Antes dos anos 80, a tecnologia da Modulação Espalhada (Spread) era mais usada em sistemas militares, tanto devido à sua imunidade às interferências como também pela dificuldade de sua intercepção. No entanto, as suas vantagens se mostraram também importantes para sistemas comerciais de maneira que logo ela passou a ser usada também em outros sistemas de telecomunicações como por exemplo a telefonia móvel celular, redes sem fio, etc., seguindo o padrão IEEE 802.11. Nesse arrtigo analisaremos de uma forma didática o que é a modulação por espectro espalhado e o que são os pacotes de rádio. (2003)
Um dos padrões mais utilizados atualmente nas redes sem fio é o IEEE 802.11 que utiliza justamente as técnicas de pacotes de rádio e espectro espalhado para sua operação.
Como se trata de algo novo, mesmo para os profissionais das telecomunicações mais tarimbados, será interessante analisarmos de uma forma detalhada como essas técnicas funcionam, suas vantagens e principalmente como são usadas nos sistemas modernos de telecomunicações.
Espectro Espalhado
Espectro Espalhado ou Spread Spectrum é um termo que indica uma técnica de modulação onde a energia de rádio é espalhada numa faixa de frequências muito mais larga do que a necessária para a transmissão da informação nas condições normais.
É evidente que os profissionais acostumados com as técnicas tradicionais de transmissão não vêm vantagem nenhuma em se espalhar um sinal de modo que ele ocupe um espectro de rádio mais largo.
No entanto, não é apenas o espalhamento do sinal que deve ser considerado ao se fazer esta análise, mas sim a forma em que ele é feito, e que pode trazer algumas vantagens que inicialmente podem não ser notadas.
Vamos analisar o problema de uma maneira mais profunda.
A forma mais simples de espalhamento de sinais é a denominada salto de frequências ou frequency hop (FH), se quisermos usar o termo inglês correspondente.
O que se faz nesta técnica é mudar a frequência do canal que está sendo usado rapidamente e de forma pseudo aleatória dentro de uma faixa determinada de frequências, conforme mostra a figura 1.
A impressão inicial que se tem é que a comunicação está ocupando todo o canal disponível ao longo do tempo.
No entanto, com essa técnica temos o espalhamento da energia transmitida de tal forma que a potência média em cada parte estreita da banda é minimizada.
Esta claro que para receber tais sinais, o receptor deve estar absolutamente sincronizado com o transmissor para acompanhar os deslocamentos de frequência do sinal, conforme mostra a figura 2.
A cada salto da frequência do transmissor, o receptor deve procurar a nova frequência em que ele se encontra e sintonizá-lo.
Assim, segundo o padrão 802.11, temos a especificação de deve ser usada a faixa ISM de 2,4 GHz.
A faixa ISM tem uma largura de 83 MHz e foi subdividida em canais de 1 MHz para a especificação FH.
Segundo o FCC, numa transmissão usando esta modalidade de modulação, o sinal que está sendo transmitido deve passar por pelo menos 79 frequências diferentes a cada 30 segundos.
Isso significa 2,5 “hops” ou saltos a cada segundo.
Para que as vantagens desse sistema de transmissão possam ficar claras mais adiante vamos tomar outro exemplo.
Uma outra forma de espectro espalhado é a denominada DS ou Direct Spread (espalhamento direto, se formos usar a tradução).
Com a técnica DS os dados são misturados (XOR) com uma sequência pseudo-aleatória antes de serem transmitidos modulados em PSK sobre a portadora.
A sequência de dados tem uma velocidade muito alta podendo ser muitas vezes maior do que a velocidade com que os dados são gerados.
Na faixa ISM, o espalhamento está limitado para não ser menor do que a relação 10:1.
Com esta técnica a densidade de energia no espectro cai.
Isso significa que se trata de um sinal que interfere muito menos nos usuários de banda estreita.
Existe também uma certa imunidade à interferências.
O receptor que processa os sinais DS começa com a reunião dos sinais.
Isso é feito misturando o sinal com a mesma sequência PN que foi usada para fazer o espalhamento, conforme mostra a figura 3.
Isso faz com que o sinal volte a ocupar a faixa original de freqüências.
Evidentemente, o receptor também elimina os sinais que correspondem aos espalhamentos dos outros canais que estão operando na mesma faixa.
Podemos dizer que, se houver algum tipo de interferência nessa faixa, ela também ficará espalhada por toda a faixa minimizando os efeitos no canal recuperado, sendo facilmente eliminada pelo filtro de dados, conforme mostra a figura 4.
Quando a energia do sinal voltou a se concentrar na faixa original, sua energia espectral aumenta de acordo com o ganho do circuito e isso é proporcional a taxa de redução da faixa.
Assim, um sinal que foi recebido com intensidade abaixo do nível de ruído na faixa passa a ter agora um nível acima do ruído e com isso pode ser facilmente demodulado.
Além disso, o sistema DS permite que mais de um usuário ocupe ao mesmo tempo o mesmo canal, proporcionando o que se denomina de acesso múltiplo.
Cada receptor DS reduz somente o sinal desejado para a faixa original, possibilitando assim sua recuperação sem problemas.
Os sinais que não interessam permanecem espalhados, permanecendo assim somente uma pequena dos sinais indesejáveis, conforme mostra a figura 5.
Pacote de Rádio
O termo pacote de rádio ou pacote de comunicação é muito usado nos casos em que o meio de comunicação não é bem seguro e portanto não é conveniente transmitir toda a informação de uma só vez.
Existem muitos motivos para que um sistema de comunicações ue opere na faixa de microondas, como das redes sem fio, sofra algum tipo de interrupção, como por exemplo a interferência causada por fornos de microondas.
Os fornos de microondas produzem sinais exatamente no meio da faixa ISM com um ciclo ativo de 50% e uma taxa de pulsos sincronizada pela rede de energia local.
Isso significa que, o circuito de um forno de microondas desliga durante 8 ms a cada 16 ms.
Um sistema de comunicações de uma rede sem fio que use a mesma frequência pode operar de modo satisfatório, enviando seus pacotes de informações justamente nestes intervalos em que o forno “não transmite”.
Nestes intervalos é possível transmitir salvas ou pacotes de 100 bytes, sem problemas, conforme mostra a figura 6.
Os saltos de frequência também significam que as rádio comunicações são interrompidas a cada 400 ms devendo haver um intervalo para que os transmissores e receptores sejam re-sintonizados.
Quebrando uma grande quantidade de dados em “pacotes” é uma técnica de comunicações comum, sendo usada em outros casos, com a finalidade de assegurar que a sua transmissão possa ocorrer sem erros, mesmo com interrupções.
Se um meio está corrompido de forma intermitente, um grande bloco de dados não consegue ser transmitido sem erros.
No entanto, com o uso de pacotes curtos de informações, pode-se checar ao final de cada um se ele chegou integralmente ao receptor enviando de volta um sinal de confirmação, conforme mostra a figura 7.
Tudo isso exige uma certa margem de segurança na transmissão o que reduz a capacidade do sistema.
No entanto, têm-se a garantia que, independentemente dos problemas que possam ocorrer com um sinal, a informação chega totalmente ao seu destino.
O tamanho de cada pacote pode ser otimizado para minimizar essa margem de segurança possibilitando assim um aumento da capacidade do sistema.
Quando dados contínuos são divididos em pacotes, a taxa instantânea de transferência deve ser aumentada, já que a transmissão estará sendo reduzida.
Isso exige que pacotes de identificação, segurança e intercâmbio sejam agregados.
As comunicações por pacotes podem usar vários protocolos de acesso como por exemplo o Carrier Sense Multiple Access (CSMA) ou ainda o Time Division Multiple Access (TDMA).
O CSMA permite as comunicações assíncronas, mas requer que cada lado do sistema se assegure que o meio não esteja ocupado.
Ele então estabelece um link de intercâmbio consistindo num pedido para transmitir (resquest to send ou CTS), o pacote de dados e um reconhecimento ou não (ACK/NAK).
O TDMA permite a comunicação sincronizada onde cada usuário tem uma fatia de tempo alocada para se comunicar através dela.
A faixa de segurança neste sistema desperdiça tempo quando algum usuário não tem nada para enviar e os pacotes do controlador estão obrigados a alocar fatias de tempo para ele.
A combinação de espectro espalhado com pacotes de transmissão para o padrão de rede sem fio 802.11 possibilitam a realização de comunicações robustas num meio ruidoso e congestionado.