Redes wireless_ Calculando a potência de transmissão e de recepção

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16/04/12 Redes wireless: Calculando a potência de transmissão e de recepção

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Criado 3/jun/2011 às 14h54 por Carlos E. Morimoto 6

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Redes wireless: Calculando a potênciade transmissão e de recepção

Introdução

Assim como em outras tecnologias de transmissão via rádio, a distância que o sinal é capaz depercorrer em uma rede Wi-Fi depende não apenas da potência do ponto de acesso, mastambém do ganho da antena e de fatores ambientais, tais como obstáculos e interferênciaeletromagnética. Este é um guia de como calcular a potência efetiva de transmissão do pontode acesso e como obter a potência necessária para a tingir a distância desejada ao criar um linkde longa distância.

A potência total da transmissão é medida em dBm (decibel milliwatt), enquanto o ganho daantena é medido em dBi (decibel isotrópico). Em ambos os casos, é usado o decibel comounidade de medida, mas o parâmetro de comparação é diferente, daí o uso de duas siglasdistintas.

No caso da potência de transmissão, o parâmetro de comparação é um sinal de 1 milliwatt.Dentro da escala, um sinal de 1 milliwatt corresponde a 0 dBm. A partir daí, cada vez que édobrada a potência do sinal, são somados aproximadamente 3 decibéis, já que, dentro daescala, um aumento de 3 decibéis corresponde a um sinal duas vezes mais forte, da mesmaforma que temos com o som:

00 dBm = 1 milliwatt

03 dBm = 2 milliwatts


09 dBm = 7.9 milliwatts



18 dBm = 61.1 milliwatts21 dBm = 125.9 milliwatts





O ganho da antena, por sua vez, é medido em relação a um radiador isotrópico, um modeloteórico de antena, onde o sinal seria transmitido igualmente em todas as direções. Um radiadorisotrópico seria uma esfera perfeita, sem diferença alguma de polarização em toda asuperfície. Ele é impossível de construir na prática (já que a presença do conector já tornaria aesfera imperfeita) e não seria muito útil de qualquer forma, pois mandaria muito sinal para océu e para a terra e menos sinal para os clientes que devem recebê-lo.

Todas as antenas concentram o sinal em determinadas direções, sendo que quanto maisconcentrado é o sinal, maior é o ganho. Uma antena de 3 dBi, por exemplo, irradia o sinal como dobro de potência que um radiador isotrópico, porém irradia em um ângulo duas vezesmenor. Uma antena de 6 dBi oferece um sinal quatro vezes mais concentrado, porém para umângulo 4 vezes mais estreito, e assim por diante. De uma forma geral, quanto maior é o ganho

desejado, maior precisa ser a antena; justamente por isso as antenas ominidirecionais e yagide alto ganho são muito maiores que as antenas padrão de 2.2 dBi dos pontos de acesso.

Continuando, a potência total de saída é obtida convertendo a potência do transmissor, demilliwatts para dBm e, em seguida, somando o ganho da antena (em dBi). Duas calculadorasque oferecem a opção são:

http://www.radiolabs.com/stations/wifi_calc.htmlhttp://store.freenet-antennas.com/linkbudget.php

Como comentei, a maioria dos modelos domésticos de pontos de acesso trabalham com 17.5dBm (56 milliwatts) ou 18 dBm (63 milliwatts) de potência, mas existem modelos com apenas15 dBm (31.6 milliwatts) e, no outro extremo, alguns modelos com até 400 milliwatts (26 dBm),como o Senao EC B-3220 e o OVISLINK WL-5460:

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É importante notar que, em muito casos, a potência anunciada pelo fabr icante inclui o ganho daantena, de forma que um ponto de acesso com sinal de 20 dBm pode ser, na verdade, umponto de acesso com transmissor de 18 dBm e uma antena de 2 dBi. Nesse caso, você obteria24 dBm ao substituir a antena padrão por uma antena de 6 dBi e não 26 dBm (20+6) como

poderia pensar à primeira vista. Uma diferença de 2 dBm pode parecer pequena, mas naverdade equivale a um aumento de 66% na potência do sinal, daí a importância de checar asespecificações com atenção.

A lógica é simples: Nenhuma antena irradia o sinal igualmente em todas as direções. Mesmo asantenas ominidirecionais irradiam mais sinal na horizontal que na vertical. Isso significa que osinal é concentrado dentro da área de transmissão da antena, tornando-se mais forte. Comovimos, quanto maior o ganho da antena, mais concentrado e forte é o sinal, fazendo com queele seja capaz de percorrer distâncias maiores e superar mais obstáculos. Se a potência detransmissão nominal é de 400 mW, o uso de uma antena de 2.2 dBi faria com que, na prática,tivéssemos uma potência de transmissão de 880 mW (29.4 dBm).

Se a antena padrão fosse substituída por uma antena yagi com ganho de 18 dBi, a potência detransmissão subiria para 44 dBm e , se a antena tivesse 24 dBi, subiria para impressionantes 50dBm. Na prática, os valores seriam um pouco mais baixos, devido à perda introduzida pelocabo e pelos conectores, mas ainda assim os números ser iam impressionantes.

Mesmo um ponto de acesso mais simples, com um transmissor de 56 milliwatts (17.5 dBm),pode atingir uma boa potência de transmissão se combinado com uma antena de bom ganho.

Mesmo usando uma antena setorial de 12 dBi, a potência total de transmissão já seria de 29.5dBm, o que equivale a 891 milliwatts. A principal diferença é que nesse caso o sinal seriaconcentrado em uma área muito menor, tornando-o utilizável para um link de longa distância,mas não para uma rede doméstica, onde o sinal precisa ficar disponível em todo o ambiente.

Em se tratando de links de longa distância, é preciso ter em mente que a potência detransmissão do ponto de acesso não está necessariamente relacionada à sua sensibilidade derecepção, e a falha em captar o sinal do cliente também leva à perda da conexão. Ou seja,para obter um ganho tangível, é necessário usar produtos com uma maior potência de





transmissão dos dois lados do link.

Uma antena de alto ganho (corretamente focalizada), por outro lado, aumenta tanto a potênciade transmissão quanto a sensibilidade de recepção, já que é capaz de concentrar o sinal emambas as direções. É por isso que instalar uma antena yagi na placa do seu notebook permiteque ele consiga se conectar a redes tão distantes, mesmo sem modificações nos respectivospontos de acesso.

Continuando, o sinal transmitido pelo ponto de acesso é espalhado por uma grande área, deforma que apenas uma pequena quantidade da energia irradiada é efetivamente captada pelaantena receptora. Vamos então a uma outra tabela, dessa vez com a perda teórica em umambiente livre de obstáculos:

500 metros: -94.4 dB

1 km: -100.4 dB2 km: -106.4 dB

4 km: -112.4 dB

Como disse, estes números são puramente teóricos, a começar pelo fato de que não temos(pelo menos não dentro da a tmosfera do nosso planeta) um ambiente completamente livre deobstáculos, já que a própria umidade do ar a tenua o sinal em certa intensidade.

Em um ambiente real, você poderia calcular uma perda de 117 dB para uma distância de 2 kmem campo aberto, com um acréscimo de 6 a 9 dB cada vez que a distância dobra.

A margem é necessária, pois em uma situação real você raramente consegue obter umalinhamento perfeito das antenas e fatores ambientais, como o vento e a chuva podembalançá-las (tirando-as da posição idea l). Além disso, variações da umidade a fetam o sinal, deforma que o sinal é mais atenuado em dias chuvosos, o que é um dos grandes problemas dosprovedores que oferecem acesso wireless. Sem uma boa margem de tolerância, sua redepoderá funcionar bem nos dias de tempo bom, mas ficar instável nos dias nublados ou duranteas chuvas.

Subtraindo a perda da potência inicial do sinal, obtemos o valor que chega até o cliente. Se apotência inicial (incluindo o ganho da antena) é de 19 dBm e a perda causada pelo percurso(incluindo os obstáculos) é de 117 dB, por exemplo, significa que o cliente receberá um sinal deapenas -98 dBm. Se a potência de transmissão fosse aumentada para 26 dBm, ele receberia-91 dBm e assim por diante.

Veja que aqui estamos falando em valores negativos, que consistem em apenas uma pequenafração de milliwatt. C omo vimos, um sinal de 1 milliwatt equivale a 0 dBm e precisamos dobrara potência do sinal para cada 3 dBm adicionais. Da mesma forma, cada vez que dividimos apotência do sinal pela metade, subtraímos 3 dBm, de forma que -3 dBm equivalem a 0.5milliwatt, -6 dBm correspondem a 0.25 e assim por diante. Se você fizer a conta, vai ver que-98 dBm corresponde a um valor realmente muito baixo.

Ao receber o sinal, o cliente precisa amplificá-lo, de forma que ele possa ser processado. Entraem cena então outra especificação importante, que é a sensibilidade de recepção (receivesensitivity), que corresponde ao nível mínimo de sinal que o cliente precisa para receber osdados, com um volume aceitável de erros de recepção.

Ao criar um link de longa distância, é importante usar pontos de acesso e placas com a maiorsensibilidade possível. Tenha em mente que uma diferença de apenas 6 dB na recepçãopermite obter o dobro do a lcance, utilizando as mesmas antenas. Este acaba sendo o principaldiferencial entre placas de diferentes fabricantes, mesmo quando elas são baseadas no mesmochipset.

Uma dica é que os pontos de acesso e placas 802.11g atuais oferecem em geral uma recepçãomelhor do que produtos antigos, baseados no padrão 802.11b (mesmo se utilizadas as mesmasantenas), devido a melhorias nos chipsets.

Os aparelhos baseados no 802.11n oferecem uma taxa de transferência muito maior a curtasdistâncias, devido ao uso do MIMO, mas esta característica é praticamente inútil em links delonga distância, onde normalmente utilizamos uma única antena. O 802.11n oferece algumasmelhorias adicionais no sistema de correção de erros e na transmissão do sinal, que reduzem ooverhead da transmissão em relação ao 802.11g, resultando em um certo ganho na taxa detransmissão (mesmo com uma única antena), mas não espere muito. Note também que umgrande número de pontos de acesso 802.11n utilizam antenas fixas, o que os tira da lista deopções.

Você encontra a relação entre o nível mínimo de sinal para cada taxa de transferência nasespecificações da placa ou do ponto de acesso. A maioria dos dispositivos trabalha com umvalor mínimo de -92 dBm e alguns chegam a -95 dBm (note que a sensibilidade de recepçãonão está necessariamente relacionada à potência de transmissão). Entretanto, esse valorcorresponde à taxa de transmissão mínima, a 1 megabit. Para que a rede possa trabalhar avelocidades mais altas, é necessário um sinal mais forte. Aqui vai uma tabela de referênciapara que você possa ter uma ideia. Os valores podem variar em até 6 dBm, de acordo com amarca e o modelo da placa:

1 mbps: -92 dBm

2 mbps: -91 dBm

5.5 mbps: -90 dBm

9 mbps: -88 dBm

12 mbps: -87 dBm

18 mbps: -86 dBm

24 mbps: -83 dBm

36 mbps: -80 dBm

48 mbps: -74 dBm

54 mbps: -72 dBm

Pela tabela podemos ver que um sinal de -98 dBm é muito baixo, mesmo para criar um link deapenas 1 megabit. Para cada redução de 3 dB no sinal, temos uma redução de 50% napotência, de forma que -98 dBi corresponde a apenas um quarto de -92 dBi, que seria omínimo para estabelecer a conexão, dentro das especificações da tabela.

Como citei anteriormente, o ganho da antena afeta também a habilidade de recepção docliente, de forma que seria possível estabelecer a conexão com sucesso usando uma antena demaior ganho no cliente, que permitisse elevar o sinal de -98 dBm até o nível mínimo





necessário.

Uma simples antena setorial ou yagi com 8 dBi de ganho, devidamente apontada para a antenado ponto de acesso remoto, seria suficiente para elevar o sinal ao nível mínimo (a 1 megabit),mas seria necessário usar uma antena com pelo menos 26 dBi para ter uma chance de efetuara conexão na velocidade máxima, a 54 megabits.

Uma antena de 26 dB i de ganho seria muito cara e volumosa, e a instalação seria difícil, já quetanto ganho resulta em um sinal muito focalizado. Nesse caso, seria muito mais simples usaruma antena de ma ior ganho no ponto de acesso, mantendo o cliente com uma antena de 8 ou12 dBi.

No exemplo, estamos emitindo um sinal de 19 dBi, o que corresponde à potência inicial doponto de acesso, usando a antena padrão, de 2 dBi. Se a substituíssemos por uma antena de

16 dBi a potência do sinal já subiria de 19 (17+2) para 33 dBi (17+16). Descontada aatenuação, o cliente recebia (em teoria) um sinal de -84 dBi, o que reduziria e muito o ganhonecessário para chegar nos -72 dBi necessários para efetuar a conexão a 54 megabits.

A fórmula para ca lcular o sinal que chega efetivamente ao receptor é:

Potência de transmissão + ganho da antena - perda de sinal + ganho da

antena receptora

Na prática, temos mais duas variáveis, que são as perdas introduzidas pelos cabos (quantomais longo é o comprimento e menor for a qualidade do cabo, maior é a perda) e também ovolume de ruído de fundo (a combinação de todos os outros sinais de rádio na mesmafrequência) presente no ambiente.

Cabos curtos e de boa qualidade normalmente resultam em uma perda inferior a 1 dB, mascabos muito longos ou mal construídos podem facilmente introduzir uma perda de 3 dB oumais.

A menos que você consiga instalar a antena diretamente no conector da placa (o que é

impossível com uma antena de alto ganho), você vai precisar usar dois cabos, um no emissor eoutro no cliente, de forma que a perda do cabo torna-se uma questão crítica. Se cada cabocausar uma perda de 3dB, a perda total subiria para 6 dBi, suficiente para fazer com que avelocidade da conexão caísse de 54 para 36 megabits, ou de 36 para 18 megabits.

A perda de sinal causada pelo cabo é também o motivo de algumas antenas baratas, de 4 ou 5dBi, muitas vezes oferecerem uma recepção pior do que a antena padrão do ponto de acesso.Se o cabo for ruim ou houverem falhas nas soldas, a perda pode acabar sendo maior do que adiferença de ganho da antena.

Em seguida, temos a questão do ruído de fundo, que dificulta a recepção do sinal pelo cliente.A relação entre o sinal e o ruído de fundo é chamada de "signal to noise ratio" e é informadapor programas de diagnóstico (executados no cliente), como o Wavemon (no Linux) ou oNetstumbler (no Windows), como veremos em detalhes a seguir.

Se o sinal for mais fraco que a interferência, o cliente não consegue captá-lo e se o sinal formais forte, mas a diferença for pequena, haverá um grande volume de pacotes perdidos e aconexão será instável. Para manter uma conexão minimamente estável, é necessário que o

signal to noise ratio seja de pelo menos +5 dB, ou se ja, que o sinal seja 5 dB mais forte que oruído de fundo ou interferência.

Em zonas rurais ou pouco povoadas, o ruído de fundo raramente é um problema, já que ovolume de transmissões é pequeno, mas nas grandes cidades ele pode atrapalhar bastante,obrigando-o a usar antenas de maior ganho.

Uma observação é que a antena no cliente capta tanto o sinal quanto o ruído de fundo,amplificando ambos igualmente. Ou seja, ela permite captar um sinal mais fraco, mas não faznada para melhorar o signal to noise ou seja, a relação sinal/ruído. Devido a isso, emambientes com muito ruído, aumentar o ganho da antena transmissora acaba sendo maisefetivo do que aumentar o ganho da antena receptora.

Usando amplificadores e antenas de alto ganho, é relativamente fácil criar links de longadistância. Basta calcular que um amplificador de 1 watt gera um sinal de 30 dBm. Adicionandouma antena parabólica de 32 dBi, chegamos a 62 dBm. Usando o mesmo conjunto deamplificador bidirecional e antena do outro lado, poderíamos facilmente criar um link de 32 kmou mais.

O problema é que um sinal tão forte criaria um forte interferência em toda a faixa de sinal daantena, derrubando ou reduzindo a taxa de transmissão de todas as redes pe lo caminho.

Para ter uma ideia, o recorde de distância atual com uma rede Wi-Fi, obtido em junho de 2007por uma equipe de técnicos da Venezuela é de 382 km e ex istem outros exemplos de links commais de 200 km (faça uma pesquisa por "wireless long-distance link record" no Google), comoum link de 304, km obtido por uma empresa Italiana:

http://blog.wired.com/gadgets/2007/06/w_wifi_record_2.htmlhttp://www.ubnt.com/company_press_07.php4 .





Link Wi-Fi experimental de 304 km, criado pela Ubiquiti, na Itália

Em ambos os casos, os links foram criados em áreas pouco povoadas e obtidos usandoantenas de altíssimo ganho, que resultam em um feixe extremamente estreito, limitando,assim, o nível de interferência com outras redes. Entretanto, tentativas similares em áreasdensamente povoadas, poderiam criar sérios problemas. Com certeza você não iria gostar se oseu vizinho da frente jogasse um sinal de 62 dBm bem em direção à sua janela.

Para prevenir extremos como esses, existem normas regulatórias, que variam de país para

país. Nos EUA, é permitido o uso de uma potência EIRP de até 4000 milliwatts (36 dBm)utilizando uma antena de 6 dBi ou mais, ou de até 1000 milliwatts (30 dBm) ao utilizar umaantena de menor ganho.

O valor EIRP (equivalent isotropically radiated power) corresponde à potência efetiva datransmissão, obtida somando a potência do transmissor e o ganho da antena (descontandoperdas causadas pelos cabos e outros fatores). Ou seja, ao usar um ponto de acesso comtransmissor com 250 mW e um cabo com perda de 3 dB, seria permitido usar uma antena deaté 21 dBi, e assim por diante.

Em muitos países da Europa, vigora uma norma muito mais restritiva, que limita astransmissões a apenas 100 milliwatts (20 dBm), o que equivale à potência nominal da maioriados pontos de acesso, sem modificações na antena ou uso de amplificadores.

No Brasil, vigora uma norma de 2004 da Anatel (resolução 365, artigo 39) que limita a potênciaEIRP do sinal a um máximo de 400 milliwatts (26 dBm) em cidades com mais de 500habitantes. Acima disso, é necessário obter uma licença (fornecida apenas a empresas),desembolsando R$ 1450 por ponto, mais uma taxa de renovação anual.

A melhor opção para criar links de longa distância sem violar a legislação, nem precisar pagara licença é reduzir a potência de transmissão do ponto de acesso (a maioria dos modelosoferecem esta opção nas configurações) e utilizar antenas de maior ganho dos dois lados dolink. Assim, ao invés de usar 63 milliwatts (18 dBm) e antenas de 9 dBi, você usaria 31.6milliwatts (15 dBm) e antenas de 12 dBi, por exemplo (a diferença de 1 dBm no exemplocorresponde à perda do cabo).

A lógica é que uma antena de maior ganho melhora tanto o envio quanto a recepção, enquantouma maior potência melhora apenas a transmissão. Seguindo essa dica, é possível criar linksde 2, ou até mesmo 4 km sem violar a norma da Anatel. Calcule que emitindo um sinal de 26dBm, e usando uma antena de 12 dBi no cliente, ele ainda receberia um sinal de -79 dBmdepois de uma perda de 117 dB (26 -117 + 12).

Outra restrição importante com relação à legislação Brasileira é que para vender serviços deacesso (como no caso de um provedor de acesso) é necessário obter uma licença SCM, quealém das taxas e da burocracia é concedida apenas a empresas do ramo de telecomunicações.Sem a licença, você pode apenas criar links para uso interno (como ao interligar doisescritórios de uma mesma empresa, por exemplo), sem vender acesso à web.

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Por Carlos E. Morimoto. Revisado 3/jun/2011 às 14h54

Comentários

Os calculos batem certos mesmo! :)Criado 21/out/2011 às 18h00 por Alex pereira (anônimo)

6 comentários

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Eu mexo com net aqui na minha cidade, mais eu era leigo em relação a esses cálculos, epensava que quanto mais dBm negativo era melhor..rs tava muito errado!

Eu fiz os cálculos depois da leitura no site, e comprovei a rea l situação do meu sinal.

Tenho um AP de 15 dBm + antena onmi de 15dBi+ pigtail 15cm -1dBm = total 29dBm (794milliwatts)

A uns 800 metros de distancia, tenho outra antena de 25 dBi que recebe o sinal e cabo longode 10 metros que dá -3dB + outro AP 17dBm = Total de 39dBm (7.943 milliwatts)

Então (29-117+39) = -49dBm como tem uma pequena árvore no meio, o meu sinal chega novisor á -61dBm e consigo me conectar normal. (então, minha perda na arvore 12 dBm)

Pergunta:E se eu aumentar a potência do meu envio colocando um AP com 400 milliwatts (26 dBm) .Seria (40-117+39) = (-38 e -12 da arvore) = -50dBm é isso mesmo esta certo?- Quanto corresponde -50 dBm em mbps?

valew e Obrigadogostei muito do Aprendizado, muito bom!

Seu tutorialCriado 4/out/2011 às 17h30 por Luciano Guimarães Mendes (anônimo)

Também o apreciei.Dada ao bom tom simplista e acessível, retirei alguns trechos deste para apresentá-los aalunos do IF, aonde leciono.

ExcelenteCriado 9/jun/2011 às 23h26 por Leonardo (anônimo)

Informação de alta qualidade Parabéns. Está escrevendo a lgum livro sobre Wi-Fi?

Excelente, muito didáticoCriado 5/jun/2011 às 13h04 por Sergio (anônimo)

Trabalho com telecomunicações a anos e é incrível como técnicos em geral desconhecemesses conceitos, muitos instalam e configuram redes sem a menor noção do que estãofazendo. Sua matéria está de parabens, resumiu conceitos de radiodifusão mantendo aessência, conseguindo ainda abordar conceitos de logaritimo relacionando-os com a basedecimal.

SCMCriado 3/jun/2011 às 23h50 por Carlos_RS (anônimo)

O senhor que me prove minha atual conexão certamente não tem essa licença SCM mas é aúnica opção pois a Velox vive dizendo que minha linha não tem viabilidade.Estou com uma antena wireless USB(ela se asseme lha a uma antena UHF) para me conectarao transmissor.

Res:Criado 3/jun/2011 às 18h36 por catzurrul (anônimo)

Muito bom o tutotial. Você escreveu de forma bem didática e facilmente entendível, mesmopor leigos.

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