APLICAÇÕES DE DISPOSITIVOS DE MICROONDAS UTILIZANDO SUBSTRATO EBG/PBG PARA COMUNICAÇÕES MÓVEIS - PDF
APLICAÇÕES DE DISPOSITIVOS DE MICROONDAS UTILIZANDO SUBSTRATO EBG/PBG PARA COMUNICAÇÕES MÓVEIS
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Eliza Campos Alcaide
1 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE CENTRO DE TECNOLOGIA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇAO EM ENGENHARIA ELÉTRICA E COMPUTAÇÃO APLICAÇÕES DE DISPOSITIVOS DE MICROONDAS UTILIZANDO SUBSTRATO EBG/PBG PARA COMUNICAÇÕES MÓVEIS MESTRANDO: ANDERSON MAX CIRILO DA SILVA ORIENTADOR: PROF. DR. HUMBERTO CÉSAR CHAVES FERNANDES NATAL RN SETEMBRO DE 011
2 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE CENTRO DE TECNOLOGIA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇAO EM ENGENHARIA ELÉTRICA E COMPUTAÇÃO Aplicações de Dispositivos de Microondas utilizando Substrato EBG/PBG para Comunicações Móveis Anderson Max Cirilo da Silva Orientador: Prof. Dr. Humberto César Chaves Fernandes Dissertação de Mestrado apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e Computação da UFRN (área de concentração: Telecomunicações) como parte dos requisitos para obtenção do título de Mestre em Engenharia Elétrica e Computação. Natal RN Setembro de 011
3 Seção de Informação e Referência Catalogação da Publicação na fonte. UFRN/ Biblioteca Central Zila Mamede Silva, Anderson Max Cirilo da. Aplicações de dispositivos de microondas utilizando substrato EBG/PBG para comunicações móveis/ Anderson Max Cirilo da Silva. Natal/RN, f. : il. Orientador: Humberto César Chaves Fernandes Dissertação (Mestrado) Universidade Federal do Rio Grande do Norte. Centro de Tecnologia. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e de Computação. 1. Acoplador-quadratura Dissertação.. Acoplador-anel Dissertação. 3. Transformador de impedâncias de um quarto de comprimento de onda Dissertação. 4. Aplicação EBG Dissertação. de Dispositivos 5. PBG Dissertação. de 6. Microondas Wimax Dissertação. utilizando I. Fernandes, Humberto César Chaves. II. Universidade Federal do Rio Grande do Norte. III. Título. Substrato EBG/PBG para comunicações Móveis RN/UF/BCZM CDU. 61.3
4 Aplicações de Dispositivos de Microondas utilizando Substrato EBG/PBG para Comunicações Móveis Anderson Max Cirilo da Silva Dissertação de Mestrado aprovada em Julho de 011 pela banca examinadora composta pelos seguintes membros: Orientador: Prof. Dr. Titular Humberto César Chaves Fernandes UFRN (Presidente) Membro externo da banca: Prof. Dr. Idalmir de Souza Queiroz Júnior - UFERSA Membro interno da banca: Prof. Dr. Laércio Martins de Mendonça - UFRN Membro local da banca: MsC. Hugo Michel Câmara de Azevedo Maia UFRN (Doutorando)
5 Dedico Aos meus pais, Manoel e Enide, pelo amor e pela sólida formação que me deram. Ao meu irmão Alison, pela compreensão e apoio, e a minha noiva Rafaela, pelo amor, ajuda, dedicação e companheirismo nesta etapa da minha vida.
6 Agradecimentos Primeiramente, agradeço a Deus por ter me permitido a realização deste trabalho, por ter me dado força e esperança durante todos os momentos da minha existência. Ao Prof. Dr. Humberto César Chaves Fernandes, Professor do Departamento de Engenharia Elétrica da Universidade Federal do Rio Grande do Norte, por toda sua atenção e incentivo como orientador deste e de outros trabalhos. Aos Professores do Programa de Gradução e Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e Computação da Universidade Federal do Rio Grande do Norte que contribuíram para minha formação durante este curso. Aos amigos do programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Roberto Ranniere, Hugo Michel, Marinaldo Sousa, Leonardo Martins, Humberto Dionísio, Catarine, Daniela e a todos os demais que fazem parte do programa de iniciação científica do grupo TECFOTON Telecomunicações e Fotônica, coordenado pelo Prof. Titular Humberto C.C. Fernandes.
7 Resumo A sociedade moderna depende de um eficiente sistema de comunicações, capaz de transmitir e receber informações com uma velocidade e confiabilidade maiores a cada momento. A necessidade de dispositivos cada vez mais eficientes faz surgir técnicas de otimização dos dispositivos em microfita, como por exemplo, técnicas para aumentar a largura de banda: substratos mais espessos e estruturas com substratos de Banda Eletromagnética Proibida - EBG (Electromagnetic Band Gap) e Banda Fotônica Proibida - PBG (Photonic Band Gap). Este trabalho tem como objetivo o estudo da aplicação de materiais EBG/PBG em substratos de estruturas planares em microfita, mais precisamente em acopladores direcionais em quadratura e em anel e em transformadores de impedâncias. É apresentado um estudo das estruturas planares em microfita e dos substratos EBG/PBG. Substratos PBG podem ser usados para otimizar a irradiação pelo ar, reduzindo assim a ocorrência de ondas superficiais e a conseqüente difração de borda responsável pela degradação do diagrama de radiação. Através de programas específicos em FORTRAN obtiveram-se as freqüências e acoplamentos para cada estrutura. Foi utilizado o programa PACMO Projeto Auxiliado por Computador para Microondas. São obtidos resultados da freqüência e acoplamentos dos dispositivos, variando-se banda de freqüência utilizada (sistemas de comunicação celular e Wimax) e a permissividade do substrato, comparando-se os resultados de materiais convencionais e materiais PBG nas polarizações s e p. Palavras-chave: Acoplador-quadratura, Acoplador-anel, Transformador de Impedâncias de Um Quarto de Comprimento de Onda, EBG, PBG, Wimax.
8 Abstract The modern society depends on an efficient communications system able to of transmitting and receiving information with a higher speed and reliability every time. The need for ever more efficient devices raises optimization techniques of microstrip devices, such as techniques to increase bandwidth: thicker substrates and substrate structures with EBG (Electromagnetic Band Gap) and PBG (Photonic Band Gap). This work has how aims the study of the application of PBG materials on substrates of planar structures in microstrip, more precisely in directional quadrature couplers and in rat-race and impedance of transformers. A study of the planar structures in microstrip and substrates EBG is presented. The PBG substrates can be used to optimize the radiation through the air, thus reducing the occurrence of surface waves and the resulting diffraction edge responsible for degradation of radiation pattern. Through specific programs in FORTRAN Power Station obtained the frequencies and couplings for each structure. Are used the program PACMO - Computer Aided Design in Microwave. Results are obtained of the frequency and coupling devices, ranging the frequency band used (cellular communication and Wimax systems) and the permittivity of the substrate, comparing the results of conventional material and PBG materials in the s and p polarizations. Keywords: Quadrature Coupler, Rat-race Coupler, Impedance Transformer Quarter-wavelength, EBG, PBG, Wimax.
9 Sumário Sumário... I Lista de Figuras... III Lista de Tabelas... IV Lista de Símbolos e Abreviaturas... V CAPÍTULO 1 INTRODUÇÃO OBJETIVOS E MOTIVAÇÕES DESCRIÇÃO DOS CAPÍTULOS... CAPÍTULO TEORIA DAS ESTRUTURAS PLANARES EM MICROFITA INTRODUÇÃO CARACTERÍSTICAS DOS SUBSTRATOS TIPOS DE SUBSTRATOS SISTEMAS DE COMUNICAÇÕES MÓVEIS INTRODUÇÃO TECNOLOGIA WIMAX INTRODUÇÃO FUNCIONAMENTO CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS ESPECTRO APLICAÇÕES CAPÍTULO 3 ESTRUTURAS EBG (ELETROMAGNETIC BANDGAP) E PBG (PHOTONIC BANDGAP) INTRODUÇÃO TEORIA ESTRUTURA PBG BIDIMENSIONAL CARACTERIZAÇÃO DA BANDA PROIBIDA DETERMINAÇÃO DA CONSTANTE DIELÉTRICA EFETIVA DE UMA ESTRUTURA PBG D APLICAÇÕES DAS ESTRUTURAS PLANARES EM MICROFITA...8 CAPÍTULO 4 ACOPLADORES SIMÉTRICOS DIRECIONAIS INTRODUÇÃO ACOPLADOR DIRECIONAL EM QUADRATURA PARÂMETROS DO ACOPLADOR DIRECIONAL EM QUADRATURA ACOPLADOR DIRECIONAL EM ANEL PARÂMETROS DO ACOPLADOR DIRECIONAL EM ANEL CAPÍTULO 5 TRANSFORMADORES DE IMPEDÂNCIAS DE UM QUARTO DE COMPRIMENTO DE ONDA PARÂMETROS DO TRANSFORMADOR DE IMPEDÂNCIAS DE UM QUARTO DE COMPRIMENTO DE ONDA CAPÍTULO 6 - RESULTADOS INTRODUÇÃO RESULTADOS PARA ACOPLADOR EM QUADRATURA RESULTADOS PARA ACOPLADOR EM ANEL RESULTADOS PARA TRASNFORMADOR DE IMPEDÂNCIAS ANÁLISE DOS RESULTADOS I
10 CAPÍTULO 7 - CONCLUSÕES CONCLUSÕES SUGESTÕES PARA FUTUROS TRABALHOS REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS II
11 Lista de Figuras Figura.1 Esquema de uma estrutura em microfita Figura. Funcionamento de um sistema Wimax Figura 3.1 (a) Borboleta com estrutura fotônica nas asas, (b) estrutura fotônica ampliada Figura 3. Estruturas PBG, representações reais e recíprocas: (a) unidimensional, (b) bidimensional e (c) tridimensional Figura 3.3 Cristal finito com simetria hexagonal Figura 3.4 Estrutura PBG... 4 Figura 3.5 Cristal PBG bidimensional homogeneizado Figura 4.1 Vista superior de um acoplador direcional em quadratura Figura 4. Circuitos equivalentes dos modos par (a) e ímpar (b) do acoplador em quadratura... 3 Figura 4.3 Vista superior de um acoplador direcional em anel Figura 4.4 Circuitos equivalentes dos modos par (a) e ímpar (b) do acoplador em anel.. 34 Figura 5.1 Vista superior de um transformador de impedâncias de um quarto de comprimento de onda Figura 6.1 Acoplamento em db na porta de saída de um acoplador em quadratura em função da frequência de operação na faixa de um sistema celular com substratos PBG e fibra de vidro Figura 6. Acoplamento em db na porta de saída de um acoplador em quadratura em função da frequência de operação na faixa de um sistema Wimax com substratos PBG e fibra de vidro Figura 6.3 Acoplamento em db na porta de saída de um acoplador em anel em função da frequência de operação na faixa de um sistema celular com substrato de fibra de vidro Figura 6.4 Acoplamento em db na porta de saída de um acoplador em anel em função da frequência de operação na faixa de um sistema celular com substrato PBG com polarização p Figura 6.5 Acoplamento em db na porta de saída de um acoplador em anel em função da frequência de operação na faixa de um sistema celular com substrato PBG com polarização s Figura 6.6 Acoplamento em db na porta de saída de um acoplador em anel em função da frequência de operação na faixa de um sistema Wimax com substrato de fibra de vidro Figura 6.7 Razão das dimensões de um transformador de impedâncias de 50 para 75 Ω, com substratos PBG e fibra de vidro, em função da impedância, com frequência na faixa de um sistema celular Figura 6.8 Razão das dimensões de um transformador de impedâncias de 50 para 75 Ω, com substratos PBG e fibra de vidro, em função da impedância, com frequência na faixa de um sistema Wimax III
12 Lista de Tabelas Tabela I Frequências disponíveis para Wimax no Brasil Tabela II Valores de dimensões (largura por altura) para impedâncias das secções de transformador de impedâncias para sistema de comunicações celular Tabela III Valores de dimensões (largura por altura) para impedâncias das secções de transformador de impedâncias para sistema de comunicações Wimax... 5 IV
13 Lista de Símbolos e Abreviaturas Ac 3 Acoplamento na porta 3 T Altura da microfita H Altura do substrato Na Amplitude do sinal na porta n At ωn Atenuação correspondente às frequências angulares de corte normalizadas, f 1n e f n VSWR Coeficiente de onda estacionária Γ i Γ p T i T p L λ λ m Θ σ W Fpf β ω f f 1 Z 0 Z 1p Z s Z k W Coeficiente de reflexão no modo ímpar Coeficiente de reflexão no modo par Coeficiente de transmissão no modo ímpar Coeficiente de transmissão no modo par Comprimento da microfita Comprimento de onda, λ=c.f Comprimento de onda na microfita Comprimento elétrico da microfita Condutividade Densidade de campo magnético Densidade de campo elétrico Densidade de energia Faixa de passagem fracional Fase progressiva; Constante de fase Frequência angular Frequência de corte passa-banda maior Frequência de corte passa-banda menor Impedância característica Impedância das linhas em paralelo Impedância das linhas em série Impedância normalizada da seção k Largura da microfita V
14 N ω K Número de fótons em um volume Número de onda Operador nabla µ Permeabilidade no espaço livre 0 µ ri Permeabilidade relativa na i-ésima região ε f ε 0 ε r S P Rfp R C v p Permissividade elétrica efetiva Permissividade elétrica no espaço livre Permissividade elétrica relativa Polarização paralela ao eixo z das ondas incidentes no material fotônico Polarização perpendicular ao eixo z das ondas incidentes no material fotônico Razão da faixa de passagem Razão entre as impedâncias de entrada e de saída Velocidade da luz Velocidade de fase da onda E Vetor Campo Elétrico H Vetor Campo Magnético J Vetor Densidade de corrente Vetor de Poynting (fluxo de potência) VI
15 Capítulo 1 Introdução 1.1 Objetivos e Motivações Nas últimas décadas, verificou-se uma grande expansão dos sistemas de comunicação sem fio, que transmitem sinais de microondas portadores de informação, seja ela voz, imagem ou dados. Nesses sistemas de comunicação, são necessários, cada vez mais, baixas perdas, baixo custo, facilidade de fabricação, miniaturização e leveza, além de maior largura de banda. A área de comunicações móveis em particular, na qual a facilidade de integração e a redução do tamanho dos circuitos envolvidos são uma expectativa e ao mesmo tempo uma realidade, as estruturas em microfita, acopladores e transformadores de impedâncias, objetos de estudo deste trabalho se encaixam perfeitamente. O objetivo desta dissertação de mestrado é desenvolver uma metodologia de projetos com posterior aplicação de estruturas planares em microfita, mais precisamente acopladores direcionais em quadratura e em anel e transformadores de impedâncias de um quarto de comprimento de onda, utilizando como substrato materiais de Banda Eletromagnética Proibida (EBG) e de Banda Fotônica Proibida (PBG). Esta metodologia visa obter acopladores com baixas perdas de inserção, além de maiores larguras de banda em torno da frequência central, maior acoplamento e menores dimensões (largura e altura). Para os transformadores de impedância tem-se um melhor casamento com a impedância que se pretende e também a diminuição das dimensões do dispositivo. Acopladores direcionais e transformadores de impedâncias são de grande importância para sistemas de comunicação receptores e transmissores de sinais. 1
16 Estruturas planares em microfita têm, entre outras vantagens, fácil fabricação, teste e inserção em circuitos e sistemas. Além disso, a ampla variedade de substratos para circuitos planares de microondas, disponíveis no mercado, oferecem flexibilidade nos projetos. Finalmente, conclui-se que estes dispositivos podem ser excelentes candidatos para aplicações em comunicações móveis. 1. Descrição dos Capítulos No Capítulo 1 desta dissertação, serão apresentados os objetivos e motivação desta pesquisa, discutindo-se, de forma breve, os desafios de projetos de acopladores e transformadores de impedância. O Capítulo apresentará os fundamentos teóricos das estruturas planares em microfita, suas vantagens e desvantagens, suas características e os tipos de substratos empregados em sua fabricação. No Capítulo 3 será feito um detalhamento dos materiais de Banda Eletromagnética Proibida EBG e de Banda Fotônica Proibida PBG. Entre outros assuntos discutidos, será abordada a homogeneização que será aplicada a estes materiais para a obtenção da permissividade efetiva para as polarizações s e p dos mesmos. O Capítulo 4 tratará dos acopladores simétricos direcionais. Será abordada a sua função, aplicações e os tipos que compõem o objeto de estudo deste trabalho: o acoplador simétrico direcional em quadratura e o acoplador direcional em anel. Serão caracterizados suas topologias e conceitos teóricos utilizados para suas aplicações. Os transformadores de impedâncias serão mostrados no Capítulo 5. O objeto de estudo, no caso, é o transformador de impedâncias de um quarto de comprimento de onda. Será mostrada a análise teórica do mesmo, destacando o processo de obtenção das impedâncias das seções.
17 No Capítulo 6 serão mostrados os resultados obtidos nesta pesquisa: gráficos de freqüência por acoplamento, impedâncias por dimensões, respectivamente, para acopladores e para transformadores de impedâncias. Finalmente, no Capítulo 7, serão mostradas as sugestões para trabalhos futuros desta pesquisa, como novas geometrias, topologias e a utilização de novos materiais não só nos substratos, como também no condutor. A utilização de material supercondutor é uma opção atraente e possível, dado o avanço de pesquisas nesta área. 3
18 Capítulo Teoria das Estruturas Planares em Microfita.1 Introdução As estruturas planares de microfita têm sido largamente utilizadas atualmente pela praticidade em sua construção, facilidade em sua instalação e pela possibilidade de utilização de uma parte do espectro menos congestionada do que, por exemplo, a faixa de RF. Existem diversos tipos de estruturas planares, entre eles transformadores de impedâncias, e acopladores direcionais e filtros passa-baixas, que serão objeto de estudo deste trabalho. Para esses tipos de estrutura, pode-se dizer que seus estudos seguem duas vertentes: Análise Quase Estática ou Quase TEM: O modo de propagação na linha de microfita é aproximado para o modo quase TEM, o que possibilita a obtenção de equações fechadas, de fácil aplicação e implementação computacional, mas aplicáveis apenas a determinadas faixas de valores, e, que por se tratar de um ajuste de curvas, apresenta respostas aproximadas. Método de onda completo: Um método geral, aplicado a um grande número de estruturas, que possui uma complexidade matemática muito maior se comparado aos métodos Quase TEM e apresenta respostas precisas. Dessa forma, temos dois tipos de análise: um no qual obtemos resultados rápidos, facilidade matemática e com uma precisão inferior e o outro no qual os resultados são obtidos mais lentamente, possui uma matemática complexa e apresenta maior precisão. 4
19 Neste trabalho o objetivo é apresentar o processo de cálculo das dimensões de uma microfita para posterior simulação dos dispositivos de RF. Com a simulação, veremos as características das mesmas. Uma microfita é mostrada na Figura.1, sendo w a largura da microfita; h a altura do substrato; l o comprimento da microfita; ε r a permissividade do substrato; t a altura da microfita e do plano de terra indicado abaixo. Figura.1 Esquema de uma estrutura em microfita. Existem equações e relações obtidas ao longo dos anos para o dimensionamento dos parâmetros de uma linha de microfita. O valor de w/h pode ser dado em função de ε f (permissividade efetiva) conhecendo-se o valor de ε r [1]. Esses valores são, para w/h 1 e w/h 1, respectivamente : ε f 1/ ε r + 1 ε r 1 1h w = , w h (.1) ε f ε r + 1 ε r 1 1h = + 1+ w 1/ (.) A impedância característica Z 0 de uma microfita com largura w e espessura t desprezível (t/h 0,005) num substrato com altura h, é dada, para w/h 1 e w/h > 1 [1], respectivamente, por: Z h w = ln + ε f w 4h (.3) 5
20 Z 0 = 10 π / ε f w w ε f + 1, , 667 ln + 1, 44 h h (.4) Conhecendo-se a impedância Z 0 e de posse do valor ε r, pode-se calcular a relação w/h [1]. Para w/h e w/h >, têm-se: A w 8e = A h e (.5) w ε f 1 0,61 = π B 1 ln(b 1) + ln( B 1) 0,39 h ε + f ε f (.6) onde: Z 0 ε f ε f 1 0,11 A = + 0, ε f + 1 ε f (.7) 377π B = (.8) Z 0 ε f Para qualquer tipo de propagação de onda, a velocidade de fase é calculada pelo produto entre a frequência e o comprimento de onda. Para o ar tem-se c = λ 0 f e, para a microfita, a velocidade de fase é dada por v p = λ g f. O comprimento de onda na microfita é expresso em termos de ε f como: λ 0 λ g = (.9) ε f O comprimento físico l da microfita, em função de um comprimento específico elétrico θ pode ser determinado a partir de: βl = θ (.10) πl θ = (.11) λ g para θ em graus tem-se: 6
21 θλ g l = (.1) 360. Características dos Substratos O substrato tem sua constante dielétrica usualmente na faixa de, ε 1. Substratos mais espessos possuem constantes dielétricas mais baixas, podendo possibilitar maior eficiência e largura de banda. Contudo, são mais onerosos em sua fabricação devido ao maior consumo de material dado à maior espessura do substrato. Substratos mais finos possuem altas constantes dielétricas, podendo ser aplicados em circuitos de microondas. Requerem limites de campo para minimizar irradiações e acoplamentos indesejáveis. São vantajosos por conseguirem dimensões dos elementos menores, entretanto devido a suas grandes perdas, são menos eficientes e tem largura de banda estreita. A excitação de onda de superfície ocorre em toda a microfita construída sobre qualquer substrato, devido ao fato de o modo da onda de superfície TM 0 ter sua freqüência de corte igual à zero []. Dessa forma, o aumento na espessura do substrato provoca um maior acoplamento de energia na onda de superfície. O efeito de borda, inerente às estruturas em microfita, dá-se devido ao fato das dimensões da mesma serem finitas (tanto em seu comprimento quanto em sua largura), ou seja, as dimensões da microfita são eletricamente maiores que as suas dimensões físicas. Deste modo, algumas ondas viajam no substrato e outras viajam no ar. Uma constante dielétrica efetiva (ε f ) é introduzida para explicar o efeito de borda e a propagação da onda na linha. r 7
22 .3 Tipos de Substratos Substratos isotrópicos são aqueles onde o comportamento do campo elétrico aplicado independe da direção do campo. Eles apresentam permissividade elétrica =, onde ε 0 é a permissividade elétrica no espaço livre e ε r é uma função escalar ε ε 0ε r conhecida como permissividade elétrica relativa do material. Nos substratos anisotrópicos o comportamento de um campo elétrico aplicado depende da direção do campo elétrico ou dos eixos do material. As direções dos eixos são determinadas pelas propriedades cristalinas do material, onde a permissividade elétrica é apresentada como um tensor ε r. Materiais EBG (Eletromagnetic Bandgap) e PBG (Photonic Bandgap) são uma nova classe de substratos periódicos. As ondas eletromagnéticas comportam-se em substratos fotônicos como elétrons comportam-se em semicondutores [3]. O material EBG/PBG é uma estrutura periódica em que a propagação em certas bandas de frequências são proibidas e serão descritos mais detalhadamente no capítulo seguinte..4 Sistemas de Comunicações Móveis.4.1 Introdução Vivemos uma época na qual é percebido um avanço tecnológico ímpar nas telecomunicações. São inúmeros os diferentes sistemas existentes e a cada dia parece nos ser apresentado um novo. A introdução das comunicações móveis mudou radicalmente a forma como as pessoas se comunicam. Em praticamente todos os centros urbanos mundiais se observa a tendência do terminal móvel como elemento comum de porte pessoal, tal qual é um documento de identificação. Sendo um dispositivo eletrônico complexo, esse terminal tem concentrado mais e mais aplicações, o que implica a sofisticação dos serviços de telecomunicações ofertados através dele. 8
23 O crescimento da demanda por serviços sofisticados e personalizados utilizando banda larga móvel, conjugado com o crescimento da base de usuários, tem criado enormes desafios. Questões diversas como o robustecimento da segurança da comunicação, o melhor uso do espectro e a ampla aplicabilidade às situações do dia a dia moderno, sejam elas associadas aos negócios, à interação entre pessoas, ao entretenimento, à automação de máquinas e dispositivos ou ao suporte às redes sociais, entre outras, têm impulsionado o desenvolvimento tecnológico a uma velocidade sem precedentes. Os sistemas de comunicações móveis têm como objetivo proporcionar um canal de comunicação entre utilizadores cuja posição é desconhecida e que possam estar em movimento sem qualquer restrição de localização. Para tal, é necessária uma infraestrutura de telecomunicações complexa, cujos elementos visíveis para o público são os terminais móveis e as antenas das estações base, que fazem a interface entre o utilizador e o sistema. Entre os exemplos de sistemas de comunicações moveis pode-se citar o sistemas de telefonia celular, e os sistemas de comunicações sem fio, como WiFi, Wimax (objeto de estudo deste trabalho) e Bluetooth..4. Tecnologia Wimax.4..1 Introdução Wimax, também chamado de WIMAX ou WI Max, é um acrônimo para Worldwide Interoperability for Microwave Access (Interoperabilidade Mundial para Acesso por Microondas). Trata-se de uma tecnologia de banda larga sem fio, capaz de atuar como alternativa à tecnologias como cabo e DSL, na construção de redes comunitárias e provimento de acesso de última milha (usuário final). Em teoria, os equipamentos Wimax tem alcance de até 50 Km, e capacidade de banda passante de até 70 Mbps. Na prática, alcance e banda dependem do equipamento, da freqüência usada, da distância, bem como da existência ou não de visada direta [4]. O Wimax é regulamentado pelo padrão IEEE
24 O padrão usa freqüências de GHz a 11 GHz para criação das redes metropolitanas (conhecidas como MAN Metropolitan Area Network) sem fio e funciona como uma extensão de tecnologias de acesso à Internet em banda larga, como Asymmetric Digital Subscriber Line (ADSL ou Linha Digital Assimétrica para assinante) ou cabo. Várias empresas e instituições possuem suas bases sem fio para conexão de laptops em rede local. As tecnologias sem fio podem auxiliar o país na aceleração de projetos de inclusão digital, principalmente em regiões carentes de infra-estrutura como cabos de fibra óptica. A principal vantagem do Wimax está no tripé banda larga, longo alcance e dispensa de visada, o que não ocorre com outras tecnologias sem fio [4] Funcionamento O sistema Wimax é parecido com o de telefonia móvel celular. Uma torre central envia o sinal para várias outras torres espalhadas e estas multiplicam o sinal para chegar aos receptores. O usuário precisa de uma pequena antena receptora, da qual resulta na conexão que vai até o seu computador ou notebook, plugada via placa de rede. Essa antena pode ficar no topo de um prédio (multiplicando a conexão para o condomínio, por exemplo) ou ao lado do gabinete do PC Características Técnicas Modulação O Wimax apresenta três modos de operação, todos os três PHY (Frequency Hopping Spread Spectrum Radio ou Espectro de Rádio por Espalhamento de Frequência), quais sejam: single carrier (portadora única), OFDM 56, ou OFDMA K. O modo mais comumente utilizado é o OFDM
25 Throughput (quantidade de dados transferidos de um lugar a outro, ou a quantidade de dados processados em um determinado espaço de tempo) Com o esquema de modulação robusto, o Wimax entrega elevadas taxas de throughput com longo alcance e uma grande eficiência espectral e que é também tolerante às reflexões de sinais. A taxa de transmissão dos dados varia entre 1 Mbps e 75 Mbps, dependendo das condições de propagação, sendo que o raio típico de uma célula Wimax é de 6 Km a 9 Km. Uma modulação dinâmica adaptativa permite que uma estação rádio base negocie o throughput e o alcance do sinal. Por exemplo, se a estação rádio base não pode estabelecer um link robusto com um assinante localizado a uma grande distância, utilizando o esquema de modulação de maior ordem, 64 QAM (Quadrature Amplitude Modulation ou Modulação por Amplitude de Quadratura), a modulação é reduzida para 16 QAM ou QPSK (Quadrature Phase Shift Keying ou Modulação por Fase de Quadratura), o que reduz o throughput, porém aumenta o alcance do sinal. Escalabilidade Para acomodar com facilidade o planejamento da célula Wimax, tanto nas faixas licenciadas quanto nas não licenciadas, o 80.16a/d suporta diversas larguras de banda. Por exemplo, se um operador tem disponível 0 MHz de espectro, ele pode dividi-lo em dois setores de 10 MHz ou quatro setores de 5 MHz cada. O operador pode crescer a quantidade de usuários mantendo um bom alcance do sinal e um bom throughput. O operador pode reusar o mesmo espectro em dois ou mais setores, criando uma isolação entre as antenas da estação rádio base. 11
26 Cobertura O padrão também suporta tecnologias que permitem a expansão de cobertura, incluindo as tecnologias de smart antenna (antena inteligente) assim como as tecnologias mesh. Qualidade de Serviço O padrão apresenta qualidade de serviço que permite a transmissão de voz e vídeo, que requerem redes de baixa latência. O MAC (Media Access Control ou Controle de Acesso de Mídia) do provê níveis de serviço mais elevados para clientes corporativos, assim como um alto volume de serviços em um padrão equivalente aos serviços hoje oferecidos pelos serviços de ADSL e de Cable Modem (Modem Cabo), tudo dentro da mesma estação rádio base. Topografia Todo projeto de uma rede sem fio exige uma análise de cobertura em sistemas computacionais e algumas vezes em campo. Existem várias soluções que reconhecem um sistema Wimax (ou seja, uma rede ponto-multiponto), nos quais podemos obter resultados da viabilidade da rede em função da topografia e regiões de usuários. Em alguns casos, são necessárias análises de campo, principalmente para a Frequência não Licenciada (5,8 GHz), por causa da sua grande utilização. A experiência nesta Frequência demonstra que, com exceção de grandes centros, a ocupação desta Frequência é pequena. Nas Frequências Licenciadas, o uso de ferramentas está relacionado em transportar a maior quantidade de informação em uma região com a banda adquirida [4]. 1
27 .4..4 Espectro As frequências disponíveis para Wimax no Brasil são mostradas na Tabela I. Faixa Regulamentação Frequências,6 GHz Res. 49 (13/0/006) ,5 GHz Res. 416 (14/10/005) 3400 a , GHz Res. 506 (01/07/008) Tabela I Frequências disponíveis para Wimax no Brasil Aplicações O Wimax pode fornecer dois tipos de serviço sem fio: O serviço sem linha de visão (non-line-of-sight), parecido com o WiFi, no qual uma pequena antena no seu computador se conecta à torre. Neste caso, o Wimax usa um baixo alcance de freqüência GHz a 11 GHz (semelhante ao WiFi). As transmissões de baixo comprimento de onda não são interrompidas com tanta facilidade por obstruções físicas - elas são capazes de difratar mais facilmente, ou se curvarem aos obstáculos [5]. O serviço de linha de visão no qual uma antena fixa aponta para a torre Wimax a partir de um telhado ou de um poste. A conexão de linha de visão é mais forte e mais estável, e consegue enviar muitos dados com poucos erros. As transmissões de linha de visão usam freqüências mais altas, com alcance atingindo até 66 13