Assignment Multiple Access) ou Acesso Múltiplo com Alocação por
Demanda.
Seja a alocação de canais PAMA ou DAMA, existe uma variedade de
métodos de acesso e compartilhamento de canais que estão relacionados
diretamente com a performance de uma rede VSAT. Uma rede bem
dimensionada deverá utilizar portanto, protocolos específicos para alcançar a
maior performance para uma determinada aplicação, enquanto minimiza a banda
requerida no satélite.
As técnicas de acesso no sistema VSAT são muitas, variando de
fabricante para fabricante. As principais delas são o Aloha, Slotted-Aloha, DAMA,
TDMA, FDMA e CDMA. Códigos corretores, mencionados anteriormente, como o
FEC com taxas de 1/2 ou 3/4 e detectores de erros são freqüentemente usados
nas técnicas de acesso para auxílio na correção de erros, ambos através de
redundância. Novamente, a técnica de acesso está intimamente ligada à
aplicação e topologia utilizada.
Utilizando-se o Aloha, quando um dado terminal tem um quadro, ele
transmite instantaneamente, mesmo se o canal estiver sendo utilizado. O
terminal, em seguida, “ouve” o meio e caso perceba que este está ocupado,
respeitando o tempo de atraso inerente, ele assume que a mensagem foi
enviada com sucesso. Caso contrário, ele aguarda um tempo aleatório para
retransmitir o quadro. Alguns sistemas reconhecem se o quadro foi devidamente
transmitido por meio de um ACK vindo da HUB.
35
O Slotted-Aloha é uma versão melhorada do Aloha simples e tem como
objetivo fazer com que as colisões se sobreponham o máximo possível. O
método utilizado foi fazer com que as transmissões dos quadros só possam
ocorrer em períodos determinados, denominados de slots. Assim, um quadro
não pode interferir com outro que já esteja na metade de sua transmissão. Os
slots são de iguais períodos de tempo e este sistema praticamente dobra a
eficiência em relação ao anterior. A sincronização dos slots se dá através do
clock-master da HUB, que considera assim, as diferentes distâncias dos
terminais.
O TDMA (Time Division Multiple Access) permite que os usuários acessem
a capacidade alocada no transponder através do compartilhamento de tempo,
onde a cada instante um terminal utiliza os recursos disponíveis para realizar sua
comunicação, sendo o método mais utilizado nas redes VSAT comerciais. A
variante mais utilizada dentro desta técnica é o TDMA-DA (Demmand
Assignment) onde a HUB fica responsável por alocar o slot para cada terminal
VSAT de acordo com a transmissão previamente requerida. Com esta tecnologia
é possível atender a vários tipos de perfis de tráfego de usuário, desde o mais
interativo até as simples transferências de arquivos.
O FDMA (Frequency Division Multiple Access) consiste na técnica de
acesso mais simples e utiliza diferentes portadoras na transmissão dos
diferentes canais possibilitando a transmissão simultânea sem prejuízo por
interferência. Assim, obtém-se para cada transponder a divisão em freqüência
dos canais. O esquema FDMA se apresenta extremamente ineficiente em
termos de ocupação de segmento espacial para tráfegos interativos.
Nas redes VSAT que utilizam CDMA (Code Division Multiple Access), cada
terminal recebe um número pseudo-aleatório único utilizado para codificar e
decodificar suas transmissões. Várias VSATs podem transmitir simultâneamente
na mesma freqüência, sendo os sinais separados na recepção pela HUB. A
transmissão da HUB também é codificada da mesma forma, porém um único
código é atribuído a ela, o que permite a recepção por todos os terminais. O
CDMA se caracteriza por ser um método ineficiente de se usar a capacidade do
satélite, no entanto tem grande resistência a interferências externas além de
gerar menos interferência que os outros métodos.
Por fim, no DAMA (Demand Assignement Multiple Access), quando um
terminal VSAT deseja realizar uma transmissão, este terminal requisita um slot
no tempo ou freqüência. A atribuição do slot ou freqüência somente é
concretizada após a conclusão da transmissão. Esta técnica de acesso por
36
demanda é a técnica utilizada para os serviços de telefonia convencional
garantindo uma qualidade mínima do serviço, pois as portadoras são assumidas
aos pares, uma para o sentido HUB-VSAT e outra no sentido VSAT-HUB. Redes
que implementam esse tipo de técnica são normalmente usadas para oferecer
circuitos de voz. A Figura 2.16 [56] ilustra esta rede.
Figura 2.16: Rede VSAT DAMA/SCPC típica
Uma combinação das técnicas TDMA e FDMA, a FTDMA (TDM/TDMA) é a
mais utilizada para acesso à rede satélite e sua representação é a da Figura
2.17 [56]. Uma portadora única, formada pela multiplexação de todos os pacotes
que serão direcionados para as diferentes VSATs na rede, é utilizada para envio
da informação da HUB para as VSATs. Cada VSAT é capaz de receber todo o
tráfego do outbound, mas ela é limitada a decodificar somente os pacotes
destinados a ela. O enlace VSAT-HUB é composto por diversas portadoras
inbound onde seu número é dependente do tamanho da rede a qual é acessada
pelas VSATs em uma determinada frequência e em um determinado tempo.
Nessa técnica, antes dos dados serem transportados pela rede, eles devem ser
empacotados, cada pacote contendo um endereço que identifica um terminal
dentro do domínio de um sistema VSAT. O receptor (VSAT ou HUB) deve
reconhecer o correto recebimento do pacote. Se algum ruído, colisão ou outro
evento corromper o mesmo, o receptor impedirá que ele chegue ao destino e
não enviará uma confirmação. O pacote portanto, deverá ser retransmitido no
próximo período de tempo permitido.
37
Figura 2.17: Esquema de rede VSAT TDM/TDMA típica
2.6.3 Aplicações das VSATs
As aplicações que podem ser oferecidas pela tecnologia VSAT, podem ser
classificadas da seguinte forma:
One-way
Corresponde a aplicações mais simples e comuns onde voz, vídeo e dados
são transmitidos a partir da estação Master, e recebidos pelos diversos terminais
distribuídos pela área de cobertura de um satélite. Desta forma, poderíamos
pensar que qualquer terminal VSAT não autorizado seria capaz de receber este
sinal, porém, a operadora da rede pode controlar o acesso a essas aplicações,
restringindo-as somente a um grupo de interesse. Exemplos de aplicações
atendidas via broadcasting (sem restrição de destino) ou ainda multicasting (com
restrição de destino) são difusão de vídeo (eventos ao vivo), áudio, arquivos, etc.
Two-way
Permitem aplicações que utilizam os dois sentidos de comunicação.
Aplicações estas, que podem ser serviços de dados, voz ou até mesmo de vídeo
interativo, ou conferência. Este último, atendendo a localidades não cobertas por
infra-estrutura da Rede Pública de Telefonia, tipicamente as rurais, como
mencionado no início deste texto. Uma única linha de voz pode ser transmitida
por meio de uma VSAT ou até mesmo um conjunto delas, terminando em
seguida em um PABX no site do usuário/cliente.
2.6.4 Vantagens e desvantagens da tecnologia VSAT
Sem dúvida que poder transmitir informações para vários usuários
separados a quilômetros de distância de uma forma tão rápida é, e continuará
38
sendo uma vantagem sobre qualquer outro meio de comunicação. Aplicações
militares para esta tecnologia não faltam, já que guerras sempre ocorreram e,
pelos recentes fatos, continuarão ocorrendo espalhadas por todo o globo.
Porém, o uso de ondas eletromagnéticas em uma transmissão, ainda mais
envolvendo áreas enormes, traz um ponto à discussão: a segurança. Mesmo em
sistemas que possuem os focos das antenas dos satélites pontuais, não são
raras as transmissões que usam encriptação para garantir que somente pessoas
autorizadas tenham acesso aos dados transmitidos. No entanto, existem
problemas a serem tratados como os efeitos atmosféricos, que afetam de forma
diferente as diversas bandas de transmissão, e o retardo de propagação que
afeta principalmente as aplicações que exigem respostas em tempo real, tal
como a voz.
Depois de mencionados alguns problemas presentes nos sistemas VSAT,
podem ser abordadas as suas vantagens, a começar pela rapidez. Relatos de
instalações práticas mostram que redes VSAT podem ser implementadas em
poucos dias. Isto se deve a uma característica importante dos sistemas, o
amadurecimento e a não utilização de um meio físico fixo. Além de vários
problemas já terem sido detectados e solucionados, o amadurecimento de uma
tecnologia traz a vantagem do custo menor. Como custo, tempo e conhecimento
dos problemas são fatores importantes em aplicações comerciais, uma
comparação, analisando estes tópicos, sempre deve ser feita entre tecnologias.
Além dessa vantagem, pode-se ainda destacar seu menor custo diante de
enlaces dedicados terrestres; a grande variedade de aplicações de dados, voz e
vídeo; a alta escalabilidade; sua insensibilidade quanto à distância entre a VSAT
e a HUB e, por fim, a eliminação do problema da última milha.
Levando-se em consideração que localidades mais distantes são sempre
deixadas para segundo plano no que diz respeito a comunicações, unidades
fabris e pequenos aglomerados rurais sempre podem contar com este meio de
transmissão. Localidades insulares com pouca infra-estrutura e veículos de
mobilidade intercontinental são possíveis candidatos a possuírem VSAT.
39
3 Propagação em sistemas via satélite
Este capítulo trata da propagação Terra-Espaço (uplink) e Espaço-Terra
(downlink) para estabelecimento da comunicação entre as Estações Terrenas e
os satélites geo-estacionários para frequências em Banda Ku (da ordem de
12GHz para downlink e 14GHz para uplink). O estudo da propagação em ambos
sentidos da comunicação, é somente um dos componentes que está presente
nos cálculos de enlace.
Os cálculos de enlace procuram realizar um balanceamento dos ganhos e
das perdas associadas a uma rede de comunicações, no caso, via satélite, de
forma a estimar a performance real fim-a-fim dos níveis de potência,
dimensionamento das remotas e qualidade da comunicação. Para se chegar a
uma resposta o mais próxima da realidade possível, um completo e detalhado
estudo se faz necessário. Além disto, outros fatores devem ser considerados
como os ganhos das antenas transmissora e receptora, as dimensões das
mesmas e seus ângulos de elevação, as perdas associadas aos cabos, as
interferências e os ruídos, além dos efeitos atmosféricos.
O que este capítulo traz é uma apresentação dos principais fatores que
devem ser considerados quando de um estudo de enlace, aprofundando alguns
itens quando necessário, mas não representa um estudo profundo e totalmente
completo sobre todos esses fatores.
3.1 Enlace de comunicação via satélite
Os componentes básicos de um enlace satélite podem ser apresentados
como se segue:
• Subida do sinal pela Estação Terrena;
• Caminho de subida até o satélite;
• Caminho de descida até a Estação Terrena;
• Descida do sinal na Estação Remota
O sinal de subida em uma Estação Terrena (HUB ou Master) é quase
sempre compartilhado entre os vários clientes, ou seja, apesar de em algumas
redes existirem equipamentos (de rede, encapsuladores IP em MPEG,
40
moduladores, etc...) de clientes diferentes dedicados na Estação Terrena, a
combinação de cada um dos sinais se faz necessária para que seja possível a
subida ocorrer na mesma antena da Estação Terrena Master.
A Figura 3.1 apresenta o diagrama geral com os conceitos já estudados e
as Figura 3.2, 3.3 e 3.4, respectivamente, os elementos de subida de uma
Estação Terrena, os elementos básicos de um satélite de comunicação, e os de
descida de uma Estação Remota. Vale mencionar que o conversor de subida
representado na Figura 3.2 possui características que dependem do transponder
e do satélite.
Figura 3.1: Diagrama geral de um enlace satélite
Figura 3.2: Elementos de subida em uma Estação Terrena
Figura 3.3: Elementos básicos de um satélite de comunicação
Figura 3.4: Elementos de descida em uma Estação Remota
41
3.2 Enlace de uplink
Um enlace de subida ou uplink de um satélite pode ser caracterizado,
assim como um enlace de descida, pela composição dos seguintes elementos:
• Transmissor e antena transmissora da Estação Terrena;
• Caminho entre transmissor e receptor (atmosfera e espaço);
• Antena receptora e receptor do satélite
Um estudo de uplink é preparado para avaliar a performance de
equipamentos em uso no enlace, para determinar a capacidade de um
determinado conjunto de equipamentos, e sua contribuição para a performance
global do sistema. A Figura 3.5 [52] exemplifica de uma forma bastante
generalizada os níveis de potência de um uplink. Uma representação como esta
é muito utilizada e normalmente recebe o nome de “Perfil do Enlace Satélite”,
que pode ser bem mais detalhada do que a da Figura 3.5, exibindo as diversas
contribuições de ganhos e perdas fim-a-fim.
Figura 3.5: Níveis de potência no uplink
A Figura 3.5 traça os níveis de potência de um uplink típico (Terra-
Espaço), onde uma estação “A” gera cerca de 1.000W ou 30dBW de potência e
possui uma antena com ganho de 50dBi. Desta forma, a potência de saída da
estação transmissora será de 30dBW + 50dBi = 80dBW. A atenuação de espaço
livre (devido ao espalhamento do sinal) em por exemplo 6GHz (Banda C) reduz
a potência para cerca de -119dBW ao chegar ao satélite “B”. O ganho
42
proporcionado pelo satélite eleva a potência do sinal novamente para que seja
possível sua recepção na estação do usuário final.
Porém, um cálculo de enlace não é tão simples como o exemplo dado.
Diversos outros fatores devem ser levados em consideração e para isso, um
modelo para o cálculo dos ganhos e perdas associadas à propagação através de
um meio compreendido pela atmosfera e espaço, pode ser seguido como sugere
[44].
Neste capítulo, o conjunto de fatores que contribuem para as cálculos de
desempenho de um enlace são apresentados. No capítulo 6, um estudo de caso
procura avaliar a ocupação de segmento espacial e o dimensionamento das
estações em atendimento a uma demanda de tráfego proveniente da rede WiFi
onde são executadas as aplicações dos usuários finais.
Do ponto de vista de um link budget, a Estação Terrena é o componente
onde se inicia o processo de cálculo do enlace de RF. A Master possui uma
potência de transmissão saturada que é especificada pelo fabricante dos
elementos de transmissão e é dado em dBW, após a passagem do sinal de
origem pelo modulador e o conversor de subida.
A esta potência, reduz-se um valor em dB referente ao backoff do sistema
de transmissão que é dado para um conjunto de “n” portadoras. Este parâmetro
é dependente dos planos de frequência da estação e do satélite, do tamanho,
número e espaçamento das portadoras, da susceptibilidade à interferência do
método de modulação, das características de transferência de entrada-saída dos
dispositivos não-lineares, etc. Representa quanto o ponto de operação do
amplificador está afastado do seu ponto de saturação. Normalmente, assumem-
se valores entre 4 e 8dB e podem ser definidos o backoff de entrada (BOi) e o
backoff de saída (BOo) do amplificador.
A Figura 3.6 [52] apresenta este conceito. Para múltiplas portadoras por
transponder tem-se um BOi = 8dB e BOo = 6dB. Quanto maior for o número de
portadoras em um mesmo TPDR, maior deverá ser o valor do BOo.
43
Figura 3.6: Curva de transferência de um amplificador do tipo TWT
O gráfico da Figura 3.6 acima apresenta a curva para um amplificador de
potência do tipo TWT, porém, existem outros tipos e os mesmos apresentam
curvas de não-linearidade diferentes entre si. Os amplificadores de potência
podem ser classificados como na Tabela 3.1 [52]:
SSPA Amplificadores de estado sólido
(solid state power amplifier) Para potências de saída até 100W
MPA
Amplificadores de média potência
(medium power amplifiers)
TWT (travelling wave tube)
Para potências entre 100W e 700W
HPA Amplificadores de alta potência
(high power amplifier) Para potências de saída superiores a 700W
Tabela 3.1 – Tipos de amplificadores
Os amplificadores de estado sólido possuem uma resposta mais linear que
por exemplo, os de média potência ou TWT. Este último conceito também é
muito importante quando da determinação do tipo de TPDR a ser utilizado em
um satélite, pois refletirá em um valor de back-off diferente para um caso ou
outro.
Em seguida, à saída do amplificador de potência, o sinal atravessa a linha
de transmissão e está sujeito às perdas associadas a este caminho. Estão
incluídas as perdas devido à atenuação dos cabos e guias, as perdas de
conexão, etc. Dizem respeito ainda, aos filtros, diplexadores, comutadores,
combinadores, acopladores direcionais, alimentador da antena, etc. Valores
típicos totais chegam a 2dB para grandes estações e 0,5dB para as de pequeno
porte, como as VSATs.
44
A potência entregue ao sistema da antena, é submetida então a um ganho.
Ganho este que está associado às dimensões da mesma, sua eficiência e a
frequência de operação. O ganho da antena é expresso em dBi e pode ser
representado através da fórmula geral:
2
4
λ
ηπ aAG = (3.1)
Onde:
4
2D
Aπ
= é a área da antena (m2)
ηa = é a eficiência da antena (%)
λ = é o comprimento de onda (m)
Representando a eq. (3.1) em termos de dB, tem-se:
G = 20,4 + 20 log D(m) + 20 log f(GHz) + 10 log ηa (dBi) (3.2)
Figura 3.7 – Ganho da antena
Através da Figura 3.7 [52] pode-se identificar claramente o ganho de uma
antena a partir do seu diâmetro e sua frequência de operação. Para antenas de
grandes estações terrenas, como as HUBs, pode-se considerar uma eficiência
da ordem de 65% a 75%. Sendo assim, se for considerada uma eficiência de
45
69%, deve-se adicionar 1dB ao valor encontrado no gráfico da Figura 3.7.
Valores um pouco menores são encontrados em antenas alocadas para os
pontos remotos.
Ao resultado de todas as contribuições, tanto positivas quanto as negativas
no sistema de transmissão, dá-se o nome de EIRP, ou Potência Equivalente
Isotropicamente Irradiada. Este é o valor efetivo da potência que será transmitida
ao meio de propagação, onde o sinal sofrerá atenuações e interferências que
degradarão o nível de potência até a chegada ao satélite, em órbita geo-
estacionária. Com base no exemplo da Figura 3.8, pode-se encontrar uma
potência de entrada de 10dBW e uma antena de 6m de diâmetro que levam a
um ganho da ordem de 58dBi e uma EIRP de aproximadamente 67dBW. O
gráfico da Figura 3.8 [52] a seguir, considera uma frequência f = 14,25GHz para
uplink e uma eficiência de 65%.
Figura 3.8 – EIRP em 14,25GHz
Além dos parâmetros que acabaram de ser apresentados, outros ainda
podem e devem ser levados em consideração quando do cálculo da potência de
saída de um sistema de transmissão de uma estação terrena.
O primeiro deles é a margem a ser considerada. Esta é utilizada para se
levar em conta o efeito provocado pelo desvanescimento na onda transmitida
46
durante todo o seu caminho até o destino, seja ele da estação até o satélite, seja
ele no enlace de descida. Normalmente assumem-se valores típicos de 3dB para
enlaces em banda C e entre 7dB e 8dB para enlaces em banda Ku, objeto deste
estudo. Estes valores permitem que a disponibilidade do link fique em torno de
99,5%, ou seja, em 0,5% do tempo o sinal será atenuado em mais que 3dB, ou
7dB a 8dB, respectivamente em banda C e Ku. [44]
Um outro fator é a perda por apontamento da antena transmissora ou
receptora. Devido ao vento, neve, deformidades na fundação, etc... a antena
pode perder o alinhamento com o satélite. Estações que possuem um
mecanismo de “traqueamento”, não sofrem com este problema e a perda é nula
para estes casos. As demais antenas, assim como as remotas, estão sempre
sujeitas a este incômodo e para tal, são considerados valores típicos da ordem
de alguns décimos a 1dB dependendo da largura do feixe da antena
transmissora. Pode-se assumir por exemplo que, para antenas maiores de 4,5m
de diâmetro, a perda é de 1dB para a transmissão e 0,5dB para a recepção.
Para antenas menores que 4,5m, tem-se 0,3dB e 0,2dB para a transmissão e
recepção, respectivamente.
Ainda existe a ocorrência do desapontamento das antenas devido ao
movimento que o satélite realiza em sua órbita. Movimento este que também
deve ser levado em conta e para tal, acrescenta-se uma perda de alguns
décimos a 1dB no cálculo da potência transmitida pela estação. O valor máximo
pode ser utilizado para antenas da ordem de 8m de diâmetro, e, para as demais,
0,5dB é bastante suficiente.
A interferência de satélite adjacente e a interferência de polarização
cruzada não podem deixar de ser comentados aqui. O primeiro, diz respeito à
existência de satélites próximos (o espaçamento atual regulamentado
mundialmente é de 2° entre satélites em órbita geo-estacionária o que
representa muitas centenas de quilômetros) ou mal construídos e que acabam
por gerar sinais espúrios que afetam os demais sistemas de comunicação,
atingindo suas estações terrenas. A sua contribuição, como perda, aumenta
conforme o diâmetro das antenas cresce, desta maneira, sua contribuição nas
recepções é um pouco menor que para as estações transmissoras de grande
porte.
Já o segundo, este diz respeito ao transbordo de potência em outras
direções de polarização e também pode ser maior conforme o aumento do
tamanho da antena. A EIRP quando calculada tomando como influência todas
estas condições, pode ser considerada como a EIRP de pior caso.
47
3.3 Terra-Espaço
Uma vez emitido por meio da antena de transmissão, o sinal inicia sua
caminhada através da atmosfera e o espaço. Até sua chegada ao satélite,
normalmente posicionado a 36.000Km de distância da superfície terrestre em
uma órbita geo-estacionária, dependendo é claro da localização da estação
transmissora (se logo abaixo da linha do satélite ou em um extremo de cobertura
do mesmo) a onda propagada sofrerá diversas intempéries.
A primeira delas é a que estará presente em qualquer condição de
propagação, que é a chamada “perda de espaço livre”. A mesma diz respeito à
perda associada inversamente ao quadrado da distância percorrida por uma
onda eletromagnética em um meio como o espaço livre e diretamente à sua
frequência de operação.
Este valor é encontrado a partir da eq. (3.3):
A0 = 92,44 + 20 log D (Km) + 20 log f (GHz) (3.3)
Através do gráfico da Figura 3.9 [52], também é possível obter-se o valor
para a atenuação em espaço livre. É importante que seja observada a posição
da estação terrena com relação ao satélite. Caso a estação terrena esteja
exatamente sob a projeção do satélite sobre a Terra, a distância a ser
considerada é de h = 35.786Km. Caso a estação terrena esteja em uma posição
tal que a borda de cobertura do satélite recaia sobre ela (no horizonte visto do
satélite), a distância a ser considerada é de H = 41.680Km. Este segundo caso,
fornece uma atenuação de espaço livre maior, obviamente. A Figura 3.10 torna
imediata esta visão.
48
Figura 3.9 – Atenuação em espaço livre para satélites geo-estacionários
Figura 3.10 – Posição da estação terrena em relação ao satélite
Além desta perda, existem outras que estarão presentes neste tipo de
meio como a perda atmosférica. Esta é proveniente das características de
composição do meio atmosférico, ou ar. Sabe-se de antemão que o ar é
composto por gases diversos, névoa, poluição, vapor d´água e chuva. Estes
componentes atenuam o sinal que por eles atravessa, absorvendo sua energia.
Para frequências acima de 10GHz são significantes as perdas
relacionadas à atenuação por chuvas e à absorção por oxigênio e vapor d’água,
49
pois o comprimento de onda para estas frequências passa a ser tão pequeno
quanto o tamanho das partículas destes gases e passam portanto, a absorver
energia. Os sistemas de comunicação via satélite que operam com frequências
na faixa compreendia pela banda Ku, Ka e outras mais altas, consideram estes
efeitos em seus cálculos de enlace. A Figura 3.11 [52] mostra a atenuação
específica (dB/Km) associada a estas perdas. A curva que representa o nevoeiro
considera uma concentração de 0,1g/m3. Também é apresentada a absorção por
gases (oxigênio e vapor d´água).
Figura 3.11 – Perdas atmosféricas
Os efeitos provocados pelas chuvas são ainda mais graves como pode ser
visto no mesmo gráfico. Em comparação com a atenuação provocada pelos
gases, em dB elas podem ser até 1.000 vezes mais agressivas, dependendo é
claro de sua intensidade. A Figura 3.11 mostra três níveis de curva
representando o efeito das chuvas, para precipitações de 0,25mm/h, 25mm/h e
150mm/h. Porém, o regime de chuvas varia de região para região em torno do
planeta e também, obviamente com a época do ano. Para que seja possível
realizar um estudo de enlace em uma determinada localidade, é muito
importante conhecer o seu regime de chuvas. Diversos modelos são
encontrados na literatura e nos órgãos de telecomunicações como a UIT, mas
estes são baseados em informações bastante genéricas que por muitas vezes
não refletem a verdadeira realidade.
Não é objeto deste trabalho realizar um estudo destes modelos, mas sim
contribuir com informações que possam auxiliar na obtenção de resultados o
50
mais próximos da realidade. Para tanto, existem modelos regionalizados
desenvolvidos por centros de estudo e pesquisa, baseados em medidas de
campo reunidas ao longo de décadas que retratam de maneira bastante fiel
essas características.
3.4 Satélite
Após atravessar todo o meio de propagação e enfrentar os intempéries, o
sinal de comunicação é então recebido pela antena de recepção do satélite. Esta
antena promove um ganho no mesmo, da ordem de 20dB e em seguida
encaminha o sinal aos transponders.
Um satélite é composto por uma gama de TPDRs e cada um deles
trabalha com uma determinada faixa de frequências. Cada TPDR é composto
por receptor, conversor e amplificador como é visto na Figura 3.3. O conversor é
utilizado para realizar a mudança entre as frequências de operação de subida do
sinal e a de descida, o retorno à Terra.
O componente de amplificação do satélite é o que dá a maior contribuição
para elevar o nível do sinal recebido bastante degradado. Valores alcançados
podem chegar a 180dB de ganho ou ainda mais.
A temperatura de ruído do sistema de recepção do satélite é determinada
para que se possa em seguida verificar a sua figura de mérito, que nada mais é
que a sensibilidade da antena receptora do satélite na direção da estação
transmissora. Para se chegar a um valor de ruído, é importante que seja levado
em conta o ruído da antena, dos alimentadores, do próprio receptor, etc. A
temperatura de ruído é dada em K (Kelvin) e pode ser expressa em dB (dBK =
10logK). A figura de mérito é então obtida através da relação G/T (dBi/K) e
normalmente é fornecida pelo operador do satélite através dos mapas de
cobertura.
Voltando à questão do posicionamento da estação terrena sob a cobertura
do satélite, quando a mesma não está alinhada com o centro do feixe de
descida, deve ser introduzida uma perda associada a esta diferença. A esta
perda, dá-se o nome de off-beam center loss.
Por fim, deve-se considerar um valor de backoff (redução da
intermodulação) que está relacionado aos TPDRs do satélite e extrair a EIRP
efetiva do satélite a partir da EIRP de saturação. A EIRP de saturação pode ser
obtida a partir dos mapas de cobertura do satélite, buscando utilizar o valor
correspondente ao ponto de recepção. Este é um valor que não muda no sentido
51
da recepção, ao contrário do que ocorre no sentido da transmissão, estação-
satélite.
Com o valor para a EIRP efetiva, é possível determinar mais um parâmetro
bastante importante quando da determinação de um link budget. É o nível de
iluminação do satélite ou densidade de fluxo de potência (DFP) expresso em
dBW/m2. Para o cálculo, deve-se seguir a eq. (3.4):
DFP = EIRP – k (dBW/m2) (3.4)
Onde:
k = 163,3 para pontos no extremo da curvatura da Terra com cobertura
satelital
k = 162,0 para pontos diretamente abaixo do satélite
3.5 Espaço-Terra
O sentido de comunicação do downlink é basicamente o inverso do uplink.
Os transmissores do satélite geralmente utilizam valores de potência muito
abaixo dos utilizados pelas estações terrenas (inclusive por este motivo é que
são utilizadas frequências menores para downlink do que para o uplink – 12GHz
e 14GHz em Banda Ku) e precisam amplificar um quantidade bastante grande
de sinais devido à subdivisão de determinada faixa do espectro em diversos
transponders ao contrário das estações remotas que manipulam apenas um
sinal na transmissão.
Novamente, uma atenuação é então introduzida no enlace devido à
propagação em espaço livre e aos efeitos atmosféricos. Vale mencionar, que
quanto maior for a região a ser percorrida pelo sinal em presença de chuva por
exemplo, maior será a atenuação imposta ao mesmo. É curioso observar
também que, pode haver a situação em que uma estação terrena, recebendo ou
transmitindo o sinal esteja em uma localidade com bom tempo, mas que durante
o percurso das ondas eletromagnéticas, em algum lugar está uma coluna de
chuva. Neste caso, apesar da estação não estar diretamente sofrendo a ação
das chuvas, o sinal atravessa uma localidade que está tendo este impacto e
assim a disponibilidade do enlace cai, às vezes sem se saber exatamente o por
quê. O risco deste problema ocorrer é maior com remotas instaladas com baixo
ângulo de elevação.
52
3.6 Estação Terrena
Um parâmetro bastante importante quando do cálculo de um enlace via
satélite é a chamada figura de mérito de uma estação. Este parâmetro é
representado pela razão entre o ganho associado à antena em análise e o
somatório de todos os ruídos que a ela influenciam, ou seja, a temperatura de
ruído do sistema (Ts). Assim, tem-se G/Ts.
Para o cálculo da figura de mérito de um sistema de recepção, é preciso
primeiramente definir o ganho G (dBi) e a temperatura de ruído do sistema (Ts).
O ganho da antena pode ser descrito como o da eq. (3.2). Já a
temperatura de ruído do sistema, esta é dependente de uma série de fatores que
contribuem para a determinação de um valor final de Ts em Kelvin (K).
Basicamente, o ruído do sistema pode ser subdividido em: ruído térmico (subida
e descida), ruído de intermodulação (estação terrena e TPDR) e interferência
(subida e descida).
Com alguma simplicidade, pode-se dizer que o ruído de intermodulação é
causado pelas frequências resultantes da diferença entre as diversas portadoras
que entram em um amplificador. Se f1 e f2 são frequências de duas portadoras
distintas, as mesmas sofrerão da interferência resultante dos seus produtos de
intermodulação 2f2 – f1, 2f1 – f2, 3f2 – 2f1, etc...além de compartilharem a
potência do amplificador.
A inserção de um filtro procura eliminar os harmônicos de uma única
frequência reduzindo a intermodulação. Este filtro possui um parâmetro
denominado de fator de roll-off que molda os extremos da curva representada
pelo filtro e sua capacidade de eliminar as frequências indesejadas. Uma
determinada portadora, centrada em uma frequência específica, ocupa uma faixa
no espectro de frequências e para que seja minimizado o efeito da
intermodulação, a mesma deverá estar afastada de tal maneira que o filtro seja
capaz de eliminar a maior parcela de contribuições negativas. Assim, pode-se
expor a expressão E = B (1 + α), onde E é o espaçamento entre as portadoras, B
é a banda ocupada por uma portadora e α é o fator de roll-off.
Além disto, o uso do back-off também contribui favoravelmente. Para o
caso em que é utilizada somente uma portadora, não há intermodulação e não
haveria a necessidade do uso do backoff, porém, de uma forma geral, utiliza-se
1dB para o mesmo. Uma forma de se utilizar valores menores de backoff quando
em presença do ruído de intermodulação, é através do emprego de
53
linearizadores que transformam uma curva típica como a da Figura 3.6
aumentando a região linear de trabalho.
Na Figura 3.12 [52] a seguir, são apresentados os fatores que contribuem
com a magnitude de Ts.
Figura 3.12 – Influências sobre Ts de um sistema de recepção
Como é apresentado através da imagem acima, existe a temperatura de
ruído inerente à Terra (290K), o ruído cósmico (constante em 2,76K), a
temperatura de ruído devido à precipitação (Taten), dos componentes da antena
de recepção, da linha de transmissão, os ruídos troposféricos, os associados às
construções próximas, o solar, o lunar e o galático que varia conforme a
frequência e direção de operação. Para frequências acima de 4GHz, o ruído
galático pode ser desprezado [52].
Para os ruídos cósmico, galático e da Terra, podem ser utilizados os
valores mencionados acima entre parênteses. A temperatura de ruído
troposférico varia conforme o ângulo de elevação da antena e da frequência de
operação, como pode ser observado na Figura 3.13 [52]. Ao fixarmos um valor
para o ângulo de elevação, teremos que com o aumento da frequência de
operação, a temperatura de ruído troposférico se eleva. O mesmo vale para o
caso em que se fixa uma frequência e reduz-se o ângulo de elevação da antena;
o ruído aumenta.
54
Figura 3.13 – Temperatura de ruído troposférico
A precipitação pode ocorrer de diversas formas: névoa, chuva, neve ou
granizo. Onde para frequências entre 10GHz e 20GHz somente a chuva é
considerada e acima disto também a névoa. A neve normalmente não causa
atenuação considerável, a menos que se acumule na superfície da antena
criando uma nova superfície refletora que distorce o diagrama da antena e seu
ganho. Hoje, existem sistemas de antenas que impedem a formação de gelo e o
acúmulo de neve no seu refletor.
A precipitação por chuva causa um aumento na temperatura de ruído além
de atenuar o nível de sinal. A eq. (3.5) utilizada para estimar este valor de ruído
é a que segue:
( )[ ]10/101 atenL
maten TT−−= (3.5)
Onde:
Tm = temperatura de ruído da Terra = 290K
Como forma de encontrar os valores de Laten em um cenário de chuva
intensa, pode-se utilizar a Figura 3.14 [52]. A mesma considera uma antena
apontada segundo um ângulo de elevação de 30°. Tomando um estudo para
banda Ku, pode-se montar a Tabela 3.2 [52] para uma precipitação da ordem de
40mm/h, considerando-se os lóbulos principal, lateral e traseiro.
55
Figura 3.14 – Temperatura de ruído versus atenuação por chuvas intensas
Elemento Lóbulo Temperatura (K) Fator peso Temperatura final (K)
Ruído de precipitação
atmosférica devido às
fortes chuvas
(40mm/hr) em 12GHz
Principal 215 1 215
Terra e objetos Lateral
Traseiro
290
290
0,05
1
14,5
29
Ruído Galáctico Principal
Lateral
3
3
0,8
0,05
2,4
0,15
Temperatura
efetiva Tant
em 12GHz
261
Tabela 3.2 – Temperatura efetiva de ruído da antena para chuvas intensas
A temperatura de ruído originária da presença do Sol pode ser observada
através da Figura 3.15 [52] quando o Sol está posicionado na direção do
apontamento da antena, para frequências de 4GHz e 12GHz. Sabe-se que
conforme o diâmetro da antena aumenta, a largura do feixe da mesma diminui e
consequentemente o efeito do Sol aumenta. Conforme a posição do Sol em
relação à antena se altera, o ruído solar é reduzido enquanto ele se afasta do
lóbulo principal, mas durante os ventos e explosões solares, a temperatura de
ruído é enormemente maior que os casos comuns.
56
Figura 3.15 – Temperatura de ruído devido à presença do Sol
No que diz respeito à contribuição que a linha de transmissão que conecta
a antena ao receptor proporciona, esta é devido às perdas que estão associadas
a ela. A soma das perdas do guia de onda, cabos, conectores, junções,
etc...chegam a 0,25dB; o que corresponderia a 15K. A temperatura de ruído da
antena varia conforme o ângulo de elevação e suas dimensões. Para uma
antena de 2,4m trabalhando em banda C por exemplo, pode-se assumir valores
com cerca de 35K, mas para banda Ku, o valor a ser considerado é maior. A
combinação da temperatura de ruído da antena e da linha de transmissão na
entrada do receptor pode ser expressa por:
( )
−+
=
r
r
R
r
ant
a
aT
a
TT
1 (3.6)
Onde:
TR = 290K
ar = pode ser obtido na Tabela 3.3 [52]
57
Atenuação da linha
Lline (dB) ar Tline (K)
0,05 1,01 3,3
0,10 1,02 6,6
0,20 1,05 13,1
0,22 1,05 14,3
0,25 1,06 16,2
0,30 1,07 19,4
0,50 1,12 31,5
0,70 1,17 43,2
1,00 1,26 59,6
2,00 1,58 107,0
3,00 2,00 144,7
Tabela 3.3 – Temperatura da linha versus atenuação da linha
Há ainda uma parcela a ser considerada que diz respeito à temperatura de
ruído do amplificador na recepção. Este, para banda C pode ter valores da
ordem de 25K, porém, para banda Ku, este valor é muito maior.
Consolidando as contribuições vistas até aqui, a figura de mérito G/Ts do
sistema de recepção de uma estação terrena pode ser encontrada através do
gráfico da Figura 3.16 [52] a partir do ganho da antena em dBi e da temperatura
de ruído do sistema.
Figura 3.16 – G/Ts versus Ts para diversas antenas
A Tabela 3.4 [52] fornece valores típicos para as várias temperaturas de
ruído para antenas com ângulo de elevação de 30º com uso de amplificadores
paramétricos e a Figura 3.17 [52] apresenta a combinação de Ts e o diâmetro da
antena para alcançar um dado G/Ts.
58
Frequência
(GHz)
Condição
de céu Tant (K) Tatten (K)
Perda na
linha (dB) Tline (K) TS (K) TS (dBK)
11,7 Chuva forte
(30mm/hr) 40 170 0,1 7 317 25,0
11,7 Céu claro 40 0 0,1 7 147 21,7
Tabela 3.4 – Valores típicos para Ts em 11,7GHz
Figura 3.17 – Figura de mérito para a faixa de 11,7GHz
Antenas grandes são mais caras, mas conseguem uma boa relação G/Ts,
enquanto que as antenas menores são mais baratas mas requerem um bom
amplificador de baixo ruído.
Assim, este capítulo procurou apresentar de uma maneira objetiva e
resumida, as principais contribuições existentes em um cálculo de enlace via
satélite. Para a determinação de um link budget preciso, um estudo bastante
profundo deve ser realizado quando dos elementos que contribuem de alguma
maneira com o resultado final do cálculo. O entendimento completo dos seus
efeitos por si só já é insumo para um novo trabalho de pesquisa.
59
4 Redes sem fio
4.1 Redes Locais
As redes locais ou LANs (Local Area Networks), são redes privadas
utilizadas por corporações para conectar estações de trabalho em escritórios e
fábricas possibilitando o compartilhamento de recursos e troca de informações.
As LANs podem ser implementadas por diversas tecnologias diferentes de
transmissão, que consistem por exemplo de cabos aos quais as estações estão
conectadas, caracterizando um meio confinado de transmissão. As LANs
convencionais permitem que as informações trafeguem a velocidades de 10 a
100Mbps, com pouco atraso e erros, porém LANs que utilizam tecnologia mais
avançada conseguem chegar a velocidades da ordem de Gbps. [1]
4.1.1 O padrão IEEE 802
O Projeto IEEE 802 surgiu com o objetivo de padronizar as redes locais de
computadores. Sua origem se deu através do Comitê da IEEE Computer
Society, onde seu modelo de referência definiu uma arquitetura de 3 camadas
apenas, que correspondem às camadas 1 e 2 do modelo OSI apresentado
anteriormente. Com relação à camada de enlace, suas funções englobam:
• Fornecer um ou mais SAP (Service Access Point) para os usuários
de rede;
• Na transmissão, montar os dados a serem transmitidos em quadros
contendo campo de endereço e de correção de erros;
• Na recepção, desmontar os quadros, efetuando o reconhecimento
de endereço e detecção de erros;
• Gerenciar a comunicação no enlace
O primeiro item é atendido pela subcamada Logical Link Layer (LLC) e os
demais são tratados em uma subcamada chamada de Medium Access Control
(MAC). A Figura 4.1 [2] mostra a relação entre os padrões IEEE 802 e o modelo
OSI de referência.
60
Figura 4.1 - Relação entre os padrões IEEE 802 e OSI
O Padrão 802.1 descreve o relacionamento entre os diversos padrões
802.2 e o relacionamento deles com modelo de referência OSI. Ele contém
também as funções de gerenciamento da rede e informações para a ligação
entre redes. O padrão IEEE 802.2 descreve a subcamada superior da camada
de enlace, chamada de Logical Link Layer, que implementa um protocolo de
mesmo nome. Os demais padrões especificam diferentes opções de camada
física e protocolos de subcamada MAC para diferentes tecnologias de redes
locais. Sendo:
Padrão Tecnologia
802.3 Rede em barramento utilizando CSMA/CD como método de acesso.
802.4 Rede em barramento utilizando Passagem por Permissão como método de acesso.
802.5 Rede em anel utilizando Passagem por Permissão como método de acesso.
802.6 Rede em barramento utilizando o Distributed Queue Dual Bus (DQDB) como método de acesso.
802.11 Rede sem fio utilizando o CSMA/CA como método de acesso.
Tabela 4.1 - Padrões de camada física e MAC
4.2 Redes locais sem fio
A rede local sem fio é um sistema de comunicação flexível que pode ser
implementado como uma extensão ou como uma alternativa às redes locais
montadas a partir do par trançado, cabo coaxial ou ainda a fibra ótica. O conceito
básico segue o princípio das células existentes nos sistemas de telefonia móvel.
Através da rede wireless, os usuários móveis podem ter acesso à informação e a
recursos de rede enquanto se deslocam para outros pontos desde que dentro da
área coberta. [3]
As WLANs estão sendo empregadas em corporações proporcionando
ganhos de produtividade com o uso de notebooks e terminais do tipo hand-held
para transmitir e receber informações em tempo real. Além das empresas, outros
61
locais como os hospitais, armazéns, fábricas, universidades, aeroportos,
restaurantes, centros de convenção, etc. E servem também como rede de
backup para sistemas de missão crítica. [4]
Os padrões para as WLANs procuram atender aos requisitos básicos
impressindíveis para o bom desempenho de aplicações que atuam sobre este
diferenciado meio de transmissão. Sendo assim, as redes sem fio devem
oferecer confiabilidade, transparência, simplicidade, throughput, segurança,
dentre outros.
Vale mencionar que a confiabilidade deve ser atendida de forma muito
similar às redes cabeadas, com taxas de erro inferiores a 10-6. A transparência
deve estar presente no âmbito de coexistência e integração das WLANs com as
LANs. Com relação à segurança, talvez uma das maiores preocupações nas
WLANs, é necessário proteger as informações trafegadas pois elas estão
presentes em ondas eletromagnéticas que percorrem o ar livre e podem ser
interceptadas de forma mais fácil que em redes cabeadas.
4.2.1 Tecnologias wireless
Existem várias tecnologias para o estabelecimento de um enlace sem fio
entre dois pontos e um quadro como o da Tabela 4.2 [59] sumariza muito bem
essas variedades de padrões.
Padrão Taxa Modulação Segurança Vantagens e Desvantagens
IEEE 802.11 Até 2Mbps na faixa
de 2.4GHz FHSS ou DSSS WEP e WPA
- Esta especificação foi extendida na
IEEE 802.11b
IEEE 802.11a
(Wi-Fi)
Até 54Mbps na
faixa de 5GHz OFDM WEP e WPA
- Produtos que aderem a este padrão
são considerados Wi-Fi Certified
- Oito canais disponíveis
- Menor risco de interferência que os
padrões 802.11b e 802.11g
- Melhor que o 802.11b no suporte a
voz, vídeo e imagens em ambientes
densamente povoados
- Menor cobertura que o 802.11b
- Não opera com o 802.11b
- Faixa de frequência regulamentada
elevando o custo da solução
IEEE 802.11b
(Wi-Fi)
Até 11Mbps na
faixa de 2.4GHz DSSS com CCK WEP e WPA
- Produtos que aderem a este padrão
são considerados Wi-Fi Certified
- Não opera com o 802.11a - Requer menos APs que o 802.11a para cobrir uma mesma região - Oferece acesso a alta velocidade a estações distantes 91m do AP - 14 canais disponíveis na banda de 2.4GHz
Tabela 4.2 – (a) Padrões de redes sem fio
62
Padrão Taxa Modulação Segurança Vantagens e Desvantagens
IEEE 802.11g
(Wi-Fi)
Até 54Mbps na
faixa de 2.4GHz
OFDM acima de
20Mbps, DSSS
com CCK
abaixo de
20Mbps
WEP e WPA
- Produtos que aderem a este padrão são considerados Wi-Fi Certified - Possivelmente estes substituirão o 802.11b - Mecanismos de segurança que são melhores que o 802.11 - Compatível com o 802.11b - 14 canais disponíveis na banda de 2.4GHz
Bluetooth Até 2Mbps na faixa
de 2.45GHz FHSS
PPTP, SSL ou
VPN
- Não oferece suporte nativo ao protocolo IP e por isso não suporta de forma adequada aplicações baseadas em TCP/IP - Não foi criado originalmente para suportar WLANs - Melhor aplicação para conectar PDAs, celulares e PCs por alguns momentos
HomeRF Até 10Mbps na
faixa de 2.4GHZ FHSS
Dados são
encriptados
por um
algoritmo de
56 bits
- Não está mais sendo assunto de estudo e comércio - Focado em residência e não em empresas - Cobertura até 45m da estação base - Relativamente barato para se configurar e manter - Qualidade de voz é sempre boa pois reserva continuamente uma parcela da banda para estes serviços - Imune a interferências devido à modulação FHSS
HiperLAN 1 Até 20Mbps na
faixa de 5GHz CSMA/CA
Encriptação
por sessão e
autenticação
individual
- Em uso somente na Europa - É totalmente ad-hoc, não necessitando configuração e controladora central - Relativamente caro para operar e manter - Não possui garantia de banda
HiperLAN 2 Até 54Mbps na
faixa de 5GHz OFDM
Fortes features
de segurança
com suporte a
autenticação
individual e
chaves de
encriptação
por sessão
- Em uso somente na Europa - Desenvolvido para transporter células ATM, pacotes IP, Designed to carry ATM cells, IP packets, e voz digital - Melhor qualidade de service que o HiperLAN/1 - Garantia de banda
Tabela 4.2 – (b) Padrões de redes sem fio
4.2.2 Histórico das redes sem fio
Pode-se dizer que, de acordo com a premissa de comunicação por meio
de ondas rádio, o Projeto ALOHANET desenvolvido pela Universidade do Havaí,
implementou a primeira rede local sem fio de comunicação, salvo as dimensões
envolvidas. A rede surgiu em 1971 e utilizava comunicações via satélite
dispostas em topologia estrela, tendo computadores distribuídos entre quatro
ilhas que realizavam a comunicação com um computador central na Ilha de
Oahu. [6]
63
Diversos projetos e desenvolvimentos foram tocados durante os anos, até
que na década de 90 começaram a surgir os primeiros produtos comercializados
utilizando a tecnologia sem fio para comunicação.
Um pouco antes, em 1985, determinadas faixas do espectro de
frequências foram liberadas pelo FCC (Federal Communications Commission) da
necessidade de licença por parte dos órgãos reguladores mundiais para que
fossem utilizadas comercialmente para comunicação sem fio. As faixas de
900MHz, 2,4GHz e 5GHz foram as contempladas nesta liberação, e receberam a
denominação de Banda ISM (The Industrial, Scientific, and Medicine Frequency
Bands). Esta importante decisão fez com que o interesse por redes wireless
nestas faixas crescesse de forma bastante acentuada, acendendo o setor.
Com isso, diversos fabricantes desenvolveram suas tecnologias
proprietárias obrigando o FCC a solicitar a padronização dessas redes através
do IEEE. O padrão desenvolvido portanto ao final desta década, veio a ser
chamado de IEEE 802.11, seguindo as mesmas denominações para os padrões
que englobam as funções de camada física e de enlace para redes locais. Nessa
mesma época, surgiram os primeiros produtos comercializados para a faixa de
2,4GHz.
Ainda assim, a existência de três diferentes tecnologias dentro do padrão
vinha provocando a insatisfação por parte dos usuários e fornecedores que
buscavam assegurar a interoperabilidade dos dispositivos. Surgiu então a WECA
(Wireless Ethernet Compatibility Alliance) em 1997. Formada pelas empresas
Lucent, Cisco, Nokia, 3Com, dentre outras, a aliança procurou interoperar os
diferentes padrões existentes.
Ao final de 1999, outro padrão surgiu, porém interoperável com os demais,
apresentando desempenho superior aos existentes até aquele momento, é o
chamado IEEE 802.11b. Assim apareceu o termo Wireless-Fidelity ou Wi-Fi,
como sendo a garantia de interoperabilidade entre os padrões para rede local
sem fio dada pela WECA aos dispositivos por ela certificados. [1]
4.2.3 Redes 802.11
Desde a formação dos grupos de estudo no IEEE para o desenvolvimento
da tecnologia sem fio, a evolução destas redes nunca ficou estagnada. Novos
padrões foram criados de forma a atender aos maiores requisitos da tecnologia.
Assim sendo, um resumo dos padrões existentes hoje é apresentado na Tabela
4.3 [7] a seguir:
64
Tabela 4.3 – Resumo dos padrões IEEE 802.11
Através deste conjunto de informações, pode-se constatar que o padrão
802.11a apresenta taxas bastante elevadas quando comparadas com o padrão
original, devido aos seus métodos de modulação serem bem mais eficientes.
Representam o único padrão que atua sobre a faixa dos 5GHz. O padrão
seguinte, o 802.11b, consegue alcançar taxas de transmissão maiores que o
padrão original, porém não são compatíveis com seu antecessor, o 802.11a. Um
novo padrão, que fosse capaz de interoperar com o 802.11a, foi desenvolvido e
surgiu em meados de 2003, o chamado 802.11g. Este oferece altíssimas taxas,
assim como o 802.11a.
4.2.4 Vantagens e desvantagens das redes sem fio para as cabeadas
Podem-se listar as vantagens das redes locais sem fio sobre as redes
cabeadas em [8]:
• Mobilidade
• Portabilidade
• Fácil e rápida instalação e desinstalação
• Baixos custos de implantação
• Escalabilidade
Com respeito à mobilidade, este é um ponto importante e foco principal da
tecnologia wireless, pois permite que um usuário se conecte à um sistema de
rede onde quer que ele esteja desde que sob cobertura de uma rede de acesso
wireless.
65
A portabilidade promove a facilidade de transporte dos equipamentos que
utilizam esta tecnologia de rede. O desenvolvimento dos comunicadores tais
como PDAs, laptops, etc tem proporcionado grande avanço neste item.
A facilidade de instalação é conquistada pois não há necessidade de obras
civis e passagem de cabos através de condutores por meio do ambiente em
questão. Desta forma, rapidez é alcançada na implantação e desmontagem de
uma rede como esta, permitindo que redes temporárias sejam organizadas para
atender a eventos tais como convenções, palestras e amostras.
Os baixos custos relacionados com essas redes, está intimamente ligado
ao quesito de facilidade de instalação. A não necessidade de que sejam feitas
obras no local, muitas vezes interrompendo as atividades ali desenvolvidas,
proporciona uma melhor distribuição dos investimentos sobre os equipamentos
que oferecerão o acesso propriamente dito, o que permite um bom planejamento
de forma a atender todas as necessidades dos usuários.
Um outro fator que culmina na redução de custos é o contínuo
desenvolvimento da tecnologia wireless, o que batareia cada vez mais seus
equipamentos e traz ao mercado formas de acesso cada vez mais rápidas,
eficientes e seguras.
Sobre a escalabilidade, os sistemas wireless permitem a fácil inserção e
remoção de qualquer terminal remoto. Ao contrário das redes fixas, não é
preciso habilitar ponto ou passar cabo adicional para que uma estação possa
usufruir da rede.
Com respeito às desvantagens, a que mais é discutida dentro do setor, se
trata justamente da segurança. A preocupação surge a partir do momento em
que as redes sem fio estão enquadradas dentro do que se entende por meios
não confinados, onde a energia utilizada para as transmissões não seguem um
caminho determinado, ou seja, os sinais não são guiados. O contrário ocorre
com as redes cabeadas, onde os sinais elétricos seguem por meio de cabos que
confinam a energia e a guiam da origem até o destino em uma comunicação.
Segundo esse entendimento, em uma rede de acesso sem fio, não é
possível limitar a cobertura do sinal, e como um usuário somente necessita estar
dentro desta área para entrar na rede, fica fácil um invasor agir. Em uma rede
cabeada, o invasor precisa se conectar fisicamente a um ponto na rede. Assim
sendo, tornou-se necessário o desenvolvimento de técnicas que garantam a
segurança em um ambiente como este.
66
4.2.5 Componentes de WLANs
Os componentes presentes nas redes WLAN são diferentes daqueles que
constituem uma rede cabeada como a Ethernet, por exemplo. Os equipamentos
até desempenham as funções básicas bem semelhantes ao modelo tradicional,
porém as executam sob uma nova ótica, a da comunicação via rádio. Podem-se
listar os principais equipamentos e suas funções como segue.
Access Point
O Access Point ou Ponto de Acesso ou ainda AP, exerce a mesma função
que um hub em uma rede cabeada, mas devem ainda, realizar o controle de
potência das estações terminais para fins de economia de bateria, permitir o
roaming e sincronização. A sincronização é implementada através do envio
periódico de quadros beacon para as estações, de tal forma que elas possam
programar o momento em que devem ligar seu receptor para receber
mensagens.
A Figura 4.2 [57] apresenta um AP que serve como um ponto de conexão
via rádio das estações, fixas ou móveis, com a rede de serviços. Cada AP possui
sua própria área de cobertura e todos os usuários que estiverem cobertos por
ele, poderão usufruir os serviços oferecidos pela rede, como servidores de
arquivos, impressão, acesso à Internet, etc.
Figura 4.2 – Access Point
67
Figura 4.3 – Antenas externas
A comunicação via rádio exige portanto que esses tipos de dispositivos
detenham antenas instaladas em seus módulos, normalmente em diversidade, e
que distribuem os sinais de forma homogênea por todas as direções formando
uma esfera de cobertura, são as chamadas antenas isotrópicas. Porém, nem
sempre estes tipos de antenas atendem de forma eficiente a demanda de
cobertura em um determinado ambiente onde se deseja implantar uma rede
wireless. Assim sendo, existem diversos tipos de antenas, como as ilustradas
pela Figura 4.3 [49], que podem ser acopladas ao AP de forma a proporcionar
melhor cobertura do sinal em local específico.
Os APs possuem ainda funcionalidades importantes tais como a
regulagem da potência de transmissão, a diversidade de antenas como já
mencionado, as saídas cabeadas diversas para conexão com a rede fixa,
mecanismos de segurança, etc.
Wireless Bridge
Um outro dispositivo interessante é a Wireless Bridge, como a
representada pela Figura 4.4 [49] que possui a função de estabelecer, de forma
half-duplex, a comunicação entre duas ou mais redes. Esta é uma necessidade
comum atualmente, quando se deseja interligar dois ambientes em uma mesma
rede e estes estão separados por distâncias relativamente grandes como uma
rua. Esta conexão é feita entre duas ou mais Bridges, configurando assim
conexões ponto-a-ponto ou ponto-multiponto.
Como funcionalidades extras, a maior parte das Bridges existentes no
mercado podem ser configuradas como simples repetidores através do Repeater
mode. Esta funcionalidade é muito útil para estabelecer comunicação entre
68
longas distâncias, acarretando, entretanto, diminuição da taxa de transmissão,
por ser half-duplex.
Estas interligações podem ser muitas vezes temporárias para oferecer
mais flexibilidade durante o processo de implantação. Este tipo de equipamento
também pode ser configurado como um Access Point comum.
Figura 4.4 – Wireless Bridge
Workgroup Bridge (WB)
Uma Workgroup Bridge, como a da Figura 4.5 [49], é similar a uma
Wireless Bridge, porém, ela é um dispositivo a ser utilizado no ambiente do
usuário, onde se procura fazer uma extensão da rede sem fio através da
conexão com um AP. Ou seja, instala-se um AP no ponto de terminação de uma
rede cabeada e uma WB no ponto onde se deseja proporcionar cobertura rádio.
O AP e a WB se comunicarão por meio de suas antenas permitindo atender
àquela determinada região.
Figura 4.5 – Workgoup Bridge
Adaptador cliente
Os adaptadores wireless das estações cliente permitem que o usuário final
se conecte a uma rede sem fio através de autenticação e associação, por meio
de um AP. Estes adaptadores podem ser instalados em microcomputadores
convencionais, em laptops, ou ainda palms. Os dois primeiros estão refletidos na
Figura 4.6 [57]. Eles são constituídos por um circuito e antenas omnidirecionais
propagando a energia por todas as direções.
69
Figura 4.6 – Client Adapters
4.2.6 Topologias de Wireless LAN
As redes wireless possuem o princípio básico de cobertura celular já
consagrada pelos sistemas celulares tradicionais. No ambiente WLAN, as
células são chamadas de BSA (Basic Service Area), onde um grupo de estações
são atendidas, formando-se o que se chama de BSS (Basic Service Set). O
tamanho de uma célula depende das características do ambiente e das unidades
transmissoras e receptoras usadas nas estações. Em qualquer ponto dentro
desta área de cobertura, um terminal deve ser capaz de usufruir os recursos que
a rede proporciona. O equipamento que gera uma célula é o AP, como já dito
anteriormente, mas também pode haver comunicação sem a presença de um
Access Point, quando os terminais conversam diretamente entre si.
A cobertura a ser disponibilizada em um determinado ambiente de
trabalho, deve levar em conta diversos fatores imprescindíveis para a boa
eficiência da rede local sem fio. É importante se conhecer bem o local que será
atendido por esta rede, bem como a quantidade de terminais e de tráfego gerado
por cada um deles. A isto deve estar associado à quantidade média de usuários
simultaneamente ativos na rede. [5]
As redes wireless podem ser dispostas segundo topologias variadas. A
primeira delas, chamada de Peer-to-Peer ou Ad-Hoc pode ser montada por meio
de dois terminais de usuário com adaptadores sem fio. Essa topologia é
denominada de ponto-a-ponto, pois envolve somente estes dois terminais, sem a
presença de um AP. Desta maneira, os recursos de um terminal podem ser
acessados pelo outro e vice-versa, configurando-se assim um esquema onde
cada um dos terminais pode ser cliente e também servidor. Essa topologia
também é conhecida como IBSS (Independent Basic Service Set). A Figura 4.7
[1] apresenta bem este modelo de rede.
Figura 4.7 - Rede sem fio ponto-a-ponto
70
Essa topologia é a única Não-Estruturada, as demais que se seguem são
todas do tipo Infra-Estruturadas, pois o AP faz o papel de uma ponte interligando
as estações remotas à rede cabeada.
A segunda forma de conexão entre terminais é através de um Ponto de
Acesso ou AP que proporciona cobertura em uma determinada região. Também
chamada de estrutura Unicelular ou ainda BSS, qualquer estação, fixa ou móvel,
desde que autorizada, é capaz de se associar a esta rede sem fio desde que
dentro da área coberta por esta BSS, que certamente é maior que a topologia
anterior. Como mostra a Figura 4.8 [1], um AP permite que uma estação de
usuário se conecte a uma rede cabeada, usufruindo os serviços por ela
oferecidos. Porém, existe um limite de acessos a um AP. Os mais novos padrões
permitem, por exemplo, que algumas dezenas de dispositivos de clientes se
associem a ele.
Figura 4.8 - Cliente e Ponto de Acesso
Apesar dos APs proporcionarem uma grande área de cobertura, ela muitas
vezes não atende às reais necessidades de um projeto. Para tal, é preciso fazer
uso de mais de um Ponto de Acesso, como o da Figura 4.9 [1], interligados por
um Sistema de Distribuição (Distribuition System ou DS), surgindo assim, a
estrutura do tipo ESS (Extended Service Set). A área total coberta por estes APs
é denominada de ESA (Extended Service Area). De acordo com a disposição
destes APs, sub-estruturas ou configurações aparecem de forma a procurar
atender da melhor maneira possível a demanda local pelos serviços da rede.
Para se verificar a forma como a rede deve ser instalada, é feito o site
survey e através dele estimam-se os melhores pontos em que os APs devem ser
dispostos para que toda a área de interesse seja coberta, não restando espaços
mal atendidos. Caso os terminais sejam de usuários móveis, a movimentação
71
dos mesmos através das diversas células caracteriza o que se chama de
roaming, não ocorrendo a perda de conexão quando os terminais se
movimentam entre as células de cobertura, ou seja, os APs transferem as
conexões dos usuários com os outros APs de maneira transparente. [7]
Figura 4.9 - Configuração com superposição celular
O modelo seguinte de topologia possível, faz uso das WBs para
proporcionar uma extensão à rede sem fio. As WBs funcionam como Pontos de
Acesso, mas elas não estão conectadas à rede cabeada como os APs. Caso a
distância entre a WB e o AP for muito grande e não se consiga comunicação
com eficiência, podem ser utilizadas antenas externas que devem ser acopladas
aos equipamentos para que se consigam melhores resultados. A Figura 4.10 [1]
a seguir torna fácil o entendimento.
Figura 4.10 - Configuração Multi-Hop
A última topologia comentada é a que faz uso de antenas direcionais, ou
seja, que direcionam as ondas eletromagnéticas de forma a concentrar a energia
do sinal em uma única direção, proporcionando maior alcance. Este tipo de
arquitetura é bastante útil quando se deseja interligar diferentes redes wireless
distantes entre si como é apresentado na Figura 4.11 [1].
72
Figura 4.11 - Utilização de Antenas Direcionais
Existe ainda um outro tipo de configuração chamada de Multicelular,
representada pela Figura 4.12 [19]. Segundo ela, os APs são posicionados de tal
forma que suas células são quase que totalmente sobrepostas. Esta solução
aumenta a vazão disponível para os terminais que ali se encontram, porém, cada
um dos APs deve estar configurado para operar em uma determinada frequência
para evitar interferência. Sempre que houver configuração em que áreas de
cobertura são sobrepostas, os terminais poderão se comunicar com mais de um
AP.
Figura 4.12 – Topologia Infra-estrutura (configuração multicelular)
É importante também comentar que uma rede mista pode ser configurada
utilizando-se mais de um tipo de arquitetura, tornando a rede sem fio bastante
flexível, uma de suas principais vantagens procura atender às inúmeras
necessidades dos usuários. [9]
O Sistema de Distribuição está presente em todas as topologias infra-
estruturadas e apesar de sua implementação não ser especificada no padrão
73
802.11, este padrão especifica os serviços que o DS deve suportar. Esses
serviços englobam os Serviços de Estações (Station Services - SS) e os
Serviços do Sistema de Distribuição (Distribuition System Service - DSS).
Dentre os serviços DSS, estão a Associação, Reassociação,
Desassociação, Distribuição e Integração. Os serviços de Associação,
Reassociação e Desassociação dizem respeito à mobilidade da estação. Assim,
se um terminal remoto está se movendo dentro de sua BSS ou está parado, a
mobilidade da estação é chamada de Não-Transição. Caso uma estação se
mova entre BSSs distintas, porém, dentro da mesma ESS, a sua mobilidade é
chamada de Transição-BSS. Se ao invés disso, a estação se move entre ESSs
diferentes, ocorre uma Transição-ESS.
Para que uma estação de usuário deseja utilizar os serviços oferecidos
pela rede, ela deve se associar a uma BSS, o que é feito através da sua
Associação a um Ponto de Acesso. As associações devem ser dinâmicas pois
as estações se movem, ligam e desligam, porém, deve-se respeitar a regra de
que uma estação só pode se associar a um único AP. Isto assegura que o
Sistema de Distribuição sempre saberá onde a estação está. A Associação
suporta a Não-transição, mas não é suficiente para suportar a Transição-BSS.
A Reassociação por sua vez, permite que uma estação transfira sua
associação de um Ponto de Acesso para outro, e assim como a Associação, é
iniciada pelo terminal do usuário. Já a Desassociação ocorre quando a
Associação entre uma estação e um AP termina, podendo ser gerada por ambas
as partes. Uma estação desassociada não pode enviar ou receber dados, ela
está logicamente fora da rede.
Os Serviços de Estações são Autenticação, De-Autenticação, Privacidade,
entrega da MAC Service Data Unit (MSDU). Com um sistema sem fio, as
estações devem estabelecer primeiro sua identidade assegurando que ela é
exatamente quem ela diz que é, antes de ser permitido à estação transferir
dados. Este procedimento é a chamado Autenticação e em seguida o terminal
deve se associar a um AP.
Existem dois tipos de Autenticação oferecidos pelo padrão 802.11. O
primeiro deles é a Autenticação de Sistema Aberto (Open System
Authentication) que permite que qualquer estação se autentique na rede. O
segundo tipo é Autenticação por Compartilhamento de Chave (Key Sharing
Authentication). Para que um terminal se autentique, os usuários devem estar de
posse de uma chave compartilhada. Esta chave é implementada com o uso do
74
algoritmo WEP (Wired Equivalent Privacy) e deve ser transferida para todas as
estações de forma segura.
A De-Autenticação ocorre quando tanto uma estação quanto um AP quer
terminar com a autenticação de um terminal de usuário. Quando isto acontece, a
estação é automaticamente desassociada.
A Privacidade é um serviço obtido através de um algoritmo de encriptação,
o qual é utilizado de forma que outros usuários do padrão 802.11 não possam
“enxergar” o tráfego da rede. O padrão IEEE 802.11 especifica o WEP como um
algoritmo opcional para satisfazer a privacidade, e caso ele não seja utilizado, as
estações estarão no estado “clear” ou “red”, o que significa que a informação não
está encriptada.
Todas as estações começam a transmissão no estado clear até que sejam
autenticadas. A entrega da MSDU garante que a informação na MSDU seja
entregue ao serviço de controle de acesso ao meio dos pontos de acesso.
O WEP é utilizado para proteger as estações autorizadas dos hackers.
Este algoritmo pode se quebrado e está relacionado diretamente com o tempo
que uma chave está em uso. Para contornar este fato, o WEP permite que a
chave seja modificada para prevenir ataques fortes ao algoritmo, que pode ser
implementado em hardware ou software. A razão pela qual o WEP é opcional se
deve ao fato que a encriptação não pode ser exportada dos EUA. Isto permite
que o padrão IEEE 802.11 seja um padrão fora dos EUA, embora sem o uso de
encriptação. [1]
4.2.7 Segurança em WLANs
O padrão IEEE 802.11 inclui dois métodos de segurança: Autenticação e
Encriptação. No método de Autenticação, cada estação que se deseja conectar
à rede deve ter sua autorização avaliada. Esta avaliação se dá entre o AP e
cada estação. A Autenticação pode ser de chave compartilhada (Shared Key) ou
de Sistema Aberto (Open System).
No caso de utilização de Sistema Aberto, uma estação pode obter
autenticação conhecendo apenas o nome identificador da rede (SSID) e
solicitando a autenticação. Num sistema totalmente aberto, os APs transmitem
seus SSIDs em intervalos regulares, permitindo assim a autenticação de
qualquer usuário sem qualquer preocupação com a segurança da rede. Uma
primeira medida de segurança pode ser implementada inibindo a transmissão
aberta dos SSIDs o que obriga os usuários a conhecer, pelo menos, o nome da
75
rede. Os APs que recebem a solicitação podem autenticar qualquer estação ou
apenas um grupo pré-definido de estações, identificadas pelo seu endereço
MAC. Esta técnica é chamada de MAC Adress Filtering e corresponde a uma
medida adicional de segurança.
No caso do uso de chave compartilhada, apenas as estações que
possuem uma chave secreta podem se autenticar na rede. A chave
compartilhada pode ser utilizada em combinação ou não com MAC Address
Filtering.
Mesmo que esta estratégia seja implementada, não é possível evitar que
um hacker altere o endereço MAC de fábrica por um localmente administrado,
escolhendo-o aleatoriamente até que um MAC válido seja encontrado. Outra
possibilidade é a utilização de um sniffer de rede para identificar o tráfego de
usuários ativos e seus respectivos MACs. Utilizando-se deste endereço, o
hacker pode participar da rede como se fosse um usuário válido. Desta maneira,
pode-se concluir que a utilização do endereço MAC como método de
autenticação não é aconselhável e seguro.
A Encriptação tem como objetivo elevar o nível de segurança de uma
WLAN para que este seja comparável ao de uma rede cabeada. A técnica
utilizada no padrão 802.11b, conhecida como WEP (Wired Equivalent Privacy),
utiliza um algoritmo de encriptação chamado de RC4. Este algoritmo foi
desenvolvido para prover características tais como ser razoavelmente forte,
possuir auto-sincronia, eficiência computacional, ser exportável e opcional.
A técnica de segurança WEP também não fornece um nível de segurança
ideal contra invasões à rede por hackers. Para tal, o IEEE continua estudando
novas medidas de segurança para as redes wireless. De fato, existem alguns
mecanismos básicos de segurança incluídos na especificação e que podem ser
empregados de modo a tornar a rede mais segura, mas mesmo com a adoção
desses mecanismos, o potencial risco de invasão continua sendo elevado.
Com o objetivo de melhorar os mecanismos de segurança, o IEEE criou
um novo grupo de estudo, denominado 802.1x, cuja especificação foi ratificada
em Abril de 2002.
Inicialmente, a intenção era padronizar a segurança em portas de redes
wired ou cabeadas, mas ela se tornou aplicável também às redes wireless [10].
No padrão 802.1x, quando um dispositivo solicita acesso a um AP, este requisita
um conjunto de credenciais. O usuário então fornece esta informação, segundo
uma política repassada pelo AP para um servidor RADIUS, que efetivamente o
autenticará e o autorizará. O protocolo utilizado para informar estas credenciais
76
chama-se EAP (Extensible Authentication Protocol), uma base a partir da qual os
fabricantes podem desenvolver seus próprios mecanismos para a troca de
credenciais. Existem atualmente cinco tipos diferentes de autenticação: EAP-
MD5, EAP-TLS, EAP-CISCO (ou LEAP), EAPTTLS e EAP-PEAP.
Motivado pelas deficiências de segurança e gerenciamento apresentadas
pelo WEP desde que foi padronizado pelo comitê 802.11b, o IEEE criou ainda
um novo grupo de trabalho, o 802.11i, preocupado principalmente em definir
boas práticas de segurança. Apesar de o trabalho ainda estar em andamento,
muito já foi feito e alguns novos mecanismos já são fornecidos pelos fabricantes
para as redes wireless legadas, como o PKIP, MIC e o Broadcast Key Rotation.
O padrão 802.11i aborda a utilização de um novo mecanismo de
criptografia para as novas redes wireless 802.11a e 802.11g de alto
desempenho, chamado de AES-OCB (Advanced Encryption Standard –
Operation Cipher Block). Esta nova técnica de criptografia foi recentemente
adotada pelo governo norte-americano em substituição ao 3DES. O objetivo é
que o AES-OCB seja muito mais forte do que a combinação WEP/PKIP.
4.2.8 Camada MAC
A Camada MAC desempenha as funções de Controle de Acesso ao Meio e
para tal, implementa o mecanismo de criação de quadros ou frames para
atender às redes sem fio segundo o padrão 802.11 que define vários tipos de
frames que as estações e os Access Points utilizam para suas comunicações.
Não é o objetivo deste trabalho detalhar os campos de um quadro MAC [1] e as
funções de coordenação utilizadas para controlar o acesso ao meio [22]. Porém,
um breve descritivo é interessante de ser feito para informação ao leitor.
Estes quadros surgem com a necessidade de se gerenciar e controlar a
comunicação sem fio bem como possibilitar o tráfego da informação em si. Desta
forma, o padrão 802.11 especifica os frames de gerenciamento (Management
Frames), os frames de controle (Control Frames) e os frames de transporte de
dados (Data Frames).
a) Management Frames
Permitem que as estações remotas e os APs estabeleçam e mantenham
as comunicações ativas. Os sub-tipos de frames de gerenciamento mais comuns
são:
Frame de Autenticação: A remota inicia o processo de autenticação
enviando para o AP este quadro contendo sua identidade e o AP responde com
77
um único quadro de aceitação ou rejeição. Outras formas de autenticação
podem ser empregadas envolvendo criptografia mas não são objeto deste
estudo.
Frame de Des-Autenticação: Um AP ou uma estação remota podem
enviar este tipo de quadro caso desejem terminar uma comunicação.
Frame de Solicitação de Associação: A associação permite que um AP
aloque recursos e se sincronize com uma remota a partir do pedido feito por ela.
Frame de Resposta à Associação: Enviado por um AP em resposta
(aceitação ou rejeição) a um pedido de associação.
Frame de Solicitação de Reassociação: Enviado por uma remota
quando a mesma se movimenta através de vários APs, saindo do que ela está
atualmente associada. O AP reassocia e coordena com o AP anterior o envio
dos dados por ele armazenados para este novo AP de forma que eles possam
ser encaminhados à remota.
Frame de Resposta de Reassociação: Utilizado quando um AP envia o
aceite ou a rejeição da reassociação de um terminal.
Frame de Des-Associação: Uma estação ou um AP podem terminar uma
associação e para isto utilizam este quadro.
Frame de Beacon: Enviados periodicamente pelos APs para difundir
parâmetros de rede sobre sua cobertura. As estações varrem os canais e
procuram identificar os beacons para que possam escolher dentre os APs
presentes, qual oferece melhor qualidade de sinal para que se associem.
Frame de Solicitação de Probe: Uma estação ou um AP enviam uma
Solicitação de Probe para obter informações de outra estação ou AP.
Frame de Resposta de Probe: Um AP responderá, por exemplo, com
este quadro informando sua capacidade, taxa de dados suportada, etc.
b) Control Frames
Estes quadros auxiliam na entrega da informação entre a origem e o
destino.
Frame Request to Send (RTS): Representa uma solicitação de envio de
dados por parte do transmissor.
Frame Clear to Send (CTS): Resposta dada por um receptor a um RTS,
permitindo que o transmissor envie os dados.
Frame Acknowledgement (ACK): Envido pelo receptor ao transmissor
informando que os dados foram recebidos com sucesso.
78
c) Data Frames
Representam a informação útil proveniente das camadas superiores que
será transportada através do meio físico até alcançar o destino.
Protocolos de Acesso ao meio
a) DFWMAC (Distributed Foundation Wireless Media Access Control)
Suporta dois sub métodos de acesso ou Funções de Coordenação. Na
Função de Coordenação do tipo distribuída ou DCF (Distributed Coordination
Function), a decisão de quando haverá transmissão é tomada individualmente
por cada nó, o que pode resultar em transmissões simultâneas, gerando
conseqüentemente, colisões na rede. Por outro lado, quando a Função de
Coordenação é dita pontual ou PCF (Point Coordination Function), a decisão de
quem deve transmitir é centralizada em um único ponto.
b) Distributed Coordination Function
Este é o mecanismo básico de acesso ao meio do DFWMAC e é
conhecido como CSMA/CA. Sua implementação é obrigatória para todas as
estações e APs.
Resumidamente, a estação escuta o meio para determinar se o mesmo
está livre, transmitindo seu quadro. Caso contrário, ela aguarda o final da
transmissão que está ocupando o meio. Um modo de alocação de time slots é
usado e só permite que uma transmissão ocorra por uma remota dentro de seu
tempo. Entretanto, se nenhuma remota desejar transmitir, a rede entra em um
estado onde um método CSMA comum é utilizado até que outra transmissão
ocorra e a rede volte à pré-alocação de intervalos de tempo.
O DFWMAC acrescenta ao método CSMA/CA, um mecanismo opcional
que envolve a troca de quadros de controle RTS/CTS (Request to Send / Clear
to Send) antes da transmissão dos dados. Quando uma estação ganha a posse
do meio, ela transmite um quadro de controle RTS e a estação receptora, em
resposta envia um quadro de controle CTS avisando que está pronta para
receber os dados. Somente neste momento, o transmissor envia os quadros de
dados, que são respondidos com quadros de reconhecimento (ACK) quando as
informações são recebidas corretamente.
Essa troca de quadros é mostrada na Figura 4.13 a seguir:
79
Figura 4.13 – Troca de quadros RTS/CTS
c) Point Coordination Function
Esta função é opcional e quando implementada, o DFWMAC divide o
tempo em períodos (superquadros): no primeiro, controlado pela PCF, o acesso
é ordenado (não ocorrem colisões), no segundo, controlado pela DCF, o acesso
baseia-se na disputa pela posse ao meio (podem haver colisões). [2]
4.2.9 Camada Física
A Camada Física das redes sem fio 802.11 especifica duas técnicas de
espalhamento espectral, brevemente descritas a frente, denominadas de FHSS
(Frequency Hopping Spread Spectrum) e a DSSS (Direct Sequence Spread
Spectrum), que utilizam a faixa de frequência de 2,4GHz chamada de ISM
(Industrial Scientific and Medical) e juntos com a especificação do infravermelho
vão formar as 3 camadas físicas definidas no padrão original. Todas estas
técnicas têm o mesmo princípio, que se baseia em espalhar a potência do sinal
em uma faixa mais larga do espectro de freqüência, reduzindo a densidade de
potência do mesmo em freqüências específicas e, conseqüentemente, reduzindo
o efeito de interferências a outros dispositivos que utilizam a mesma faixa. Estas
interferências, correspondem àquelas apresentadas por fornos de microondas,
por exemplo.
FHSS - Frequency Hopping Spread Spectrum
Faz uso de uma portadora de banda estreita que altera a freqüência em
operação para valores previamente conhecidos tanto pelo transmissor quanto
pelo receptor. A Figura 4.14 [1] apresenta 4 comunicações sendo realizadas
simultaneamente, onde se vê que cada uma destas segue um padrão de
freqüências distinto e que nunca coincidem no mesmo instante.
80
Figura 4.14 – Frequency Hopping Spread Spectrum
Seu funcionamento básico se dá com a estação transmissora enviando e
recebendo informação por meio de uma freqüência durante um intervalo muito
pequeno de tempo, em seguida salta para outra freqüência, retoma a
comunicação e assim por diante.
Apesar dos efeitos das interferências só ocorrerem em pequenos
intervalos de tempo, da necessidade do invasor em conhecer a sequência de
frequências a seguir para violar a segurança da comunicação e da grande
escalabilidade motivada pela diversidade de sequências de saltos em
frequência, esta técnica foi praticamente descontinuada com a introdução do
802.11b, que se manteve compatível apenas com a técnica de Direct Sequence.
DSSS - Direct Sequence Spread Spectrum
Baseia-se em modular o sinal em banda estreita através de um sinal em
banda larga de tal maneira que o resultado seja o sinal original espalhado no
espectro de frequências. Para tal, é necessário o uso de seqüências PN em
conjunto com uma modulação M-PSK, de modo que a fase do sinal modulado
varie aleatoriamente de acordo com este código PN (ou Chipping Code). A
sequência dos procedimentos está representada na Figura 4.15 [1].
O código PN consiste em seqüências finitas de bits “1” e “0” (ou chips),
enviados a uma taxa maior que a taxa dos bits de dados. Quanto maior for a
sequência de chips, mais larga será a banda de transmissão sobre a qual o sinal
original é espalhado. A demodulação só poderá ser feita utilizando a mesma
seqüência cifrada empregada na modulação. Caso uma seqüência diferente seja
utilizada, o sinal obtido será próximo de zero. Assim, para que um "invasor" seja
capaz de transpor esta segurança, ele teria que descobrir qual o Chipping Code
utilizado para espalhar a informação.
81
Figura 4.15 – Utilização do Chipping Code
Como resultado da utilização desta técnica, após o espalhamento do sinal,
a interferência gerada por outros sistemas é de uma baixa potência em toda a
faixa, similar a um ruído branco [14,17,18]. A Figura 4.16 ilustra a influência do
sinal interferente (banda estreita) em um sinal espalhado no espectro [18].
Figura 4.16 – Influência do sinal interferente
Nota-se que o sinal desejado, após “desespalhado” pelo mesmo código
utilizado para seu espalhamento, volta a conter a informação original em um
sinal banda estreita de alta potência (Wi), enquanto que o sinal interferente,
quando espalhado (Wc) por este mesmo código, gera um sinal que interfere no
sinal desejado em toda sua faixa, mas com uma densidade espectral de potência
baixa.
Canal Frequência (GHz)
1 2.412
2 2.417
3 2.422
4 2.427
5 2.432
6 2.437
Tabela 4.4 – (a) Canais DSSS
82
Canal Frequência (GHz)
7 2.442
8 2.447
9 2.452
10 2.457
11 2.462
12 2.467
13 2.472
14 2.484
Tabela 4.4 – (b) Canais DSSS
Desta maneira, observa-se que até 11 canais de aproximadamente 22MHz
podem ser disponibilizados em sistemas DSSS. A Tabela 4.4 mostra estes
canais e suas freqüências centrais, onde é possível observar que apenas três
canais não são sobrepostos: 1, 6, e 11. Isso faz com que somente três APs
podem existir dentro de uma determinada área de cobertura, cada qual com seu
canal de comunicação sem que se faça reuso de frequências.
Vale mencionar que nos Estados Unidos, são permitidos os usos dos
canais de 1 ao 11, no Reino Unido do 1 ao 13 e no Japão do 1 ao 14.
A Figura 4.17 ilustra uma implementação que utiliza os três canais não
sobrepostos discutidos, onde os APs 3 e 4 são configurados no canal 11, os APs
1 e 5 no canal 1 e os APs 2 e 6 no canal 6. É permitido se ter tal configuração
em uma rede apenas se os APs que utilizam os mesmos canais não sejam
sobrepostos, ou seja, não pode haver intersecção entre eles. A sobreposição de
Pontos de Acesso de canais diferentes em um sistema DSSS provê o mesmo
balanceamento obtido nos sistemas FHSS.
Figura 4.17 – Sobreposição de canais DSSS
83
Comparação entre FHSS e DSSS
Uma comparação, como a da Tabela 4.5 [1] pode ser feita com relação às
particularidades de cada uma destas técnicas. É claro que ambas apresentam
pontos fortes e fracos e cabe ao projetista da rede sem fio determinar qual será
de melhor valia para seu projeto em particular.
DSSS FHSS
Taxa Acima de 2Mbps 1 ou 2Mbps
Escalabilidade Baixa Alta
Densidade de usuários Baixa Alta
Custo Maior Menor
Processamento de dados Maior Menor
Controle de potência Maior Menor
Imunidade ao multipercurso Menor Maior
Observações Maiores taxas e distâncias Menores taxas e distâncias
Tabela 4.5 - Comparativo entre DSSS e FHSS
Em sistemas DSSS não existe a mesma escalabilidade que está presente
nos sistemas FHSS, pois, quando utilizam o Chipping Code mínimo de 11 bits,
somente três faixas de freqüências não se sobrepõem em 2.4GHz. Isto resulta
em uma limitação de três pontos de acesso co-localizados na mesma área de
cobertura. Assim, caso a densidade de usuários de uma determinada região a
ser atendida por uma rede WLAN seja alta, a técnica de Salto em Frequência é a
mais apropriada.
Uma observação pode ser feita ainda com relação ao controle de consumo
de potência. Em sistemas DSSS, as unidades remotas podem confiar mais
facilmente na unidade central para determinar quando elas podem entrar no
power safe mode, o que ocorre de forma contrária em sistemas FHSS que
requerem que uma estação de tempos em tempos se preocupe com a
necessidade de sincronismo com as demais estações.
Técnicas de Modulação
Diversos fatores devem ser considerados no momento da opção por uma
técnica de modulação para uso nas redes locais sem fio. Fatores estes, que
envolvem principalmente a Eficiência Espectral que, simplesmente, significa
aproveitar ao máximo uma determinada faixa de frequências inserindo nela a
maior quantidade possível de canais com condições de comunicação. Esta
preocupação é ainda maior em sistemas sem fio, pois o espectro rádio é limitado
em faixa, não é infinito. Outro fator que deve ser levado em consideração é a
facilidade e custo de implementação da técnica.
O padrão 802.11 original definiu três tipos de camada física diferentes e
independentes para as redes sem-fio. Duas delas eram baseadas em técnicas
84
de espalhamento espectral (spread spectrum) conforme já visto, e a terceira
baseada no uso de sistemas infravermelho. Todas elas suportam as taxas de
transmissão de 1Mbps e 2Mbps especificadas no padrão original. Mais tarde,
foram criados novos padrões, como o 802.11a, 802.11b, e o 802.11g. Estes
novos padrões visam obter maiores taxas de transmissão, utilizando para isso
novas técnicas de modulação.
Esta parte do trabalho procura apresentar de forma resumida as técnicas
de modulação utilizadas por estas três camadas, sendo que os novos padrões
nas versões “a”, “b” e “g” definem técnicas particulares.
a) Infravermelho - IR
Esta é a camada física menos utilizada atualmente em redes 802.11,
talvez por não ter sido difundida e seu uso é bastante restrito.
Seu funcionamento se dá através do uso de comprimentos de onda da
ordem do espectro da luz visível e é a mesma faixa espectral utilizada por outros
equipamentos eletrônicos comuns, como controles remotos de TVs e aparelhos
de som. Diferentemente de outros sistemas infravermelhos, a camada IR do
802.11 não é baseada somente na onda direta, mas principalmente, nas ondas
refletidas. E por este motivo é empregado seu uso somente em ambientes
fechados, dando-se o nome de Sistema Infravermelho por Difusão.
Uma característica deste tipo de sistema, é que as ondas infravermelhas
não ultrapassam paredes ou qualquer outro objeto do gênero, pondendo ser
constituída uma rede local em um ambiente fechado, inclusive fazendo fronteira
com uma outra sala ao lado. A interferência não existe e a questão da segurança
da informação é alcançada com facilidade, ficando a comunicação restrita àquela
sala.
Para esta camada física, a modulação utilizada é a PPM (Pulse Position
Modulation), na Tabela 4.6 [13]. Para 1Mbps utiliza-se o 16-PPM, que faz o
mapeamento de 4 bits em um símbolo de 16 posições, enquanto para 2Mbps
utiliza-se o 4-PPM, mapeando 2 bits em um símbolo de 4 posições.
85
Tabela 4.6 – Mapeamento na modulação PPM
b) IEEE 802.11a
O padrão 802.11a surgiu da necessidade de ser obter taxas de
transmissão mais elevadas e utiliza a faixa de freqüências de 5 GHz. Como um
dos resultados alcançados com este novo padrão tem-se a redução do nível de
interferência, mas apesar disto, problemas surgiram, como a falta de
padronização desta faixa de freqüências, de propagação e de incompatibilidade
com o padrão original.
A Camada Física destes novos padrões, apresentam uma divisão em
outras duas sub-camadas, chamadas de Physical Layer Convergence Procedure
(PLCP) e Physical Medium Dependent (PMD). A sub-camada PLCP na verdade
prepara os frames (quadros) para transmissão e a sub-camada PMD
efetivamente trata da transmissão.
A sub-camada PLCP recebe, portanto, os quadros da camada MAC e
monta as chamadas PPDUs (PLCP Protocol Data Unit) que serão transmitidas
para o meio. Os campos dos quadros PPDUs do 802.11a são os seguintes [21]:
• PLCP Preamble – Consiste em 12 símbolos e possibilita o receptor
a adquirir um novo sinal entrante;
86
• Rate – Identifica a taxa de dados do quadro conforme Tabela 4.7
[21], porém os campos da PLCP são sempre enviados na mais
baixa taxa, ou seja, 6Mbps;
Valor 1101 1111 0101 0111 1001 1011 0001 0011
Taxa 6Mbps 9Mbps 12Mbps 18Mbps 24Mbps 36Mbps 48Mbps 54Mbps
Tabela 4.7 – Valores do campo rate
• Reserved – Este campo possui valor lógico 0 (zero);
• Length – Representa o comprimento do quadro em octetos (bytes);
• Parity – Baseado nos valores de Rate, Reserved, e Length, este
campo fornece a paridade;
• Tail - Este campo possui valor lógico 0 (zero);
• Service – Consiste de 7 bits para sincronismo com o
desembaralhador e mais 9 bits reservados para uso futuro;
• PSDU – Consiste na informação em si;
• Tail – Possui 6 bits zerados para funções processadas pelo
receptor;
• Pad Bits – Bits de enchimento.
Neste novo padrão, optou-se por utilizar um esquema de modulação
totalmente diferente do anterior, o que causou a incompatibilidade entre as duas
especificações. O 802.11a utiliza como técnica de modulação o OFDM
(Orthogonal Frequency Division Multiplexing), que faz uso de várias sub-
portadoras (canal de 20MHz) que permanecem fixas no espectro (não são
espalhadas), moduladas em BPSK, QPSK, 16-QAM e 64-QAM. Apesar das
mesmas permanecerem fixas em frequência, a técnica é classificada como de
Espalhamento Espectral em algumas bibliografias. Também utiliza um código
corretor de erros, a Forward Error Correction (FEC), com taxas de 1/2, 2/3 ou
3/4. Na sua configuração máxima, o 802.11a pode chegar a 54Mbps, possuindo
várias configurações possíveis a partir de 6Mbps. Vale notar que o esquema de
modulação também varia conforme for a taxa de transmissão desejada e está
ilustrada na Tabela 4.8 [13].
87
Tabela 4.8 – Configurações para o 802.11a
Na técnica FDM da modulação OFDM utilizada por este padrão, o sinal é
dividido em partes e cada sub-portadora transmite uma das partes do sinal,
sendo a taxa total de transmissão dependente de quantas portadoras são
utilizadas. O espaçamento entre os canais (portadoras) deve ser maior que a
taxa de símbolos para evitar a sobreposição excessiva dos espectros. No
OFDM, as sub-portadoras se sobrepõem, mas são escolhidas sub-portadoras
ortogonais, ou seja, que mantém uma certa relação matemática de modo que
não haja interferência entre elas. Como elas possuem um espectro do formato
[sen(x)/x], colocam-se as sub-portadoras de modo que elas estejam centradas
nos zeros das sub-portadoras adjacentes, conforme pode ser observado na
Figura 4.18. [13]
Figura 4.18 – Espectro das sub-portadoras OFDM
De forma a exemplificar as freqüências de operação utilizadas pelo
802.11a, são dispostas abaixo as adotadas pelos Estados Unidos e Japão:
88
Domínio Regulatório
# Canal
Frequência de Operação
(MHz) Estados Unidos
Japão
Potência Máxima de
Transmissão
34 5.170 X
36 5.180 X
38 5.190 X
40 5.200 X
42 5.210 X
44 5.220 X
46 5.230 X
48 5.240 X
40mW
52 5.260 X
56 5.280 X
60 5.300 X
64 5.320 X
200mW
149 5.745
153 5.765
157 5.785
161 5.805
800mW
Tabela 4.9 – Canalização do 802.11a
É importante ainda acrescentar que todos os canais da Tabela 4.9 [21] são
restritos para uso em ambientes indoors exceto os canais de 52 a 64 nos
Estados Unidos que são permitidos também para uso em ambientes outdoors.
Levando este conceito para o padrão em questão e sabendo-se que suas
sub-portadoras são espaçadas de 312,5KHz, que um símbolo é representado
por 48 sub-portadoras de dados, 4 sub-portadoras piloto, mais uma sub-
portadora nula, resultando em 53 sub-portadoras, quando estas são
multiplicadas pelo espaçamento de 312,5KHz, o resultado apresenta uma banda
ocupada de 16,6MHz.
Assim, além de permitir a utilização de baixa potência em cada uma das
subportadoras, esta técnica, utilizada no padrão 802.11g e 802.11a, é mais
robusta aos efeitos de multipercursos que as técnicas apresentadas [11,14].
Sendo que a versão “a” permite o uso de mais APs sem que haja interferência
entre eles do que as versões “b” e “g” (três), aumentando com isso o reuso dos
canais.
89
Uma desvantagem característica deste padrão, é a menor cobertura
devido à alta frequência de operação, o que aumenta o custo de implantação de
uma rede como esta. O Domínio regulatório de determinadas regiões regula os
valores de EIRP e potência máxima, conforme Tabela 4.10 [21].
Domínio regulatório EIRP máximo Máxima potência (mW) com
antenas de ganho de 6 dBi
Américas 160 mW nos canais 36 a 48 40
Japão 10 mW/MHz 40
Singapura 100 mW 20
Taiwan 800 mW 40
Tabela 4.10 – Níveis de potência do 802.11a
c) IEEE 802.11b
Para se buscar solucionar os problemas de incompatibilidade da versão
802.11a com a versão original, o IEEE desenvolveu um novo padrão, o 802.11b.
Basicamente, os campos da PPDU do 802.11b são [21]:
• Sync - Este campo procura alternar 1s e 0s de forma a alerter o
receptor que um quadro está por vir. O receptor então começa a
sincronizar com o sinal;
• Start Frame Delimiter - Este campo é sempre “1111001110100000”
e define o início do quadro;
• Signal - Este campo identifica a taxa de dados do quadro, e seu
valor representa a taxa de dados dividida por 100Kbps. Ou seja,
este campo valerá “00001010” para 1Mbps, “00010100” para
2Mbps e por aí vai. Porém, os campos do PLCP são sempre
enviados na mais baixa taxa (1Mbps) para que o receptor utilize
sempre o mecanismo correto de demodulação, pois, este se altera
conforme a taxa varia;
• Service - Este campo é sempre “00000000” e é reservado para uso
futuro;
• Length - Representa o comprimento do quadro PPDU;
• Frame Check Sequence - Para detecção de erros, utiliza o CRC (16
bits);
• PSDU - São os dados propriamente ditos.
Este padrão utiliza a mesma faixa de freqüência de 2,4GHz que o padrão
original 802.11 e mantém os modos de operação a 1Mbps e 2Mbps utilizando-se
somente o DSSS e colocando o modo FHSS em desuso. A modulação utilizada
90
para 1Mbps é a DBPSK e para 2Mbps usa-se a DQPSK (similar a anterior porém
com 4 fases).
Mas a grande inovação deste padrão foram as taxas alcançadas que
chegam a 5,5Mbps e 11Mbps com uma nova técnica de codificação.
Diferentemente do 802.11 original, o 802.11b utiliza para estas taxas, ao invés
da seqüência de Barker, uma técnica de codificação chamada de
Complementary Code Keying (CCK), que consiste em buscar em uma tabela
previamente construída (conjunto de 64 palavras de 8 bits) a sequência de
espalhamento que corresponde à sequência de bits enviada. A técnica CCK
funciona somente em conjunto com o DSSS e não funciona em conjunto com o
FHSS.
A modulação utilizada é também o DQPSK, para os dois modos, que já faz
o mapeamento de 2 bits por símbolo. A diferença agora estará no código CCK,
que ao invés de mapear um código para um bit como fazia o código de Barker,
irá mapear cada palavra do código em 2 ou 6 bits, de acordo com a taxa
utilizada, resultando em um total de 4 bits por símbolo para 5,5Mbps e 8 bits por
símbolo para 11Mbps. Um esquema é representado na Figura 4.19 [13].
Figura 4.19 – Esquema de modulação 802.11b com CCK
Antes utilizavam-se códigos de 11 bits, com taxa de 1 MSps (Mega-
símbolo/segundo), resultando em uma taxa de sinalização de 11Mbps. Esta taxa
de sinalização é mantida no novo padrão, mas com um novo código de 8 bits,
teremos uma nova taxa de símbolos de 1,375 MSps. Consequentemente,
5,5Mbps = 1,375 x 4 e 11Mbps = 1,375 x 8. A Tabela 4.11 [13] consolida os
valores. Além disto, as Tabelas 4.12 e 4.13 [21] mostram os canais e os níveis
de potência para operação em diversos domínios regulatórios.
Tabela 4.11 – Configurações para o 802.11b
91
Domínio Regulatório
#
Canal
Frequência
de
Operação
(MHz)
Américas EMEA Israel China Japão
1 2.412 X X X X
2 2.417 X X X X
3 2.422 X X X X X
4 2.427 X X X X X
5 2.432 X X X X X
6 2.437 X X X X X
7 2.442 X X X X X
8 2.447 X X X X X
9 2.452 X X X X X
10 2.457 X X X X
11 2.462 X X X X
12 2.467 X X
13 2.472 X X
14 2.484 X
Tabela 4.12 – Canalização do 802.11b
Domínio
Regulatório
EIRP
Máximo
Ganho da
antena (dBi)
Nível máximo de
potência (mW)
0 100
2.2 100
5.2 100
6 100
8.5 100
12 100
13.5 100
Américas 4 W
21 20
0 100
2.2 50
5.2 30
6 30
8.5 5
12 5
13.5 5
EMEA 100 mW
21 1
Tabela 4.13 – (a) Níveis de potência do 802.11b
92
Domínio
Regulatório
EIRP
Máximo
Ganho da
antena (dBi)
Nível máximo de
potência (mW)
0 100
2.2 50
5.2 30
6 30
8.5 5
12 5
13.5 5
Israel 100 mW
21 1
0 5
2.2 5
5.2 n/a
6 n/a
8.5 n/a
12 n/a
13.5 n/a
China 10 mW
21 n/a
0 50
2.2 30
5.2 30
6 30
8.5 n/a
12 n/a
13.5 5
Japão 10 mW/MHz
21 n/a
Tabela 4.13 – (b) Níveis de potência do 802.11b
d) IEEE 802.11g
O 802.11g é uma evolução do 802.11b e também opera na faixa de
2,4GHz com 30MHz de banda por canal além de manter a compatibilidade com
este e a versão “a”. Porém, ele pode ser também visto como uma fusão dos dois
padrões, usando o que cada um tem de melhor, sendo a modulação OFDM do
802.11a e a faixa de freqüências do 802.11b. Assim como as vantagens de
ambos padrões são postas em conjunto, as desvantagens ou características
negativas também se tornam presentes, tais como o limite de 3 APs com canais
diferentes em uma área a uma dada potência de operação, como ocorre com o
padrão “b”. E as taxas de compatibilidade da versão “b” e “g” são limitadas a
11Mbps.
Além disso, o padrão também define duas técnicas de modulação
opcionais, o PBCC (Packet Binary Convolutional Code) e o CCK/OFDM, além
93
das modulações obrigatórias CCK e OFDM. Assim, o padrão 802.11g funcionará
identicamente ao 802.11b (1Mbps, 2Mbps, 5,5Mbps e 11Mbps) e também
funcionará de modo similar ao 802.11a na faixa de 2,4GHz, possibilitando
também todas as suas configurações de velocidade, visíveis na Tabela 4.14 [13].
Tabela 4.14 – Resumo das configurações para os padrões 802.11
Para manter a compatibilidade com o 802.11b, o 802.11g também suporta
todos os seus modos, podendo funcionar normalmente em uma rede 802.11b
sem apresentar problemas relacionados às colisões. Uma solução utilizada para
contornar este problema são as mensagens RTS/CTS (Request to Send / Clear
to Send) comentadas neste trabalho. Assim, o AP pode controlar quem irá
acessar o meio, evitando colisões entre dispositivos “b” e “g”.
Porém, uma alternativa pode ser implementada com a utilização de uma
nova técnica de modulação que é opcional no 802.11g, o CCK/OFDM. Este novo
esquema de modulação combina as duas técnicas, onde o cabeçalho dos
pacotes é enviado utilizando a modulação CCK e a área de dados (payload) é
enviada utilizando OFDM. Com isso, os equipamentos 802.11b da rede podem
escutar o cabeçalho do pacote e deste cabeçalho podem obter a informação de
quanto tempo o pacote vai levar para ser enviado, esperando então este tempo
mínimo antes de tentar enviar novamente, evitando-se colisões.
Estes dois tipos de mecanismos para controle de colisões inserem
overhead adicional à rede, mas que é aceitável diante da necessidade de se
obter a compatibilidade com os sistemas atuais.
Quanto ao PBCC, este consiste em uma técnica de uma portadora, com
modulação 8-PSK e uma estrutura de código convolucional. Assim como o
CCK/OFDM, ele também transmite o cabeçalho do pacote com modulação CCK
para manter a compatibilidade com sistemas 802.11b e a máxima taxa de
transmissão alcançada fica em 33Mbps.
Como pôde ser visto de forma exemplificada nos padrões 802.11a e
802.11b, as potências dos terminais devem ser limitadas para se evitar ao
94
máximo as interferências com outros sistemas. Porém, ainda assim, alguns
projetistas insistem em utilizar equipamentos com alta potência de transmissão
para conseguir uma maior cobertura de sua rede. [23]
Polarização
A polarização é determinada em função da orientação do campo elétrico
gerado por uma antena em relação ao solo. No caso de antenas lineares, como
as das redes 802.11, o campo elétrico é paralelo ao elemento irradiante e com
isso a polarização corresponde à orientação física da antena em relação ao solo,
podendo ser definida como “vertical” (antena perpendicular ao solo) ou
“horizontal” (antena paralela ao solo). Com base nestes conceitos e de forma a
se prover a melhor recepção do sinal possível, a polarização das antenas deve
ser sempre a mesma em todos os pontos de comunicação.
Diversidade de antenas
A diversidade de antenas corresponde ao uso de mais de uma antena nos
equipamentos de rede sem fio de forma a se alcançar o melhor resultado
possível na qualidade da comunicação, procurando-se evitar ao máximo o efeito
de multipercurso. Assim, o uso de mais de uma antena permite que se faça uma
comparação da intensidade do sinal recebido em cada uma delas e utilizar o
mais forte.
Este efeito ocorre quando sinais originados no transmissor, ao se
propagarem pelo ar, refletem nos obstáculos encontrados no caminho até o
receptor provocando atraso destes sinais com relação aos que sofrem menos
espalhamento. Estes atrasos provocam a interferência inter-simbólica que
confunde o receptor e provoca erros de leitura da informação. Os receptores
então não enviarão os pacotes de reconhecimento (ACKs) e os transmissores
retransmitirão os pacotes perdidos o que reduz a vazão da rede.
De forma a exemplificar o problema, valores de atraso da ordem de 50ns
(nanosegundos) são encontrados em ambientes residenciais e de escritórios
enquanto que valores em torno de 300ns são encontrados em ambientes de
fábrica, certamente devido à grande quantidade de objetos metálicos.
Assim, em ambientes onde existe grande quantidade de obstáculos como
os ambientes chamados de indoors (principalmente em fábricas), o uso da
diversidade de antenas é muito útil. Já em ambientes chamados de outdoors,
esta necessidade se mostra pouco eficaz, bastando uma antena em cada ponto
da rede.
Para as redes baseadas em 802.11b o efeito do multipercurso é bastante
grande pois este padrão utiliza canais de faixa larga, o que já não ocorre com o
95
padrões que usam o FHSS devido aos canais de faixa estreita e o salto em
frequência e o 802.11a e 802.11g que empregam subcanais de faixa estreita.
Com a técnica DSSS, os elementos de mais baixa frequência refletem de forma
diferente nos obstáculos do que ocorre com os elementos de mais alta
frequência, o que provoca um enorme range de caminhos dos sinais espalhados.
Se durante um survey for detectado um número grande de retransmissões,
este efeito pode estar presente, mas também pode ser que fontes de
interferências externas estejam provocando o mesmo efeito. Atualmente existem
no mercado ferramentas que procuram medir o atraso existente em uma rede
sem fio auxiliando o projetista. [24]
No maioria das vezes, os equipamentos das redes 802.11, possuem duas
antenas que podem ser ativadas ou desativadas pelo próprio usuário, para fins
de avaliação de performance. Quando a mesma está desativada, o nível de
potência do sinal recebido é muito sujeito a desvanecimento de pequena escala,
sendo assim, recomendado seu uso em ambientes indoors.
Tráfego
Um fator importante na confecção de uma rede sem fio 802.11, é o
dimensionamento do tráfego que será gerado pelos pontos remotos dos
usuários. A partir daí, é que se terá condições de definir a quantidade de APs
que precisarão ser empregados para cobrir toda a área em questão com a maior
eficiência possível.
Cada usuário possui uma demanda de tráfego diferente, mas que
dependendo da aplicação pode ser tomada uma média que deve ser multiplicada
pela quantidade usuários na rede, obtendo-se etão o throughput total gerado em
uma área. A capacidade dos APs deve, obviamente ser maior que o throughput
total gerado pela rede. Porém, um cuidado deve ser tomado quando se
considerando o throughput nominal dos equipamentos e da regulamentação
802.11, pois não é o valor real a ser consumido pelos usuários. Uma parte deste
é destinado à sinalização entre as pontas e com isso, o valor do trhoughput real
varia em torno de 45% do valor nominal.
Interferências
Por fim, este item procura trazer argumentos que fazem entender a
importância que este aspecto possui diante de um projeto de redes sem fio, pois
a interferência degrada o sinal e diminui as taxas de transmissão, fazendo com
que a rede como um todo perca em performance.
Porém, existem dois tipos de interferência que se fazem presentes: a
interferência entre os sistemas e a interferência dentro de um mesmo sistema.
96
Aquelas relacionadas à sistemas diferentes são provocadas pelo uso de fornos
de microondas, telefones sem fio (2.4GHz), aparelhos Bluetooth como celulares,
PDAs, além, é claro, de outras redes WLAN. Algumas destas interferências já
foram comentadas anteriormente neste capítulo.
Segundo [19], os fornos de microondas emitem sinais que variam na faixa
de 2450MHz a 2458MHz e como algumas redes Wi-Fi utilizam a faixa de
2412MHz a 2462MHz, elas sofrem interferências destes dispositivos. Os valores
de potência próximo de um forno de microondas são muito elevados. Medidas
indicam níveis de aproximadamente 18 dBm, a uma distância de 3 metros do
aparelho, potência esta, que é equivalente a potência de irradiação máxima de
muitos dos APs que se encontram no mercado.
Outro fato relevante em relação às interferências geradas por fornos de
microondas é que o sinal gerado por este equipamento é emitido em pulsos de
aproximadamente 10µs de duração. Como o período de duração de um símbolo
no 802.11 é de 1µs, o receptor sofre um surto de erro longo, o que
provavelmente inviabilizará a comunicação.
Medidas efetuadas em ambientes com fornos de microondas [20], sugerem
que a distância segura entre a rede WLAN e o equipamento interferente deve ser
de no mínimo 20 metros, considerando que haja visada direta entre a fonte
interferente e os equipamentos interferidos.
A interferência entre dispositivos Bluetooth e as WLANs em um mesmo
ambiente é inevitável, pois os equipamentos Bluetooth operam na faixa de
2400MHz a 2485MHz. A probabilidade de colisão de pacotes transmitidos em
uma rede WLAN e pacotes transmitidos por dispositivos Bluetooth varia de 48%
a 62% [20]. Como as duas tecnologias coexistirão por bastante tempo, a solução
para um bom funcionamento de ambas em um mesmo ambiente, é manter
terminais Wi-Fi a uma distância mínima de terminais Bluetooth. Dada a baixa
potência dos dispositivos Bluetooth, uma separação de 10 metros talvez seja o
suficiente.
Os outros dispositivos que utilizam a mesma faixa de freqüência das
WLANs, como telefones sem fio e outras WLANs próximas são claras fontes de
interferência, devendo ser consideradas no processo de planejamento.
Com relação às interferências dentro de um mesmo sistema, estas dizem
respeito aos canais utilizados para comunicação, conforme já apresentado neste
capítulo e refletido na Tabela 4.15.
97
Tabela 4.15 – Canalização do padrão IEEE 802.11 no Brasil (2,4GHz)
Novamente, somente 3 destes canais podem coexistir sem que haja
interferência entre eles, como demonstra a Figura 4.20.
Figura 4.20 – Canalização do padrão IEEE 802.11 no Brasil (2,4GHz)
Portanto, para garantir que não haverá interferência no próprio sistema, é
necessário os canais que cobrem áreas em comum não possuam superposição
e o reuso dos canais aconteça em áreas onde não há cobertura comum,
possibilitando o roaming entre as áreas e ao mesmo tempo não causando níveis
relevantes de interferência.
Alternativamente, algumas soluções podem ser apresentadas como forma
de se tentar reduzir o nível destas interferências, porém, não sendo ainda a
melhor alternativa. Pode-se por exemplo, reduzir a potência dos Access Points,
fazer uso de antenas mais diretivas ou aumentar a distância entre os APs para
que as áreas cobertas sejam menores ou afastadas umas das outras, evitando-
se com isso, as sobreposições.
98
5 Propagação em redes WiFi
Para tratar dos modelos de propagação em ambientes de redes sem fio, é
importante primeiramente que o leitor tenha um entendimento sobre o meio pelo
qual o sinal de informação trafega.
Para os sistemas de redes sem fio, o meio de propagação é o canal rádio
móvel, onde algumas de suas características foram apresentadas em capítulo
anterior. Porém, outras características tão importantes quanto, serão tratadas
neste capítulo com algum detalhamento para permitir uma melhor compreensão
dos efeitos que o sinal de comunicação sofre ao longo do tempo e espaço,
conforme percorre o caminho da origem ao destino.
Um projeto de cobertura para uma rede wireless necessita de um estudo
de propagação dos sinais no ambiente em que será implantada a rede. Estudo
este, que possibilite obter informações sobre os níveis de sinal alcançados em
toda a área considerando determinadas situações específicas. Quanto mais
completo for este estudo, melhor será o planejamento da rede em termos de
cobertura, capacidade e eficiência no trato da informação.
Desta forma, para que se possa realizar este estudo, são utilizados os
chamados “modelos de propagação”. Os mesmos são desenvolvidos com base
em medições em campo que buscam alimentar com dados todo um
desenvolvimento matemático complexo capaz de representar os efeitos reais da
propagação dos sinais eletromagnéticos. Assim, é fácil concluir que, quanto mais
informações for possível representar nestas equações, mais precisa será a
caracterização do meio e seus efeitos. [25]
O levantamento destas informações é feito, principalmente, através de
medições em campo, onde são estudadas características do ambiente e os
efeitos que elas causam às ondas rádio. Deve-se considerar, portanto, a perda
de espaço livre, os desvanescimentos, os tempos de resposta e, é claro, as
interferências do ambiente. Os materiais utilizados para construir as paredes de
uma sala, ou dos objetos constituintes de um escritório, o movimento de pessoas
ou objetos (abertura de portas e janelas) em um ambiente, o tipo de interior (se
corredor largo, estreito, curvo, de esquina) ou a umidade do ar na região onde
planeja-se implantar uma rede têm papel fundamental no resultado final
99
alcançado no dimensionamento de cobertura de uma rede wireless. Ambientes
com presença de corredores normalmente conduzem a energia propagante ao
longo de sua extensão e o sinal apresenta atenuação abaixo da de espaço livre,
pois a energia está mais concentrada.
Desta forma, considerar as mais variadas características é bastante
importante quando se deseja desenvolver um modelo de propagação que
procure mostrar a realidade o mais fielmente possível.
5.1 Caracterização do canal rádio
Para os ambientes chamados indoors, o canal rádio sofre efeitos
basicamente segundo três características principais: a dependência do nível de
sinal com a distância percorrida e a variabilidade de larga e pequena escala do
sinal.
5.1.1 Dependência com a distância
A dependência com a distância significa dizer que, conforme o sinal se
propaga pelo meio, o seu nível de potência tende a reduzir com o quadrado da
distância entre a fonte e o ponto de medição devido somente ao espalhamento
do sinal no espaço, sem outros efeitos. Porém, principalmente em ambientes
fechados, isso nunca ocorre, pois existem obstáculos que influenciam no nível
de sinal. Neste caso, a atenuação do sinal com a distância pode chegar a
valores que dependem da quinta potência. [30]
De forma a quantificar esta atenuação, é que são realizadas medidas onde
a perda mediana do sinal é calculada e representada por meio de um gráfico,
como o apresentado na Figura 5.1 [31]. Nela, é possível observar a variação que
o sinal sofre em torno deste valor médio em vermelho, variação esta
caracterizada pelas variabilidades de pequena e larga escala.
100
Figura 5.1 - Perda mediana em relação à distância
Fazendo ainda, uma análise mais profunda, é possível identificar duas
situações a respeito desta perda mediana. Cada uma destas situações
apresenta características diferentes, ou seja, apresenta um grau de atenuação
do sinal com a distância maior ou menor. É possível observar na Figura 5.1 que
o decaimento do sinal é mais acentuado no início da curva, mas que em
seguida, após um ponto divisório, este decaimento é mais lento. Desta forma, a
perda mediana pode ser representada por duas retas separadas por um ponto
de quebra.
Figura 5.2 - Representação do Ponto de quebra
Em geral, a atenuação cresce lentamente com o quadrado da distância,
correspondendo a uma propagação em espaço livre até o ponto de quebra. Em
alguns casos, a atenuação pode crescer com valores inferiores a 2 (n1 = 1,43),
indicando confinamento do sinal. Após o ponto de quebra, o expoente aumenta
101
para valores comumente situados entre 3 e 9 como pode ser visto (n2 = 4,29) na
Figura 5.2 [31], indicando espalhamento do sinal.
Portanto, a distância (dpq) em que ocorre o ponto de quebra em um modelo
de traçado de raios é a distância para a qual o primeiro elipsóide de Fresnel
(será discutido mais a frente neste capítulo) é obstruído, seja pelo solo ou por
uma parede, por exemplo. Desta maneira, a localização do ponto de quebra é
dependente, para um mesmo ambiente, das menores distâncias ao solo ou à
parede. Para o caso em que a dependência ocorrer com relação ao solo, deve-
se considerar as alturas das antenas transmissora e receptora, e, além disso, a
frequência de operação [32]:
λrt
pq
hhd
4= (5.1)
Onde:
ht = altura da antena transmissora (m)
hr = altura da antena receptora (m)
λ = comprimento de onda (m)
5.1.2 Variabilidade de larga escala
Um outro fator que influencia no nível do sinal transmitido é a variabilidade
de larga escala ou o chamado sombreamento. Este é caracterizado por um
período de duração maior, porém mais suaves que o de pequena escala. Ela
está associada a flutuações ou variações do nível de potência do sinal em torno
do seu valor médio, em razão das características físicas do ambiente, como
objetos que obstruem o sinal transmitido, a exemplo das árvores ou do relevo
para ambientes outdoors e de pessoas para ambientes indoors. Esta
variabilidade é bem modelada por uma distribuição Log-normal ou Gaussiana.
Analisando a Figura 5.3 [31] abaixo, é possível observar que a mesma
mostra uma medida do sinal recebido em função da distância, onde o tracejado
mais forte representa a variação média do sinal, caracterizando a variabilidade
em larga escala.
102
Figura 5.3 - Variabilidades de pequena e larga escala
5.1.3 Variabilidade de pequena escala
Diferentemente da variabilidade em larga escala, a de pequena escala é
causada por ondas rádio que chegam a um receptor por diversos caminhos. Este
efeito é originado por multipercurso, ou seja, diferentes caminhos entre o
transmissor e o receptor que implicam em que os sinais cheguem ao destino
com amplitudes e fases diferentes, onde a amplitude é bem descrita por uma
função de Rayleigh. Com respeito à fase, pode-se dizer que a mesma é mais
sensível a pequenos deslocamentos quanto maior for a freqüência do sinal em
operação. Nas faixas de 2,4 e 5,2GHz, em que o comprimento de onda é da
ordem de poucos centímetros (12,5cm e 5,7cm respectivamente), uma variação
de posicionamento dos equipamentos transmissor ou receptor nesta ordem de
centímetros, pode levar a uma situação tal, que cause profundos
desvanecimentos no sinal recebido, porém de curta duração, de maneira oposta
aos desvanecimentos de larga escala.
Se por exemplo, for considerado um impulso que é transmitido ao longo do
canal rádio, quando este chegar ao receptor, não será mais um impulso, mas
sim um pulso com uma ampla largura que é chamada de delay spread
(espalhamento do retardo). Este delay limitará a máxima taxa de transmissão do
sinal digital.
Assim, caso dois ou mais sinais próximos no espectro de freqüência
sofram este atraso, os mesmos podem tornar-se correlatados. Assim, quando a
amplitude ou a fase dos dois sinais recebidos é fortemente correlatada, a banda
por ele ocupada é definida como largura de banda de coerência. Isto é, a Banda
103
de Coerência é a faixa de freqüências na qual um canal apresenta o mesmo
comportamento sobre todas as freqüências.
O canal, dentro da banda de coerência, é considerado plano, isto é, todas
as componentes espectrais atravessam o canal sofrendo o mesmo ganho e com
variação linear de fase. Isso significa dizer que, quaisquer duas componentes de
freqüência situadas na banda de coerência terão uma alta correlação, ou seja, é
muito provável que os efeitos impostos pelo canal sejam os mesmos para ambas
as freqüências.
A diversidade é utilizada principalmente para combater a este tipo de
problema como já foi mencionado no Capítulo 4. Entre os tipos de diversidade
possíveis estão as diversidades de espaço, a de freqüência e a de polarização.
Destas, a amplamente utilizada é a diversidade em espaço, onde um terminal
com duas antenas recebe os sinais captados e os combina de forma que o
melhor resultado obtido pela combinação é o utilizado pelo receptor.
5.1.4 Espalhamento do retardo
Em um canal com multipercurso, cada componente de multipercurso
percorre um caminho diferente entre o transmissor e receptor e, portanto, o
tempo de chegada de cada componente ao receptor será distinto. Assim sendo,
o sinal resultante será composto por um conjunto de versões do sinal enviado,
cada uma destas versões possuindo retardos diferenciados entre si. O sinal
sofre espalhamento no tempo e o gráfico que mostra cada componente
significativa de multipercurso, sua potência e o instante de tempo de chegada é
denominado de Perfil de Retardos (Power Delay Profile). A partir do Perfil de
Retardos pode-se extrair parâmetros importantes. São eles:
• Retardo Excedido Médio (Mean Excess Delay)
• Espalhamento Temporal rms (rms Delay Spread)
• Espalhamento Temporal Excedido (Excess Delay Spread)
O retardo excedido médio descreve o Retardo de Excedido Médio das
demais componentes em relação à primeira componente que chega ao receptor.
O Espalhamento Temporal rms mede o espalhamento temporal do Perfil de
Retardos em torno do Retardo Excedido Médio (valores típicos são da ordem de
microsegundos em canais móveis outdoor e da ordem de nanosegundos em
canais móveis indoor) [31]. Em sistemas digitais, o Espalhamento Temporal rms
provoca interferência intersimbólica (ISI - Inter-Symbolic Interference), limitando
a taxa de símbolos máxima a ser utilizada no canal. Por último, o Espalhamento
104
Temporal Excedido indica o retardo máximo, relativo à primeira componente
recebida, para o qual a energia cai XdB (pré-definido) abaixo do maior nível
recebido. Todos estes três parâmetros são muito importantes para a análise do
desempenho da comunicação quanto à taxa de erros.
Se uma rápida análise for feita com respeito ao Espalhamento Temporal
rms com uso de antenas omnidirecionais e diretivas, pode-se constatar assim
como em [36] que ocorre uma diminuição deste parâmetro com o uso de antenas
diretivas. Isso ocorre, pois a diretividade filtra as componentes de multipercurso
que chegam fora do lóbulo principal.
Nas aplicações de redes sem fio, o retardo por espalhamento é
proporcional à área do ambiente indoor. Um escritório e uma casa, por exemplo,
apresentam um retardo por espalhamento menor que os armazéns, que
possuem grande área aberta.
Figura 5.4 - Exemplo de Multipercurso em Ambiente Indoor
A Figura 5.4 [1] e a Figura 5.5 [1] apresentam exemplos dos efeitos do
desvanecimento por multipercurso em ambientes de redes wireless, mostrando a
resposta de impulso de um canal particular. A primeira mostra a resposta de
impulso para um retardo por espalhamento de 100 ns. Enquanto que a segunda,
mostra a resposta para um retardo por espalhamento de 300 ns.
Figura 5.5 - Resposta para um Retardo por Espalhamento de 300 ns
105
A Tabela 5.1 [1] apresenta algumas das exigências de retardo por
espalhamento de acordo com o tipo de ambiente indoor.
Delay Spread Mediano (ns) Delay Spread Máximo (ns) Área Indoor
40 120 Prédio Amplo
40 95 Prédio Comercial 1
40 150 Prédio Comercial 2
105 200 Shopping Center
25 80 Prédio Comercial
105 270 Laboratório Amplo
Tabela 5.1 - Retardo por Espalhamento
5.1.5 Outros mecanismos e efeitos de propagação
Além das características próprias do canal rádio que acabaram de ser
apresentadas nestas últimas sessões, existem diversos outros fatores que
causam efeitos de perda do nível de sinal transmitido em um ambiente rádio.
Cada um deles é comentado a seguir com algum detalhe.
Perda de penetração
Quando um sinal atravessa um objeto, sendo obstruído pelo mesmo no
seu caminho entre origem e destino da comunicação, este sinal sofre com uma
redução do seu nível de potência, correspondendo estas perdas, às perdas de
penetração.
A perda de penetração é inclusive dependente da constituição do material
o qual compõe o objeto. Obstáculos como paredes e janelas, por exemplo,
apresentam valores diferentes de perdas de penetração. Assim, procura-se
demonstrar para efeitos de informação, através da Tabela 5.2, os valores
relativos às perdas para as frequências de 2,4GHz medidos pelo European
COST 231 [39] para os obstáculos mais comuns em ambientes indoors e
outdoors. Os valores em [33] foram obtidos para freqüência de 2,4GHz.
Obstáculo Perda Adicional (dB)
Espaço Livre 0,0
Janela (tinta não metálita) 3,0
Janela (tinta metálica) 5,0 a 8,0
Parede Fina (madeira) 5,0 a 8,0
Parede Média (madeira) 10,0
Parede Espessa (aprox. 15 cm) 15,0 a 20,0
Parede Espessa (aprox. 30 cm) 20,0 a 25,0
Piso/Teto Espesso 15,0 a 20,0
Piso/Teto Muito Espesso 20,0 a 25,0
Tabela 5.2 - Perdas de penetração em obstáculos em 2,4GHz
Através destas tabelas, é fácil concluir que quanto mais espesso for o
obstáculo, maior será a perda causada por ele ao sinal incidente. Vale observar
106
também que para a faixa de 5,2GHz as perdas são mais acentuadas do que
para mais baixas frequências.
Multipercurso
Este é outro fator que causa perda no nível de potência do sinal e que foi
comentado a pouco neste texto. Pode-se dizer que o multipercurso é originado
pelo fenômeno da reflexão, da difração, da refração e do espalhamento do sinal
em propagação. Estes fenômenos, quando combinados, acabam por fazer com
que o sinal percorra diversos caminhos da origem até o destino, cada qual
levando um tempo diferente até atingir o receptor. No receptor, estes sinais são
combinados e podem interferir destrutivamente (degradando o nível de sinal no
receptor) ou construtivamente (melhorando o nível do sinal) pois, se trata de uma
soma vetorial. Os sinais que chegam ao receptor podem ainda estar contando,
quando existir, com o sinal de visada direta.
a) Reflexão – ocorre quando a onda rádio incide sobre um objeto de
proporções maiores que o comprimento da onda incidente, e que por suas
características constituintes, reflete o sinal em várias direções. Pode haver ou
não penetração de parte do sinal incidente, dependendo da constituição da
superfície refletora. Existem dois tipos de reflexão, a especular e a difusa, que
possui as características do espalhamento descrito adiante. O critério de
Rayleigh é uma função do comprimento de onda e do ângulo de incidência e é
capaz de identificar o tipo de reflexão em uma dada superfície, onde são
considerados o parâmetro σ como sendo a rugosidade do solo e α que é o
ângulo de incidência da onda sobre a superfície.
b) Difração – esta ocorre quando uma onda em propagação é obstruída
por um objeto em sua extremidade para altas frequências, porém para baixas
frequências o sinal é desviado de sua trajetória original atingindo uma região que
antes não seria coberta pelo mesmo, ou seja, provavelmente seria uma região
de sombra. Este mecanismo de propagação faz uso do princípio de Huygens
onde cada ponto de uma frente de onda se comporta como uma fonte pontual
irradiando para todas as direções.
c) Refração – este efeito ocorre quando uma onda penetra em um meio
cuja densidade é diferente do meio em que se propagava e tem sua trajetória
alterada e seu nível de potência reduzido, pois parte do sinal será refletido. Cada
material tem seu coeficiente de reflexão e o de refração.
d) Espalhamento – quando uma onda incide sobre um objeto cujas
dimensões são da mesma ordem ou menores que o comprimento de onda do
sinal incidente, ocorre a atenuação no sinal e reflexão do mesmo em diversas
107
direções. É por este motivo que as comunicações satélite que utilizam faixas de
frequências bastante elevadas, como as bandas Ku e Ka, sofrem com as
atenuações provocadas por chuvas e por gases respectivamente, dentre outros
males por assim dizer. Em regiões do globo terrestre, como a América do Sul,
não é empregada a comunicação satélite para bandas Ka e superiores
principalmente devido a grande incidência de chuvas e umidade que
interrompem a comunicação. O mesmo motivo retardou a entrada de sistemas
em banda Ku, que somente se tornou realidade após anos de desenvolvimento
tecnológico. A Figura 5.6 procura exemplificar estes efeitos de forma bem direta.
Figura 5.6 - (a) Reflexão e Refração, (b) Difração, (c) Espalhamento
Efeito da umidade
A grande incidência de chuvas eleva a umidade local e este efeito natural
causa maior perda de potência no sinal quando o mesmo se propaga ao longo
de um ambiente carregado de umidade, pois faz com que se aumente o
coeficiente de absorção do mesmo. Objetos como aquários, quando presentes,
são bastante prejudiciais para a propagação das ondas, pois a água é um
grande absorvedor de energia. Sendo assim, objetos úmidos, causam uma
perda de penetração cerca de 10% [9] maior que o valor quando os mesmos
estão mais secos. Ainda, quanto maior a frequência de operação, maior será a
perda também diante deste efeito, desta maneira, sistemas wireless em 5,2GHz
tendem a apresentar maior susceptibilidade ao efeito da umidade no ambiente.
Um efeito interessante e que talvez mereça algum comentário no
momento, diz respeito à propagação outdoor onde uma fonte externa origina
sinais que chegam a ambientes internos, ou indoors em edifícios ou construções.
A penetração em andares baixos talvez receba bastante obstrução devido aos
objetos próximos ao solo, mas para andares mais elevados, caso haja um
receptor próximo a uma janela, por exemplo, a perda por penetração será menor
nestes andares, pois os mesmos estarão mais livres de obstruções. Um estudo
sobre este caso em específico e bastante detalhado pode ser encontrado em [9].
108
5.2 Modelos de Propagação
Para o estudo da propagação das ondas no canal rádio móvel, é
necessário o desenvolvimento de modelos de propagação como comentado no
início deste capítulo. Modelos estes, que apresentam características diferentes e
podem ser agrupados em duas situações: modelos com conceitos empíricos e
modelos com conceitos teóricos.
A diferença básica entre eles é que para os modelos empíricos, a base das
informações vem de medidas realizadas em campo em diferentes tipos de
ambientes, situações e efeitos interferentes, com o objetivo de se caracterizar da
melhor maneira possível, ou seja, o mais próximo da realidade.
Já os modelos teóricos são baseados somente em equações que regem a
propagação das ondas eletromagnéticas em um meio, sendo para isso,
consideradas as condições de contorno do ambiente.
Não é muito difícil perceber que os modelos que contemplam além das
equações das ondas eletromagnéticas, as medidas realizadas em campo,
trazem resultados mais próximos da realidade e são, portanto mais confiáveis
quando se deseja utilizá-los para o planejamento de uma rede wireless.
É possível adiantar que, de acordo com os estudos realizados por diversos
pesquisadores, a variação do sinal dentro de um edifício ou ambiente indoor
obedece aproximadamente à distribuição de Rayleigh para o caso sem
visibilidade (Nonline of sight – NOS), ao passo que se ajusta à distribuição de
Rice no caso em visibilidade.
O modelo mais simples para o cálculo da perda de propagação é o da
Equação de Friss que representa a perda por atenuação em espaço livre.
( ) ( ) ( ) ( )dBiGdBiGMHzfKmdL RT −−++= log20log2044,92 (5.2)
Esta equação, porém, não pode ser utilizada para os cálculos de projeto de
redes sem fio, pois estas sofrem dos efeitos já discutidos neste capítulo e que
não são tratados pela equação de Friss. Para tal, são utilizados os mais diversos
modelos, como os que são apresentados a seguir.
5.2.1 Modelos Teóricos
Os modelos teóricos são aqueles que se baseiam nas técnicas de traçado
de raios, como o Modelo de 2 raios, o de 4 raios, 6 raios e o Modelo de 10 raios,
onde a complexidade, o tempo de execução do cálculo e a quantidade de raios
109
aumentam quando aumentam-se a quantidade de objetos refletores
considerados.
O modelo de dois raios descreve melhor ambientes com menor
povoamento, como áreas rurais e até suburbanas. Em contrapartida, um modelo
de quatro ou mais raios é melhor adaptado à cidades onde é grande a presença
e influência de construções que margeiam as vias de tráfego de veículos para os
ambientes outdoors.
Existem, portanto, dois métodos que são usados para se calcular os
caminhos entre Tx e Rx no Modelo de Traçado de Raios: o modelo de imagem e
o modelo da força bruta. O modelo de imagem trabalha a partir da procura por
pontos especulares em uma superfície especifica refletindo um raio do Tx até o
Rx. Este modelo é mais eficiente no tempo do que o modelo da força bruta
quando existem menos objetos sendo levados em consideração.
Já a técnica da força bruta, considera raios em diversas direções até a
chegada ao receptor. Esta técnica é mais eficiente no tempo do que o modelo de
imagem quando mais objetos refletores estão sendo levados em consideração.
Ela se baseia no acompanhamento dos campos elétricos e suas atenuações ao
longo do caminho de cada raio traçado e caso o valor da intensidade do campo
da componente ficar abaixo de um determinado limiar, este raio não é levado em
consideração no cálculo final. Por fim, os raios que atingem o receptor são
somados para se determinar o nível de atenuação sofrido pelo sinal transmitido
como um todo.
Para exemplificar o cálculo destes modelos, são apresentadas a variante
com 2 raios e a com 6 raios.
a) Modelo de 2 raios
Para apresentar o Modelo de 2 raios [32, 36], é assumido como premissa
um ambiente em que não haja obstáculo lateral e nem superior, havendo
somente uma reflexão no solo. Ainda, a distância horizontal entre o transmissor
e o receptor é muito maior que o comprimento de onda (λ), o índice de refração
da Terra (proporcional a k1, o número de onda na Terra) é muito maior que o
índice de refração no espaço livre (proporcional a k0, o número de onda no
espaço livre). De forma a exemplificar da melhor maneira o cenário de estudo, a
Figura 5.7 é apresentada.
110
Figura 5.7 - Ilustração do modelo de 2 raios
Através da solução de Norton, observa-se que chegam três ondas ao
receptor: a onda do raio direto (R1), a onda do raio refletido (R2) na Terra Plana e
a onda de superfície (não representada). A expressão da solução de Norton é
[41]:
( ) ( ) 01
22
e ; 1.14
kkdewFReRGGdP
P jj
RT
T
R >>>>−++
≅ ∆∆ λ
π
λ ϕϕ (5.3)
O primeiro termo da expressão é referente ao raio direto, correspondendo
à Fórmula de Fris vista na propagação em espaço livre. Esse resultado é
esperado, uma vez que na propagação em espaço livre, a onda que chega ao
receptor é de um raio direto. O segundo termo é referente ao raio refletido em
Terra Plana, onde o coeficiente de reflexão R é dependente do ângulo θi e da
relação entre k1 e k0, a fase ∆ϕ é proporcional à diferença de percurso entre o
raio direto e o raio refletido.
O terceiro termo da expressão de Norton representa a onda de superfície.
A função F(w) é a função de atenuação da onda de superfície e é ela que define
sua intensidade. Essa função diminui de intensidade com o aumento da
freqüência e com o afastamento do ponto de observação (recepção) em relação
ao transmissor. Na faixa de freqüências tratada (UHF), o efeito da onda de
superfície pode ser desprezado.
Assumindo-se algumas simplificações e condições ideais, além de algum
tratamento algébrico, a eq. (5.3) toma a seguinte forma:
2
2
222212
44
=
=
≅
d
hhGGP
d
hhGG
dP
d
hhGG
dPP RT
RTT
RT
RTT
RT
RTTRλ
π
π
λ
(5.4)
Essa é a expressão de potência recebida na propagação em Terra Plana,
usada quando são válidas as aproximações feitas. As expressões de atenuação
ou perda de propagação L correspondente são calculadas a seguir.
2
2
==
d
hhGG
P
PL RT
RT
T
R (5.5)
111
( )
( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )dBiGdBiGmhmhmddBL
P
PdBL
RTRT
T
R
−−−−=
−=
log20log20log40
log10
(5.6)
A eq. (5.6) fornece a atenuação de propagação de Terra Plana, que se
aproxima do valor exato quando as condições assumidas nas aproximações são
satisfeitas. Demonstra-se que a distância “d” a partir da qual é válida a aplicação
da eq. (5.6) é:
λRT hh
d4
= (5.7)
O que é interessante de se observar na expressão de atenuação em Terra
Plana é a sua independência com a freqüência e a dependência com a distância
através de um fator 4, em contraste com a dependência através de um fator 2
encontrada na propagação em espaço livre (onde o único mecanismo é o de
visibilidade).
A expressão obtida tem aplicação limitada a regiões de relevo
relativamente plano e com poucas construções (espaços amplos e abertos,
típicos de regiões rurais). A análise da reflexão em Terra Plana acima realizada
considera a superfície refletora como sendo lisa. A reflexão é dita especular, e a
direção da onda refletida é única e bem definida pelo ângulo entre a onda
incidente e a normal à superfície refletora, através da Lei de Snell da reflexão.
Se a superfície refletora não é lisa, a onda refletida não possuirá direção
única. O que ocorre é um espalhamento (difusão) da energia incidente, em
várias direções, causado pela irregularidade (rugosidade) da superfície refletora.
A Figura 5.8 ilustra o espalhamento de uma frente de onda plana (representada
pelos raios incidentes paralelos) refletida em uma superfície rugosa.
Figura 5.8 - Reflexão em superfície rugosa (espalhamento)
O coeficiente de reflexão especular, neste caso, é corrigido pelo
coeficiente de espalhamento, resultando no coeficiente de reflexão especular a
ser usado:
112
RCR e=' ; ψλ
πσ hC4
≅ ; 2
2C
e eC−
= (5.8)
b) Modelo de 6 raios
Este modelo [32, 36] é utilizado para os casos em que se consideram as
reflexões em paredes para os ambientes indoors ou em grandes obstáculos
como prédios para ambientes outdoors quando da propagação de uma onda
eletromagnética seguindo seu caminho até o receptor.
Desta forma, tem-se o raio direto entre origem e destino, o raio refletido no
solo (como o caso anterior), os raios refletidos nas paredas laterais esquerda e
direita, e os raios que refletem nas paredes e em seguida no solo.
Figura 5.9 - Ilustração do modelo de 6 raios (vista superior do ambiente)
Assim, pela Figura 5.9 [19] define-se que a distância entre os obstáculos
laterais, ou seja, a largura do “corredor” é dada por W, a distância entre os
pontos de comunicação é dada por “d”, as distâncias do transmissor e do
receptor a um dos obstáculos laterais são, respectivamente, ht e hr, sendo as
alturas do transmissor e do receptor definidas por y1 e y2 não representadas
acima.
Através da Geometria de raios é possível chegar a uma expressão que
represente a distância percorrida por cada raio.
( ) ( )
( ) ( )
( ) ( )
( ) ( )
( ) ( )
( ) ( )222
6
222
5
222
4
222
3
222
2
222
1
2
2
rtrt
rtrt
rtrt
rtrt
rtrt
rtrt
yyWhhdr
yyWhhdr
yyhhdr
yyhhdr
yyhhdr
yyhhdr
−−+++=
−−+−+=
++++=
++−+=
−+++=
−+−+=
(5.9)
O sinal no receptor será composto por todas as componentes
apresentadas e, eq. (5.10). O módulo do sinal recebido é dado por:
113
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( ) ( )
2
6
66
5
55
4
4
3
3
2
2
1
22
65
4321
4
r
e
r
e
r
e
r
e
r
e
r
e
Ejkr
PS
jkr
PS
jkr
P
jkr
P
jkr
S
jkr
−−
−−−−
++
++++
=
ασασασασ
ασασασ
π
λ (5.10)
Onde:
S = coeficiente de reflexão no solo
P = coeficiente de reflexão nos obstáculos laterais
αi = ângulo de incidência do raio “i” no obstáculo
Os coeficientes de reflexão “ρ” dependem da polarização utilizada para
transmissão do sinal. Para a determinação dos coeficientes de reflexão
simplificados paralelo e perpendicular, assume-se que o meio 1 é o ar e que a
permeabilidade do meio 2 é a permeabilidade do vácuo.
( )( )
( ) αεε
α
αεε
α
αρ2
2
1cos
1cos
sen
sen
r
r
r
r
par
−+
−−
= (5.11)
( )( )
( ) αεα
αεααρ
2
2
cos
cos
sen
sen
r
r
per
−+
−−= (5.12)
Onde a constante dielétrica dos obstáculos é dada por:
ρλε 6015 jr −= (5.13)
Podem ser obtidas também as expressões dos ângulos de incidência dos
raios 2 a 6 no obstáculo em função dos parâmetros da Figura 5.9.
Outros modelos mais sofisticados e precisos como o modelo de 10 raios
[23] podem ser utilizados para incluir a reflexão no teto do ambiente, mas não
serão apresentados neste trabalho.
5.2.2 Modelos Semi-empíricos
a) Modelos Log-distance
Os modelos empíricos mais simples para a perda de propagação em
ambientes fechados ou micro-células em ambientes abertos podem ser
representados por uma fórmula geral [35]:
( ) σXdnLLtotal ++= log100 (5.14)
Onde os valores típicos de n e σ podem ser encontrados na literatura
técnica [12], para diferentes ambientes e faixas de freqüência.
114
b) ITU-R P.1238-1
Este modelo [38, 39] foi desenvolvido para trabalhar com sinais na faixa
entre 900MHz e 100GHz em ambientes fechados e considera os efeitos de
propagação como a reflexão e a difração em objetos fixos; a refração em
paredes, pisos e outros obstáculos; o confinamento da energia em corredores e
objetos em movimento no ambiente.
Alguns casos particulares podem ser tratados por este modelo. São eles:
b.1) Tx e Rx no mesmo andar
b.1.a) sem obstrução
)log(10 11 dnSP += (5.15)
onde:
)/1*4log(10 λπ mnS = (5.16)
Para uma frequência de 2,4GHz, e considerando n = 2 (perda de espaço
livre), o valor de S é igual a 40dB. Para f = 5,2GHz , tem-se S = 46,8dB. O
parâmetro n1 representa o coeficiente de atenuação com a distância e pode ser
representado também por n = 10 n1. Segundo [36], são considerados três
diferentes ambientes: residencial, escritório e comercial. Este coeficiente varia de
acordo com o tipo de ambiente e com a frequência em operação. Os valores do
coeficiente mais próximos da faixa de 2,4GHz são os das faixas de 2,0GHz e
estão expostos na Tabela 5.3 de [36].
Freqüência Residencial Escritório Comercial
900 MHz – 33 20
1.2 - 1.3 GHz – 32 22
1.8 - 2.0 GHz 28 30 22
4 GHz – 28 22
Tabela 5.3 - Coeficiente de atenuação
b.1.b) Com obstrução
Se existe uma parede entre o transmissor e o receptor e o único caminho
do sinal é através da parede, então a perda no espaço é dada por:
∑++= wLdnSP )log(10 112 (5.17)
Onde d1 é a distância entre o transmissor e a superfície externa da parede,
e Lw é a perda devido à penetração na parede. O parâmetro Lw depende do tipo
de construção da parede que obstrui o sinal e também do ângulo de incidência
do sinal transmitido sobre a mesma. No caso onde mais de uma parede existe
entre o transmissor e o receptor deve-se calcular a perda total (∑Lw).
( ) ( ) ( ) 28loglog20 −++= fftotal kLdnfL
115
Onde:
f – freqüência de operação (MHz)
n – coeficiente de atenuação com a distância
d – distância percorrida (m)
kf – número de pisos (andares) atravessados
Lf – coeficiente de atenuação por piso atravessado (dB)
Coeficiente de atenuação por piso atravessado:
Este coeficiente também varia de acordo com o ambiente e a frequência
em operação e foram tomados valores os mais próximos possíveis das faixas de
2,4GHz e 5,0GHz e expostos na Tabela 5.4 [36].
Tipo de ambiente Coeficiente (Lf)
Residencial 4 Kf
Escritório 15 + 4 (Kf - 1)
Comercial 6 + 3 (Kf - 1)
Tabela 5.4 - Coeficiente de atenuação por piso atravessado
De foma a ser considerado o efeito de sombreamento do sinal, se faz
necessária a utilização da distribuição log-normal [30].
( ) [ ]dBerp
mr
r
−−
=
2
2
1
2
1 σ
πσ (5.18)
Onde:
m – valor médio da distribuição (dB)
σ – desvio padrão da distribuição (dB)
A Tabela 5.5 [36] traz os valores de desvio padrão para os três ambientes
em questão:
Tipo de ambiente Desvio padrão (σ)
Residencial 8,0
Escritório 10,0
Comercial 10,0
Tabela 5.5 - Desvio padrão da distribuição log-normal
Os efeitos provenientes do movimento de objetos em frente ao caminho de
propagação do sinal, impõe perdas da ordem de até 10dB para a faixa de
2,4GHz [37].
Com relação ao atravessamento de pisos pelo sinal entre o transmissor e o
receptor, alguns autores descrevem a equação de seus modelos como sendo:
)/log(10)log(10 1
'
333133 ddnFkdnSP +++= (5.19)
116
Onde:
d = distância em metros entre a base e a unidade móvel sem bloqueio;
d1 = distância até o teto;
F3 = a fator de atenuação do assoalho, que depende do tipo de material;
K3 = o número do andar entre o transmissor e o receptor;
n3 = expoente dependente do ambiente referente ao primeiro andar;
n’3 = expoente dependente do ambiente referente ao segundo andar.
Há ainda os casos em que o transmissor está fora da construção e o
receptor está dentro. Alguns autores escrevem a expressão como sendo:
kMddnLdnSP w ++++= )/log(10)log(10 14104 (5.20)
Onde:
S = 37dB
N0 = expoente dependente do ambiente externo ao edifício;
N4 = expoente dependente do ambiente interno ao edifício;
Lw = perda devido a penetração na parede externa do edifício [26];
d1 = a distância entre o transmissor e a parede externa do edifício;
d = a distância entre transmissor e receptor;
M = fator depende do andar e “k” é o número de andares
Tipo de Parede Lw (dB) Lw Mínimo (dB) Lw Máximo (dB)
Concreto espesso com janelas amplas 5 4 5
Concreto e com janelas amplas 11 9 12
Concreto espesso sem janelas 13 10 18
Concreto interno duplo 17 14 20
Concreto interno fino 6 3 7
Parede de tijolo com pequenas janelas 4 3 5
Parede com aço e janelas reforçadas 10 9 11
Parede de vidro 2 1 3
Vidro Reforçado 8 7 9
Tabela 5.6 - Valores do Fator de Penetração da Parede
c) Modelo COST 231 Keenan e Motley
Este modelo [35, 37, 40] é considerado como o mais abrangente para
predição da propagação das ondas eletromagnéticas em ambientes abertos e
fechados.
A expressão para a perda total é dada por:
( ) ∑∑==
+++=J
j
jwiw
I
i
jfiftotal LkLkdnLL1
,,
1
,,0 log10 (5.21)
117
Onde:
L0 = perda de propagação a um metro da antena irradiante (dB)
d = distância percorrida pelo sinal (m)
n = coeficiente de propagação
Lf,i = perda de propagação do sinal através do piso i (dB)
kf,i = número de pisos com a mesma característica
Lw,i = perda de propagação do sinal através da parede j (dB)
kw,i = número de paredes com a mesma característica
I = número de pisos atravessados pelo sinal
J = número de paredes atravessadas pelo sinal
A perda de penetração em alguns obstáculos é apresentada por meio da
Tabela 5.7 [39] para as frequências principais, de 2,4GHz e 5,2GHz.
Obstáculo 1,8 GHz 2,4 GHz 5,2 GHz
Concreto Espesso 13,0 17,0 36,0
Vidraça 2,0 13,0 15,0
Parede com janela 2,0 a 13,0 13,0 a 17,0 15,0 a 36,0
Tabela 5.7 - Perdas de penetração em obstáculos
d) Modelo COST 231 Multi-Wall
O modelo Multi-Wall [37, 41, 42] considera um comportamento não linear
da atenuação por múltiplos pisos e a perda total calculada por ele, segue a
expressão apresentada abaixo.
( ) ∑=
+
−
−
+++=
J
j
jwiwf
f
f
ftotal LkKbL
LLdnLL
1
,,02
2log10 (5.22)
Onde:
L0 = perda de propagação a um metro da antena irradiante (dB)
d = distância percorrida pelo sinal (m)
n = coeficiente de propagação
Lf = perda de propagação do sinal através dos pisos (dB)
kf = número de pisos com a mesma característica
b = fator de correção da atenuação dos pisos
Lw,i = perda de propagação do sinal através da parede j (dB)
kw,i = número de paredes com a mesma característica
J = número de paredes atravessadas pelo sinal
118
6 Metodologia de projeto e simulação de caso
Este capítulo propõe um planejamento ou método de projeto de redes
VSAT-WiFi e busca consolidar, através de uma simulação, os conceitos vistos
nos capítulos anteriores.
Foram apresentados objetivamente até aqui, os protocolos de
comunicação e os métodos de acesso comumente utilizados por estas duas
tecnologias. Os mais recentes capítulos explanaram as questões relacionadas à
propagação do sinal, cada um em seu meio. As redes Wi-Fi quando empregadas
em ambientes abertos e fechados, para uma área relativamente pequena de
cobertura, e as redes VSATs com abrangência continental, onde diversos outros
efeitos foram necessariamente considerados.
O casamento destas duas tecnologias traz neste presente capítulo, uma
forma de distribuir o acesso à Internet ou às aplicações segundo o modelo
cliente/servidor, para localidades em que não existe ou é de pouca presença
uma infra-estrutura de telecomunicações adequada à prestação de serviços de
voz, vídeo e dados, o chamado Triple Play, voltados para o usuário final.
6.1 Metodologia de projeto
Para a execução de um bom projeto de rede integrada com as tecnologias
VSAT e WiFi é preciso seguir um método ou um planejamento que busque
organizar e sequenciar as atividades primordiais para esta tarefa. É apresentada
nesta sessão uma proposta de planejamento que será seguida a partir da
sessão 6.2, com um estudo de simulação.
O primeiro passo de um projeto é identificar o desejo do cliente que será
enquadrado como o escopo do projeto. Na simulação da sessão 6.2, por
exemplo, o cliente deseja implantar uma rede local sem fio em cada um de seus
escritórios espalhados pelo país de forma a prover mobilidade aos usuários e
interligá-los por meio de uma rede via satélite, com a Matriz, atendendo algumas
localidades de difícil alcance e integrando todas as suas filiais por meio de uma
única tecnologia.
119
A proposta de planejamento apresentada neste trabalho, considera a rede
satélite como um backbone de toda a rede do cliente e os sites regionais como
fontes geradoras de tráfego. Por este motivo, o método indica que a análise do
projeto seja iniciada pela rede sem fio WiFi, para em seguida, ser possível
dimensionar o backbone satélite.
6.1.1 Rede WiFi
Sendo assim, após identificar o escopo do projeto, o próximo passo é
avaliar, no que concerne as redes sem fio, as características da área a ser
atendida em cada escritório local. A cobertura desejada no ambiente será
indicada pelo cliente e o estudo de propagação do sinal utilizará um dos modelos
apresentados no capítulo 5. O modelo COST 231 Keenan e Motley parece ser o
mais adequado pois consegue levar em consideração na predição dos níveis de
potência do sinal, um maior número de parâmetros, aproximando mais seus
resultados da realidade.
Devem ser analisados também nesta fase, os aspectos de interferência
(vide sessão 4.2.9), o planejamento de frequências (dependendo das
necessidades pode ser empregado o reuso de canais), aspectos de infra-
estrutura, como a definição da topologia a ser empregada dentre as
possibilidades apresentadas na sessão 4.2.6, a passagem de cabos de dados e
de energia, bem como a interconexão da rede WiFi com a rede VSAT,
finalizando com um estudo de capacidade a partir da análise das premissas de
tráfego do usuário final, como a identificação das aplicações utilizadas, do
número de fontes de tráfego e do perfil de uso da rede.
Dependendo dos resultados obtidos no estudo de cobertura, ajustes
podem ser necessários, como a redução da área de cobertura de alguns APs e a
inserção de mais APs de maneira a cobrir melhor a região de interesse ou ainda,
sobrepor APs, formando regiões em que usuários poderão se comunicar com
mais de um Access Point.
Por fim, não se pode deixar de lado os aspectos de regulamentação na
implantação de um projeto de rede sem fio. No planejamento de cobertura deve-
se atentar para os limites de irradiação estabelecidos pelos órgãos
regulamentadores locais. Os limites de irradiação refletem duas preocupações, a
exposição humana à irradiação e a coordenação de interferências.
Em algumas referências, como em [19], são mencionados os limites de
exposição e as distâncias mínimas às antenas de estações transmissoras para
120
exposição ocupacional e de público em geral de faixas de frequências da ordem
de GHz.
Além disto, as WLANs por fazerem uso de uma banda sem necessidade
de licença de utilização, não estão sujeitas às regulamentações pelos devidos
órgãos. A regulamentação limita apenas a potência irradiada (EIRP) pelos
equipamentos, para que os usuários não inviabilizem a operação de outros
gerando níveis muito altos de interferência. Em [19] podem ser encontradas
algumas recomendações, de forma resumida, em relação aos níveis de potência
na faixa de 2,4GHz.
6.1.2 Rede VSAT
Com base nas informações coletadas na fase de estudo da rede sem fio,
podem ser iniciados os trabalhos que dizem respeito à rede satélite. O primeiro
passo é coletar as informações de tráfego levantadas na primeira fase do
projeto, consolidando as necessidades dos usuários por site remoto ou por
terminal gerador de tráfego.
A partir dos dados de tráfego, são dimensionados os recursos de banda
(capacidade) e de equipamentos na plataforma satélite. Para este fim, são
utilizadas ferramentas de dimensionamento proprietárias de cada fornecedor. Os
resultados destes dimensionamentos variam conforme o tipo de plataforma que
está sendo empregada. Alguns fornecedores conseguem melhores resultados
que outros.
Fazendo um adendo, o problema da latência em comunicações via satélite
é basicamente resolvido com o emprego de um método para tratamento das
solicitações e confirmações na troca de pacotes do protocolo TCP/IP [2], o
chamado spoofing. Os dados que partem da máquina do usuário final são
interceptados pelo terminal VSAT que localmente gera confirmações, simulando
o recebimento no destino. As novas solicitações são emitidas pela fonte após
esta fração de tempo, e não mais o tempo do RTT (Round Trip Time) do satélite
geoestacionário (cerca de 540ms) para cada confirmação. O ack do destino é
enviado somente após o recebimento de toda a mensagem. Este método reduz
o consumo de tempo e banda, pois estes preocedimentos ocupam o segmento.
Dando andamento ao método de execução do projeto, podem ser agora
determinadas as necessidades com respeito aos acessos da rede satélite até o
site central do cliente, ou Matriz. Normalmente estes acessos são terrestres
(fibra-ótica), mas também podem ser atendidos por meio de transmissões rádio.
121
A última fase do dimensionamento consiste no cálculo de ocupação em
segmento espacial (MHz) no satélite para atender a demanda de tráfego
dimensionada na fase anterior. Também deve ser avaliada a cobertura satelital
com base na distribuição dos pontos a serem atendidos (escolha do satélite mais
apropriado) bem como o dimensionamento das estações remotas (tamanho de
antenas, amplificadores de potência, etc). Estes resultados subsidiam o Projeto
de RF que estuda as necessidades relacionadas à estação de subida do sinal no
ponto central da rede.
A determinação dos custos referentes à implantação de uma rede como
esta, somente pode ser completada após todas estas análises terem sido
consolidadas. Os custos agregam basicamente: terminais/equipamentos de rede
sem fio e da rede satélite, serviços de instalação e manutenção, recursos de
banda e de equipamentos da plataforma satélite (podem ser reduzidos se
compartilhados com outros clientes), além da faixa a ser alocada no satélite e os
custos operacionais da rede. Estes são os principais fatores que compõem o
preço do serviço.
Em redes VSAT, os aspectos de infra-estrutura no ponto remoto são
tratados na fase de implantação da rede (quando necessário, por meio de um
site survey), onde a determinação do melhor posicionamento da antena para
visada do satélite, passagem de cabos e instalação dos equipamentos indoor
são vistos.
De forma a consolidar os passos descritos, é apresentado na Figura 6.1, o
diagrama em blocos com o planejamento das atividades do projeto e na Tabela
6.1 o resumo descritivo das mesmas.
Passo Atividade
1 Identificar o escopo do projeto por meio de contato com o cliente, especificando seus desejos e
necessidades com relação à solução. Também podem ser definidas limitações de custo da solução.
2 Avaliar as características da área a ser atendida na rede local, estudando o ambiente e identificando
a cobertura desejada. Pontos de difícil atendimento provavelmente contarão com antenas diretivas.
3 Identificar as fontes de interferência no ambiente do cliente (outras redes, microondas, etc...).
4 Realizar o estudo de cobertura em função das informações coletadas nos estudos preliminares.
5 Elaborar o planejamento de freqüências para atendimento a cada local a ser coberto pela rede sem
fio, considerando o reuso de canais sempre que aplicável.
6 Realizar o estudo de infra-estrutura, identificando os pontos de energia, possíveis pontos de
posicionamento de antenas, etc...
7
Identificar as premissas de tráfego do usuário para estudo de capacidade da rede local. Este estudo
deve apresentar as aplicações que estarão envolvidas nas transações, suas características e a
parcela que ficará confinada na rede local e aquela que irá sair via Sistema de Distribuição para o
backbone satélite.
8 Realizar o estudo de capacidade da rede local considerando o tráfego gerado pelas fontes.
Tabela 6.1 – Resumo descritivo das atividades (a)
122
Passo Atividade
9 Definir a topologia que melhor atende às premissas impostas à rede sem fio. O estudo de topologia
deve contemplar também a interligação de infra-estrutura com a rede VSAT.
10
Realizar ajustes após todo o estudo ter sido concluído (refinamento da cobertura e da capacidade
da rede com o reposicionamento ou inserção de APs), levando em consideração questões de
regulamentação (potência de irradiação, etc...).
11 Levantar os recursos operacionais que se fizerem necessários e dos custos finais do projeto de rede
wireless.
12
Consolidar as informações de tráfego obtidas na fase da rede sem fio. O completo entendimento das
aplicações, suas características (tamanho das mensagens, quantidade de mensagens, etc...) e a
simultaneidade da rede são fundamentais para o correto dimensionamento dos recursos da rede
satélite. Aplicações muito específicas como aplicações de voz (VoIP, vídeo, TEF, Metaframe, etc...)
recebem um tratamento diferenciado na rede de forma que seu desempenho seja o mais satisfatório
possível, atendendo aos requisitos exigidos por cada uma delas. Lembrando que o principal ofensor
da rede satélite é a latência.
13 Realizar o estudo de capacidade da rede satélite, dimensionando os recursos necessários para
atender a esta demanda de tráfego.
14
Com base nos resultados obtidos do estudo de capacidade satélite, pode-se dimensionar os
acessos terrestres relevantes, como o backhaul do site central até o site do cliente, ou os acessos à
Internet a partir do site central, ou ainda, acessos para a Rede Pública de Telefonia.
15
Identificar os pontos remotos a serem atendidos. É importante obter informações sobre a localização
destes pontos pois será preciso estudar a melhor cobertura satelital capaz de atender ao cliente,
empregando as menores estações possíveis.
16 Realizar o estudo de alocação de segmento espacial para o tráfego informado no cálculo de
capacidade. Nesta fase, o melhor satélite, transponder e a ocupação em faixa serão determinados.
17 Realizar o projeto de dimensionamento das estações remotas de forma a atendê-las com estações
satélite do menor porte possível, reduzindo, com isto, o custo por ponto.
18
Com os resultados do estudo de segmento espacial, subsidiar a avaliação a ser feita no projeto de
RF para a estação Master, dimensionando as interconexões, amplificadores e demais componentes
necessários para a transmissão e recepção das portadoras de tráfego.
19 Levantar os recursos operacionais e os custos totais da rede satélite.
20 Consolidar todas as informações de projeto para a apresentação de proposta comercial ao cliente.
Tabela 6.1 – Resumo descritivo das atividades (b)
123
Figura 6.1 – Metodologia de projeto VSAT-WiFi
6.2 Simulação
O cenário que será considerado para a análise neste trabalho, é aquele
representado pela Figura 6.2. Nela, pode-se observar uma certa quantidade de
pontos distribuídos por uma vasta região ao longo do território nacional que
serão atendidos por uma rede satélite do tipo VSAT. São ao todo 35 pontos
remotos que por si só já atendem à última milha mas que servirão também como
backbone para uma rede sem fio nas localidades extremas, como é
representado na Figura 6.3. O fruto final resultante desta simulação de rede será
exatamente o dimensionamento desta rede e o levantamento dos custos
associados.
124
Figura 6.2 – Distribuição das localidades
Figura 6.3 – Diagrama da rede VSAT-WiFi
No diagrama da Figura 6.3, os usuários das localidades remotas são
atendidos por micro-computadores com acesso à rede sem fio e estão
conectados a um número “n” de Access Points. Cada usuário, através de uma
determinada aplicação, está gerando tráfego que será encaminhado a um
Access Point respeitando as políticas de acesso ao meio do padrão 802.11 e daí
para o Sistema de Distribuição representado pela rede satélite.
125
6.2.1 Estudo da Rede WiFi
O dimensionamento de uma rede sem fio é o primeiro passo que deve ser
avaliado como visto na sessão 6.1, pois é nela que será originado o tráfego da
rede. E para isto, são necessários estudos relacionados ao ambiente de
implantação da rede wireless (cobertura desejada, aspectos de interferência,
planejamento de frequência, etc...) o perfil de tráfego dos usuários finais
(capacidade da rede) e suas necessidades (segurança, custo, etc...).
O mapeamento dos locais onde serão instaladas as redes sem fio devem
levar em consideração os pontos de energia e a conexão desta rede com a rede
satélite, buscando sempre a otimização e a redução de modificações na infra-
estrutura do ambiente em análise e é claro, do custo também.
O planejamento de cobertura deve ser feito com base em algumas das
informações coletadas no início do estudo do ambiente. Neste momento, deve-
se definir a quantidade e o posicionamento dos Access Points necessários para
cobrir a região de interesse, bem como os tipos de antenas que por ventura se
façam necessárias para atender a um local específico. No caso de corredores ou
salas estreitas por exemplo, o uso de antenas diretivas é mais recomendado
pois fornecem maior ganho.
Este estudo de cobertura pode ser feito através de site survey ou por meio
de software onde a área atendida por cada AP é determinada através dos níveis
de potência em pontos espalhados pelo ambiente adotando-se modelos de
propagação e parâmetros que melhor se adequem à região de interesse. No
meio acadêmico e corporativo existe empenho em desenvolver estes tipos de
aplicações pois as mesmas reduzem bastante os custos de uma visita à campo.
Estas acontecem somente quando estritamente necessárias, para confirmar ou
refinar o cálculo teórico. Algumas vezes pode levar a uma alteração de projeto.
Nesta simulação, um estudo de cobertura foi realizado por meio de
software. Foi utilizado o programa WLAN Walktest [48] para simular a cobertura
de uma rede WiFi 802.11b a 11Mbps em um ambiente de escritório com
aproximadamente 1.000m2, representando de maneira generalizada, cada uma
das 35 localidades remotas espalhadas pelo país, conforme a planta baixa da
Figura 6.4 e sua legenda na Tabela 6.2.
126
Figura 6.4 – Ambiente de escritório
Identificação Ambiente
1 Hall dos elevadores
2 Recepção / sala de espera
3 Estações de trabalho
4 Sala de reunião
5 Diretoria
6 Secretárias
7 Xerox
8 Copa
9 Toilete
10 Estar
11 Presidência
12 Centro de Processamento de Dados
13 Depósito
Tabela 6.2 – Legenda dos ambientes
Este ambiente de escritório, segundo resultado da simulação, deverá ser
coberto por 3 Access Points distribuídos de forma a atender toda a área. Sendo
assim, uma vez posicionados os APs, suas respectivas coberturas são
apresentadas nas Figuras 6.5, 6.6 e 6.7 a seguir, com os valores de potência
(dBm) para alguns pontos previstos através do software.
127
Figura 6.5 – Cobertura AP1
O Access Point 1 é capaz de cobrir todo o eixo central do escritório, bem
como as salas mais próximas.
Figura 6.6 – Cobertura AP2
128
O Access Point 2 é capaz de cobrir toda a ala esquerda da planta,
atendendo as estações de trabalho e as salas mais próximas. Há alguma
superposição de cobertura com o AP1, o que permite um ganho de capacidade
nestas regiões comuns. Não há interferência considerável pois cada um dos APs
opera em canais não sobrepostos (1, 6 ou 11). O mesmo vale para o AP3 que
cobre a ala direita.
Figura 6.7 – Cobertura AP3
A Tabela 6.3 consolida a distribuição dos pontos ao longo do escritório.
AP1
Ponto Potência
(dBm)
Distância
ao AP (m)
1 -67 18,3
2 -69 17,9
3 -54 9,7
4 -54 9,5
5 -68 26,5
6 -85 12,6
7 -85 12,1
8 -53 6,9
9 -53 7,1
10 -56 11,7
11 -63 18,7
12 -94 14,2
13 -101 13,5
Tabela 6.3 – (a) Relação pontos x potência x distância ao AP1
129
AP1
Ponto Potência
(dBm)
Distância
ao AP (m)
14 -42 3,6
15 -59 14,0
16 -59 14,1
Tabela 6.3 – (b) Relação pontos x potência x distância ao AP1
AP2
Ponto Potência
(dBm)
Distância
ao AP (m)
1 -48 6,2
2 -51 7,5
3 -57 12,2
4 -69 11,7
5 -72 10,7
6 -84 14,5
7 -55 9,5
8 -61 16,3
9 -55 10,8
10 -57 12,2
11 -45 4,7
Tabela 6.3 – (c) Relação pontos x potência x distância ao AP2
AP3
Ponto Potência
(dBm)
Distância
ao AP (m)
1 -45 4,9
2 -54 9,7
3 -52 8,2
4 -54 9,6
5 -56 11,0
6 -58 12,7
7 -57 12,2
8 -62 17,3
9 -69 11,7
10 -69 10,1
11 -86 14,8
Tabela 6.3 – (d) Relação pontos x potência x distância ao AP3
Para a cobertura dos APs 2 e 3, pode ser utilizada uma placa refletora de
forma a evitar o vazamento de energia para fora do prédio e redirecioná-la para
dentro do ambiente dando um ganho em sua cobertura. Não é possível reduzir a
potência destes APs para reduzir este transbordo, haveria degradação da
cobertura dentro do ambiente.
O modelo de previsão utilizado pelo software não leva em consideração a
altura dos obstáculos, analisa somente o plano horizontal e adota neste trabalho
os parâmetros elencados abaixo, onde os valores de EIRP e PR foram obtidos a
130
partir de modelos aleatórios de equipamentos encontrados em [48]. Os demais
itens foram coletados a partir deste mesmo trabalho e são representados nas eq.
(6.1):
• EIRP = 20dBm = 100mW
• PR ≥ -89dBm
• Coeficiente de propagação de escritório n = 3,0
• Perda de propagação a 1 metro da antena (L0) = 45dB [19]
• Perda de penetração nas paredes de concreto = 17dB
• Perda de penetração nas paredes de gesso = 8dB [19]
• Perda de penetração nas janelas de vidro = 3,5dB
• Perda de penetração nas portas de madeira = 4,5dB
• Perda de penetração na mobília = 2dB (valor estimado)
• Perda de penetração nos elevadores de metal = 20dB (valor
estimado)
O movimento de pessoas não está sendo levado em consideração na
avaliação deste software, portanto é necessária a manutenção de uma margem
para atender à presença deste efeito (perda é da ordem de 8dB) [19].
( ) ∑∑∑∑∑∑======
+++++++=T
ttx
S
ssx
Q
qqx
R
rrx
J
jjw
I
iiftotal kkkkkkdL
1,
1,
1,
1,
1,
1, 172025,35,48log3045
totalR LP −= 20
dBmPR 89−=≥ (6.1)
Os resultados alcançados devem sempre possuir uma margem de
trabalho, margem esta, para levar em consideração os efeitos de multipercurso,
sombreamento, etc... que sempre estão presentes. E é claro, atender de forma
plena os requisitos do cliente, provendo mobilidade e evitando vazamento de
energia que possa interferir em outras redes próximas.
Após estes passos, ainda é preciso definir o planejamento de frequência a
ser usado na rede de forma a evitar as interferências com outras faixas de
frequências dentro da própria rede, e as que são próximas às utilizadas pelas
redes wireless (microondas, telefones sem fio em 2,4GHz, aparelhos Bluetooth)
que podem causar degradação das comunicações e redução das taxas de
transmissão. Os fornos de microondas por exemplo, trabalham na faixa de
2.450MHz a 2.458MHz, dentro da faixa de operação de algumas WLANs
(2.412MHz a 2.462MHz nos EUA, Canadá e Brasil), e portanto causam
interferências.
131
Segundo medidas realizadas em campo [20] com a presença de fornos de
microondas, é sugerida uma distância segura entre a rede sem fio e o
equipamento interferente de no mínimo 20 metros, considerando que haja visada
direta entre a fonte interferente e os equipamentos interferidos.
O espectro de freqüência do padrão IEEE 802.11 no Brasil, assim como
em outros países, é dividido em 11 canais de 22MHz superpostos, de modo que
cada dois canais separados por outros cinco não ficam superpostos, conforme
apresentado. Portanto, a única configuração com o máximo de três canais não
superpostos na banda alocada a sistemas 802.11b, por exemplo, é apresentada
na Figura 6.8:
Figura 6.8 – Canalização do padrão IEEE 802.11 no Brasil (2,4GHz)
O objetivo então é distribuir os APs e designá-los a canais sem que haja
superposição de cobertura com canais de mesma faixa de trabalho em APs
adjacentes. Dependendo da quantidade de Access Points, pode ser difícil esta
disposição, e então resta reduzir a área ocupada por um determinado AP
comprometendo o mínimo possível da capacidade do mesmo. Neste estudo de
caso, foram utilizados 3 APs, cada qual operando em uma faixa diferente.
Quanto ao requisito de capacidade, a definição desta característica da
rede sem fio se inicia em conjunto com a determinação dos pontos em que os
APs estarão presentes no ambiente. Na verdade, é necessário definir o
throughput médio de cada usuário final e analisar a vazão máxima de cada AP.
Assim, é determinado o número máximo de usuários suportado por cada Access
Point simultâneamente, não devendo ultrapassar a capacidade máxima do AP.
Os valores especificados pelo fabricante dos equipamentos de rede sem
fio para vazão do tráfego da rede é referente a todo tráfego gerado, seja ele útil,
da informação em si, seja ele de pacotes de sinalização, ou overhead. Assim,
cerca de 40% dos pacotes transmitidos são de overhead. Em uma rede com
throughput de 11Mbps, na verdade são transmitidos apenas 6,5Mbps de
informação útil [47].
A Tabela 6.4 [19] apresenta as características de tráfego médio por usuário
em um ambiente de rede sem fio.
132
Número de usuários simultâneos Ambiente Aplicação Tráfego médio
11Mbps 5,5Mbps 2Mbps
Corporativo Web, email, FTP 150Kbps a
300Kbps/usuário 20 a 40 10 a 20 4 a 9
Acesso Público Web, email 100Kbps/usuário 60 30 12
Tabela 6.4 – Valores usuais de tráfego médio de usuário
Para o estudo objeto deste capítulo, foi levantado um perfil de tráfego um
pouco mais detalhado para os micro-computadores desta rede hipotética. As
aplicações consideradas estão descritas na Tabela 6.5.
Tipo de Aplicação FTP HTTP
Nº de VSAT 35 35
Nº Access Points por VSAT 3 3
Nº de PCs por AP 8 8
Inbound 250 - Bytes por mensagem
Por arquivo Outbound 800 -
Inbound 100 - Nº mensagens na HMM por PC
Outbound 100 -
% PCs online na rede - 50
% PCs online ativos na HMM - 30
Tabela 6.5 – Premissas de tráfego
A aplicação de FTP será utilizada para transferência de arquivos entre a
Matriz do cliente e suas remotas e as de HTTP serão utilizadas para acesso à
Internet e Intranet.
Os parâmetros de “% PCs online” e “% PCs ativos” são fundamentais para
o dimensionamento satélite mais a frente, pois informam a quantidade de fontes
geradoras de tráfego que estarão ativas ao mesmo tempo, em média, na rede.
As aplicações com HTTP requerem nesta simulação, uma taxa de download de
64Kbps por usuário.
Assim, a partir da Tabela 6.5, pode-se calcular o tráfego médio por usuário.
Tem-se então:
8bits/byte * saçãobytes/tran 800 * s/segundo)(transaçõe 0,028 rioVazão/usuá =
usuário179,2Kbps/ rioVazão/usuá = (6.2)
Somando-se a este valor, a taxa de 64Kbps, chega-se a uma taxa total de
243,2Kbps/usuário, dentro da classificação “Corporativo” da Tabela 6.4. Para se
determinar o número de APs necessários para atender a esta demanda da rede,
utiliza-se a expressão:
Point Access do vazão
usuários dos média vazão* ssimultâneo usuários de médio # APs # = (6.3)
133
Assim, tem-se:
AP 189,06500
243,2 * 24 APs # ≅== (6.4)
Como o número de APs necessários para atender a cobertura desejada é
igual a 3, será considerado este valor para desenhar a topologia da rede. Um
único AP atende em termos de capacidade, mas não em termos de cobertura.
Sendo assim, há uma folga na rede sem fio para transações entre pontoss
dentro da mesa rede local. Os 24 micro-computadores serão distribuídos de
forma a serem atendidos, cerca de 8 por AP.
Ao final destes estudos, podem ser dimensionados os recursos
operacionais da rede wireless, para a composição do custo final da parte WiFi.
6.2.2 Estudo da Rede VSAT
Cada uma das localidades da Figura 6.1 será atendida por uma VSAT, ou
seja, uma estação remota de comunicação com a rede satélite da operadora. A
rede de VSATs encaminhará o tráfego gerado pelos usuários de cada site (rede
WiFi) através do satélite que repassará as informações para a estação Master.
Esta por sua vez, permitirá a comunicação destas remotas com a Internet ou
com uma aplicação servidora, por exemplo, sendo executada na Matriz do
cliente. A comunicação com a web pode ser feita diretamente da HUB ou a partir
do site do cliente através de enlaces terrestres contratados junto a uma
operadora que farão a conexão com o backbone Internet. Já para as aplicações
servidoras hospedadas na Matriz, um enlace dedicado sempre é empregado
para interligar a HUB com a sede do cliente, e a este enlace dá-se o nome de
backhaul. Este cenário, considera tanto o acesso à Internet quanto o acesso às
aplicações do cliente.
O acesso que as unidades remotas farão à Internet será disponibilizado
pelo próprio cliente, ou seja, a porta de conexão à Internet é do próprio cliente. A
operadora não será responsável pela configuração de qualquer acesso à Internet
a partir da Estação Terrena. Esta opção é de total decisão do cliente e a nuvem
Internet poderia neste caso ser colocada na Figura 6.3 a partir da Master.
A Tabela 6.6 procura apresentar a distribuição dos tipos de configuração
das localidades remotas. Pode-se observar que são atendidas 35 remotas com 3
APs cada, cujas respectivas coberturas atendem a uma distribuição de 8 micro-
134
computadores no ambiente em questão. Assim, pode-se dizer que a rede possui
ao todo 840 micro-computadores, que nada mais são do que fontes geradoras
de tráfego na rede. Poderiam haver também outros tipos de configuração, pontos
da rede com um número diferente de PCs por AP, ou mesmo de APs. Neste
caso, seriam discriminados como pontos do tipo 1, 2, etc.
Nº de VSATs Nº Access Points por VSAT Nº de PCs por AP
Rede 35 3 8
Tabela 6.6 – Distribuição das remotas
O fluxo inverso das informações se dá da mesma maneira, porém, através
da rede satélite até as remotas e sua distribuição por meio dos acessos sem fio.
6.3 Premissas de tráfego da rede
Para a realização de um projeto de dimensionamento de uma rede VSAT,
ou seja, para a determinação dos recursos de interconexão na plataforma, da
quantidade de segmento espacial (inbound e outbound), do tamanho das
antenas de recepção, dentre outros fatores, é preciso primeiramente fazer um
levantamento das características do tráfego que é gerado pelos usuários de
cada aplicação.
É de fundamental importância, conhecer as aplicações que estarão sendo
utilizadas na rede e o seu perfil de uso. Em outras palavras, deve-se
primeiramente entender a aplicação (navegação web, FTP ou transferência de
arquivos, VoIP, metaframe, SAP, telnet, monitoramento, etc...) pois cada uma
delas possui características peculiares que levam a um comportamento do
tráfego bastante específico e requerem uma resposta da rede que permita seu
bom e completo funcionamento.
Em seguida, deve-se avaliar o perfil de uso por parte dos usuários, ou seja,
se determinada aplicação será utilizada durante quase todo o período de tempo
ou qual a simultaneidade desta aplicação na HMM, etc...pois nestes casos, de
uma certa quantidade de fontes geradoras de tráfego, apenas uma porcentagem
delas estará efetivamente em atividade, ou seja, simultâneamente a outros
usuários na hora de maior movimento da rede.
Normalmente, o que se utiliza para avaliar as premissas de tráfego de uma
rede como esta, são o tipo de aplicação considerada, o tamanho das mensagens
desta aplicação, o número de mensagens tanto no sentido origem-destino
(inbound) quanto no sentido destino-origem (outbound), o número de fontes
geradoras deste tráfego e o fator de atividade, como representado na Tabela 6.5.
135
Os cálculos das redes satélites são efetuados segundo ferramentas de
dimensionamento proprietárias, como já dito, que tratam as premissas de tráfego
informadas de maneira diferente umas das outras, dependendo da eficiência e
de características particulares das plataformas utilizadas pelas operadoras.
Estas planilhas modelam o tráfego Internet ou HTTP segundo um perfil
particular e para tanto necessitam somente das informações sobre quantidade
de terminais, simultaneidade, taxa de download requerida por ponto, neste caso
64Kbps, e relação OB/IB (outbound-inbound) de 4, ao contrário do que ocorre
com as demais aplicações.
6.4 Dimensionamento da rede
De posse destas informações, já é possível desenvolver um projeto de
dimensionamento de uma rede satélite com o objetivo de se avaliar os recursos
necessários para atendimento aos requisitos.
Parâmetro (Kbps) Observações
Tráfego total de inbound 4.455,0 *Eficiência de inbound de 90%
Tráfego total de outbound 10.161,0 N/A
* Eficiência de inbound de 90% - para este projeto, foram dimensionados 33 canais (portadoras) inbound de
150,0Kbps cada, totalizando 4,950Mbps (90% de 4,950Mbps = 4,455Mbps). Esta eficiência é dependente do
tipo de plataforma satélite utilizada e é exclusivamente proprietária.
Tabela 6.7 – Dimensionamento de rede
A Tabela 6.7 na verdade, consolida o tráfego gerado por cada um dos
usuários ligados a um AP e estes à VSAT e às 35 remotas da rede, levando em
consideração as otimizações e tratamentos efetuados pela plataforma satélite.
De forma estimada porém, é possível determinar o volume de tráfego da
rede, partindo-se da premissa de que a vazão máxima por usuário é, conforme
calculada, de 243,2Kbps. Como para este tipo de tráfego e comportamento da
rede, a relação entre a vazão máxima e a vazão típica de um usuário é 3, pode-
se dizer que 243,2Kbps/3 = 81Kbps seria a taxa típica de um usuário utilizando
um micro-computador.
Assim, o volume da rede poderia ser calculado como 81Kbps * 24PCs *
15% simultaneidade * 35 pontos = 10.206Kbps. Este resultado é muito próximo
do valor calculado com as ferramentas proprietárias, pois as premissas utilizadas
foram as mesmas. Caso não se conheça bem as características do tráfego do
cliente, este cálculo estimado, poderia fugir muito da realidade e além disto, as
aplicações não seriam tratadas separadamente com alocação de recursos
específicos a elas ou mesmo a otimização dos resultados procurando menor
consumo de faixa ou tempo de resposta.
136
É possível neste momento, definir também a capacidade necessária para
escoamento de todo o tráfego gerado pela rede através do backhaul até a sede
do cliente. Por meio da análise da Tabela 6.7, pode-se chegar à conclusão de
que são necessários 6 enlaces terrestres de 2Mbps para comportar todo o
tráfego destinado à Matriz da empresa em Curitiba.
6.5 Dimensionamento de segmento espacial
Após esta primeira avaliação, é possível agora desenvolver um estudo de
ocupação de segmento espacial. Neste capítulo, é utilizada uma ferramenta
denominada SatMaster Pro desenvolvida por [45], para realizar os cálculos de
enlace entre as estações remotas e de ocupação de faixa necessários para
atender à demanda de tráfego da rede.
Alguns projetos quando solicitados, possuem além das premissas do
tráfego desejado, alguns outros requisitos como o tamanho máximo das antenas
de recepção, ou a disponibilidade mínima da rede, etc... que devem ser levados
em consideração. Quando há limitação no tamanho das antenas, normalmente
se limita também a faixa de frequências a ser empregada no projeto, se Banda C
ou Banda Ku.
A título de informação, seguem alguns dados sobre o satélite NSS7 de
propriedade da NewSkies na Tabela 6.8 [58], objeto deste estudo de caso:
Tipo de
Órbita
Posição
Orbital
Peso no
lançamento
Data de
lançamento
Data de entrada
em operação
Estimativa de
vida
Geral Geossíncrona 22º W
(Oeste) ~4.650Kg 4º Trimestre/2001 1º Janeiro/2002 12 anos
No. TPDRs Faixa dos
TPDRs
Tipo de
TPDR Faixa de G/T
Faixa de EIRP
saturada SFD
Banda C 36 8 x 72 MHz
28 x 54 MHz TWTA -12 a +5 dB/K 29 a 47 dBW -98 dBW/m2
Banda Ku 36 5 x 62 MHz
31 x 54 MHz TWTA -4 a +7 dB/K 42 a 52 dBW -91 dBW/m2
Tabela 6.8 – Dados do satélite NSS7
Com base nos conceitos apresentados no Capítulo 3, através do uso do
aplicativo Sat Master Pro foi possível desenvolver um dimensionamento de
ocupação de segmento espacial. As Figuras 6.9, 6.10, 6.11, 6.12 e 6.13
apresentam os parâmetros de entrada relevantes que foram utilizados nesta
simulação no sentido HUB_VSAT. E as Figuras 6.14, 6.15, 6.16, 6.17 e 6.18
apresentam aqueles relevantes ao sentido VSAT_HUB.
137
Figura 6.9 – Parâmetros de uplink da Estação Master
Alguns destes campos, merecem alguns comentários pois não foram
tratados no Capítulo 3 ou não foram suficientemente abordados.
O campo relativo ao parâmetro “C/ACI” especifica o nível de interferência
esperada com respeito à portadora desejada devido a existência de uma
portadora adjacente. Quanto maior for o valor deste parâmetro, menor será o
nível de interferência. O mesmo vale para o parâmetro “C/ASI” que representa a
relação de potência entre a portadora do sinal desejado e o ruído de
interferência de sinais de satélites adjacentes.
A variável “C/XPI”, assim como as demais expressa em termos de dB,
representa a relação de potência entre o nível da portadora desejada e o ruído
de interferência de polarização cruzada.
De forma a se reduzir a interferência no uplink é comum utilizar um back-
off de saída para o HPA da Estação Terrena. Para tanto, insere-se um valor em
dB no campo representado por “ES HPA OBO”.
O número de portadoras transmitidas simultaneamente pelo HPA da
Estação Terrena deve ser inserido logo em seguida. Quanto maior for a
quantidade de portadoras, maiores serão os requisitos de potência deste
equipamento.
138
O campo “HPA C/IM” mostra o valor da interferência de intermodulação
esperada do HPA da Estação Terrena. Já o “UPC” é utilizado para compensar as
atenuações instantâneas de chuvas no uplink. O uso desta função requer maior
capacidade de potência por parte do HPA.
As perdas associadas aos filtros no uplink são inseridos em “Filter
Truncation Loss”. No campo “HPA Power Capability” insere-se MIN quando se
deseja que a potência do HPA seja a menor (e suficiente) para que se consiga
atender ao link budget. MAX significa que tem-se a intenção de que toda a
potência ou banda do TPDR seja alocada para esta única portadora. Quando se
deseja que o cálculo de enlace leve em consideração uma determinada
quantidade de potência do HPA, deve-se portanto colocar um valor em Watt
neste campo.
Figura 6.10 – Parâmetros de downlink da estação remota
Por questões aleatórias, foi escolhida uma estação remota na localidade
de Betim, no Estado de Minas Gerais. O mesmo cálculo pode ser feito para
quaisquer das estações remotas listadas pelo cliente, bastando para tal, inserir
os parâmetros respectivos a cada uma delas nesta tela de configuração.
139
Figura 6.11 – Modelo de chuvas
Para o cálculo das atenuações de chuva, foi selecionado o modelo ITU
(DAH) ou ITU-R P618-8 que contém as medidas de chuva para todo o globo,
pois conforme a recomendação de [45] é o modelo que melhor representaria
através de uma simplificação as características de chuva de uma determinada
região. Pode também ser inseridos os valores de precipitação em mm/h para o
uplink e o downlink nos campos correspondentes desta tela, caso se tenha
conhecimento. Os resultados apresentados nas planilhas ao final do capítulo
trarão também a intensidade de chuva que o programa gerou a partir do modelo
ITU (DAH).
O campo “Calculate dual fade scenario” deve ser marcado quando as
localidades de origem e destino da comunicação estão próximas o suficientes
para sofrerem impactos da mesma tempestade de chuva. Deve ser considerado
para tanto, que uma célula de chuva possui cerca de 20Km de diâmetro. Assim,
o cálculo de enlace é feito levando-se em consideração o efeito da atenuação
por chuvas em ambos os sentidos, subida e descida do sinal. Caso as
localidades estejam distantes o suficiente, ou seja, fora da célula de chuva, o
cálculo é somente considerado em um único sentido.
140
Figura 6.12 – Características do satélite
Esta Figura 6.12 procura apresentar os valores dos campos necessários
para o caracterizar, em termos do cálculo de segmento espacial, o satélite a ser
utilizado, no caso o NewSkies 7 em Banda Ku.
141
Figura 6.13 – Características das portadoras
Esta tela, representada pela Figura 6.13, resume as informações
referentes às portadoras obtidas quando do cálculo de dimensionamento de rede
na sessão anterior. Observa-se que a taxa de informação do outbound é de
1,876Mbps e que a relação Eb/No requerida também é informada.
O campo “Overhead % info rate”, representa a quantidade adicional de bits
que são enviados junto com os bits de informação, como para sinais de controle.
O “Spreading Gain” somente é utilizado quando é empregada a técnica de
Spread Spectrum e a marcação da opção “Underuse, if bandwidth limited” surte
um efeito de subutilizar a potência disponível no TPDR e resulta em menores
potências de uplink quando o TPDR é limitado em faixa. Quando esta opção não
é marcada e o TPDR é também limitado em faixa, o cálculo leva em
consideração toda a potência disponível no TPDR. Por fim, caso o TPDR seja
limitado em potência, esta opção não tem efeito algum e o dimensionamento é
feito considerando a menor potência de uplink.
Desta maneira, os resultados alcançados são dispostos a seguir através
das Figuras 6.14, 6.15, 6.16, 6.17 e 6.18.
142
Figura 6.14 – Resultados (a)
143
Figura 6.15 – Resultados (b)
Na Figura 6.15 acima, já são apresentados os valores de C/No para o
uplink e o downlink.
144
Figura 6.16 – Resultados (c)
145
Figura 6.17 – Resultados (d)
146
Figura 6.18 – Resultados (e)
Nesta última figura, observa-se que a quantidade de banda a ser alocada
para atender à demanda de informação para este cliente no sentido Outbound é
de 10,291MHz. A esta faixa, deve-se somar a faixa necessária para as
informações que trafegam no sentido inverso.
Para tanto, os parâmetros deste sentido contrário foram criados e
apresentados através das Figuras 6.19, 6.20, 6.21, 6.22 e 6.23. Seus resultados
são apresentados nas figuras dispostas em sequência.
147
Figura 6.19 – Parâmetros de uplink da Estação Remota
Figura 6.20 – Parâmetros de downlink da Estação Master
148
Figura 6.21 – Modelo de chuvas
Figura 6.22 – Características do satélite
149
Figura 6.23 – Características das portadoras
Figura 6.24 – Resultados (a)
150
Figura 6.25 – Resultados (b)
151
Figura 6.26 – Resultados (c)
152
Figura 6.27 – Resultados (d)
153
Figura 6.28 – Resultados (e)
Através da Figura 6.28, é possível observar que são necessários 152KHz
para alocar o tráfego proveniente deste sentido de comunicação de uma única
remota, considerando sua taxa máxima de transmissão. Se forem feitas as
contas, é fácil notar que para atender à portadora de outbound e as 33 de
inbound é necessário alocar 10,291MHz + (33*152KHz) = 15,307MHz em um
transponder do NSS7 neste estudo teórico. Assim, o resultado final estudado
neste capítulo, pode ser resumido através da Tabela 6.9 a seguir. Projeto Rede VSAT-WiFi
Cliente Rede VSAT
Satélite NSS7
Quantidade de pontos 35
Quantidade APs por VSAT 3
Quantidade PCs por AP 8
Tráfego total outbound 10,161Mbps
Tráfego total inbound 4,455Mbps
Backhaul 12Mbps
Faixa outbound 10,291MHz
Faixa inbound 5,016MHz
Faixa total 15,307MHz
Disponibilidade 99,3%
Estação Terrena Guaratiba - RJ
Estações remotas
(conforme exemplo da Figura 6.29) 0,96m – 1,2m – 1,8m
Tabela 6.9 – Resultados consolidados
154
Figura 6.29 – Exemplo de cobertura e dimensionamento das remotas
6.6 Projeto de RF
O Projeto de RF é realizado após todos os dimensionamentos terem sido
completados. Com a definição do satélite e TPDR a serem utilizados, é realizado
um estudo para viabilizar uma estação central (antena Master ou uplink)
responsável pela concentração de todo o tráfego da rede. Dependendo dos
resultados do projeto em questão, a Estação Master pode ser compartilhada
entre diversos clientes, reduzindo o custo a ser repassado para cada um deles.
Em alguns casos, apenas algumas complementações precisam ser feitas na
estação central, mas há casos ainda em que nenhuma alteração se faz
necessária para comportar uma rede a mais, dentre as que já estão ativas no
mesmo uplink. A existência ou não de um uplink em poder da operadora pode
determinar o uso ou não de um satélite específico.
155
6.7 Custos
Por fim, este trabalho traz uma análise, mesmo que abrangente, dos
custos que podem estar associados a um projeto como este, utilizando as
tecnologias WiFi e VSAT, porém os valores aqui apresentados não devem ser
considerados para fins comerciais e tidos como absolutamente reais. Se houver
o desejo real por uma solução como a apresentada neste capítulo, deverá ser
solicitada proposta comercial à empresa responsável pela solução. Os custos
aqui estimados refletem apenas a ordem de grandeza dos valores.
Para uma rede sem fio, como a da simulação apresentada neste capítulo,
tem-se, estimativamente:
Item Quantidade Valor unitário (R$) Valor total (R$)
Access Point 105 310,00 32.550,00
Serviços (instalação rede/energia) 105 350,00 36.750,00
Total 69.300,00
Tabela 6.10 – Custos estimados do projeto WiFi
Para a rede satélite, os custos associados estimados seriam:
Item Quantidade Valor unitário (R$) Valor total (R$)
Kit VSAT (IDU, ODU, conectores, etc) 35 3.450,00 120.750,00
Antena 0,96m 31 580,00 17.980,00
Antena 1,2m 2 980,00 1.960,00
Antena 1,8m 2 1.820,00 3.640,00
Instalação 0,96m 31 550,00 17.050,00
Instalação 1,2m 2 1.500,00 3.000,00
Instalação 1,8m 2 2.150,00 4.300,00
Manutenção 0,96m * 0,62 440,00 272,80
Manutenção 1,2m * 0,04 440,00 17,60
Manutenção 1,8m * 0,04 440,00 17,60
Plataforma satélite 4,0% ** 3.000.000,00 120.000,00
Segmento espacial (MHz) 15,307 4.255,00 65.131,29
Total 354.119,29
* Considerando-se, por exemplo, 2% da planta instalada
** Considerando-se o percentual de uma plataforma compartilhada
Tabela 6.11 – Custos estimados do projeto VSAT
Chegando-se ao valor total, tem-se R$423.419,29 que mensalizados em
um contrato de 5 anos, gerariam R$7.057,00/mês. Uma referência bastante
utilizada comercialmente, é o valor mensal por ponto remoto, que neste exemplo,
seria de R$201,00. Não estão inclusos os equipamentos sobressalentes, o custo
do backhaul, os custos operacionais associados à plataforma satélite e margens
como a de lucro. A soma destes outros fatores elevam o preço final, lembrando
que os números apresentados neste trabalho são apenas orientativos.
156
6.8 Considerações
O cenário aqui apresentado pode ser alterado em função da variação dos
diversos parâmetros que contribuem com o dimensionamento de uma rede
VSAT utilizada para escoar o tráfego gerado pelos usuários finais com
concentradores WiFi distribuídos nas localidades remotas.
O primeiro fator relevante seria a alteração na quantidade de sites remotos
que faria com que o tráfego total de outbound aumentasse em relação ao original
e faria com que a quantidade de portadoras de inbound também aumentasse (as
aplicações são transacionais), mas este aumento dependeria da quantidade
adicional considerada. Pode ser que o crescimento da rede em um número “x”
de pontos não afete o dimensionamento feito para este sentido de comunicação.
Este é um fator que depende também do tráfego gerado por cada unidade
final. Se o perfil de utilização do usuário remoto na rede sem fio é alterado,
inserindo-se mais aplicações, intensificando o uso das mesmas ou simplesmente
alterando sua jornada de trabalho em relação ao período do dia, isto pode
representar um consumo maior de recursos da rede. No caso da rede de um
determinado cliente possuir um comportamento de maior atividade em um
período de alta concentração de tráfego (pois normalmente os recursos são
compartilhados entre os clientes), esta rede em específico necessitaria que
fossem alocados mais recursos na plataforma satélite e consequentemente em
segmento espacial para atender ao SLA acordado em contrato.
Se forem considerados apenas os recursos necessários para escoar o
tráfego do cliente sem se levar em conta os demais usuários ligados à rede
satélite, certamente haverá congestionamento de tal forma que não será
possível prestar os serviços de acesso com a qualidade exigida.
A disposição da rede local em uma determinada localidade remota pode
ser disposta de outras formas e não somente como a que foi apresentada neste
capítulo. Conexões como as que podem ser vistas no Capítulo 4 são permitidas,
sendo que a conectividade da rede WiFi com a rede VSAT deve ser feita a partir
de um dispositivo que se comunique diretamente com o modem satélite. A rede
satélite é o Sistema de Distribuição da rede sem fio.
E ainda, a escolha do satélite que prestará o serviço também é importante,
não só por sua cobertura, mas também o custo por MHz e a coordenação
espacial, que é fundamental na alocação dos clientes e na manutenção dos
recursos existentes nos satélites disponíveis.
157
7 Conclusão
O fenômeno dos hot spots está se espalhando cada vez mais rápido pelo
mundo. Uma grande quantidade de terminais de aeroportos, cafés, bibliotecas,
restaurantes, etc...já estão conectados através do mundo sem fio. E a grande
maioria destes estabelecimentos possui uma rede de distribuição baseada em
tecnologia terrestre.
Isto talvez seja originado por questões econômicas pois é muito menos
custoso para quem deseja oferecer uma conexão de dados por meio de uma
linha terrestre do que estabelecendo um link via satélite para a mesma
capacidade de transmissão.
Para usuários que utilizariam a conexão via Internet, por exemplo para
simples navegação, poderiam perceber que normalmente as taxas oferecidas
por uma comunicação via satélite são menores quando comparadas às taxas já
de costume vistas com provimento de uma base terrestre.
Em alguns segmentos do mercado enxerga-se esta solução, VSAT-WiFi,
como sendo viável apenas em comparação com os serviços de linha discada
convencionais ou quando não existe conectividade por meio de acessos
terrestres ou quando estes acessos são tão caros de serem oferecidos em
regiões específicas. É justamente neste nicho de mercado que diversas
empresas ao redor do mundo estão procurando focar seus investimentos.
Uma das principais vantagens de um sistema de comunicação via satélite
é justamente a facilidade de cobertura de grandes áreas e é claro, sua
capacidade de realizar distribuição de conteúdo ponto-multiponto. É neste ponto
que a rede Wi-Fi entra como facilitador aos usuários finais, trazendo grandes
benefícios a eles, especialmente os corporativos.
Enquanto que as aplicações para o casamento VSAT-WiFi não se
encontra a princípio nos cafés, etc...pois estes estão concentrados nos grandes
centros já servidos por infra-estrutura terrestre, casos de negócio estão fazendo
com que o mercado invista cada vez mais neste tipo de solução focando em
localidades remotas e em aplicações com baixo tráfego.
Com relação ao preço e velocidade, os provedores de satélites hoje
espalhados no mundo ainda não conseguem em sua totalidade oferecer uma
158
boa relação entre custo e velocidade de acesso quando comparados aos
provedores de acesso terrestre e inclusive os de acesso sem fio de banda larga.
Oportunidades existem. E o crescimento dos hotspots pelo mundo é uma
demonstração disto. Apenas precisa-se saber qual é a parcela do mercado de
WiFi que se enquadra com as capacidades que podem ser oferecidas pelo
acesso via satélite. Para tanto, é bastante importante como pôde ser observado
neste trabalho, que o correto planejamento de projeto de uma rede de
comunicações como a apresentada é fundamental para que sejam alocadas as
menores quantidades de recursos (banda, segmento espacial, etc...) possíveis
sem comprometer a qualidade e a eficiência da solução, de tal maneira que o
custo associado seja o mais adequado em atendimento ao desejado pelo cliente.
A tecnologia WiMax que vem sendo implantada em algumas partes do
mundo, pode vir a ser um forte competidor em determinado nicho de mercado
(médio alcance) atualmente atendido por satélite. Porém, a parcela que
compreende as redes de longo alcance, esta por sua vez pode ser atendida com
o casamento dos sistemas via satélite e da tecnologia WiMax que permite
acesso sem fio à grandes áreas quando comparadas àquelas que o WiFi é
capaz de atender [46]. Porém, sendo de fundamental importância o cumprimento
de uma metodologia de projeto adequada para o perfeito atendimento à todas as
necessidades do usuário final.
159
8 Referências bibliográficas
1 da SILVA, A. L. G.; de QUEIROZ, J. C. Redes Locais sem Fio.
Universidade Federal Fluminense, Niterói, 1999.
2 SOARES, L.F.G., LEMOS, G.; COLCHER, S. Das LANs, MANs e WANs
às Redes ATM, 2. ed. Editora Campus, 1995.
3 Wireless LAN Alliance, The IEEE 802.11 Wireless LAN Standard, 1996.
4 Wireless LAN Alliance, Introduction to Wireless LANs, 1996.
5 CHAYAT, N. Tentative Criteria for Comparison of Modulation
Methods. IEEE P802.11-97/96.
6 SACRAMENTO, V., Redes Locais sem fio - Wireless LAN
(IEEE802.11), Laboratório de Colaboração Avançada, Departamento de
Informática – PUC-RJ. Disponível em: <www.di.inf.puc-
rio.br/~endler/courses/Mobile/transp/WLAN-80211.pdf>
7 PRADO, E., Apresentação do Seminário WLAN - Wireless Local Area
Network, 21 de maio de 2003 - RIOSOFT.
8 Understanding Wireless, HP. Disponível em: <www.hp.com>.
9 BreezeNET PRO.11 Series Reference Guide, Cat. No. 213026, 1998.
Disponível em: <www.dateline.ru/download/manual/man-breezenet-pro-
ref.pdf>.
10 ITU-R, Recommendation ITU-R F.1244, Radio Local Area Networks
(RLANs), 1997.
11 NEE, R. V. Delay Spread Requirements For Wireless Networks in the
2.4 GHz and 5 GHz Bands. IEEE P802.11-97/125, November. 1997.
12 KAMERMAN, A., MONTEBAN, L. WaveLAN-II: A High-Performance
Wireless LAN for Unlicensed Band, Lucent Technologies, 1997.
13 JUNIOR, A. A. Esquemas de Modulação do IEEE802.11. Disponível em:
<www.gta.ufrj.br/seminarios/semin2003_1/aurelio/>
14 CHAYAT, N. Tentative Criteria for Comparison of Modulation
Methods. IEEE P802.11-97/96.
160
15 Lucent Technologies, WaveLAN IEEE 802.11 OEM PC Card, 1997.
16 NUNEMACHER, G. LAN Primer, 3. ed. New York: M&T Books, 1995.
17 Lucent Technologies, WaveLAN Wireless LAN Networking, 1998.
18 Nortel Networks, BayStack 600 Series Wireless LAN Products, 1998.
19 Najnudel, M. Estudo de propagação em ambientes fechados para o
planejamento de WLANs, Dissertação de Mestrado, PUC-RJ; 2004.
20 LASELVA, D. WLAN Indoor Radio Network Planning, HUT
Communications Laboratory, 2003.
21 WiFi Planet. Disponível em: <www.wi-fiplanet.com>.
22 Geier, J. Understanding 802.11 Frame Types. Disponível em: <www.wi-
fiplanet.com>. Acessado em Abril/2005.
23 Geier, J.; EIRP Limitations for 802.11 WLANs. Disponível em <www.wi-
fiplanet.com>. Acessado em Abril/2005.
24 Geier, J. Multipath - a potential WLAN problem. Disponível em
<www.wi-fiplanet.com>. Acessado em Abril/2005.
25 SANTAMARÍA, A., LÓPEZ-HERNÁNDEZ, F.J. Wireless LANs
Systems, 1. ed. Artech House, 1994.
26 RAPPAPORT, T.S. Wireless Communications, 4. ed. Prentice-Hall, 1996.
27 Lucent Technologies, WaveLAN Antena Solutions, 1998.
28 Lucent Technologies, WaveLAN IEEE 802.11 OEM PC Card, 1997.
29 Lucent Technologies, WaveLAN Wireless LAN Networking, 1998.
30 SIQUEIRA, G. L. Notas de aula do Curso de Canal de Propagação
Rádio Móvel, PUC-RJ, 2004.
31 RAPPAPORT, T. S. Wireless Communications-Principles & Practice,
Pretince Hall Inc, 1996.
32 BERTONI, H. L.; HONCHARENKO, W.; MACIEL, R. L. and XIA, H. H.
UHF Propagation Prediction for Wireless Personal Communications,
Proceedings of the IEEE, Vol. 82, No. 9, 1994.
33 DÖHLER, M. An Outdoor-Indoor Interface Model for Radio Wave
Propagation for 2.4, 5.2 and 60 GHz, Msc Thesis – King’s College
London, 1999. Disponível em:
<http://www.ctr.kcl.ac.uk/members/mischa.asp>.
161
34 RODRIGUES, M. E. C. Técnicas de Traçado de Raios em Três
Dimensões para Cálculo de Campos em Ambientes Interiores e
Exteriores. Dissertação de Mestrado – PUC-RJ, 2000.
35 RUDD, R. F. Indoor Coverage Considerations for High-elevation Angle
Systems. Aegis Systems Limited, 2002.
36 Recommendation ITU-R P.1238-1, Propagation data and prediction
models for the planning of indoor radiocommunication systems and
radio local area networks in the range 900MHz to 100GHz, 1997 – 1999
– 2001.
37 SHELLHAMMER, S. Overview of ITU-R P.1238-1 Propagation Data
and Prediction Methods for Planning of Indoor Radiocommunication
Systems and Radio LAN in the Frequency Band 900MHz to 100GHz,
Symbol Technologies, 2000.
38 KEENAN, J. M.; MOTLEY, A.J. Radio Coverage in Buildings. British
Telecom Technology Journal, 1990.
39 COST 231, Digital Mobile Radio Towards Future Generation Systems,
Final Report – European Commission, 1999.
40 CAMPISTA, M. Propagação e antenas aplicadas ao IEEE 802.11. UFRJ.
41 MELLO, L. A. R. S. Apostila e Notas de Aula do Curso de Propagação
Troposférica - PUC/RJ, 2004.
42 CÁTEDRA, M. F.; PÉREZ-ARRIAGA, J. Cell Planning for Wireless
Communications. Artech House - Mobile Communications Series, 1999.
43 EVERETT, J. VSATs, Very Small Apperture Terminals. IEEE
Telecommunications Series 28 – 1992.
44 SEPMEIER, B. Understanding and performing satellite link budgets.
Technology Interface, 1997.
45 Arrowe. Arrowe Technical Services. Disponível em: <www.arrowe.com>,
2005.
46 MITSIS, N. Via Satellite Magazine. 2004.
47 Planet3 Wireless Inc. The Official CWNA Study Guide. 2002.
48 Najnudel, M. Software WLAN Walktest.
49 Cisco. Disponível em: <www.cisco.com>, 2006.
50 Gilat. Disponível em: <www.gilat.com>, 2006.
51 Hughes. Disponível em: <www.hughes.com>, 2006.
162
52 MORGAN, W. L.; GORDON, G. D. Communications Satellite
Handbook. Wiley-Interscience - 1989.
53 Boeing: Satellite Development Center Home. What´s a satellite?.
Disponível em: <www.boeing.com/satellite>, 2005.
54 Intelsat. Disponível em: <www.intelsat.com>, 2004.
55 Hugueney, Carlindo, “Comunicação via satélite”, Disponível em:
<www.teleco.com.br>, 2004.
56 Tavares, J. E., “VSATs: uma breve descrição da tecnologia”, 2004.
57 D-Link. Disponível em: <www.d-link.com>, 2005.
58 NewSkies. Disponível em: <www.newskies.com>, 2006.
59 dos SANTOS, A. L. A Tecnologia WLAN e sua aplicação em soluções
Wi-Fi. CETUC/PUC-RJ, Rio de Janeiro, 2004.
163
Glossário
A
Acesso
Modo pelo qual um usuário pode se conectar à rede de telecomunicações,
como pares de fios metálicos, fibras ópticas, ondas de rádio, via satélite, TV a
Cabo, etc.
Área de cobertura
Extensão territorial atingida pelos sinais de um ponto de acesso em várias
direções. O mesmo conceito vale para a região coberta por um satélite.
Área de sombra
Local dentro de uma área de serviço onde obstáculos, paredes, edifícios,
viadutos ou montanhas bloqueiam a propagação das ondas de rádio, impedindo
a comunicação de um terminal nela presente.
Arquitetura
Descreve os tipos de componentes, interfaces e protocolos utilizados e
como eles se interagem, ou seja, representa a topologia da rede.
Atraso
Tempo necessário para que um sinal rádio originado em um ponto A
chegue até um ponto B. Ocasionalmente podem ser acrescentados atrasos
relativos ao processamento interno dos componentes da rede.
B
Banda Básica
Sistema de transmissão no qual os sinais são enviados um de cada vez na
sua freqüência original (não modulados).
164
Banda de frequências
É a porção ou faixa do espectro de freqüências compreendida por duas
freqüências-limite. A largura de banda é a diferença entre essas duas
freqüências, independentemente de onde elas estão no espectro.
Banda larga
Sistema de transmissão no qual os sinais são codificados e modulados em
diferentes freqüências e então transmitidos simultaneamente com outros sinais.
Bridge
Dispositivo utilizado para conectar LANs através do envio de pacotes por
conexões na subcamada MAC da camada de enlace do modelo OSI.
bps
Significa “bits por segundo”, uma medida de velocidade com que
equipamentos digitais podem transferir dados.
C
Camada de Aplicação
Camada do modelo OSI que diz respeito aos programas de aplicação,
como correio eletrônico, software de servidor de acesso, e gerenciamento de
base de dados.
Camada de Enlace
Camada do modelo OSI que faz a montagem e transmissão dos pacotes
de dados, incluindo o controle de erro.
Camada Física
Camada do modelo OSI que estabelece a transmissão dos dados no meio
de transmissão.
Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance (CSMA/CA)
Método de controle de acesso ao meio utilizado na subcamada MAC no
padrão IEEE 802.11.
165
Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection (CSMA/CD)
Método de controle de acesso ao meio utilizado na subcamada MAC no
padrão IEEE 802.3.
Célula
Subdivisão geográfica da região atendida pela rede local sem fio. Cada
célula tem um conjunto de transmissores, receptores e antenas responsáveis
pela comunicação.
Cliente
Computador que acessa os recursos de um servidor de informações ou
aplicações.
Cliente/Servidor
Ambiente de rede no qual a aplicação é distribuída entre um servidor,
fornecedor dos serviços, e um cliente ou usuário remoto.
Code Division Multiple Access (CDMA)
Tecnologia de acesso múltiplo utilizado em sistemas de espectro
espalhado que utilizam diferentes códigos para identificar os usuários.
Colisão
Ocorre quando transmissões simultâneas são conflitantes nas dimensões
de frequência e tempo em um sistema de comunicação.
D
Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS)
Um tipo de tecnologia spread-spectrum que espalha o sinal continuamente
através de uma banda de freqüência larga.
Desvanecimento Multipercurso
Tipo de desvanecimento causado por sinais que tomaram diferentes
caminhos durante sua propagação entre o transmissor e o receptor,
consequentemente causando interferência no destino.
166
E
Espectro de freqüências
É um grupo de freqüências de um tipo qualquer de radiação. Por exemplo,
o espectro visível é um grupo de freqüências de luz que pode ser percebido por
seres humanos.
Estação móvel
É o computador portátil do usuário.
Ethernet
Padrão industrial para LANs (redes locais) que utiliza a topologia em
estrela.
F
Frequency Division Multiple Access (FDMA)
Tecnologia de Rádio Digital que divide o espectro disponível em canais
separados. Pode ser utilizado em conjunto com as tecnologias TDMA e CDMA.
Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS)
Tipo de comunicação de rádio na qual o transmissor e o receptor saltam
em sincronismo de uma freqüência para outra de acordo com uma função
padrão.
Frequency Shift Keying (FSK)
Tipo de modulação para comunicação de dados usando um número
limitado de freqüências discretas para representar informações binárias.
Fenômeno perto-longe
Pode ser explicado através de uma situação em que duas unidades
móveis estão tentando se comunicar com o mesmo ponto de acesso, e que a
unidade A está mais perto que a B, e ambas estão dentro da área de cobertura.
Como a unidade A está mais perto, seu sinal de rádio é mais forte. Se as duas
unidades tentarem transmitir ao mesmo tempo, pode acontecer de a unidade B
nunca conseguir um acesso. Existem protocolos de acesso para evitar este
fenômeno.
167
Freqüência
É o número de vezes por segundo que um sinal repete um ciclo de 360º.
Em geral, a freqüência é medida em Hertz (Hz).
Full duplex
Transmissão dos sinais gerados por duas fontes nos dois sentidos
simultaneamente. Uma conversa ao telefone ocorre por conexão full duplex,
embora uma conversa seja geralmente half duplex.
H
Handheld
Computador portátil de pequeníssimo porte que já é capaz de se
comunicar em rede com outros dispositivos por meio de ondas rádio.
Half duplex
Transmissão dos sinais gerados por duas pessoas ou máquinas nos dois
sentidos, um de cada vez.
Hand-off
Em telefonia celular, é a passagem do controle de um assinante em
movimento de uma ERB para outra. Associada ao hand-off, há a troca de canal
pelo qual o assinante vai continuar sua conversa. Dentro da cobertura de uma
ERB, o assinante usa um canal, na outra ERB, vai ter de usar outro canal.
Quando há troca de freqüências, dá-se o nome de hard hand-off.
HPA
Amplificador de alta potência responsável por elevar o nível de potência de
um sinal para transmissão através do meio satélite.
I
IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers)
Instituto de Engenharia Elétrica e Eletrônica.
168
IEEE 802.3
Padrão IEEE para redes locais que utiliza a topologia de barramento e
CSMA/CD como tecnologia de controle de acesso ao meio. Embora 802.3 não
seja tecnicamente Ethernet, este nome é comumente utilizado para referenciá-la.
IEEE 802.11
Padrão IEEE para redes locais sem fio. O padrão 802.11 define as
soluções de espectro espalhado para a tecnologia Frequency Hopping e Direct
Sequence Spread Spectrum para utilização na faixa ISM (Industrial, Scientific,
Medical) de 2,4GHz.
Indoor
Identifica os ambientes internos à construções onde ocorre a emissão de
ondas eletromagnéticas provenientes da comunicação entre terminais de uma
rede sem fio.
Interferência
Qualquer emissão, irradiação, indução e ruído eletromagnético que
interrompa, perturbe ou degrade a recepção de sinais de telecomunicações.
Internet
Rede mundial de computadores, surgida nos anos 60 e popularizada há
alguns anos. Permite que usuários de vários tipos de computadores no mundo
inteiro se comuniquem por meio de um protocolo comum (TCP/IP). A Internet
pode ser acessível por linhas telefônicas, redes de TV a cabo, satélites de
comunicação, redes wireless, redes celulares, dentre outros meios.
L
LAN (Local Area Network)
Define as interligações de computadores que se encontram em um mesmo
ambiente.
M
MAC (Media Access Control)
Protocolo utilizado para controlar o acesso ao meio de transmissão de uma
rede.
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Microondas
Nome genérico e popular que designa três faixas de ondas
eletromagnéticas (ondas de rádio): Ultra High Frequency (UHF), de 300MHz a
3GHz; Super High Frequency (SHF), de 3GHz a 30GHz; e Extremely High
Frequency (EHF), de 30GHz a 300GHz.
Modulação
O processo pelo qual se alteram as características de uma onda (de rádio
ou elétrica), de forma que as alterações possibilitem sua transmissão através do
meio de forma eficiente. A modulação pode alterar a amplitude da onda
(modulação em amplitude AM), ou sua freqüência (modulação em freqüência
FM), ou sua fase (modulação por deslocamento de fase, PSK), ou ainda
combinar várias dessas alterações.
Modulação QPSK
Quadrature Phase Shift Keying. É um tipo de modulação em que grupos de
dois bits consecutivos são representados por alterações na fase de uma onda
portadora. Se do sinal digital a ser modulado (fonte de sinal) vem um conjunto
“00”, não há alteração de fase. Se da fonte vem “01”, a freqüência portadora
salta 90 graus. Se vem “10”, há um salto de 180 graus. E se vem “11”, há um
salto de 270 graus. Observe que a modulação QPSK reduz a quantidade de
eventos do sinal de entrada (os bits) à metade ou, em outras palavras, a
portadora modulada apresenta um número de eventos (alterações de fase) que
corresponde à metade dos eventos da fonte de sinal. E, como se sabe, quanto
mais complexa é uma onda de rádio, mais espectro ela ocupa.
Multiplexador
Equipamento que combina diversos canais de entrada em um único sinal
de saída.
N
Nó da rede
Qualquer equipamento de comunicação da rede, como uma estação
remota, uma bridge, um roteador, uma VSAT.
170
O
Open Systems Interconnection (OSI) Model
Modelo de sete camadas desenvolvido para facilitar a interconexão de
diferentes computadores de rede.
Outdoor
Identifica os ambientes externos às construções, como um campus
universitário, onde ocorre a emissão de ondas eletromagnéticas provenientes da
comunicação entre terminais de uma rede sem fio.
P
Pacote
Unidade básica de mensagem para comunicação através da rede.
Peer-to-peer network
Topologia de rede na qual cada estação compartilha seus recursos e usa
recursos de outras estações diferentemente do modelo cliente-servidor.
Ponto de Acesso
Dispositivo especial presente em redes locais sem fio infraestruturada, que
faz a interface entre a rede sem fio e uma rede de acesso a um backbone, como
as redes satélite.
Portadora
É a onda de rádio centrada em um valor de frequência e modulada por
algum tipo de informação, segundo um método específico.
Propagação
Deslocamento de um sinal elétrico através de uma linha de transmissão ou
de um sinal de rádio através do espaço.
Protocolo
Conjunto de regras de comunicação de padrões de conexão elétrica ou
eletromagnética pelo qual duas máquinas trocam informações.
171
R
Rádio Frequência (RF)
Termo genérico utilizado para a tecnologia baseada em rádio.
Roaming
Ocorre quando um usuário de terminal móvel se movimenta de um ponto
de acesso a outro sem a necessidade deste realizar uma nova conexão.
S
Sinalização
Troca de informações necessárias ao estabelecimento, controle de
conexões e operações de uma rede de comunicação.
T
TDM (Time Division Multiplex)
Técnica em que um mesmo canal é usado por vários usuários, um de cada
vez, a seu tempo.
TDMA (Time Division Multiple Access)
Técnica de acesso baseada na multiplexação por tempo. Cada usuário tem
a seu dispor toda a largura de banda do canal, durante um certo tempo.
Triple Play
Termo atual que identifica a existência de três tipos de aplicações em uma
rede de comunicação: dados, vídeo e voz.
U
UIT
UIT ou ITU - União Internacional das Telecomunicações. Órgão da
Organização das Nações Unidas (ONU) que procura estabelecer padrões
mundiais.
172
V
VSAT
Very Small Apperture Terminal – assim denominadas as estações remotas
de pequeno porte, com antenas de diâmetro de até 2,4m.
W
WI-FI
Wireless Fidelity – padrão de comunicação sem fio nas faixas de 2,4GHz e
5,2GHz que pode ser utilizado em ambientes abertos ou fechados.
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