Escola de Engenharia
Curso de Gradua¸
c˜
ao em Engenharia de
Telecomunica¸
c˜
oes
Vinicius Tremmel Maia
Desenvolvimento de transmissor
e receptor Lajos FSO
Niter´
oi – RJ
2020
1 Vinicius Tremmel Maia
Desenvolvimento de transmissor e receptor Lajos FSO
Trabalho de Conclus˜ao de Curso apresentado ao Curso de Gradua¸c˜ao em Engenharia de Teleco-munica¸c˜oes da Universidade Federal Fluminense, como requisito parcial para obten¸c˜ao do Grau de Engenheiro de Telecomunica¸c˜oes.
Orientador: Prof. Dr. Vinicius Nunes Henrique Silva Coorientador: Prof. Dr. Tadeu Nagashima Ferreira
Niter´oi – RJ 2020
.
iii Vinicius Tremmel Maia
Desenvolvimento de transmissor e receptor Lajos FSO
Trabalho de Conclus˜ao de Curso apresentado ao Curso de Gradua¸c˜ao em Engenharia de Teleco-munica¸c˜oes da Universidade Federal Fluminense, como requisito parcial para obten¸c˜ao do Grau de Engenheiro de Telecomunica¸c˜oes.
Aprovada em 27 de Agosto de 2020.
BANCA EXAMINADORA
Prof. Dr. Vinicius Nunes Henrique Silva - Orientador Universidade Federal Fluminese - UFF
Prof. Dr. Tadeu Nagashima Ferreira - Co-Orientador Universidade Federal Fluminese - UFF
Prof. Dr. Pedro Vladimir Gonzalez Castellanos Universidade Federal Fluminese - UFF
Niter´oi – RJ 2020
Resumo
Este trabalho apresenta o projeto de desenvolvimento de um transmissor e um receptor FSO. O nome dado ao conjunto desenvolvido foi ”Lajos”. A motiva¸c˜ao deste trabalho era construir um enlace ponto a ponto utilizando ´optica em espa¸co livre com materiais de f´acil disponibilidade no mercado. A fim de garantir o cronograma da con-fec¸c˜ao desses equipamentos, executou-se a modelagem dos equipamentos em um software 3D. Ap´os a finaliza¸c˜ao da etapa de produ¸c˜ao do transmissor e receptor, foi feita a an´alise de banda e SNR do circuito utilizando fonte ´optica e receptor de baixo custo, em con-junto com placas RONJA. Obtivemos na configura¸c˜ao de um LED vermelho, uma banda el´etrica de 12 MHz e SNR de 1,5.
Palavras-chave: ´Optica em espa¸co livre. Laborat´orio de Comunica¸c˜oes ´Opticas, Modelagem 3D, automa¸c˜ao.
v
Abstract
This work presents the development project of an FSO transmitter and receiver. The name given to the set developed was ”Lajos”. The motivation of this work was to build a point-to-point link using free space optics with materials that are easily available on the market. In order to guarantee the schedule for making these equipments, the equipment was modeled using 3D software. After the completion of the production step of the transmitter and receiver, the band and SNR analysis of the circuit was carried out using low cost optical source and receiver, together with RONJA boards. We obtained in the configuration using a red LED, a electrical band of 12 MHz and SNR of 1.5.
Keywords: Optics in free space. Optical Communications Laboratory, 3d modeling, automation.
Dedico este trabalho aos meus pais e profes-sores do LACOP, que sempre me deram su-porte.
vii
Agradecimentos
Gostaria de agradecer primeiramente a todos os membros da minha fam´ılia que contribu´ıram de alguma forma com minha jornada at´e aqui. Especialmente aos meus pais, Maria Elizabeth e Danton Maia pelo amor, dedica¸c˜ao e apoio ao longo da minha vida. Agrade¸co aos meus amigos da UFF pela amizade, em especial meus amigos da Equipe Buffalo de Formula SAE e do LACOP. Passamos por muitas adversidades juntos e conseguimos superar da melhor forma poss´ıvel.
Ao meu amigo Fl´avio Sampaio que me acompanhou pela minha jornada no LACOP, sempre me ajudando no que fosse poss´ıvel. Aprendi muito com o Sydney Bragantine, sempre atencioso em suas explica¸c˜oes e ensinamentos.
O professor Andr´es Pablo L´opez Barbero me ensinou de forma exemplar em suas aulas de Comunica¸c˜oes ´Opticas, onde consegui utilizar muito da teoria que aprendi na pr´atica, tanto no laborat´orio quanto no mercado de trabalho. Ele tamb´em sempre me suportou no LACOP com minhas d´uvidas e ideias.
Um agradecimento a todos os educadores que passaram pela minha vida e ajudaram a me formar um profissional de qualidade ao n´ıvel que a universidade zela manter. Desde que entrei no curso de Engenharia de Telecomunica¸c˜oes consegui crescer muito como pessoa e profissional.
Agrade¸co ao meu professor orientador e tutor Vinicius Nunes Henrique Silva que me apoiou nessa jornada acadˆemica me impondo desafios e fazendo com que eu buscasse alcan¸car novos objetivos. Destaco a oportunidade de ter realizado este trabalho e por todo ensinamento transmitido.
Lista de Figuras
2.1 Efeito da turbulˆencia atmosf´erica . . . 13
2.2 Diagrama de blocos gen´erico do transmissor . . . 17
3.1 FSO RONJA - Transmissores e receptores . . . 22
3.2 Placa conversora eletro-´optica do transmissor 10M Metropolis . . . 23
3.3 Ilustra¸c˜ao dos m´odulos Ethernet . . . 24
3.4 FSO KORUZA 1.0 - Transmissores e receptores . . . 25
3.5 FSO KORUZA 1.0 aberto . . . 26
3.6 Abrigos das unidades SONAbeam . . . 29
3.7 FSO Aire X-Stream . . . 30
3.8 Plano focal de uma lente . . . 32
3.9 Convergˆencia de raios da lente para o receptor, no ponto focal. . . 32
3.10 Efeito da difra¸c˜ao no plano focal . . . 33
3.11 Conjunto de equipamentos utilizados para medir a banda el´etrica do LED vermelho . . . 35
3.12 Tens˜ao do fotodetector em fun¸c˜ao da frequˆencia . . . 35
3.13 Conjunto de equipamentos utilizados para medir o espectro ´optico do LED vermelho . . . 36
3.14 Varredura do espectro ´optico do LED vermelho . . . 36
3.15 Conjunto de equipamentos utilizados para medir a curva de potˆencia ´optica LED vermelho . . . 37
3.16 Curva de potˆencia ´optica LED vermelho . . . 37
3.17 Diagrama de irradia¸c˜ao obtido pelo datasheet (ˆangulo em graus por potˆencia relativa) . . . 38
3.18 Ilustra¸c˜ao do LED sob a lente de 90mm . . . 39
3.19 Vista explodida do transmissor em modelos 3D . . . 40 viii
ix
3.20 Sensibilidade espectral relativa do fotodido SFH203 . . . 41
3.21 Vista explodida das pe¸cas do receptor . . . 42
3.22 M´odulo Ponte H L298N . . . 44
3.23 Arduino Mega . . . 44
3.24 Ilustra¸c˜ao da montagem do circuito no Fritzing . . . 45
3.25 Painel de controle LabVIEW ajuste do foco . . . 46
4.1 Testes executados na bancada em 2015 . . . 48
4.2 Testes executados no campo em 12/07/2020 . . . 49
4.3 Ilustra¸c˜ao da montagem dos equipamentos . . . 50
4.4 Processo de alinhamento dos testes em 12/07/2020 . . . 50
4.5 Sugest˜ao para alinhamento de foco Ronja . . . 51
4.6 Exemplo dos pontos observados no oscilosc´opio para 1MHz . . . 51
4.7 Gr´afico da banda el´etrica obtida . . . 52
4.8 Medida no oscilosc´opio para sinal modulado . . . 53
4.9 Medida no oscilosc´opio para sinal DC . . . 53
5.1 Modelagem do FSO sugerido . . . 56
A.1 Condi¸c˜ao ”Parada do motor”habilitada . . . 60
A.2 Condi¸c˜ao ”Parada do motor”desabilitada, ”Habilitar passo manual”desabilitado, ”Hor´ario<>Anti=Hor´ario”habilitado . . . 61
A.3 Condi¸c˜ao ”Parada do motor”desabilitada, ”Habilitar passo manual”desabilitado, ”Hor´ario<>Anti=Hor´ario”desabilitado . . . 61 A.4 Condi¸c˜ao ”Parada do motor”desabilitada, ”Habilitar passo manual”habilitado 62
Lista de Tabelas
3.1 Modelos FSO RONJA . . . 24 3.2 Modelos SONAbeam . . . 28 3.3 Sequˆencia de chaveamento . . . 43
Sum´
ario
Resumo iv Abstract v Agradecimentos vii Lista de Figuras ix Lista de Tabelas x 1 Introdu¸c˜ao 1 1.1 O que ´e FSO ? . . . 1 1.2 Hist´orico . . . 21.3 Comunica¸c˜ao ´optica em espa¸co livre . . . 3
1.4 Vantagens e desvantagens . . . 6
1.5 Motiva¸c˜ao . . . 8
1.6 Organiza¸c˜ao . . . 9
2 Optica em espa¸´ co livre 10 2.1 Modelagem do canal FSO . . . 11
2.1.1 Perdas geom´etricas e por desalinhamento . . . 11
2.1.2 Perda atmosf´erica . . . 12
2.1.3 Turbulˆencia atmosf´erica induzida pela cintila¸c˜ao . . . 13
2.1.4 Radia¸c˜ao de fundo . . . 15
2.2 Transceptor . . . 15
2.2.1 Transmissor . . . 16
2.2.2 Receptor . . . 18
2.2.3 Modula¸c˜ao . . . 19
3 Desenvolvimento do FSO Lajos 21 3.1 Estudo de FSOs de projetos abertos e comerciais . . . 21
3.2 Projetos de fonte aberta FSO . . . 22
3.2.1 Reasonable Optical Near Joint Access (RONJA) . . . 22
3.2.2 KORUZA 1.0 . . . 24
3.2.3 Compara¸c˜ao entre os projetos RONJA e KORUZA 1.0 . . . 26
3.3 Produtos de fabricantes FSO . . . 27
3.3.1 fSONA Optical Wireless . . . 27
3.3.2 LightPointe . . . 29
3.3.3 Compara¸c˜ao entre os FSO’s Aire X-Stream e SONAbeam . . . . 30
3.4 Estudo de viabilidade do projeto . . . 30
3.4.1 Lentes . . . 30
3.4.2 Abertura num´erica . . . 32
3.4.3 Difra¸c˜ao . . . 33
3.5 Constru¸c˜ao do transmissor . . . 34
3.6 Caracter´ısticas do LED utilizado . . . 34
3.6.1 Banda el´etrica . . . 34
3.6.2 Varredura do espectro ´optico . . . 35
3.6.3 Curva de potˆencia ´optica . . . 37
3.6.4 Angulo de ilumina¸c˜ˆ ao do feixe (beam angle) . . . 38
3.7 A escolha da lente . . . 38
3.8 Conjunto do abrigo transmissor . . . 39
3.9 Constru¸c˜ao do receptor . . . 40
3.9.1 Fotodetector utilizado . . . 41
3.9.2 Escolha da lente . . . 41
3.9.3 Conjunto do abrigo receptor . . . 42
3.10 Mecanismo de ajuste do foco . . . 42
3.10.1 Motor de passo . . . 43
3.10.2 Driver Ponte H L268N . . . 43
3.10.3 Arduino . . . 44
xiii 3.10.5 Controle do motor de passo utilizando LabVIEW e comunica¸c˜ao
serial com Arduino . . . 45
4 Testes utilizando transmissor e receptor Ronja 47 4.1 Placa transmissora Ronja 10M Metropolis . . . 47
4.2 Placa receptora Ronja 10M Metropolis . . . 48
4.3 Testes utilizando o FSO Lajos e placas Ronja 10M Metropolis . . . 48
4.3.1 Montagem dos equipamentos para teste . . . 49
4.3.2 Alinhamento do enlace ´optico . . . 50
4.3.3 An´alise das medidas obtidas pelo enlace FSO . . . 51 5 Conclus˜ao e sugest˜oes para trabalhos futuros 55
Referˆencias Bibliogr´aficas 57
A Diagrama de blocos LabVIEW 60
Cap´ıtulo 1
Introdu¸
c˜
ao
1.1
O que ´
e FSO ?
Free-space optical communication (FSO ) ´e uma tecnologia de comunica¸c˜ao ´optica que usa a luz propagando em espa¸co livre para transmitir dados sem fio com fins de telecomunica¸c˜oes ou rede de computadores. Diferentemente de cabos ´opticos e el´etricos, esta tecnologia n˜ao utiliza meios confinados para propaga¸c˜ao e sim a atmosfera ou mesmo v´acuo (em comunica¸c˜oes via sat´elite).
Assim como a fibra, normalmente s˜ao utilizados lasers em especto invis´ıvel ao olho humano focados em fotodetectores de alta sensibilidade. Esses receptores s˜ao lentes te-lesc´opicas capazes de coletar os f´otons e transform´a-los em dados como mensagens de internet, v´ıdeos, documentos e etc. Os sistemas dispon´ıveis comercialmente oferecem ca-pacidades em uma gama de 100Mbps at´e 2.5Gbps, h´a inclusive sistemas de demonstra¸c˜ao que reportam taxas de dados m´axima de 160Gbps.
Os sistemas FSO podem funcionar em distˆancias de v´arios quilˆometros, contanto que haja uma linha de visada limpa entre a fonte e o destino, al´em de potˆencia ´optica suficiente. Outra vantagem ´e que enlaces FSO s˜ao livres de licen¸ca e regulamenta¸c˜ao, ou seja, s˜ao de r´apida, f´acil e de baixo custo implementa¸c˜ao. Os transmissores e receptores podem ser inclusive instalados internamente, j´a que podem transmitir e receber por jane-las. Isso evita a competi¸c˜ao por espa¸co no telhado do pr´edio muitas vezes j´a ocupado por outros sistemas.
Durante os ´ultimos anos vimos uma grande expans˜ao das redes de telecomunica¸c˜ao globalmente. Com os melhoramentos na constru¸c˜ao das fibras, vimos a implementa¸c˜ao de
2 sistema de redes de transporte para atendimento de redes WAN e MAN, por´em a rede de acesso ainda ´e deficiente de capilaridade. Os sistemas FSO s˜ao uma alternativa a meios de comunica¸c˜ao bem conhecidos como R´adio Micro-ondas (MW ) e equipamentos WDM mais simples que trabalham com transporte de pacotes (como PTN e POTN ).
1.2
Hist´
orico
´
E poss´ıvel verificar a utiliza¸c˜ao da comunica¸c˜ao usando sinais ´opticos em momentos ´epicos da hist´oria. Podemos citar a queda de Troia indicada por chamas nos topos das colinas, relatado na obra Il´ıada.
O imp´erio Romano incluiu em suas estradas torres de vigilˆancia equipadas com chamas que transmitiam sinais visuais, conectando todo o imp´erio Romano. Usando esse sistema de comunica¸c˜ao, o General Romano Aetius encaminhou a not´ıcia de sua vit´oria, de Roma sobre Attila em 451 D.C[1].
Esses processos de comunica¸c˜ao mesmo que primitivos, usam ´optica como meio de transmiss˜ao. A velocidade de transmiss˜ao era razo´avel, por´em as mensagens eram curtas devido `as poucas possibilidades de configura¸c˜oes das fontes ´opticas.
Mesmo a pr´e-hist´oria das telecomunica¸c˜oes se estendendo por mais de um milˆenio, a hist´oria s´o come¸ca realmente no fim do s´eculo 18 na Fran¸ca, com a cria¸c˜ao do tel´egrafo ´
optico de Claude Chappe.
A m´aquina de tel´egrafo de Chappe, era basicamente um sem´aforo. No topo da torre, na linha de visada, havia um sistema constru´ıdo por bra¸cos articulados e guiado por um dispositivo mecˆanico. Cada bra¸co poderia ser combinado em variadas posi¸c˜oes.
A disposi¸c˜ao das poss´ıveis combina¸c˜oes constitu´ıa um c´odigo que s´o poderia ser decifrado remotamente com o uso de telesc´opios. A distˆancia entre as esta¸c˜oes variava entre dezenas de quilˆometros.
O tel´egrafo de Chappe foi rapidamente e completamente substitu´ıdo pelo tel´egrafo el´etrico. Um novo tel´egrafo ´optico foi constru´ıdo com a mesma dinˆamica do tel´egrafo de Chappe, mas usava os raios de sol ou lˆampadas de ´oleo para transmitir em c´odigo Morse. Este sistema foi desenvolvido por Lesuerre, e foi muito importante durante o cerco de Paris em 1870-1871. Enquanto os tel´egrafos el´etricos haviam sido saqueados e inoperantes, foi gra¸cas ao tel´egrafo ´optico que a comunica¸c˜ao pode continuar independente do que havia
acontecido al´em dos fortes de Paris[1].
Quatro anos depois de Alexander Graham Bell ter inventado o telefone, em 1880, ele fez a primeira comunica¸c˜ao ´optica sem fio, o fotofone. Ele usou os raios de sol em substitui¸c˜ao dos fios el´etricos, onde o usu´ario modulava a luz do sol por meio de uma membrana.
Graham Bell considerou o fotofone sua maior inven¸c˜ao, mais significante do que o telefone. Infelizmente essa tecnologia s´o funcionava para pequenas distˆancias e dependia totalmente da intensidade solar.
Ap´os 120 anos, engenheiros usaram a ideia do fotofone e criaram enlaces em espa¸co livre a altas taxas de transferˆencia de dados. O sol deixou de ser a fonte ´optica e lasers tomaram seu lugar.
1.3
Comunica¸
c˜
ao ´
optica em espa¸
co livre
A transmiss˜ao utilizando ´optica em espa¸co livre n˜ao ´e uma inova¸c˜ao recente e tem sido usada por mais de 40 anos, principalmente para infraestrutura militar. O primeiro projeto conhecido foi iniciado na d´ecada de 70, chamado de projeto “405B” e buscava o estudo do sistema de comunica¸c˜ao em espa¸co-livre utilizando laser dentro da infraestrutura de sistema de armamento de avi˜oes. O projeto foi inteiramente financiado pela For¸ca A´erea dos Estados Unidos e pelo Pent´agono com um objetivo estritamente militar[2].
Durante o mesmo per´ıodo e tamb´em financiado pelos militares americanos, en-laces de telecomunica¸c˜ao entre avi˜oes foram testados usando lasers CO2 assim como Neodymium-YAG (Nd-YAG) lasers. Ap´os estes testes, houve uma extens˜ao para outras formas de comunica¸c˜ao como sat´elite-terra, sat´elite-avi˜ao e sat´elite-submarino.
A agˆencia espacial europeia (ESA) possui uma parceria p´ublica privada com a empresa Airbus Defesa e Espa¸co, que visa prover o servi¸co de comunica¸c˜ao de dados co-mercialmente. A primeira transmiss˜ao ´optica oficial desta parceria ocorreu em Novembro de 2014 entre o sat´elite de observa¸c˜ao da Terra Sentinel-1 de baixa ´orbita (LEO) para o sat´elite Alphasat na camada geoestacion´aria (GEO), que por sua vez transmitiu para Terra[3]. Esse estudo foi considerado como um avan¸co visto que a comunica¸c˜ao com sat´ e-lites de baixa ´orbita ´e limitada, possibilitando a transmiss˜ao de dados importantes como monitoramento do meio-ambiente e previs˜ao de desastres.
4 Esta primeira transmiss˜ao foi precursora para a eminente rede de sat´elites europeia de retransmiss˜ao de dados (EDRS), que tem por sua vez o objetivo de criar uma rede intersat´elite para atender a demanda de transmiss˜ao de dados de sat´elites de observa¸c˜ao da Terra na ´orbita baixa. At´e agora possuem dois n´os do EDRS em ´orbita e j´a est˜ao dispon´ıveis para fornecer servi¸cos comercialmente com o lan¸camento do ´ultimo sat´elite EDRS-C em Agosto de 2019. Sem estes sat´elites haveria um atraso na chegadas dos dados de at´e 90 minutos, que em situa¸c˜oes de desastres naturais por exemplo seriam cruciais[4].
Podemos citar a C´apsula ´Optica de Precis˜ao para a Ciˆencia de Comunica¸c˜oes via Laser (OPALS) como um instrumento tamb´em not´avel neste ˆambito. Este instrumento foi testado na Esta¸c˜ao Espacial Internacional (ISS) por aproximadamente 4 meses, seu objetivo foi contribuir com a pesquisa para substituir as tradicionais comunica¸c˜oes de radio-frequˆencia. Desenvolvido no Jet Propulsion Laboratory, mostrou ser um avan¸co na comunica¸c˜ao a laser espa¸co-terra, que de acordo com a publica¸c˜ao feita pela NASA em Junho de 2014, obteve uma transmiss˜ao de v´ıdeo com 175MB `a uma taxa de transmiss˜ao m´axima de 50Mb/s. Foi um desafio conseguir alinhar com precis˜ao o feixe de laser da esta¸c˜ao espacial para Terra, visto que a ISS orbita `a 17500mph e foram necess´arios 3,5 segundos para transmitir cada c´opia do v´ıdeo de teste. Eles esperam que seja poss´ıvel aumenta a banda de comunica¸c˜ao por fatores entre 10 e 1000 vezes em compara¸c˜ao com a tecnologia de radiofrequˆencia[5].
Em Novembro de 2001, houve um enlace bem sucedido entre o sat´elite francˆes Spot-4 e o sat´elite Artemis da Agˆencia Espacial Europeia separados entre si de dezenas de milhares de quilˆometros. Esse sucesso europeu foi o resultado do projeto Europeu SI-LEX (Semiconductor Inter-satellite Link Experiment) iniciado no come¸co dos anos 90. O sistema consiste de terminais com pequenos telesc´opios de 25cm de diˆametro, permitindo controlar e apontar o feixe de laser produzido. ´E utilizado um laser emitindo pr´oximo da regi˜ao infravermelha, e transmitindo a uma taxa de 50Mbps. Dois testes de 20 minutos foram executados e por n˜ao ter problemas de desalinhamento a transferˆencia de dados ocorreu uma com taxa de erros baixa na ordem de 10−9[6].
Este sistema que veio a ser denominado de terminal ´optico sat´elites podem prover maiores taxas de transmiss˜ao do que enlaces de radiofrequˆencia. Existem quatro empre-sas que pretendem implementar uma constela¸c˜ao usando enlaces intersat´elites, s˜ao elas
SpaceX, Telesat, LeoSat e Mynaric.
A ´unica constela¸c˜ao de sat´elites atualmente utilizando enlaces intersat´elites ´e a Iridium Next, que ao inv´es de usar terminais ´opticos, faz a comunica¸c˜ao entre os 66 sat´elites de baixa ´orbita por meio de quatro enlaces RF na banda Ka cada para liga¸c˜oes telefˆonicas. As empresas Telesat e LeoSat, buscam utilizar terminais ´opticos ao inv´es de utilizar transceptores de RF devido `a vantagem de aumentar a taxa de transmiss˜ao de dados[7].
A SpaceX mostra-se agressiva neste ramo e planeja ao total com o projeto StarLink lan¸car 12000 sat´elites na ´orbita baixa. Referente `a primeira camada de 1584 sat´elites, 480 est˜ao em ´orbita e j´a existe um pedido para estender este quantitativo para 42000 na totalidade[8]. O servi¸co deve entrar em opera¸c˜ao ainda esse ano em fase beta. Lan¸cada em Janeiro de 2015, a proposta ´e que a constela¸c˜ao consiga apoiar a largura de banda para transportar at´e 50% de todo o backhaul de tr´afego de comunica¸c˜oes e at´e 10% do tr´afego de internet local em cidades de alta densidade, seria uma alternativa `as redes backbone existentes[9].
Empresas como a Mynaric (antes ViaLight comunica¸c˜oes) fornecem terminais ´ opti-cos para comunica¸c˜oes ar-ar, ar-terra e espa¸co-terra. Em Novembro de 2013 conseguiram demonstrar com sucesso a comunica¸c˜ao de jatos com o solo, alcan¸cando taxas de 1,25Gb/s mesmo com uma distˆancia de 50km e a uma velocidade voo de 800km/h[10]. Houve um desafio adicional devido a manobras r´apidas, vibra¸c˜oes fortes e os efeitos da turbulˆencia atmosf´erica.
O laborat´orio de conectividade do Facebook busca assim como a constela¸c˜ao de sat´elites fornecer internet de banda larga para ´areas remotas sem acesso. No ´ultimo teste em Junho de 2018, foi utilizado uma aeronave comum Cessna em conex˜ao com uma esta¸c˜ao no solo a uma distˆancia de 9 km. Segundo relatos foi alcan¸cada uma conex˜ao bidirecional de 10Gb/s em colabora¸c˜ao com a Mynaric e os mesmos problemas enfrentados no outro teste, que n˜ao afetaram o rendimento do enlace. Esse teste serviu como base para o desenvolvimento do Facebook Aquila, que ´e um avi˜ao movido a energia solar n˜ ao-tripulado. Com a envergadura de um Boeing 747, ele seria utilizado para prover internet de banda larga utilizando a conex˜ao terra-solo como base[11].
Todas as formas de comunica¸c˜ao mencionadas acima, buscam atender e interco-nectar o cliente final `a rede backbone de sua ISP (Internet Service Provider). Essa ´ultima
6 milha ultimamente tem sido atendida atualmente por fibra ´optica (WDM ) ou por enlaces de radiofrequˆencia (MW ). Os sistemas FSO terrestres proporcionam maior facilidade para implementa¸c˜ao provendo banda e servi¸co satisfat´orios em compara¸c˜ao com as tecnologias existentes em curtas distˆancias.
Devido a r´apida instala¸c˜ao e estabelecimento do enlace, ´e por muitas vezes escolhido para restabelecer a comunica¸c˜ao de uma determinada ´area em casos de cat´astrofe natural. Um exemplo disso foi o restabelecimento das comunica¸c˜oes em 2001 ap´os a queda das torres gˆemeas em Nova Iorque. Nesta linha de pensamento, tamb´em pode ser aplicada como alternativa em telemedicina e videoconferˆencia, ou mesmo para eventos tempor´arios. Para fazer a garantia do servi¸co nestes casos, tamb´em ´e feita a combina¸c˜ao da tecnologia FSO com sat´elites e equipamentos de radiofrequˆencia levando a redes h´ıbridas.
As condi¸c˜oes atmosf´ericas afetam muito enlaces FSO, j´a que a atmosfera sendo o meio de transmiss˜ao varia bastante. Isso tem prejudicado a aceita¸c˜ao em massa desta tecnologia. Houve grandes avan¸cos para garantir a disponibilidade e confiabilidade dos enlaces ´opticos terrestres principalmente em curtas distˆancias, mas ainda n˜ao foi aceito pelo mercado em massa.
1.4
Vantagens e desvantagens
Como o objetivo do trabalho ´e focado na solu¸c˜ao do problema de transmiss˜ao na ´
ultima milha, ser´a abordado mais especificamente as comunica¸c˜oes ´opticas em espa¸co livre em solo (FSO ). A semelhan¸ca do estudo para outras modalidades pode ser levada em conta pois s˜ao igualmente afetados, por´em em outros cen´ario e ambientes.
Os primeiros produtos para aplica¸c˜ao civil e n˜ao militar no campo de comunica¸c˜oes ´
opticas terrestres come¸caram a aparecer no come¸co da d´ecada de 80. A qualidade de transmiss˜ao e a disponibilidade n˜ao corresponderam `as expectativas das operadoras de telecomunica¸c˜oes por diversos fatores como falta de confian¸ca no equipamento, condi¸c˜oes de implementa¸c˜ao imprecisas, oferta de outras tecnologias e principalmente a melhora no desempenho das fibras ´opticas.
A teoria de um enlace ´optico em espa¸co livre pode ser explicada de forma b´asica como a transmiss˜ao de um feixe divergente em linha de visada. Esse feixe ´e deliberada-mente um pouco mais divergente para reduzir problemas de mal alinhamento, buscando
garantir que uma parte da frente de onda seja coletada no diodo de recep¸c˜ao da outra ponta. Mais precisamente, o equipamento usa a modula¸c˜ao de um feixe ´optico para trocar dados bin´arios em duas dire¸c˜oes por meio de um par de emissor e receptor em cada ponta. Equipamentos mais modernos podem trabalhar com somente dois transceptores em um link bidirecional.
Alguns parˆametros s˜ao cruciais para verificar a viabilidade de um enlace FSO, s˜ao eles: distˆancia, seguran¸ca aos olhos, taxa de transferˆencia de dados e tipo de aplica¸c˜ao recomendada. N˜ao h´a como comparar um enlace ´optico DWDM para interconex˜ao de uma rede backbone e um enlace FSO para essa mesma aplica¸c˜ao, ´e invi´avel obter parˆametros veross´ımeis. As principais vantagens ao utilizar este sistema s˜ao: n˜ao h´a necessidade de licenciamento ou tarifas para utiliza¸c˜ao, n˜ao ´e necess´ario escavar ruas para passar troncos ´
opticos, al´em de permitirem taxas mais altas e consequentemente uma banda maior que outros sistemas utilizados na ´ultima milha, por exemplo.
Enlaces FSO s˜ao impactados por absor¸c˜ao e espalhamento da luz, j´a que a atmos-fera da Terra ´e composta por pequenas e diversas mol´eculas suspensas no ar. A intera¸c˜ao da luz com essas mol´eculas causam atenua¸c˜ao da onda eletromagn´etica e s˜ao relacionadas pelo coeficiente de absor¸c˜ao, que varia de acordo com o tipo e sua concentra¸c˜ao.
Outro fator que afeta este tipo de enlace ´optico ´e a turbulˆencia atmosf´erica, causada pela varia¸c˜ao do ´ındice de refra¸c˜ao do ar devido a mudan¸cas na temperatura, press˜ao e umidade. A intera¸c˜ao do feixe de luz com o meio turbulento causa a degrada¸c˜ao aleat´oria da onda eletromagn´etica que podem ser vistos no anteparo de recep¸c˜ao. Os tipos de degrada¸c˜ao s˜ao cruciais para o projeto do enlace e ser˜ao estudados em outro cap´ıtulo.
Estes fatores fazem com que seja um desafio para modelar e simular estes enlaces, dificultando muito a aplica¸c˜ao em larga escala j´a que ´e necess´ario entender a atmosfera em opera¸c˜ao e verificar a viabilidade. A dificuldade entre a rela¸c˜ao de visada direta com disponibilidade do enlace tamb´em ´e cr´ıtica, pois qualquer objeto que atravessar pelo trajeto pode causar a interrup¸c˜ao tempor´aria do mesmo. Por esse motivo muitas vezes s˜ao usados enlaces redundantes, que dependendo da aplica¸c˜ao fazem aumentar o custo do projeto.
8
1.5
Motiva¸
c˜
ao
O laborat´orio de comunica¸c˜oes ´opticas da UFF (LACOP) trabalha com diversos tipos de linhas de pesquisa como: sistemas de comunica¸c˜oes, sensoriamento e automa¸c˜ao industrial.
Dentre um dos v´arios projetos, h´a um projeto para estudo do efeito da turbulˆencia atmosf´erica em ´optica em espa¸co livre (FSO ). Por meio da triangula¸c˜ao de potˆencias captadas por fotodetectores, ´e poss´ıvel estimar a constante de estrutura no ´ındice de refra¸c˜ao Cn2, e associ´a-lo a turbulˆencia atmosf´erica.
A partir desse estudo, veio a iniciativa de desenvolver o transmissor e receptor de um sistema FSO, a fim de test´a-lo na transmiss˜ao de um sinal el´etrico modulado e verificar os efeitos da atmosfera previamente j´a mencionados no enlace. O desenvolvimento do sistema de comunica¸c˜ao utilizado no FSO deste projeto, n˜ao ser´a alvo do estudo. Ser˜ao testadas duas fontes ´opticas para compara¸c˜ao da melhor alternativa para o projeto.
´
E poss´ıvel citar pelo menos dois projetos abertos cujo objetivo ´e o desenvolvimento de um FSO. S˜ao eles Ronja e Koruza, por´em para a dinˆamica e realidade do Brasil, esses projetos acabam sendo invi´aveis economicamente para serem considerados como baixo custo. Lembrando que o objetivo ´e meramente cient´ıfico, altas taxas de transferˆencia de dados n˜ao ser˜ao alcan¸cadas.
Vale citar que essa tecnologia n˜ao ´e muito utilizada pelas operadoras de telefonia do Brasil. Alternativas como enlaces microondas e ´opticos WDM s˜ao mais explorados por haver uma maior implementa¸c˜ao deste tipo de tecnologia nas ´ultimas d´ecadas. Isso n˜ao impede que os enlaces FSO possam ser popularizados, pois com demandas t˜ao emergentes como o 5G, ser´a necess´ario al´em de altas taxas de transmiss˜ao, maior capilaridade da rede m´ovel j´a que a frequˆencia de trabalho ´e mais alta do que as usuais. Solu¸c˜oes como lan¸camento de troncos ´opticos para implementa¸c˜ao de redes de acesso aplic´aveis, como enlaces ´opticos DWDM, consomem o CAPEX das operadoras e podem talvez inviabilizar um maior investimento nos equipamentos propriamente ditos da rede m´ovel.
A vantagem da r´apida implementa¸c˜ao com baixo custo de infraestrutura classifi-cam a tecnologia FSO como promissora nesta d´ecada. Ser´a necess´ario por´em maturidade para desenvolver empresas que possam executar os servi¸cos de implanta¸c˜ao destes equipa-mentos, principalmente em atividades cruciais como vistoria ao site e projeto do enlace. Talvez pela semelhan¸ca da metodologia e elementos com enlaces r´adio microondas, haja
uma facilidade para este desenvolvimento.
Foram utilizados componentes de f´acil acessibilidade no projeto a ser descrito, como tubos e tampas de PVC, encontrados em lojas de material de constru¸c˜ao. Para o controle e automa¸c˜ao do projeto, foi escolhido trabalhar com plataformas de desenvolvimento como Arduino e Raspberry Pi. Ao final do documento ser˜ao publicados os resultados deste trabalho que visa abrir uma nova linha de pesquisa para desenvolvimento acadˆemico de transceptores FSO aplicado `a solu¸c˜ao da ´ultima milha.
1.6
Organiza¸
c˜
ao
O trabalho ´e organizado para mostrar primeiramente um pouco mais dessa tecno-logia pouco empregada e conhecida no Brasil. ´E citado um pouco do hist´orico relacionado `
as comunica¸c˜oes em espa¸co livre, depois mostra-se a teoria por tr´as do conceito e tamb´em as adversidades da implementa¸c˜ao de um sistema do tipo.
O foco principal ´e o desenvolvimento do transmissor e receptor FSO Lajos, desde suas etapas de modelagem at´e a manufatura do mesmo. S˜ao citados outros modelos de fonte livre e alguns comerciais para embasar o projeto.
Por fim s˜ao feitas medidas em campo para auferir a banda el´etrica do sistema bem como o SNR obtido. Dessa forma mostra-se que o sistema est´a apto para uma taxa de dados de 10Mb/s com o devido desenvolvimento de dispositivos conversores eletro-´opticos n˜ao explorados nesse trabalho.
Cap´ıtulo 2
´
Optica em espa¸
co livre
A transmiss˜ao utilizando ondas eletromagn´eticas ´e o princ´ıpio de qualquer sistema de transmiss˜ao. As equa¸c˜oes de Maxwell podem ser utilizadas para modelar a propaga¸c˜ao das ondas eletromagn´eticas em v´arios meios, e tamb´em sua respectiva express˜ao para a energia associada a essas ondas.
No caso da propaga¸c˜ao em espa¸co livre, podemos considerar o meio de transmis-s˜ao como homogˆeneo, isotr´opico, n˜ao dispersivo e linear. Desenvolvendo as equa¸c˜oes de Maxwell com estes parˆametros, buscamos obter a solu¸c˜ao da equa¸c˜ao de onda em rela¸c˜ao a dire¸c˜ao de propaga¸c˜ao.
Dado que a amplitude e fase dos campos el´etrico e magn´etico s˜ao constantes neste caso e que um raio de luz pode ser definido por uma fonte de luz tendendo a infinito, pode-mos aproximar esta frente de onda a uma onda plana uniforme localmente. Dessa forma, as ondas podem ser representadas por part´ıculas cujo vetor velocidade est´a bem definido, o que seria equivalente a analisar as ondas sob o ponto de vista da ´optica geom´etrica de raios[12].
Esse conceito ´e ´util na simplifica¸c˜ao da teoria matem´atica, que n˜ao ´e o alvo deste estudo. Com base nisto, podemos utilizar os conceitos de abertura num´erica e explicitar a metodologia para escolha das lentes. O desvio das predi¸c˜oes da ´optica geom´etrica s˜ao analisadas por meio da difra¸c˜ao, que ´e relacionado `a superposi¸c˜ao e interferˆencia de ondas planas uniformes que se propagam em diferentes dire¸c˜oes do espa¸co, e tamb´em ser´a estudada para garantir que o feixe seja colimado para obter uma maior eficiˆencia do sistema ´optico.
per-das intr´ınsecas ao equipamento e sua constru¸c˜ao. Podemos citar as perdas do sistema, geom´etrica, de desalinhamento, atmosf´erica, turbulˆencia atmosf´erica induzida ao desva-necimento e ru´ıdo do ambiente. Todas essas perdas afetam a potˆencia ´optica lan¸cada pelo transmissor.
2.1
Modelagem do canal FSO
A falta de popularidade desta tecnologia est´a intrinsecamente atrelada `as perdas citadas acima, e que ser˜ao detalhadas mostrando de forma resumida como afetam o sis-tema. A perda do sistema depende da manufatura do equipamento e geralmente ´e definida pelo fornecedor, portanto n˜ao ser´a abordada.
2.1.1
Perdas geom´
etricas e por desalinhamento
A perda geom´etrica ocorre devido a divergˆencia do feixe quando propagada pela atmosfera. Pode ser calculada dado o ˆangulo de divergˆencia, distˆancia do link e o tamanho da abertura das lentes do receptor.
O desalinhamento do sistema transmissor-receptor pode ocorrer na pr´atica princi-palmente pela divaga¸c˜ao do feixe (beam wander ), balan¸co do pr´edio ou erros no sistema de rastreamento (se houver).
O efeito de divaga¸c˜ao do feixe resulta de redemoinhos atmosf´ericos de larga escala, que causam deflex˜oes aleat´orias no feixe ´optico, e como resultado o feixe desvia do caminho original. Para curtas distˆancias este fenˆomeno n˜ao ´e t˜ao not´avel, somente para longas distˆancias (mais de um quilˆometro).
Como resultado de diversos fatores como expans˜ao t´ermica, cargas de vento, pe-quenos terremotos e vibra¸c˜oes, o balan¸co do pr´edio pode causar a interrup¸c˜ao da comu-nica¸c˜ao. O feixe estreito do transmissor e geralmente um campo de vis˜ao do receptor reduzido contribuem para que esse efeito seja sentido no enlace.
Quando n˜ao ´e utilizado mecanismos para rastreamento do feixe no lado do receptor, que geralmente ´e o caso para FSO s com enlaces da ordem de centenas de metros, a perda por desalinhamento pode ser compensada aumentando a divergˆencia do feixe no transmissor. Para FSO s que operam em longas distˆancias, sendo o feixe geralmente mais estreito para evitar perdas geom´etricas, o uso de sistemas de apontamento e rastreamento
12 do feixe no receptor mostra-se necess´ario para remover ou reduzir os erros de apontamento.
2.1.2
Perda atmosf´
erica
Sob a an´alise do espectro tanto no alcance do vis´ıvel quanto infravermelho, verifica-se que a f´ısica e propriedades de transmitˆancia da radia¸c˜ao na atmosfera s˜ao similares. Part´ıculas como chuva, neve, fuma¸ca, polui¸c˜ao, poeira, aeross´ois, n´evoa dentre outros, afetam a visibilidade dos feixes de luz. Essas part´ıculas tamb´em podem ser chamadas de c´elulas. Elas absorvem em determinado n´ıvel a energia emitida pela fonte ´optica, causando atenua¸c˜ao da mesma.
No espectro infravermelho a absor¸c˜ao ocorre principalmente por part´ıculas de ´agua. Ocorre tamb´em a propaga¸c˜ao espacial, angular e temporal da luz incidente, fazendo que haja deflex˜ao da dire¸c˜ao inicial. Em cen´arios de sistemas implementados em ´areas metro-politanas em distˆancias menores que 1 km, a atenua¸c˜ao t´ıpica fica na ordem de 3dB/km. A chuva severa come¸ca a ser um problema quando s˜ao implementadas em longo alcance (acima de 1km).
O coeficiente de espalhamento quando o diˆametro da part´ıcula ´e da ordem do comprimento de onda ´e bem alto. Ambientes com fuma¸ca e neblina s˜ao cr´ıticos, pois nessas condi¸c˜oes as pequenas part´ıculas possuem raios pr´oximos ao comprimento de onda no infravermelho. At´e condi¸c˜oes de n´evoa baixa podem atenuar sinais nesta faixa de espectro em curtas distˆancias. Em cen´arios de neblina ´e observado que o comportamento difere de acordo com o comprimento de onda, diferente das condi¸c˜oes de n´evoa que ´e praticamente independente.
O tamanho de part´ıculas de neblina possuem em m´edia tamanho de 0,1 `a 1um, contra raios entre 1 `a 20µm para got´ıculas de nevoeiro, justificando assim a menor atenu-a¸c˜ao para condi¸c˜oes de neblina para faixas no infravermelho. Essa diferen¸ca de tamanho das “lentes” resulta na dependˆencia do comprimento de onda para neblina e n´evoa densa. A largura de banda de coerˆencia ´e uma medida estat´ıstica, onde em um determi-nado intervalo de frequˆencia em um canal, duas frequˆencias de um sinal s˜ao afetados pelo desvanecimento de amplitude igualmente ou pr´oximo. Este conceito ´e uma importante considera¸c˜ao em modelagem de canal FSO, j´a que a largura de banda de coerˆencia ´e definida como inverso do atraso de propaga¸c˜ao do canal [14].
´
optico, causando interferˆencia intersimb´olica (ISI ) e degradando o desempenho do sistema. J´a em condi¸c˜oes boas de clima o atraso de propaga¸c˜ao pode ser desconsiderado em um canal FSO.
Dado as taxas de transferˆencia de dados t´ıpicas em enlaces ´opticos terrestres em espa¸co livre, podemos tamb´em desconsiderar o atraso na propaga¸c˜ao como resultado do espalhamento do espalhamento do feixe em n´evoa ou chuva. Isso foi demonstrado mate-maticamente usando o m´etodo de Monte Carlo para quantificar o valor RMS do atraso de propaga¸c˜ao [15]. Devido a isso podemos considerar que o canal pode efetivamente ser considerado como frequˆencia n˜ao-seletiva, n˜ao introduzindo ISI.
2.1.3
Turbulˆ
encia atmosf´
erica induzida pela cintila¸
c˜
ao
Conforme visto na se¸c˜ao acima, a perda atmosf´erica pode ser desconsiderada em um cen´ario de clima limpo, por´em outro efeito conhecido por cintila¸c˜ao precisa ser levado em conta. A n˜ao-homogeneidade da atmosfera devido a press˜ao e vento levam a varia¸c˜oes no ´ındice de refra¸c˜ao no trajeto da transmiss˜ao.
Figura 2.1: Efeito da turbulˆencia atmosf´erica
Flutua¸c˜oes na amplitude e fase do sinal recebido s˜ao consequˆencia da turbulˆencia atmosf´erica, fazendo com que o desempenho do sistema seja degradado especialmente em transmiss˜oes em longa-distˆancia de alguns quilˆometros. ´E caracterizado principalmente por trˆes parˆametros: escalas interiores e exteriores de turbulˆencia denotados respectiva-mente por l0 e L0, e pelo ´ındice de refra¸c˜ao da estrutura Cn2.
A teoria de Kolmogorov define L0 como a maior c´elula antes da energia ser injetada
na regi˜ao de estudo e l0 como o menor tamanho de c´elula antes da energia ser dissipada
como calor. A distribui¸c˜ao de energia das part´ıculas turbulentas ´e descrita pelo espectro espacial de energia das flutua¸c˜oes do ´ındice de refra¸c˜ao.
14 Em regime moderado a forte de turbulˆencia, um espectro modificado ´e usado para considerar dois filtros espaciais que podem remover a contribui¸c˜ao do tamanho das c´elulas turbulentas entre raio coerente e as “lentes” geradas. A escala interna l0 possui maior
impacto significante na turbulˆencia, enquanto a escala externa L0, que geralmente tende
a infinito, possui um impacto desprez´ıvel. Valores maiores de l0 resultam em uma maior variˆancia da irradia¸c˜ao em regime fortemente turbulento.
O ´ındice de refra¸c˜ao da estrutura (Cn2 ) depende da altitude e ´e maior em locais mais baixos devido a invers˜ao t´ermica ser mais significante. Geralmente para sistemas FSO terrestres, ´e considerado condi¸c˜oes de homogeneidade da turbulˆencia e assume-se que o Cn2 n˜ao depende da distˆancia.
Essas varia¸c˜oes no ´ındice s˜ao sentidas principalmente durante o dia quando a ordem de grandeza Cn2 fica em torno de 10(−13) m(−2/3) [16]. J´a para o per´ıodo noturno fica quase constante, diminuindo a dependˆencia da altura comparado com o per´ıodo diurno. Pr´oximo ao solo, o ´ındice Cn2 tem o valor de pico por volta de meio dia, enquanto atinge seus valores m´ınimos no nascer e pˆor do sol.
Um grande foco de estudo ´e tentar por meio de modelos experimentais como as condi¸c˜oes meteorol´ogicas afetam o parˆametro de refra¸c˜ao da estrutura. Algumas medidas indicam que a cintila¸c˜ao ´e afetada por aeross´ois, principalmente quando a ´area da se¸c˜ao transversal ´e relativamente larga. Para quantificar as flutua¸c˜oes resultantes da turbulˆencia atmosf´erica, o ´ındice de cintila¸c˜ao ´e frequentemente utilizado na literatura e pode ser calculado pela f´ormula abaixo
σ2 = E{I
2}
E{I}2 − 1
Onde I ´e a intensidade do sinal ´optico recebido e E denota o valor esperado. Como o ´ındice SI fornece uma caracteriza¸c˜ao do n´ıvel de turbulˆencia baseados no primeiro e segundo momentos de intensidade, modelos probabil´ısticos s˜ao aplicados para descrever a distribui¸c˜ao de turbulˆencia atmosf´erica em sistemas FSO.
Dentre estes modelos, a distribui¸c˜ao lognormal ´e a mais utilizada e ´e aplicada a enlaces curtos em ´areas urbanas. Diversos dados experimentais comprovam que este modelo ´e utilizado para turbulˆencia moderada a forte. Para cen´arios de forte turbulˆencia, a distribui¸c˜ao exponencial negativa ´e mais indicada. Em casos extremos ´e utilizada a distribui¸c˜ao de Rayleigh.
atmosf´erica no enlace FSO. Podem ser classificados como: Gaussiano, cos-Gaussiano, cosh-Gaussiano e anelar. Para pequenas fontes de luz transmitindo a longas distˆancia, o melhor desempenho ´e obtido por feixes anelares, j´a para fontes de luz maiores em curtas distˆancias o indicado s˜ao feixes cos-Gaussianos.
2.1.4
Radia¸
c˜
ao de fundo
Tamb´em chamado de ru´ıdo de fundo ou ru´ıdo de ambiente, pode degradar o de-sempenho de enlaces FSO pois a lente do receptor al´em de receber o sinal propriamente dito do transmissor, tamb´em coleta radia¸c˜oes n˜ao desejadas. Basicamente consiste de raio solar direto, refletido ou difratado de part´ıculas do ambiente.
O efeito pode ser reduzido por meio de filtros espectrais passa-faixa estreitos e espaciais, crucial para foto detec¸c˜ao. Mesmo assim uma pequena parcela desse ru´ıdo pode limitar o desempenho do sistema reduzindo a rela¸c˜ao sinal ru´ıdo (SNR) e a eficiˆencia da recep¸c˜ao do receptor. Em algumas circunstˆancias, pode causar a queda do sinal devido a satura¸c˜ao do receptor.
O ru´ıdo de fundo pode ser modelado estatisticamente por meio de um processo aleat´orio de Poisson. Caso a quantidade m´edia de f´otons seja alta ´e poss´ıvel aproximar a distribui¸c˜ao de Poisson por Gaussiana. Desde que o valor m´edio do ru´ıdo de fundo seja rejeitado pelos circuitos do receptor, este ru´ıdo pode ser desconsiderado.
2.2
Transceptor
A fonte de um sistema FSO produz a informa¸c˜ao por meio de formas de onda el´etricas que s˜ao moduladas em uma portadora ´optica. Este sinal ´e por sua vez transmitido pela atmosfera para um destino remoto. O receptor coleta a luz e por meio de um fotodetector faz a convers˜ao ´optica para el´etrica novamente, com o objetivo de recuperar a informa¸c˜ao transmitida.
A estrutura do transmissor e receptor ´e desenvolvida para proteger os componen-tes internos de eventos externos que poderiam diminuir a vida ´util dos equipamentos. Mecanismos como rastreamento do feixe alimentado por sensores tamb´em s˜ao implemen-tados com o objetivo de suportar o enlace garantindo a maior disponibilidade do sistema. Dependendo da aplica¸c˜ao e do custo do equipamento, diversos componentes como fontes
16 ´
opticas ou fotodetectores podem ser alterados.
A faixa espectral dos sistemas FSO atuais opera no infravermelho, ou seja, de 750 a 1600nm. Ainda que em condi¸c˜oes favor´aveis a atmosfera seja considerada transparente nesta faixa, alguns comprimentos de onda podem sofrer maior absor¸c˜ao devido `as diversas mol´eculas na atmosfera.
Em quatro comprimentos de onda espec´ıficos (850, 1060, 1250 e 1550nm), uma menor atenua¸c˜ao ´e notada (menor que 0,2dB/km). Ao longo do desenvolvimento da fi-bra ´optica, notaram esta particularidade principalmente pela absor¸c˜ao por oxigˆenio. Os pesquisadores possu´ıam dificuldades para reduzir a concentra¸c˜ao deste componente qu´ı-mico, portanto come¸cou-se a desenvolver equipamentos que operassem nos comprimentos de onda 850 e 1550nm, popularizando assim estas janelas. De forma similar a tecnologia WDM, os fabricantes de FSO tamb´em come¸caram a ofertar sistemas comerciais com estas componentes ´opticas devido a menor atenua¸c˜ao.
Outros comprimentos de onda na faixa espectral UV tem sido recentemente con-sideradas, principalmente em 10um que ´e conhecido por ter melhores caracter´ısticas em cen´arios de n´evoa, condi¸c˜ao severa para um enlace FSO. Al´em disso, s˜ao mais robus-tos contra erros de apontamento e bloqueio do feixe, tamb´em contam com uma menor sensibilidade a luz solar e outras interferˆencias de fundo.
2.2.1
Transmissor
Consistindo basicamente de uma fonte ´optica, modulador, amplificador ´optico e conjunto ´optico (lentes e filtros) o transmissor ´e respons´avel por garantir que a convers˜ao eletro-´optica seja feita.
De acordo com o diagrama de blocos abaixo, os bits de dados s˜ao primeiramente codificados, para garantir a distribui¸c˜ao bin´aria balanceada, e depois modulados. O feixe de laser modulado passa ent˜ao para um amplificador ´optico para aumentar a intensidade ´
optica. Por meio do conjunto ´optico, o feixe de luz ´e coletado e reorientado antes de ser transmitido em espa¸co livre.
Figura 2.2: Diagrama de blocos gen´erico do transmissor
A fonte de luz geralmente utilizada s˜ao diodos laser semicondutor (LD ), por´em LEDs de alta potˆencia tamb´em podem ser empregados utilizando colimadores de feixe. Caracter´ısticas como resistˆencia a temperatura, vida ´util, menores componentes e baixo consumo s˜ao cruciais para uma fonte ´optica.
Os tipos de laser dependem do comprimento de onda e da aplica¸c˜ao, onde princi-palmente o custo ´e um dos pontos de decis˜ao. O laser de emiss˜ao de superf´ıcie de cavidade vertical (VCSEL) ´e mais indicado para o comprimento de onda ente 650 a 1300nm, en-quanto lasers como Fabry-Perrot (FP ) e laser de feedback distribu´ıdo (DFB ) s˜ao mais utilizados para comprimentos de onda entre 330 e 3000nm, e 760 a 2500nm respectiva-mente.
Sistemas FSO buscam trabalhar no espectro do infravermelho tamb´em por medidas de seguran¸ca, j´a que a poss´ıvel exposi¸c˜ao do olho a um feixe de laser pode ser prejudi-cial. Diversos padr˜oes foram desenvolvidos para limitar a potˆencia ´optica, baseados no comprimento de onda e potˆencias de transmiss˜ao m´edia e pico.
Somente alguns comprimentos de onda na faixa do infravermelho podem penetrar o olho como intensidade suficiente para danificar a retina, sendo que os outros tendem a ser absorvidos pela parte frontal do olho antes que seja focada na retina (coeficiente de absor¸c˜ao maior para comprimentos de onda acima de 1400nm). Devido a isso, lasers ope-rando a 1550nm podem operar em uma potˆencia de transmiss˜ao maior para transmiss˜oes de longa distˆancia no caso.
18
2.2.2
Receptor
Sistemas FSO podem ser caracterizados de forma gen´erica em duas classes baseado no tipo de detec¸c˜ao: n˜ao-coerente ou coerente. A principal diferen¸ca ´e que em sistemas coerentes ´e poss´ıvel utilizar modula¸c˜oes de frequˆencia e fase, al´em de amplitude. Na recep¸c˜ao o sinal passa por um mixer ´optico, onde ´e misturado com um laser com frequˆencia gerada localmente.
Em sistemas n˜ao-coerentes a intensidade da luz emitida ´e utilizada para carregar a informa¸c˜ao, por meio da modula¸c˜ao de amplitude. Sem a necessidade de um oscilador local, o fotodetector capta essas mudan¸cas de intensidade, sendo conhecido por sistemas de intensidade-modula¸c˜ao direta-detec¸c˜ao (IM/DD ) [17].
Ainda que sistemas coerentes ofere¸cam um desempenho superior em termos de rejei¸c˜ao de ru´ıdo de fundo, reduzir os efeitos da turbulˆencia atmosf´erica e possuir maior potˆencia de recep¸c˜ao, sistemas IM/DD s˜ao mais utilizados em enlaces FSO terrestres. Isso se deve a uma maior simplicidade e menor custo.
Os principais componentes da se¸c˜ao frontal receptor em um sistema IM/DD s˜ao a lente e filtros ´opticos, partes respons´aveis por coletar e focar o feixe recebido no fotodiodo (PD ). Um circuito de trans impedˆancia converte a corrente gerada pelo PD em tens˜ao, geralmente e utilizado um Op-Amp de baixo ru´ıdo com um resistor de carga. A taxa de transmiss˜ao, o ru´ıdo t´ermico gerado pelo receptor e a impedˆancia definem o valor desse resistor, geralmente de algumas centenas de Ohm em enlaces espa¸co –espa¸co e por volta de 50 a 100 Ohm em enlaces FSO de altas taxas. Um filtro passa-baixa ent˜ao retira os n´ıveis de ru´ıdos t´ermicos e de fundo.
Para melhorar o alcance de enlaces FSO de longa distˆancia, pr´e-amplificadores ´
opticos como EDFA e SOA s˜ao adotados. Para o comprimento de onda em 1550nm, o amplificador de fibra dopada de ´Erbio (EDFA) ´e mais indicado, j´a o amplificador ´optico semicondutor (SOA) trabalha em uma variedade maior de comprimentos de onda incluindo 1550nm.
Pr´e-amplificadores podem injetar no sistema a emiss˜ao espontˆanea amplificada (ASE ), que pode ser modelado como ru´ıdo branco Gaussiano aditivo (AWGN ), e pode degradar a rela¸c˜ao sinal-ru´ıdo (SNR) em pelo menos 3dB. S˜ao indicados para sistemas que est˜ao com os ru´ıdos intr´ınsecos do PD no limite.
maioria dos sistemas de transmiss˜ao a longa distˆancia e com elevada taxa de transmiss˜ao utilizam APD na se¸c˜ao frontal do receptor, por possu´ıram sensibilidade alta e semicon-dutores de alta taxa de detec¸c˜ao. J´a fotodiodos PIN s˜ao indicados para enlaces de curta distˆancia, possuem uma menor sensibilidade comparado ao APD, mas sua menor comple-xidade e custo s˜ao considerados.
As fontes de ru´ıdo em um PD s˜ao: corrente de fundo, ru´ıdo do transmissor, t´ermico e shot-noise da fotocorrente (que deveria da flutua¸c˜ao aleat´oria causada pelo sinal de entrada e/ou radia¸c˜ao de fundo). A corrente de fundo pode ser negligenciada por seu baixo valor em aplica¸c˜oes reais. O ru´ıdo do transmissor geralmente ´e causada devido `a instabilidade da intensidade do laser causando flutua¸c˜oes de fotocorrente. Se o n´ıvel de ilumina¸c˜ao externo for desprez´ıvel, devemos considerar o ru´ıdo t´ermico (ocorre devido aos circuitos eletrˆonicos do receptor) e de shot-noise (deriva das flutua¸c˜oes aleat´orias do fluxo de corrente pelo fotodiodo) somente.
Receptores baseados em PIN possuem uma limita¸c˜ao devido ao ru´ıdo t´ermico e receptores baseados em APD podem ser limitados pelos dois principais ru´ıdos, t´ermico em menor n´ıvel se o resistor de carga possuir valores baixos.
2.2.3
Modula¸
c˜
ao
O esquema de modula¸c˜ao bin´ario on-off keying (OOK ) ´e o mais comumente utili-zado em sistemas n˜ao-coerentes, devido a sua facilidade de implementa¸c˜ao. A modula¸c˜ao ocorre pela presen¸ca ou n˜ao de pulso de luz em cada intervalo de s´ımbolo.
Para uma determinada transmiss˜ao de energia independente da largura de banda, a eficiˆencia de energia ´e definida como a maior taxa de dados em um valor alvo de BER. Eficiˆencia espectral est´a relacionada `a taxa da transmiss˜ao da informa¸c˜ao para uma de-terminada largura de banda, n˜ao considerando a energia emitida. O esquema OOK por ser um esquema mais simples, possui baixa eficiˆencia espectral e de energia.
Com o PAM Q-´ario, a intensidade instantˆanea da fonte de laser ´e modulada em Q n´ıveis, com isso ´e necess´ario que o laser permita essa intensidade de emiss˜ao vari´avel o que pode ser custoso para a aplica¸c˜ao. Da mesma forma, o receptor precisa de componentes com uma maior velocidade de comuta¸c˜ao, aumentando tamb´em a complexidade. O mais simples esquema do PAM ´e o OOK, onde h´a somente um n´ıvel de intensidade da fonte.
20 como PPM, MPPM (PPM multipulso) e PWM. H´a uma maior resistˆencia `as varia¸c˜oes de amplitude no caminho de propaga¸c˜ao, al´em de exigir uma potˆencia menor da fonte ´
Cap´ıtulo 3
Desenvolvimento do FSO Lajos
O laborat´orio de comunica¸c˜oes ´opticas (LACOP) oferece ferramentas para que o aluno tenha a capacidade de desenvolver projetos pr´oprios. Com o intuito de fazer um FSO de baixo custo e focado na realidade brasileira, foi iniciado o projeto FSO Lajos.
Foi inspirado em projetos abertos e produtos comerciais, por´em com um cunho cient´ıfico. O desenvolvimento ficar´a restrito `as partes f´ısicas do FSO, m´odulos mais com-plexos, como conversor eletro-´optico, n˜ao foram desenvolvidos.
3.1
Estudo de FSOs de projetos abertos e comerciais
Uma das bases para este trabalho, foi o projeto de fonte livre RONJA da Twibright Labs. O objetivo ´e desenvolver um enlace ´optico ponto-a-ponto full duplex FSO com banda de 10Mb/s em um percurso de at´e 1,4km.
Al´em do RONJA, h´a tamb´em o projeto de fonte livre KORUZA 1.0, que consegue taxas de at´e 1 Gb/s em um percurso de at´e 100m. As pe¸cas do abrigo do transceptor s˜ao feitas em impress˜ao 3D, facilitando o desenvolvimento das pe¸cas.
Tamb´em foram pesquisados alguns fabricantes comerciais de FSO, como fSONA e LIGHTPOINTE. Estes possuem uma tecnologia bem mais avan¸cada que a encontrada nos projetos abertos acima citados. A finalidade altera-se para enlaces comerciais e co-munica¸c˜ao em redes m´oveis LTE, n˜ao mais redes LAN.
22
3.2
Projetos de fonte aberta FSO
A fim de desenvolver a ´area de pesquisa, projetos de fonte aberta permitem o aprendizado e aprimoramento dos mesmos. Os projetos aqui citados foram desenvolvidos na Europa, que possui mais acessibilidade de pe¸cas e ferramentas.
Mesmo que sejam considerados de baixo custo, impress˜oes 3D e o uso de circuitos integrados bem espec´ıficos elevam o custo destes projetos no Brasil.
3.2.1
Reasonable Optical Near Joint Access (RONJA)
Obtendo as pe¸cas descritas no website ´e poss´ıvel por meio dos desenhos de projeto manufaturar os abrigos das fontes e receptores ´opticos, bem como as placas de circuito impresso que fazem a interface do usu´ario (PC ) garantindo conectividade de at´e 10Mb/s. Construir um RONJA toma um certo tempo, por´em o projeto compensa por ser confi´avel e apresentar bom desempenho. Ele fornece um enlace ponto-a-ponto com conec-tividade est´avel de pouca manuten¸c˜ao, e n˜ao precisa de autoriza¸c˜ao dos ´org˜aos reguladores de telecomunica¸c˜oes nacionais.
Perda de sinal s˜ao determinadas exclusivamente pelo clima, e portanto previs´ıvel. H´a alguns provedores de internet regionais que utilizam antenas Wi-fi como redundˆancia do enlace.
Figura 3.1: FSO RONJA - Transmissores e receptores
e existe uma esp´ecie de ”chap´eu”acima da lente a fim de evitar que raios de luz interfiram diretamente na lente, evitando a focaliza¸c˜ao dos raios de luz dentro do tubo. O site cita que as pe¸cas dos abrigos s˜ao de f´acil disponibilidade, a tampa traseira e o suporte da lente s˜ao feitas de tampa de lata met´alica gen´erica por exemplo.
O sistema ´optico utiliza basicamente lentes, um LED e um fotodiodo. As lentes tanto no transmissor quanto no receptor a serem utilizadas, podem ser de 90mm ou 130mm, alcan¸cando no m´aximo 900m com lentes de 90mm e 1,4km com lentes de 130mm. Quanto aos modelos utilizados do LED e do fotodiodo, s˜ao bem espec´ıficos e de dif´ıcil disponibilidade em pa´ıses como o Brasil.
A convers˜ao eletro-´optica ´e feita por placas de circuito impresso (PCB ) que basi-camente s˜ao respons´aveis por modular e demodular os sinais ´optico e el´etricos em sinal de onda quadrada. Essas placas ficam dentro dos abrigos, e integram-se ao LED e fotodiodo, permitindo a regulagem do foco.
Os esquemas el´etricos est˜ao dispon´ıveis no site, e s˜ao complexos, pois possuem blocos como modula¸c˜ao/demodula¸c˜ao (BPSK), retifica¸c˜ao do sinal e cadeias de buffers. O uso de circuitos integrados poderia ser substitu´ıdo por FPGAs por´em elevaria mais ainda a complexidade, e custo.
Figura 3.2: Placa conversora eletro-´optica do transmissor 10M Metropolis
Existem trˆes modelos FSO RONJA, cada um com sua especificidade.
Os m´odulos Ethernet servem para agregar os sinais advindos do transmissor e receptor a fim de criar uma comunica¸c˜ao ponto-a-ponto full-duplex. Estes m´odulos s˜ao respons´aveis pela negocia¸c˜ao em cada ponta. O m´odulo Twister2 necessita de configura-¸c˜ao full-duplex manual, j´a no AUI Forte n˜ao ´e necess´ario, sendo essa a principal diferen¸ca entre eles.
24 Modelo conversor eletro-´optico Comprimento de onda (nm) M´odulo Ethernet
Tetrapolis 625 Twister2
Inferno 875 Twister2
10M Metropolis 625 AUI Forte
Tabela 3.1: Modelos FSO RONJA
Figura 3.3: Ilustra¸c˜ao dos m´odulos Ethernet
3.2.2
KORUZA 1.0
O KORUZA 1.0 ´e inovador pois utiliza um transceptor ´optico altamente comercial, a SFP (Small Form-factor Pluggable), reduzindo a complexidade da parte eletrˆonica. Com quase todas as pe¸cas dispon´ıveis para impress˜ao 3D, este projeto precisa do m´ınimo de customiza¸c˜ao.
Este FSO pode atingir at´e 1Gb/s em um alcance de 100m, oferecendo uma margem de 20dB. Foi desenvolvido inicialmente para ambientes urbanos, onde redes Wi-fi sofrem com o congestionamento do espectro de radiofrequˆencia e o lan¸camento de fibra ´optica possui um alto investimento. Por ter o feixe de luz altamente colimado, in´umeras unidades do KORUZA 1.0 poderiam existir.
Figura 3.4: FSO KORUZA 1.0 - Transmissores e receptores
S˜ao utilizadas SFPs bidirecionais, e precisam que as mesmas sejam casadas, ou seja, o comprimento de onda do TX de uma, precisa ser o RX da outra e vice-versa. As SFPs utilizam comprimentos de onda no infravermelho 1330nm e 1550nm, tipicamente utilizada em conex˜oes de redes baseadas em fibra-´optica. A grande vantagem deste tipo de m´odulo transceptor, ´e s´o necessitar de uma lente em cada unidade.
O alinhamento deste tipo de enlace ´optico ´e cr´ıtico. Pensando nisso embutiram um laser verde secund´ario somente para fazer o apontamento das unidades, j´a que a transmiss˜ao ´e no espectro infra-vermelho.
O m´odulo SFP suporta as fun¸c˜oes do padr˜ao DDM (digital diagnostics monito-ring ). O transceptor exporta medidas em tempo real da potˆencia ´optica de recep¸c˜ao e transmiss˜ao, al´em da temperatura.
A potˆencia ´optica de recep¸c˜ao ´e monitorada pelo sistema de controle, estabelecendo um rastreamento do feixe, ap´os alinhamento manual utilizando o laser verde. Baseada na leitura de potˆencia instantˆanea, as unidades FSO s˜ao alinhadas de forma precisa com motores de passo em X e Y , a fim de maximizar a potˆencia ´optica de recep¸c˜ao.
Al´em do alinhamento em X e Y por motores de passo precisos, o sistema de controle ainda pode alterar o eixo em Z, ou seja, o posicionamento do m´odulo SFP utilizando mais um motor de passo. Dessa forma ´e poss´ıvel regular a colima¸c˜ao do feixe de laser.
Sensores para medir o ambiente tamb´em foram embutidos na unidade e conseguem observar e medir parˆametros que poderiam afetar o desempenho do sistema. Contam com sensores de movimento mecˆanico e meteorol´ogicos.
´
26 sistema de controle da unidade FSO. Os c´odigos a serem executados, tamb´em est˜ao dis-pon´ıveis no website de documenta¸c˜ao do projeto FSO KORUZA 1.0.
Um conversor de m´ıdia convencional ´e utilizado para fazer a interface da camada f´ısica com a de enlace, ou seja, da SFP para uma entrada RJ45. Al´em disso, um roteador Wi-Fi com firmware OpenWRT, coleta e armazena as medidas, monitora a taxa de erro por pacote e envia os dados em tempo real para um sistema de monitoramento.
A figura abaixo ilustra a parte interna do FSO KORUZA 1.0, sem a parte ex-terna de alum´ınio. ´E poss´ıvel visualizar o conversor de m´ıdia, os motores de passo e os mecanismos de movimenta¸c˜ao em X, Y e Z.
Figura 3.5: FSO KORUZA 1.0 aberto
3.2.3
Compara¸
c˜
ao entre os projetos RONJA e KORUZA 1.0
Em termos de execu¸c˜ao de projeto, vemos que o KORUZA 1.0 apresenta maior simplicidade em compara¸c˜ao com o RONJA. As pe¸cas s˜ao de f´acil obten¸c˜ao (por impres-s˜ao 3D), n˜ao necessitam de customiza¸c˜ao e ´e necess´ario somente uma unidade FSO, ao contr´ario de duas unidades (transmissor e receptor) no projeto RONJA.
A parte eletrˆonica do projeto KORUZA 1.0 utiliza um conversor de m´ıdia e um m´odulo SFP para a parte de transmiss˜ao e interface com o usu´ario. Dessa forma evita-se a complexidade dos esquemas el´etricos e a indisponibilidade de circuitos integrados presentes no RONJA.
seria uma op¸c˜ao mais v´alida por´em n˜ao muito confi´avel, j´a que n˜ao possui um sistema de realinhamento autom´atico do feixe. Devido a limita¸c˜ao em 100m do alcance do KORUZA 1.0, n˜ao ´e muito indicado para aplica¸c˜oes comerciais.
3.3
Produtos de fabricantes FSO
H´a um artigo de uma revista [19] que cita a entrada da empresa fSONA no Brasil, em 2013. Tamb´em cita a utiliza¸c˜ao de um modelo SONAbeam para interligar dois edif´ıcios da Petrobras, a 1,5km de visada direta como backup `a rede de fibra ´optica existente.
A empresa LIGHTPOINTE n˜ao informa se existem enlaces FSO ativos no Brasil, mas apresenta aplica¸c˜oes nas cidades estado-unidenses de Nova Iorque e Richmond (Vir-ginia). Ambas foram implementadas em 2014 e n˜ao utilizam o atual modelo dispon´ıvel para comercializa¸c˜ao.
3.3.1
fSONA Optical Wireless
Existem trˆes s´eries de modelos: M, E e Z. A fSONA oferece no total sete modelos, que s˜ao classificados de acordo com o alcance e taxa de dados m´axima. Uma maior quan-tidade de lasers permite uma maior potˆencia ´optica de sa´ıda, fazendo com que penetre melhor em casos de chuva intensa, neve e nevoeiro. Dessa forma promove uma disponi-bilidade do enlace de 99.999%, segundo o fabricante. Outra vantagem presente em todos os modelos ´e a baixa latˆencia, crucial para as redes IP.
Todos os modelos trabalham com comprimento de onda de 1550nm, garantindo prote¸c˜ao aos olhos humanos, j´a que os feixes de luz n˜ao s˜ao refletidos na retina. Segundo o fabricante, ´e utilizado este comprimento de onda justamente pela seguran¸ca.
A s´erie M ´e mais focada em operadoras, e busca suprir a necessidade de enlaces mais extensos, alcan¸cando no m´aximo 5,4 km em seu modelo SONAbeam 155-M por exemplo. Esta s´erie possui quatro lasers redundantes, que comp˜oe 640mW de potˆencia ´
optica de sa´ıda (quatro transmissores de 160mW).
J´a a s´erie E n˜ao possui o mesmo alcance da s´erie M, pois a potˆencia de sa´ıda do laser e a quantidade de transmissores s˜ao inferiores a classe M. Esta s´erie possui uma potˆencia ´optica de sa´ıda de 320mW (dois transmissores de 160W).
28 A mais sofisticada s´erie ´e a Z, que atende enlaces de curto alcance com uma alta capacidade e baixo custo. Possui somente um transmissor de 160mW, por isso seu alcance ´e t˜ao inferior `as outras classes.
SONAbeam Taxa (Mb/s)
Alcance m´aximo recomendado
Interfaces
155-E 30 - 155 3,200 m E3, DS3, OC-3/STM-1, 10/100 Ethernet 155-M 30 - 155 5,400 m OC-3/STM-1, FE
1250-Z 100 - 1500 500 m OC-3/STM-1, OC-12/STM-4, FE, GE, CPRI 1/CPRI 2 1250-E 100 - 1500 2,700 m E3, DS3, 100base-T, OC-1/STM-0,
OC-3/STM-1, FE, GE, CPRI 1/CPRI 2 1250-M 100 - 1500 4,800 m OC-3/STM-1, OC-12/STM-4,
FE, GE, CPRI 1/CPRI 2 2500-Z 622 - 2500 500 m OC48/STM16, 2.5 Gbps, GE,
CPRI 2/CPRI 3
2500-E 622 - 2500 2,700 m OC48/STM16, 2.5 Gbps, GE, CPRI 2/CPRI 3
Tabela 3.2: Modelos SONAbeam
As interfaces s˜ao bem similares `as oferecidas em um r´adio micro-ondas comercial. Devido a abrangˆencia das redes IP, as interfaces mais utilizadas s˜ao aFE e GE, pois foram desenvolvidas pensando em transporte de dados e n˜ao voz, como SONET, SDH e PDH.
O uso do protocolo CPRI ´e estritamente para conex˜ao do equipamento de proces-samento da c´elula m´ovel, para seus m´odulos de potˆencia que s˜ao conectados `as antenas. A vantagem do uso deste tipo interface ´e garantir a seguran¸ca dos equipamentos e prevenir vandalismos, j´a que ficam instalados no alto da torre do site m´ovel.
Estas unidades ainda podem ser acessadas remotamente por meio do protocolo de gerenciamento SNMP. ´E necess´ario o software propriet´ario SONAbeam Terminal Con-troller para monitorar informa¸c˜oes cruciais como potˆencia do sinal de recep¸c˜ao, status da interface de rede e registro de eventos ocorridos (como perda de conex˜ao).
(a) SONAbeam M (b) SONAbeam E (c) SONAbeam Z
Figura 3.6: Abrigos das unidades SONAbeam
3.3.2
LightPointe
A fabricante LightPointe oferece em seu portf´olio somente o modelo Aire X-Stream [20]. A baixa latˆencia seria ideal para aplica¸c˜oes do tipo redes m´oveis LTE, uso do proto-colo CPRI, comunica¸c˜oes militares e negocia¸c˜oes de alta frequˆencia (commodities e ativos financeiros).
Cada unidade conta com quatro transmissores e quatro receptores, que trabalham no comprimento de onda de 850nm. A potˆencia ´optica de sa´ıda n˜ao foi fornecida pelo fabricante.
A taxa de transmiss˜ao de dados oferecida ´e de 1250Mb/s, full-duplex para distˆ an-cias de at´e 2,8 km (em ambiente com 3dB/km). As interfaces oferecidas pelo fabricante s˜ao restritas `a Giga Ethernet e CPRI. Possui uma interface Web sob o protocolo de gerenciamento remoto SNMP.
Dependendo da an´alise do enlace, a atenua¸c˜ao por chuva, nevoeiro ou fuma¸ca ao ser considerada altera a distˆancia m´axima do enlace, sendo 1,6 km em 10 dB/km e 1,0 km em 17dB/km. Lembrando que as unidades contam com o sistema de auto-localiza¸c˜ao do feixe de luz para minimizar os efeitos da turbulˆencia atmosf´erica.
30
Figura 3.7: FSO Aire X-Stream
3.3.3
Compara¸
c˜
ao entre os FSO’s Aire X-Stream
e
SONA-beam
Somente o FSO da linha SONAbeam oferece at´e 2,5Gb/s. O valor m´aximo de banda oferecido pelo Aire X-Stream ´e de 1,25Gb/s. Ambos ofertam um enlace ´optico de baixa latˆencia indicado principalmente para aplica¸c˜oes de rede m´ovel.
Estes equipamentos podem funcionar em enlaces h´ıbridos, onde outra tecnologia ´e utilizada para comunica¸c˜ao. Sendo assim, independentemente do clima, a disponibilidade da comunica¸c˜ao n˜ao ser´a afetada.
3.4
Estudo de viabilidade do projeto
Nesta se¸c˜ao ser˜ao abordados os principais t´opicos para o design do FSO, tais como lentes, abertura num´erica e difra¸c˜ao.
3.4.1
Lentes
Por defini¸c˜ao uma lente ´e um corpo transparente limitado por duas superf´ıcies refratoras com um eixo central em comum. Quando a lente est´a imersa no ar, a luz ´e refratada ao penetrar a lente, atravessa a lente, ´e refratada uma segunda vez e volta a se propagar no ar. As duas refra¸c˜oes podem mudar a dire¸c˜ao dos raios luminosos.
Existem dois tipos de lente: convergente e divergente. Como o pr´oprio nome sugere, elas possuem a caracter´ıstica de fazer com que os raios luminosos se aproximem
ou afastem do eixo central. Para os fins deste trabalho, ser˜ao utilizadas somente lentes convergentes, j´a que o objetivo ´e fazer com que os raios emitidos pelo objeto no foco da lente sejam colimados.
As lentes est˜ao sujeitas a diversos tipos de aberra¸c˜oes sendo as principais crom´atica e esf´erica. Quando os raios sofrem aberra¸c˜ao crom´atica, ocorre a chegada dos raios em um ponto diferente do objeto de acordo com o comprimento de onda. J´a na aberra¸c˜ao esf´erica, ocorre a divergˆencia do feixe colimado.
Dentre a classifica¸c˜ao das lentes delgadas ser˜ao exploradas as biconvexa e plano-convexa. A diferen¸ca f´ısica entre elas ´e que a lente plano-convexo possui uma das faces lisa e a outra curva, enquanto a lente biconvexa possui as duas superf´ıcies curvas.
Lentes plano-convexa s˜ao indicadas quando um ponto conjugado (distˆancia do objeto) ´e maior do que cinco vezes o outro. Em outras palavras, ´e utilizada para pontos que geralmente focam no infinito. Possui as caracter´ısticas de focar um feixe de luz colimado ou colimar uma fonte de luz. Elas podem estar sujeitas a alguma aberra¸c˜ao esf´erica, mas pode ser reduzida se necess´ario por meio de um sistema de multi-elemento. J´a as lentes biconvexas funcionam melhor quando o objeto e a imagem est˜ao em lados opostos. A raz˜ao da distˆancia entre objeto e imagem (raz˜ao conjugada), deve estar est´a entre 0,2 e 5. Esta lente tamb´em ´e utilizada quando deseja-se criar um imagem virtual de um objeto.
Neste trabalho vamos considerar lentes grossas, com o objetivo de colimar o feixe de luz. Para calcular o foco de uma lente, utilizamos a seguinte f´ormula, conhecida como equa¸c˜ao dos fabricantes de lentes:
1 f = " n2 n1 − 1 " 1 R1 + 1 R2 (3.1) Onde f ´e o foco da lente, n2 e n1 s˜ao ´ındice de refra¸c˜ao da lente e ´ındice de refra¸c˜ao
do meio que envolve a lente, respectivamente. O raios R1 e R2 ser˜ao positivos para lentes
convergentes e negativos para lentes divergentes. Vale notar que, considerando uma lente biconvexa (R1 igual a R2), com ´ındice de refra¸c˜ao igual a 1.5, podemos obter a seguinte
rela¸c˜ao:
f = R (3.2)
32 foco da mesma.
Raios paralelos que incidem na lente em um determinado ˆangulo em rela¸c˜ao ao eixo da lente, s˜ao focados no plano focal. Caso os mesmos n˜ao estejam paralelos ao eixo da lente, o ponto focal ficar´a fora do eixo da lente, portanto o alinhamento do sistema (fonte e lente) ´e crucial.
Figura 3.8: Plano focal de uma lente
3.4.2
Abertura num´
erica
A habilidade de coletar luz em diversos ˆangulos de incidˆencia ´e uma importante caracter´ıstica em um sistema ´optico.
Figura 3.9: Convergˆencia de raios da lente para o receptor, no ponto focal.
(a) A luz est´a incidindo paralelamente ao eixo da lente; (b) A luz incide no m´aximo ˆ
angulo de recep¸c˜ao (ˆangulo de aceita¸c˜ao); (c) Os raios incidem fora do ˆangulo de aceita¸c˜ao Como pode ser visto na figura 3.9, a lente faz a recep¸c˜ao de mais raios do que o fotodetector somente. Tamb´em nota-se que ´e poss´ıvel obter o ˆangulo de aceita¸c˜ao m´axima θ por simples trigonometria:
tan(θ) = d
2f (3.3)
Onde d ´e o diˆametro da superf´ıcie circular do fotodetector e f ´e o foco da lente. A abertura num´erica (NA) ´e definida da seguinte forma:
