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UM ESTUDO DE CASO PARA A APLICAÇÃO DE ENLACES FSO EM BACKHAULS DE TELEFONIA CELULAR.A case study analyzing the implementation of an FSO link in a carrier backhaul in Rio de Janeiro - Brazil.
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UNIVERSIDADE ESTÁCIO DE SÁ
ENGENHARIA ELÉTRICA COM ÊNFASE EM TELECOMUNICAÇÕES
ALEX JOÃO BARBOSA DA SILVA
CESAR NOBREGA RODRIGUES
RENAN SILVA SANTOS
UM ESTUDO DE CASO PARA A APLICAÇÃO DE ENLACES FSO EM BACKHAULS
DE TELEFONIA CELULAR
RIO DE JANEIRO
2010
ALEX JOÃO BARBOSA DA SILVA
CESAR NOBREGA RODRIGUES
RENAN SILVA SANTOS
UM ESTUDO DE CASO PARA A APLICAÇÃO DE ENLACES FSO EM BACKHAULS
DE TELEFONIA CELULAR
Trabalho apresentado à Universidade Estácio
de Sá como requisito parcial para obtenção do
grau de Engenheiro Eletricista com Ênfase em
Telecomunicações.
Orientador: Prof. Dr. José Brant de Campos
RIO DE JANEIRO
2010
S586e
Silva, Alex João Barbosa da Um estudo de caso para a aplicação de enlaces FSO em Backhauls de telefonia
celular. / Alex João Barbosa da Silva, Cesar Nobrega Rodrigues, Renan Silva
Santos. - Rio de Janeiro, 2010.
79 f.
Monografia (Graduação em Engenharia Elétrica) – Universidade Estácio de Sá,
2010.
1. Óptica, espaço livre. 2. Backhauls. 3. Telefonia celular. I. Rodrigues, Cesar
Nobrega. II. Santos, Renan Silva. III. Título.
CDD 621.3
ALEX JOÃO BARBOSA DA SILVA
CESAR NOBREGA RODRIGUES
RENAN SILVA SANTOS
UM ESTUDO DE CASO PARA A APLICAÇÃO DE ENLACES FSO EM BACKHAULS
DE TELEFONIA CELULAR
Trabalho apresentado à Universidade Estácio
de Sá como requisito parcial para obtenção do
grau de Engenheiro Eletricista com Ênfase em
Telecomunicações.
Aprovado em 04 de dezembro de 2010
BANCA EXAMINADORA
Aos meus pais, João e Elúzia pelo exemplo de vida e pela educação a mim
transmitida. À Elâine, minha querida irmã, que sempre me apoiou em todos os momentos.
Aos meus colegas de trabalho pela experiência transmitida proporcionando o meu
crescimento profissional e pessoal. Ao amigo Jorge Barrozo pelo espírito de liderança, pelos
conselhos e motivação que nortearam meu amadurecimento. Aos amigos que me deram
suporte, principalmente nas horas mais estressantes. Finalmente, aos amigos Cesar e Renan
cuja dedicação produziu frutos muito além deste trabalho, e cujo companheirismo segue como
principal resultado do trabalho em grupo e do balanceamento das tarefas e de tantas reuniões
realizadas para tomada de decisão em conjunto.
Alex João Barbosa da Silva
Agradeço especialmente ao meu pai, Mauro Cesar Rodrigues, que me forneceu
suporte emocional e financeiro, sempre me incentivando a prosseguir com os estudos. Sem ele
não teria atingido o objetivo de me tornar Engenheiro. À minha mãe Márcia Rodrigues, que
neste momento não possuo palavras para agradecer aos olhares e conselhos que me guiaram
durante minha vida. Aos professores que passaram ao longo da minha vida ajudando em
minha formação pessoal e profissional. E aos meus amigos de faculdade Alex e Renan, que
encararam este desafio junto comigo.
Cesar Nobrega Rodrigues
Aos meus pais, Aída e Reginaldo pelo apoio em todos esses anos. Ao amigo Fábio
Alves da Silva, pelo incondicional e indispensável apoio psicológico e emocional, em todos
os momentos. À Dayanni, cujo sorriso e o jeito otimista de olhar o mundo por inúmeras vezes
me impediram de desistir deste e de tantos outros sonhos. Aos colegas de faculdade, ou
melhor, amigos, Alex e Cesar, por contribuírem, cada um a seu modo, para que este trabalho
fosse o melhor possível, pela paciência com os meus inúmeros surtos de estresse neste ano de
intenso trabalho conjunto e por tornarem este árduo trabalho mais agradável e por todos os
momentos que se tornarão boas lembranças para toda a vida.
Renan Silva Santos
AGRADECIMENTOS
Agradecemos a Deus, primeiramente, sem o qual não estaríamos aqui neste momento.
Aos nossos familiares e amigos, que nos apoiaram nessa e em tantas outras jornadas.
À Bessie e ao André Marzulo por gentilmente colaborarem com a realização deste
trabalho.
Ao professor Ivan pela descontração e incentivo à elaboração do projeto.
Ao professor Ricardo pelos conhecimentos transmitidos, com didática capaz de
transformar a complexidade de determinados assuntos e facilitar a assimilação dos mesmos.
Ao Paulo Maurício e à Suellen Cardoso, funcionários da Biblioteca, pela paciência
com as nossas reuniões até altas horas.
Ao Kylderi, pelo apoio logístico aos membros do grupo.
Ao nosso orientador, Prof. Dr. José Brant, pela paciência, motivação e dedicação na
orientação deste trabalho.
Aos demais mestres pelos conhecimentos transmitidos ao longo do curso.
"O homem não foi feito para ver a luz, mas
para ver apenas as coisas iluminadas pela luz."
(Goethe)
"À luz certa, no momento exato, tudo é
extraordinário." (Aaron Rose)
"Existem dois modos de se propagar a luz: ser
a vela, ou ser o espelho que a reflete." (Edith
Wharton)
RESUMO
A tecnologia de transmissão óptica no espaço livre (FSO – Free Space Optics) surge
como alternativa para a ampliação da capacidade de transmissão de backhauls de telefonia
celular, dada a crescente demanda por maiores taxas de dados em função, principalmente, da
popularização do acesso à internet através de terminais móveis. Este trabalho apresenta as
vantagens e limitações desta tecnologia, os fatos que marcaram sua evolução ao longo da
história, os principais modelos pertinentes à propagação do sinal óptico na atmosfera, além
das características dos equipamentos e um estudo de caso analisando a implantação de um
enlace FSO no backhaul de uma operadora na cidade do Rio de Janeiro. O estudo de caso
trata, em especial, da aplicação dos modelos pertinentes a esta tecnologia através de um
projeto criterioso para o dimensionamento do enlace, obtendo a redução de custos quando
comparada à tecnologia de transmissão via rádio para a mesma taxa de dados e do tempo de
instalação quando comparada à instalação de fibras ópticas, mostrando a viabilidade de sua
aplicação.
Palavras-chave: Óptica no espaço livre. Backhaul. Telefonia celular.
ABSTRACT
The technology of optical transmission in free space (FSO - Free Space Optics)
appears as an alternative to expand the transmission capacity of mobile backhaul, given the
increasing demand for higher data rates mainly due to a more widespread access to Internet
through mobile terminals. This work presents the advantages and limitations of this
technology, key events that marked its evolution throughout history, the main models relevant
to the propagation of optical signal in the atmosphere, besides the characteristics of equipment
and a case study analyzing the implementation of an FSO link in a carrier backhaul in Rio de
Janeiro. The case study deals particularly with the application of models pertinent to this
technology through a careful design for the dimensioning of the link, obtaining reduction of
the costs when compared to the technology of radio transmission for the same data rate and of
the installation time when compared to the installation of fiber optics, showing its application
feasibility.
Keywords: Free space optics. Backhaul. Cellular telephony.
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1.1: Sistema de Chappe instalado em pontos altos e mecanismo desenvolvido por ele.
.................................................................................................................................................. 21
Figura 1.2: Telégrafo óptico de Mangin. .................................................................................. 22
Figura 1.3: Heliógrafo inglês .................................................................................................... 22
Figura 1.4: Representação esquemática do fotofone inventado por Graham Bell. .................. 23
Figura 1.5: Em 1999, os engenheiros retomaram a idéia do Fotofone. .................................... 24
Figura 1.6: Lichtsprechgerät 80. ............................................................................................... 24
Figura 2.1: Enlaces FSO interligando um backhaul de telefonia celular ................................. 28
Figura 2.2: Atenuação geométrica ............................................................................................ 30
Figura 2.3: Janelas atmosféricas. .............................................................................................. 32
Figura 2.4: Diagramas de espalhamento: (a) Rayleigh, (b) Mie e (c) Não-seletivo. ................ 33
Figura 2.5: Visibilidade em função da precipitação ................................................................. 36
Figura 2.6: Efeito da turbulência atmosférica em um enlace FSO ........................................... 38
Figura 2.7: Medida da variação do parâmetro estrutural do índice de refração na cidade do Rio
de Janeiro no dia 16 de fevereiro de 2003. ............................................................................... 40
Figura 2.8: Atenuação causada pela cintilação em função do comprimento do enlace para os
comprimentos de onda de 785 nm, 850 nm e 1550 nm. ........................................................... 42
Figura 2.9: Exemplo da penetração e absorção de diferentes comprimentos de onda pelas
estruturas do globo ocular......................................................................................................... 45
Figura 3.1: Detalhamento de um transceptor óptico FSO de laser único. ................................ 51
Figura 3.2: Largura espectral da luz emitida por um LED ....................................................... 53
Figura 3.3: Gráfico corrente de entrada versus potência óptica de saída de dispositivos laseres
.................................................................................................................................................. 53
Figura 3.4: Curva de sensibilidade típica de fotodetectores feitos de material semicondutor. 56
Figura 3.5: (a) Junção P-N polarizada reversamente. (b) Corrente de drift e de difusão
ocorrida devido à incidência de luz. ......................................................................................... 57
Figura 3.6: Diodo PIN. ............................................................................................................. 58
Figura 3.7: Circuito equivalente de um foto-transistor. ........................................................... 59
Figura 3.8: Fotodiodo APD. ..................................................................................................... 59
Figura 3.9: Funcionamento de um filtro óptico espacial. ......................................................... 61
Figura 3.10: Esquema que permite movimento vertical, horizontal e rotacional. .................... 62
Figura 3.11: Steering mirror utilizado em sistemas FSO. ........................................................ 63
Figura 3.12: Detector de Quadrante disposto na forma de uma matriz 2x2. ............................ 63
Figura 3.13: (a) Esquema dos Chips CCD; (b) Respectivos diodos sensíveis a luz................. 64
Figura 3.14: Incidência de um raio de luz em uma interface ar-vidro...................................... 65
Figura 4.1: Imagem da localização das estações no cenário proposto para o estudo de caso .. 67
Figura 4.2: À esquerda, SONAbeam™ 1250-M. À direita, OptiX RTN 950 da Huawei. ....... 68
Figura 4.3: Atenuação geométrica para o enlace proposto ....................................................... 71
Figura 4.4: Distribuição de probabilidade de visibilidade para a cidade do Rio de Janeiro .... 75
LISTA DE TABELAS
Tabela 2.1: Código internacional de visibilidade para as condições do tempo e precipitação. 37
Tabela 2.2: Efeitos da exposição a laseres em diferentes comprimentos de onda ................... 46
Tabela 2.3: Categorias de dispositivos de emissão laser de acordo com a norma EM 60825-1
.................................................................................................................................................. 47
Tabela 2.4: Classes de exposição x AEL .................................................................................. 48
Tabela 2.5: Exemplo de valores de MPE (W.m-2
) para o olho de acordo com a duração da
exposição e comprimento de onda ........................................................................................... 48
Tabela 3.1: Comparativo entre equipamentos FSO. ................................................................. 66
Tabela 4.1: Parâmetros do equipamento SONAbeam 1250M. ................................................ 70
Tabela 4.2: Atenuação atmosférica para o cenário proposto, em diferentes condições
climáticas .................................................................................................................................. 71
Tabela 4.3: Parâmetros para cálculo de enlace FSO ................................................................ 73
Tabela 4.4: Resultado dos cálculos de viabilidade, de acordo com as condições climáticas. .. 74
Tabela 4.5: Comparativo entre as soluções FSO e rádio .......................................................... 76
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
3G - 3rd Generation
4G - 4th Generation
ABNT - Associação Brasileira de Normas Técnicas
AEL - Accessible Emission Limits
APD - Avalanche Photodiode
CCD - Charge Coupled Device
DFB - Distributed Feedback Laser
DSL - Digital Subscriber Line
EPI - Equipamento de Proteção Individual
ESCOM - Enterprise Systems Connection
FSO - Free Space Optics
GSM - Global System Mobile
HDTV - High Definition Television
IEC - International Eletrotecnical Commission
IP - Internet Protocol
IP66 - Ingress Protection Classification 66
IR-A - Infrared A
IR-B - Infrared B
LASER - Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
LD - Laser Diode
LED - Light Emission Diode
MPE - Maximum Permissible Exposure
MTBF - Mean Time Between Failures
NEMA-4 - National Electrical Manufacturers Association Type 4
NOHD - Nominal Ocular Hazard Distance
OC-3 - Optical Carrier 3
OC-12 - Optical Carrier 12
PLC - Power Line Communications
QoS - Quality of Service
ROI - Return Over Investment
SC - Subscriber Connector, Square Connector ou Standard Connector
STM-1 - Synchronous Transport Module Level 1
STM-4 - Synchronous Transport Module Level 4
UMTS - Universal Mobile Telecommunication System
UWB - Ultra Wide Band
VCSEL - Vertical Cavity Surface Emitting Laser
WDM - Wavelength Division Multiplex
Wi-Fi - Wireless Fidelity
WiMax - Worldwide Interoperability for Microwave Access
SUMÁRIO
OBJETIVO ............................................................................................................... 16
1 INTRODUÇÃO ........................................................................................................ 17
1.1 ALGUMAS DEFINIÇÕES ........................................................................................ 19
1.1.1 Telecomunicação ...................................................................................................... 19
1.1.2 Transmissão óptica ................................................................................................... 19
1.1.3 As ondas de rádio ou hertzianas ............................................................................. 19
1.1.4 Backbone ................................................................................................................... 20
1.1.5 Backhaul .................................................................................................................... 20
1.2 HISTÓRIA DAS TELECOMUNICAÇÕES ÓPTICAS ............................................ 20
1.3 FIBRA ÓPTICA x FSO ............................................................................................. 25
1.4 VANTAGENS E DESVANTAGENS ....................................................................... 26
2 FUNDAMENTOS TEÓRICOS .............................................................................. 28
2.1 ÓPTICA NO ESPAÇO LIVRE .................................................................................. 28
2.2 EFEITOS DA PROPAGAÇÃO DE LUZ NA ATMOSFERA .................................. 28
2.2.1 Atenuação geométrica .............................................................................................. 29
2.2.2 Atenuação atmosférica ............................................................................................. 30
2.2.2.1 Absorções ................................................................................................................... 32
2.2.2.2 Espalhamentos ............................................................................................................ 33
2.2.2.3 Modelo simplificado................................................................................................... 34
2.2.3 Atenuação por chuvas .............................................................................................. 36
2.2.4 Turbulência atmosférica .......................................................................................... 38
2.2.5 Cintilação .................................................................................................................. 39
2.3 ALINHAMENTO DO FEIXE ................................................................................... 43
2.4 BALANÇO DE POTÊNCIA...................................................................................... 43
2.5 SEGURANÇA DOS OLHOS EM ENLACES FSO .................................................. 44
2.5.1 Efeitos da exposição.................................................................................................. 45
2.5.2 Categorias.................................................................................................................. 46
2.5.3 Accessible Emission Limits (AEL) .......................................................................... 47
2.5.4 Maximum Permissible Exposures (MPE) .............................................................. 48
2.5.5 Nominal Ocular Hazard Distance (NOHD) ........................................................... 49
2.6 SEGURANÇA DA INFORMAÇÃO EM ENLACES FSO ...................................... 49
3 CARACTERÍSTICAS DOS EQUIPAMENTOS FSO ......................................... 51
3.1 TRANSMISSORES ................................................................................................... 52
3.1.1 Light Emitting Diodes (LED) .................................................................................. 52
3.1.2 Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (LASER) ................. 53
3.1.3 Múltiplas fontes de transmissão .............................................................................. 54
3.2 RECEPTORES ........................................................................................................... 54
3.2.1 Características básicas dos fotodetectores ............................................................. 55
3.2.2 Fotodiodo ................................................................................................................... 57
3.2.3 Diodo PIN .................................................................................................................. 58
3.2.4 Fototransistor............................................................................................................ 58
3.2.5 Fotodiodo avalanche (APD) ..................................................................................... 59
3.2.6 Filtros ópticos ............................................................................................................ 60
3.2.6.1 Filtros de absorção...................................................................................................... 60
3.2.6.2 Filtros dicróicos .......................................................................................................... 61
3.2.6.3 Filtros de interferência................................................................................................ 61
3.2.6.4 Filtros espaciais .......................................................................................................... 61
3.2.7 Auto alinhamento ..................................................................................................... 62
3.2.7.1 Gimbal ........................................................................................................................ 62
3.2.7.2 Steering mirror ........................................................................................................... 63
3.2.7.3 Detector de quadrante ................................................................................................. 63
3.2.7.4 CCD ............................................................................................................................ 63
3.3 PERDAS ÓPTICAS ................................................................................................... 64
3.4 COMPARATIVO DE ALGUNS EQUIPAMENTOS FSO DISPONÍVEIS
COMERCIALMENTE ............................................................................................... 65
4 ESTUDO DE CASO ................................................................................................. 67
4.1 CENÁRIO .................................................................................................................. 67
4.2 CONDIÇÕES AMBIENTAIS E DEFINIÇÃO DO CENÁRIO ................................ 68
4.3 CÁLCULOS DE VIABILIDADE TÉCNICA ........................................................... 70
4.3.1 Atenuação atmosférica ............................................................................................. 70
4.3.2 Atenuação geométrica .............................................................................................. 71
4.3.3 Atenuação por cintilação ......................................................................................... 72
4.3.4 Perdas ópticas ........................................................................................................... 73
4.3.5 Atenuação por desalinhamento ............................................................................... 73
4.3.6 Balanço de potência .................................................................................................. 73
4.4 DISPONIBILIDADE ................................................................................................. 74
4.5 CUSTO-BENEFÍCIO ................................................................................................. 76
5 CONCLUSÃO .......................................................................................................... 77
REFERÊNCIAS ....................................................................................................... 78
16
OBJETIVO GERAL
O objetivo deste trabalho é apresentar um estudo de caso onde será desenvolvida uma
análise preditiva para a aplicação da tecnologia de transmissão óptica no espaço livre (FSO –
Free Space Optics) na interligação de estações em backhauls de telefonia celular de forma a
prover aumento da capacidade (throughput).
Este estudo foi motivado pela demanda crescente por maiores taxas de transmissão de
dados (throughput) que vem ocorrendo, principalmente pela popularização do acesso à
internet através de terminais móveis, e pela evolução dos padrões e tecnologias das redes de
telefonia celular.
Não se enquadra no escopo deste trabalho quantificar os ganhos financeiros relativos
ao uso da tecnologia FSO no cenário proposto, em especial no que diz respeito ao retorno de
investimento (ROI).
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Apresentar a tecnologia FSO, seus conceitos básicos, usos, benefícios e limitações;
Apresentar alguns equipamentos FSO, dos principais fabricantes existentes no
mercado, de forma comparativa;
Apresentar um estudo de caso mostrando a aplicação de enlaces FSO em backhauls de
telefonia celular para ampliação da capacidade (throughput) desses enlaces.
17
1 INTRODUÇÃO
Free Space Optics (FSO) é uma tecnologia de comunicação óptica através do espaço
livre. Possui fundamentos similiares aos da comunicação por fibra óptica, exceto pelo meio
de transmissão, que é a atmosfera.
Métodos de comunicação empregando meios de transmissão óptica, ainda que em uma
forma muito primitiva, existem há milênios. As telecomunicações só começaram no final do
século XVIII com o aparecimento do telégrafo óptico de Claude Chappe, e inicialmente, eram
exclusivamente óticas. Por cinquenta anos, a ótica sem fio possibilitou a comunicação de
indivíduos por longas distâncias. No entanto, a quantidade de informação transmitida deste
modo e a qualidade do serviço (QoS) mantiveram-se baixas, devido à falta de
reprodutibilidade e confiabilidade de ambos os transmissores e receptores; dos homens e
materiais; e da natureza mutável da atmosfera como meio de transmissão.
Com o desenvolvimento do telégrafo elétrico de Morse, a eletricidade (cargas elétricas
deslocando-se através de cobre) rapidamente substituiu a óptica (fótons deslocando-se através
do ar). Informações puderam ser transferidas ao longo de linhas de cobre em taxas de dados
relativamente altas.
No entanto, a invenção do laser em 1960 abriu o caminho para outra solução, na
forma de telecomunicações óticas baseadas em fibras ópticas, oferecendo capacidade de linha
quase ilimitada. O desenvolvimento quase simultâneo em 1970-1971 de fibras ópticas com
baixa atenuação, e laseres de semicondutores que emitem em modo contínuo em temperatura
ambiente, levou à explosão das telecomunicações ópticas guiadas. Fibras de vidro podem
transmitir dados a taxas elevadas em distâncias de centenas de quilômetros. Óptica guiada,
sem dúvida, atualmente domina os campos de transmissão submarina, transmissões de longa
distância e transmissões interurbanas, tornando-se parte integrante e indispensável da
Supervia do Sistema de Informação.
Porém, um interesse renovado na transmissão digital de sinais por feixe de laser na
atmosfera tem aparecido. Em um momento em que as ligações entre os sites se multiplicam,
com um aumento crescente do volume de informação a ser transmitida, links ópticos
atmosféricos representam um modo de transmissão sem fio com altas taxas de fluxo (da
ordem de Gbps) em curtas e médias distâncias (de alguns decametros a poucos quilômetros).
Outro motivo para o atual interesse visto em sistemas que fazem uso de óptica sem fio
é que, com a popularização da internet, novos serviços surgiram como vídeo streaming, jogos
18
online e outras aplicações multimídia que requerem taxas de transmissão cada vez mais
elevadas.
Para o atendimento ao usuário final, normalmente com enlaces de distancias curtas,
isto é, para o famoso "último quilômetro" ou "última milha" como elas são conhecidas no
mundo das telecomunicações, várias técnicas diferentes, tanto com fio quanto sem fio, estão
competindo atualmente: eletricidade com fio de cobre (xDSL, PLC, etc.); fibra óptica (vidro
ou polímero), rádio (GSM, UMTS, Wi-Fi, WiMax, UWB, etc.) e óptica sem fio (FSO). Cada
uma dessas técnicas apresenta vantagens e desvantagens em termos de fluxos, distâncias de
transporte, custos e qualidade de serviço.
Quando comparada a estas diversas técnicas, a óptica no espaço livre torna-se
interessante por diversas razões. Algumas destas razões são de natureza legal: por exemplo, a
exploração destas ligações, em contraste com links de rádio, não necessita de qualquer
autorização de freqüência ou qualquer licença específica. Existem também razões
econômicas, uma vez que a implantação de uma ligação sem fios é mais fácil, mais rápida e
menos cara para uma Operadora que a engenharia demandada para a instalação de cabos
ópticos. Finalmente, a óptica apresenta vantagens significativas em relação ao rádio (mesmo
ondas milimétricas) na corrida para alcançar os fluxos de alguns Gbps. A disponibilidade de
componentes (recepção e laseres modulados, etc.), que são amplamente utilizados em
tecnologias de telecomunicações com base em fibras ópticas, contribui ainda mais para
reduzir os custos dos equipamentos.
Hoje, o mercado mundial para a transmissão sem fio de dados numéricos é baseado
principalmente em tecnologias Hertzianas. No entanto, essas tecnologias apresentam algumas
limitações. Em particular, devido à sua largura espectral limitada, é improvável que elas
sozinhas serão capazes de satisfazer as crescentes exigências dos fluxos de dados.
Vale lembrar, porém, que no estágio de desenvolvimento em que se encontram, as
comunicações ópticas sem fio ainda estão limitadas a aplicações de curta distancia e com
requisitos de disponibilidade não tão críticos. E como em todo enlace de telecomunicações,
um projeto criterioso se faz necessário para que haja uma implantação bem sucedida, tanto do
ponto de vista técnico quanto econômico.
19
1.1 ALGUMAS DEFINIÇÕES
1.1.1 Telecomunicação
A definição da palavra “telecomunicação”, adotada durante a Conferência
Internacional de Radiotelégrafos (International Radiotelegraphic Conference) de 1947
realizada em Atlantic City (E.U.A.) é: "qualquer transmissão, emissão ou recepção de
símbolos, sinais, escritos, imagens, sons ou informações de qualquer natureza, por fios,
radioelectricidade, óptica ou outros sistemas eletromagnéticos."
Os meios de transmissão devem ser do tipo eletromagnético, o que permite um
amplo escopo de aplicação, uma vez que, como Maxwell mostrou, ondas eletromagnéticas
incluem eletricidade e óptica.
1.1.2 Transmissão óptica
Trata-se de qualquer transmissão, emissão ou recepção de sinais visuais e sinais
ópticos.
1.1.3 As ondas de rádio ou hertzianas
Estas são ondas electromagnéticas de frequência inferior a 300 GHz, que são
propagadas no espaço sem guia artificial (em óptica, as freqüências são significativamente
mais altas: centenas de THz).
20
1.1.4 Backbone
É a espinha dorsal de um sistema e comunicação, interligando os principais pontos
de cada rede entre si.
1.1.5 Backhaul
É a porção de uma rede de telecomunicações responsável por fazer a ligação entre o
núcleo da rede, ou backbone, e as subredes periféricas.
1.2 HISTÓRIA DAS TELECOMUNICAÇÕES ÓPTICAS
No início, a necessidade de se comunicar à distância foi uma reação natural para a
vida em comunidade. Tochas acesas no topo de montanhas, torres de observação nos pontos
mais altos, pipas com “lâmpadas” e sinais de fumaça, foram utilizados por Romanos,
Chineses e Americanos, basicamente para transmitir informações rudimentares de natureza
essencialmente militar de forma rápida. Navegantes utilizaram sinais com os braços e
semáforos.
Esses processos de comunicação, embora muito primitivos, faziam uso de meios
ópticos de transmissão. A velocidade de transmissão era adequada, mas pouca informação era
contida em cada mensagem, pois as várias configurações possíveis das fontes luz eram muito
limitadas.
Embora a pré-história das telecomunicações se estenda ao longo de milênios, a
história das telecomunicações realmente só começa no final do século XVIII com
o surgimento, na França, do telégrafo óptico de Claude Chappe (Figura 1.1).
O telégrafo de Chappe consistia de um sistema de braços articulados instalados no
em torres ou campanários, em que uma mensagem era transmitida através da posição dos
braços.
21
Figura 1.1: À esquerda, sistema de Chappe instalado em pontos altos: torres ou campanários; à direita,
mecanismo desenvolvido por Chappe: três braços articulados. O braço principal AB, horizontal, possui
aproximadamente 4 metros de comprimento e dois braços pequenos chamados asas, AC e BC, que possuem
aproximadamente 1 metro de comprimento. O mecanismo de controle está sob o telhado da torre ou campanário
onde o mastro DD’ está fixado. Os braços móveis são cortados em forma de persianas, o que dá as propriedades
de grande leveza e resistência ao vento. Os braços móveis são pintados de preto para garantir uma boa
visibilidade contra o fundo do céu.
O sistema desenvolvido por Chappe foi bastante utilizado, porém, com o
desenvolvimento do telégrafo elétrico por Morse, se tornou obsoleto. No entanto, Lesuerre
desenvolveu um novo telégrafo óptico, que graças ao uso de telescópios alcançava grandes
distancias, utilizando flashes de luz solar ou lâmpadas de óleo para produzir os caracteres do
código. Uma versão melhorada deste telégrafo óptico foi desenvolvida por Mangin (
Figura 1.2).
Outro avanço na área foi o heliógrafo ou telégrafo solar, composto por um sistema
óptico de telecomunicações portátil. Este utiliza o reflexo de raios solares com um espelho
direcional. Os raios refletidos são direcionados para a estação de recepção conforme Figura
1.3.
22
Figura 1.2: Telégrafo óptico de Mangin. À esquerda, a fonte luminosa é uma lâmpada a óleo e o obturador A é
usado para ordenar a emissão do sinal de luz (pontos e traços do telégrafo Morse), o telescópio EE’ é paralelo ao
eixo das lentes e usado para ver os sinais da estação transmissora; à direita, o telégrafo é iluminado pela luz solar
durante o dia, o dois espelhos planos M e M’ são inclinados de acordo com a posição do sol para direcionar o
feixe de luz refratado no aparelho e através de um conjunto de lentes, ter na saída um feixe de luz como no caso
anterior
Figura 1.3: À esquerda, o heliógrafo inglês: quando se quer transmitir sinais, um direciona o espelho M cujos
raios refletidos cruzarão o cartão de teste D; este sistema não funciona se o sol estiver alto no horizonte; à direita,
heliógrafo com espelho duplo. O uso de um segundo espelho permite a coleta dos raios solares, ilmuninando o
primeiro, com um ângulo muito aberto e refletindo sobre o espelho principal. Este sistema de espelho duplo
permite seu uso em uma faixa de horário muito mais ampla do que o sistema anterior
Em 1880, quatro anos depois de ter inventado o telefone, Alexander Graham Bell
realizou sua primeira comunicação óptica sem fio na qual os raios do sol substituíram o fio
elétrico:
"Eu ouvi os raios de sol a rir, a tossir e a cantar", ele escreveu a seu pai, depois da
primeira demonstração do funcionamento deste aparelho, que seria nomeado de "Photophone"
(Fotofone). Foi uma transmissão em espaço livre por uma distância de aproximadamente 200
metros, usando a luz do sol como portadora e mostrando pela primeira vez, desta forma, o
princípio básico das comunicações ópticas modernas onde a fibra óptica substitui o ar como
meio de transmissão de luz.
23
Figura 1.4: Representação esquemática do fotofone inventado por Graham Bell; a
luz solar é modulada por uma membrana vibratória e é transmitida no espaço livre por cerca de 200 metros, e
então, entregue por uma célula de selênio ligada a fones de ouvido
O princípio básico do fotofone está esquematizado na Figura 1.4. A luz do sol é
focada em uma membrana reflexiva flexível. O usuário fala para esta membrana. A palavra
falada é transmitida no ar através da modulação dos raios do sol refletidos. Esta luz refletida
modulada, após seu deslocamento no ar, é recolhida por um refletor parabólico e focada em
uma célula de selênio fotocondutora conectada a uma pilha e a fones de ouvido.
Graham Bell considerou que esta invenção, de patente depositada em 03 de junho de
1880, era a sua maior invenção, muito mais significativa do que o telefone. E no entanto o
telefone suplantou o fotofone. As distâncias de transmissão eram muito pequenas e o sol não
emite seus raios exatamente da mesma maneira, 24 horas por dia, 365 dias por ano.
No entanto, quase 120 anos depois, os engenheiros retomaram a idéia do photophone
e utilizaram os links ópticos no espaço livre para as transmissões sem fio para uso comercial
com alta taxa de dados, como sugerido pela Figura 1.5. A luz solar, definitivamente muito
variável, não poderia ser usada, mas feixes de luz perfeitamente controláveis foram usados em
seu lugar, graças ao desenvolvimento dos componentes para as telecomunicações óticas em
fibras ópticas. Estes feixes de fótons são fornecidos por laseres cujas características são
conhecidas com exatidão (comprimento de onda, o número de fótons emitidos, tempo ou
seqüências de emissão); estes são coletados pelos detectores extremamente sensíveis e
reprodutíveis. O meio de transmissão permanece o ar e pode ser variável (por exemplo,
devido a mudanças no clima, vegetação, ambiente industrial), mas a óptica e a eletrônica
modernas podem mitigar o grau de não homogeneidade. Este problema da não
reprodutibilidade do meio de transmissão é o mesmo encontrado pelas comunicações em
radioelectricidade como a radiodifusão. Isto pode ser resolvido através do uso de eletrônica
adequada nos receptores.
24
Figura 1.5: Em 1880, Graham Bell transmitiu a sua voz por mais de 600 pés (200m),
através do ar e utilizando os raios refletidos do sol. Em 1999, os engenheiros retomaram a idéia do Fotofone.
Carl Zeiss Jena desenvolveu o Lichtsprechgerät 80 (tradução livre: dispositivo de luz
falante) que o exército alemão usou em suas unidades de defesa antiaérea durante a Segunda
Guerra Mundial.
Na década de 60, com a invenção e o desenvolvimento dos primeiros laseres de rubi,
os sistemas FSO, uma das primeiras aplicações para o laser, passaram a ser desenvolvidos
para comunicações militares, devido principalmente à segurança oferecida à transmissão, e à
rapidez de instalação oferecida pela tecnologia. Também se iniciou, nesta época, o
desenvolvimento de pesquisas para o uso de FSO em comunicações aeroespaciais entre as
estações terrestres e satélites e entre satélites.
Muitas restrições tecnológicas impossibilitaram o sucesso comercial da tecnologia
FSO nos anos 60, entre elas o baixo alcance, a baixa capacidade, problemas com alinhamento
e a vulnerabilidade às condições ambientais.
Figura 1.6: Lichtsprechgerät 80. À esquerda, unidade óptica; à direita, Lichtsprechgerät 80 em uso.
25
Em junho de 1968 foi publicado na Alemanha, na revista Nachrichtentechnik o
primeiro artigo sobre FSO entitulado "Information transmission by light beams through the
atmosphere" (Transmissão de informações por feixes de luz através da atmosfera), escrito
pelo Dr. Erhard Kube.
Com o avanço e a diminuição dos custos dos componentes ópticos, os protótipos FSO
para uso comercial foram desenvolvidos.
Enquanto a comunicação por fibra óptica ganhou aceitação na indústria de
telecomunicações, a comunicação por FSO ainda é relativamente nova. FSO proporciona
capacidade de transmissão com banda semelhante à fibra óptica, utilizando transmissores e
receptores ópticos similares.
1.3 FIBRA ÓPTICA X FSO
A fibra óptica e o FSO possuem larguras de bandas similares, logo é interessante
compararmos o funcionamento dos dois tipos de sistemas.
As fibras ópticas são compostas de vidro ou polímero com diâmetros extremamente
finos (diâmetros menores que 70 m) utilizados para transmitir informação por meio de sinais
luminosos. As fibras ópticas possuem duas regiões principais: o núcleo, que é por onde
trafega o sinal óptico e a casca, parte mais externa e que dá alguma proteção ao núcleo. O
núcleo possui sempre um índice de refração mais elevado que a casca proporcionando a
condição de reflexão interna total da luz quando injetada na fibra com um ângulo menor que
seu ângulo crítico. Portanto, a luz se refletirá na interface entre o núcleo e a casca da fibra até
a detecção na outra extremidade.
Existem diversos tipos de fibras ópticas: monomodo, multimodo, fibras ópticas
especiais para uso em sistemas com multiplexação por divisão de comprimento de onda
(WDM).
A fibra óptica, sendo um meio confinado é mais previsível do que o espaço livre que,
por ser um meio não-confinado está sujeito a vários outros tipos de adversidades.
Devido a esta imprevisibilidade, é mais difícil controlar e prever o comportamento da
transmissão óptica através do ar, fato este que afeta a disponibilidade e a capacidade do
enlace. As redes ópticas sem fio devem ser projetadas para suportar mudanças na atmosfera
que afetem o desempenho do sistema. Apesar destes contratempos, enlaces FSO são mais
26
baratos e demandam menos tempo para serem instalados, devido ao fato de não necessitarem
de obras de engenharia civil.
Componentes utilizados por equipamentos de transmissão através de fibras ópticas são
empregados nos transmissores e receptores de FSO, dado que as janelas de transmissão da
fibra óptica coincidem com algumas das janelas da atmosfera nos comprimentos de onda
utilizados. A diferença é que as fibras são meios confinados e o FSO propaga-se livremente
na atmosfera.
1.4 VANTAGENS E DESVANTAGENS
Abaixo são mostradas as principais vantagens e desvantagens desta tecnologia:
Vantagens:
Menor custo e tempo de instalação;
Não há necessidade de aquisição de licenças para uso do espectro eletromagnético
ou execução de obras em vias públicas;
Largura de banda similar à das fibras ópticas e maior que a de enlaces rádio
típicos;
Virtualmente imune às interferências externas, além de também não interferir em
outros sistemas.
Desvantagens:
Susceptível a variações atmosféricas;
Necessita de um alinhamento preciso;
Potência limitada, devido às normas de segurança.
Como o ângulo de abertura do feixe é muito pequeno, a comunicação entre dois
pontos torna-se menos susceptível à interceptação indesejada e, consequentemente, mais
segura. Para que o sinal possa ser interceptado, um receptor deverá ser colocado no caminho
do feixe transmitido. Por outro lado, a dificuldade de alinhamento e as perdas por
desalinhamento devido às instabilidades mecânicas são maiores.
As principais desvantagens encontradas neste tipo de sistema são relacionadas com a
propagação óptica através da atmosfera. Os comprimentos de onda são comparáveis, em
27
tamanho, com as partículas e moléculas suspensas na atmosfera, fazendo com que a energia
do laser seja absorvida ou espalhada.
Os comprimentos de onda mais utilizados são de 785, 850 e 1550 nm, graças à
disponibilidade de componentes que já são utilizados nos equipamentos de transmissão
através de fibras ópticas, o que contribui para o barateamento dos equipamentos FSO.
28
2 FUNDAMENTOS TEÓRICOS
2.1 ÓPTICA NO ESPAÇO LIVRE
FSO é uma tecnologia de transmissão óptica que utiliza feixes de luz que se propagam
através da atmosfera e que oferece altas taxas de transmissão de dados.
A Figura 2.1 ilustra um sistema FSO.
Figura 2.1: Enlaces FSO interligando um backhaul de telefonia celular
2.2 EFEITOS DA PROPAGAÇÃO DE LUZ NA ATMOSFERA
Diferentemente dos sistemas a fibra, o meio de transmissão do sistema FSO, a
atmosfera, apresenta características que podem sofrer grandes variações dependendo do local
de instalação dos transceptores, bem como no decorrer do tempo. Esse caráter variante do
29
meio de transmissão torna mais complexa a estimação das perdas impostas ao sinal óptico.
Portanto, para se obter boas estimativas para a perda de potência do sinal gerada pelo canal
devem ser considerados os modelos para cada um dos principais fenômenos envolvidos na
propagação do feixe óptico na atmosfera no local de instalação. Os dois principais fenômenos
são a absorção e o espalhamento causados pelas moléculas e partículas encontradas em
suspensão na atmosfera. Outro fenômeno relevante é a cintilação, causada pela turbulência
atmosférica. Nas seções a seguir, estes fenômenos serão detalhados e os modelos matemáticos
pertinentes à estimação das perdas devido a cada um serão mostrados.
2.2.1 Atenuação geométrica
Os laseres utilizados em transceptores FSO possuem baixos valores de divergência
angular, porém, não é possível obtermos um feixe perfeitamente colimado, e mesmo que este
ainda fosse obtido, a divergência do feixe seria gerada devido ao efeito da difração. A
divergência do feixe faz com que a área da seção reta do feixe aumente continuamente com a
distância propagada, em função do ângulo de divergência. Portanto, em enlaces relativamente
longos, o diâmetro do feixe de laser na posição do receptor é muito maior que o diâmetro
efetivo do receptor fazendo com que apenas uma parcela da energia do feixe seja captada pelo
receptor.
O parâmetro utilizado para expressar numericamente esta perda devido a não captação
da totalidade do sinal é a Atenuação Geométrica, definida como a razão entre as áreas efetivas
do receptor e da seção reta do feixe na posição do receptor, cuja equação é dada por:
Onde:
- Área efetiva do receptor;
- Área da seção reta do feixe na posição do receptor;
e - Diâmetros efetivos do receptor e do transmissor,
respectivamente;
(2.1)
30
- Ângulo de divergência do feixe e;
- Comprimento do enlace.
Na Figura 2.2, podemos observar uma ilustração do cone de divergência e dos
parâmetros utilizados no modelo de atenuação geométrica.
Figura 2.2: Atenuação geométrica
2.2.2 Atenuação atmosférica
Ondas eletromagnéticas da faixa de frequência óptica interagem com as partículas em
suspensão na atmosfera, como gotículas de água e poeira. Os principais efeitos da interação
do feixe óptico com as partículas em suspensão são a absorção e o espalhamento. Esses
fenômenos geram a redução da energia captada pelo receptor, sendo muito importante a sua
correta modelagem no projeto e análise de sistemas FSO.
Deve-se ressaltar que tanto a atenuação causada pela absorção quanto pelo
espalhamento são dependentes de características do sinal, principalmente o comprimento de
onda empregado e de características próprias das partículas, como dimensão, composição e
suas concentrações na atmosfera.
A atenuação causada no sinal, pelos fenômenos citados, durante a propagação pode ser
descrita de maneira simples através da transmitância de Beer, dada por:
31
Onde:
- Comprimento do enlace (em km);
- Coeficiente de atenuação atmosférica (em km-1
);
- Transmitância;
- A potência óptica após a propagação na atmosfera por um comprimento
;
- Potência óptica inicial.
Assim, a atenuação atmosférica dependerá do comprimento do enlace e do coeficiente
de atenuação. As variações das características da atmosfera, sejam elas sazonais ou mesmo ao
longo de um dia, são muito intensas, de modo que os valores do coeficiente de atenuação
podem variar mais de duas ordens de grandeza dependendo das condições do tempo. Dessa
forma, para que seja possível um correto projeto de um enlace FSO, modelos precisos para
estimação do coeficiente de atenuação atmosférica devem ser considerados.
As partículas presentes na atmosfera podem ser divididas em dois grupos: moléculas e
aerossóis.
Moléculas são componentes dos diversos gases presentes ma atmosfera, que possuem
dimensões muito reduzidas (muito menores que o comprimento de onda da luz).
Aerossóis são partículas em suspensão na atmosfera como poeira e gotículas de água,
que possuem dimensões que variam desde valores muito menores que o comprimento
de onda óptico a valores da ordem de um milímetro.
Assim, o coeficiente de atenuação atmosférica é comumente dividido em quatro
parcelas fundamentais, cada uma contabilizando os efeitos de absorção e espalhamento dos
dois grupos de partículas presentes:
Onde:
- absorção molecular;
- absorção por aerossóis;
- espalhamento molecular;
(2.2)
(2.3)
32
- espalhamento por aerossóis.
2.2.2.1 Absorções
A absorção atmosférica é um fenômeno irreversível que resulta na perda efetiva de
energia para os constituintes atmosféricos, ou seja, a energia radiante é transformada em outro
tipo de energia, geralmente energia térmica.
Gases como o O2, CO2 e o O3, além do vapor de água, causam severas atenuações em
algumas faixas de comprimento de onda do infravermelho. Essas absorções intensas limitam a
transmissão aos comprimentos de onda localizados em uma das janelas de baixa atenuação
(maior transmitância), como se pode observar na Figura 2.3.
Figura 2.3: Janelas atmosféricas.
Além disso, pode-se observar que, no interior das janelas, a variação com o
comprimento de onda é suave.
33
2.2.2.2 Espalhamentos
Quando um feixe de luz se depara com uma partícula, sua energia é dispersada em
várias direções, segundo um diagrama de espalhamento, representado na Figura 2.4. As
características do diagrama, ou seja, o modo como a energia se espalha, dependem
fundamentalmente da razão entre as dimensões da partícula e o comprimento de onda da luz
do feixe.
Figura 2.4: Diagramas de espalhamento: (a) Rayleigh, (b) Mie e (c) Não-seletivo.
Costuma-se definir o tipo de espalhamento em função do parâmetro , que relaciona
as dimensões da partícula espalhadora ao comprimento de onda através da seguinte equação:
Onde:
- Raio da partícula espalhadora;
- Comprimento de onda da luz.
Para , o espalhamento é classificado como Rayleigh. Este é caracterizado por
um diagrama de espalhamento com um lobo secundário de mesma dimensão que o principal,
conforme se pode verificar na Figura 2.4 (a). Os principais causadores desse espalhamento
são as moléculas constituintes da atmosfera. Esse sendo, portanto, o caso do espalhamento
molecular.
Para , o espalhamento é classificado como Mie. O diagrama de espalhamento
também possui lobo secundário bastante pronunciado, apenas um pouco menor que o
(2.4)
34
apresentado pelo espalhamento Rayleigh, Figura 2.4 (b). As partículas causadoras desse
fenômeno são, em geral, as gotículas de água em suspensão. Este espalhamento representa o
principal mecanismo de atenuação atmosférica na maior parte do tempo e normalmente é
associado à névoa ou neblina.
Para , tem-se o espalhamento não-seletivo. Este nome se deve ao fato de que
os efeitos deste tipo de espalhamento afetam diferentes comprimentos de onda da mesma
forma. Uma vez que sua modelagem pode ser feita utilizando diretamente conceitos da óptica
geométrica, este espalhamento freqüentemente é referido com espalhamento da óptica
geométrica, Figura 2.4 (c). Os principais causadores desse efeito são as gotas de água de
maiores dimensões, como as que ocorrem em chuvas.
2.2.2.3 Modelo simplificado
Conforme mostrado, as absorções são pequenas nas janelas de transmissão, de forma
que para comprimentos de onda nelas contidos a atenuação atmosférica é causada
basicamente por espalhamentos.
Dentre os espalhamentos, o não-seletivo só é relevante em condições de precipitação,
devido à pequena densidade de partículas com raio elevado em condições de tempo bom. Por
isso o espalhamento não-seletivo é comumente tratado separadamente, como será visto na
Seção 2.2.3.
Além disso, a atenuação causada devido ao espalhamento Mie é muito superior à
causada pelo espalhamento Rayleigh, de modo que a atenuação atmosférica pode ser
simplificada como causada unicamente pelo espalhamento Mie. Assim, pode-se aproximar a
equação (2.3) para:
Onde:
- coeficiente de espalhamento por aerossóis.
Uma maneira simples de obter o coeficiente de espalhamento é através da visibilidade.
A visibilidade é uma grandeza meteorológica que exprime o alcance visual de um observador
(2.5)
35
através da atmosfera. Quantitativamente esse parâmetro pode ser definido como a distância
em que o contraste (que é a razão da diferença entre a intensidade luminosa de um corpo pela
intensidade luminosa do horizonte) entre um corpo negro e o horizonte cai a 0,02.
A relação entre a visibilidade e o coeficiente de espalhamento é dada pela equação de
Koschmeider:
Onde:
- Visibilidade atmosférica padrão. Essa equação é definida para luz com
comprimento de onda de 550 nm.
Para outros comprimentos de onda, a relação entre o coeficiente de espalhamento e a
visibilidade é dada pela equação:
Onde:
- Comprimento de onda da luz medido em nm
- Coeficiente empírico dado por:
Um estudo mais recente sugere outros valores para o coeficiente empírico .
Estes valores são apresentados abaixo:
O uso da visibilidade como parâmetro de projeto de enlaces FSO tem como vantagens
a simplificação dos cálculos, dado que os parâmetros atmosféricos são reduzidos a apenas um,
e a grande disponibilidade de dados, visto que a visibilidade é medida nos aeroportos.
(2.6)
(2.7)
(2.8)
(2.9)
36
2.2.3 Atenuação por chuvas
As gotas de chuva apresentam dimensões elevadas, quando comparadas com os
comprimentos de onda utilizados em enlaces FSO. Por isso, a atenuação por elas gerada
enquadra-se no modelo de atenuação por espalhamento não-seletivo. O fator mais relevante
para o cálculo de atenuação é a taxa de precipitação em mm/h.
Figura 2.5: Visibilidade em função da precipitação
Existem estudos nos quais a atenuação causada por chuvas é obtida por um modelo
baseado na aproximação da teoria do espalhamento Mie. São usados parâmetros ambientais
como a taxa de precipitação, umidade e temperatura para o cálculo das concentrações de gotas
e seus raios, em vez da visibilidade.
Um modelo bastante utilizado para o cálculo do coeficiente de espalhamento por
chuvas é dado por:
Onde:
é dado em dB/km;
- Taxa de precipitação em mm/h;
(2.10)
37
e - Coeficientes de ajuste que dependem das características de precipitação
da região em que se encontra o enlace.
Na indisponibilidade de dados específicos dos coeficientes de ajuste para a região,
podem ser usados valores padronizados abaixo:
A Tabela 2.1 mostra uma comparação entre as condições de tempo e as taxas de
precipitação correspondentes.
Tabela 2.1: Código internacional de visibilidade para as condições do tempo e precipitação.
Espalhamento Mie Espalhamento por Chuvas
Visibilidade Condições de tempo
Tipo de Precipitação
Precipitação (mm/h)
Nevoeiro denso 0 m
50 m
Nevoeiro grosso
200 m
Nevoeiro moderado
500 m
Nevoeiro leve
Tempestade 100 770 m
1 km
Nevoeiro fino
Chuva forte 25 1,9 km
2 km
Neblina
Chuva média 12,5 2,8 km
4 km
Neblina fina
Chuva fraca 2,5 5,9 km
10 km
Limpo
Garoa 0,25 18,1 km
20 km
Muito limpo
23 km
50 km
Na Tabela 2.1, pode-se verificar que as condições de nevoeiro, de moderado a denso,
geram reduções na visibilidade maiores que os temporais. Deve-se considerar ainda que a
duração média de um nevoeiro é muito superior à duração média de uma tempestade. Assim,
um enlace FSO com a margem adequadamente projetada para operar em condições de
nevoeiro não deverá enfrentar problemas em condições de chuva.
38
2.2.4 Turbulência atmosférica
A turbulência é definida como as variações aleatórias do índice de refração da
atmosfera em decorrência de gradientes de temperatura.
Durante o dia, o sol aquece as superfícies, que irradiam calor aquecendo o ar próximo
a elas. Esse aquecimento não ocorre de maneira uniforme, fazendo com que algumas porções
de ar se aqueçam mais que outras. As porções mais aquecidas sofrem expansão, ficando com
densidade menor que o restante do ar, formando bolhas com índices de refração diferentes.
Estas diferenças de refratividade causam desvios nos feixes de luz que atravessam essa
região.
A atuação da turbulência está ilustrada no esquema da Figura 2.6.
Figura 2.6: Efeito da turbulência atmosférica em um enlace FSO
Essas bolhas de ar possuem dimensões, deslocamento e índices de refração variantes e
aleatórios, de modo que os feixes de luz que atravessam regiões com bolhas de ar quente
sofrem desvios igualmente variantes no tempo e aleatórios.
Três efeitos distintos podem ser observados em decorrência da turbulência.
O feixe pode sofrer variações de direcionamento durante a propagação. Neste caso, as
bolhas de ar de grandes dimensões funcionam com prismas, redirecionando a luz de forma
aleatória. Este fenômeno é conhecido como beam wander. Seu efeito no enlace pode ser
medido através da variância radial de potência, , no receptor, dada por:
Tela
39
Onde:
- Parâmetro da estrutura do índice de refração, que será detalhado na Seção
2.2.5, em ;
- Comprimento de onda da luz em ;
- Comprimento do enlace em m.
Esse efeito é importante no projeto de sistemas de auto-alinhamento empregado nos
enlaces FSO, visto que esses sistemas são responsáveis por minimizar os efeitos do beam
wander. Assim, quando um sistema de auto-alinhamento eficiente é empregado, o beam
wander pode ser desconsiderado no dimensionamento do enlace.
Um segundo efeito é o aumento da divergência do feixe. Esse pode ser percebido pelo
aumento da seção reta do feixe além do previsto na análise da atenuação geométrica.
O terceiro efeito ocorre devido às mudanças de fase sofridas por parcelas do feixe que
percorrem comprimentos ópticos ligeiramente diferentes, devido à propagação através de
bolhas de ar quente menores que o diâmetro do feixe. Essas parcelas do feixe, ao alcançarem
o receptor geram interferências construtivas e destrutivas aleatórias. Isso causa flutuações na
intensidade de sinal recebida em torno de um valor médio. Esse fenômeno é conhecido como
cintilação.
Desses três efeitos a cintilação é a que mais afeta os enlaces FSO, de modo que será
vista com maiores detalhes na próxima seção.
2.2.5 Cintilação
As variações instantâneas da potência recebida podem ocasionar a saturação do
receptor ou a perda do sinal. Nos enlaces FSO, é comum o posicionamento do transmissor e
receptor próximos a superfícies aquecidas pelo sol, como no topo de prédios ou nas
proximidades de paredes. O feixe pode ainda ter de atravessar regiões sujeitas a intensas
variações de temperatura, como parapeitos de edifícios e janelas. Assim, o efeito da cintilação
deve ser considerado no balanço de potência do sistema.
(2.11)
40
Como visto, os efeitos da turbulência nos enlaces FSO advém da variação aleatória do
índice de refração no espaço e no tempo. Dessa forma, uma boa descrição da turbulência
poderia ser obtida com o uso de uma função aleatória como, por exemplo, a que descreve a
variação do índice de refração. Contudo, a especificação de tal função aleatória é muito
complexa. Dessa forma, na prática são utilizadas características estatísticas da função
aleatória.
Dentre estas características estatísticas, a mais usada na descrição da turbulência
atmosférica é o parâmetro estrutural do índice de refração, . Este parâmetro é conveniente
devido à facilidade de medição, uma vez que podem ser utilizados, para tal, sensores de
temperatura.
Na Figura 2.7, vemos os valores de obtidos no Rio de Janeiro, no dia 16 de
fevereiro de 2003. Pode-se observar que os valores medidos durante o dia são da ordem de
100 vezes maiores que os medidos à noite. Isso era de se esperar porque a principal causa da
turbulência atmosférica são as bolhas de ar quente geradas, principalmente, nas superfícies
aquecidas pelo Sol.
Figura 2.7: Medida da variação do parâmetro estrutural do índice de refração na cidade do Rio de Janeiro no dia
16 de fevereiro de 2003.
41
A classificação da turbulência atmosférica pode ser realizada com base na medida da
variância da densidade superficial de potência instantânea em escala logarítmica, parâmetro
esse conhecido como variância de Ritov, dado por:
Onde:
- Número de onda da luz em rad/m;
– Distância em metros.
Para , a turbulência é fraca, para
, a turbulência é moderada e, para
, a turbulência é forte. A equação (2.12) é válida para os regimes de turbulência fraca
e moderada. Para a turbulência forte, no entanto, experimentos têm mostrado que a cintilação
atinge um limite máximo, e portanto a equação (2.12) super-dimensiona a cintilação.
Uma vez que a variância de Ritov mede a variação da irradiância em torno da média
em escala logarítmica, pode-se escrever:
Onde:
é a irradiância média recebida
é a irradiância instantânea.
Assim, a perda devido à cintilação pode ser escrita como:
Na Figura 2.8, vê-se a atenuação causada pela cintilação para diferentes comprimentos
de onda, obtida para , que é o máximo valor de
na Figura
2.7. Pode-se observar que a cintilação impõe maiores perdas aos comprimentos de onda
menores.
(2.12)
(2.13)
(2.14)
42
Figura 2.8: Atenuação causada pela cintilação em função do comprimento do enlace para os comprimentos de
onda de 785 nm, 850 nm e 1550 nm.
Existe também um modelo simplificado desenvolvido a partir de alguns estudos para o
cálculo da atenuação por cintilação que toma como parâmetros a distância do enlace e as
características construtivas do equipamento. Este modelo é apresentado abaixo:
Onde:
é a distância do enlace em km
e são definidos de acordo com o seguinte:
Para sistemas com um único laser e/ou diâmetro do receptor menor ou igual a 10 cm:
e .
Para sistemas com múltiplos laseres e/ou diâmetro do receptor maior que 10 cm:
e .
(2.15)
43
2.3 ALINHAMENTO DO FEIXE
Um item importante na instalação de um enlace FSO é o alinhamento entre os
transceptores.
Mesmo pequenos desalinhamentos podem causar uma degradação significativa da
potencia recebida. Ventos e até mesmo o próprio movimento natural das estruturas onde os
transceptores são instalados podem causar esse efeito indesejável.
Uma das soluções para esse problema é a utilização de laseres com maiores ângulos de
divergência. Porém, neste caso, o desempenho do sistema é prejudicado devido ao aumento
da atenuação geométrica.
Assim, a solução mais utilizada nos sistemas FSO modernos é o uso de transceptores
com sistema de auto alinhamento (auto-tracking).
Para que se possa considerar essa variável no projeto do enlace, é usual atribuir
valores em torno de 3 dB para a perda por desalinhamento.
2.4 BALANÇO DE POTÊNCIA
Como nos enlaces FSO a transmissão ocorre em um meio não-confinado, as perdas a
serem consideradas no balanço de potência são de duas naturezas distintas: fixas e variáveis.
No primeiro grupo, estão aquelas originadas pelos componentes do sistema, como as
perdas nas lentes e espelhos do transmissor e receptor, imprecisões de alinhamento e
colimação e a atenuação geométrica. Estas perdas são determinísticas e não variam no tempo.
Assim, podem ser medidas com relativa facilidade e minimizadas com um projeto adequado
dos componentes do enlace.
O segundo grupo, das perdas variáveis, depende diretamente das características do
canal de propagação, a atmosfera. Assim, são de natureza estocástica, possuindo grandes
variações no tempo e com a posição em função das condições atmosféricas. São representadas
pelos modelos de atenuação atmosférica, atenuações por chuvas e pela turbulência.
Assim, o balanço de potência dos enlaces FSO pode ser escrito como:
44
Onde:
- Potência transmitida, em dBm;
- Potência recebida, em dBm;
- Perdas do enlace, em dB;
- Margem de segurança do sistema, em dB.
O valor mínimo de é determinado em função da sensibilidade do receptor para o
comprimento de onda a ser utilizado e para a taxa de erro de bit desejada. A atenuação total
do enlace é dada por:
Onde
e representam as perdas nos componentes ópticos do transmissor e
receptor, respectivamente;
são as perdas devido ao alinhamento imperfeito;
, , e são as perdas causadas pelas atenuações
atmosférica, por chuvas, por cintilação e geométrica, respectivamente, todas
em escala logarítmica, em dB.
A margem do sistema é escolhida para contabilizar as perdas adicionais devido ao
envelhecimento dos componentes.
2.5 SEGURANÇA DOS OLHOS EM ENLACES FSO
Outro aspecto importante que deve ser considerado em sistemas FSO, já que a luz se
propaga pela atmosfera, é a segurança dos olhos, não só dos profissionais que operam o
sistema, mas também das pessoas que podem vir a ter contato ocasional com o feixe.
(2.16)
(2.17)
45
No caso dos profissionais, a questão da segurança é tratada com o uso de EPI (neste
caso, óculos) e indicações no equipamento, como já ocorrem com dispositivos laser para
fibras ópticas.
Para o público em geral, esta segurança é alcançada, utilizando-se comprimentos de
onda comprovadamente menos agressivos ao olho humano, o que também se aplica,
obviamente, aos profissionais da área. Estudos mostram que estes comprimentos se situam em
torno de 1,55µm, que coincidentemente é o comprimento de onda mais utilizado nos
modernos sistemas de fibra óptica, proporcionando o menor custo e maior disponibilidade de
componentes no mercado. Dado isto, pode-se concluir que este comprimento de onda é o mais
adequado para o uso em sistemas FSO.
Figura 2.9: Exemplo da penetração e absorção de diferentes comprimentos de onda pelas estruturas do
globo ocular
A seguir são apresentados alguns parâmetros e aspectos normativos utilizados na
classificação de um laser como seguro.
2.5.1 Efeitos da exposição
A exposição humana a feixes laser pode ser nociva, tanto à pele quanto aos olhos.
Felizmente, os comprimentos de onda utilizados em comunicações ópticas não são agressivos
à pele humana nos níveis de potência utilizados, porém os olhos, por serem mais sensíveis à
luz, podem ser afetados. A
Tabela 2.2 apresenta um resumo dos efeitos causados por essa exposição.
46
Os diversos laseres são classificados em categorias, dependendo dos riscos associados
à exposição humana. Basicamente, esta divisão em categorias leva em consideração três
parâmetros:
- AEL (Accessible Emission Limits), um parâmetro associado à potência de
emissão do laser.
- MPE (Maximum Permissible Exposure), um parâmetro associado à densidade de
potência óptica à qual uma pessoa pode se expor sem riscos à pele e aos olhos.
- NOHD (Nominal Ocular Hazard Distance), um parâmetro que define a distância
a partir da qual a pessoa passa a atender a especificação de MPE para determinado
comprimento de onda. Exposições em distâncias maiores que o NOHD
praticamente não apresentam riscos.
Tabela 2.2: Efeitos da exposição a laseres em diferentes comprimentos de onda
Comprimento de Onda
500 – 700 nm 700 – 1000 nm 1500 – 1800 nm
Emissão Vermelho visível Infravermelho próximo IR-A Infravermelho distante IR-B
Efeitos Cutâneos Sem efeitos significantes
Olhos Porcentagem do sinal laser absorvido e transmitido
Transmissão 90% 50% 0%
Absorção Retina: 90% Córnea: 0%
Humor vítreo: 50% Córnea: 90%
Humor aquoso: 10%
Nocividade aos olhos
(para limiares que excedem o MPE)
Retina: aquecimento, queimaduras, lesões
limitadas mas irreversíveis
Retina: aquecimento, queimaduras, lesões
limitadas mas irreversíveis Cristalino: lesões em
potencial
Córnea: potencial opacificação
Nas próximas seções, as categorias e estes parâmetros serão melhor detalhados.
2.5.2 Categorias
As categorias utilizadas para classificar os laseres quanto à segurança, são baseadas
nos parâmetros já citados anteriormente, em especial o AEL e o comprimento de onda do
laser. Abaixo, tabela com as características de cada categoria definida na norma européia EN
60825-1.
47
Vale observar que há pequenas diferenças, em especial na nomenclatura de cada
categoria, quando analisamos normas diferentes, como a Européia e a Americana. Também é
válido observar que a grande maioria dos equipamentos FSO opera com laseres classe 1.
Tabela 2.3: Categorias de dispositivos de emissão laser de acordo com a norma EM 60825-1
Categoria Riscos Associados
1M
Dispositivo de baixa potência emitindo radiação em um comprimento de onda na
banda de 302.5 – 4000 nm. Dispositivo intrinsecamente sem risco devido ao
design técnico sob todas as condições de uso razoáveis previsíveis, incluindo
visão utilizando instrumentos ópticos (binóculos, microscópio, monóculo)
1
Dispositivo de baixa potência emitindo radiação em um comprimento de onda na
banda de 302.5 – 4000 nm. Dispositivo intrinsecamente sem risco devido ao
design técnico sob todas as condições de uso razoáveis previsíveis, exceto para
visão utilizando instrumentos ópticos (binóculos, microscópio, monóculo)
2M
Dispositivo de baixa potencia emitindo radiação visível na banda de 400 – 700
nm. A proteção ocular normalmente é assegurada pelos reflexos defensivos,
incluindo o reflexo palpebral (fechamento da pálpebra). O reflexo palpebral
prove uma proteção efetiva sob todas as condições de uso razoáveis
previsíveis, incluindo visão utilizando instrumentos ópticos (binóculos,
microscópio, monóculos)
2
Dispositivo de baixa potencia emitindo radiação visível na banda de 400 – 700
nm. A proteção ocular normalmente é assegurada pelos reflexos defensivos,
incluindo o reflexo palpebral (fechamento da pálpebra). O reflexo palpebral
provê uma proteção efetiva sob todas as condições de uso razoáveis
previsíveis, exceto para visão utilizando instrumentos ópticos (binóculos,
microscópio, monóculos)
3R Dispositivo de potencia média emitindo radiação na banda de 302.5 – 4000 nm.
A visão direta é potencialmente perigosa.
3B Dispositivo de potencia média emitindo radiação na banda de 302.5 – 4000 nm.
A visão direta é do feixe é sempre perigosa.
4 Dispositivo de alta potencia.
Sempre há perigo, para a pele e os olhos, e existe o risco de fogo.
2.5.3 Accessible Emission Limits (AEL)
O AEL caracteriza a potência de emissão do laser, expressa em Watts. O valor da AEL
é um dos parâmetros que nos permite enquadrar um equipamento óptico em uma das
categorias descritas anteriormente. Abaixo, uma tabela mostrando as Classes em função da
AEL.
48
Tabela 2.4: Classes de exposição x AEL
Classe Comprimento de onda de 850 nm Comprimento de onda de 1550 nm
1 P < -6.6 dBm P < 0.22 mW
P < 10 dBm P < 10 mW
2 Categoria reservada para a faixa de 400 – 700 nm – mesmo AEL para a classe 1
3R -6.6 dBm < P < 3.4 dBm 0.22 mW < P < 2.2 mW
10 dBm < P < 17 dBm 10 mW < P < 50 mW
3B 3.4 dBm < P < 27 dBm 2.2 mW < P < 500 mW
17 dBm < P < 27 dBm 50 mW < P < 500mW
4 P > 27 dBm P > 500 mW
P > 27 dBm P > 500 mW
2.5.4 Maximum Permissible Exposures (MPE)
O MPE é um valor de exposição, expresso em termos de densidade de potência, que
garante a exposição segura para as pessoas. Estes valores correspondem aos limites dentro dos
quais a pele e/ou olhos podem ser expostos sem sofrer lesões. Valores específicos existem
para a pele e olhos. O valor máximo de exposição permitido é expresso em J/m2. As normas
também trabalham com os valores de iluminação, em W/m2. Estes valores são utilizados para
determinar o risco associado a uma determinada fonte laser. Estes valores não devem ser
considerados como limites precisos entre exposições seguras e perigosas, sendo apenas uma
boa estimativa. Abaixo, alguns valores do MPE para o olho, nos comprimentos de onda de
850 nm e 1550 nm.
Tabela 2.5: Exemplo de valores de MPE (W.m-2
) para o olho de acordo com a duração da exposição e
comprimento de onda
Tempo de exposição (s) 1 2 4 10 100 1000 10000
MPE ( em 850 nm 36 30 25 20 11 6.5 3.6
MPE ( em 1550 nm 5600 3300 1900 1000 1000 1000 1000
Podemos observar que valores menores de MPE permitem um maior tempo de
exposição segura. Também observa-se uma diferença nos valores para 850 nm em relação a
1550 nm, devido ao fato de que no primeiro, cerca de 50% da potência óptica consegue
atingir a retina, parte mais sensível do olho, enquanto que em 1550 nm, a maior parte da
potência é absorvida por outras estruturas menos sensíveis, como a córnea e o humor aquoso.
49
2.5.5 Nominal Ocular Hazard Distance (NOHD)
O NOHD é a distância, a partir do eixo axial do laser, a partir da qual a irradiância
passa a ficar abaixo do valor definido no MPE, considerado para o olho humano. O valor do
NOHD pode ser calculado através da seguinte equação:
Onde:
é o diâmetro do laser emergente;
é a densidade de potencia correspondente à exposição máxima permitida
( ;
é a potencia total irradiada do laser (W);
é a divergencia do feixe (rad).
Valores negativos como resultado para o cálculo do NOHD indicam que a exposição é
segura mesmo muito próximo do laser. Vale observar que o comprimento de onda também
influencia o NOHD, de modo que, quanto maior o comprimento de onda, mais seguro é o
laser. Esta influencia é representada na equação pela variável , que depende
comprimento de onda.
Os valores e classificações aqui mostrados são baseados na norma IEC 60825, cujas
recomendações são seguidas pela ABNT.
2.6 SEGURANÇA DA INFORMAÇÃO EM ENLACES FSO
A segurança da informação é outro aspecto positivo em enlaces FSO. Como a
informação é transmitida através de um feixe óptico com pequena divergência, qualquer
tentativa de interceptação do sinal acarreta na interrupção do mesmo, sendo facilmente
percebida. Este fato é um dos motivos pelo qual o FSO foi, desde os seus primeiros
desenvolvimentos, objeto de grande interesse militar.
(2.18)
50
Outra vantagem desta modalidade de transmissão sem fio utilizar feixes com baixos
valores de divergência é a menor probabilidade de ocorrer interferência entre sistemas FSO
operando próximos.
51
3 CARACTERÍSTICAS DOS EQUIPAMENTOS FSO
O transmissor é responsável por gerar o feixe óptico a partir de um sinal elétrico,
sendo composto por uma fonte óptica (laser ou LED) e por um conjunto de lentes. O receptor,
analogamente, é responsável por captar o sinal óptico e convertê-lo em sinais elétricos, tendo
como componentes básicos o fotodetector e o conjunto de lentes. De um modo geral,
transmissor e receptor FSO são agregados em um equipamento único. Assim, o que
encontramos no mercado são os transceptores FSO.
Basicamente, um transceptor FSO é composto de sistemas ópticos de transmissão,
recepção e um sistema de alinhamento automático, porém existem os sistemas
complementares eletrônicos e mecânicos do equipamento, conforme demonstrado na Figura
3.1.
Figura 3.1: Detalhamento de um transceptor óptico FSO de laser único.
Para melhor compreensão, as etapas de transmissão e recepção do transceptor FSO
serão explicadas, a seguir, separadamente.
52
3.1 TRANSMISSORES
Quando falamos em comunicações ópticas, seja no espaço livre ou não, necessitamos
de uma fonte de luz apropriada capaz de transmitir informações. As opções mais comuns
existentes no mercado atualmente são os diodos emissores de luz (LED – Light Emitting
Diode) e laseres (Light Amplification by Stimulated Emission Radiation). Um dos parâmetros
mais importantes na escolha do dispositivo utilizado é a capacidade de ser modulado por
sinais elétricos a taxas que variam de dezenas de Mbps a dezenas de Gbps, dependendo do
material e da técnica de fabricação utilizada.
A função básica de um transmissor de um sistema de comunicações é adequar as
características do sinal contendo a informação ao meio de transmissão usado. No caso de
sistemas FSO, este é responsável por gerar o sinal óptico modulado a partir de um sinal
elétrico e conformar o feixe para a transmissão na atmosfera.
3.1.1 Light Emitting Diodes (LED)
Um LED gera luz, quando os portadores de carga se recombinam de forma espontânea
e, nesse momento, liberam energia na forma luminosa.
Os diodos emissores de luz (LED), apesar de serem de baixo custo, são utilizados em
sistemas FSO somente em distâncias relativamente pequenas, quando comparadas a distâncias
alcançadas por laseres, isso devido à baixa potência de radiação e eficiência. A maioria dos
LEDs apresenta taxas de transmissão limitadas a 155 Mbps restringindo ainda mais sua
aplicação. Os LEDs são junções semicondutoras P-N que emitem luz, quando diretamente
polarizadas.
Outras características importantes nos LEDs são: largura espectral (∆λ) a meia
potência (Figura 3.2) que varia na faixa de 20 nm a 50 nm na maioria dos casos, forma de
emissão de luz, MTBF (Mean Time Between Failure) que é em média 11 anos, temperatura
suportada sem modificação de suas características entre -67 e +125°C e tipo de
encapsulamento.
53
Figura 3.2: Largura espectral da luz emitida por um LED
3.1.2 Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (LASER)
O laser irradia luz de forma estimulada. Como os LEDs, os laseres são eletricamente
bombeados. Diferentemente do que ocorre com os LEDs, no laser, cada elétron excitado no
semicondutor não libera um fóton imediatamente. Ao invés disso, os elétrons excitados do
semicondutor se acumulam nos níveis de energia mais altos, até um momento em que a
quantidade de elétrons nesse nível é maior do que nos níveis menores, quando ocorre a
chamada inversão de população. Neste momento, todos os elétrons acumulados no nível
superior liberam sua energia simultaneamente, emitindo fótons, o que explica o aspecto
monocromático da emissão dos laseres.
Figura 3.3: Gráfico corrente de entrada versus potência óptica de saída de dispositivos laseres
Os Diodos Laseres (LDs) são dispositivos emissores de luz com capacidade de
modulação a taxas mais altas que os LEDs, na ordem de GHz. Possuem uma potência de
radiação maior, possibilitando estender o alcance e aumentar a taxa de dados que pode ser
54
transmitida, ampliando as possibilidades de uso para sistemas FSO. Para exemplificar,
existem no mercado equipamentos FSO que trafegam HDTV (High Definition TV) em tempo
real. Por ser um dispositivo mais complexo, seu custo é elevado em comparação a
equipamentos que utilizam os LEDs.
São utilizados, nos sistemas FSO modernos, os VCSELs (Vertical Cavity Surface
Emitting Laser) e DFBs (Distributed Feedback laser) que têm como vantagens: consumo de
energia baixo e dissipação térmica reduzida. A escolha de laser para um sistema FSO depende
de alguns fatores:
O comprimento de onda de operação deve estar situado em uma das janelas de
transmissão atmosférica;
Ser capaz de manter suas características mesmo com variações de temperatura
consideráveis;
Ser seguro aos olhos.
3.1.3 Múltiplas fontes de transmissão
Sistemas FSO que utilizam múltiplos laseres (tipicamente três ou quatro) permitem o
aumento da densidade de potência óptica no receptor e consequentemente do alcance do
enlace. No que diz respeito à segurança dos olhos, essa abordagem permite o uso de laseres
com menor potencia, porém, a potência recebida permanece a níveis satisfatórios com a
finalidade de manter a disponibilidade do sistema.
O sistema é projetado de tal forma que o usuário não será capaz de olhar em todos os
feixes simultaneamente, nas proximidades do transmissor. A utilização de múltiplos laseres
reduz os efeitos da cintilação nos enlaces de longas distâncias, portanto, é comum sua
utilização em equipamentos para enlaces com comprimentos maiores que 1 km.
3.2 RECEPTORES
O sistema deve ser capaz de transformar a energia dos fótons absorvidos em energia
elétrica. Assim como nas fontes de luz, os dispositivos receptores utilizados são
55
semicondutores que, dependendo do material e do composto envolvido na fabricação, irão
operar em uma faixa de comprimento de onda adequada. É importante ressaltar que a
eficiência de um sistema estará diretamente relacionada com a qualidade dos equipamentos de
recepção e sua sensibilidade.
3.2.1 Características básicas dos fotodetectores
A maioria dos dispositivos utilizados detecta a luz através de um mecanismo
conhecido, chamado de efeito fotoelétrico interno, e as características para um bom
desempenho dos mesmos são, além de um baixo nível de ruído, determinadas principalmente
por:
Responsividade;
Resposta espectral;
Tempo de resposta;
Corrente de escuro;
A responsividade é a relação entre a corrente gerada pelo fotodetector e a potência
óptica que incide sobre ele. A unidade de medida é o Ampere/Watt (A/W).
A resposta espectral é a sensibilidade do fotodetector em função do comprimento de
onda levando em consideração que todo o espectro esteja com uma distribuição de potência
constante. A Figura 3.4 apresenta a curva de sensibilidade típica de alguns fotodetectores:
(3.1)
Equaçã
o
56
Figura 3.4: Curva de sensibilidade típica de fotodetectores feitos de material semicondutor.
O tempo de resposta é o tempo que a corrente gerada pelo fotodetector vai dos 10%
aos 90% do valor final pela incidência de um pulso de luz sobre ele. Logo, a freqüência de
corte de um fotodetector é relacionada com o tempo de resposta de acordo com:
A corrente de escuro (Id – dark current) é a corrente gerada pelo dispositivo sem estar
sobre ele incidindo luz. Essa corrente é caracterizada pela geração e recombinação de elétrons
livres e lacunas devido à variação de temperatura.
A escolha do tipo do fotodetector depende exclusivamente da aplicação, pois as
características do dispositivo têm de estar de acordo, por exemplo, com o comprimento de
onda de transmissão e outros aspectos. Os fotodetectores de silício, por exemplo, são a melhor
escolha para comprimento de onda a cerca de 850 nm, como pode ser confirmado na Figura
3.4, pois apresentam uma responsividade elevada nessa região. O diodo PIN é usado para
aplicações em curta distância, em que o transmissor pode oferecer uma potência de
transmissão satisfatória. O diodo avalanche é usado para grandes distâncias devido à
sensibilidade elevada, entretanto, necessita de uma fonte estável. Ele é mais caro que os
diodos PIN e possui corrente de escuro grande e, portanto, alto nível de ruído.
O silício (Si) tem comprimento de onda de corte em 1100 nm não podendo ser
utilizado, por exemplo, na janela de 1550 nm. Para isso utiliza-se o arseneto de gálio índio
(InGaAs) que tem uma responsividade de 0,9 A/W em 1550 nm e pode operar a taxas maiores
que 10 Gbps.
(3.2)
Equaçã
o
57
O foto-transistor não é utilizado para detecção em sistemas FSO, pois responde
lentamente às variações de potência óptica, não podendo ser utilizado nas aplicações atuais.
3.2.2 Fotodiodo
Os fotodiodos são dispositivos rápidos, pequenos, sensíveis e podem transformar
energia luminosa em energia elétrica para uma gama extensa de comprimentos de onda
incidentes. São junções P-N e empregados com polarização reversa, ao contrário das fontes de
luz como os LEDs.
Ao polarizar reversamente (V) o dispositivo P-N, a barreira potencial (W) entre os
semicondutores P e N aumenta, fazendo com que nenhuma lacuna ou elétron livre consiga
atravessar a junção e não apareça corrente elétrica no circuito. A região da junção onde não se
encontra carga disponível é chamada de área de depleção e está sob forte influência de um
campo elétrico gerado pela polarização reversa (Figura 3.5).
Figura 3.5: (a) Junção P-N polarizada reversamente. (b) Corrente de drift e de difusão ocorrida devido à
incidência de luz.
58
Ao incidir um fóton no dispositivo, caso sua energia seja suficiente ele é absorvido,
fazendo com que apareça um par elétron-lacuna na área de depleção criando uma carga livre.
Devido ao forte campo elétrico na junção, essas cargas são movimentadas. Com esse
movimento de carga (drift), uma corrente começa a circular no circuito. Além disso, aparecem
fora da junção pares elétrons-lacunas criando uma corrente de difusão que distorce o sinal e
que pode ser diminuída com o aumento da área de depleção.
3.2.3 Diodo PIN
O diodo PIN é um fotodiodo com uma camada larga de material semicondutor
intrínseco entre os materiais tipo p e tipo n que formam a junção. A idéia é aumentar a
distância entre o semicondutor tipo n e p para que, ao incidir um fóton, ele seja absorvido na
região intrínseca e não fora dela, diminuindo a corrente de difusão e, consequentemente,
aumentando a responsividade (Figura 3.6). Esse tipo de fotodetector é o mais utilizado em
equipamentos FSO e o comprimento de onda de corte pode ser calculado pela equação (3.2).
Figura 3.6: Diodo PIN.
3.2.4 Fototransistor
É um fotodiodo integrado a um amplificador numa mesma pastilha de silício. É um
diodo receptor de luz em que a sua corrente de saída (ifoto) alimenta a base (ib) de um
transistor amplificando o sinal. O ganho desses dispositivos pode ser de 100 a 1500 vezes e o
circuito equivalente pode ser visto abaixo na Figura 3.7:
59
Figura 3.7: Circuito equivalente de um foto-transistor.
Entretanto não é utilizado para comunicação óptica, devido ao fato de não ter uma
velocidade de resposta a variação de potência suficiente para aplicações atuais. Isso ocorre
devido ao efeito Miller o qual determina que quanto maior for o ganho no dispositivo, menor
é a sua velocidade de resposta.
3.2.5 Fotodiodo avalanche (APD)
Um APD é um fotodiodo com um ganho de corrente interna, pois possui um grande
valor de polarização inversa. A Figura 3.8 mostra o esquema de um fotodetector APD:
Figura 3.8: Fotodiodo APD.
Em um APD a absorção de um fóton incidente produz um par elétron-lacuna, como
nos fotodiodos PIN. No entanto, o grande campo elétrico que existe na região de depleção faz
com que as cargas sejam rapidamente aceleradas. Este processo faz com que as cargas cedam
uma parte de sua energia a elétrons na banda de valência, promovendo-os à banda de
condução e gerando um par elétron-lacuna adicional. Este processo de criação de pares de
elétrons-lacunas adicionais é chamado de multiplicação por avalanche.
60
Para que haja multiplicação por avalanche o diodo deve ser submetido a grandes
campos elétricos, assim, os APDs utilizam tensões de polarização inversa da ordem de
dezenas às centenas de volts.
A construção de um APD difere da de um PIN devido à existência de um nível
adicional do tipo P, entre a região intrínseca e a região N, como mostrado na Figura 3.8.
Os pares elétrons-lacuna são gerados na região intrínseca, no entanto, a multiplicação
por avalanche ocorre na região tipo P adicionada.
Os APDs são os fotodetectores mais utilizados nos sistemas FSO comerciais
modernos.
3.2.6 Filtros ópticos
No receptor FSO podem ser usados filtros, cujo objetivo é reduzir o ruído óptico
captado. Estes filtros permitem que apenas o comprimento de onda de interesse chegue ao
receptor, reduzindo, assim, o ruído.
Os filtros são sistemas ópticos capazes de reduzir ou até mesmo bloquear
completamente a intensidade da radiação incidente sobre eles em determinados comprimentos
de onda ou em intervalos de comprimentos de onda. Eles são utilizados para modificar a
transmissão de luz através de um sistema óptico, em uma determinada parte do espectro.
Os filtros de interferência e absorção são os dois tipos de filtro mais comuns em uso
hoje. Existem ainda os filtros dicróicos, que são utilizados para polarizar a luz. Nos
equipamentos FSO ainda são utilizados os chamados filtros espaciais. Nas seções abaixo, os
diversos tipos de filtro são apresentados.
3.2.6.1 Filtros de absorção
Funcionam através da absorção de comprimentos de onda. São geralmente
constituídos de um material gelatinoso pigmentado ou de vidro tingido. A performance
espectral destes filtros é função da quantidade de pigmento presente no gel ou vidro e da
espessura do próprio filtro.
61
3.2.6.2 Filtros dicróicos
São mais precisos quando comparados com os filtros de absorção. Diversas camadas
de cobertura de filmes finos são utilizadas na fabricação dos filtros dicróicos. Tipos especiais
de filtros dicróicos são utilizados para separar os diversos comprimentos de onda em sistemas
de telecomunicações baseados em fibra óptica que utilizam técnicas WDM.
3.2.6.3 Filtros de interferência
Diferem dos de absorção, pois ao invés de absorverem os comprimentos de onda não
desejados, os filtros de interferência são projetados de modo a refletir e interferir
destrutivamente com os mesmos.
3.2.6.4 Filtros espaciais
É um tipo de filtro baseado na óptica de Fourier para filtrar um feixe de luz coerente
ou outro tipo de radiação eletromagnética. Estes filtros são comumente utilizados para filtrar a
saída de laseres devido às imperfeições, sujeira ou danos nos componentes ópticos ou às
variações na própria porção ativa do laser, que impedem que o feixe seja perfeitamente
convergente.
Para isto, utiliza-se uma lente convergente para focar o feixe, através de uma abertura
cuja dimensão depende do comprimento de onda, da distância focal da lente.
Figura 3.9: Funcionamento de um filtro óptico espacial.
62
3.2.7 Auto alinhamento
Este recurso dos transceptores FSO corrige o desalinhamento causado pelo movimento
de edifícios e plataformas devido ao vento, vibração, mudanças de temperatura e outras
condições ambientais.
Pequenas variações no alinhamento podem causar um deslocamento do feixe óptico,
prejudicando o desempenho do enlace. Portanto, o uso de sistemas de alinhamento ativo
(Active Beam Tracking) torna-se necessário.
O mecanismo de auto alinhamento pode ser dividido em duas partes. A primeira parte
consiste no rastreamento do feixe pelo receptor, de modo a determinar sua localização no
espaço. A segunda consiste nos dispositivos mecânicos que movimentam as partes do
equipamento FSO, com o objetivo de manter o alinhamento de acordo com os dados obtidos
pelo rastreamento do feixe no receptor.
Os sistemas de rastreamento são compostos por detectores de quadrantes ou CCDs
para realizar a tarefa destinada ao rastreamento do feixe e os dispositivos mecânicos que
movimentam as partes são compostos de gimbal ou steering mirrors.
3.2.7.1 Gimbal
É um dispositivo mecânico em forma de anel e que pode ser montado de forma a
permitir o movimento na horizontal e na vertical. Sua desvantagem é que ele movimenta todo
o equipamento FSO, fazendo com que haja uma limitação da velocidade com que o
realinhamento pode ser realizado.
Figura 3.10: Esquema que permite movimento vertical, horizontal e rotacional.
63
3.2.7.2 Steering mirror
Consiste em um espelho montado sob uma plataforma que altera sua direção através
de motores ou bobinas instalados na base. O realinhamento deste dispositivo é mais rápido
devido a sua pequena massa em relação ao equipamento FSO.
Figura 3.11: Steering mirror utilizado em sistemas FSO.
3.2.7.3 Detector de quadrante
É feito de silício, sendo capaz de cobrir a faixa visível do espectro e do infravermelho
próximo. É composto de quatro fotodetectores dispostos numa matriz 2x2 em que cada
elemento coleta a luz separadamente. Se a luz incidir bem no centro do detector de quadrante,
o sinal de saída de cada elemento da matriz será o mesmo. Movimentando a luz sob o detector
os sinais de saída serão diferentes e, comparando-os, é possível determinar a posição do feixe.
Figura 3.12: Detector de Quadrante disposto na forma de uma matriz 2x2.
3.2.7.4 CCD
O CCD (Charge Coupled Device) é um chip semicondutor. Pode-se considerar o CCD
como um painel onde estão contidos vários elementos sensíveis a luz (fotodiodos) chamados
64
de pixels. Ao incidir um feixe de luz sob o painel, cada diodo fica carregado com a carga
proporcional à potência óptica incidente permitindo determinar sua posição.
Figura 3.13: (a) Esquema dos Chips CCD; (b) Respectivos diodos sensíveis a luz.
Nos sistemas FSO, o CCD é utilizado para localizar o feixe de luz e com isso acionar
os dispositivos mecânicos, quando necessário, para realinhamento. A vantagem é que são
encontrados no mercado CCDs de vários tamanhos, permitindo dispositivos com área de
detecção maior que os detectores de quadrante. Porém, a leitura nesses dispositivos é feita
através de registradores de deslocamento, fazendo com que, para se obter a posição do feixe,
seja preciso ler todos os dados contidos no chip, mesmo que o feixe óptico esteja somente
sobre uma fração do painel. Logo, quanto maior o CCD, mais lenta é a obtenção dos dados.
3.3 PERDAS ÓPTICAS
Os equipamentos FSO são constituídos de lentes tanto na transmissão para colimar o
feixe de saída, quanto na recepção para focalizar o sinal óptico num fotodetector e obter o
máximo de potência óptica. A luz sofre reflexão (Reflexão de Fresnel) ao atravessar a
interface ar-vidro e vidro-ar atenuando o sinal transmitido.
Essa reflexão depende do índice de refração do ar (n1), do índice de refração do vidro
(n2) que é utilizado na fabricação das lentes e do ângulo de incidência (θi), que é o ângulo
medido entre o raio de luz que incide na lente e a normal da superfície de incidência (Figura
3.14).
65
Figura 3.14: Incidência de um raio de luz em uma interface ar-vidro.
Quando a incidência da luz se aproxima da normal (θi = 0) o coeficiente de reflexão
(R) pode ser calculado e independe da polarização.
Assim, para interface ar (n1 = 1,0) e vidro (n2 = 1,5) tem-se uma perda devido à
reflexão de 4%. Essa perda vai depender da qualidade do equipamento de cada fabricante,
pois uma pequena alteração no tipo de vidro utilizado na fabricação das lentes irá alterar
significativamente o índice de refração e, consequentemente, o coeficiente de reflexão.
3.4 COMPARATIVO DE ALGUNS EQUIPAMENTOS FSO DISPONÍVEIS
COMERCIALMENTE
A Tabela 3.1apresenta os principais parâmetros de alguns equipamentos.
(3.3)
Equaçã
o
66
Tabela 3.1: Comparativo entre equipamentos FSO.
Parâmetro
Fabricante fSONA PAVDATA MRV
Modelo SONAbeam™ 1250-
M PAVLight Gigabit
TereScope 5000/G
Aplicações/Protocolos de dados:
Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, OC-
3/STM-1, OC-12/STM-4, 1064
Mbps, 270 Mbps
Gigabit Ethernet
Gigabit Ethernet,
Escon, 622 Mbps
Performance
Taxas de transmissão: 100 – 1448 Mbps 1.5 – 1000 Mbps 100 – 1500
Mbps
Distância mínima: 400 m 700 m
Distância máxima recomendada:
3 dB/km* 5300 m 1000 m 3500 m
10 dB/km ** 2325 m 1850 m
Transmissor
Fonte de luz: LD diretamente
modulado LD VCSELs
Transmissores laser: 4 3 3
Potência de transmissão: 640 mW 18.75 dBm 70-140 mW
Comprimento de onda: 1550 nm 810 nm 830-860 nm
Divergência do feixe: 2 mrad 3 mrad 2 mrad
Receptor
Campo de visão: 2 mrad 15 ° 2 mrad
Detector: APD APD
Sensibilidade: -34 dBm -45 a -20 dBm -33 dBm
Filtros solares: Espacial: 2 Espectral: 2
Informações ambientais
Temperatura de operação: -40° a 60°C 0° C to 50° C -30˚ C a +60˚ C
Umidade: Até 90% não condensando
Até 95% não condensando
Informações mecânicas
Proteção às intempéries: À prova d'água,
classificação IP66 e NEMA-4
Classificação: IP30
Classificação: IP66
Dimensões (L*A*P em mm):
410 x 410 x 460 435 x 44 x 253 806 x 410 x
341
Peso: 20 kg 2 kg 15 kg
Informações elétricas
Alimentação AC: 85 a 260 VAC (50/60
Hz) 90 a 240 V (50/60 Hz)
100 a 240 V (50/60 Hz)
DC Opcional: -48 V; Faixa de
Operação: -40 à -57 V 24 a 60 V
(versão F13)
Consumo de Potência (max)
55 W 10 W 25 W
Segurança dos olhos
Classificação IEC 60825-1 1M 1M 1M
67
4 ESTUDO DE CASO
4.1 CENÁRIO
Para apresentar este estudo de caso, fez-se necessária a definição de um cenário
adequado, que reúna as condições para a implantação de um sistema de comunicação ótica
sem fio. Sendo assim, foram escolhidos dois pontos, a serem interligados pela solução FSO de
maneira a ilustrar o uso desta tecnologia em um backhaul de telefonia celular.
O cenário escolhido está localizado na cidade do Rio de Janeiro. Dois pontos, sejam
eles: A (Teleporto) e B (São Cristóvão) conforme a Figura 4.1, distantes de 1,7 Km em visada
direta, servirão de base para este estudo.
Figura 4.1: Imagem da localização das estações no cenário proposto para o estudo de caso
Neste cenário, os pontos A (Teleporto) e B (São Cristóvão) que receberão os
transceptores FSO são interligados atualmente através de rádios OptiX RTN 950 fabricados
pela Huawei, que trafegam dados na taxa máxima de 420 Mbps. Estes equipamentos poderão
68
ser utilizados para redundância do enlace caso o enlace FSO seja interrompido por alguma
obstrução física ou condições de tempo adversas.
O equipamento selecionado para a solução FSO é o SONAbeam™ 1250-M fabricado
pela fSONA Optical Wireless.
O SONAbeam™ 1250-M é capaz de trafegar dados a 1,25 Gbps, possui 4 laseres de
transmissão para redundância espacial de enlace, podendo alcançar distâncias, segundo
fabricante, de até 4800 metros. O transceptor possui interface óptica SC podendo trabalhar
com os protocolos Gigabit Ethernet: 1.25 Gbps, full duplex e OC-12/STM-4: 622 Mbps, full
duplex. Alem disso, pode trabalhar no modo transparente, em que é possível obter taxas
específicas, com o uso de outros protocolos.
Figura 4.2: À esquerda, SONAbeam™ 1250-M. À direita, OptiX RTN 950 da Huawei.
4.2 CONDIÇÕES AMBIENTAIS E DEFINIÇÃO DO CENÁRIO
Neste estudo, foram consideradas algumas premissas de forma a se verificar a
viabilidade técnica do enlace. O cenário proposto apresenta características desfavoráveis ao
enlace FSO comuns às encontradas em muitos enlaces.
69
São elas:
- Enlace na direção leste-oeste
Neste caso, os transceptores terão a incidência direta de luz solar em determinada parte
do dia. De acordo com o fabricante do equipamento, o mesmo é capaz de filtrar a luz
solar, reduzindo o ruído incidente no detector.
- Incidência de neblina
No período matutino, há a incidência de neblina. Este efeito atmosférico causa grande
atenuação por meio principalmente do espalhamento da energia do sinal óptico, devido
à interação do feixe de luz com as gotículas de água formadoras da neblina.
- Incidência de chuva
Como em qualquer local é possível a incidência de chuvas que causam o espalhamento
e refração do sinal óptico, degradando a qualidade do sinal.
- Sólidos suspensos no ar
Como podemos observar na Figura 4.1, o feixe será propagado acima da linha do
metrô, asfaltos, imóveis etc. Neste cenário, há a presença de sólidos suspensos no ar,
que causam atenuações por espalhamento do sinal óptico propagado.
- Turbulência atmosférica
O sinal óptico será propagado por um meio, onde ocorre um aquecimento não
uniforme do ar ao longo do percurso, formando assim, porções de ar mais quentes que
outras. Deste modo, o feixe óptico percorre esta região e assim sofre desvios aleatórios
e variantes no tempo.
- Oscilação de Construções
O transceptor A (Teleporto) está localizado no alto de um edifício e o transceptor B
está localizado em uma torre na central, logo acima da copa das árvores. A oscilação
destas construções pode influenciar o alinhamento entre transmissor e receptor
degradando a qualidade do sinal óptico recebido.
70
4.3 CÁLCULOS DE VIABILIDADE TÉCNICA
Nos enlaces FSO a transmissão do sinal óptico ocorre em um meio não confinado,
portanto é imprescindível uma análise das condições atmosféricas por meio de modelos
matemáticos adequados. Todos os distúrbios em potencial podem ser mitigados através de
planejamento e projeto de um enlace de forma apropriada. Os modelos de atenuação
considerados para este estudo foram:
Atenuação Atmosférica;
Atenuação Geométrica;
Atenuação por Cintilação;
Perdas Ópticas;
Atenuação por desalinhamento.
Para os cálculos de enlace, foram considerados os parâmetros do equipamento
SONAbeam 1250M, mostrados na tabela abaixo:
Tabela 4.1: Parâmetros do equipamento SONAbeam 1250M.
Parâmetro Valor
Potência do Laser 160 mW
Divergência do feixe 2 mrad
Sensibilidade do receptor -34 dBm
Diâmetro do Tx/Rx 20 cm
Comprimento de Onda 1550 nm
Perdas ópticas no Tx/Rx 0,46 dB (cada)
4.3.1 Atenuação atmosférica
A atenuação atmosférica é determinada pela interação do feixe laser com moléculas,
gotículas de água, sólidos suspensos, etc., presentes na atmosfera.
Os dados de atenuação atmosférica são apresentados na Tabela 4.2. Estes foram
calculados de acordo com os modelos matemáticos apresentados no capitulo 2, que englobam
as atenuações para diversas condições climáticas com taxas de precipitação e visibilidade
equivalentes, considerando-se a distância do enlace de 1,7 Km.
71
Os valores de atenuação da Tabela 2.1 foram obtidos utilizando-se as equações (2.2),
(2.7) e os parâmetros dados na equação (2.8).
Tabela 4.2: Atenuação atmosférica para o cenário proposto, em diferentes condições climáticas
Condição Climática
Taxa de Precipitação (mm/h)
Visibilidade (Km)
Atenuação (dB/km)
Atenuação em 1,7 Km (dB)
Céu Claro 0 40 0,11 0,19
Chuva fraca / Neblina fina 10 5,9 0,96 1,63
Chuva média / Neblina 20 2,8 2,58 4,39
Chuva forte / Névoa fina 45 1,9 4,21 7,16
Tempestade / Névoa Leve 100 0,77 12,65 21,51
Nevasca / Névoa moderada 180 0,4 27,15 46,16
4.3.2 Atenuação geométrica
Todo laser possui um pequeno ângulo de divergência que faz com que a área da seção
reta do feixe aumente continuamente, fazendo com que apenas uma parcela da energia óptica
seja captada no receptor.
De acordo com ângulo de divergência de 2 mrad e o diâmetro do Tx/Rx, fornecidos
pelo fabricante, e considerando o comprimento do enlace sendo de 1,7 Km, podemos calcular
a atenuação geométrica, conforme a seguir:
Com os dados acima e utilizando a relação da tangente de um ângulo, temos:
Figura 4.3: Atenuação geométrica para o enlace proposto
72
Então:
Calculando a área da seção reta do feixe laser na posição do receptor, temos:
Calculando a área da seção reta do receptor, temos:
Utilizando a fórmula da atenuação geométrica conforme a equação (2.1) temos:
Então:
Assim, a atenuação geométrica para o enlace proposto é de 25,1 dB.
4.3.3 Atenuação por cintilação
Este tipo de atenuação é determinado pela variação da potência instantânea no
receptor, devido à variação do gradiente de temperatura ao longo do percurso.
Utilizando as constantes aplicáveis ao modelo de equipamento escolhido na equação
(2.15), temos:
Para distância do enlace é de 1,7 km:
73
Assim a perda por cintilação é de 4,42 dB.
4.3.4 Perdas ópticas
Este parâmetro se deve a imperfeições nas lentes e em outros elementos ópticos, seu
valor depende das características do equipamento e da qualidade das lentes. As perdas ópticas
estão estimadas em 0,46 dB em cada um dos transceptores totalizando o valor de 0,92 dB.
4.3.5 Atenuação por desalinhamento
De acordo com a literatura consultada, as perdas por desalinhamento óptico são
usualmente estimadas em 3 dB.
4.3.6 Balanço de potência
O cálculo de desempenho de um enlace em FSO é efetuado, basicamente, pela
equação (2.16) do balanço de potência.
A Tabela 4.3 apresenta os principais parâmetros utilizados para a análise:
Tabela 4.3: Parâmetros para cálculo de enlace FSO
Parâmetro Valor
Comprimento do enlace 1700 m
Diâmetro do Tx/Rx 20,32 cm
Perdas ópticas no transmissor 0,46 dB
Perdas ópticas no receptor 0,46 dB
Comprimento de Onda 1550 nm
Potência do Laser 160 mW
A potência recebida em função das diferentes condições climáticas encontra-se na
Tabela 4.4, abaixo:
74
Tabela 4.4: Resultado dos cálculos de viabilidade, de acordo com as condições climáticas.
Parâmetros Céu Claro
Chuva fraca
/ Neblina
fina
Chuva média
/ Neblina
Chuva forte
/ Névoa fina
Tempestade / Névoa
Leve
Nevasca / Névoa
moderada
Potência de transmissão considerando-se1 laser (dBm)
22,04
Potência de transmissão considerando-se 4 laseres (dBm)
28,04
Sensibilidade do receptor (dBm) -34
Perdas Atmosféricas (dB) 0,187 1,632 4,386 7,157 21,505 46,155
Perda Geométrica (dB) 25,1
Perda por Cintilação (dB) 4,42
Perda Óptica (dB) 0,92
Perda por Desalinhamento (dB) 3
Potência Recebida considerando-se 1 laser (dBm)
-11,59 -13,03 -15,79 -18,56 -32,91 -57,56
Margem considerando-se 1 laser (dB)
22,41 20,97 18,21 15,44 1,09 -
Potência Recebida considerando-se 4 laseres
-5,57 -7,01 -9,77 -12,54 -26,89 -51,54
Margem considerando-se 4 laseres (dB)
28,43 27 24,23 21,46 7,11 -
De acordo com os cálculos, verificou-se a viabilidade para a maioria das condições
climáticas. Como no Rio de Janeiro a nevasca inexiste e a névoa moderada ou mais densa
(visibilidade menor ou igual a 400 m) ocorre aproximadamente durante 0,22% do tempo em
um ano (Figura 4.4), esta condição climática não se apresenta como um fator limitante para a
aplicação da tecnologia estudada, conforme será apresentado na seção 4.4.
É interessante observar que, considerando-se apenas um dos quatro laseres presentes
no equipamento, nos cálculos realizados, a potência recebida ainda encontra-se a níveis
superiores à sensibilidade do receptor, exceto para a condição citada no parágrafo anterior.
Porém, sabe-se que como o equipamento faz uso de 4 laseres, o nível de potência recebido é
até 6 dB maior, proporcionando uma margem superior ao enlace, conforme exposto na Tabela
4.4.
4.4 DISPONIBILIDADE
Devido ao fato de os parâmetros de um enlace FSO, em especial as atenuações, serem
fortemente influenciados pelas condições climáticas, é de se esperar que a disponibilidade do
75
enlace seja afetada da mesma forma. De acordo com os cálculos realizados, o enlace FSO no
cenário proposto, torna-se indisponível para visibilidades menores que 766 metros.
Logo, é importante analisar a ocorrência desta condição climática no local escolhido
para o estudo, neste caso, a cidade do Rio de Janeiro. Tomando como base a Figura 4.4 da
distribuição de probabilidade de visibilidade para a cidade do Rio de Janeiro, abaixo.
Figura 4.4: Distribuição de probabilidade de visibilidade para a cidade do Rio de Janeiro
Podemos observar que a condição de indisponibilidade para o enlace proposto ocorre
durante aproximadamente 0,22% do tempo. Isto representa uma disponibilidade de 99,78% ou
um período de indisponibilidade de 19h e 16 minutos ao longo do período de um ano, para o
enlace FSO proposto.
Assim, de modo a garantir uma disponibilidade ainda maior para o sistema como um
todo, propõe-se como contingência para o enlace FSO, o uso do equipamento de rádio que já
se encontra em operação para interligação entre as estações. Apesar de não apresentar a
mesma capacidade de tráfego (throughput) do equipamento FSO, o rádio garantirá o
funcionamento ininterrupto do sistema mesmo em condições climáticas mais severas.
Considerando-se os pequenos períodos de indisponibilidade do FSO, dado que a
probabilidade desta condição se concentrar num curto espaço de tempo é mínima, esta queda
de desempenho não deve ser considerada um fator limitante ao uso do enlace FSO
contingenciado por rádio.
0.22
0.766
76
4.5 CUSTO-BENEFÍCIO
Nesta seção, serão apresentadas as questões relativas à análise da solução de utilização
de um enlace FSO, quando comparado à solução via rádio em funcionamento atualmente.
Em termos financeiros, os equipamentos para o enlace rádio atualmente utilizado
custam R$ 40.000. Para se triplicar esta taxa seria necessário um investimento extra de R$
80.000. O enlace FSO fornece esta capacidade de tráfego ao custo de US$ 45.000
(aproximadamente R$ 73.000), proporcionando uma economia de R$ 7.000. Além disso, na
opção de aquisição de mais dois rádios ter-se-ia o custo relativo à instalação dos mesmos
(instalação de torre, aluguel ou aquisição de espaço, etc.). Um enlace FSO não possui tais
custos extras agregados.
O custo do sistema FSO proposto é de aproximadamente o dobro do custo do sistema
rádio utilizado atualmente. No entanto, a instalação do sistema FSO e a utilização do rádio
atualmente instalado como redundância garantem uma disponibilidade de 99,999% para o
sistema, sendo que em 99,78% do tempo (disponibilidade do FSO), o mesmo funcionaria com
throughput três vezes maior que o atual.
Apesar de o enlace rádio suprir a atual demanda de tráfego entre as duas estações, o
aumento do throughput através da implantação do enlace FSO garante a taxa de dados
necessária para atender às aplicações que surgirão nos próximos anos, com uma maior
demanda dos serviços 3G e a futura implantação da tecnologia 4G.
Abaixo, tabela com os valores relativos às duas alternativas:
Tabela 4.5: Comparativo entre as soluções FSO e rádio
Equipamento Throughput
(Mbps) Custo
Custo por Mbps
fSONA - SONAbeam™ 1250-M 1250 R$ 73.000,00 R$ 58,40
Huawei - OptiX RTN 950 420 R$ 40.000,00 R$ 95,24
De acordo com a Tabela 4.5, podemos notar que o custo por Mbps do equipamento
rádio é aproximadamente 60% maior que o do equipamento FSO. Deste modo, conclui-se que
esta é uma tecnologia que apresenta melhor custo-benefício em relação ao rádio, no referente
à taxa de transmissão de dados.
77
5 CONCLUSÃO
No estudo de caso foi mostrado que a tecnologia FSO é uma alternativa viável para
auxiliar na expansão da capacidade de transmissão de backhauls de telefonia celular, desde
que implantada através de um projeto criterioso, considerando-se as condições climáticas do
local de implantação, em especial a visibilidade.
Foi observado em um comparativo simples como a solução FSO pode apresentar um
custo por Mbps 60% inferior ao da tecnologia rádio em uso atualmente no cenário
apresentado.
Outra vantagem observada se refere ao tempo de instalação consideravelmente inferior
ao demandado pela instalação de um enlace de fibra óptica.
Tendo em vista o citado anteriormente, pode-se conluir que a tecnologia FSO surge
como uma forte candidata para conter o iminente gargalo nas atuais redes de
telecomunicações, viabilizando assim a expansão de sua capacidade.
Fica como sugestão para trabalhos futuros o estudo do uso de técnicas de
multiplexação por divisão de comprimento de onda (WDM) nestes enlaces, dado que
pesquisas neste campo ao redor do mundo estão em andamento, tendo mostrado resultados
bastante promissores.
78
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