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Antenas Inteligentes
Acredita-se que as primeiras antenas foram construÃdas em 1886, por um fÃsico alemão chamado Heinrich Rudolf Hertz com o objetivo de auxiliarem no estudo e no desenvolvimento das teorias sobre o eletromagnetismo. Hoje, anos após as descobertas de Hertz, qualquer antena é definida como o elemento responsável por transformar a energia eletromagnética guiada pela sua linha de transmissão em energia eletromagnética irradiada (e vice-versa, no caso de um receptor). Embora sejam de vital importância para o processo de transmissão/recepção de dados, as antenas, por diversos motivos, geralmente constituem a parte mais negligenciada de um projeto wireless. Fato que resultará em altos Ãndices de fading, delay spread, interferência cocanal, cancelamento de fase entre outros.
Sistemas de Antenas
Basicamente, são arranjos de antenas cujo objetivo é obter performances impossÃveis de serem atingidas com uma antena simples. Os sistemas de antenas utilizados em WLANs (Wireless Local Area Network) são tecnicamente diferentes dos empregados em um sistema celular, mas ambos procuram reduzir as interferências, controlar a diretividade e o ganho combinado. São exemplos de sistemas de antenas:
Sistemas setorizados: é o modo utilizado pelo sistema celular tradicional, dividindo a área a ser atendida em setores e cobrindo cada um deles por meio de antenas direcionais. A área de cobertura total deste conjunto é muito maior do que a obtida por uma simples antena omnidirecional (tipo de antena capaz de irradiar em todas as direções no plano horizontal).
Sistemas com diversidade: estes utilizam duas antenas separadas por uma pequena distância fÃsica. Quando combinados com os métodos “diversidade comutada” ou “diversidade combinada” melhoram o nÃvel do sinal recebido, reduzindo os efeitos da recepção por múltiplos caminhos. O esquema da diversidade comutada (Switched Diversity) assume que uma das antenas conseguirá entregar/receber dados com qualidade. Já o esquema da diversidade combinada (Diversity Combining) mescla os sinais recebidos por ambas as antenas e corrige os erros de fase, obtendo assim um ganho maior.
Por último há o sistema de antenas inteligentes, foco deste artigo e detalhado a seguir.
Sistemas de Antenas Inteligentes (Smart Antenna Systems)
São sistemas também conhecidos por phased array, SDMA (Spatial Division Medium Access), processamento espacial, digital beamforming entre outros. Grosso modo, eles são capazes de combinar um arranjo de antenas simples com processamento digital de sinais, transmitido e recebendo dados de forma adaptativa. Ou seja, os sinais irão se comportar de acordo com as variações do meio. Esses sistemas empregam várias tecnologias, porém as mais utilizadas são: Switched Beam e Adaptive Array, destacando que ambas procuram aumentar o ganho do sinal recebido em função da posição espacial do usuário.
Antenas do tipo Switched Beam periodicamente verificam, detectam e escolhem o feixe de sinal mais adequado para uma determinada situação, procurando manter o cliente móvel com melhor condição de transmissão e recepção. Já as antenas tipo Adaptive Array apresentam funções mais avançadas, utilizando complexos algoritmos de processamento de sinais. Elas permitem localizar e acompanhar o sinal de interesse, saltando para outros melhores sempre que houver condições. Somente o esquema Adaptive Array permite ganho ótimo ao mesmo tempo em que identifica, acompanha e minimiza os sinais indesejados. Abaixo uma imagem comparando as capacidades de um sistema convencional, Switched Beam e Adaptive Array inseridos em ambientes com baixos e altos Ãndices de interferências. Pela imagem, torna-se claro que os sistemas Adaptive Array, independentemente das condições do meio, apresentam o melhor desempenho.
Conclusão
Com o aumento da quantidade de sistemas wireless, as condições de transmissão e recepção de RF estão cada vez mais complexas, pois sinais com potências e freqüências diferentes precisam conviver no mesmo espaço fÃsico em harmonia. Hoje os sistemas de antenas inteligentes atendem a essa necessidade, fato que justifica a sua aplicação em várias tecnologias como WiMAX, Wi-Fi, TV Digital entre outras.
Filtro de RF ou de banda
Sabemos que o espectro de rádio freqüência está dividido em faixas, definidas por agências reguladoras e/ou convenções internacionais cujo objetivo é reservá-las para um determinado tipo de serviço. De acordo com a aplicação, essas faixas são divididas em freqüências menores e passam a ser chamadas de canais. No Brasil os equipamentos wireless que operam nos padrões IEEE 802.11b e/ou IEEE 802.11g, ambos em 2,4 GHz, dispõem de até 13 canais diferentes para se comunicarem. Mas praticamente todos os produtos encontrados em nosso paÃs são produzidos nos Estados Unidos, nação cujo FCC (Federal Communications Commission) limita a utilização aos 11 primeiros canais.
Nota-se que o espaçamento das freqüências centrais das portadoras é de 5 MHz. Porém, a largura de banda de cada canal é de 22 MHz. Isto significa que aparecerão ruÃdos e a comunicação ficará comprometida em situações onde o intervalo de 22 MHz não é respeitado. Por exemplo: duas redes próximas operantes nos canais 1 e 3. Isto justifica o conselho encontrado em qualquer livro sobre tecnologias Wi-Fi: “em um ambiente WLAN multicelular o ideal é combinar os canais 1, 6 e 11, arranjo que levará os 22 MHz em consideração e evitará as sobreposições e interferências”.
Fato é que na prática alguns não se preocupam em construir redes de acordo com este arranjo “ótimo”, utilizando os canais 1, 6 e 11, mas optam por agregar ao conjunto um aparelho chamado Filtro de RF (Rádio Freqüência) – também conhecido por Filtro de Banda. O filtro de RF é o elemento responsável por “isolar” os sinais de um sistema, fazendo com que o conjunto opere apenas no canal definido. Ou seja, sinais de outros canais são descartados, garantindo, desta forma, boa qualidade na transmissão e recepção de dados. Por exemplo: duas redes próximas operantes nos canais 1 e 3 podem coexistir sem qualquer problema desde que ambas empreguem ao conjunto filtros de RF. Vale salientar que há vários modelos de filtros para diversos fins (indoors, outdoors e operáveis em outras freqüências, como em 5 GHz para o padrão IEEE 802.11a), mas são relativamente caros e difÃceis de serem encontrados fora dos grandes centros. Abaixo um filtro de RF para uso indoor da HyperLink Technologies. Este trabalha em 2,4 GHz e escuta nos seguintes canais: 1, 3, 6, 9, 11, 13 e 14.
É isso!
FHSS Frequency Hopping Spread Spectrum Saltos
O método FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum – Espalhamento por Saltos em Frequências) faz parte da técnica Spread-Spectrum que, basicamente, consiste em espalhar a informação por uma banda muito maior do que a necessária para a sua transmissão. Para tal, FHSS divide a banda total em vários canais de pequena largura de banda. Desta forma, transmissor e receptor saltam por estes canais conforme uma sequência pseudo-aleatória conhecida por ambos.
Pode-se afirmar que o método FHSS usa a largura de banda de forma ineficaz, pois ocupa toda a banda para realizar o espalhamento. Por conta disso, sistemas que operam em FHSS geralmente apresentam velocidades inferiores em relação aos que trabalham em DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum). Porém, quando o assunto é segurança, FHSS é considerado robusto. Afinal, receptores não desejados – ou que não conhecem a sequência pseudo-aleatória em questão – enchergam sistemas FHSS como ruÃdos de curta duração.
Alguns dispositivos WLAN que operam na faixa de 2400 a 2483 MHz utilizam FHSS. Nesses casos, divide-se a banda total em 79 canais de 1 MHz cada e os saltos ocorrem no mÃnimo a cada 0,4 segundo.
É isso!
Telefones sem fios interferencias redes wireless WLAN
Em artigos anteriores comentamos sobre alguns aparelhos que podem causar interferências em WLANs. Neste iremos além. Vamos esclarecer melhor a questão dos telefones sem fios que operam em 2,4 GHz. Falaremos sobre os tipos existentes e quais são os efeitos ocasionados pelo uso destes aparelhos em ambientes WLANs.
Em ambientes corporativos, boa parte das redes wireless instaladas são 802.11b e 802.11g. Estes padrões, como já exposto em vários outros artigos, usam a faixa de 2,4 GHz. Nestes locais não é raro encontrar telefones que também operam nesta freqüência, causando retardos na rede e deixando muita gente irritada.
Com uma alta potência de transmissão, os telefones normalmente funcionam em FH (Frequency Hopping ou Saltos em Freqüência). Dentre estes, há dois tipos distintos. Cada um pode afetar de forma diferente uma WLAN em 2,4 GHz.
O tipo mais comum fica o tempo todo “saltando” em freqüências (com o telefone no gancho ou em conversação). A base fica constantemente emitindo uma portadora pseudo-aleatória de faixa estreita (geralmente 1 MHz), variando-a em toda a banda de 2,4 GHz. Valor de faixa diferente dos encontrados numa WLAN. Afinal, sabe-se que aparelhos 802.11b e 802.11g são de faixa larga: 22 MHz.
Em todos esses equipamentos, as portadoras variam com o tempo não permanecem fixas na mesma freqüência por mais de alguns milissegundos. Isto significa que em algum instante, mesmo com faixas distintas (22 MHz e 1 MHz), aparelhos WLAN e telefones podem se cruzar. Ou seja, haverá interferência quando ocorrer o casamento das freqüências. Ela é passageira. Ao assumirem outros valores (cujo tempo normalmente é de 400 milissegundos), cessa-se a interferência. Porém não se engane. Este curto perÃodo de tempo é suficiente para ocasionar problemas. Por exemplo: redução da taxa efetiva de transferência e até perda de pacotes.
Outro tipo de telefone que utiliza a tecnologia FH não “salta” em nenhum momento. Eles conseguem escutar o meio em busca de um canal livre antes de estabelecerem comunicação com a base. Ao encontrarem, ficam no canal escolhido até o fim da ligação. O problema reside na sensibilidade destes aparelhos, pois não possuem um scanning apurado. Eles podem assumir um canal ocupado como livre, ação que certamente prejudicará a rede em questão.
O que fazer nesses casos?
A solução definitiva está na substituição dos telefones 2,4 GHz por outros que operam em 900 MHz.
É isso!
Fall Back WLAN radios modelos QAM QPSK BPSK
Quem mexe com WLAN (Wireless Local Area Network) certamente já ouviu que determinados produtos possuem Fall Back automático. É o caso dos rádios SIEMENS Gigaset SE551, ORINOCO PROXIM 4000, CORINEX PLC Wi-Fi 802.11g, EDIMAX EW-7205AP, D-Link DWL 900AP, SparkLAN WRTR-142 e muitos outros. Mas o que isto significa?
Como já vimos em artigos anteriores, a velocidade entre o terminal do usuário e o ponto de acesso pode variar por diversos motivos Quando isto acontece, altera-se o tipo de modulação. Ou seja, procura-se ajustar a modulação conforme as oscilações da rede. Fall Back é o responsável por esta tarefa. Por exemplo: considere um rádio operando no padrão 802.11a com 54 Mbps e utilizando a modulação 64 QAM. Caso a relação sinal ruÃdo (SNR) deste esquema cair abruptamente, ocorre um ajuste de modulação para atender o novo estado do sistema. Neste caso, de acordo com a nova taxa de transferência, poderão ser aplicadas modulações 16 QAM, QPSK ou BPSK.
Abaixo uma tabela com as velocidades suportadas pelos principais padrões IEEE:
É isso!
