Link wireless
Um sistema básico de comunicação consiste em dois rádios e respectivas antenas, separados por um caminho a ser coberto. Para que seja estabelecida a comunicação entre os dois rádios é necessário que as antenas captem uma certa quantidade mínima de sinal, apresentando-o à ficha de entrada do rádio. A determinação da viabilidade do link é um processo chamado "cálculo do orçamento do link" (linkbudget). A passagem, ou não, do sinal entre os rádios dependerá da qualidade do equipamento utilizado e da diminuição do sinal devido à distância (path loss).
Cálculo do orçamento do link
A potência disponível de um sistema 802.11 pode ser descrita pelos seguintes factores:
Potência de transmissão (TX power). É expressa em miliwatts ou dBm. Varia entre 30 mW a mais de 200 mW. A potência de transmissão depende frequentemente da taxa de transmissão. A TX Power de um determinado dispositivo deve estar especificada na literatura fornecida pelo fabricante, mas pode ser difícil de ser encontrada às vezes. Bases de dados online, como a fornecida pela SeattleWireless podem ajudar.
Ganho da antena. As antenas são componentes passivos que criam o efeito de amplificação em função de sua forma física tendo as mesmas características, tanto na transmissão quanto na recepção. Assim, uma antena de 12 dBi é simplesmente uma antena de 12 dBi, sem importar se está em modo de transmissão ou recepção. Antenas parabólicas têm um ganho de 19 a 24 dBi, antenas omnidirecionais têm de 5 a 12 dBi e antenas setoriais têm um ganho aproximado de 12 a 15 dBi. Nível mínimo de sinal para recepção (Minimum Received Signal Level, ou RSL mínimo) expressa simplesmente a sensitividade do receptor. O mínimo RSL é sempre expresso como um dBm negativo (-dBm) e é o sinal de menor potência que o receptor consegue distinguir. O mínimo RSL depende da taxa de transmissão mas, como regra geral, a menor taxa (1 Mbps) implica na maior sensibilidade. O mínimo ficará tipicamente entre -75 a -95 dBm. Como a TX Power, as especificações do RSL devem ser fornecidas pelo fabricante do equipamento.
Perdas em cabos. Parte da energia do sinal é perdida nos cabos, fichas e outros dispositivos que estão entre os rádios e as antenas. A perda depende do tipo de cabo usado e do seu comprimento. A perda de sinal em cabos coaxiais curtos, incluindo as fichas, é bem pequena, na faixa de 2 a 3 dB. É melhor manter cada cabo sempre o mais curto possível. Quando se calcula a perda de energia no caminho de transmissão, deve-se considerar vários factores. É necessário ter em conta a perda em espaço aberto (free space loss), atenuação (attenuation) e espalhamento do sinal (scattering). A potência do sinal diminui com o espalhamento geométrico da frente de onda (free space loss). Ignorando todo o resto, quanto maior a distância entre os rádios, menor é o sinal recebido em função da perda de sinal em espaço aberto. Isto não depende do ambiente, mas apenas da distância. Esta perda acontece porque o sinal irradiado se expande em função da distância do transmissor. Usando decibéis para expressar a perda, e usando 2,45 GHz como a frequência do sinal, a equação que define a perda em espaço aberto é a seguinte:
Lfsl = 40 + 20*log(r)
Onde Lfsl é expresso em dB e "r" é a distância entre o transmissor e o receptor, em metros. A segunda contribuição para as perdas é dada pela atenuação. Ela acontece porque a potência do sinal é absorvida quando o mesmo atravessa objectos sólidos como árvores, paredes, janelas e separações entre andares de um prédio. A atenuação pode variar bastante, dependendo da estrutura do objecto que o sinal está atravessando e é muito difícil de ser quantificada. A maneira mais conveniente de expressar a sua contribuição para o total de perdas é adicionando uma "perda permitida" (allowed loss) para o espaço aberto. Por exemplo, a experiência mostra que árvores adicionam entre 10 a 20 dB de perda para cada uma que esteja no caminho directo do sinal, enquanto paredes contribuem de 10 a 15 dB, dependendo do tipo de material com que foram construídas.
Ao longo do caminho do link, a energia de rádio frequência deixa a antena de transmissão e se espalha. Uma parte da energia de RF atinge directamente a antena de recepção, enquanto outra choca com o chão. Parte desta energia que chocou com o chão também atinge a antena de recepção. Uma vez que o sinal reflectido percorre um caminho maior, este atinge a antena depois que o sinal directo. Este efeito é chamado multipath (caminho múltiplo) ou dispersão de sinal. Em alguns casos, os sinais reflectidos somam-se, sem causar problemas. Quando eles combinam-se em fases diferentes, o sinal recebido é praticamente sem valor. Em alguns casos, o sinal recebido pela antena pode ser totalmente anulado pelos sinais reflectidos. Isto é conhecido como anulação (nulling). Há uma técnica simples que é usada para lidar com o efeito multipath, chamada de diversidade de antena (antenna diversity) que consiste na adição de uma segunda antena ao rádio. O multipath é, de facto, um fenómeno essencialmente dependente da localização. Se dois sinais adicionam-se fora de fase em um local, eles não irão adicionar-se de forma igualmente destrutiva em outro local próximo.
Com duas antenas, pelo menos uma delas deve ser capaz de receber um sinal utilizável, mesmo que a outra receba um distorcido. Em dispositivos comerciais, a diversidade de troca de antenas é utilizada; há múltiplas antenas em entradas múltiplas para um único receptor. O sinal é, portanto, recebido por apenas uma antena de cada vez. Na transmissão, o rádio usa a última antena usada para a recepção. A distorção vinda do efeito multipath degrada a habilidade do receptor recuperar o sinal, de uma forma bastante similar à perda de sinal. Uma forma simples de aplicar o efeito do espalhamento no cálculo de perdas no caminho consiste na mudança do expoente do factor da distância na fórmula de perda no espaço aberto. O expoente tende a aumentar se o ambiente é propício a muito espalhamento de sinal. Um expoente 3 pode ser usado em um ambiente externo, enquanto um expoente 4 pode ser usado em um ambiente interno.
Quando as perdas no espaço aberto, a atenuação e o espalhamento são combinados, a perda total no caminho fica:
L (dB) = 40 + 10*n*log (r) + L (permitido)
Para uma estimativa rápida da viabilidade de um link, pode-se avaliar apenas a perda no espaço aberto. O ambiente pode adicionar perdas posteriores de sinal e deve ser considerado para uma avaliação exacta do link. O ambiente é, de facto, um factor muito importante, que jamais deve ser negligenciado. Para se avaliar um link; é viável, as características do equipamento usado devem ser conhecidas e as perdas no caminho devem ser avaliadas. Note que, ao fazer estes cálculos, deve considerar apenas a potência de transmissão de um lado do link. Se usar rádios diferentes em cada lado do link, deve calcular a perda no caminho duas vezes, uma para cada direcção (usando a potência de TX apropriada em cada cálculo).
Adicionando todos os ganhos e subtraindo todas as perdas, temos:
TX Power Rádio 1 + Ganho de Antena Rádio 1 Perdas no Cabo Rádio 1 + Ganho de Antena Rádio 2 Perdas de Cabo Rádio 2 = Ganho Total
Subtraindo a perda que ocorre no caminho do ganho total
Nível de sinal de um lado do link
Se o sinal resultante for maior do que o nível mínimo de sinal de recepção, então o link é viável. O sinal recebido é potente o suficiente para que os rádios o utilizem. Lembre-se que o mínimo RSL é sempre expresso com um dBm negativo, assim -56 dBm é maior que -70 dBm. Em um determinado caminho, a variação de perdas de sinal em um período de tempo pode ser grande, desta forma uma certa margem (a diferença entre o nível de sinal e o mínimo dsl) deve ser considerada. Esta margem é a quantidade de sinal acima da sensibilidade do rádio que irá garantir um link de rádio estável e de alta qualidade durante uma tempestade ou outras perturbações atmosféricas. Uma margem de 10 a 15 dB já é boa. Para dar algum espaço para a atenuação pelo efeito multipath no sinal recebido, uma margem de 20 dB deve ser suficientemente segura. Agora que você calculou o orçamento do link numa direcção; repita o cálculo para outra. Substitua a potência de transmissão do segundo rádio e compare o resultado com o nível de sinal mínimo de recepção do primeiro.
Exemplo de cálculo de orçamento do link
Como exemplo, vamos estimar a viabilidade de um link de 5 km, com um ponto de acesso wireless e um rádio para o cliente. O ponto de acesso wireless está ligado a uma antena omnidirecional com um ganho de 10 dBi, enquanto o cliente está ligado a uma antena sectorial com um ganho de 14 dBi. A potência de transmissão do AP é 100 mW (ou 20 dBm) e sua sensitividade é de -89 dBm. A potência de transmissão do cliente é de 30 mW (ou 15 dBm) e sua sensibilidade é de -82 dBm. Os cabos são curtos, com uma perda de 2 dB em cada lado.
Adicionando todos os ganhos e subtraindo todas as perdas do AP ao cliente temos:
20 dBm (TX Power Rádio 1) + 10 dBi (Ganho de antena Rádio 1) 2 dB (Perdas no cabo Rádio 1) + 14 dBi (Ganho de antena Rádio 2) 2 dB (Perdas no cabo Rádio 2) = 40 dB Ganho Total
A perda no caminho, para um link de 5 km, considerando apenas a perda no espaço aberto é:
Perda no caminho = 40 + 20 log (5000) = 113 dB
Subtraindo a perda no caminho do ganho total:
40 dB - 113 dB = -73 dBm
Uma vez que -73 dB é maior que a sensibilidade mínima do rádio cliente (-82 dBm), o nível do sinal está justo o suficiente para que o cliente "ouça" o ponto de acesso wireless. Há apenas uma margem de 9 dB (82 dB - 73 dB), o que significa que o link provavelmente funcionará bem com tempo bom, mas que pode não ser o bastante em más condições do tempo.
A seguir, vamos calcular o link do cliente de volta ao ponto de acesso wireless:
15 dBm (TX Power Rádio 2) + 14 dBi (Ganho de antena Rádio 2) 2 dB (Perdas no cabo Rádio 2) + 10 dBi (Ganho de antena Rádio 1) 2 dB (Perdas no cabo Rádio 1) 35 dB = Ganho Total
Obviamente, a perda no caminho é a mesma na volta. Então, o sinal que recebemos do lado do ponto de acesso wireless é:
35 dB - 113 dB = -78 dBm
Como a sensibilidade do AP é -89 dBm, isto deixa-nos uma pequena margem de 11 dB (89dB -78dB). De maneira geral, este link provavelmente funcionará, mas poderia ter um pouco mais de ganho. O uso de um receptor do tipo prato no cliente, ao invés de uma antena sectorial de 14 dBi, proporcionará um ganho adicional de 10 dBi em ambas as direcções do link (lembre-se, o ganho da antena é recíproco). Uma opção mais cara seria usar rádios mais potentes em ambos os lados do link, mas note que a adição de um amplificador ou uma placa que forneça maior potência apenas de um lado não ajudará, normalmente, a qualidade global do link. Ferramentas online podem ser usadas para o orçamento do link. Por exemplo, a Green Bay Professional Packet Radio's Wireless Network Link Analysis é uma excelente ferramenta. A Super Edition gera um arquivo PDF contendo a zona Fresnel e os gráficos de caminhos do rádio. Os scripts para os cálculos podem até ser obtidos do site e instalados localmente. O site Terabeam também dispõe de excelentes calculadoras.
Tabelas para o orçamento do link
Para calcular o orçamento do link, usa-se simplesmente a distância aproximada do seu link e a preencha nas tabelas a seguir:
Perda no espaço livre a 2,4 GHz
Caso o sinal recebido seja maior que o mínimo nível de sinal aceitável em ambas as direcções do link, considerando os ruídos recebidos ao longo do caminho, então o link é possível.
Software para planeamento do link
Mesmo que o cálculo manual do orçamento do link seja simples, há uma série de ferramentas que podem ajudar na automação deste processo. Adicionalmente ao cálculo da perda no espaço aberto, estas ferramentas levam em conta muitos outros factores relevantes (como a absorção por árvores, efeitos do terreno, clima e mesmo a estimativa de perda de sinal em áreas urbanas).Algumas ferramentas livres que são úteis para o planeamento de links wireless são o Green Bay Professional Packet Radio e o Radio Mobile.
Planeamento de link 100 km
Planeamento de links de longa distancia: L.O.S +100 Km em Moitas Venda
Links externos
- Green Bay Professional Packet Radio's Wireless Network Link Analysis (em Inglês)
- Terabeam (em Inglês)
Editor
--Cmsv 01h44min de 30 de janeiro de 2010 (GMT)