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

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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.

169

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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