UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE
COMUNICAÇÃO PONTO-A-PONTO EM 60 GHz Estudo de Caso e Comparativo com FSO
Trabalho de Conclusão de Curso
Bruno Sátiro da Silva
COMUNICAÇÃO PONTO-A-PONTO EM 60 GHz Estudo de Caso e Comparativo com FSO
Trabalho de Conclusão de Curso
Bruno Sátiro da Silva
Trabalho de Conclusão de Curso de Engenharia de Telecomunicações da Universidade Federal do Rio Grande do
Norte, apresentado como requisito
parcial à obtenção do grau de
Engenheiro de Telecomunicações.
Orientador: Marcio Eduardo da Costa Rodrigues
Agradecimentos
Chegar até aqui em minha vida é algo espetacular, mas sem a ajuda de algumas pessoas isso teria sido impossível.
Agradeço primeiramente e principalmente aos meus pais, pois além do demasiado carinho e dedicação, desde muito cedo me incentivavam a estudar e sempre diziam que eu poderia chegar aonde eu quisesse dessa forma.
Quero deixar claro meu eterno obrigado à minha irmã, pelo amor incondicional. Ela é uma das pessoas mais esforçadas e de bom caráter que conheço e sempre será um dos maiores exemplos para mim.
Agradeço aos verdadeiros amigos, pelos momentos de diversão e pelos conselhos e incentivos sempre dados.
Aos colegas de curso, especialmente Fábio, Hermínio e José Antônio, certamente futuros grandes engenheiros.
Deixo registrado meu eterno carinho pelas namoradas que tive durante a graduação, em especial pela minha atual namorada, Letícia Gabriela.
Obrigado aos professores do Curso de Engenharia de Telecomunicações, bem como aos da Escola de Ciências e Tecnologia. Vocês são grandes influências para mim.
Obrigado aos professores convidados para a banca de avaliação deste trabalho, Vicente Sousa e Robercy Alves.
Agradeço enormemente ao meu orientador, Professor Marcio Rodrigues, pela paciência e atenção e pelos grandes ensinamentos.
Por fim, agradeço a todos que de alguma forma me ajudaram a realizar o sonho de ser engenheiro.
Muito Obrigado.
Resumo
Este trabalho aborda a tecnologia de comunicação na faixa de 60 GHz, suas características de propagação, aspectos regulatórios e soluções comerciais atuais.
Uma introdução sobre comunicação óptica no espaço livre, conhecida como FSO –
Free Space Optics –, é feita, passando por uma análise de vantagens e dificuldades encontradas em enlaces deste tipo.
As vantagens das comunicações em 60 GHz incluem possibilidade de altas taxas de transmissão e segurança, além de não necessitar de licença para uso do espectro de radiofrequências.
Um estudo de caso finaliza este trabalho, onde será proposta a interligação entre dois pontos através de um enlace principal de 60 GHz, juntamente com um enlace FSO atuando como backup, visando principalmente contornar adversidades climáticas em que o enlace principal esteja bastante comprometido.
Palavras-chave: 60 GHz; propagação; FSO; altas taxas de transmissão; segurança; espectro não licenciado.
Abstract
This paper investigates 60 GHz communication technology, its propagation characteristics, regulatory aspects and current commercial solutions. The concept of optical communication in free space (FSO – Free Space Optics) is introduced and the advantages and difficulties of an FSO link are analyzed.
60 GHz links are very advantageous. They can offer high bit rates and security. Additionally, the 60 GHz band is license free.
At last, a project of a link between two points will be studied as a way to prove the viability of 60 GHz and FSO links. The FSO communication will be presented as a backup to counteract for impairments on the 60 GHz link.
Keywords: 60 GHz communication; propagation; FSO; high bit rate; security; license free bands.
Sumário
1. História e evolução dos sistemas de comunicação por RF em meio aberto ... 12
1.1- A descoberta das ondas eletromagnéticas ... 12
1.2- As primeiras transmissões sem fio ... 14
1.2.1- Um padre brasileiro e o primeiro rádio ... 15
1.3- A evolução do rádio e a busca por novas frequências ... 16
2. Motivação do trabalho ... 18
2.1- O espectro eletromagnético ... 18
2.2- A faixa de 60 GHz e suas características ... 19
2.2.1- Licença livre ... 20
2.2.2- Livre de interferência ... 20
2.2.3- Altas taxas de transmissão ... 20
2.3- Free Space Optics (FSO) ... 21
2.3.1- A natureza da luz ... 21
2.3.2- O uso da óptica nas telecomunicações ... 22
2.3.3- Luz como forma de transmissão em meio não guiado ... 23
2.4- FSO + 60 GHz ... 25
2.4.1- Redundância e backup em sistemas de telecomunicações ... 25
2.4.2- FSO e 60 GHz trabalhando em conjunto ... 26
3. Estado atual das comunicações em 60 GHz ... 27
3.1- Revisão bibliográfica ... 27
3.2- Soluções comerciais ... 29
4. Propagação de ondas eletromagnéticas em 60 GHz ... 31
4.1- Propagação no Espaço Livre ... 31
4.2- Absorção por gases atmosféricos ... 32
4.3- Efeito de Hidrometeoros ... 33
4.3.1- Atenuação por chuva ... 33
4.4- Difração e a necessidade de visada direta ... 37
5. Estudo de caso: Enlace 60 GHz sem fio entre a InterTV Cabugi e o estádio Arena das Dunas
... 42
5.1- A TV Digital no Brasil e os padrões de definição de imagem ... 42
5.2- Motivação para a interligação InterTV Cabugi – Arena das Dunas e o uso de um sistema de comunicação em 60 GHz ... 43
5.2.1- Interesse público ... 43
5.2.2- Uso de um sistema de comunicação em 60 GHz ... 44
5.2.3- Grande largura de banda para maior flexibilidade técnica ... 45
5.3- Características do enlace ... 45
5.4- Desempenho e Disponibilidade do enlace de 60 GHz ... 48
5.4.1- Atenuação no Espaço Livre ... 49
5.4.2- Atenuação devido à absorção atmosférica... 50
5.4.3- Efeitos dispersivos ... 52
5.4.4- Atenuação por multipercurso ... 52
5.4.5- Atenuação devido à chuva ... 52
5.4.6- Análise da difração ... 53
5.4.7- Análise da reflexão no solo ... 54
5.4.8- Balanço de potência do enlace em 60 GHz ... 57
5.4.9- Margem de segurança do enlace em 60 GHz ... 58
5.4.10- Indisponibilidade do enlace ... 59
5.5- Análise de uso da tecnologia FSO como backup para o enlace em 60 GHz ... 60
5.5.1- Perdas geométricas ... 61
5.5.2- Efeitos de cintilação ... 62
5.5.3- Atenuação por chuva ... 63
5.5.4- Atenuação por neve, neblina e nevoeiro ... 64
5.5.5- Balanço de potência do enlace FSO ... 64
5.7- Análise de custos ... 66
6. Conclusões e trabalhos futuros ... 67
Referências ... 68
Lista de Figuras
Figura 1 – Experiência de Hertz que captou pela primeira vez ondas de rádio ... 14
Figura 2 – Esquema de comunicação via satélite entre dois pontos ... 19
Figura 3 – Dispositivo usado comercialmente em sistemas ópticos sem fio ... 24
Figura 4 – Redundância em uma rede óptica em anel ... 26
Figura 5 – Números de publicações relacionadas à palavra-chave “60 GHz” ... 27
Figura 6 – Comparação ente o número de publicações de 2005 e de janeiro a julho/2015 ... 28
Figura 7 – Transceptor Ceragon FibeAir 10060 ... 30
Figura 8 – Atenuação específica devido a gases atmosféricos ... 32
Figura 9 – Atenuação devido à chuva, a nevoeiro e a gases atmosféricos ... 34
Figura 10 – Valores de k e α com relação à frequência, considerando polarização horizontal ... 35
Figura 11 – Valores de k e α com relação à frequência, considerando polarização vertical ... 36
Figura 12 – Primeiro elipsóide de Fresnel em um enlace em visada direta ... 37
Figura 13 – Sinais se propagando em multipercursos atmosféricos ... 39
Figura 14 – Modelo de propagação de dois raios ... 39
Figura 15 – Ângulo de meia potência ... 41
Figura 16 – Comparativo entre os aspectos 16:9 e 4:3 ... 43
Figura 17 – Localização da InterTV Cabugi e do Estádio Arena das Dunas ... 46
Figura 18 – Torre metálica para o receptor ... 47
Figura 19 – Vista da torre da InterTV em direção ao Arena das Dunas ... 47
Figura 20 – Área normalmente reservada aos equipamentos de rádio e TV no Arena das Dunas ... 48
Figura 21 – Atenuação por oxigênio na faixa de 54 a 60 GHz com temperatura média de 25o C ... 50
Figura 22 – Atenuação por vapor d’água na faixa de 54 a 60 GHz com temperatura média de 25o C .. 51
Figura 23 – Esquema de cotas do enlace e ponto de reflexão no solo ... 54
Figura 24 – Distância e localização do ponto de reflexão com relação à InterTV ... 55
Figura 25 – Praça do Centro Administrativo ... 56
Lista de Tabelas
Tabela 1 – Subdivisão do espectro eletromagnético de 30 Hz a 300 GHz ... 18
Tabela 2 – Comparação entre laser e led ... 22
Tabela 3 – Valores dos coeficientes k e α para 60 GHz ... 36
Tabela 4 – Parâmetros técnicos adotados para o transceptor de 60 GHz ... 49
Lista de abreviaturas e siglas
ANATEL – Agência Nacional de Telecomunicações. RF – Rádio frequência.
FSO – Free Space Optics.
ITU – International Telecommunication Union.
LASER – Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. LED – Light Emitting Diode.
CMOS – Complementary metal oxide semiconductor TV - Televisão
1- História e evolução dos sistemas de comunicação por RF em
meio aberto
1.1- A descoberta das ondas eletromagnéticas
A transmissão de informações em meio aberto é de fundamental importância no atual estágio de desenvolvimento social e tecnológico em que nos encontramos. Em especial, a comodidade alcançada pela possibilidade de mobilidade trazida pelos mecanismos de propagação no espaço livre. Mas nem sempre foi assim, grandes estudiosos da área da física e da matemática desenvolveram diversas análises teóricas e experimentais para que chegássemos até as avançadas tecnologias de transmissão [1, 2].
O estudo das ondas de rádio teve um grande desenvolvimento por meio do físico e matemático britânico James Clerk Maxwell. Um de seus trabalhos, de 1865, serviu como base para estudos posteriores possibilitando o uso de ondas eletromagnéticas para fim de transmissão de informação [2].
Tomando como base trabalhos de Coulomb, Ampére, Faraday e Gauss, Maxwell relacionou os campos elétrico e magnético através de um conjunto de quatro equações que previam a existência de ondas eletromagnéticas, como seguem.
E é o campo elétrico [V/m];
B é a densidade de fluxo magnético [T.m²];
Ф
𝐸 fluxo elétrico [J.m/C];Ф
𝐵 fluxo magnético [Wb];dA é o elemento vetorial diferencial de superfície [m²];
dS é o elemento vetorial diferencial de comprimento [m]; dt é o elemento vetorial diferencial de tempo [s];
q carga elétrica [C];
µ0 permeabilidade magnética no vácuo [H/m];
ε
0 permissividade elétrica no vácuo [F/m];𝑖
é a corrente de deslocamento [A].Maxwell formulou suas equações demostrando que a interação entre os campos elétrico e magnético são responsáveis pelo surgimento das ondas eletromagnéticas. A variação de campo elétrico gera campo magnético enquanto que a variação de fluxo magnético gera campo elétrico [1].
Em 1888, o alemão Heinrich Hertz comprovou a teoria de Maxwell e demonstrou a existência de ondas eletromagnéticas através de um experimento em seu laboratório. Ele construiu um oscilador com esferas metálicas ligadas a uma bobina e conseguiu produzir ondas eletromagnéticas, provando que Maxwell estava correto em suas análises, como mostra a figura 1 [3].
Fonte: Site da Universidade de São Paulo.1
O experimento de Hertz serviu de propulsor para mais estudos nas áreas de geração e propagação de ondas de rádio e seu nome passou a ser usado para designar a unidade de medida de frequência, o Hertz (Hz).
A partir de então, diversos outros estudiosos se dedicaram ao estudo da comunicação sem fio, enfrentando grandes obstáculos da época como o pouco desenvolvimento tecnológico. Porém, obtiveram grandes resultados e suas descobertas são a base dos sistemas de comunicação modernos.
1.2- As primeiras transmissões sem fio
Após os trabalhos de Hertz, começou-se um grande estudo por parte de engenheiros e cientistas no uso de ondas eletromagnéticas para se transmitir informação útil.
O cientista italiano Guglielmo Marconi, inspirado na invenção de Hertz, criou um aparelho para transmissão de ondas que consistia basicamente de um oscilador (semelhante ao de Hertz), uma antena e um detector de ondas. As primeiras exibições públicas do aparelho em funcionamento foram feitas em Londres, em
1 Disponível em: http://www.cdcc.usp.br/fisica/Professores/Einstein-SHMCarvalho/node5.htm. Acesso em 17 de julho de 2015.
1896, porém alcançando ainda pouca distância entre transmissor e receptor (cerca de 3 km).
Em 1901, Marconi realizou o que foi considerado uma revolução nas comunicações sem fio para a época. Ele conseguiu que a letra “S” do código Morse fosse transmitida da Inglaterra e ouvida claramente através de um receptor localizado em St. John’s (atual Canadá), atravessando o Atlântico Norte. Essa conquista foi fundamental para o desenvolvimento de novas técnicas de transmissão de ondas eletromagnéticas [4].
1.2.1 – Um padre brasileiro e o primeiro rádio
Apesar de o italiano Marconi e o russo Alexander Popov dividirem o título de “pais do rádio”, gerando ainda bastante discussão histórica (Popov, em 1897, construiu um receptor de sinais utilizando um fio aéreo como antena), um terceiro nome se faz presente como o inventor do primeiro rádio, e é o de um padre brasileiro.
O Padre Landell de Moura construiu em 1892 (ou seja, antes de Marconi e Popov) um transmissor sem fio para envio de mensagens. Sua primeira demonstração pública aconteceu em 1894, com uma transmissão entre o Alto da Avenida Paulista e o Alto de Sant’Anna, em São Paulo. Além disso, Landell foi responsável pela criação de um telefone sem fio e de um telégrafo sem fio [5].
Porém, foi apenas entre 1903 e 1904 que o padre inventor conseguiu nos Estados Unidos as patentes para seus aparelhos, ou seja, depois do rádio de Marconi, o que pode explicar o não reconhecimento do brasileiro como o inventor do primeiro aparelho de transmissão de ondas hertzianas (denominação também utilizada para ondas eletromagnéticas, em homenagem a Hertz).
A evolução e a viabilidade das comunicações sem fio se deveram principalmente ao surgimento de novos componentes eletrônicos, possibilitando um avanço nos estudos sobre novos rádios, técnicas de modulação e uso de frequências mais altas.
A válvula termiônica, criada por John Fleming por volta de 1904, deu um boom na eletrônica e levou a um grande avanço tecnológico, inclusive nas telecomunicações. Com esse novo dispositivo, a sintonia de uma determinada frequência era mais fina, minimizando a interferências de outras frequências na recepção do sinal [4].
Com o avanço da eletrônica nas décadas seguintes, com invenções como a válvula de três elementos, do transistor e posteriormente do uso de semicondutores como o silício, tornou-se possível ir mais além nos circuitos e criar rádios mais sofisticados com técnicas bastante eficazes de transmissão como os sinais modulados analogicamente em amplitude (AM) e em frequência (FM). Além disso, começou-se a utilizar frequências mais altas para transportar o sinal devido a saturação do espectro eletromagnético e partindo do princípio de que frequências mais altas podem carregar uma maior quantidade de informação.
Com o advento dos circuitos integrados, criados a partir da segunda metade do século XX, a eletrônica entra na era digital e as comunicações sem fio foram afetadas diretamente. Modulações digitais como ASK, FSK e PSK surgiram e trouxeram diversos benefícios, dentre eles podemos citar a maior imunidade a ruídos e uma utilização mais eficiente do espectro de radiofrequências.
No capítulo seguinte, serão introduzidos os conceitos de transmissão em 60 GHz e óptica no espaço livre (FSO – Free Space Optics). O capítulo 3 consiste de um estudo sobre o atual estado da arte, tanto em 60 GHz quanto em FSO. O quarto capítulo deste trabalho trata sobre os principais aspectos da propagação de ondas eletromagnéticas em 60 GHz. No capítulo 5 é proposto e apresentado um projeto de enlace em 60 GHz, onde serão detalhados todos os pontos necessários para a sua viabilidade prática. Será também estudada uma solução híbrida FSO/60 GHz e mostrados os custos estimados para a implementação do projeto.
Finalmente, o capítulo 6 apresenta conclusões e algumas sugestões para a continuidade deste trabalho.
2.1- O espectro eletromagnético
Com o crescente aumento dos serviços de telecomunicações que utilizam o meio aberto como canal de propagação, o espectro eletromagnético tem se tornado cada vez mais ocupado, fazendo com que frequências mais altas também sejam utilizadas para fins de comunicação.
O espectro eletromagnético é o intervalo no qual estão todas as frequências de radiação eletromagnética. Isso inclui desde as frequências mais baixas (a partir de 0 Hz, sem oscilação) até frequências altíssimas como os raios gama. Há faixas de frequências dentro do espectro que são utilizadas em telecomunicações para comunicação sem fio: é o espectro de radiofrequências, como consta na tabela 1.
Tabela 1 – Subdivisão do espectro eletromagnético de 30 Hz a 300 GHz.
Faixa de frequência Comprimento de onda Designação da faixa 30 Hz - 3 kHz 10.000 km - 100 km ELF - Extremely Low Frequency 3 kHz - 30 kHz 100 km - 10 km VLF - Very Low Frequency 30 kHz - 300 kHz 10 km - 1 km LF - Low Frequency 300 kHz - 3 MHz 1 km - 100 m MF - Medium Frequency 3 MHz - 30 MHz 100 m - 10 m HF - High Frequency 30 MHz - 300 MHz 10 m - 1 m VHF - Very High Frequency 300 MHz - 3 GHz 1 m - 10 cm UHF - Ultra High Frequency 3 GHz - 30 GHz 10 cm - 1 cm SHF - Super High Frequency 30 GHz - 300 GHz 1 cm - 10 mm EHF - Extremely High Frequency
Fonte: Site da Anatel.2
Muitos serviços comerciais de telecomunicações atualmente estão contidos na faixa de UHF, como telefonia móvel e radiodifusão, o que torna o uso de espectro bastante denso até 3 GHz.
2 Disponível em:
http://www.anatel.gov.br/Portal/exibirPortalNivelDois.do?acao=&codItemCanal=671&codigoVisao=$visao.cod igo&nomeVisao=$visao.descricao&nomeCanal=Radiofreq%FC%EAncia&nomeItemCanal=Apresenta%E7%E3o& codCanal=296. Acesso em 17 de Dezembro de 2015.
A faixa SHF também conta com diversas aplicações, principalmente em enlaces em visada direta (atualmente, tipicamente enlaces na faixa de micro-ondas, acima de aproximadamente 2 GHz), por possuir frequências mais altas, tornando mais diretiva a propagação do sinal, além de permitir mais altas taxas (adequadas a enlaces de transporte em redes de telecomunicações). A bandas C, Ka e Ku, utilizadas em comunicações via satélite (vide figura 2), também estão contidas nessa faixa.
Figura 2 – Esquema de comunicação via satélite entre dois pontos.
Fonte: Site da Atrexx Telecom.3
2.2- A faixa de 60 GHz e suas características
A banda V (50 a 75 GHz), assim designada pela ITU – do inglês, União Internacional de Telecomunicações - envolve uma larga faixa de frequências extremamente altas (EHF) e tem sido alvo de muitos estudos para uso em novos sistemas de transmissão sem fio. Diversos fatores levam a isso, dentre eles a baixa interferência de outros sistemas e altas taxas de transmissão.
Em 2014 a Samsung anunciou a criação de um padrão (Wi-Fi 802.11ad) na faixa de 60 GHz que é capaz de atingir até cinco vezes a velocidade de transmissão com relação ao padrão 802.11n [6].
Esta faixa de frequência também já tem sido usada comercialmente para a interligação ponto-a-ponto em redes de telecomunicações [7].
2.2.1 – Licença livre
No Brasil, a Agência Nacional de Telecomunicações – Anatel – reservou a faixa de 59,3 GHz a 64 GHz, classificando-a na categoria de radiação restrita, dispensando assim a necessidade de licença para funcionamento porém dentro dos limites de intensidade de emissão definidos. Ou seja, apesar de ser faixa não licenciada, é devidamente regulamentada [8].
2.2.2 – Livre de interferência
Por ainda ser uma faixa de frequência em uso por poucos sistemas, pode-se dizer que ela está livre de interferência de outros transmissores, ao contrário de outras faixas de frequência de uso restrito como 2,4 GHz e 5 GHz, que apresentam grande densidade de uso do espectro.
2.2.3 – Altas taxas de transmissão
Devido à larga banda definida pela Anatel, que vai de 59,3 GHz até 64 GHz, e sabendo que a taxa de transmissão de um sistema é diretamente proporcional à largura de banda disponível, pode-se conseguir altíssimas velocidades de transmissão, com taxas multi Gbps.
2.3- Free Space Optics (FSO)
2.3.1 – A natureza da Luz
Como sabemos hoje, a luz se comporta como uma onda eletromagnética de frequência incrivelmente alta (centenas de Terahertz), logo, assim como as ondas de frequências mais baixas, a luz pode ser utilizada para envio de informação. Em meio guiado (fibra óptica) ou não guiado (espaço livre).
Os estudos sobre a luz e suas propriedades já datam de muito tempo.
No século XVI, Galileu Galilei construiu um telescópio bem mais eficiente que aqueles que existiam até o momento, fazendo grandes descobertas na astronomia ao apontá-lo para o céu. [9]
Na segunda metade no século XVII, o inglês Isaac Newton demonstrou a dispersão da luz. Utilizando um prisma, Newton mostrou que a luz branca proveniente do sol é na realidade a junção de várias outras cores do espectro [10].
Até então, natureza da luz era vista como corpuscular.
Foi em 1678 que o holandês Christiaan Huygens apresentou o Tratado da Luz (original em francês, Traité de la lumière) com a discussão sobre a natureza da luz. Nesse estudo, ao contrário do que pensava Newton na época, Huygens segue a ideia de que a luz se comporta como uma onda, obedecendo assim a diversos fenômenos eletromagnéticos. Essa teoria ganharia mais tarde um forte embasamento nos estudos de Maxwell e Fresnel, com análises matemáticas e experimentos sobre a propriedade eletromagnética da luz [11].
A descoberta da luz como uma onda eletromagnética trouxe grandes avanços ao estudo da óptica e revolucionou diversas áreas do conhecimento.
2.3.2 – O uso da óptica nas telecomunicações
A fotônica pode ser vista como o conjunto de tecnologias e estudos sobre a transmissão, recepção e demais tratamentos da luz visando seu uso em comunicações.
Nas telecomunicações, a fotônica tem hoje papel fundamental no avanço tecnológico que vem desde a década de 1960, com a invenção dos primeiros LASERs e posteriormente dos diodos emissores de luz (LEDs - do inglês, Light Emitting Diode).
O LASER (do inglês, Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation), criado por Theodore Harold Maiman em 1960, trouxe uma grande revolução na óptica moderna. Suas propriedades únicas o fizeram se expandir rapidamente pelo mundo, sendo utilizado para os mais diversos fins, dentre eles, a comunicação [12].
Com um feixe altamente diretivo de luz monocromática (apenas uma cor), o laser foi o maior agente facilitador para que se dessem início as comunicações ópticas modernas.
Os leds têm papel semelhante aos lesers em comunicações ópticas. Por ter menor complexidade de construção, o led tem sido cada vez mais usado em sistemas de comunicação, apesar de, em linhas gerais, ser inferior quando comparado ao laser.
Na tabela 2 podemos ver uma boa comparação entre as duas tecnologias.
Tabela 2 – Comparação entre laser e led.
Fonte: Site da RF WiWorld.4
4 Disponível em: http://www.rfwireless-world.com/Terminology/LED-vs-Laser.html. Acesso em 12 de Dezembro de 2015
A fibra óptica se mostra hoje como a forma mais eficiente e segura de comunicação eletromagnética.
A interligação da grande massa de dados de todos os continentes é feita atualmente por cabos ópticos (com inúmeras fibras ópticas) submarinos. Devido à grande largura de banda suportada pelas fibras e por sua baixa atenuação do sinal, escoa-se uma quantidade altíssima de informação a grandes taxas de transmissão.
Algumas das principais características que fazem das fibras ópticas a forma de comunicação mais eficiente atualmente são:
Grande banda de transmissão; Imunidade Eletromagnética; Baixíssimos níveis de atenuação.
2.3.3 – Luz como forma de transmissão em meio não guiado
Já no século XIX, Graham Bell demonstrou, em uma transmissão de voz de cem metros de distância usando um feixe de luz visível, que era possível usar a luz para transmissão de informação. Era o início da Free Space Optics (FSO), ou óptica no espaço livre.
Na FSO, a transmissão de feixes ópticos é feita por infravermelho modulado que se propaga pelo espaço livre. É uma tecnologia não tão recente (já existe desde a década de 1960, principalmente para uso militar) mas que tem ganhado grande notoriedade nos últimos anos devido à maior eficiência alcançada pelos equipamentos, sendo assim utilizada comercialmente [13].
As informações transmitidas podem ser áudio, vídeo ou dados.
O princípio de funcionamento é a transmissão de feixe(s) de luz entre transceptores com lentes telescópicas, tornando o sistema full duplex (ou bidirecional). O uso de lasers torna o sistema bastante diretivo, havendo assim a necessidade de perfeito alinhamento entre os transceptores.
O que define o alcance do enlace ponto a ponto são basicamente os itens listados abaixo:
Potência do laser, pois quanto maior a potência maior é o alcance do sinal, de acordo com a equação de Friis;
Grau de sensibilidade do receptor. Quanto mais sensível o receptor, menores níveis de potência podem ser detectados e demodulados corretamente;
E, por fim, os parâmetros do meio de propagação, pois condições radiometeorológicas podem atenuar bastante o sinal.
Podemos usar como exemplo dessa tecnologia os controles remotos de aparelhos eletrônicos que temos em casa, como os controles de televisão, aparelho de som e ar condicionado, que usam infravermelho para estabelecerem uma comunicação simplex (apenas em uma direção).
No início, as comunicações ópticas no espaço livre atingiam apenas poucos metros de distância (assim como os controles remotos de aparelhos domésticos), porém, com o avanço tecnológico, essa distância (considerando um meio adequado para propagação) já atinge quilômetros.
A tecnologia FSO tem sido bastante empregada comercialmente na ligação entre prédios de uma mesma empresa e na interligação entre torres de telecomunicações [13].
Na figura 3 podemos ver um dos dispositivos usados comercialmente em enlaces FSO.
Figura 3 – Dispositivo usado comercialmente em sistemas ópticos sem fio.
Fonte: Site da Lightpointe [7].
O uso de fibras ópticas é de grande eficiência, porém a infraestrutura necessária para a sua implantação pode ser, dependendo do caso, bastante complexa e, por vezes, inviável economicamente.
A tecnologia de comunicação óptica no espaço livre traz consigo benefícios da comunicações por fibra óptica, como a grande banda de frequências e alta taxa de transmissão, porém com algumas vantagens como:
Economia em gastos com infraestrutura para implantação do sistema; Facilidade de implantação;
Reconfiguração rápida do ponto de localização de transmissores e receptores.
Um fato importante a ser levado em consideração é que, apesar de esta tecnologia fazer uso do espectro eletromagnético (faixa do infravermelho), o sistema FSO não necessita de licença para funcionamento, tornando assim o seu uso mais simples e sem complicações [14].
Adicionalmente, FSO é compatível com os principais padrões de redes de comunicação como Ethernet e SONET/SDH.
2.4- FSO + 60 GHz
2.4.1 – Redundância e backup em sistemas de telecomunicações
Tipicamente, sistemas de telecomunicações com mais de uma via de transmissão/recepção funcionam de forma a se ter um backup ou de maneira que as duas vias sejam ativas para prover uma maior eficiência na transmissão.
Podemos citar como um bom exemplo desse tipo de técnica, a redundância presente em redes ópticas com topologia em anel. Usamos a palavra redundância
aqui no sentido de repetição de informação que tem como objetivo a proteção e continuidade da mensagem em caso de falhas.
Neste caso, uma das formas de se obter redundância é criar um caminho secundário, no sentido inverso da direção principal de transmissão, como pode ser visto na figura 4.
Figura 4 – Redundância em uma rede óptica em anel.
Fonte: Site Teleco.5
Havendo falha na transmissão de dados pelo caminho principal, o caminho de proteção pode ser utilizado dando continuidade à transmissão.
2.4.2 – FSO e 60 GHz trabalhando em conjunto
O uso de um sistema FSO juntamente com outro enlace em 60 GHz pode aparecer como uma excelente solução em diversas configurações possíveis.
Devido a condições adversas de operação, uma tecnologia pode trabalhar suprindo a outra quando necessário evitando a quebra do enlace. Isto é muito usado levando em consideração parâmetros meteorológicos (chuva, nevoeiro, etc.).
5 Disponível em: http://www.teleco.com.br/imagens/tutoriais/RSDH%20-%20Fig10.gif. Acesso em 29 de julho de 2015.
3. Estado atual das comunicações em 60 GHz
3.1- Revisão bibliográfica
O uso de frequências cada vez mais altas (principalmente na faixa EHF) tem sido alvo de muitos estudos já há algum tempo, porém nos últimos anos o interesse tem aumentado na faixa de 60 GHz, para uso em telecomunicações, devido ao avanço tecnológico que tornaram as soluções mais viáveis e as características já citadas anteriormente dessa faixa do espectro eletromagnético.
Acessando a base de dados do IEEE ( Institute of Electrical and Electronics Engineers), por meio do IEEE Xplore [15] e pesquisando pela palavra-chave “60 GHz” pode-se notar um crescimento nas publicações relacionadas ao tema nos últimos cinco anos. Isto mostra um aumento no interesse em estudos nessa área, como mostra a figura 5.
Figura 5 – Números de publicações relacionadas à palavra-chave “60 GHz”.
Fonte: Próprio Autor. 550 600 650 700 750 2005 2011 2012 2013 2014
Publicações encontradas na base de
dados do IEEE entre 2010 e 2014
Número de resultados encontrados
Para confirmar o crescimento no interesse em estudos relacionados à faixa de 60 GHz, podemos ver a comparação, na figura 6, entre a quantidade de publicações de 2005 e a de 2015. Em todo o ano de 2005 foram 223 estudos publicados, enquanto que, entre janeiro e julho de 2015, esse número já era de 233 publicações.
Figura 6 – Comparação ente o número de publicações de 2005 e de janeiro a julho/2015.
Fonte: Próprio Autor.
Ainda com o auxílio da base de dados do IEEE, é apresentada a seguir uma análise de alguns estudos relevantes que envolvem o tema “60 GHz”. Para tanto, serão descritas publicações que envolvem propagação, projetos e dispositivos usados nessa faixa de frequências.
Em [16], os autores propõem um arranjo de antenas que propicia um alto ganho na faixa de 60 GHz. A estrutura, de baixo custo e dimensões reduzidas (30mm x 30mm x 1mm³), é composta de camadas sobrepostas de cerâmica FERRO A6M LTCC (substrato), finas camadas de ouro funcionando como plano terra da antena e, por fim, por um elemento radiante metálico em forma de arranjo, ou seja, um conjunto elementos radiantes distribuídos seguindo uma determinada lógica. Como resultado, a largura de banda de funcionamento desse arranjo chega a 10 GHz (56 - 66 GHz), que o viabiliza como uma solução satisfatória para uso na banda de 60 GHz.
Um amplificador de potência para ondas milimétricas na faixa de 60 GHz é proposto em [17]. Os estudos se baseiam em soluções de circuitos integrados (CMOS), para melhor eficiência e portabilidade, oferecendo ganhos de até 20 dB.
Em [18] é feito estudo bastante relevante sobre a atividade humana e sua influência na propagação em 60 GHz. Aspectos como sombreamento e modelos de propagação no corpo humano são explicitados, chegando à conclusão de que a aleatoriedade da movimentação humana muda o comportamento do canal.
Em [19] são mostrados os efeitos da diretividade e da polarização da antena em propagação indoor de ondas milimétricas de 60 GHz. O autor se utiliza de simulações com base na geometria óptica e também em características da propagação multipercurso. Como resultado, tem-se que, para diminuir o efeito de múltiplo percurso indoor do sinal, deve-se optar por uma antena diretiva e, se possível, utilizar polarização horizontal.
3.2- Soluções Comerciais
No mercado mundial já se encontram diversas soluções práticas envolvendo dispositivos que trabalham em 60 GHz.
Empresas como as americanas LightPointe Communications, BridgeWave Communications e Ceragon Networks possuem laboratórios especializados e já comercializam soluções em 60 GHz, especialmente para comunicações de curta distância, tipicamente até 2 km. Na figura 7 é mostrado um exemplo de transceptor encontrado no mercado.
Figura 7 – Transceptor Ceragon FibeAir 10060.
Fonte: Site Airlinx.6
No capítulo 5 constará uma análise mais detalhada de produtos que trabalham em 60 GHz.
4. Propagação de ondas eletromagnéticas em 60 GHz
Neste capítulo serão apresentados os principais aspectos de propagação a serem considerados no projeto de sistemas de comunicação de 60 GHz.
4.1- Propagação no Espaço Livre
Comunicações que não utilizam meios guiados para transmissão introduzem certas limitações e perdas que devem necessariamente ser analisadas em um projeto de enlace. Uma perda que sempre estará presente em enlaces de comunicação sem fio é a atenuação devido à propagação através do espaço livre.
Essa perda é diretamente proporcional à distância percorrida pela onda eletromagnética e à sua frequência, ou seja, quanto mais altas forem a frequência e a distância, maior será a atenuação.
Esse valor é dado em dB pela da equação (5).
AEL= 92,44 + 20 log(D) + 20 log(f) (5) Em que:
AEL é a atenuação no espaço livre [dB]; D é a distância do enlace [km];
4.2- Absorção por gases atmosféricos
A atenuação atmosférica diz respeito a atenuações causadas por ar seco (oxigênio), vapor d’água e outros gases presentes na atmosfera. Como pode ser visto na figura 8, próximo a 60 GHz há um pico no nível de absorção por gases atmosféricos, principalmente devido ao oxigênio [21].
A molécula de oxigênio absorve altamente a energia eletromagnética na faixa de 60 GHz, atenuando bastante o sinal. Esta característica, nociva quando o objetivo é alcance, por outro lado evita que um enlace em 60 GHz interfira em outro de mesma frequência operando na vizinhança, possibilitando um maior reuso da frequência.
Figura 8 – Atenuação específica devido a gases atmosféricos.
A figura 8 mostra resultados ao nível do mar, com densidade de vapor d’água de 7,5 g/cm3 (densidade padrão atmosférica) e temperatura média de 15o C. Verifica-se que a atenuação específica devido a gaVerifica-ses atmosféricos em 60 GHz é de cerca de 16 dB/km.
A atenuação total devido a gases atmosféricos AATM dada em dB é obtida pela equação (6).
AATM = (γo + γw).d (6)
Em que:
γo é a atenuação específica devido ao oxigênio [dB/km]; γw é a atenuação específica devido ao Vapor d’água [dB/km];
d é a distância do enlace [km].
4.3- Efeito de Hidrometeoros
Outro elemento que influencia diretamente na propagação em altas frequências, como em 60 GHz, é a absorção e o espalhamento por hidrometeoros, como chuva, neve, granizo e névoa. [20]
Como no capítulo seguinte será feito um estudo de caso baseado na cidade de Natal-RN, somente será considerado o efeito da chuva.
4.3.1- Atenuação por chuva
Em regiões tropicais, como o Brasil, um dos principais fatores atenuadores de ondas eletromagnéticas propagantes em meio aberto em frequências acima de 8 GHz é a chuva. Em [22], foi demonstrado que os efeitos de absorção e espalhamento nas gotas de chuva tornam-se mais fortes conforme o comprimento
de onda em questão diminui aproximando-se ao tamanho de uma gota de chuva (frequências acima de 10 GHz em climas temperados e acima de 8 GHz em climas tropicais e equatoriais). A absorção ocorre devido à condutividade da água, que dissipa a energia da onda. O espalhamento se dá por conta de a onda eletromagnética satisfazer as condições de contorno das gotas de chuva. A figura 9 ilustra bem o efeito atenuador da chuva para diversas frequências.
Figura 9 – Atenuação devido à chuva, a nevoeiro e a gases atmosféricos.
Fonte: Acervo Digital da PUC-Rio.7
O causador principal de desvanecimento nesse caso é a intensidade da chuva, que pode causar uma leve perda de potência, no caso de uma chuva leve e escassa, até a total indisponibilidade do enlace, em caso de tempestades.
Logo, para a implantação de um sistema que trabalhe em 60 GHz, é fundamental o levantamento estatístico da incidência de chuvas na região de interesse, para que se possa estimar de forma mais concreta a viabilidade da operação do sistema, com a qualidade e a disponibilidade requeridas.
7 Disponível em: http://www.maxwell.vrac.puc-rio.br/11887/11887_3.PDF . Acesso em 17 de Dezembro de 2015
Para cálculo da atenuação específica por chuva, a ITU indica o método “Long-term statistics of rain attenuation” descrido na seção 2.4.1 da Recomendação ITU-R P.530-16, que faz uso da Recomendação ITU-R P.838-3 (que trata especificamente sobre atenuação devido à chuva). Podemos calcular a atenuação específica por chuva ACE de acordo com a equação (7).
AEC = k.R0,01α (7)
Em que:
AEC é a atenuação específica por chuva [dB/km];
k e α são coeficientes definidos com relação à frequência e à polarização; R0,01 é a taxa de precipitação que é excedida em 0,01% do tempo em um ano de medição [mm/h].
As figuras 10 e 11 mostram os valores de k e α de acordo com a frequência, para as polarizações horizontal e vertical:
Figura 10 – Valores de k e α com relação à frequência, considerando polarização horizontal.
(a) (b) Fonte: Recomendação ITU-R P.838-3 [23].
Figura 11 – Valores de k e α com relação à frequência, considerando polarização vertical.
(a) (b) Fonte: Recomendação ITU-R P.838-3 [23].
Os valores exatos de k e α para 60 GHz estão contidos na tabela 3.
Tabela 3 – Valores dos coeficientes k e α para 60 GHz.
Coeficiente Horizontal Vertical
K 0,8606 0,8515
α 0,7656 0,7486
Fonte: Recomendação ITU-R P.838-3 [23].
.Por fim, a atenuação total devido à chuva para um determinado enlace de comprimento d é obtida a partir da equação (8).
ACH = d*AEC (8) Em que d é o comprimento do enlace em quilômetros [km].
A difração tem por efeito o contorno de obstáculos, com atenuação de energia, por meio da interação da onda incidente e bordas da estrutura. A reirradiação de energia devido a correntes excitadas na estrutura produz o resultado final de contorno do obstáculo.
Em sistemas que operam em 60 GHz, é de extrema importância que o enlace esteja em visada direta, ou seja, sem obstáculos entre as antenas, para que a transmissão se dê de forma satisfatória em relação aos parâmetros estabelecidos [24].
A desobstrução da primeira zona de Fresnel é fator importante para se evitar a degradação do sinal por difração em obstáculos. A teoria de Fresnel-Kirchhoff para difração por obstáculo do tipo “gume de faca” indica a necessidade de desobstrução de pelo menos 60% do primeiro elipsóide de Fresnel para que a comunicação seja considerada em visada direta. O raio dos elipsóides de Fresnel são maiores no centro do enlace, diminuindo conforme se aproximam de cada extremidade da linha de visada, conforme mostra a figura 12.
Figura 12 – Primeiro elipsóide de Fresnel em um enlace em visada direta.
Fonte: Wikimedia.org8
O raio do primeiro elipsóide de Fresnel é calculado a partir da equação (9).
8 Disponível em: ://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/5/5c/FresnelSVG1.svg/800px-FresnelSVG1.svg.png. Acesso em 04 de Dezembro de 2015.
R1 = √ 𝜆𝑑1𝑑2
𝑑1+𝑑2 (9)
Em que:
R1 é o raio do primeiro elipsoide de Fresnel [m];
𝜆 é o comprimento de onda do sinal transmitido [m];
d1 e d2 são as distâncias entre as antenas e o ponto P [m].
4.5- Reflexões e multipercursos
O multipercurso (ou múltiplo percurso) atmosférico é um fenômeno aleatório que ocorre quando as irregularidades no índice de refração do ar produzem caminhos alternativos para a energia, como mostra a figura 13. O sinal resultante é formado pelas componentes fasoriais geradas pelo multipercurso, que chegam ao receptor. Caso o raio direto se atenue de forma que este se equipare às componentes geradas pelos multipercursos, poderão acontecer desvanecimentos profundos.
O desvanecimento por multipercurso é uma das causas da degradação do desempenho de enlaces rádio digitais de alta capacidade, acentuando os efeitos do ruído térmico e da interferência intersimbólica.
Fonte: Inatel.
Um tipo de reflexão que pode interferir fortemente em enlaces ponto-a-ponto de visada direta é a reflexão no solo. Tipicamente, se faz uso da análise do modelo de dois raios, mostrado na figura 14.
Figura 14 – Modelo de propagação de dois raios.
Fonte: Site Analytical Graphics, Inc.9
Um tipo de degradação que o sinal refletido no solo pode causar no recebimento da mensagem é a soma fasorial em defasagem entre o sinal direto e o refletido. Além da variação da amplitude, o campo elétrico pode sofrer também variação de fase após a reflexão, o que, em conjunto com a diferença de percurso entre o raio direto e o refletido, ocasionará composição fasorial em defasagem na recepção [25].
9 http://agi.com/resources/help/online/stk/10.1/source/extfile/comm/images/groundReflection.gif. Acesso em 05 de Dezembro de 2015.
O coeficiente de reflexão , depende das características eletromagnéticas dos meios, da polarização da onda eletromagnética incidente, do ângulo de incidência e da frequência da onda incidente. É definido pelas equações baixo:
(10)
(11) Em que:
H e V são os coeficientes de reflexão para polarização horizontal e vertical, respectivamente;
ER e EI são os campos elétricos refletido e incidente, respectivamente;
Z1 e Z2 são as impedâncias do meio 1 (mesmo meio do raio incidente) e do meio 2, respectivamente.
A análise da influência do raio refletido é composta basicamente da avaliação do grau de rugosidade do solo, em que um solo muito rugoso é desejável, visto que promoverá espalhamento da energia incidente, fazendo com que percentual baixo da energia seja refletida na direção da antena receptora.
Outro método de análise da importância do raio refletido consiste na avaliação da abertura de meia potência das antenas transmissora e receptora, comparando-a ao ângulo entre o raio direto e o raio refletido. Caso o raio refletido seja lançado e/ou recebido dentro dos limites do ângulo de meia potência, ele será lançado e/ou recebido com ganho significativo, podendo, a depender de outros fatores (especialmente a rugosidade do solo, como mencionado), gerar impacto considerável no desempenho do enlace. A figura 15 ilustra o conceito de ângulo de meia potência.
Figura 15 – Ângulo de meia potência. I T I T I R V Z Z Z Z E E cos cos cos cos 1 2 1 2 T I T I I R H Z Z Z Z E E cos cos cos cos 1 2 1 2
Fonte: Site Teleco.10
10 Disponível em: http://www.teleco.com.br/tutoriais/tutorialredeswifi1/pagina_3.asp . Acesso 17 de Dezembro de 2015.
5.
Estudo de caso: Enlace entre a InterTV Cabugi e o estádio
Arena das Dunas
Como proposta prática deste trabalho, neste capítulo será feita uma análise de equipamentos de transmissão e recepção para a faixa de 60 GHz e também para FSO, além da solução híbrida RF/FSO. Será então abordado um estudo de caso propondo um enlace inicialmente em 60 GHz e, após essa fase, será analisada a viabilidade de outro enlace, dessa vez utilizando FSO, funcionando como backup do enlace em RF.
Para tanto, o estudo será feito com base na transmissão de imagens e sons de alta definição ponto-a-ponto, de um estádio de futebol para uma emissora de TV.
Fatores como distância de enlaces propostos, atenuação do sinal considerando diferentes condições climáticas e disponibilidade total do sistema serão abordados a fim de se obter uma análise confiável da viabilidade técnica.
5.1 – A TV Digital no Brasil e os padrões de definição de imagem
Com o início do planejamento da implantação do Sistema Brasileiro de Televisão Digital em 2006, com o Decreto nº 5.820 e com a portaria nº 652 do Ministério das Comunicações, as emissoras brasileiras de televisão começaram a se organizar para o oferecimento de sua programação na forma digital [26, 27].
Hoje, muitas emissoras já oferecem sua programação de forma totalmente digital, tanto em definição padrão SDTV (Standard Definition Television) quanto em alta definição HDTV (High Definition Television). A principal diferença entre SDTV e HDTV é o nível de detalhamento da imagem devido à diferença de resolução da tela dos respectivos padrões. HDTV possui normalmente uma resolução de 1280x720 ou 1920x1080, resultando em um aspecto de imagem 16:9, enquanto que a SDTV possui resolução mais comum de 640x480, gerando um de aspecto 4:3. Na figura 16
podemos notar melhor a diferença entre os aspectos de imagem entre os dois padrões citados.
Figura 16 – Comparativo entre os aspectos 16:9 e 4:3.
Fonte: SlideCoaching.11
Por ter uma imagem mais rica e atrativa, o foco desse projeto será na transmissão em HD (HDTV).
5.2 – Motivação para a interligação InterTV Cabugi – Arena das Dunas e o uso de um sistema de comunicação em 60 GHz
5.2.1 – Interesse público
Diversos eventos de interesse público ocorrem no estágio Arena das Dunas durante o ano, que podem ser transmitidos por TV em alta definição.
Um dos principais eventos é o Campeonato Potiguar de Futebol, que ocorre no início do ano e conta com clubes de todas as regiões do Rio Grande do Norte.
11 Disponível em: http://www.slidecoaching.com/wp-content/uploads/2014/08/aspect-ratio.png. Acesso em 22 Novembro de 2015
Partidas importantes e decisivas acontecem no Arena das Dunas que, por ser o maior estádio de futebol da capital norte-riograndense, também tem sido palco para jogos da Copa do Brasil, transmitidos para diversos lugares do país.
Outro grande evento que acontece no Arena das Dunas é o espetáculo “Natal em Natal”, evento promovido pela Prefeitura Municipal de Natal que conta com diversas apresentações culturais. A entrada é sempre gratuita e o público tem a possibilidade de assistir a shows musicais de bandas de renome nacional. Com uma possível parceria entre a Prefeitura do Natal e a InterTV Cabugi, o “Natal em Natal” poderia ser transmitido de forma aberta à população.
5.2.2 – Uso de um sistema de comunicação em 60 GHz
Após uma visita técnica à InterTV Cabugi, foram levantadas informações acerca de toda a parte técnica envolvida na transmissão de um jogo de futebol, desde a captação das câmeras na área do estádio até a radiodifusão das imagens.
1 – As imagens captadas pelas diversas câmeras dentro do estádio, juntamente com o áudio dos comentaristas são enviados a um ponto central, geralmente um veículo situado na área do estádio;
2 – Neste veículo, chamado pelos técnicos da TV de SNG, as imagens são escolhidas e, juntamente com o áudio, são direcionadas ao transmissor, presente no próprio veículo, que envia o sinal a um satélite geoestacionário (que funciona como repetidor), redirecionando o sinal para a emissora;
3 – Na emissora, ocorre então o tratamento do sinal e algumas adições, como placar do jogo e outras informações sobrepostas. A partir daí, as imagens finais e o áudio são encaminhados para a radiodifusão.
Percebe-se, então, que um enlace direto em 60 GHz seria bastante interessante e proporcionaria diversas vantagens em relação ao uso de satélite.
O uso de satélite causa considerável atraso (lag) na recepção do sinal entre o estádio e a emissora: são cerca de 3 segundos, contando os tempos de propagação e de processamento de equipamentos, o que impacta na experiência do usuário.
Atualmente, a InterTV Cabugi utiliza banda de 7 MHz, porém foi citado pelo técnico responsável pela emissora que uma banda de 15 MHz traria grande melhoria. Atualmente, a taxa atingida é de cerca de 7,2 Mbps.
Outro ponto relevante, consiste no fato de o uso do satélite requerer licença de uso, o que acarreta custos à emissora. Entretanto, a faixa dos 60 GHz, como já citado, é de livre uso, não requerendo licença junto à Anatel.
5.2.3 – Grande largura de banda para maior flexibilidade técnica
Com a possibilidade de transmissão multi Gbps na faixa de 60 GHz, o enlace proposto poderia transportar imagens em alta definição captadas pelas câmeras, de forma não comprimida, diretamente para o estúdio na emissora, onde seriam então tratadas e colocadas para radiodifusão. Com isso, haveria uma maior facilidade nas edições devido à maior gama de possibilidades e flexibilidade de se desempenhar tarefas em estúdio ao invés de fazê-las no interior do veículo.
5.3 – Características do enlace
Na figura 17 podemos ver o mapa que mostra a localização da InterTV Cabugi e do estádio Arena das Dunas, bem como a distância em linha reta entre ambos os locais.
Figura 17 – Localização da InterTV Cabugi e do Estádio Arena das Dunas.
Fonte: Google Maps.12
A distância entre a InterTV Cabugi e o Arena das Dunas é de cerca de 675 metros em linha reta. O enlace precisa cobrir essa distância para que a interligação seja efetivada.
Nesse estudo de caso, o receptor na InterTV será colocado em uma torre metálica no teto da emissora, a uma altura de 27 metros do solo, como mostra a figura 18.
Figura 18 – Torre metálica para o receptor.
Fonte: Próprio Autor.
Na figura 19 pode-se fazer um primeiro cheque (visual), a respeito da existência da visada direta entre a torre e o Arena das Dunas, condição importante para o correto funcionamento do enlace.
Figura 19 – Vista da torre da InterTV em direção ao Arena das Dunas.
No estádio, a área geralmente reservada para equipamentos externos de rádio e TV, como o veículo SNG, fica por trás do setor de mídia, conforme apresenta a figura 20. Para a escolha do ponto exato da localização do transmissor foi definido um ponto médio da área, totalizando uma distância total do enlace de 675,22 metros.
Figura 20 – Área normalmente reservada aos equipamentos de rádio e TV no Arena das Dunas.
Fonte: Google Maps.13
5.4 - Desempenho e Disponibilidade do enlace de 60 GHz
Todos os parâmetros analisados a seguir estão de acordo com a Recomendação ITU-R P.530-16 “Propagation data and prediction methods required for the design of terrestrial line-of-sight- systems”, de junho de 2015. Essa
recomendação especifica de forma clara os aspectos que devem ser levados em consideração para uma análise correta da viabilidade deste tipo de enlace [20].
Para fins de cálculo, serão adotados parâmetros técnicos de equipamentos reais (vide tabela 4), para aumentar a fidelidade deste estudo em relação a implementações reais.
Tabela 4 – Parâmetros técnicos adotados para o transceptor de 60 GHz Bridgewave GE60 [28, 29].
Taxa de transmissão 1 Gbps
Link Budget 150,5 dB @ BER 10-12
152,5 @ BER 10-6
Potência de transmissão 8 dBm Largura de banda 1,4 GHz
Polarização da Antena Horizontal ou Vertical Temperatura de Operação -33o C a 55 o C
Largura de feixe de meia
potência 1,4o
Dimensões 30 x 30 x 15 cm
Massa 8,7 kg
Consumo máximo 45 W
5.4.1 - Atenuação no Espaço Livre
Fazendo uso da expressão (5), apresentada no capítulo 4, para o enlace proposto temos aproximadamente:
AEL = 92,44 + 20 log (0,675) + 20 log (60)
5.4.2 - Atenuação devido à absorção atmosférica
Os gráficos de atenuação por gases atmosféricos presentes na recomendação ITU-R P.676-10 consideram uma temperatura média de 15 C. Porém, segundo a Recomendação P. 1510-0 da ITU [30], a temperatura média da região onde Natal se encontra é de 25o C. Então, para um resultado mais exato, por meio do anexo 2 da Recomendação ITU-R P. 676-10, foram implementados, com auxílio do software Matlab, gráficos para atenuações atmosféricas para a temperatura média em questão. As figuras 21 e 22 apresentam os resultados.
Figura 21 – Atenuação por oxigênio na faixa de 54 a 60 GHz com temperatura média de 25 C.
Figura 22 – Atenuação por vapor d’água na faixa de 54 a 60 GHz com temperatura média de 25o C.
Fonte: Próprio Autor.
Para os algoritmos geradores das figuras 21 e 22, temos o seguinte resultado: γo = 13,75 dB/km
γw= 0,009 dB/km
Logo, de acordo com a equação (6) do capítulo 5, a atenuação total devido a gases atmosféricos (AATM) para o enlace proposto é de:
AATM = (13,75+0,009).0,675 AATM = 9,28 dB.
5.4.3 - Efeitos dispersivos
Todos os meios reais de propagação apresentam dispersão, em maior ou menor grau, exceto o vácuo. Quando o meio apresenta dispersão, um pulso policromático (composto por várias frequências) de ondas eletromagnéticas será distorcido pelo efeito da dispersão, pois ondas com diferentes frequências irão se propagar com distintas velocidades de fase [25].
De acordo com a recomendação ITU-R P.676-10, para fins práticos, efeitos dispersivos não impõem limitações relevantes em comunicações terrestres em ondas milimétricas para enlaces curtos (até 20 km).
5.4.4 - Atenuação por multipercurso
Observando a Recomendação ITU-R P. 530, atenuação por múltiplo percurso precisa ser calculada apenas em enlaces de comprimento maior que 5 km, podendo ser considerada zero em enlaces menores.
5.4.5 - Atenuação devido à chuva
Para o cálculo da atenuação por chuva consideremos a Recomendação ITU_R P.837-6. Essa recomendação classifica a região do extremo nordeste brasileiro, onde se situa a cidade de Natal, como zona Climática N [31]. Logo, considerando a taxa de precipitação excedida 0,01% do tempo, temos um valor para R0,01 de 95 mm/h. Fazendo uso da expressão (7) e da tabela 3, apresentados no capítulo anterior, temos:
Atenuação específica para Polarização Horizontal: ACE = 0,8606.950,7656 = 28,12 dB/km
Atenuação específica para Polarização Vertical:
ACE = 0,8515.950,7486 = 25,75 dB/km
Para fins práticos, nesse trabalho consideraremos como perda por chuva o menor caso, tendo em vista que poderemos configurar nossos equipamentos com polarização vertical.
Como o enlace é curto, consideramos que a taxa de precipitação será constante ao longo do percurso, logo, a partir da expressão (8) do capítulo 4, temos:
ACH = 0,675.25,75 = 17,38 dB
5.4.6 - Análise da difração
Para o enlace proposto, temos:
λ = 0,005 m
Para se ter a quantificação do quão estreito é o primeiro elipsoide de Fresnel nesta frequência de trabalho, consideremos seu maior raio, no meio do enlace.
Portanto, fazendo d1 = d2 = 337,5 metros:
F1 = 0,92 m
Para ser considerada a propagação em visada direta, devemos ter 0,6.0,92 = 0,55 m do raio do primeiro elipsóide de Fresnel livre de obstruções.
Se analisarmos todos os raios do primeiro elipsóide de Fresnel, ao longo de todo o perfil do enlace, não é encontrado nenhum obstáculo que penetre tal elipsóide. A comunicação é considerada, portanto, em visada direta.
5.4.7 - Análise da reflexão no solo
Faz-se necessário o estudo do impacto de uma possível reflexão no solo.
Pela análise geométrica a partir das cotas do enlace (altura das antenas e distância entre transmissor e receptor), foi esquematizado o modelo de dois raios, como mostra a figura 23.
Figura 23 – Esquema de cotas do enlace e ponto de reflexão no solo.
Fonte: Próprio Autor.
O cálculo do ponto de reflexão mostrado na acima foi obtido através de uma simples análise geométrica entre as alturas das antenas e da distância total do enlace, com base na Lei de Snell da reflexão.
O comprimento do raio direto é 675,12 metros, com inclinação de 1,1o com relação à horizontal.
A área do ponto de reflexão fica exatamente sobre a Praça do Centro Administrativo, que é mostrada na figura 24.
Figura 24 – Distância e localização do ponto de reflexão com relação à InterTV.
Fonte: Google Maps.14
O ângulo de incidência do raio refletido é de aproximadamente 3,48o com relação à superfície de incidência. Entre os raios direto e refletido, tem-se um ângulo de 4,58o.
A figura 25 mostra o aspecto da Praça do Centro Administrativo. Pode-se notar que é composta basicamente de coqueiros e vegetação rasteira. O caráter homogêneo da praça facilita o estudo da reflexão.
Figura 25 – Praça do Centro Administrativo.
Fonte: Próprio Autor.
Quanto mais rugoso for o terreno, maior a atenuação do sinal. Além disso, obstáculos como árvores e vegetações rasteiras na área de reflexão tendem a reduzir o sinal refletido significativamente [25]. Na figura 26 vê-se melhor o aspecto da região de reflexão:
Figura 26 -Terreno recoberto de vegetação rasteira e folhas secas.
Pelo fato de termos uma incidência não rasante de onda de baixíssimo comprimento de onda, há indícios relevantes para que se descarte a influência do raio refletido. Ademais, as antenas são muito diretivas (baixos lóbulos na direção de reflexão) com um ângulo de meia potência de apenas 1,4o.
5.4.8 – Balanço de potência do enlace em 60 GHz
Para se calcular a atenuação total do enlace, é necessária a adição dos ganhos das antenas transmissora e receptora. Para isso utilizaremos a tabela 4 da seção 5.4. Considerando como nulas as perdas devido aos circuitos de ramificações e aos cabos (pois esta é a característica dos equipamentos adotados), a atenuação total é dada pela equação 10.
AT = AEL + AATM – (GTX + GRX) (10)
AT é a atenuação total do enlace [dB]; AEL é a atenuação do espaço Livre [dB];
AATM é a atenuação devido à absorção atmosférica [dB]; GTX é o ganho da antena transmissora [dB];
GRX é o ganho da antena receptora [dB].
Para o enlace proposto, temos os seguintes valores a partir da expressão (10).
AT = 124,6 + 9,28 – (40 + 40) = 53,88 dB
Uma observação importante é que a atenuação devido à chuva não entra diretamente no cálculo do link budget, sendo fundamental para a análise estatística de disponibilidade do sistema, que será feita mais adiante.
A atenuação total é utilizada para o cálculo do nível de recepção nominal, de acordo com a equação (11).
PRN = PTX – AT [dBm] (11)
PTX é a potência de transmissão [dBm]; AT é a atenuação total líquida [dB].
Logo, substituindo as variáveis em (11), tem-se: PRN = 8 – 53,88 = -45,88 dBm
5.4.9 - Margem de segurança do enlace em 60 GHz
Para a análise da margem de segurança do enlace é preciso conhecer a sensibilidade do receptor, SRX. Considerando uma BER 10-6, faz-se uso novamente da tabela 4, chegando à seguinte expressão:
SRX = PTX + (GTX + GRX) – link budget (12) O que resulta na sensibilidade de recepção abaixo:
SRX = PTX + (GTX + GRX) – 152,5 = - 64,5 dBm
A Margem de Segurança MSEG60 pode ser calculada pela equação abaixo: MSEG60 = PRN – SRX [dB] (13) Para o enlace proposto, temos:
5.4.10 - Indisponibilidade do Enlace
Com o valor da margem, temos condições de avaliar a indisponibilidade do enlace.
De acordo com [25], em enlaces acima de 10 GHz a especificação determinante do enlace é a indisponibilidade.
A indisponibilidade de um sistema leva em consideração as três seguintes causas:
Indisponibilidade devido às chuvas;
Indisponibilidade devido à falha do equipamento;
Indisponibilidade ao desvanecimento (plano e seletivo) de longa duração.
Cada uma das três parcelas acima deve ser calculada individualmente, sendo em seguida somadas para se obter a indisponibilidade total do enlace.
A indisponibilidade devido à falha de equipamento não será analisada neste trabalho devido à falta de informações do fabricante sobre o produto.
Ainda segundo [25], para enlaces acima de 10 GHz a indisponibilidade devido à chuva é o item mais crítico, sendo que a indisponibilidade devido ao desvanecimento seletivo (multipercursos) torna-se desprezível.
A indisponibilidade por chuva é o percentual do tempo em que o enlace não está disponível devido à chuva. A relação entre a atenuação por chuva e a indisponibilidade do sistema é dada conforme a equação abaixo [25]:
PCH = 10
–6,34±√40,29−23,25∗log (8,33∗𝑀
𝐴𝑇0,01) (14)
Em que:
M é a margem de segurança [dB];
AT0,01 é a atenuação devido à chuva, não excedida em 0,01% do tempo [dB].
Logo, substituindo os valores as variáveis em (14), a indisponibilidade do enlace devido à chuva possui o seguinte valor:
PCH = 10
–6,34±√40,29−23,25∗log (8,33∗18,62
17,38 ) = 0,0083 %
5.5. Análise do uso da tecnologia FSO como backup para o enlace em 60 GHz
Analisaremos nesta parte do trabalho a adição de um enlace FSO que, juntamente com o enlace em 60 GHz descrito anteriormente, atuará para o estabelecimento da ligação proposta.
O uso do enlace óptico no espaço livre tem aqui como principal função o backup do enlace, garantindo a continuidade da comunicação em situações adversas funcionais (falha do equipamento de 60 GHz), ou para falhas no enlace principal devido a condições climáticas específicas.
Em [32] é mostrado, por meio de medições feitas em Praga (na República Tcheca), que na chuva um enlace FSO possui um desempenho significativamente superior a um enlace RF de 40 GHz. Logo, como o principal fator climático de atenuação na cidade de Natal é a chuva, desconsiderando névoa, neblina e neve, um enlace FSO seria de bastante interesse para uma maior confiabilidade na comunicação em condições de chuva.
Assim como feito no enlace RF em 60 GHz, antes de analisarmos a viabilidade técnica do uso de FSO no enlace proposto, definimos alguns parâmetros de equipamento necessários aos cálculos de desempenho, mostrados na tabela 5.
