O Espectro Eletromagnético na Natureza

Olá Pessoal.

Logo nas primeiras aulas da disciplina Redes Sem Fio apresento o Espectro Eletromagnético e suas características fundamentais aos alunos. O objetivo desse artigo é ajudar na compreensão desse conceito fundamental da física, no entanto antes de desenvolver essa discussão quero destacar que gosto de pensar nele como o "retrato" da natureza que a ciência conseguiu construir. Os físicos conseguem olhar para a ilustração abaixo do espectro eletromagnético e enxergar nele as mais diversas características da fantástica natureza que nos cerca.

Para entendê-lo completamente temos que resgatar alguns dos fundamentos da física e expandir nossa compreensão do mundo para além das limitadas percepções humanas, afinal o espectro eletromagnético contempla tudo que existe efetivamente na natureza, não apenas determinadas percepções que nós humanos estamos "calibrados" para perceber - seja através da audição (áudio), da visão (luz visível), da sensação térmica (calor), etc.

Sei que muitos devem estar se perguntando o que isso tem a ver com os profissionais da área de redes, então aqui fica registrada minha resposta: TUDO! Antes de entrar no detalhe das várias frequências que compõem o espectro eletromagnético e suas principais aplicações, principalmente nas comunicações, vamos começar com alguns dos fundamentos mais básicos. 

Todos os corpos na natureza são constituídos de matéria, ou seja, de moléculas compostas por um agrupamento de átomos que, por sua vez, possuem elétrons orbitando seu núcleo. Por causa da presença dos elétrons todos os corpos na natureza emitem energia eletromagnética. Essa energia é emitida porque os elétrons vibram e estão em constante movimento, gerando carga elétrica que produz um campo magnético no seu entorno. Em síntese podemos dizer que a natureza está em constante transformação através da troca de energias!

Na prática essa energia são as ondas eletromagnéticas e elas não são uniformes. Diferentes corpos na natureza com suas próprias composições químicas produzem as mais variadas ondas eletromagnéticas que podem ser diferenciadas por: (i) comprimento da onda e (ii) frequência. 

As ondas são matematicamente representadas através da simbologia da senóide, conforme ilustra a figura abaixo. O comprimento da onda é representado pela letra grega lâmbda (λ) e equivale à distância entre os picos de duas ondas. Já a frequência equivale à quantidade de ondas existentes no intervalo de tempo de 1s (medida denominada Hertz). 

Quanto maior a frequência da onda eletromagnética, maior será a intensidade da energia emitida e MENOR será o comprimento da onda, já que existem mais ondas no mesmo intervalo de 1s. É importante mencionar que altas concentrações de energia tornam a radiação ionizante, ou seja, uma radiação nociva aos seres humanos porque tem energia suficiente para quebrar as ligações atômicas e, portanto, provocar mutação! No escopo do espectro eletromagnético, toda radiação a partir do ultravioleta é ionizante.

Para classificar as diferentes formas da onda eletromagnética nós utilizamos o conceito do espectro eletromagnético - um mapa que apresenta todas as formas de onda. Para nós da área de redes o detalhe mais importante é que essas ondas eletromagnéticas podem ser utilizadas para transmitir informação por meio das tecnologias wireless (sem fio).

Muito bem, agora que foram apresentados os fundamentos básicos mais importantes do espectro eletromagnético (uma revisão de física), chegou o momento de apresentar as principais características das faixas de frequência. Vou trazer outra ilustração do espectro eletromagnético (retirada da Internet) para facilitar sua consulta durante a leitura.

1) Logo no início do espectro temos as importantes ondas de rádio que são amplamente utilizadas em telecomunicações, por ex.: na transmissão de sinais de televisão, na radionavegação, pela polícia, etc. Essas são as ondas com maiores comprimentos do espectro e por isso têm capacidade de alcançar maiores distâncias, o que as faz ideais para comunicação. Do ponto de vista real, as ondas de rádio podem ter o comprimento equivalente à altura de um prédio... 

2) Na sequência temos as microondas que também são amplamente utilizadas em telecomunicações, principalmente na comunicação entre locais que possuem linha de visada (sem obstrução). Como essas ondas são refletidas pela ionosfera terrestre, então são utilizadas estações repetidoras do sinal (terrestres ou satélites espaciais) para cobrir grandes distâncias.

3) Antes da luz visível temos o infravermelho, uma luz invisível tipicamente utilizada para troca de informação entre os controles remotos e televisores (ou outros eletrônicos), já que essas ondas têm apenas curto alcance. No contexto da nossa percepção humana, o infravermelho está presente no calor emitido na natureza.

4) No centro do espectro está uma faixa de frequências que é de suma importância para nós seres humanos: a luz visível que varia do vermelho ao violeta (as cores do arco-íris). Essas ondas têm tamanho da ordem de uma bactéria (de 700nm a 400nm) e os nossos olhos são sensores ópticos que possuem células fotossensíveis PERFEITAMENTE calibradas para perceber essas frequências, assim enxergamos! Por isso nem tudo que percebemos é tudo que existe, é apenas TUDO que PERCEBEMOS! A nossa percepção do mundo não representa a sua totalidade, mas apenas uma experiência... Não preciso nem dizer que essa afirmação dá origem a uma longa discussão filosófica que envolve perguntas sobre quem somos e qual o motivo da nossa existência... ;-)

5) O Sol é o maior emissor da radiação ultravioleta e é graças à camada de ozônio que circunda nosso planeta que a maior parte dessa radiação ionizante perde intensidade ao atravessá-la e chega até nós como radiação não-ionizante. Apesar dessa boa notícia, a má notícia é que a nossa camada de ozônio está repleta de buracos decorrentes do efeito estufa, como todos já devem bem saber! Moral da conversa, usem o protetor solar!

6) O Raio-X é bastante conhecido de todos porque é utilizado nas radiografias para fotografar os nossos ossos. Essa radiação atravessa os tecidos macios (baixa densidade) com facilidade, mas não os nossos ossos. É por isso que nas radiografias os ossos saem contrastado e de fácil visualização. Essa radiação também é prejudicial à saúde, por isso a exposição à sua emissão tem que ser rigorosamente controlada.

7) O extremo final do espectro contempla os chamados Raios Gama. Essa radiação possui baixíssimo comprimento de onda (menores que átomos) e muita intensidade. Essa radiação é liberada em explosões atômicas e emitida por elementos radioativos, sendo portanto altamente nociva para nossa saúde. Nosso planeta é constantemente bombardeado por raios cósmicos totalmente nocivos para nós humanos, mas felizmente a Terra é protegida por um campo magnético decorrente do movimento do ferro líquido em seu núcleo que funciona como escudo natural contra esse tipo de radiação. 

Em síntese, esse artigo apresentou as principais ondas do espectro eletromagnético!

Samuel.

Padrão IEEE 802.11ac de Redes Wireless a 1Gbps

Olá Pessoal.

Sabemos que a principal tecnologia de redes sem fio locais (WLANs) é popularmente conhecida pelo seu nome comercial WiFi. No entanto esse é apenas um nome comercial e a tecnologia propriamente dita é identificada através de diferentes padrões IEEE 802.11 que são implementados nos rádios dos dispositivos wireless. Os padrões mais conhecidos são: 802.11a (54 Mbps), 802.11b (11 Mbps), 802.11g (54 Mbps) e 802.11n (300 Mbps), sendo que atualmente os mais utilizados são o 802.11g e 802.11n. 

Antes de desenvolver essa discussão é importante que o leitor tenha em mente que quando falamos em comunicação sem fio as taxas de operação dos padrões (informadas pelos fabricantes) são na realidade valores nominais, o que quer dizer que na prática os valores reais têm desempenho muito pior em decorrência de uma série de fatores externos que são responsáveis pela degradação do sinal de rádio-frequência. 

Aqueles que acompanham a evolução das tecnologias de redes sem fio locais (WLANs) já devem conhecer o panorama dos principais padrões do IEEE e suas características mais importantes, conforme pode ser observado na tabela abaixo (clique p/ ampliar):

Padrões que trabalham na mesma frequência são interoperáveis e, portanto, os dispositivos são compatíveis entre si. É fato que no Brasil a faixa de frequência 2.4 GHz ainda é a mais comum, no entanto esse pedaço do espectro eletromagnético está bastante poluído em decorrência da disseminação de dispositivos que operam nessa frequência. 

Essa frequência possui apenas 11 canais (no padrão americano) de 22 MHz cada um e que têm aproximadamente 5 MHz de distância entre si, sendo que somente 3 desses canais não têm nenhuma sobreposição, ou seja, não sofrem interferência.

O fato de existirem poucos canais com pequena largura de banda repercute em taxas de transmissão menores, embora a técnica de modulação e o algoritmo de codificação dos dados também tenha papel fundamental nesse processo. Outro problema é que com apenas três canais sem sobreposição fica mais difícil projetar ambientes com grande área de cobertura que possuem várias células, uma vez que células vizinhas não devem operar em canais adjacentes, processo ilustrado na figura abaixo.

A principal vantagem do atual padrão 802.11n é que ele opera em ambas as frequências de 2.4 GHz e 5 GHz, o que lhe confere interoperabilidade com qualquer outro padrão e maior largura de banda, desde que os clientes também tenham rádios com capacidade de operação em ambas as frequências. A faixa de frequência de 5 GHz tem bem mais canais do que a faixa de 2.4 GHz. Além disso, esses canais podem ser compostos em blocos com maior largura de banda. O padrão 802.11n, por exemplo, utiliza esse recurso para conseguir maiores taxas de transmissão com canais de até 40 MHz. A figura abaixo (retirada da Internet) ilustra a disposição dos canais na frequência de 5 GHz.

 

Do ponto de vista de largura de banda existente nesses padrões não há muita coisa a ser feita, uma vez que essas frequências têm início e fim bem definidos. Qualquer outra faixa fora desses limites requer a utilização de outras frequências regulamentas, o que não é de interesse dos fabricantes nem dos usuários porque implicaria no encarecimento dos dispositivos.

Pense na analogia de que a largura de banda é a quantidade de faixas que uma estrada possui! Se não é possível aumentar a quantidade de faixas para transportar mais veículos, então para transportar mais pessoas só há uma maneira: diminuir o tamanho e/ou a quantidade desses veículos! Por exemplo, não permitir o tráfego de veículos com mais de 1 eixo para caber mais veículos lado-a-lado ou fazer rodízio para forçar o transporte de mais pessoas no mesmo veículo. Do ponto de vista prático é esse o papel dos algoritmos de codificação - uma espécie de compressão dos dados. 

Nesse contexto de desenvolvimento de melhores técnicas de codificação, já existe um rascunho da chamada quinta geração do WiFi denominada IEEE 802.11ac. Esse mais recente rascunho IEEE 802.11ac opera com taxas nominais maiores que 1 Gbps e a previsão é que até o final de 2013 ele será efetivamente padronizado. A partir daí a disseminação de produtos 802.11ac no mercado tende a ganhar maiores proporções. Mais uma vez quem ganha com isso é o usuário!

Esse novo padrão irá operar apenas na faixa de 5GHz (que é menos poluída) e utilizará o recurso de composição de canais para formar "canais gordos" de 80 GHz e até mesmo 160 MHz para garantir taxas de transmissão bem maiores do que as atuais. Além disso, a promessa é de que haverá maior economia de bateria nos dispositivos móveis. A expectativa da indústria é que o padrão 802.11ac esteja efetivamente disseminado em massa até 2015.  

Saiba que as tecnologias evoluem muito mais rapidamente do que os processos de padronização e é por isso que já existem fabricantes vendendo produtos 802.11ac no mercado. Apesar disso, 802.11ac ainda é um rascunho em vias de se tornar um padrão nesse ano...

Abraço.

Samuel.