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Sistema Rádio

O sistema rádio ponto a ponto, conhecido também como radiovisibilidade oulinks terrestres, constituiu-se por muito tempo como o principal meio detransmissão de alta capacidade.

Atualmente, com a evolução dos sistemas de fibra óptica, os backbones de altacapacidade vem sendo substituídos gradativamente por sistemas FOTS SDH(Fiber Optical Transmission System – Synchronous Digital Hierarchy).

Para os sistemas de transporte de baixa e média capacidades, o radioenlaceponto a ponto vem sendo utilizado em grande escala no Brasil e no mundo, emconjunto com sistemas em fibra óptica.

Satélite

Os satélites artificiais são largamente empregados em telecomunicações, os quais podem ser classificados em geoestacionários ou não geoestacionários de acordo com sua órbita e podem prover meios de comunicação adequados para

muitas aplicações, tanto para comunicações fixas como móveis.

Os satélites não são utilizados apenas para telefonia e transmissão de dados;também podem ser empregados na difusão direta de sinais de televisão parafinalidades domésticas.

A evolução dos satélites ocorreu de forma similar à dos links terrestres,iniciando com sistemas analógicos, evoluindo para sistemas digitais

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Sistemas Celulares

Os serviços de telecomunicações via rádio iniciaram-se logo após a invençãodo rádio, passando por uma série de estágios de regulamentação e evoluçãotecnológica. Ainda hoje, devido à grande demanda por serviços detelecomunicações celulares móveis, tanto a regulamentação quanto aimplementação de novas tecnologias passam por um processo de conturbadosdebates, em que grandes interesses estão em jogo.

Sistemas FOTS (Fiber Optical Transmission System)

Os sistemas que utilizam fibra óptica é o mais importante meio de transmissãoutilizados nas redes de transporte de todas as características e dimensões no quese refere à capacidade, localização, extensão da rede, incluindo backbones,entroncamentos e redes de acesso.

A fibra óptica apresenta grandes vantagens comparadas aos condutoresmetálicos, tais como: imunidade a ruídos externos em geral e interferênciaseletromagnéticas, imune à influência do meio ambiente, ausência de diafonia,cabos de pequenas dimensões, o que implica em economia no transporte einstalação.

Sistemas XDSL

Nova tecnologia de acesso de dados a alta velocidade, o xDSL (DigitalSubscriber Line), que representa uma abreviatura das várias soluções existentesem termos de DSL (ADSL, HDSL, etc.).

Enquanto outras tecnologias concorrentes necessitam de melhoramentos nasinfra-estruturas existentes, o DSL utiliza como meio de transmissão as linhastelefônicas existentes, tendo como principal característica a de “transformá-las”em linhas de transmissão de alta velocidade.

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Dentre os diversos meios de transmissão disponíveis podemos destacar asvantagens e desvantagens de cada um. A escolha está intimamente ligada com arelação custo/benefício e considerando também a aplicação desse meio.

Procuramos destacar aqui as principais vantagens em escolher um sistema derádio digital, não que ele seja o melhor mas que, sem dúvida, tem seu lugardentro de uma rede de telecomunicações e em algumas aplicações torna-se omeio mais apropriado.

O objetivo aqui não é esgotar o assunto mas chamar a atenção para umsistema amplamente utilizado em diversas áreas nas telecomunicações. Ossistemas rádio continuam a ser utilizados e implantados em quantidade cada vezmaior e em conjunto com os sistemas FOTS, sendo um dos principais meios detransmissão mais largamente empregados.

Apesar de não poder concorrer com a fibra óptica em termos de capacidade detransmissão, o rádio continua a ser largamente utilizado, mesmo em backbones,exceto onde a capacidade requerida é muito grande, da ordem de milhares demegabits ou superior.

As ligações de rádio apresentam vantagens não somente no caso de regiõesnão desenvolvidas e inacessíveis, como também no estabelecimento de formarápida de uma rede flexível e adaptada às condições topográficas eorganizacionais. Muitas vezes o radioenlace aparece como única soluçãoadequada, especialmente nos casos de regiões densamente povoadas, em que o

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lançamento de cabos enfrenta dificuldades quase que insuperáveis de direitos depropriedade e licenças de trajeto.

Tipicamente, em termos de custos, quando não existe nenhuma infra-estruturade rádio ou fibra, o custo e prazo de implantação de rádio são bem menores,exceto para links muito curtos (da ordem de centenas de metros).

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A propagação das ondas eletromagnéticas entre as antenas de transmissão erecepção dependem fundamentalmente das propriedades do meio de transmissão.

As propriedades do meio, espaço-atmosfera-superfície terrestre e,conseqüentemente o tipo de propagação dominante dependem da frequência daonda irradiada.

Alguns parâmetros que determinam o mecanismo de propagação sofremalterações em função da região envolvida (florestas, desertos, mares, montanhas,etc.) bem como variações naturais (temperatura, pressão, umidade, etc.).

Assim, precisamos basicamente considerar, quando falamos de propagaçãoeletromagnética, a superfície da Terra (curvatura e topografia) e a atmosferaformada pelas suas camadas :

Troposfera → é a camada mais baixa. Tem seu comportamento determinadobasicamente por três parâmetros: pressão atmosférica, temperatura e umidade.Nesta camada ocorrem os efeitos meteorológicos.

Estratosfera (ou Mesosfera) → é a camada intermediária. Temcomportamento muito estável em termos de propagação e por este motivo nãotem tanta importância.

Ionosfera → é a camada mais externa. Tem seu comportamento determinadopela ionização solar e por isso é muito importante para algumas faixas defrequência.

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O espectro de rádio, de 0.3KHz até 300GHz, é uma faixa do espectroeletromagnético (infravermelho, luz visível e ultravioleta e as frequências do raioX são de outras faixas). O espectro do rádio está dividido em nove faixas defrequência, como mostrado acima.

As ondas de rádio com frequências abaixo de 30 MHz são refletidas pelaionosfera e pela terra, possibilitando que sejam usadas para o tráfego rádio-marítimo, telégrafo e telex. A capacidade é limitada a algumas dezenas oucentenas de bit/s.

Acima de 30 MHz, as frequências são altas demais para serem refletidas pelascamadas ionizadas da atmosfera. As faixas de frequência VHF e UHF usadas paraTV, radiodifusão e telefonia móvel pertencem a esse grupo.

As frequências acima de 3 GHz estão sujeitas a severas atenuações, causadaspor obstáculos (tais como edifícios) e, por isso requerem uma “linha devisibilidade” livre entre o transmissor e o receptor. Os sistemas de enlace de rádiousam as frequências entre 2 e 40 GHz, e os sistemas de satélite usamnormalmente as frequências entre 2 e 14 GHz. A capacidade está na magnitudede 10 – 150 Mbit/s.

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Uma análise mais completa do espectro do rádio nos revela a forma depropagação em cada uma das faixas :

ELF → Há uma penetração razoável no solo e distâncias ainda maiores naágua. Os sistemas de rádio necessitam de potências elevadas, na ordem de MW(Mega-Watts). Essa faixa de frequência é utilizada para comunicações marítimase escavações em minas.

VLF → Nesta faixa de frequência a propagação dominante é através dereflexão(ões) na ionosfera, sendo considerado um ótimo condutor, pois provocapequena atenuação na onda refletida.

LF e MF → Na faixa de LF até aproximadamente 100 KHz, ainda predominao mecanismo de reflexão ionosférica, muito embora a atenuação da onda sejamaior que a observada na faixa VLF. Acima de 100 KHz e entrando na faixa deMF, a propagação predominante é através de ondas superficiais que tendem aacompanhar a superfície terrestre, que apresenta menor atenuação que omecanismo de reflexão ionosférica.

HF → A propagação é principalmente através da refração ionosférica masainda podemos observar ondas superficiais próximas ao transmissor.

VHF, UHF → O mecanismo de propagação dominante é a onda direta entretransmissor e receptor, neste caso teremos grande influência dos efeitosrelacionados com a troposfera, refração atmosférica, e a topografia na região doenlace, reflexões na terra e na água. Em VHF e a parte mais baixa da faixa UHF épossível estabelecer comunicação por difração em obstáculos.

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Os rádios VHF e UHF caracterizam-se pela pequena capacidade de transmissãodevido à pequena banda disponível por canal. Estas faixas estão muito saturadas,devido a utilização não somente em radioenlaces como em outros serviços, alémde serem mais vulneráveis a ruídos ambientais, como o de ignição causado porveículos, apresentando desta forma uma qualidade e confiabilidade inferiores esão utilizadas em links de acesso.

SHF e EHF → Sistemas de propagação em visibilidade, uma vez que asantenas permitem focalizar ao ondas e diminuem a influência do terreno naenergia propagada.

A faixa de SHF mais conhecida por faixa de microondas, é utilizada emenlaces de alta, média e baixa capacidades.

As faixas de frequência de 4 a 8 GHz, consideradas as mais adequadas para autilização em comunicações rádio de alta capacidade desde a época de sistemasanalógicos, no que se refere à propagação, projeto de equipamentos, dimensõesdas antenas e guias de onda, foram as primeiras a serem utilizadas para estafinalidade, principalmente como backbones regionais e nacionais, com enlacestípicos de 30 a 50 Km, podendo atingir distâncias maiores, dependendo dascondições do enlace e utilização de diversidade de espaço em casos críticos.

Faixas superiores a 10 GHz sofrem atenuações crescentes devido a chuvas,limitando desta forma as distâncias dos enlaces utilizando essas faixas.

Para os rádios analógicos de alta capacidade (960 e 1800 canais), formautilizadas as faixas de 4, 5, 6, 6.7, 7.5, e 8 GHz para longas distâncias e 11 GHzpara curtas distâncias. Muitos desses rádios estão ainda em operação comercialcomo rota principal ou como rotas alternativas para transmissão de telefonia eTV.

Com a saturação do espectro, sobretudo nas faixas consideradas “nobres”,frequências cada vez mais altas, apesar das limitações de distância, são utilizadas.

Isto foi possível com a utilização de equipamentos outdoor ou split cujaunidade de RF fica situada na torre, junto à antena, devido à compactação dasunidades e componentes, inclusive de RF e a conseqüente eliminação do guia deonda, cuja perda também aumenta muito em função da distância.

As faixas acima de 11GHz (15, 18, 23, 38GHz) são utilizadas atualmente,tendo como aplicação principal para links nas regiões metropolitanas e urbanasde curta distância e baixa capacidade, mas são utilizadas também pra média e altacapacidades.

A utilização dos espectros de frequência para os rádios ponto a ponto dependenaturalmente de regulamentações e normas, que devem ser respeitadas.

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Adota-se o termo radioenlaces ponto a ponto por considerar o que melhordefine estes sistemas, apesar de não ser perfeito, causando também algumasconfusões e ambigüidades.

O termo “ponto a ponto” está relacionado com o fato de a comunicação emnível de radioenlaces ser sempre realizada entre duas estações, ou seja, um únicoconjunto de receptores, localizado em uma única estação, recebe o sinal de umúnico conjunto de transmissores também localizado em um única estação.

Obviamente, a rede de transporte como um todo, associada a outrosequipamentos como multiplex, centrais de comutação e outros, provê acomunicação entre todos os usuários que a utilizam.

Em contraposição, temos sistemas na topologia ponto-multiponto em que umsinal gerado em uma estação é recebido simultaneamente por mais de umaestação, utilizando técnicas de compartilhamento como FDMA, CDMA ouTDMA e antenas omnidirecionais ou setoriais.

O termo radioenlace em que referimos pode denominar tanto enlaces isolados(links) como enlaces fazendo parte de uma rota de rádio.

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Vimos que no espectro de frequência do rádio fez-se necessário uma divisãodadas as características de cada faixa de frequência e de forma conveniente aestas características o serviço ou a aplicação de cada uma delas. Com isso, asfaixas de frequências denominadas UHF, SHF e o princípio da faixa EHF são asprincipais utilizadas para sistemas de rádio digital ponto a ponto (point-to-point –PTP) e ponto-multiponto (point-multipoint – PMP). Temos como principalmecanismo de propagação a onda direta mas também o aparecimento dapropagação multipercurso (refrações troposféricas e reflexões), que será muitoimportante na análise quanto a viabilidade do sistema. A distância dependerá,dentre outros fatores, da frequência utilizada.Por exemplo, um sistema de 2GHzpossui um alcance de, aproximadamente, 50 Km e um sistema de 18 GHz possuium alcance entre 5 a 10 Km.

Quanto a capacidade dos sistemas de rádio digital, essas faixas de frequênciasmencionadas acima, também estão divididas de forma a atender o serviço o maiseficiente possível e para isso os órgãos regulamentadores (no Brasil – ANATEL– Agência Nacional de Telecomunicações) definem as capacidades de tráfegosub-dividindo as faixas de frequências bem como definindo também a largura debanda máxima para cada taxa de transmissão.

Como nos mostra o quadro acima, é possível implementar sistemas de baixacapacidade na ordem de alguns Kbps até sistemas de alta capacidade na ordem decentena de Mbps.

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Necessidade da Modulação

Compatibilizar as características do sinal a ser transmitido com ascaracterísticas do canal de comunicação.

Definição da Modulação

Processo pelo qual alguma característica de uma forma de onda (portadora) évariada de acordo com uma outra forma de onda (sinal modulante).

Características da Portadora que podem ser alteradas:

• Amplitude

• Fase

• Frequência

A variação da portadora pode ser feita por um sinal cujo nível variacontinuamente (modulação analógica) ou varia de forma discreta (modulaçãodigital).

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Exemplo de modulação analógica em amplitude, frequência e faserespectivamente.

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Nas transparências a seguir serão apresentados os principais tipos demodulações digitais utilizadas para transmissão digital e suas representaçõesanalíticas, temporais e vetoriais.

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Modulação BPSK

Exemplo: para Eb/No = 8,4 dB Pb = 1. 10-4

o

bb

N

EQP

2

ada tabul 2

1)( 2

2

dexQx

3 xpara 2

1)( 2

2

x

ex

xQ

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PE(M) probabilidade de erro de símbolo

Es energia por símbolo: Es = Eb log2 M

Probabilidade de erro de bit x probabilidade de erro de símbolo

• A relação entre Pb x Pe depende do mapeamento da seqüência binária noconjunto de M símbolos transmitidos.

• Um resultado genérico simples não é possível, mas podemos traçar os limitesdesta relação.

2M para sen2

2)(

MN

EQMP

o

sE

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Exemplo: Sistema QPSK

QPSK com mapeamento Gray

mínimo: 1 bit errado

1 símbolo errado

máximo: 2 bits errados

1 erro de símbolo em 10.000 Pe = 1.10-4

Mínimo : 1 erro de bit em 20.000 Pb = 0,5 .10-4

Máximo : 2 erros de bit em 20.000 Pb = 1.10-4

1/2 .10-4 Pb 1 . 10-4

Generalizando:

01

11

00

10

1 símbolo = 2 bits

ebe

PPM

P

2log

32

Para Eb/No alto e com utilização de código Gray temos:

M

PP

eb

2log

010 001

101 110

011

100

000

111

Símbolo transmitido

010 001

101 110

011

100

000

111

Sem código Gray Com código Gray

8-PSK – com e sem código Gray

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A figura a seguir apresenta as curvas de Pe x Eb/No várias valores de M.

Eb/No dB

-5 0 5 10 15 20 25 30

-1,6

100

10-1

10-2

10-3

10-4

10-5

M=64M=32M=16M=8M=4M=2

Pro

bab

ilid

ade

de

Err

o d

e S

ímb

olo

Lim

ite

de S

hann

on

Probabilidade de Erro de Símbolo x

Eb/No para o esquema M-PSK

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A seguir vemos uma tabela comparativa do sistema PSK para alguns valores deM.

Comparação entre sistemas M-PSK

• Para valores grandes de M, o sistema M-PSK torna-se ineficiente, pois paraganhar 1 bit por Hz pagamos um preço de 6 dB no C/N.

• Entre os sistemas do tipo PSK, existe ainda o PSK diferencial ou DPSK. ODPSK é um tipo de modulação que elimina a necessidade de um sinal referênciacom coerência de fase no receptor para o processo de detecção.

• Suas principais características são:

Maior simplicidade

Pior performance (veja tabela a seguir)

• A seguir apresenta-se uma tabela comparativa do sistema DPSK para algunsvalores de M.

nº de estados por símbolo

nº de bits por hetz

C/N (dB)Pb = 10-4

BW=ideal

Eb/No (dB)Pb=10-4

2 1 8,4 8,4

4 2 11,4 8,4

8 3 16,8 11,8

16 4 22,0 16,3

32 5 28,0 21,0

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Comparação entre sistemas DPSK

M C/N

2 9,4

4 13,5

8 19,3

16 25,0

32 31,0

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Para ilustrar a afirmação acima, sejam os exemplos seguintes, ondedeterminaremos a energia média necessária do sinal para manter a distância entreos pontos da constelação igual a 2, e portanto obter (praticamente) a mesmaprobabilidade de erro.

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O desempenho do sistema depende do tipo de constelação. Em QAM o tipo deconstelação mais utilizado é o retangular, apesar do esforço de pesquisa nos maisdiversos tipos de geometria, cujo objetivo é sempre o da otimização da energiamédia da constelação (empacotamento de energia).

M=4

M=16

M=32

M=64

M=128

M=256

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A Tabela a seguir apresenta as energias médias das constelações necessáriaspara a transmissão considerando-se que a distância mínima entre dois pontos daconstelação é igual a 2.

M Bits/símbolo(log2 M)

10 log10

4 2 2 3,0

8 3 4,73 6,78

16 4 10 10,0

32 5 20 13,0

64 6 42 16,2

128 7 82 19,1

256 8 170 22,3

Energia média necessária para constelações QAM retangulares – distância mínima igual a 2

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Sistemas M-FSK apresentam pontos no espaço de sinais que são ortogonaisentre si. No caso, por exemplo, de um 3-FSK, vemos acima onde estariam asregiões de decisão para detecção de cada um de seus três símbolos.

Para sistemas FSK com detecção coerente a probabilidade de erro é dada pelaseguinte expressão:

No gráfico a seguir apresenta-se as curvas de desempenho de probabilidade deerro em função de Eb/No, para vários valores de M.

o

se

N

EQMP )1(

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Probabilidade de erro x Eb/No para M-FSK

Eb/No, dB

-10-1,6

0 10 20

10-3

Pro

ob

abili

dad

e d

e E

rro

de

Sím

bo

lo

Pe

10-5

10-4

10-2

10-1

M = 2

M = 4

M = 8

M = 16M = 32M = 64

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Vemos acima uma comparação entre os vários esquemas de modulação digitalem termos de eficiência de largura de faixa em função do tipo de modulação eEb/No para uma taxa de erro constante de 10-5. Apresenta ainda as regiõeslimitadas em potência e em largura de faixa.

Observa-se que o sistema M-FSK é o único em que para uma dadaprobabilidade de erro o valor necessário de Eb/No diminui com o aumento de M.Entretanto o preço a ser pago por isso é uma expansão da largura de faixanecessária para a transmissão, que acaba diminuindo a eficiência de largura defaixa, na medida em que M aumenta.