Estudos Teoacuterico e Experimentalda Viabilidade da Tecnologia

Oacuteptica no Espaccedilo LivreTheoretical and Experimental Feasibility Studies

of the Free-Space Optical Technology

LUCIANO EUGEcircNIO DA SILVA MOURAPrograma de Trainees da Vivo Telerj Celular (Rio de Janeiro Brasil)

lucianomouraigcombr

ANDRES PABLO LOPEZ BARBEROUniversidade Federal Fluminense (Rio de Janeiro Brasil)

pablotelecomuffbr

PAULA BRANDAtildeO HARBOEUniversidade Federal Fluminense (Rio de Janeiro Brasil)

paulatelecomuffbr

JOSEacute RODOLFO SOUZAPontifiacutecia Universidade Catoacutelica (Rio de Janeiro Brasil)

jrsouzacetucpuc-riobr

RESUMO Sistemas Oacutepticos no Espaccedilo Livre (Free Space Optical Systems-FSO) estatildeo sendo desenvolvidos em todo omundo como uma alternativa econocircmica agrave tecnologia de fibra oacuteptica nas mais diversas aplicaccedilotildees Sua principal desvan-tagem eacute a vulnerabilidade a efeitos atmosfeacutericos como atenuaccedilatildeo e cintilaccedilatildeo que afetam o sinal e portanto degradamo desempenho dos sistemas Este trabalho estaacute dividido em duas grandes etapas 1 um estudo consistente da viabilidadede implantaccedilatildeo de sistemas FSO nas diversas regiotildees brasileiras e 2 o desenvolvimento de um protoacutetipo de baixo custopara a comunicaccedilatildeo serial de dados entre computadores utilizando a tecnologia FSO e a realizaccedilatildeo de diversos experi-mentos simples que demonstram a viabilidade da teacutecnica proposta Para isso foi desenvolvido um modelo numeacutericobaseado no conceito de balanccedilo de potecircncia que analisa as diferentes contribuiccedilotildees para a perda total em um enlaceoacuteptico no espaccedilo livre Os resultados ineacuteditos na literatura satildeo apresentados na forma de disponibilidade temporal dosistema em funccedilatildeo do comprimento do enlace e indicam boa confiabilidade em algumas regiotildees do paiacutes

Palavras-chave SISTEMAS OacutePTICOS NO ESPACcedilO LIVRE ndash EFEITOS ATMOSFEacuteRICOS ndash VISIBILIDADE

ABSTRACT Free-Space Optical Systems (FSO) are being developed throughout the world as an economic alternative tothe fiber optics technology in several applications However these systems are vulnerable to atmospheric phenomenasuch as attenuation and scintillation which affect the signs and introduce errors making the system inoperable for periods oftime This work is divided into two stages 1 a consistent feasibility study of the deployment of FSO communication sys-tems in several regions of Brazil 2 a description of the development of a simple low cost prototype of an FSO systemwhich enabled the serial communication between two remote computers A numerical model was developed for theanalysis of the different loss contributions on a free-space optical link The model is based on the systemrsquos power budgetResults show the systemrsquos availability as a function of the range and indicate that FSO systems can be deployed withgood reliability in parts of the country

Keywords FREE-SPACE OPTICAL SYSTEMS ndash ATMOSPHERIC EFFECTS ndash VISIBILITY

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INTRODUCcedilAtildeO

m anos recentes os sistemas de comunicaccedilatildeo oacuteptica no espaccedilo livre demonstraram ser uma alternativaviaacutevel a sistemas de fibra oacuteptica para prover conectividade de alta velocidade principalmente em redeslocais (Local Area Networks-LANs) e metropolitanas (Metropolitan Area Networks-MANs) Eacute esti-

mado que em aacutereas metropolitanas os custos de implantaccedilatildeo de enlaces de fibras oacutepticas podem variar de100 a 200 mil doacutelares por quilocircmetro sendo que 85 desse valor satildeo gastos com escavaccedilotildees e instalaccedilatildeoPor outro lado os custos de implantaccedilatildeo de sistemas FSO satildeo da ordem de 20 daqueles associados agrave tecno-logia de fibra oacuteptica

Sistemas FSO jaacute satildeo operados comercialmente nas proximidades da regiatildeo infravermelha do espectroeletromagneacutetico em comprimentos de onda de 750 nm 810 nm ou 852 nm devido agrave disponibilidade delasers de baixo custo e receptores PIN e avalanche (Avalanche Photo Diode-APD) com elevadas sensibilida-des Dependendo da aplicaccedilatildeo esses sistemas podem operar em taxas de ateacute 25 Gbs Entretanto a raacutepidademanda por largura de banda principalmente em aplicaccedilotildees de telecomunicaccedilotildees tem impulsionado a ope-raccedilatildeo desses sistemas na janela de 1550 nm em que os niacuteveis de potecircncia oacuteptica de lasers satildeo mais elevadoso que em conjunto com a utilizaccedilatildeo de amplificadores oacutepticos a fibra dopada com Eacuterbio (Erbium-DopedFiber Amplifier-EDFA) permite transmissotildees de longa distacircncia

Sistemas FSO tecircm diversas aplicaccedilotildees

1) na extensatildeo de redes metropolitanas conectando novos aneacuteis de fibra oacuteptica a outros jaacute existentes

2) na rede de acesso a chamada uacuteltima milha (last mile) conectando usuaacuterios finais a provedores deInternet ou a outras redes de mais alta velocidade

3) na aceleraccedilatildeo da implantaccedilatildeoimplementaccedilatildeo de serviccedilos provendo infra-estrutura temporaacuteriaenquanto cabos de fibra oacuteptica satildeo instalados

4) na redundacircncia de enlaces como backup de um sistema de fibra oacuteptica

5) no provimento de conectividade temporaacuteria como em feiras congressos situaccedilotildees de emergecircnciaou de calamidade puacuteblica

Dentre as aplicaccedilotildees mencionadas destaca-se a de acesso agrave uacuteltima milha (last mile problem) objeto deinteresse neste trabalho Estudos mostram que mesmo nos Estados Unidos apenas 5 dos preacutedios tecircm umaconexatildeo direta com o backbone de fibra oacuteptica enquanto 75 desses preacutedios estatildeo localizados a menos deuma milha de distacircncia desse backbone No Brasil os nuacutemeros satildeo consideravelmente piores indicando umenorme mercado potencial para a tecnologia FSO

Este trabalho estaacute dividido em duas etapas Primeiramente eacute feita uma anaacutelise das condiccedilotildees de propaga-ccedilatildeo de sinais oacutepticos no espaccedilo livre Os sistemas FSO em questatildeo satildeo vulneraacuteveis aos efeitos atmosfeacutericoscomo atenuaccedilatildeo (absorccedilatildeo e espalhamento) e cintilaccedilatildeo que limitam seu alcance e disponibilidade Um modelonumeacuterico baseado no conceito de balanccedilo de potecircncia eacute inicialmente desenvolvido Os diferentes elementos quecontribuem para a perda total no enlace satildeo descritos e avaliados Em seguida eacute calculada a disponibilidade (emporcentagem de tempo) de um sistema FSO em funccedilatildeo do comprimento do enlace Inuacutemeros resultados satildeoapresentados considerando diferentes cidades brasileiras e variadas condiccedilotildees atmosfeacutericas

Na etapa seguinte eacute descrito o desenvolvimento de um protoacutetipo simples e de baixo custo capaz deestabelecer comunicaccedilatildeo serial de dados entre dois computadores por meio de um enlace que emprega osprinciacutepios baacutesicos de um sistema FSO Diversos resultados experimentais interessantes satildeo apresentados Asprincipais conclusotildees do trabalho satildeo ao fim elaboradas

FORMULACcedilAtildeOA caracterizaccedilatildeo de sistemas FSO eacute feita por meio do balanccedilo de potecircncia que eacute definido como

Balanccedilo de potecircncia = PT ndash PR ndash α (1)

E

26 janjun bull 2004

onde PT representa a potecircncia meacutedia na saiacuteda do transmissor (dBm) PR representa a sensibilidade doreceptor (dBm) e α representa a perda total no enlace (dB)

Para que o sistema permaneccedila operante eacute necessaacuterio que o balanccedilo de potecircncia seja sempre natildeo nega-tivo Na anaacutelise feita a seguir eacute considerado o caso limite em que a diferenccedila entre PT e PR eacute igual agrave perdatotal no enlace

Em um sistema FSO em que o valor total das perdas no enlace natildeo eacute conhecido a priori o balanccedilo depotecircncia pode portanto ser usado para estabelecer o alcance maacuteximo ou maacutexima distacircncia de operaccedilatildeo doenlace para dadas caracteriacutesticas de um par transmissor-receptor Esta eacute a abordagem adotada no presenteestudo

A perda total em um enlace oacuteptico no espaccedilo livre tem diversas componentes como perda oacuteptica noreceptor perda por desalinhamento perda por alargamento do feixe de laser e perda por efeitos atmosfeacute-ricos

Relatos encontrados na literatura (por exemplo Kim et al 1997) sugerem valores tiacutepicos da ordem denove dB para a perda oacuteptica total no receptor e de trecircs dB para a perda por desalinhamento do feixe de luzA perda por alargamento do feixe de laser eacute definida como a razatildeo entre a aacuterea da abertura de recepccedilatildeo e aaacuterea do feixe de luz no receptor que eacute funccedilatildeo da divergecircncia do feixe oacuteptico e do alcance do enlace Noentanto a principal contribuiccedilatildeo para a perda total em um enlace oacuteptico eacute proveniente de efeitos atmosfeacuteri-cos como absorccedilatildeo espalhamento e cintilaccedilatildeo Tais efeitos podem reduzir consideravelmente a disponibili-dade de sistemas FSO e introduzir excesso de erro

A atenuaccedilatildeo de um feixe de laser na atmosfera eacute descrita pela lei de Beer (Johnson) (Kim et al 1997)

(2)

onde R eacute o comprimento (ou alcance) do enlace (m) τ(R) eacute a transmitacircncia a distacircncia R P(R) eacute apotecircncia do laser a distacircncia R P(0) eacute a potecircncia do laser na fonte e σ eacute o coeficiente total de atenuaccedilatildeo (m-1)

O coeficiente total de atenuaccedilatildeo atmosfeacuterica σ eacute constituiacutedo de quatro parcelas [Johnson]

σ = αm + αa + βm + βa (3)

onde αm eacute o coeficiente de absorccedilatildeo molecular αa eacute o coeficiente de absorccedilatildeo de aerossol βm eacute o coe-ficiente de espalhamento Rayleigh e βa eacute o coeficiente de espalhamento Mie

Nos comprimentos de onda de interesse (entre 780 nm e 1550 nm) a atenuaccedilatildeo por absorccedilatildeo mole-cular ou de aerossol eacute despreziacutevel assim como o efeito do espalhamento Rayleigh Isso se deve ao fato de queas partiacuteculas em suspensatildeo na atmosfera tecircm dimensatildeo da ordem ou maior que o comprimento de onda deinteresse para sistemas FSO Dessa maneira o coeficiente de atenuaccedilatildeo eacute dominado fundamentalmente peloespalhamento Mie (Johnson) o que permite escrever σ = βa

A eficiecircncia do espalhamento Mie eacute maacutexima para aerossoacuteis com diacircmetro da ordem do comprimentode onda tornando-se praticamente independente dele agrave medida que o diacircmetro dos aerossoacuteis aumenta(Johnson) A eficiecircncia de espalhamento Mie depende tambeacutem da visibilidade na atmosfera definida comoa distacircncia em que a intensidade da luz decresce a 2 de seu valor inicial (Johnson)

A variaccedilatildeo do coeficiente de atenuaccedilatildeo com a visibilidade eacute descrita como (Johnson)

(4)

Sendo V visibilidade (km) λ comprimento de onda (nm) e q distribuiccedilatildeo de tamanho de aerossoacuteis eq = 16 em alta visibilidade (V gt 50km)

= 13 em visibilidade meacutedia (6km lt V lt 50km)= 0585V13 em baixa visibilidade (V lt 6km) Para uma completa avaliaccedilatildeo da perda total no enlace eacute necessaacuterio ter alguma estimativa da perda

meacutedia por cintilaccedilatildeo No entanto o conhecimento desse valor depende de medidas de campo de longa dura-ccedilatildeo Foi feita uma extensa pesquisa de literatura em busca de informaccedilatildeo que auxiliasse na estimativa da

τ R( ) P R( )P 0( )------------ e

σRndash= =

σ βa3 91

V------------ λ

550---------

qndash

= =

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perda meacutedia por cintilaccedilatildeo sem muito sucesso Foram encontrados apenas alguns poucos dados como resu-mido a seguir

As referecircncias Kim et al 1997 e Kim et al 1998 citam resultados de medidas em dois sistemas FSOoperando em 780 nm Os sistemas em questatildeo utilizam aberturas de recepccedilatildeo com 10 cm e 20 cm de diacircme-tro e aparentemente apenas um feixe de laser Os dados obtidos para perdas por cintilaccedilatildeo enlaces de 12km satildeo respectivamente nove dB (abertura de 10 cm) e 4 dB (abertura de 20cm) Para enlaces de 104 kmas perdas por cintilaccedilatildeo satildeo respectivamente 22 dB (abertura de 10cm) e 12 dB (abertura de 20cm) Nareferecircncia Terescope satildeo relatados resultados de medidas com sistemas de quatro e trecircs feixes operando em850 nm A aacuterea de recepccedilatildeo do sistema de quatro feixes tem diacircmetro de 25 cm e a perda por cintilaccedilatildeo foimedida em 1 dB a uma distacircncia de um km Para o sistema de trecircs feixes com aacuterea de recepccedilatildeo de 10 cmforam medidos dois valores de perda por cintilaccedilatildeo trecircs dB a uma distacircncia de 500 m e 5 dB a uma distacircnciade um km A referecircncia Carlson amp Paciorek 2004 cita resultados de medidas para um sistema de quatro fei-xes aacuterea de recepccedilatildeo com 20 cm de diacircmetro e operando em 1550 nm Medidas realizadas no meio de umdia de veratildeo indicaram perdas maacuteximas por cintilaccedilatildeo de 25 dB a uma distacircncia de 450 m e de 105 dB auma distacircncia de cinco km Finalmente a referecircncia McCullagh et al 1993 cita resultados de medidas reali-zadas em um enlace de 4 km de extensatildeo considerando um sistema de apenas um feixe de laser aacuterea derecepccedilatildeo com diacircmetro de 20 cm e operando em 1550nm As medidas indicam perda maacutexima por cintila-ccedilatildeo da ordem de 17 dB sugerindo a adoccedilatildeo de uma margem de seguranccedila de 20 dB

Os resultados experimentais relatados acima mostram claramente que a perda por cintilaccedilatildeo pode serreduzida com o emprego de muacuteltiplos feixes de luz eou grande aacuterea de recepccedilatildeo Os resultados tambeacutemindicam que a perda por cintilaccedilatildeo eacute mais severa nos periacuteodos da alvorada e do pocircr-do-sol Outros resultados(Kim et al 1999) indicam que a perda por cintilaccedilatildeo aumenta com o comprimento de onda de operaccedilatildeo

Na ausecircncia de dados experimentais suficientes para caracterizar a perda por cintilaccedilatildeo em cidades brasi-leiras este trabalho utiliza os resultados das referecircncias Kim et al 1997 e Kim et al 1998 junto com interpola-ccedilatildeo linear para estimar a perda por cintilaccedilatildeo As equaccedilotildees anteriores satildeo combinadas de maneira a calcular oalcance maacuteximo teoacuterico do enlace ou seja a maior distacircncia na qual o balanccedilo de potecircncia se torna nulo

RESULTADOS NUMEacuteRICOSCom base no estudo apresentado foi desenvolvido um software para avaliar a perda total em um

enlace oacuteptico no espaccedilo livre A disponibilidade de sistemas FSO eacute estimada em funccedilatildeo do comprimento doenlace para diferentes cidades brasileiras Os dados de visibilidade para as referidas cidades foram obtidosexperimentalmente nos principais aeroportos brasileiros o que fornece confiabilidade consistecircncia e quali-dade aos resultados O software permite ainda calcular a margem de atenuaccedilatildeo atmosfeacuterica (em dB) e a visi-bilidade (em km) em funccedilatildeo do comprimento R do enlace (em km)

Satildeo considerados como dados de entrada para a anaacutelise de disponibilidade do sistema os seguintesparacircmetros potecircncia meacutedia na saiacuteda do transmissor PT (dBm) comprimento de onda da portadora oacutepticaλ (nm) divergecircncia do feixe oacuteptico θ (mrad) sensibilidade do receptor para a taxa de transmissatildeo e BER deinteresse PR (dBm) aacuterea do receptor AR (m2) perda oacuteptica no receptor Pot (dB) e perda por desalinha-mento Pdes (dB)

Em todas as simulaccedilotildees foram utilizados os seguintes valores tiacutepicos PT = 13 dBm λ = 780 nm PR =˜ndash 46 dBm θ = 1 mrad AR = 0025 m2 Pot = 9 dB Pdes = 3dB A perda por cintilaccedilatildeo eacute estimada como

(5)

Visando uma melhor exploraccedilatildeo e o entendimento dos resultados as cidades brasileiras de interesse satildeoclassificadas por regiatildeo geograacutefica Inicialmente nas figuras 1a e 1b satildeo apresentados resultados da meacutedia anualde visibilidade para as regiotildees Nordeste e Sudeste respectivamente Como pode ser observado nas capitais nor-destinas em 90 do tempo a visibilidade eacute superior a 10 km caracterizando a condiccedilatildeo de ceacuteu claro (clear)

Pcint8

9 2---------R

27 29 2------------ dB( )+=

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Apenas em Aracaju esse patamar eacute mantido para visibilidades de ateacute 20 km Em todas as outras cidades o iacutendicecai rapidamente podendo alcanccedilar valores em torno de 30 em Salvador Para as principais cidades da regiatildeoSudeste a situaccedilatildeo eacute pior apenas para faixas de visibilidade em torno de 5 km (condiccedilatildeo de neacutevoa uacutemida ndash hazeou neacutevoa seca ndash light haze) o iacutendice se manteacutem proacuteximo de 90 excluindo Belo Horizonte

Fig 1 Meacutedia anual de visibilidade nas regiotildees (a) Nordeste e (b) Sudeste

Outras simulaccedilotildees realizadas indicaram que na regiatildeo Norte os resultados satildeo bastante bons para Satildeo LuiacutesNa regiatildeo Centro-Oeste considerando valores moderados de visibilidade (ateacute 5 km) o que caracteriza a condiccedilatildeode neacutevoa uacutemida ou seca as estatiacutesticas satildeo boas para as cidades de Brasiacutelia e Goiacircnia Para Campo Grande o iacutendiceeacute inferior provavelmente devido aos longos periacuteodos de chuva Na regiatildeo Sul os resultados obtidos satildeo surpreen-dentemente ruins visibilidade inferior a 2 km (condiccedilatildeo de nevoeiro ndash fog) em 94 do tempo

A figura 2 mostra o alcance (comprimento maacuteximo) de um enlace FSO em funccedilatildeo da visibilidade Aslinhas horizontais delimitam faixas de visibilidade de acordo com as condiccedilotildees climaacuteticas especificadas peloCoacutedigo Internacional de Visibilidade (International Visibility Code-IVC)

Eacute conveniente salientar que o resultado mostrado na figura 2 eacute vaacutelido para as diferentes regiotildees brasilei-ras em estudo Nitidamente a utilidade desses sistemas estaacute limitada a distacircncias inferiores a 8 km Na praacute-tica eacute conveniente operar em pontos afastados da fronteira da regiatildeo hachurada de maneira a acomodarefeitos que natildeo tenham sido previamente considerados no modelo numeacuterico A figura 2 mostra que apenasem condiccedilotildees de ceacuteu claro os sistemas podem operar em distacircncias da ordem de 6 km Aleacutem disso fica apa-rente que para enlaces de curta distacircncia (lt 2 km) existe uma relaccedilatildeo aproximadamente linear entre visibi-lidade e alcance do enlace

Fig 2 Alcance de um enlace FSO em funccedilatildeo da visibilidade

a) b)

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Fig 3 Disponibilidade de sistemas FSO em funccedilatildeo do alcance nas regiotildees (a) Nordeste (b) Sul (c) Centro-Oeste (d)Sudeste

A figura 3 mostra a disponibilidade de um sistema FSO para as regiotildees (a) Nordeste (b) Sul (c) Centro-Oeste e (d) Sudeste Na cidade de Fortaleza por exemplo a disponibilidade eacute melhor que 995 do tempopara enlaces de ateacute 45 km Uma avaliaccedilatildeo semelhante em outras cidades nordestinas revela que elas ofere-cem condiccedilotildees favoraacuteveis agrave comunicaccedilatildeo FSO devido agrave alta probabilidade de ocorrecircncia de ceacuteu claro

Ela tambeacutem indica que para a cidade de Florianoacutepolis iacutendices de disponibilidade da ordem de 995do tempo satildeo alcanccedilados somente em enlaces de comprimentos menores que 2 km devido aos fortes nevo-eiros limitando bastante a utilidade de sistemas nessa regiatildeo Na cidade de Belo Horizonte sistemas FSO satildeopraticamente inoperantes enlaces maiores que 28 km tecircm disponibilidades sempre inferiores a 80

DESENVOLVIMENTO DO PROTOacuteTIPOA segunda parte deste trabalho descreve o desenvolvimento de um protoacutetipo simples de um equipa-

mento FSO capaz de estabelecer a comunicaccedilatildeo serial de dados entre dois computadores remotos Esse pro-toacutetipo eacute uma extensatildeo do trabalho descrito na referecircncia Moura et al 2003 Eacute importante ressaltar que a ela-boraccedilatildeo do projeto como um todo foi norteada pelo emprego somente de peccedilas e equipamentos de baixiacutes-simo custo e que os componentes utilizados na montagem do protoacutetipo satildeo facilmente encontrados em lojasespecializadas em material eletrocircnico

O projeto foi desenvolvido segundo as etapas descritas a seguir A primeira diz respeito agrave seleccedilatildeo dainterface a ser utilizada A interface serial foi escolhida por operar com transmissatildeo assiacutencrona e possuir umsistema proacuteprio de recuperaccedilatildeo de reloacutegio embora apresente taxas de transmissatildeo relativamente reduzidasde no maacuteximo 1152 kbs em comparaccedilatildeo a outras interfaces disponiacuteveis em um computador Vale a penaressaltar que os dados jaacute estatildeo no formato serial e portanto prontos para serem transmitidos pelo sistema

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FSO A segunda etapa diz respeito agrave seleccedilatildeo do comprimento de onda de operaccedilatildeo do sistema que foi fixadoem torno de 620 nm na regiatildeo vermelha do espectro eletromagneacutetico visiacutevel Essa escolha se deve ao baixocusto do diodo laser e agrave facilidade de alinhamento do feixe de luz (visiacutevel) assim como de caracterizaccedilatildeo dodiodo laser e do fotodiodo A figura 4 mostra esquematicamente (a) o encapsulamento do diodo laser e (b)um detalhe do circuito receptor jaacute montado e adaptado ao seu moacutedulo

Para verificar o funcionamento adequado dos circuitos e assegurar que sua resposta encontrava-se den-tro das especificaccedilotildees do padratildeo RS232 foi utilizado um gerador de funccedilotildees para modular o transmissor eum osciloscoacutepio para analisar o sinal entregue pelo receptor A montagem desta experiecircncia eacute apresentada nafigura 5 em que tambeacutem eacute possiacutevel observar os invoacutelucros dos moacutedulos transmissor e receptor bem como aestrutura projetada para sustentaacute-los e manter o seu alinhamento Um espelho localizado a 5 m da monta-gem foi usado para refletir o feixe do transmissor em direccedilatildeo ao receptor

Fig 4 (a) Encapsulamento do diodo laser e (b) circuito receptor montado

Fig 5 Teste de funcionamento do protoacutetipo

Tubos pretos de PVC foram empregados na montagem dos invoacutelucros de modo a que ficassem bemcompactos e proporcionassem uma proteccedilatildeo para o fotodiodo contra a luz externa Com isso foi pratica-mente eliminado o chamado ruiacutedo de fundo causado por qualquer outra fonte de luz que natildeo a do transmis-sor No lado externo dos invoacutelucros foram adaptados conectores para o encaixe de cabos destinados agrave ali-mentaccedilatildeo dos circuitos e ao traacutefego de dados um LED para indicaccedilatildeo de alinhamento e uma chave para per-mitir a seleccedilatildeo entre modo de alinhamento e modo de transmissatildeo de sinais

a) b)

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RESULTADOS EXPERIMENTAISForam realizados diversos experimentos para avaliar as limitaccedilotildees do sistema como maacutexima taxa de

transmissatildeo alcance maacuteximo do enlace e comportamento quando operado em condiccedilotildees adversas de propa-gaccedilatildeo do sinal (cintilaccedilatildeo) Dessa maneira eacute possiacutevel verificar se os resultados atendem aos objetivos pretendi-dos Apoacutes a conclusatildeo da montagem dos dois moacutedulos transceptores alguns testes foram realizados que satildeoresumidos a seguirbull modulaccedilatildeo em ateacute 800 kbs a uma distacircncia de 10 m (figura 6)bull comunicaccedilatildeo entre dois computadores afastados 15 m a uma taxa de transmissatildeo de 1152 kbsbull comunicaccedilatildeo entre duas calculadoras HP 48GX afastadas 10 m a uma taxa de transmissatildeo de 96 kbs

(figura 7 para afastamento de 15 m)bull comunicaccedilatildeo entre um computador e uma calculadora HP 48GX afastados 3 m a uma taxa de transmis-

satildeo de 96 kbsbull estabelecimento de alinhamento entre os moacutedulos transceptores afastados 80 m

Fig 6 Modulaccedilatildeo e detecccedilatildeo a 800 kbs

Fig 7 Enlace entre duas calculadoras HP 48GX

Para simular os efeitos da cintilaccedilatildeo (turbulecircncia atmosfeacuterica) no sinal transmitido foi utilizada amesma montagem apresentada na figura 5 mas empregando um secador de cabelos para gerar um fluxo dear quente que interceptasse o feixe do laser nas proximidades do transmissor Devido agraves bruscas variaccedilotildees do

Sinal detectado

Sinal modulante

32 janjun bull 2004

iacutendice de refraccedilatildeo do ar quente em movimento a frente de onda do sinal eacute completamente deformadadando origem a interferecircncias construtivas e destrutivas no receptor que variam raacutepida e aleatoriamenteEsse efeito pode ser observado na figura 8 para uma modulaccedilatildeo a uma taxa de 500 kbs

Fig 8 Efeito da cintilaccedilatildeo no sinal recebido a 500 kbs

Entretanto verificou-se que a cintilaccedilatildeo provocada dessa forma natildeo foi suficiente para introduzir errosna comunicaccedilatildeo entre duas calculadoras HP 48GX operando a uma taxa de 96 kbs no experimento apre-sentado na figura 7 Isso se deve ao fato de que o valor miacutenimo de potecircncia oacuteptica que atinge o detector e queainda permite a demodulaccedilatildeo correta do sinal eacute menor para taxas de modulaccedilatildeo reduzidas Dessa forma umsistema operando a 96 kbs possui uma margem de atenuaccedilatildeo total maior do que quando opera a 500 kbsEm taxas de transmissatildeo mais elevadas correspondendo a uma duraccedilatildeo temporal menor de um bit a quanti-dade de luz que pode ser coletada pelo receptor e convertida em eleacutetrons durante o intervalo de um bittorna-se extremamente baixa Em outras palavras a sensibilidade do receptor eacute funccedilatildeo da taxa de transmis-satildeo Em termos gerais quanto maior a taxa de transmissatildeo menor a sensibilidade do receptor Quando olimite da sensibilidade do receptor eacute atingido o ruiacutedo teacutermico passa a determinar a BER do sistema (Wille-brand amp Ghuman 2002)

CONCLUSOtildeESEste trabalho apresentou um consistente estudo da viabilidade da tecnologia oacuteptica no espaccedilo livre Ini-

cialmente foi desenvolvido um modelo numeacuterico baseado no conceito de balanccedilo de potecircncia que permitiucaracterizar as diferentes componentes da perda em um enlace oacuteptico e avaliar seus efeitos na disponibilidadede um sistema de comunicaccedilotildees oacutepticas no espaccedilo livre Os dados de visibilidade foram coletados nos princi-pais aeroportos assegurando confiabilidade ao software desenvolvido

Os resultados satildeo apresentados principalmente na forma de disponibilidade (porcentagem de tempo)em funccedilatildeo do comprimento do enlace (km) para diferentes cidades de interesse classificadas de acordo comsua regiatildeo geograacutefica Fica claro que as condiccedilotildees atmosfeacutericas satildeo determinantes na disponibilidade dos refe-ridos sistemas

Na regiatildeo Nordeste devido agraves boas condiccedilotildees atmosfeacutericas (condiccedilatildeo de ceacuteu claro) sistemas FSO satildeocapazes de oferecer qualidade e confiabilidade a custos reduzidos tornando-se atraentes como backup nainfra-estrutura de fibra oacuteptica jaacute instalada eou na implantaccedilatildeo de uma rede de acesso de alta velocidade

Os resultados indicam ainda que a tecnologia FSO eacute viaacutevel em vaacuterias cidades das regiotildees Sudeste eCentro-Oeste onde satildeo possiacuteveis enlaces com alcance tiacutepico de 35 km e disponibilidades em torno de 98

Sinal recebido

Sinal transmitido

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Nesses casos os sistemas FSO satildeo particularmente uacuteteis na soluccedilatildeo do problema da uacuteltima milha oferecendoampla largura de banda quando comparados com outros sistemas wireless Na regiatildeo Sul sistemas FSOpodem ser empregados em enlaces de curta distacircncia por exemplo para o provimento de conexatildeo temporaacute-ria ou de emergecircncia

Como uacuteltimo comentaacuterio eacute importante ressaltar a necessidade de aprimorar o modelo numeacuterico decintilaccedilatildeo por meio da coleta de dados especiacuteficos para as diversas regiotildees brasileiras

Em seguida foi desenvolvido um protoacutetipo que mostra ser possiacutevel construir um equipamento simplese de baixo custo para um sistema FSO Os resultados obtidos nos diversos testes demonstram que o disposi-tivo eacute capaz de atender agraves especificaccedilotildees da aplicaccedilatildeo proposta Vale a pena ressaltar que o custo total do pro-toacutetipo montado e testado natildeo ultrapassa R$ 5000 Obviamente equipamentos de melhor desempenhopodem ser desenvolvidos com o emprego de componentes de melhor qualidade Um segundo protoacutetipomais aprimorado encontra-se em desenvolvimento

Sem duacutevida os resultados obtidos com este trabalho indicam claramente que se forem realizados estu-dos e experimentos utilizando teacutecnicas mais avanccediladas eacute possiacutevel executar um projeto mais elaborado edesenvolver um equipamento capaz de oferecer taxas de transmissatildeo muito superiores agravequelas aqui conside-radas e ao longo de distacircncias bem maiores de forma a que seja possiacutevel atender agraves atuais necessidades domercado como superar o gargalo do acesso agrave uacuteltima milha

Pesquisa e estudo complementares estatildeo em andamento eou encontram-se em fase de amadureci-mento com o objetivo de possibilitar o dimensionamento projeto e caracterizaccedilatildeo de um sistema FSO queatenda agraves demandas de capacidade e qualidade de traacutefego de informaccedilatildeo das aplicaccedilotildees pretendidas Semduacutevida o pleno desenvolvimento do projeto deveraacute contar com o apoio de agecircncias oficiais de fomento agravepesquisa eou a participaccedilatildeo da iniciativa privada

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Systems millimeter wave and optical Dallas 100-118 1997 Proceedings of SPIE______ Wireless optical transmission of Fast Ethernet FDDI ATM and ESCON protocol data using the TerraLink laser com-

munication system Optical Engineering 37 3143-3155 1998 lthttpwwwfreespaceopticcomWhitePapersWireless_Transmission_of_Fast_Ethernetpdfgt (14fev04)

McCULLAGH MJ et al A low noise optical receiver for a 155 Mbits 4 km optical free space link Proc 1993 Lasers andElectro-Optics Society - LEOS Annual Meeting 365ndash367 1993

MOURA LES et al Anaacutelise e dimensionamento de sistemas oacutepticos no espaccedilo livre Projeto de final de curso TET ndash UFF2003

TERESCOPE ldquoThe Effects of Weather on Wireless Communicationsrdquo lthttpwwwtaifoncomtwwebDownloaddownloadDatasheetOpticalAccessTerescopegt (01jul03)

WILLEBRAND H amp GHUMAN BS Free-Space Optics enabling optical connectivity in todayacutes networks IndianaacutepolisSams Publishing 2002

Dados dos autores

LUCIANO EUGEcircNIO DA SILVA MOURAGraduado em engenharia de telecomunicaccedilotildees pela UFFRJAtualmente participa do Programa de Trainees da Vivo Telerj

Celular Rio de JaneiroRJ

ANDRES PABLO LOPEZ BARBEROEngenheiro de telecomunicaccedilotildees (UFFRJ) com mestrado em

sistemas sensores a fibra oacuteptica (experimental) pelo ITA e

34 janjun bull 2004

INTRODUCcedilAtildeO

m anos recentes os sistemas de comunicaccedilatildeo oacuteptica no espaccedilo livre demonstraram ser uma alternativaviaacutevel a sistemas de fibra oacuteptica para prover conectividade de alta velocidade principalmente em redeslocais (Local Area Networks-LANs) e metropolitanas (Metropolitan Area Networks-MANs) Eacute esti-

mado que em aacutereas metropolitanas os custos de implantaccedilatildeo de enlaces de fibras oacutepticas podem variar de100 a 200 mil doacutelares por quilocircmetro sendo que 85 desse valor satildeo gastos com escavaccedilotildees e instalaccedilatildeoPor outro lado os custos de implantaccedilatildeo de sistemas FSO satildeo da ordem de 20 daqueles associados agrave tecno-logia de fibra oacuteptica

Sistemas FSO jaacute satildeo operados comercialmente nas proximidades da regiatildeo infravermelha do espectroeletromagneacutetico em comprimentos de onda de 750 nm 810 nm ou 852 nm devido agrave disponibilidade delasers de baixo custo e receptores PIN e avalanche (Avalanche Photo Diode-APD) com elevadas sensibilida-des Dependendo da aplicaccedilatildeo esses sistemas podem operar em taxas de ateacute 25 Gbs Entretanto a raacutepidademanda por largura de banda principalmente em aplicaccedilotildees de telecomunicaccedilotildees tem impulsionado a ope-raccedilatildeo desses sistemas na janela de 1550 nm em que os niacuteveis de potecircncia oacuteptica de lasers satildeo mais elevadoso que em conjunto com a utilizaccedilatildeo de amplificadores oacutepticos a fibra dopada com Eacuterbio (Erbium-DopedFiber Amplifier-EDFA) permite transmissotildees de longa distacircncia

Sistemas FSO tecircm diversas aplicaccedilotildees

1) na extensatildeo de redes metropolitanas conectando novos aneacuteis de fibra oacuteptica a outros jaacute existentes

2) na rede de acesso a chamada uacuteltima milha (last mile) conectando usuaacuterios finais a provedores deInternet ou a outras redes de mais alta velocidade

3) na aceleraccedilatildeo da implantaccedilatildeoimplementaccedilatildeo de serviccedilos provendo infra-estrutura temporaacuteriaenquanto cabos de fibra oacuteptica satildeo instalados

4) na redundacircncia de enlaces como backup de um sistema de fibra oacuteptica

5) no provimento de conectividade temporaacuteria como em feiras congressos situaccedilotildees de emergecircnciaou de calamidade puacuteblica

Dentre as aplicaccedilotildees mencionadas destaca-se a de acesso agrave uacuteltima milha (last mile problem) objeto deinteresse neste trabalho Estudos mostram que mesmo nos Estados Unidos apenas 5 dos preacutedios tecircm umaconexatildeo direta com o backbone de fibra oacuteptica enquanto 75 desses preacutedios estatildeo localizados a menos deuma milha de distacircncia desse backbone No Brasil os nuacutemeros satildeo consideravelmente piores indicando umenorme mercado potencial para a tecnologia FSO

Este trabalho estaacute dividido em duas etapas Primeiramente eacute feita uma anaacutelise das condiccedilotildees de propaga-ccedilatildeo de sinais oacutepticos no espaccedilo livre Os sistemas FSO em questatildeo satildeo vulneraacuteveis aos efeitos atmosfeacutericoscomo atenuaccedilatildeo (absorccedilatildeo e espalhamento) e cintilaccedilatildeo que limitam seu alcance e disponibilidade Um modelonumeacuterico baseado no conceito de balanccedilo de potecircncia eacute inicialmente desenvolvido Os diferentes elementos quecontribuem para a perda total no enlace satildeo descritos e avaliados Em seguida eacute calculada a disponibilidade (emporcentagem de tempo) de um sistema FSO em funccedilatildeo do comprimento do enlace Inuacutemeros resultados satildeoapresentados considerando diferentes cidades brasileiras e variadas condiccedilotildees atmosfeacutericas

Na etapa seguinte eacute descrito o desenvolvimento de um protoacutetipo simples e de baixo custo capaz deestabelecer comunicaccedilatildeo serial de dados entre dois computadores por meio de um enlace que emprega osprinciacutepios baacutesicos de um sistema FSO Diversos resultados experimentais interessantes satildeo apresentados Asprincipais conclusotildees do trabalho satildeo ao fim elaboradas

FORMULACcedilAtildeOA caracterizaccedilatildeo de sistemas FSO eacute feita por meio do balanccedilo de potecircncia que eacute definido como

Balanccedilo de potecircncia = PT ndash PR ndash α (1)

E

26 janjun bull 2004

onde PT representa a potecircncia meacutedia na saiacuteda do transmissor (dBm) PR representa a sensibilidade doreceptor (dBm) e α representa a perda total no enlace (dB)

Para que o sistema permaneccedila operante eacute necessaacuterio que o balanccedilo de potecircncia seja sempre natildeo nega-tivo Na anaacutelise feita a seguir eacute considerado o caso limite em que a diferenccedila entre PT e PR eacute igual agrave perdatotal no enlace

Em um sistema FSO em que o valor total das perdas no enlace natildeo eacute conhecido a priori o balanccedilo depotecircncia pode portanto ser usado para estabelecer o alcance maacuteximo ou maacutexima distacircncia de operaccedilatildeo doenlace para dadas caracteriacutesticas de um par transmissor-receptor Esta eacute a abordagem adotada no presenteestudo

A perda total em um enlace oacuteptico no espaccedilo livre tem diversas componentes como perda oacuteptica noreceptor perda por desalinhamento perda por alargamento do feixe de laser e perda por efeitos atmosfeacute-ricos

Relatos encontrados na literatura (por exemplo Kim et al 1997) sugerem valores tiacutepicos da ordem denove dB para a perda oacuteptica total no receptor e de trecircs dB para a perda por desalinhamento do feixe de luzA perda por alargamento do feixe de laser eacute definida como a razatildeo entre a aacuterea da abertura de recepccedilatildeo e aaacuterea do feixe de luz no receptor que eacute funccedilatildeo da divergecircncia do feixe oacuteptico e do alcance do enlace Noentanto a principal contribuiccedilatildeo para a perda total em um enlace oacuteptico eacute proveniente de efeitos atmosfeacuteri-cos como absorccedilatildeo espalhamento e cintilaccedilatildeo Tais efeitos podem reduzir consideravelmente a disponibili-dade de sistemas FSO e introduzir excesso de erro

A atenuaccedilatildeo de um feixe de laser na atmosfera eacute descrita pela lei de Beer (Johnson) (Kim et al 1997)

(2)

onde R eacute o comprimento (ou alcance) do enlace (m) τ(R) eacute a transmitacircncia a distacircncia R P(R) eacute apotecircncia do laser a distacircncia R P(0) eacute a potecircncia do laser na fonte e σ eacute o coeficiente total de atenuaccedilatildeo (m-1)

O coeficiente total de atenuaccedilatildeo atmosfeacuterica σ eacute constituiacutedo de quatro parcelas [Johnson]

σ = αm + αa + βm + βa (3)

onde αm eacute o coeficiente de absorccedilatildeo molecular αa eacute o coeficiente de absorccedilatildeo de aerossol βm eacute o coe-ficiente de espalhamento Rayleigh e βa eacute o coeficiente de espalhamento Mie

Nos comprimentos de onda de interesse (entre 780 nm e 1550 nm) a atenuaccedilatildeo por absorccedilatildeo mole-cular ou de aerossol eacute despreziacutevel assim como o efeito do espalhamento Rayleigh Isso se deve ao fato de queas partiacuteculas em suspensatildeo na atmosfera tecircm dimensatildeo da ordem ou maior que o comprimento de onda deinteresse para sistemas FSO Dessa maneira o coeficiente de atenuaccedilatildeo eacute dominado fundamentalmente peloespalhamento Mie (Johnson) o que permite escrever σ = βa

A eficiecircncia do espalhamento Mie eacute maacutexima para aerossoacuteis com diacircmetro da ordem do comprimentode onda tornando-se praticamente independente dele agrave medida que o diacircmetro dos aerossoacuteis aumenta(Johnson) A eficiecircncia de espalhamento Mie depende tambeacutem da visibilidade na atmosfera definida comoa distacircncia em que a intensidade da luz decresce a 2 de seu valor inicial (Johnson)

A variaccedilatildeo do coeficiente de atenuaccedilatildeo com a visibilidade eacute descrita como (Johnson)

(4)

Sendo V visibilidade (km) λ comprimento de onda (nm) e q distribuiccedilatildeo de tamanho de aerossoacuteis eq = 16 em alta visibilidade (V gt 50km)

= 13 em visibilidade meacutedia (6km lt V lt 50km)= 0585V13 em baixa visibilidade (V lt 6km) Para uma completa avaliaccedilatildeo da perda total no enlace eacute necessaacuterio ter alguma estimativa da perda

meacutedia por cintilaccedilatildeo No entanto o conhecimento desse valor depende de medidas de campo de longa dura-ccedilatildeo Foi feita uma extensa pesquisa de literatura em busca de informaccedilatildeo que auxiliasse na estimativa da

τ R( ) P R( )P 0( )------------ e

σRndash= =

σ βa3 91

V------------ λ

550---------

qndash

= =

REVISTA DE CIEcircNCIA amp TECNOLOGIA bull V 12 Nordm 23 ndash pp 25-35 27

perda meacutedia por cintilaccedilatildeo sem muito sucesso Foram encontrados apenas alguns poucos dados como resu-mido a seguir

As referecircncias Kim et al 1997 e Kim et al 1998 citam resultados de medidas em dois sistemas FSOoperando em 780 nm Os sistemas em questatildeo utilizam aberturas de recepccedilatildeo com 10 cm e 20 cm de diacircme-tro e aparentemente apenas um feixe de laser Os dados obtidos para perdas por cintilaccedilatildeo enlaces de 12km satildeo respectivamente nove dB (abertura de 10 cm) e 4 dB (abertura de 20cm) Para enlaces de 104 kmas perdas por cintilaccedilatildeo satildeo respectivamente 22 dB (abertura de 10cm) e 12 dB (abertura de 20cm) Nareferecircncia Terescope satildeo relatados resultados de medidas com sistemas de quatro e trecircs feixes operando em850 nm A aacuterea de recepccedilatildeo do sistema de quatro feixes tem diacircmetro de 25 cm e a perda por cintilaccedilatildeo foimedida em 1 dB a uma distacircncia de um km Para o sistema de trecircs feixes com aacuterea de recepccedilatildeo de 10 cmforam medidos dois valores de perda por cintilaccedilatildeo trecircs dB a uma distacircncia de 500 m e 5 dB a uma distacircnciade um km A referecircncia Carlson amp Paciorek 2004 cita resultados de medidas para um sistema de quatro fei-xes aacuterea de recepccedilatildeo com 20 cm de diacircmetro e operando em 1550 nm Medidas realizadas no meio de umdia de veratildeo indicaram perdas maacuteximas por cintilaccedilatildeo de 25 dB a uma distacircncia de 450 m e de 105 dB auma distacircncia de cinco km Finalmente a referecircncia McCullagh et al 1993 cita resultados de medidas reali-zadas em um enlace de 4 km de extensatildeo considerando um sistema de apenas um feixe de laser aacuterea derecepccedilatildeo com diacircmetro de 20 cm e operando em 1550nm As medidas indicam perda maacutexima por cintila-ccedilatildeo da ordem de 17 dB sugerindo a adoccedilatildeo de uma margem de seguranccedila de 20 dB

Os resultados experimentais relatados acima mostram claramente que a perda por cintilaccedilatildeo pode serreduzida com o emprego de muacuteltiplos feixes de luz eou grande aacuterea de recepccedilatildeo Os resultados tambeacutemindicam que a perda por cintilaccedilatildeo eacute mais severa nos periacuteodos da alvorada e do pocircr-do-sol Outros resultados(Kim et al 1999) indicam que a perda por cintilaccedilatildeo aumenta com o comprimento de onda de operaccedilatildeo

Na ausecircncia de dados experimentais suficientes para caracterizar a perda por cintilaccedilatildeo em cidades brasi-leiras este trabalho utiliza os resultados das referecircncias Kim et al 1997 e Kim et al 1998 junto com interpola-ccedilatildeo linear para estimar a perda por cintilaccedilatildeo As equaccedilotildees anteriores satildeo combinadas de maneira a calcular oalcance maacuteximo teoacuterico do enlace ou seja a maior distacircncia na qual o balanccedilo de potecircncia se torna nulo

RESULTADOS NUMEacuteRICOSCom base no estudo apresentado foi desenvolvido um software para avaliar a perda total em um

enlace oacuteptico no espaccedilo livre A disponibilidade de sistemas FSO eacute estimada em funccedilatildeo do comprimento doenlace para diferentes cidades brasileiras Os dados de visibilidade para as referidas cidades foram obtidosexperimentalmente nos principais aeroportos brasileiros o que fornece confiabilidade consistecircncia e quali-dade aos resultados O software permite ainda calcular a margem de atenuaccedilatildeo atmosfeacuterica (em dB) e a visi-bilidade (em km) em funccedilatildeo do comprimento R do enlace (em km)

Satildeo considerados como dados de entrada para a anaacutelise de disponibilidade do sistema os seguintesparacircmetros potecircncia meacutedia na saiacuteda do transmissor PT (dBm) comprimento de onda da portadora oacutepticaλ (nm) divergecircncia do feixe oacuteptico θ (mrad) sensibilidade do receptor para a taxa de transmissatildeo e BER deinteresse PR (dBm) aacuterea do receptor AR (m2) perda oacuteptica no receptor Pot (dB) e perda por desalinha-mento Pdes (dB)

Em todas as simulaccedilotildees foram utilizados os seguintes valores tiacutepicos PT = 13 dBm λ = 780 nm PR =˜ndash 46 dBm θ = 1 mrad AR = 0025 m2 Pot = 9 dB Pdes = 3dB A perda por cintilaccedilatildeo eacute estimada como

(5)

Visando uma melhor exploraccedilatildeo e o entendimento dos resultados as cidades brasileiras de interesse satildeoclassificadas por regiatildeo geograacutefica Inicialmente nas figuras 1a e 1b satildeo apresentados resultados da meacutedia anualde visibilidade para as regiotildees Nordeste e Sudeste respectivamente Como pode ser observado nas capitais nor-destinas em 90 do tempo a visibilidade eacute superior a 10 km caracterizando a condiccedilatildeo de ceacuteu claro (clear)

Pcint8

9 2---------R

27 29 2------------ dB( )+=

28 janjun bull 2004

Apenas em Aracaju esse patamar eacute mantido para visibilidades de ateacute 20 km Em todas as outras cidades o iacutendicecai rapidamente podendo alcanccedilar valores em torno de 30 em Salvador Para as principais cidades da regiatildeoSudeste a situaccedilatildeo eacute pior apenas para faixas de visibilidade em torno de 5 km (condiccedilatildeo de neacutevoa uacutemida ndash hazeou neacutevoa seca ndash light haze) o iacutendice se manteacutem proacuteximo de 90 excluindo Belo Horizonte

Fig 1 Meacutedia anual de visibilidade nas regiotildees (a) Nordeste e (b) Sudeste

Outras simulaccedilotildees realizadas indicaram que na regiatildeo Norte os resultados satildeo bastante bons para Satildeo LuiacutesNa regiatildeo Centro-Oeste considerando valores moderados de visibilidade (ateacute 5 km) o que caracteriza a condiccedilatildeode neacutevoa uacutemida ou seca as estatiacutesticas satildeo boas para as cidades de Brasiacutelia e Goiacircnia Para Campo Grande o iacutendiceeacute inferior provavelmente devido aos longos periacuteodos de chuva Na regiatildeo Sul os resultados obtidos satildeo surpreen-dentemente ruins visibilidade inferior a 2 km (condiccedilatildeo de nevoeiro ndash fog) em 94 do tempo

A figura 2 mostra o alcance (comprimento maacuteximo) de um enlace FSO em funccedilatildeo da visibilidade Aslinhas horizontais delimitam faixas de visibilidade de acordo com as condiccedilotildees climaacuteticas especificadas peloCoacutedigo Internacional de Visibilidade (International Visibility Code-IVC)

Eacute conveniente salientar que o resultado mostrado na figura 2 eacute vaacutelido para as diferentes regiotildees brasilei-ras em estudo Nitidamente a utilidade desses sistemas estaacute limitada a distacircncias inferiores a 8 km Na praacute-tica eacute conveniente operar em pontos afastados da fronteira da regiatildeo hachurada de maneira a acomodarefeitos que natildeo tenham sido previamente considerados no modelo numeacuterico A figura 2 mostra que apenasem condiccedilotildees de ceacuteu claro os sistemas podem operar em distacircncias da ordem de 6 km Aleacutem disso fica apa-rente que para enlaces de curta distacircncia (lt 2 km) existe uma relaccedilatildeo aproximadamente linear entre visibi-lidade e alcance do enlace

Fig 2 Alcance de um enlace FSO em funccedilatildeo da visibilidade

a) b)

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Fig 3 Disponibilidade de sistemas FSO em funccedilatildeo do alcance nas regiotildees (a) Nordeste (b) Sul (c) Centro-Oeste (d)Sudeste

A figura 3 mostra a disponibilidade de um sistema FSO para as regiotildees (a) Nordeste (b) Sul (c) Centro-Oeste e (d) Sudeste Na cidade de Fortaleza por exemplo a disponibilidade eacute melhor que 995 do tempopara enlaces de ateacute 45 km Uma avaliaccedilatildeo semelhante em outras cidades nordestinas revela que elas ofere-cem condiccedilotildees favoraacuteveis agrave comunicaccedilatildeo FSO devido agrave alta probabilidade de ocorrecircncia de ceacuteu claro

Ela tambeacutem indica que para a cidade de Florianoacutepolis iacutendices de disponibilidade da ordem de 995do tempo satildeo alcanccedilados somente em enlaces de comprimentos menores que 2 km devido aos fortes nevo-eiros limitando bastante a utilidade de sistemas nessa regiatildeo Na cidade de Belo Horizonte sistemas FSO satildeopraticamente inoperantes enlaces maiores que 28 km tecircm disponibilidades sempre inferiores a 80

DESENVOLVIMENTO DO PROTOacuteTIPOA segunda parte deste trabalho descreve o desenvolvimento de um protoacutetipo simples de um equipa-

mento FSO capaz de estabelecer a comunicaccedilatildeo serial de dados entre dois computadores remotos Esse pro-toacutetipo eacute uma extensatildeo do trabalho descrito na referecircncia Moura et al 2003 Eacute importante ressaltar que a ela-boraccedilatildeo do projeto como um todo foi norteada pelo emprego somente de peccedilas e equipamentos de baixiacutes-simo custo e que os componentes utilizados na montagem do protoacutetipo satildeo facilmente encontrados em lojasespecializadas em material eletrocircnico

O projeto foi desenvolvido segundo as etapas descritas a seguir A primeira diz respeito agrave seleccedilatildeo dainterface a ser utilizada A interface serial foi escolhida por operar com transmissatildeo assiacutencrona e possuir umsistema proacuteprio de recuperaccedilatildeo de reloacutegio embora apresente taxas de transmissatildeo relativamente reduzidasde no maacuteximo 1152 kbs em comparaccedilatildeo a outras interfaces disponiacuteveis em um computador Vale a penaressaltar que os dados jaacute estatildeo no formato serial e portanto prontos para serem transmitidos pelo sistema

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FSO A segunda etapa diz respeito agrave seleccedilatildeo do comprimento de onda de operaccedilatildeo do sistema que foi fixadoem torno de 620 nm na regiatildeo vermelha do espectro eletromagneacutetico visiacutevel Essa escolha se deve ao baixocusto do diodo laser e agrave facilidade de alinhamento do feixe de luz (visiacutevel) assim como de caracterizaccedilatildeo dodiodo laser e do fotodiodo A figura 4 mostra esquematicamente (a) o encapsulamento do diodo laser e (b)um detalhe do circuito receptor jaacute montado e adaptado ao seu moacutedulo

Para verificar o funcionamento adequado dos circuitos e assegurar que sua resposta encontrava-se den-tro das especificaccedilotildees do padratildeo RS232 foi utilizado um gerador de funccedilotildees para modular o transmissor eum osciloscoacutepio para analisar o sinal entregue pelo receptor A montagem desta experiecircncia eacute apresentada nafigura 5 em que tambeacutem eacute possiacutevel observar os invoacutelucros dos moacutedulos transmissor e receptor bem como aestrutura projetada para sustentaacute-los e manter o seu alinhamento Um espelho localizado a 5 m da monta-gem foi usado para refletir o feixe do transmissor em direccedilatildeo ao receptor

Fig 4 (a) Encapsulamento do diodo laser e (b) circuito receptor montado

Fig 5 Teste de funcionamento do protoacutetipo

Tubos pretos de PVC foram empregados na montagem dos invoacutelucros de modo a que ficassem bemcompactos e proporcionassem uma proteccedilatildeo para o fotodiodo contra a luz externa Com isso foi pratica-mente eliminado o chamado ruiacutedo de fundo causado por qualquer outra fonte de luz que natildeo a do transmis-sor No lado externo dos invoacutelucros foram adaptados conectores para o encaixe de cabos destinados agrave ali-mentaccedilatildeo dos circuitos e ao traacutefego de dados um LED para indicaccedilatildeo de alinhamento e uma chave para per-mitir a seleccedilatildeo entre modo de alinhamento e modo de transmissatildeo de sinais

a) b)

REVISTA DE CIEcircNCIA amp TECNOLOGIA bull V 12 Nordm 23 ndash pp 25-35 31

RESULTADOS EXPERIMENTAISForam realizados diversos experimentos para avaliar as limitaccedilotildees do sistema como maacutexima taxa de

transmissatildeo alcance maacuteximo do enlace e comportamento quando operado em condiccedilotildees adversas de propa-gaccedilatildeo do sinal (cintilaccedilatildeo) Dessa maneira eacute possiacutevel verificar se os resultados atendem aos objetivos pretendi-dos Apoacutes a conclusatildeo da montagem dos dois moacutedulos transceptores alguns testes foram realizados que satildeoresumidos a seguirbull modulaccedilatildeo em ateacute 800 kbs a uma distacircncia de 10 m (figura 6)bull comunicaccedilatildeo entre dois computadores afastados 15 m a uma taxa de transmissatildeo de 1152 kbsbull comunicaccedilatildeo entre duas calculadoras HP 48GX afastadas 10 m a uma taxa de transmissatildeo de 96 kbs

(figura 7 para afastamento de 15 m)bull comunicaccedilatildeo entre um computador e uma calculadora HP 48GX afastados 3 m a uma taxa de transmis-

satildeo de 96 kbsbull estabelecimento de alinhamento entre os moacutedulos transceptores afastados 80 m

Fig 6 Modulaccedilatildeo e detecccedilatildeo a 800 kbs

Fig 7 Enlace entre duas calculadoras HP 48GX

Para simular os efeitos da cintilaccedilatildeo (turbulecircncia atmosfeacuterica) no sinal transmitido foi utilizada amesma montagem apresentada na figura 5 mas empregando um secador de cabelos para gerar um fluxo dear quente que interceptasse o feixe do laser nas proximidades do transmissor Devido agraves bruscas variaccedilotildees do

Sinal detectado

Sinal modulante

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iacutendice de refraccedilatildeo do ar quente em movimento a frente de onda do sinal eacute completamente deformadadando origem a interferecircncias construtivas e destrutivas no receptor que variam raacutepida e aleatoriamenteEsse efeito pode ser observado na figura 8 para uma modulaccedilatildeo a uma taxa de 500 kbs

Fig 8 Efeito da cintilaccedilatildeo no sinal recebido a 500 kbs

Entretanto verificou-se que a cintilaccedilatildeo provocada dessa forma natildeo foi suficiente para introduzir errosna comunicaccedilatildeo entre duas calculadoras HP 48GX operando a uma taxa de 96 kbs no experimento apre-sentado na figura 7 Isso se deve ao fato de que o valor miacutenimo de potecircncia oacuteptica que atinge o detector e queainda permite a demodulaccedilatildeo correta do sinal eacute menor para taxas de modulaccedilatildeo reduzidas Dessa forma umsistema operando a 96 kbs possui uma margem de atenuaccedilatildeo total maior do que quando opera a 500 kbsEm taxas de transmissatildeo mais elevadas correspondendo a uma duraccedilatildeo temporal menor de um bit a quanti-dade de luz que pode ser coletada pelo receptor e convertida em eleacutetrons durante o intervalo de um bittorna-se extremamente baixa Em outras palavras a sensibilidade do receptor eacute funccedilatildeo da taxa de transmis-satildeo Em termos gerais quanto maior a taxa de transmissatildeo menor a sensibilidade do receptor Quando olimite da sensibilidade do receptor eacute atingido o ruiacutedo teacutermico passa a determinar a BER do sistema (Wille-brand amp Ghuman 2002)

CONCLUSOtildeESEste trabalho apresentou um consistente estudo da viabilidade da tecnologia oacuteptica no espaccedilo livre Ini-

cialmente foi desenvolvido um modelo numeacuterico baseado no conceito de balanccedilo de potecircncia que permitiucaracterizar as diferentes componentes da perda em um enlace oacuteptico e avaliar seus efeitos na disponibilidadede um sistema de comunicaccedilotildees oacutepticas no espaccedilo livre Os dados de visibilidade foram coletados nos princi-pais aeroportos assegurando confiabilidade ao software desenvolvido

Os resultados satildeo apresentados principalmente na forma de disponibilidade (porcentagem de tempo)em funccedilatildeo do comprimento do enlace (km) para diferentes cidades de interesse classificadas de acordo comsua regiatildeo geograacutefica Fica claro que as condiccedilotildees atmosfeacutericas satildeo determinantes na disponibilidade dos refe-ridos sistemas

Na regiatildeo Nordeste devido agraves boas condiccedilotildees atmosfeacutericas (condiccedilatildeo de ceacuteu claro) sistemas FSO satildeocapazes de oferecer qualidade e confiabilidade a custos reduzidos tornando-se atraentes como backup nainfra-estrutura de fibra oacuteptica jaacute instalada eou na implantaccedilatildeo de uma rede de acesso de alta velocidade

Os resultados indicam ainda que a tecnologia FSO eacute viaacutevel em vaacuterias cidades das regiotildees Sudeste eCentro-Oeste onde satildeo possiacuteveis enlaces com alcance tiacutepico de 35 km e disponibilidades em torno de 98

Sinal recebido

Sinal transmitido

REVISTA DE CIEcircNCIA amp TECNOLOGIA bull V 12 Nordm 23 ndash pp 25-35 33

Nesses casos os sistemas FSO satildeo particularmente uacuteteis na soluccedilatildeo do problema da uacuteltima milha oferecendoampla largura de banda quando comparados com outros sistemas wireless Na regiatildeo Sul sistemas FSOpodem ser empregados em enlaces de curta distacircncia por exemplo para o provimento de conexatildeo temporaacute-ria ou de emergecircncia

Como uacuteltimo comentaacuterio eacute importante ressaltar a necessidade de aprimorar o modelo numeacuterico decintilaccedilatildeo por meio da coleta de dados especiacuteficos para as diversas regiotildees brasileiras

Em seguida foi desenvolvido um protoacutetipo que mostra ser possiacutevel construir um equipamento simplese de baixo custo para um sistema FSO Os resultados obtidos nos diversos testes demonstram que o disposi-tivo eacute capaz de atender agraves especificaccedilotildees da aplicaccedilatildeo proposta Vale a pena ressaltar que o custo total do pro-toacutetipo montado e testado natildeo ultrapassa R$ 5000 Obviamente equipamentos de melhor desempenhopodem ser desenvolvidos com o emprego de componentes de melhor qualidade Um segundo protoacutetipomais aprimorado encontra-se em desenvolvimento

Sem duacutevida os resultados obtidos com este trabalho indicam claramente que se forem realizados estu-dos e experimentos utilizando teacutecnicas mais avanccediladas eacute possiacutevel executar um projeto mais elaborado edesenvolver um equipamento capaz de oferecer taxas de transmissatildeo muito superiores agravequelas aqui conside-radas e ao longo de distacircncias bem maiores de forma a que seja possiacutevel atender agraves atuais necessidades domercado como superar o gargalo do acesso agrave uacuteltima milha

Pesquisa e estudo complementares estatildeo em andamento eou encontram-se em fase de amadureci-mento com o objetivo de possibilitar o dimensionamento projeto e caracterizaccedilatildeo de um sistema FSO queatenda agraves demandas de capacidade e qualidade de traacutefego de informaccedilatildeo das aplicaccedilotildees pretendidas Semduacutevida o pleno desenvolvimento do projeto deveraacute contar com o apoio de agecircncias oficiais de fomento agravepesquisa eou a participaccedilatildeo da iniciativa privada

REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICASCARLSON RT amp PACIOREK S ldquoEnvironmental qualification and field test results for the SONAbeamtrade 155Mbs and

622Mbsrdquo ltwwwsystemsupportsolutionscomDataSheetstech_qual-testpdfgt (15fev04)JOHNSON D ldquoOptical Through the Air Communications Handbookrdquo lthttpwww imagineeringezinecomgt (15fev04)KIM II et al Measurement of scintillation for free-space laser communication at 785 nm and 1550 nm Optical Wireless Com-

munications II Boston 3850 Part of the SPIE Conference on Optical Wireless Communications II 49-62 1999______ Measurement of scintillation and link margin for the TerraLink laser communication system Wireless Technologies and

Systems millimeter wave and optical Dallas 100-118 1997 Proceedings of SPIE______ Wireless optical transmission of Fast Ethernet FDDI ATM and ESCON protocol data using the TerraLink laser com-

munication system Optical Engineering 37 3143-3155 1998 lthttpwwwfreespaceopticcomWhitePapersWireless_Transmission_of_Fast_Ethernetpdfgt (14fev04)

McCULLAGH MJ et al A low noise optical receiver for a 155 Mbits 4 km optical free space link Proc 1993 Lasers andElectro-Optics Society - LEOS Annual Meeting 365ndash367 1993

MOURA LES et al Anaacutelise e dimensionamento de sistemas oacutepticos no espaccedilo livre Projeto de final de curso TET ndash UFF2003

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Dados dos autores

LUCIANO EUGEcircNIO DA SILVA MOURAGraduado em engenharia de telecomunicaccedilotildees pela UFFRJAtualmente participa do Programa de Trainees da Vivo Telerj

Celular Rio de JaneiroRJ

ANDRES PABLO LOPEZ BARBEROEngenheiro de telecomunicaccedilotildees (UFFRJ) com mestrado em

sistemas sensores a fibra oacuteptica (experimental) pelo ITA e

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onde PT representa a potecircncia meacutedia na saiacuteda do transmissor (dBm) PR representa a sensibilidade doreceptor (dBm) e α representa a perda total no enlace (dB)

Para que o sistema permaneccedila operante eacute necessaacuterio que o balanccedilo de potecircncia seja sempre natildeo nega-tivo Na anaacutelise feita a seguir eacute considerado o caso limite em que a diferenccedila entre PT e PR eacute igual agrave perdatotal no enlace

Em um sistema FSO em que o valor total das perdas no enlace natildeo eacute conhecido a priori o balanccedilo depotecircncia pode portanto ser usado para estabelecer o alcance maacuteximo ou maacutexima distacircncia de operaccedilatildeo doenlace para dadas caracteriacutesticas de um par transmissor-receptor Esta eacute a abordagem adotada no presenteestudo

A perda total em um enlace oacuteptico no espaccedilo livre tem diversas componentes como perda oacuteptica noreceptor perda por desalinhamento perda por alargamento do feixe de laser e perda por efeitos atmosfeacute-ricos

Relatos encontrados na literatura (por exemplo Kim et al 1997) sugerem valores tiacutepicos da ordem denove dB para a perda oacuteptica total no receptor e de trecircs dB para a perda por desalinhamento do feixe de luzA perda por alargamento do feixe de laser eacute definida como a razatildeo entre a aacuterea da abertura de recepccedilatildeo e aaacuterea do feixe de luz no receptor que eacute funccedilatildeo da divergecircncia do feixe oacuteptico e do alcance do enlace Noentanto a principal contribuiccedilatildeo para a perda total em um enlace oacuteptico eacute proveniente de efeitos atmosfeacuteri-cos como absorccedilatildeo espalhamento e cintilaccedilatildeo Tais efeitos podem reduzir consideravelmente a disponibili-dade de sistemas FSO e introduzir excesso de erro

A atenuaccedilatildeo de um feixe de laser na atmosfera eacute descrita pela lei de Beer (Johnson) (Kim et al 1997)

(2)

onde R eacute o comprimento (ou alcance) do enlace (m) τ(R) eacute a transmitacircncia a distacircncia R P(R) eacute apotecircncia do laser a distacircncia R P(0) eacute a potecircncia do laser na fonte e σ eacute o coeficiente total de atenuaccedilatildeo (m-1)

O coeficiente total de atenuaccedilatildeo atmosfeacuterica σ eacute constituiacutedo de quatro parcelas [Johnson]

σ = αm + αa + βm + βa (3)

onde αm eacute o coeficiente de absorccedilatildeo molecular αa eacute o coeficiente de absorccedilatildeo de aerossol βm eacute o coe-ficiente de espalhamento Rayleigh e βa eacute o coeficiente de espalhamento Mie

Nos comprimentos de onda de interesse (entre 780 nm e 1550 nm) a atenuaccedilatildeo por absorccedilatildeo mole-cular ou de aerossol eacute despreziacutevel assim como o efeito do espalhamento Rayleigh Isso se deve ao fato de queas partiacuteculas em suspensatildeo na atmosfera tecircm dimensatildeo da ordem ou maior que o comprimento de onda deinteresse para sistemas FSO Dessa maneira o coeficiente de atenuaccedilatildeo eacute dominado fundamentalmente peloespalhamento Mie (Johnson) o que permite escrever σ = βa

A eficiecircncia do espalhamento Mie eacute maacutexima para aerossoacuteis com diacircmetro da ordem do comprimentode onda tornando-se praticamente independente dele agrave medida que o diacircmetro dos aerossoacuteis aumenta(Johnson) A eficiecircncia de espalhamento Mie depende tambeacutem da visibilidade na atmosfera definida comoa distacircncia em que a intensidade da luz decresce a 2 de seu valor inicial (Johnson)

A variaccedilatildeo do coeficiente de atenuaccedilatildeo com a visibilidade eacute descrita como (Johnson)

(4)

Sendo V visibilidade (km) λ comprimento de onda (nm) e q distribuiccedilatildeo de tamanho de aerossoacuteis eq = 16 em alta visibilidade (V gt 50km)

= 13 em visibilidade meacutedia (6km lt V lt 50km)= 0585V13 em baixa visibilidade (V lt 6km) Para uma completa avaliaccedilatildeo da perda total no enlace eacute necessaacuterio ter alguma estimativa da perda

meacutedia por cintilaccedilatildeo No entanto o conhecimento desse valor depende de medidas de campo de longa dura-ccedilatildeo Foi feita uma extensa pesquisa de literatura em busca de informaccedilatildeo que auxiliasse na estimativa da

τ R( ) P R( )P 0( )------------ e

σRndash= =

σ βa3 91

V------------ λ

550---------

qndash

= =

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perda meacutedia por cintilaccedilatildeo sem muito sucesso Foram encontrados apenas alguns poucos dados como resu-mido a seguir

As referecircncias Kim et al 1997 e Kim et al 1998 citam resultados de medidas em dois sistemas FSOoperando em 780 nm Os sistemas em questatildeo utilizam aberturas de recepccedilatildeo com 10 cm e 20 cm de diacircme-tro e aparentemente apenas um feixe de laser Os dados obtidos para perdas por cintilaccedilatildeo enlaces de 12km satildeo respectivamente nove dB (abertura de 10 cm) e 4 dB (abertura de 20cm) Para enlaces de 104 kmas perdas por cintilaccedilatildeo satildeo respectivamente 22 dB (abertura de 10cm) e 12 dB (abertura de 20cm) Nareferecircncia Terescope satildeo relatados resultados de medidas com sistemas de quatro e trecircs feixes operando em850 nm A aacuterea de recepccedilatildeo do sistema de quatro feixes tem diacircmetro de 25 cm e a perda por cintilaccedilatildeo foimedida em 1 dB a uma distacircncia de um km Para o sistema de trecircs feixes com aacuterea de recepccedilatildeo de 10 cmforam medidos dois valores de perda por cintilaccedilatildeo trecircs dB a uma distacircncia de 500 m e 5 dB a uma distacircnciade um km A referecircncia Carlson amp Paciorek 2004 cita resultados de medidas para um sistema de quatro fei-xes aacuterea de recepccedilatildeo com 20 cm de diacircmetro e operando em 1550 nm Medidas realizadas no meio de umdia de veratildeo indicaram perdas maacuteximas por cintilaccedilatildeo de 25 dB a uma distacircncia de 450 m e de 105 dB auma distacircncia de cinco km Finalmente a referecircncia McCullagh et al 1993 cita resultados de medidas reali-zadas em um enlace de 4 km de extensatildeo considerando um sistema de apenas um feixe de laser aacuterea derecepccedilatildeo com diacircmetro de 20 cm e operando em 1550nm As medidas indicam perda maacutexima por cintila-ccedilatildeo da ordem de 17 dB sugerindo a adoccedilatildeo de uma margem de seguranccedila de 20 dB

Os resultados experimentais relatados acima mostram claramente que a perda por cintilaccedilatildeo pode serreduzida com o emprego de muacuteltiplos feixes de luz eou grande aacuterea de recepccedilatildeo Os resultados tambeacutemindicam que a perda por cintilaccedilatildeo eacute mais severa nos periacuteodos da alvorada e do pocircr-do-sol Outros resultados(Kim et al 1999) indicam que a perda por cintilaccedilatildeo aumenta com o comprimento de onda de operaccedilatildeo

Na ausecircncia de dados experimentais suficientes para caracterizar a perda por cintilaccedilatildeo em cidades brasi-leiras este trabalho utiliza os resultados das referecircncias Kim et al 1997 e Kim et al 1998 junto com interpola-ccedilatildeo linear para estimar a perda por cintilaccedilatildeo As equaccedilotildees anteriores satildeo combinadas de maneira a calcular oalcance maacuteximo teoacuterico do enlace ou seja a maior distacircncia na qual o balanccedilo de potecircncia se torna nulo

RESULTADOS NUMEacuteRICOSCom base no estudo apresentado foi desenvolvido um software para avaliar a perda total em um

enlace oacuteptico no espaccedilo livre A disponibilidade de sistemas FSO eacute estimada em funccedilatildeo do comprimento doenlace para diferentes cidades brasileiras Os dados de visibilidade para as referidas cidades foram obtidosexperimentalmente nos principais aeroportos brasileiros o que fornece confiabilidade consistecircncia e quali-dade aos resultados O software permite ainda calcular a margem de atenuaccedilatildeo atmosfeacuterica (em dB) e a visi-bilidade (em km) em funccedilatildeo do comprimento R do enlace (em km)

Satildeo considerados como dados de entrada para a anaacutelise de disponibilidade do sistema os seguintesparacircmetros potecircncia meacutedia na saiacuteda do transmissor PT (dBm) comprimento de onda da portadora oacutepticaλ (nm) divergecircncia do feixe oacuteptico θ (mrad) sensibilidade do receptor para a taxa de transmissatildeo e BER deinteresse PR (dBm) aacuterea do receptor AR (m2) perda oacuteptica no receptor Pot (dB) e perda por desalinha-mento Pdes (dB)

Em todas as simulaccedilotildees foram utilizados os seguintes valores tiacutepicos PT = 13 dBm λ = 780 nm PR =˜ndash 46 dBm θ = 1 mrad AR = 0025 m2 Pot = 9 dB Pdes = 3dB A perda por cintilaccedilatildeo eacute estimada como

(5)

Visando uma melhor exploraccedilatildeo e o entendimento dos resultados as cidades brasileiras de interesse satildeoclassificadas por regiatildeo geograacutefica Inicialmente nas figuras 1a e 1b satildeo apresentados resultados da meacutedia anualde visibilidade para as regiotildees Nordeste e Sudeste respectivamente Como pode ser observado nas capitais nor-destinas em 90 do tempo a visibilidade eacute superior a 10 km caracterizando a condiccedilatildeo de ceacuteu claro (clear)

Pcint8

9 2---------R

27 29 2------------ dB( )+=

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Apenas em Aracaju esse patamar eacute mantido para visibilidades de ateacute 20 km Em todas as outras cidades o iacutendicecai rapidamente podendo alcanccedilar valores em torno de 30 em Salvador Para as principais cidades da regiatildeoSudeste a situaccedilatildeo eacute pior apenas para faixas de visibilidade em torno de 5 km (condiccedilatildeo de neacutevoa uacutemida ndash hazeou neacutevoa seca ndash light haze) o iacutendice se manteacutem proacuteximo de 90 excluindo Belo Horizonte

Fig 1 Meacutedia anual de visibilidade nas regiotildees (a) Nordeste e (b) Sudeste

Outras simulaccedilotildees realizadas indicaram que na regiatildeo Norte os resultados satildeo bastante bons para Satildeo LuiacutesNa regiatildeo Centro-Oeste considerando valores moderados de visibilidade (ateacute 5 km) o que caracteriza a condiccedilatildeode neacutevoa uacutemida ou seca as estatiacutesticas satildeo boas para as cidades de Brasiacutelia e Goiacircnia Para Campo Grande o iacutendiceeacute inferior provavelmente devido aos longos periacuteodos de chuva Na regiatildeo Sul os resultados obtidos satildeo surpreen-dentemente ruins visibilidade inferior a 2 km (condiccedilatildeo de nevoeiro ndash fog) em 94 do tempo

A figura 2 mostra o alcance (comprimento maacuteximo) de um enlace FSO em funccedilatildeo da visibilidade Aslinhas horizontais delimitam faixas de visibilidade de acordo com as condiccedilotildees climaacuteticas especificadas peloCoacutedigo Internacional de Visibilidade (International Visibility Code-IVC)

Eacute conveniente salientar que o resultado mostrado na figura 2 eacute vaacutelido para as diferentes regiotildees brasilei-ras em estudo Nitidamente a utilidade desses sistemas estaacute limitada a distacircncias inferiores a 8 km Na praacute-tica eacute conveniente operar em pontos afastados da fronteira da regiatildeo hachurada de maneira a acomodarefeitos que natildeo tenham sido previamente considerados no modelo numeacuterico A figura 2 mostra que apenasem condiccedilotildees de ceacuteu claro os sistemas podem operar em distacircncias da ordem de 6 km Aleacutem disso fica apa-rente que para enlaces de curta distacircncia (lt 2 km) existe uma relaccedilatildeo aproximadamente linear entre visibi-lidade e alcance do enlace

Fig 2 Alcance de um enlace FSO em funccedilatildeo da visibilidade

a) b)

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Fig 3 Disponibilidade de sistemas FSO em funccedilatildeo do alcance nas regiotildees (a) Nordeste (b) Sul (c) Centro-Oeste (d)Sudeste

A figura 3 mostra a disponibilidade de um sistema FSO para as regiotildees (a) Nordeste (b) Sul (c) Centro-Oeste e (d) Sudeste Na cidade de Fortaleza por exemplo a disponibilidade eacute melhor que 995 do tempopara enlaces de ateacute 45 km Uma avaliaccedilatildeo semelhante em outras cidades nordestinas revela que elas ofere-cem condiccedilotildees favoraacuteveis agrave comunicaccedilatildeo FSO devido agrave alta probabilidade de ocorrecircncia de ceacuteu claro

Ela tambeacutem indica que para a cidade de Florianoacutepolis iacutendices de disponibilidade da ordem de 995do tempo satildeo alcanccedilados somente em enlaces de comprimentos menores que 2 km devido aos fortes nevo-eiros limitando bastante a utilidade de sistemas nessa regiatildeo Na cidade de Belo Horizonte sistemas FSO satildeopraticamente inoperantes enlaces maiores que 28 km tecircm disponibilidades sempre inferiores a 80

DESENVOLVIMENTO DO PROTOacuteTIPOA segunda parte deste trabalho descreve o desenvolvimento de um protoacutetipo simples de um equipa-

mento FSO capaz de estabelecer a comunicaccedilatildeo serial de dados entre dois computadores remotos Esse pro-toacutetipo eacute uma extensatildeo do trabalho descrito na referecircncia Moura et al 2003 Eacute importante ressaltar que a ela-boraccedilatildeo do projeto como um todo foi norteada pelo emprego somente de peccedilas e equipamentos de baixiacutes-simo custo e que os componentes utilizados na montagem do protoacutetipo satildeo facilmente encontrados em lojasespecializadas em material eletrocircnico

O projeto foi desenvolvido segundo as etapas descritas a seguir A primeira diz respeito agrave seleccedilatildeo dainterface a ser utilizada A interface serial foi escolhida por operar com transmissatildeo assiacutencrona e possuir umsistema proacuteprio de recuperaccedilatildeo de reloacutegio embora apresente taxas de transmissatildeo relativamente reduzidasde no maacuteximo 1152 kbs em comparaccedilatildeo a outras interfaces disponiacuteveis em um computador Vale a penaressaltar que os dados jaacute estatildeo no formato serial e portanto prontos para serem transmitidos pelo sistema

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FSO A segunda etapa diz respeito agrave seleccedilatildeo do comprimento de onda de operaccedilatildeo do sistema que foi fixadoem torno de 620 nm na regiatildeo vermelha do espectro eletromagneacutetico visiacutevel Essa escolha se deve ao baixocusto do diodo laser e agrave facilidade de alinhamento do feixe de luz (visiacutevel) assim como de caracterizaccedilatildeo dodiodo laser e do fotodiodo A figura 4 mostra esquematicamente (a) o encapsulamento do diodo laser e (b)um detalhe do circuito receptor jaacute montado e adaptado ao seu moacutedulo

Para verificar o funcionamento adequado dos circuitos e assegurar que sua resposta encontrava-se den-tro das especificaccedilotildees do padratildeo RS232 foi utilizado um gerador de funccedilotildees para modular o transmissor eum osciloscoacutepio para analisar o sinal entregue pelo receptor A montagem desta experiecircncia eacute apresentada nafigura 5 em que tambeacutem eacute possiacutevel observar os invoacutelucros dos moacutedulos transmissor e receptor bem como aestrutura projetada para sustentaacute-los e manter o seu alinhamento Um espelho localizado a 5 m da monta-gem foi usado para refletir o feixe do transmissor em direccedilatildeo ao receptor

Fig 4 (a) Encapsulamento do diodo laser e (b) circuito receptor montado

Fig 5 Teste de funcionamento do protoacutetipo

Tubos pretos de PVC foram empregados na montagem dos invoacutelucros de modo a que ficassem bemcompactos e proporcionassem uma proteccedilatildeo para o fotodiodo contra a luz externa Com isso foi pratica-mente eliminado o chamado ruiacutedo de fundo causado por qualquer outra fonte de luz que natildeo a do transmis-sor No lado externo dos invoacutelucros foram adaptados conectores para o encaixe de cabos destinados agrave ali-mentaccedilatildeo dos circuitos e ao traacutefego de dados um LED para indicaccedilatildeo de alinhamento e uma chave para per-mitir a seleccedilatildeo entre modo de alinhamento e modo de transmissatildeo de sinais

a) b)

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RESULTADOS EXPERIMENTAISForam realizados diversos experimentos para avaliar as limitaccedilotildees do sistema como maacutexima taxa de

transmissatildeo alcance maacuteximo do enlace e comportamento quando operado em condiccedilotildees adversas de propa-gaccedilatildeo do sinal (cintilaccedilatildeo) Dessa maneira eacute possiacutevel verificar se os resultados atendem aos objetivos pretendi-dos Apoacutes a conclusatildeo da montagem dos dois moacutedulos transceptores alguns testes foram realizados que satildeoresumidos a seguirbull modulaccedilatildeo em ateacute 800 kbs a uma distacircncia de 10 m (figura 6)bull comunicaccedilatildeo entre dois computadores afastados 15 m a uma taxa de transmissatildeo de 1152 kbsbull comunicaccedilatildeo entre duas calculadoras HP 48GX afastadas 10 m a uma taxa de transmissatildeo de 96 kbs

(figura 7 para afastamento de 15 m)bull comunicaccedilatildeo entre um computador e uma calculadora HP 48GX afastados 3 m a uma taxa de transmis-

satildeo de 96 kbsbull estabelecimento de alinhamento entre os moacutedulos transceptores afastados 80 m

Fig 6 Modulaccedilatildeo e detecccedilatildeo a 800 kbs

Fig 7 Enlace entre duas calculadoras HP 48GX

Para simular os efeitos da cintilaccedilatildeo (turbulecircncia atmosfeacuterica) no sinal transmitido foi utilizada amesma montagem apresentada na figura 5 mas empregando um secador de cabelos para gerar um fluxo dear quente que interceptasse o feixe do laser nas proximidades do transmissor Devido agraves bruscas variaccedilotildees do

Sinal detectado

Sinal modulante

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iacutendice de refraccedilatildeo do ar quente em movimento a frente de onda do sinal eacute completamente deformadadando origem a interferecircncias construtivas e destrutivas no receptor que variam raacutepida e aleatoriamenteEsse efeito pode ser observado na figura 8 para uma modulaccedilatildeo a uma taxa de 500 kbs

Fig 8 Efeito da cintilaccedilatildeo no sinal recebido a 500 kbs

Entretanto verificou-se que a cintilaccedilatildeo provocada dessa forma natildeo foi suficiente para introduzir errosna comunicaccedilatildeo entre duas calculadoras HP 48GX operando a uma taxa de 96 kbs no experimento apre-sentado na figura 7 Isso se deve ao fato de que o valor miacutenimo de potecircncia oacuteptica que atinge o detector e queainda permite a demodulaccedilatildeo correta do sinal eacute menor para taxas de modulaccedilatildeo reduzidas Dessa forma umsistema operando a 96 kbs possui uma margem de atenuaccedilatildeo total maior do que quando opera a 500 kbsEm taxas de transmissatildeo mais elevadas correspondendo a uma duraccedilatildeo temporal menor de um bit a quanti-dade de luz que pode ser coletada pelo receptor e convertida em eleacutetrons durante o intervalo de um bittorna-se extremamente baixa Em outras palavras a sensibilidade do receptor eacute funccedilatildeo da taxa de transmis-satildeo Em termos gerais quanto maior a taxa de transmissatildeo menor a sensibilidade do receptor Quando olimite da sensibilidade do receptor eacute atingido o ruiacutedo teacutermico passa a determinar a BER do sistema (Wille-brand amp Ghuman 2002)

CONCLUSOtildeESEste trabalho apresentou um consistente estudo da viabilidade da tecnologia oacuteptica no espaccedilo livre Ini-

cialmente foi desenvolvido um modelo numeacuterico baseado no conceito de balanccedilo de potecircncia que permitiucaracterizar as diferentes componentes da perda em um enlace oacuteptico e avaliar seus efeitos na disponibilidadede um sistema de comunicaccedilotildees oacutepticas no espaccedilo livre Os dados de visibilidade foram coletados nos princi-pais aeroportos assegurando confiabilidade ao software desenvolvido

Os resultados satildeo apresentados principalmente na forma de disponibilidade (porcentagem de tempo)em funccedilatildeo do comprimento do enlace (km) para diferentes cidades de interesse classificadas de acordo comsua regiatildeo geograacutefica Fica claro que as condiccedilotildees atmosfeacutericas satildeo determinantes na disponibilidade dos refe-ridos sistemas

Na regiatildeo Nordeste devido agraves boas condiccedilotildees atmosfeacutericas (condiccedilatildeo de ceacuteu claro) sistemas FSO satildeocapazes de oferecer qualidade e confiabilidade a custos reduzidos tornando-se atraentes como backup nainfra-estrutura de fibra oacuteptica jaacute instalada eou na implantaccedilatildeo de uma rede de acesso de alta velocidade

Os resultados indicam ainda que a tecnologia FSO eacute viaacutevel em vaacuterias cidades das regiotildees Sudeste eCentro-Oeste onde satildeo possiacuteveis enlaces com alcance tiacutepico de 35 km e disponibilidades em torno de 98

Sinal recebido

Sinal transmitido

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Nesses casos os sistemas FSO satildeo particularmente uacuteteis na soluccedilatildeo do problema da uacuteltima milha oferecendoampla largura de banda quando comparados com outros sistemas wireless Na regiatildeo Sul sistemas FSOpodem ser empregados em enlaces de curta distacircncia por exemplo para o provimento de conexatildeo temporaacute-ria ou de emergecircncia

Como uacuteltimo comentaacuterio eacute importante ressaltar a necessidade de aprimorar o modelo numeacuterico decintilaccedilatildeo por meio da coleta de dados especiacuteficos para as diversas regiotildees brasileiras

Em seguida foi desenvolvido um protoacutetipo que mostra ser possiacutevel construir um equipamento simplese de baixo custo para um sistema FSO Os resultados obtidos nos diversos testes demonstram que o disposi-tivo eacute capaz de atender agraves especificaccedilotildees da aplicaccedilatildeo proposta Vale a pena ressaltar que o custo total do pro-toacutetipo montado e testado natildeo ultrapassa R$ 5000 Obviamente equipamentos de melhor desempenhopodem ser desenvolvidos com o emprego de componentes de melhor qualidade Um segundo protoacutetipomais aprimorado encontra-se em desenvolvimento

Sem duacutevida os resultados obtidos com este trabalho indicam claramente que se forem realizados estu-dos e experimentos utilizando teacutecnicas mais avanccediladas eacute possiacutevel executar um projeto mais elaborado edesenvolver um equipamento capaz de oferecer taxas de transmissatildeo muito superiores agravequelas aqui conside-radas e ao longo de distacircncias bem maiores de forma a que seja possiacutevel atender agraves atuais necessidades domercado como superar o gargalo do acesso agrave uacuteltima milha

Pesquisa e estudo complementares estatildeo em andamento eou encontram-se em fase de amadureci-mento com o objetivo de possibilitar o dimensionamento projeto e caracterizaccedilatildeo de um sistema FSO queatenda agraves demandas de capacidade e qualidade de traacutefego de informaccedilatildeo das aplicaccedilotildees pretendidas Semduacutevida o pleno desenvolvimento do projeto deveraacute contar com o apoio de agecircncias oficiais de fomento agravepesquisa eou a participaccedilatildeo da iniciativa privada

REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICASCARLSON RT amp PACIOREK S ldquoEnvironmental qualification and field test results for the SONAbeamtrade 155Mbs and

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WILLEBRAND H amp GHUMAN BS Free-Space Optics enabling optical connectivity in todayacutes networks IndianaacutepolisSams Publishing 2002

Dados dos autores

LUCIANO EUGEcircNIO DA SILVA MOURAGraduado em engenharia de telecomunicaccedilotildees pela UFFRJAtualmente participa do Programa de Trainees da Vivo Telerj

Celular Rio de JaneiroRJ

ANDRES PABLO LOPEZ BARBEROEngenheiro de telecomunicaccedilotildees (UFFRJ) com mestrado em

sistemas sensores a fibra oacuteptica (experimental) pelo ITA e

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perda meacutedia por cintilaccedilatildeo sem muito sucesso Foram encontrados apenas alguns poucos dados como resu-mido a seguir

As referecircncias Kim et al 1997 e Kim et al 1998 citam resultados de medidas em dois sistemas FSOoperando em 780 nm Os sistemas em questatildeo utilizam aberturas de recepccedilatildeo com 10 cm e 20 cm de diacircme-tro e aparentemente apenas um feixe de laser Os dados obtidos para perdas por cintilaccedilatildeo enlaces de 12km satildeo respectivamente nove dB (abertura de 10 cm) e 4 dB (abertura de 20cm) Para enlaces de 104 kmas perdas por cintilaccedilatildeo satildeo respectivamente 22 dB (abertura de 10cm) e 12 dB (abertura de 20cm) Nareferecircncia Terescope satildeo relatados resultados de medidas com sistemas de quatro e trecircs feixes operando em850 nm A aacuterea de recepccedilatildeo do sistema de quatro feixes tem diacircmetro de 25 cm e a perda por cintilaccedilatildeo foimedida em 1 dB a uma distacircncia de um km Para o sistema de trecircs feixes com aacuterea de recepccedilatildeo de 10 cmforam medidos dois valores de perda por cintilaccedilatildeo trecircs dB a uma distacircncia de 500 m e 5 dB a uma distacircnciade um km A referecircncia Carlson amp Paciorek 2004 cita resultados de medidas para um sistema de quatro fei-xes aacuterea de recepccedilatildeo com 20 cm de diacircmetro e operando em 1550 nm Medidas realizadas no meio de umdia de veratildeo indicaram perdas maacuteximas por cintilaccedilatildeo de 25 dB a uma distacircncia de 450 m e de 105 dB auma distacircncia de cinco km Finalmente a referecircncia McCullagh et al 1993 cita resultados de medidas reali-zadas em um enlace de 4 km de extensatildeo considerando um sistema de apenas um feixe de laser aacuterea derecepccedilatildeo com diacircmetro de 20 cm e operando em 1550nm As medidas indicam perda maacutexima por cintila-ccedilatildeo da ordem de 17 dB sugerindo a adoccedilatildeo de uma margem de seguranccedila de 20 dB

Os resultados experimentais relatados acima mostram claramente que a perda por cintilaccedilatildeo pode serreduzida com o emprego de muacuteltiplos feixes de luz eou grande aacuterea de recepccedilatildeo Os resultados tambeacutemindicam que a perda por cintilaccedilatildeo eacute mais severa nos periacuteodos da alvorada e do pocircr-do-sol Outros resultados(Kim et al 1999) indicam que a perda por cintilaccedilatildeo aumenta com o comprimento de onda de operaccedilatildeo

Na ausecircncia de dados experimentais suficientes para caracterizar a perda por cintilaccedilatildeo em cidades brasi-leiras este trabalho utiliza os resultados das referecircncias Kim et al 1997 e Kim et al 1998 junto com interpola-ccedilatildeo linear para estimar a perda por cintilaccedilatildeo As equaccedilotildees anteriores satildeo combinadas de maneira a calcular oalcance maacuteximo teoacuterico do enlace ou seja a maior distacircncia na qual o balanccedilo de potecircncia se torna nulo

RESULTADOS NUMEacuteRICOSCom base no estudo apresentado foi desenvolvido um software para avaliar a perda total em um

enlace oacuteptico no espaccedilo livre A disponibilidade de sistemas FSO eacute estimada em funccedilatildeo do comprimento doenlace para diferentes cidades brasileiras Os dados de visibilidade para as referidas cidades foram obtidosexperimentalmente nos principais aeroportos brasileiros o que fornece confiabilidade consistecircncia e quali-dade aos resultados O software permite ainda calcular a margem de atenuaccedilatildeo atmosfeacuterica (em dB) e a visi-bilidade (em km) em funccedilatildeo do comprimento R do enlace (em km)

Satildeo considerados como dados de entrada para a anaacutelise de disponibilidade do sistema os seguintesparacircmetros potecircncia meacutedia na saiacuteda do transmissor PT (dBm) comprimento de onda da portadora oacutepticaλ (nm) divergecircncia do feixe oacuteptico θ (mrad) sensibilidade do receptor para a taxa de transmissatildeo e BER deinteresse PR (dBm) aacuterea do receptor AR (m2) perda oacuteptica no receptor Pot (dB) e perda por desalinha-mento Pdes (dB)

Em todas as simulaccedilotildees foram utilizados os seguintes valores tiacutepicos PT = 13 dBm λ = 780 nm PR =˜ndash 46 dBm θ = 1 mrad AR = 0025 m2 Pot = 9 dB Pdes = 3dB A perda por cintilaccedilatildeo eacute estimada como

(5)

Visando uma melhor exploraccedilatildeo e o entendimento dos resultados as cidades brasileiras de interesse satildeoclassificadas por regiatildeo geograacutefica Inicialmente nas figuras 1a e 1b satildeo apresentados resultados da meacutedia anualde visibilidade para as regiotildees Nordeste e Sudeste respectivamente Como pode ser observado nas capitais nor-destinas em 90 do tempo a visibilidade eacute superior a 10 km caracterizando a condiccedilatildeo de ceacuteu claro (clear)

Pcint8

9 2---------R

27 29 2------------ dB( )+=

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Apenas em Aracaju esse patamar eacute mantido para visibilidades de ateacute 20 km Em todas as outras cidades o iacutendicecai rapidamente podendo alcanccedilar valores em torno de 30 em Salvador Para as principais cidades da regiatildeoSudeste a situaccedilatildeo eacute pior apenas para faixas de visibilidade em torno de 5 km (condiccedilatildeo de neacutevoa uacutemida ndash hazeou neacutevoa seca ndash light haze) o iacutendice se manteacutem proacuteximo de 90 excluindo Belo Horizonte

Fig 1 Meacutedia anual de visibilidade nas regiotildees (a) Nordeste e (b) Sudeste

Outras simulaccedilotildees realizadas indicaram que na regiatildeo Norte os resultados satildeo bastante bons para Satildeo LuiacutesNa regiatildeo Centro-Oeste considerando valores moderados de visibilidade (ateacute 5 km) o que caracteriza a condiccedilatildeode neacutevoa uacutemida ou seca as estatiacutesticas satildeo boas para as cidades de Brasiacutelia e Goiacircnia Para Campo Grande o iacutendiceeacute inferior provavelmente devido aos longos periacuteodos de chuva Na regiatildeo Sul os resultados obtidos satildeo surpreen-dentemente ruins visibilidade inferior a 2 km (condiccedilatildeo de nevoeiro ndash fog) em 94 do tempo

A figura 2 mostra o alcance (comprimento maacuteximo) de um enlace FSO em funccedilatildeo da visibilidade Aslinhas horizontais delimitam faixas de visibilidade de acordo com as condiccedilotildees climaacuteticas especificadas peloCoacutedigo Internacional de Visibilidade (International Visibility Code-IVC)

Eacute conveniente salientar que o resultado mostrado na figura 2 eacute vaacutelido para as diferentes regiotildees brasilei-ras em estudo Nitidamente a utilidade desses sistemas estaacute limitada a distacircncias inferiores a 8 km Na praacute-tica eacute conveniente operar em pontos afastados da fronteira da regiatildeo hachurada de maneira a acomodarefeitos que natildeo tenham sido previamente considerados no modelo numeacuterico A figura 2 mostra que apenasem condiccedilotildees de ceacuteu claro os sistemas podem operar em distacircncias da ordem de 6 km Aleacutem disso fica apa-rente que para enlaces de curta distacircncia (lt 2 km) existe uma relaccedilatildeo aproximadamente linear entre visibi-lidade e alcance do enlace

Fig 2 Alcance de um enlace FSO em funccedilatildeo da visibilidade

a) b)

REVISTA DE CIEcircNCIA amp TECNOLOGIA bull V 12 Nordm 23 ndash pp 25-35 29

Fig 3 Disponibilidade de sistemas FSO em funccedilatildeo do alcance nas regiotildees (a) Nordeste (b) Sul (c) Centro-Oeste (d)Sudeste

A figura 3 mostra a disponibilidade de um sistema FSO para as regiotildees (a) Nordeste (b) Sul (c) Centro-Oeste e (d) Sudeste Na cidade de Fortaleza por exemplo a disponibilidade eacute melhor que 995 do tempopara enlaces de ateacute 45 km Uma avaliaccedilatildeo semelhante em outras cidades nordestinas revela que elas ofere-cem condiccedilotildees favoraacuteveis agrave comunicaccedilatildeo FSO devido agrave alta probabilidade de ocorrecircncia de ceacuteu claro

Ela tambeacutem indica que para a cidade de Florianoacutepolis iacutendices de disponibilidade da ordem de 995do tempo satildeo alcanccedilados somente em enlaces de comprimentos menores que 2 km devido aos fortes nevo-eiros limitando bastante a utilidade de sistemas nessa regiatildeo Na cidade de Belo Horizonte sistemas FSO satildeopraticamente inoperantes enlaces maiores que 28 km tecircm disponibilidades sempre inferiores a 80

DESENVOLVIMENTO DO PROTOacuteTIPOA segunda parte deste trabalho descreve o desenvolvimento de um protoacutetipo simples de um equipa-

mento FSO capaz de estabelecer a comunicaccedilatildeo serial de dados entre dois computadores remotos Esse pro-toacutetipo eacute uma extensatildeo do trabalho descrito na referecircncia Moura et al 2003 Eacute importante ressaltar que a ela-boraccedilatildeo do projeto como um todo foi norteada pelo emprego somente de peccedilas e equipamentos de baixiacutes-simo custo e que os componentes utilizados na montagem do protoacutetipo satildeo facilmente encontrados em lojasespecializadas em material eletrocircnico

O projeto foi desenvolvido segundo as etapas descritas a seguir A primeira diz respeito agrave seleccedilatildeo dainterface a ser utilizada A interface serial foi escolhida por operar com transmissatildeo assiacutencrona e possuir umsistema proacuteprio de recuperaccedilatildeo de reloacutegio embora apresente taxas de transmissatildeo relativamente reduzidasde no maacuteximo 1152 kbs em comparaccedilatildeo a outras interfaces disponiacuteveis em um computador Vale a penaressaltar que os dados jaacute estatildeo no formato serial e portanto prontos para serem transmitidos pelo sistema

30 janjun bull 2004

FSO A segunda etapa diz respeito agrave seleccedilatildeo do comprimento de onda de operaccedilatildeo do sistema que foi fixadoem torno de 620 nm na regiatildeo vermelha do espectro eletromagneacutetico visiacutevel Essa escolha se deve ao baixocusto do diodo laser e agrave facilidade de alinhamento do feixe de luz (visiacutevel) assim como de caracterizaccedilatildeo dodiodo laser e do fotodiodo A figura 4 mostra esquematicamente (a) o encapsulamento do diodo laser e (b)um detalhe do circuito receptor jaacute montado e adaptado ao seu moacutedulo

Para verificar o funcionamento adequado dos circuitos e assegurar que sua resposta encontrava-se den-tro das especificaccedilotildees do padratildeo RS232 foi utilizado um gerador de funccedilotildees para modular o transmissor eum osciloscoacutepio para analisar o sinal entregue pelo receptor A montagem desta experiecircncia eacute apresentada nafigura 5 em que tambeacutem eacute possiacutevel observar os invoacutelucros dos moacutedulos transmissor e receptor bem como aestrutura projetada para sustentaacute-los e manter o seu alinhamento Um espelho localizado a 5 m da monta-gem foi usado para refletir o feixe do transmissor em direccedilatildeo ao receptor

Fig 4 (a) Encapsulamento do diodo laser e (b) circuito receptor montado

Fig 5 Teste de funcionamento do protoacutetipo

Tubos pretos de PVC foram empregados na montagem dos invoacutelucros de modo a que ficassem bemcompactos e proporcionassem uma proteccedilatildeo para o fotodiodo contra a luz externa Com isso foi pratica-mente eliminado o chamado ruiacutedo de fundo causado por qualquer outra fonte de luz que natildeo a do transmis-sor No lado externo dos invoacutelucros foram adaptados conectores para o encaixe de cabos destinados agrave ali-mentaccedilatildeo dos circuitos e ao traacutefego de dados um LED para indicaccedilatildeo de alinhamento e uma chave para per-mitir a seleccedilatildeo entre modo de alinhamento e modo de transmissatildeo de sinais

a) b)

REVISTA DE CIEcircNCIA amp TECNOLOGIA bull V 12 Nordm 23 ndash pp 25-35 31

RESULTADOS EXPERIMENTAISForam realizados diversos experimentos para avaliar as limitaccedilotildees do sistema como maacutexima taxa de

transmissatildeo alcance maacuteximo do enlace e comportamento quando operado em condiccedilotildees adversas de propa-gaccedilatildeo do sinal (cintilaccedilatildeo) Dessa maneira eacute possiacutevel verificar se os resultados atendem aos objetivos pretendi-dos Apoacutes a conclusatildeo da montagem dos dois moacutedulos transceptores alguns testes foram realizados que satildeoresumidos a seguirbull modulaccedilatildeo em ateacute 800 kbs a uma distacircncia de 10 m (figura 6)bull comunicaccedilatildeo entre dois computadores afastados 15 m a uma taxa de transmissatildeo de 1152 kbsbull comunicaccedilatildeo entre duas calculadoras HP 48GX afastadas 10 m a uma taxa de transmissatildeo de 96 kbs

(figura 7 para afastamento de 15 m)bull comunicaccedilatildeo entre um computador e uma calculadora HP 48GX afastados 3 m a uma taxa de transmis-

satildeo de 96 kbsbull estabelecimento de alinhamento entre os moacutedulos transceptores afastados 80 m

Fig 6 Modulaccedilatildeo e detecccedilatildeo a 800 kbs

Fig 7 Enlace entre duas calculadoras HP 48GX

Para simular os efeitos da cintilaccedilatildeo (turbulecircncia atmosfeacuterica) no sinal transmitido foi utilizada amesma montagem apresentada na figura 5 mas empregando um secador de cabelos para gerar um fluxo dear quente que interceptasse o feixe do laser nas proximidades do transmissor Devido agraves bruscas variaccedilotildees do

Sinal detectado

Sinal modulante

32 janjun bull 2004

iacutendice de refraccedilatildeo do ar quente em movimento a frente de onda do sinal eacute completamente deformadadando origem a interferecircncias construtivas e destrutivas no receptor que variam raacutepida e aleatoriamenteEsse efeito pode ser observado na figura 8 para uma modulaccedilatildeo a uma taxa de 500 kbs

Fig 8 Efeito da cintilaccedilatildeo no sinal recebido a 500 kbs

Entretanto verificou-se que a cintilaccedilatildeo provocada dessa forma natildeo foi suficiente para introduzir errosna comunicaccedilatildeo entre duas calculadoras HP 48GX operando a uma taxa de 96 kbs no experimento apre-sentado na figura 7 Isso se deve ao fato de que o valor miacutenimo de potecircncia oacuteptica que atinge o detector e queainda permite a demodulaccedilatildeo correta do sinal eacute menor para taxas de modulaccedilatildeo reduzidas Dessa forma umsistema operando a 96 kbs possui uma margem de atenuaccedilatildeo total maior do que quando opera a 500 kbsEm taxas de transmissatildeo mais elevadas correspondendo a uma duraccedilatildeo temporal menor de um bit a quanti-dade de luz que pode ser coletada pelo receptor e convertida em eleacutetrons durante o intervalo de um bittorna-se extremamente baixa Em outras palavras a sensibilidade do receptor eacute funccedilatildeo da taxa de transmis-satildeo Em termos gerais quanto maior a taxa de transmissatildeo menor a sensibilidade do receptor Quando olimite da sensibilidade do receptor eacute atingido o ruiacutedo teacutermico passa a determinar a BER do sistema (Wille-brand amp Ghuman 2002)

CONCLUSOtildeESEste trabalho apresentou um consistente estudo da viabilidade da tecnologia oacuteptica no espaccedilo livre Ini-

cialmente foi desenvolvido um modelo numeacuterico baseado no conceito de balanccedilo de potecircncia que permitiucaracterizar as diferentes componentes da perda em um enlace oacuteptico e avaliar seus efeitos na disponibilidadede um sistema de comunicaccedilotildees oacutepticas no espaccedilo livre Os dados de visibilidade foram coletados nos princi-pais aeroportos assegurando confiabilidade ao software desenvolvido

Os resultados satildeo apresentados principalmente na forma de disponibilidade (porcentagem de tempo)em funccedilatildeo do comprimento do enlace (km) para diferentes cidades de interesse classificadas de acordo comsua regiatildeo geograacutefica Fica claro que as condiccedilotildees atmosfeacutericas satildeo determinantes na disponibilidade dos refe-ridos sistemas

Na regiatildeo Nordeste devido agraves boas condiccedilotildees atmosfeacutericas (condiccedilatildeo de ceacuteu claro) sistemas FSO satildeocapazes de oferecer qualidade e confiabilidade a custos reduzidos tornando-se atraentes como backup nainfra-estrutura de fibra oacuteptica jaacute instalada eou na implantaccedilatildeo de uma rede de acesso de alta velocidade

Os resultados indicam ainda que a tecnologia FSO eacute viaacutevel em vaacuterias cidades das regiotildees Sudeste eCentro-Oeste onde satildeo possiacuteveis enlaces com alcance tiacutepico de 35 km e disponibilidades em torno de 98

Sinal recebido

Sinal transmitido

REVISTA DE CIEcircNCIA amp TECNOLOGIA bull V 12 Nordm 23 ndash pp 25-35 33

Nesses casos os sistemas FSO satildeo particularmente uacuteteis na soluccedilatildeo do problema da uacuteltima milha oferecendoampla largura de banda quando comparados com outros sistemas wireless Na regiatildeo Sul sistemas FSOpodem ser empregados em enlaces de curta distacircncia por exemplo para o provimento de conexatildeo temporaacute-ria ou de emergecircncia

Como uacuteltimo comentaacuterio eacute importante ressaltar a necessidade de aprimorar o modelo numeacuterico decintilaccedilatildeo por meio da coleta de dados especiacuteficos para as diversas regiotildees brasileiras

Em seguida foi desenvolvido um protoacutetipo que mostra ser possiacutevel construir um equipamento simplese de baixo custo para um sistema FSO Os resultados obtidos nos diversos testes demonstram que o disposi-tivo eacute capaz de atender agraves especificaccedilotildees da aplicaccedilatildeo proposta Vale a pena ressaltar que o custo total do pro-toacutetipo montado e testado natildeo ultrapassa R$ 5000 Obviamente equipamentos de melhor desempenhopodem ser desenvolvidos com o emprego de componentes de melhor qualidade Um segundo protoacutetipomais aprimorado encontra-se em desenvolvimento

Sem duacutevida os resultados obtidos com este trabalho indicam claramente que se forem realizados estu-dos e experimentos utilizando teacutecnicas mais avanccediladas eacute possiacutevel executar um projeto mais elaborado edesenvolver um equipamento capaz de oferecer taxas de transmissatildeo muito superiores agravequelas aqui conside-radas e ao longo de distacircncias bem maiores de forma a que seja possiacutevel atender agraves atuais necessidades domercado como superar o gargalo do acesso agrave uacuteltima milha

Pesquisa e estudo complementares estatildeo em andamento eou encontram-se em fase de amadureci-mento com o objetivo de possibilitar o dimensionamento projeto e caracterizaccedilatildeo de um sistema FSO queatenda agraves demandas de capacidade e qualidade de traacutefego de informaccedilatildeo das aplicaccedilotildees pretendidas Semduacutevida o pleno desenvolvimento do projeto deveraacute contar com o apoio de agecircncias oficiais de fomento agravepesquisa eou a participaccedilatildeo da iniciativa privada

REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICASCARLSON RT amp PACIOREK S ldquoEnvironmental qualification and field test results for the SONAbeamtrade 155Mbs and

622Mbsrdquo ltwwwsystemsupportsolutionscomDataSheetstech_qual-testpdfgt (15fev04)JOHNSON D ldquoOptical Through the Air Communications Handbookrdquo lthttpwww imagineeringezinecomgt (15fev04)KIM II et al Measurement of scintillation for free-space laser communication at 785 nm and 1550 nm Optical Wireless Com-

munications II Boston 3850 Part of the SPIE Conference on Optical Wireless Communications II 49-62 1999______ Measurement of scintillation and link margin for the TerraLink laser communication system Wireless Technologies and

Systems millimeter wave and optical Dallas 100-118 1997 Proceedings of SPIE______ Wireless optical transmission of Fast Ethernet FDDI ATM and ESCON protocol data using the TerraLink laser com-

munication system Optical Engineering 37 3143-3155 1998 lthttpwwwfreespaceopticcomWhitePapersWireless_Transmission_of_Fast_Ethernetpdfgt (14fev04)

McCULLAGH MJ et al A low noise optical receiver for a 155 Mbits 4 km optical free space link Proc 1993 Lasers andElectro-Optics Society - LEOS Annual Meeting 365ndash367 1993

MOURA LES et al Anaacutelise e dimensionamento de sistemas oacutepticos no espaccedilo livre Projeto de final de curso TET ndash UFF2003

TERESCOPE ldquoThe Effects of Weather on Wireless Communicationsrdquo lthttpwwwtaifoncomtwwebDownloaddownloadDatasheetOpticalAccessTerescopegt (01jul03)

WILLEBRAND H amp GHUMAN BS Free-Space Optics enabling optical connectivity in todayacutes networks IndianaacutepolisSams Publishing 2002

Dados dos autores

LUCIANO EUGEcircNIO DA SILVA MOURAGraduado em engenharia de telecomunicaccedilotildees pela UFFRJAtualmente participa do Programa de Trainees da Vivo Telerj

Celular Rio de JaneiroRJ

ANDRES PABLO LOPEZ BARBEROEngenheiro de telecomunicaccedilotildees (UFFRJ) com mestrado em

sistemas sensores a fibra oacuteptica (experimental) pelo ITA e

34 janjun bull 2004

Apenas em Aracaju esse patamar eacute mantido para visibilidades de ateacute 20 km Em todas as outras cidades o iacutendicecai rapidamente podendo alcanccedilar valores em torno de 30 em Salvador Para as principais cidades da regiatildeoSudeste a situaccedilatildeo eacute pior apenas para faixas de visibilidade em torno de 5 km (condiccedilatildeo de neacutevoa uacutemida ndash hazeou neacutevoa seca ndash light haze) o iacutendice se manteacutem proacuteximo de 90 excluindo Belo Horizonte

Fig 1 Meacutedia anual de visibilidade nas regiotildees (a) Nordeste e (b) Sudeste

Outras simulaccedilotildees realizadas indicaram que na regiatildeo Norte os resultados satildeo bastante bons para Satildeo LuiacutesNa regiatildeo Centro-Oeste considerando valores moderados de visibilidade (ateacute 5 km) o que caracteriza a condiccedilatildeode neacutevoa uacutemida ou seca as estatiacutesticas satildeo boas para as cidades de Brasiacutelia e Goiacircnia Para Campo Grande o iacutendiceeacute inferior provavelmente devido aos longos periacuteodos de chuva Na regiatildeo Sul os resultados obtidos satildeo surpreen-dentemente ruins visibilidade inferior a 2 km (condiccedilatildeo de nevoeiro ndash fog) em 94 do tempo

A figura 2 mostra o alcance (comprimento maacuteximo) de um enlace FSO em funccedilatildeo da visibilidade Aslinhas horizontais delimitam faixas de visibilidade de acordo com as condiccedilotildees climaacuteticas especificadas peloCoacutedigo Internacional de Visibilidade (International Visibility Code-IVC)

Eacute conveniente salientar que o resultado mostrado na figura 2 eacute vaacutelido para as diferentes regiotildees brasilei-ras em estudo Nitidamente a utilidade desses sistemas estaacute limitada a distacircncias inferiores a 8 km Na praacute-tica eacute conveniente operar em pontos afastados da fronteira da regiatildeo hachurada de maneira a acomodarefeitos que natildeo tenham sido previamente considerados no modelo numeacuterico A figura 2 mostra que apenasem condiccedilotildees de ceacuteu claro os sistemas podem operar em distacircncias da ordem de 6 km Aleacutem disso fica apa-rente que para enlaces de curta distacircncia (lt 2 km) existe uma relaccedilatildeo aproximadamente linear entre visibi-lidade e alcance do enlace

Fig 2 Alcance de um enlace FSO em funccedilatildeo da visibilidade

a) b)

REVISTA DE CIEcircNCIA amp TECNOLOGIA bull V 12 Nordm 23 ndash pp 25-35 29

Fig 3 Disponibilidade de sistemas FSO em funccedilatildeo do alcance nas regiotildees (a) Nordeste (b) Sul (c) Centro-Oeste (d)Sudeste

A figura 3 mostra a disponibilidade de um sistema FSO para as regiotildees (a) Nordeste (b) Sul (c) Centro-Oeste e (d) Sudeste Na cidade de Fortaleza por exemplo a disponibilidade eacute melhor que 995 do tempopara enlaces de ateacute 45 km Uma avaliaccedilatildeo semelhante em outras cidades nordestinas revela que elas ofere-cem condiccedilotildees favoraacuteveis agrave comunicaccedilatildeo FSO devido agrave alta probabilidade de ocorrecircncia de ceacuteu claro

Ela tambeacutem indica que para a cidade de Florianoacutepolis iacutendices de disponibilidade da ordem de 995do tempo satildeo alcanccedilados somente em enlaces de comprimentos menores que 2 km devido aos fortes nevo-eiros limitando bastante a utilidade de sistemas nessa regiatildeo Na cidade de Belo Horizonte sistemas FSO satildeopraticamente inoperantes enlaces maiores que 28 km tecircm disponibilidades sempre inferiores a 80

DESENVOLVIMENTO DO PROTOacuteTIPOA segunda parte deste trabalho descreve o desenvolvimento de um protoacutetipo simples de um equipa-

mento FSO capaz de estabelecer a comunicaccedilatildeo serial de dados entre dois computadores remotos Esse pro-toacutetipo eacute uma extensatildeo do trabalho descrito na referecircncia Moura et al 2003 Eacute importante ressaltar que a ela-boraccedilatildeo do projeto como um todo foi norteada pelo emprego somente de peccedilas e equipamentos de baixiacutes-simo custo e que os componentes utilizados na montagem do protoacutetipo satildeo facilmente encontrados em lojasespecializadas em material eletrocircnico

O projeto foi desenvolvido segundo as etapas descritas a seguir A primeira diz respeito agrave seleccedilatildeo dainterface a ser utilizada A interface serial foi escolhida por operar com transmissatildeo assiacutencrona e possuir umsistema proacuteprio de recuperaccedilatildeo de reloacutegio embora apresente taxas de transmissatildeo relativamente reduzidasde no maacuteximo 1152 kbs em comparaccedilatildeo a outras interfaces disponiacuteveis em um computador Vale a penaressaltar que os dados jaacute estatildeo no formato serial e portanto prontos para serem transmitidos pelo sistema

30 janjun bull 2004

FSO A segunda etapa diz respeito agrave seleccedilatildeo do comprimento de onda de operaccedilatildeo do sistema que foi fixadoem torno de 620 nm na regiatildeo vermelha do espectro eletromagneacutetico visiacutevel Essa escolha se deve ao baixocusto do diodo laser e agrave facilidade de alinhamento do feixe de luz (visiacutevel) assim como de caracterizaccedilatildeo dodiodo laser e do fotodiodo A figura 4 mostra esquematicamente (a) o encapsulamento do diodo laser e (b)um detalhe do circuito receptor jaacute montado e adaptado ao seu moacutedulo

Para verificar o funcionamento adequado dos circuitos e assegurar que sua resposta encontrava-se den-tro das especificaccedilotildees do padratildeo RS232 foi utilizado um gerador de funccedilotildees para modular o transmissor eum osciloscoacutepio para analisar o sinal entregue pelo receptor A montagem desta experiecircncia eacute apresentada nafigura 5 em que tambeacutem eacute possiacutevel observar os invoacutelucros dos moacutedulos transmissor e receptor bem como aestrutura projetada para sustentaacute-los e manter o seu alinhamento Um espelho localizado a 5 m da monta-gem foi usado para refletir o feixe do transmissor em direccedilatildeo ao receptor

Fig 4 (a) Encapsulamento do diodo laser e (b) circuito receptor montado

Fig 5 Teste de funcionamento do protoacutetipo

Tubos pretos de PVC foram empregados na montagem dos invoacutelucros de modo a que ficassem bemcompactos e proporcionassem uma proteccedilatildeo para o fotodiodo contra a luz externa Com isso foi pratica-mente eliminado o chamado ruiacutedo de fundo causado por qualquer outra fonte de luz que natildeo a do transmis-sor No lado externo dos invoacutelucros foram adaptados conectores para o encaixe de cabos destinados agrave ali-mentaccedilatildeo dos circuitos e ao traacutefego de dados um LED para indicaccedilatildeo de alinhamento e uma chave para per-mitir a seleccedilatildeo entre modo de alinhamento e modo de transmissatildeo de sinais

a) b)

REVISTA DE CIEcircNCIA amp TECNOLOGIA bull V 12 Nordm 23 ndash pp 25-35 31

RESULTADOS EXPERIMENTAISForam realizados diversos experimentos para avaliar as limitaccedilotildees do sistema como maacutexima taxa de

transmissatildeo alcance maacuteximo do enlace e comportamento quando operado em condiccedilotildees adversas de propa-gaccedilatildeo do sinal (cintilaccedilatildeo) Dessa maneira eacute possiacutevel verificar se os resultados atendem aos objetivos pretendi-dos Apoacutes a conclusatildeo da montagem dos dois moacutedulos transceptores alguns testes foram realizados que satildeoresumidos a seguirbull modulaccedilatildeo em ateacute 800 kbs a uma distacircncia de 10 m (figura 6)bull comunicaccedilatildeo entre dois computadores afastados 15 m a uma taxa de transmissatildeo de 1152 kbsbull comunicaccedilatildeo entre duas calculadoras HP 48GX afastadas 10 m a uma taxa de transmissatildeo de 96 kbs

(figura 7 para afastamento de 15 m)bull comunicaccedilatildeo entre um computador e uma calculadora HP 48GX afastados 3 m a uma taxa de transmis-

satildeo de 96 kbsbull estabelecimento de alinhamento entre os moacutedulos transceptores afastados 80 m

Fig 6 Modulaccedilatildeo e detecccedilatildeo a 800 kbs

Fig 7 Enlace entre duas calculadoras HP 48GX

Para simular os efeitos da cintilaccedilatildeo (turbulecircncia atmosfeacuterica) no sinal transmitido foi utilizada amesma montagem apresentada na figura 5 mas empregando um secador de cabelos para gerar um fluxo dear quente que interceptasse o feixe do laser nas proximidades do transmissor Devido agraves bruscas variaccedilotildees do

Sinal detectado

Sinal modulante

32 janjun bull 2004

iacutendice de refraccedilatildeo do ar quente em movimento a frente de onda do sinal eacute completamente deformadadando origem a interferecircncias construtivas e destrutivas no receptor que variam raacutepida e aleatoriamenteEsse efeito pode ser observado na figura 8 para uma modulaccedilatildeo a uma taxa de 500 kbs

Fig 8 Efeito da cintilaccedilatildeo no sinal recebido a 500 kbs

Entretanto verificou-se que a cintilaccedilatildeo provocada dessa forma natildeo foi suficiente para introduzir errosna comunicaccedilatildeo entre duas calculadoras HP 48GX operando a uma taxa de 96 kbs no experimento apre-sentado na figura 7 Isso se deve ao fato de que o valor miacutenimo de potecircncia oacuteptica que atinge o detector e queainda permite a demodulaccedilatildeo correta do sinal eacute menor para taxas de modulaccedilatildeo reduzidas Dessa forma umsistema operando a 96 kbs possui uma margem de atenuaccedilatildeo total maior do que quando opera a 500 kbsEm taxas de transmissatildeo mais elevadas correspondendo a uma duraccedilatildeo temporal menor de um bit a quanti-dade de luz que pode ser coletada pelo receptor e convertida em eleacutetrons durante o intervalo de um bittorna-se extremamente baixa Em outras palavras a sensibilidade do receptor eacute funccedilatildeo da taxa de transmis-satildeo Em termos gerais quanto maior a taxa de transmissatildeo menor a sensibilidade do receptor Quando olimite da sensibilidade do receptor eacute atingido o ruiacutedo teacutermico passa a determinar a BER do sistema (Wille-brand amp Ghuman 2002)

CONCLUSOtildeESEste trabalho apresentou um consistente estudo da viabilidade da tecnologia oacuteptica no espaccedilo livre Ini-

cialmente foi desenvolvido um modelo numeacuterico baseado no conceito de balanccedilo de potecircncia que permitiucaracterizar as diferentes componentes da perda em um enlace oacuteptico e avaliar seus efeitos na disponibilidadede um sistema de comunicaccedilotildees oacutepticas no espaccedilo livre Os dados de visibilidade foram coletados nos princi-pais aeroportos assegurando confiabilidade ao software desenvolvido

Os resultados satildeo apresentados principalmente na forma de disponibilidade (porcentagem de tempo)em funccedilatildeo do comprimento do enlace (km) para diferentes cidades de interesse classificadas de acordo comsua regiatildeo geograacutefica Fica claro que as condiccedilotildees atmosfeacutericas satildeo determinantes na disponibilidade dos refe-ridos sistemas

Na regiatildeo Nordeste devido agraves boas condiccedilotildees atmosfeacutericas (condiccedilatildeo de ceacuteu claro) sistemas FSO satildeocapazes de oferecer qualidade e confiabilidade a custos reduzidos tornando-se atraentes como backup nainfra-estrutura de fibra oacuteptica jaacute instalada eou na implantaccedilatildeo de uma rede de acesso de alta velocidade

Os resultados indicam ainda que a tecnologia FSO eacute viaacutevel em vaacuterias cidades das regiotildees Sudeste eCentro-Oeste onde satildeo possiacuteveis enlaces com alcance tiacutepico de 35 km e disponibilidades em torno de 98

Sinal recebido

Sinal transmitido

REVISTA DE CIEcircNCIA amp TECNOLOGIA bull V 12 Nordm 23 ndash pp 25-35 33

Nesses casos os sistemas FSO satildeo particularmente uacuteteis na soluccedilatildeo do problema da uacuteltima milha oferecendoampla largura de banda quando comparados com outros sistemas wireless Na regiatildeo Sul sistemas FSOpodem ser empregados em enlaces de curta distacircncia por exemplo para o provimento de conexatildeo temporaacute-ria ou de emergecircncia

Como uacuteltimo comentaacuterio eacute importante ressaltar a necessidade de aprimorar o modelo numeacuterico decintilaccedilatildeo por meio da coleta de dados especiacuteficos para as diversas regiotildees brasileiras

Em seguida foi desenvolvido um protoacutetipo que mostra ser possiacutevel construir um equipamento simplese de baixo custo para um sistema FSO Os resultados obtidos nos diversos testes demonstram que o disposi-tivo eacute capaz de atender agraves especificaccedilotildees da aplicaccedilatildeo proposta Vale a pena ressaltar que o custo total do pro-toacutetipo montado e testado natildeo ultrapassa R$ 5000 Obviamente equipamentos de melhor desempenhopodem ser desenvolvidos com o emprego de componentes de melhor qualidade Um segundo protoacutetipomais aprimorado encontra-se em desenvolvimento

Sem duacutevida os resultados obtidos com este trabalho indicam claramente que se forem realizados estu-dos e experimentos utilizando teacutecnicas mais avanccediladas eacute possiacutevel executar um projeto mais elaborado edesenvolver um equipamento capaz de oferecer taxas de transmissatildeo muito superiores agravequelas aqui conside-radas e ao longo de distacircncias bem maiores de forma a que seja possiacutevel atender agraves atuais necessidades domercado como superar o gargalo do acesso agrave uacuteltima milha

Pesquisa e estudo complementares estatildeo em andamento eou encontram-se em fase de amadureci-mento com o objetivo de possibilitar o dimensionamento projeto e caracterizaccedilatildeo de um sistema FSO queatenda agraves demandas de capacidade e qualidade de traacutefego de informaccedilatildeo das aplicaccedilotildees pretendidas Semduacutevida o pleno desenvolvimento do projeto deveraacute contar com o apoio de agecircncias oficiais de fomento agravepesquisa eou a participaccedilatildeo da iniciativa privada

REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICASCARLSON RT amp PACIOREK S ldquoEnvironmental qualification and field test results for the SONAbeamtrade 155Mbs and

622Mbsrdquo ltwwwsystemsupportsolutionscomDataSheetstech_qual-testpdfgt (15fev04)JOHNSON D ldquoOptical Through the Air Communications Handbookrdquo lthttpwww imagineeringezinecomgt (15fev04)KIM II et al Measurement of scintillation for free-space laser communication at 785 nm and 1550 nm Optical Wireless Com-

munications II Boston 3850 Part of the SPIE Conference on Optical Wireless Communications II 49-62 1999______ Measurement of scintillation and link margin for the TerraLink laser communication system Wireless Technologies and

Systems millimeter wave and optical Dallas 100-118 1997 Proceedings of SPIE______ Wireless optical transmission of Fast Ethernet FDDI ATM and ESCON protocol data using the TerraLink laser com-

munication system Optical Engineering 37 3143-3155 1998 lthttpwwwfreespaceopticcomWhitePapersWireless_Transmission_of_Fast_Ethernetpdfgt (14fev04)

McCULLAGH MJ et al A low noise optical receiver for a 155 Mbits 4 km optical free space link Proc 1993 Lasers andElectro-Optics Society - LEOS Annual Meeting 365ndash367 1993

MOURA LES et al Anaacutelise e dimensionamento de sistemas oacutepticos no espaccedilo livre Projeto de final de curso TET ndash UFF2003

TERESCOPE ldquoThe Effects of Weather on Wireless Communicationsrdquo lthttpwwwtaifoncomtwwebDownloaddownloadDatasheetOpticalAccessTerescopegt (01jul03)

WILLEBRAND H amp GHUMAN BS Free-Space Optics enabling optical connectivity in todayacutes networks IndianaacutepolisSams Publishing 2002

Dados dos autores

LUCIANO EUGEcircNIO DA SILVA MOURAGraduado em engenharia de telecomunicaccedilotildees pela UFFRJAtualmente participa do Programa de Trainees da Vivo Telerj

Celular Rio de JaneiroRJ

ANDRES PABLO LOPEZ BARBEROEngenheiro de telecomunicaccedilotildees (UFFRJ) com mestrado em

sistemas sensores a fibra oacuteptica (experimental) pelo ITA e

34 janjun bull 2004

Fig 3 Disponibilidade de sistemas FSO em funccedilatildeo do alcance nas regiotildees (a) Nordeste (b) Sul (c) Centro-Oeste (d)Sudeste

A figura 3 mostra a disponibilidade de um sistema FSO para as regiotildees (a) Nordeste (b) Sul (c) Centro-Oeste e (d) Sudeste Na cidade de Fortaleza por exemplo a disponibilidade eacute melhor que 995 do tempopara enlaces de ateacute 45 km Uma avaliaccedilatildeo semelhante em outras cidades nordestinas revela que elas ofere-cem condiccedilotildees favoraacuteveis agrave comunicaccedilatildeo FSO devido agrave alta probabilidade de ocorrecircncia de ceacuteu claro

Ela tambeacutem indica que para a cidade de Florianoacutepolis iacutendices de disponibilidade da ordem de 995do tempo satildeo alcanccedilados somente em enlaces de comprimentos menores que 2 km devido aos fortes nevo-eiros limitando bastante a utilidade de sistemas nessa regiatildeo Na cidade de Belo Horizonte sistemas FSO satildeopraticamente inoperantes enlaces maiores que 28 km tecircm disponibilidades sempre inferiores a 80

DESENVOLVIMENTO DO PROTOacuteTIPOA segunda parte deste trabalho descreve o desenvolvimento de um protoacutetipo simples de um equipa-

mento FSO capaz de estabelecer a comunicaccedilatildeo serial de dados entre dois computadores remotos Esse pro-toacutetipo eacute uma extensatildeo do trabalho descrito na referecircncia Moura et al 2003 Eacute importante ressaltar que a ela-boraccedilatildeo do projeto como um todo foi norteada pelo emprego somente de peccedilas e equipamentos de baixiacutes-simo custo e que os componentes utilizados na montagem do protoacutetipo satildeo facilmente encontrados em lojasespecializadas em material eletrocircnico

O projeto foi desenvolvido segundo as etapas descritas a seguir A primeira diz respeito agrave seleccedilatildeo dainterface a ser utilizada A interface serial foi escolhida por operar com transmissatildeo assiacutencrona e possuir umsistema proacuteprio de recuperaccedilatildeo de reloacutegio embora apresente taxas de transmissatildeo relativamente reduzidasde no maacuteximo 1152 kbs em comparaccedilatildeo a outras interfaces disponiacuteveis em um computador Vale a penaressaltar que os dados jaacute estatildeo no formato serial e portanto prontos para serem transmitidos pelo sistema

30 janjun bull 2004

FSO A segunda etapa diz respeito agrave seleccedilatildeo do comprimento de onda de operaccedilatildeo do sistema que foi fixadoem torno de 620 nm na regiatildeo vermelha do espectro eletromagneacutetico visiacutevel Essa escolha se deve ao baixocusto do diodo laser e agrave facilidade de alinhamento do feixe de luz (visiacutevel) assim como de caracterizaccedilatildeo dodiodo laser e do fotodiodo A figura 4 mostra esquematicamente (a) o encapsulamento do diodo laser e (b)um detalhe do circuito receptor jaacute montado e adaptado ao seu moacutedulo

Para verificar o funcionamento adequado dos circuitos e assegurar que sua resposta encontrava-se den-tro das especificaccedilotildees do padratildeo RS232 foi utilizado um gerador de funccedilotildees para modular o transmissor eum osciloscoacutepio para analisar o sinal entregue pelo receptor A montagem desta experiecircncia eacute apresentada nafigura 5 em que tambeacutem eacute possiacutevel observar os invoacutelucros dos moacutedulos transmissor e receptor bem como aestrutura projetada para sustentaacute-los e manter o seu alinhamento Um espelho localizado a 5 m da monta-gem foi usado para refletir o feixe do transmissor em direccedilatildeo ao receptor

Fig 4 (a) Encapsulamento do diodo laser e (b) circuito receptor montado

Fig 5 Teste de funcionamento do protoacutetipo

Tubos pretos de PVC foram empregados na montagem dos invoacutelucros de modo a que ficassem bemcompactos e proporcionassem uma proteccedilatildeo para o fotodiodo contra a luz externa Com isso foi pratica-mente eliminado o chamado ruiacutedo de fundo causado por qualquer outra fonte de luz que natildeo a do transmis-sor No lado externo dos invoacutelucros foram adaptados conectores para o encaixe de cabos destinados agrave ali-mentaccedilatildeo dos circuitos e ao traacutefego de dados um LED para indicaccedilatildeo de alinhamento e uma chave para per-mitir a seleccedilatildeo entre modo de alinhamento e modo de transmissatildeo de sinais

a) b)

REVISTA DE CIEcircNCIA amp TECNOLOGIA bull V 12 Nordm 23 ndash pp 25-35 31

RESULTADOS EXPERIMENTAISForam realizados diversos experimentos para avaliar as limitaccedilotildees do sistema como maacutexima taxa de

transmissatildeo alcance maacuteximo do enlace e comportamento quando operado em condiccedilotildees adversas de propa-gaccedilatildeo do sinal (cintilaccedilatildeo) Dessa maneira eacute possiacutevel verificar se os resultados atendem aos objetivos pretendi-dos Apoacutes a conclusatildeo da montagem dos dois moacutedulos transceptores alguns testes foram realizados que satildeoresumidos a seguirbull modulaccedilatildeo em ateacute 800 kbs a uma distacircncia de 10 m (figura 6)bull comunicaccedilatildeo entre dois computadores afastados 15 m a uma taxa de transmissatildeo de 1152 kbsbull comunicaccedilatildeo entre duas calculadoras HP 48GX afastadas 10 m a uma taxa de transmissatildeo de 96 kbs

(figura 7 para afastamento de 15 m)bull comunicaccedilatildeo entre um computador e uma calculadora HP 48GX afastados 3 m a uma taxa de transmis-

satildeo de 96 kbsbull estabelecimento de alinhamento entre os moacutedulos transceptores afastados 80 m

Fig 6 Modulaccedilatildeo e detecccedilatildeo a 800 kbs

Fig 7 Enlace entre duas calculadoras HP 48GX

Para simular os efeitos da cintilaccedilatildeo (turbulecircncia atmosfeacuterica) no sinal transmitido foi utilizada amesma montagem apresentada na figura 5 mas empregando um secador de cabelos para gerar um fluxo dear quente que interceptasse o feixe do laser nas proximidades do transmissor Devido agraves bruscas variaccedilotildees do

Sinal detectado

Sinal modulante

32 janjun bull 2004

iacutendice de refraccedilatildeo do ar quente em movimento a frente de onda do sinal eacute completamente deformadadando origem a interferecircncias construtivas e destrutivas no receptor que variam raacutepida e aleatoriamenteEsse efeito pode ser observado na figura 8 para uma modulaccedilatildeo a uma taxa de 500 kbs

Fig 8 Efeito da cintilaccedilatildeo no sinal recebido a 500 kbs

Entretanto verificou-se que a cintilaccedilatildeo provocada dessa forma natildeo foi suficiente para introduzir errosna comunicaccedilatildeo entre duas calculadoras HP 48GX operando a uma taxa de 96 kbs no experimento apre-sentado na figura 7 Isso se deve ao fato de que o valor miacutenimo de potecircncia oacuteptica que atinge o detector e queainda permite a demodulaccedilatildeo correta do sinal eacute menor para taxas de modulaccedilatildeo reduzidas Dessa forma umsistema operando a 96 kbs possui uma margem de atenuaccedilatildeo total maior do que quando opera a 500 kbsEm taxas de transmissatildeo mais elevadas correspondendo a uma duraccedilatildeo temporal menor de um bit a quanti-dade de luz que pode ser coletada pelo receptor e convertida em eleacutetrons durante o intervalo de um bittorna-se extremamente baixa Em outras palavras a sensibilidade do receptor eacute funccedilatildeo da taxa de transmis-satildeo Em termos gerais quanto maior a taxa de transmissatildeo menor a sensibilidade do receptor Quando olimite da sensibilidade do receptor eacute atingido o ruiacutedo teacutermico passa a determinar a BER do sistema (Wille-brand amp Ghuman 2002)

CONCLUSOtildeESEste trabalho apresentou um consistente estudo da viabilidade da tecnologia oacuteptica no espaccedilo livre Ini-

cialmente foi desenvolvido um modelo numeacuterico baseado no conceito de balanccedilo de potecircncia que permitiucaracterizar as diferentes componentes da perda em um enlace oacuteptico e avaliar seus efeitos na disponibilidadede um sistema de comunicaccedilotildees oacutepticas no espaccedilo livre Os dados de visibilidade foram coletados nos princi-pais aeroportos assegurando confiabilidade ao software desenvolvido

Os resultados satildeo apresentados principalmente na forma de disponibilidade (porcentagem de tempo)em funccedilatildeo do comprimento do enlace (km) para diferentes cidades de interesse classificadas de acordo comsua regiatildeo geograacutefica Fica claro que as condiccedilotildees atmosfeacutericas satildeo determinantes na disponibilidade dos refe-ridos sistemas

Na regiatildeo Nordeste devido agraves boas condiccedilotildees atmosfeacutericas (condiccedilatildeo de ceacuteu claro) sistemas FSO satildeocapazes de oferecer qualidade e confiabilidade a custos reduzidos tornando-se atraentes como backup nainfra-estrutura de fibra oacuteptica jaacute instalada eou na implantaccedilatildeo de uma rede de acesso de alta velocidade

Os resultados indicam ainda que a tecnologia FSO eacute viaacutevel em vaacuterias cidades das regiotildees Sudeste eCentro-Oeste onde satildeo possiacuteveis enlaces com alcance tiacutepico de 35 km e disponibilidades em torno de 98

Sinal recebido

Sinal transmitido

REVISTA DE CIEcircNCIA amp TECNOLOGIA bull V 12 Nordm 23 ndash pp 25-35 33

Nesses casos os sistemas FSO satildeo particularmente uacuteteis na soluccedilatildeo do problema da uacuteltima milha oferecendoampla largura de banda quando comparados com outros sistemas wireless Na regiatildeo Sul sistemas FSOpodem ser empregados em enlaces de curta distacircncia por exemplo para o provimento de conexatildeo temporaacute-ria ou de emergecircncia

Como uacuteltimo comentaacuterio eacute importante ressaltar a necessidade de aprimorar o modelo numeacuterico decintilaccedilatildeo por meio da coleta de dados especiacuteficos para as diversas regiotildees brasileiras

Em seguida foi desenvolvido um protoacutetipo que mostra ser possiacutevel construir um equipamento simplese de baixo custo para um sistema FSO Os resultados obtidos nos diversos testes demonstram que o disposi-tivo eacute capaz de atender agraves especificaccedilotildees da aplicaccedilatildeo proposta Vale a pena ressaltar que o custo total do pro-toacutetipo montado e testado natildeo ultrapassa R$ 5000 Obviamente equipamentos de melhor desempenhopodem ser desenvolvidos com o emprego de componentes de melhor qualidade Um segundo protoacutetipomais aprimorado encontra-se em desenvolvimento

Sem duacutevida os resultados obtidos com este trabalho indicam claramente que se forem realizados estu-dos e experimentos utilizando teacutecnicas mais avanccediladas eacute possiacutevel executar um projeto mais elaborado edesenvolver um equipamento capaz de oferecer taxas de transmissatildeo muito superiores agravequelas aqui conside-radas e ao longo de distacircncias bem maiores de forma a que seja possiacutevel atender agraves atuais necessidades domercado como superar o gargalo do acesso agrave uacuteltima milha

Pesquisa e estudo complementares estatildeo em andamento eou encontram-se em fase de amadureci-mento com o objetivo de possibilitar o dimensionamento projeto e caracterizaccedilatildeo de um sistema FSO queatenda agraves demandas de capacidade e qualidade de traacutefego de informaccedilatildeo das aplicaccedilotildees pretendidas Semduacutevida o pleno desenvolvimento do projeto deveraacute contar com o apoio de agecircncias oficiais de fomento agravepesquisa eou a participaccedilatildeo da iniciativa privada

REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICASCARLSON RT amp PACIOREK S ldquoEnvironmental qualification and field test results for the SONAbeamtrade 155Mbs and

622Mbsrdquo ltwwwsystemsupportsolutionscomDataSheetstech_qual-testpdfgt (15fev04)JOHNSON D ldquoOptical Through the Air Communications Handbookrdquo lthttpwww imagineeringezinecomgt (15fev04)KIM II et al Measurement of scintillation for free-space laser communication at 785 nm and 1550 nm Optical Wireless Com-

munications II Boston 3850 Part of the SPIE Conference on Optical Wireless Communications II 49-62 1999______ Measurement of scintillation and link margin for the TerraLink laser communication system Wireless Technologies and

Systems millimeter wave and optical Dallas 100-118 1997 Proceedings of SPIE______ Wireless optical transmission of Fast Ethernet FDDI ATM and ESCON protocol data using the TerraLink laser com-

munication system Optical Engineering 37 3143-3155 1998 lthttpwwwfreespaceopticcomWhitePapersWireless_Transmission_of_Fast_Ethernetpdfgt (14fev04)

McCULLAGH MJ et al A low noise optical receiver for a 155 Mbits 4 km optical free space link Proc 1993 Lasers andElectro-Optics Society - LEOS Annual Meeting 365ndash367 1993

MOURA LES et al Anaacutelise e dimensionamento de sistemas oacutepticos no espaccedilo livre Projeto de final de curso TET ndash UFF2003

TERESCOPE ldquoThe Effects of Weather on Wireless Communicationsrdquo lthttpwwwtaifoncomtwwebDownloaddownloadDatasheetOpticalAccessTerescopegt (01jul03)

WILLEBRAND H amp GHUMAN BS Free-Space Optics enabling optical connectivity in todayacutes networks IndianaacutepolisSams Publishing 2002

Dados dos autores

LUCIANO EUGEcircNIO DA SILVA MOURAGraduado em engenharia de telecomunicaccedilotildees pela UFFRJAtualmente participa do Programa de Trainees da Vivo Telerj

Celular Rio de JaneiroRJ

ANDRES PABLO LOPEZ BARBEROEngenheiro de telecomunicaccedilotildees (UFFRJ) com mestrado em

sistemas sensores a fibra oacuteptica (experimental) pelo ITA e

34 janjun bull 2004

FSO A segunda etapa diz respeito agrave seleccedilatildeo do comprimento de onda de operaccedilatildeo do sistema que foi fixadoem torno de 620 nm na regiatildeo vermelha do espectro eletromagneacutetico visiacutevel Essa escolha se deve ao baixocusto do diodo laser e agrave facilidade de alinhamento do feixe de luz (visiacutevel) assim como de caracterizaccedilatildeo dodiodo laser e do fotodiodo A figura 4 mostra esquematicamente (a) o encapsulamento do diodo laser e (b)um detalhe do circuito receptor jaacute montado e adaptado ao seu moacutedulo

Para verificar o funcionamento adequado dos circuitos e assegurar que sua resposta encontrava-se den-tro das especificaccedilotildees do padratildeo RS232 foi utilizado um gerador de funccedilotildees para modular o transmissor eum osciloscoacutepio para analisar o sinal entregue pelo receptor A montagem desta experiecircncia eacute apresentada nafigura 5 em que tambeacutem eacute possiacutevel observar os invoacutelucros dos moacutedulos transmissor e receptor bem como aestrutura projetada para sustentaacute-los e manter o seu alinhamento Um espelho localizado a 5 m da monta-gem foi usado para refletir o feixe do transmissor em direccedilatildeo ao receptor

Fig 4 (a) Encapsulamento do diodo laser e (b) circuito receptor montado

Fig 5 Teste de funcionamento do protoacutetipo

Tubos pretos de PVC foram empregados na montagem dos invoacutelucros de modo a que ficassem bemcompactos e proporcionassem uma proteccedilatildeo para o fotodiodo contra a luz externa Com isso foi pratica-mente eliminado o chamado ruiacutedo de fundo causado por qualquer outra fonte de luz que natildeo a do transmis-sor No lado externo dos invoacutelucros foram adaptados conectores para o encaixe de cabos destinados agrave ali-mentaccedilatildeo dos circuitos e ao traacutefego de dados um LED para indicaccedilatildeo de alinhamento e uma chave para per-mitir a seleccedilatildeo entre modo de alinhamento e modo de transmissatildeo de sinais

a) b)

REVISTA DE CIEcircNCIA amp TECNOLOGIA bull V 12 Nordm 23 ndash pp 25-35 31

RESULTADOS EXPERIMENTAISForam realizados diversos experimentos para avaliar as limitaccedilotildees do sistema como maacutexima taxa de

transmissatildeo alcance maacuteximo do enlace e comportamento quando operado em condiccedilotildees adversas de propa-gaccedilatildeo do sinal (cintilaccedilatildeo) Dessa maneira eacute possiacutevel verificar se os resultados atendem aos objetivos pretendi-dos Apoacutes a conclusatildeo da montagem dos dois moacutedulos transceptores alguns testes foram realizados que satildeoresumidos a seguirbull modulaccedilatildeo em ateacute 800 kbs a uma distacircncia de 10 m (figura 6)bull comunicaccedilatildeo entre dois computadores afastados 15 m a uma taxa de transmissatildeo de 1152 kbsbull comunicaccedilatildeo entre duas calculadoras HP 48GX afastadas 10 m a uma taxa de transmissatildeo de 96 kbs

(figura 7 para afastamento de 15 m)bull comunicaccedilatildeo entre um computador e uma calculadora HP 48GX afastados 3 m a uma taxa de transmis-

satildeo de 96 kbsbull estabelecimento de alinhamento entre os moacutedulos transceptores afastados 80 m

Fig 6 Modulaccedilatildeo e detecccedilatildeo a 800 kbs

Fig 7 Enlace entre duas calculadoras HP 48GX

Para simular os efeitos da cintilaccedilatildeo (turbulecircncia atmosfeacuterica) no sinal transmitido foi utilizada amesma montagem apresentada na figura 5 mas empregando um secador de cabelos para gerar um fluxo dear quente que interceptasse o feixe do laser nas proximidades do transmissor Devido agraves bruscas variaccedilotildees do

Sinal detectado

Sinal modulante

32 janjun bull 2004

iacutendice de refraccedilatildeo do ar quente em movimento a frente de onda do sinal eacute completamente deformadadando origem a interferecircncias construtivas e destrutivas no receptor que variam raacutepida e aleatoriamenteEsse efeito pode ser observado na figura 8 para uma modulaccedilatildeo a uma taxa de 500 kbs

Fig 8 Efeito da cintilaccedilatildeo no sinal recebido a 500 kbs

Entretanto verificou-se que a cintilaccedilatildeo provocada dessa forma natildeo foi suficiente para introduzir errosna comunicaccedilatildeo entre duas calculadoras HP 48GX operando a uma taxa de 96 kbs no experimento apre-sentado na figura 7 Isso se deve ao fato de que o valor miacutenimo de potecircncia oacuteptica que atinge o detector e queainda permite a demodulaccedilatildeo correta do sinal eacute menor para taxas de modulaccedilatildeo reduzidas Dessa forma umsistema operando a 96 kbs possui uma margem de atenuaccedilatildeo total maior do que quando opera a 500 kbsEm taxas de transmissatildeo mais elevadas correspondendo a uma duraccedilatildeo temporal menor de um bit a quanti-dade de luz que pode ser coletada pelo receptor e convertida em eleacutetrons durante o intervalo de um bittorna-se extremamente baixa Em outras palavras a sensibilidade do receptor eacute funccedilatildeo da taxa de transmis-satildeo Em termos gerais quanto maior a taxa de transmissatildeo menor a sensibilidade do receptor Quando olimite da sensibilidade do receptor eacute atingido o ruiacutedo teacutermico passa a determinar a BER do sistema (Wille-brand amp Ghuman 2002)

CONCLUSOtildeESEste trabalho apresentou um consistente estudo da viabilidade da tecnologia oacuteptica no espaccedilo livre Ini-

cialmente foi desenvolvido um modelo numeacuterico baseado no conceito de balanccedilo de potecircncia que permitiucaracterizar as diferentes componentes da perda em um enlace oacuteptico e avaliar seus efeitos na disponibilidadede um sistema de comunicaccedilotildees oacutepticas no espaccedilo livre Os dados de visibilidade foram coletados nos princi-pais aeroportos assegurando confiabilidade ao software desenvolvido

Os resultados satildeo apresentados principalmente na forma de disponibilidade (porcentagem de tempo)em funccedilatildeo do comprimento do enlace (km) para diferentes cidades de interesse classificadas de acordo comsua regiatildeo geograacutefica Fica claro que as condiccedilotildees atmosfeacutericas satildeo determinantes na disponibilidade dos refe-ridos sistemas

Na regiatildeo Nordeste devido agraves boas condiccedilotildees atmosfeacutericas (condiccedilatildeo de ceacuteu claro) sistemas FSO satildeocapazes de oferecer qualidade e confiabilidade a custos reduzidos tornando-se atraentes como backup nainfra-estrutura de fibra oacuteptica jaacute instalada eou na implantaccedilatildeo de uma rede de acesso de alta velocidade

Os resultados indicam ainda que a tecnologia FSO eacute viaacutevel em vaacuterias cidades das regiotildees Sudeste eCentro-Oeste onde satildeo possiacuteveis enlaces com alcance tiacutepico de 35 km e disponibilidades em torno de 98

Sinal recebido

Sinal transmitido

REVISTA DE CIEcircNCIA amp TECNOLOGIA bull V 12 Nordm 23 ndash pp 25-35 33

Nesses casos os sistemas FSO satildeo particularmente uacuteteis na soluccedilatildeo do problema da uacuteltima milha oferecendoampla largura de banda quando comparados com outros sistemas wireless Na regiatildeo Sul sistemas FSOpodem ser empregados em enlaces de curta distacircncia por exemplo para o provimento de conexatildeo temporaacute-ria ou de emergecircncia

Como uacuteltimo comentaacuterio eacute importante ressaltar a necessidade de aprimorar o modelo numeacuterico decintilaccedilatildeo por meio da coleta de dados especiacuteficos para as diversas regiotildees brasileiras

Em seguida foi desenvolvido um protoacutetipo que mostra ser possiacutevel construir um equipamento simplese de baixo custo para um sistema FSO Os resultados obtidos nos diversos testes demonstram que o disposi-tivo eacute capaz de atender agraves especificaccedilotildees da aplicaccedilatildeo proposta Vale a pena ressaltar que o custo total do pro-toacutetipo montado e testado natildeo ultrapassa R$ 5000 Obviamente equipamentos de melhor desempenhopodem ser desenvolvidos com o emprego de componentes de melhor qualidade Um segundo protoacutetipomais aprimorado encontra-se em desenvolvimento

Sem duacutevida os resultados obtidos com este trabalho indicam claramente que se forem realizados estu-dos e experimentos utilizando teacutecnicas mais avanccediladas eacute possiacutevel executar um projeto mais elaborado edesenvolver um equipamento capaz de oferecer taxas de transmissatildeo muito superiores agravequelas aqui conside-radas e ao longo de distacircncias bem maiores de forma a que seja possiacutevel atender agraves atuais necessidades domercado como superar o gargalo do acesso agrave uacuteltima milha

Pesquisa e estudo complementares estatildeo em andamento eou encontram-se em fase de amadureci-mento com o objetivo de possibilitar o dimensionamento projeto e caracterizaccedilatildeo de um sistema FSO queatenda agraves demandas de capacidade e qualidade de traacutefego de informaccedilatildeo das aplicaccedilotildees pretendidas Semduacutevida o pleno desenvolvimento do projeto deveraacute contar com o apoio de agecircncias oficiais de fomento agravepesquisa eou a participaccedilatildeo da iniciativa privada

REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICASCARLSON RT amp PACIOREK S ldquoEnvironmental qualification and field test results for the SONAbeamtrade 155Mbs and

622Mbsrdquo ltwwwsystemsupportsolutionscomDataSheetstech_qual-testpdfgt (15fev04)JOHNSON D ldquoOptical Through the Air Communications Handbookrdquo lthttpwww imagineeringezinecomgt (15fev04)KIM II et al Measurement of scintillation for free-space laser communication at 785 nm and 1550 nm Optical Wireless Com-

munications II Boston 3850 Part of the SPIE Conference on Optical Wireless Communications II 49-62 1999______ Measurement of scintillation and link margin for the TerraLink laser communication system Wireless Technologies and

Systems millimeter wave and optical Dallas 100-118 1997 Proceedings of SPIE______ Wireless optical transmission of Fast Ethernet FDDI ATM and ESCON protocol data using the TerraLink laser com-

munication system Optical Engineering 37 3143-3155 1998 lthttpwwwfreespaceopticcomWhitePapersWireless_Transmission_of_Fast_Ethernetpdfgt (14fev04)

McCULLAGH MJ et al A low noise optical receiver for a 155 Mbits 4 km optical free space link Proc 1993 Lasers andElectro-Optics Society - LEOS Annual Meeting 365ndash367 1993

MOURA LES et al Anaacutelise e dimensionamento de sistemas oacutepticos no espaccedilo livre Projeto de final de curso TET ndash UFF2003

TERESCOPE ldquoThe Effects of Weather on Wireless Communicationsrdquo lthttpwwwtaifoncomtwwebDownloaddownloadDatasheetOpticalAccessTerescopegt (01jul03)

WILLEBRAND H amp GHUMAN BS Free-Space Optics enabling optical connectivity in todayacutes networks IndianaacutepolisSams Publishing 2002

Dados dos autores

LUCIANO EUGEcircNIO DA SILVA MOURAGraduado em engenharia de telecomunicaccedilotildees pela UFFRJAtualmente participa do Programa de Trainees da Vivo Telerj

Celular Rio de JaneiroRJ

ANDRES PABLO LOPEZ BARBEROEngenheiro de telecomunicaccedilotildees (UFFRJ) com mestrado em

sistemas sensores a fibra oacuteptica (experimental) pelo ITA e

34 janjun bull 2004

RESULTADOS EXPERIMENTAISForam realizados diversos experimentos para avaliar as limitaccedilotildees do sistema como maacutexima taxa de

transmissatildeo alcance maacuteximo do enlace e comportamento quando operado em condiccedilotildees adversas de propa-gaccedilatildeo do sinal (cintilaccedilatildeo) Dessa maneira eacute possiacutevel verificar se os resultados atendem aos objetivos pretendi-dos Apoacutes a conclusatildeo da montagem dos dois moacutedulos transceptores alguns testes foram realizados que satildeoresumidos a seguirbull modulaccedilatildeo em ateacute 800 kbs a uma distacircncia de 10 m (figura 6)bull comunicaccedilatildeo entre dois computadores afastados 15 m a uma taxa de transmissatildeo de 1152 kbsbull comunicaccedilatildeo entre duas calculadoras HP 48GX afastadas 10 m a uma taxa de transmissatildeo de 96 kbs

(figura 7 para afastamento de 15 m)bull comunicaccedilatildeo entre um computador e uma calculadora HP 48GX afastados 3 m a uma taxa de transmis-

satildeo de 96 kbsbull estabelecimento de alinhamento entre os moacutedulos transceptores afastados 80 m

Fig 6 Modulaccedilatildeo e detecccedilatildeo a 800 kbs

Fig 7 Enlace entre duas calculadoras HP 48GX

Para simular os efeitos da cintilaccedilatildeo (turbulecircncia atmosfeacuterica) no sinal transmitido foi utilizada amesma montagem apresentada na figura 5 mas empregando um secador de cabelos para gerar um fluxo dear quente que interceptasse o feixe do laser nas proximidades do transmissor Devido agraves bruscas variaccedilotildees do

Sinal detectado

Sinal modulante

32 janjun bull 2004

iacutendice de refraccedilatildeo do ar quente em movimento a frente de onda do sinal eacute completamente deformadadando origem a interferecircncias construtivas e destrutivas no receptor que variam raacutepida e aleatoriamenteEsse efeito pode ser observado na figura 8 para uma modulaccedilatildeo a uma taxa de 500 kbs

Fig 8 Efeito da cintilaccedilatildeo no sinal recebido a 500 kbs

Entretanto verificou-se que a cintilaccedilatildeo provocada dessa forma natildeo foi suficiente para introduzir errosna comunicaccedilatildeo entre duas calculadoras HP 48GX operando a uma taxa de 96 kbs no experimento apre-sentado na figura 7 Isso se deve ao fato de que o valor miacutenimo de potecircncia oacuteptica que atinge o detector e queainda permite a demodulaccedilatildeo correta do sinal eacute menor para taxas de modulaccedilatildeo reduzidas Dessa forma umsistema operando a 96 kbs possui uma margem de atenuaccedilatildeo total maior do que quando opera a 500 kbsEm taxas de transmissatildeo mais elevadas correspondendo a uma duraccedilatildeo temporal menor de um bit a quanti-dade de luz que pode ser coletada pelo receptor e convertida em eleacutetrons durante o intervalo de um bittorna-se extremamente baixa Em outras palavras a sensibilidade do receptor eacute funccedilatildeo da taxa de transmis-satildeo Em termos gerais quanto maior a taxa de transmissatildeo menor a sensibilidade do receptor Quando olimite da sensibilidade do receptor eacute atingido o ruiacutedo teacutermico passa a determinar a BER do sistema (Wille-brand amp Ghuman 2002)

CONCLUSOtildeESEste trabalho apresentou um consistente estudo da viabilidade da tecnologia oacuteptica no espaccedilo livre Ini-

cialmente foi desenvolvido um modelo numeacuterico baseado no conceito de balanccedilo de potecircncia que permitiucaracterizar as diferentes componentes da perda em um enlace oacuteptico e avaliar seus efeitos na disponibilidadede um sistema de comunicaccedilotildees oacutepticas no espaccedilo livre Os dados de visibilidade foram coletados nos princi-pais aeroportos assegurando confiabilidade ao software desenvolvido

Os resultados satildeo apresentados principalmente na forma de disponibilidade (porcentagem de tempo)em funccedilatildeo do comprimento do enlace (km) para diferentes cidades de interesse classificadas de acordo comsua regiatildeo geograacutefica Fica claro que as condiccedilotildees atmosfeacutericas satildeo determinantes na disponibilidade dos refe-ridos sistemas

Na regiatildeo Nordeste devido agraves boas condiccedilotildees atmosfeacutericas (condiccedilatildeo de ceacuteu claro) sistemas FSO satildeocapazes de oferecer qualidade e confiabilidade a custos reduzidos tornando-se atraentes como backup nainfra-estrutura de fibra oacuteptica jaacute instalada eou na implantaccedilatildeo de uma rede de acesso de alta velocidade

Os resultados indicam ainda que a tecnologia FSO eacute viaacutevel em vaacuterias cidades das regiotildees Sudeste eCentro-Oeste onde satildeo possiacuteveis enlaces com alcance tiacutepico de 35 km e disponibilidades em torno de 98

Sinal recebido

Sinal transmitido

REVISTA DE CIEcircNCIA amp TECNOLOGIA bull V 12 Nordm 23 ndash pp 25-35 33

Nesses casos os sistemas FSO satildeo particularmente uacuteteis na soluccedilatildeo do problema da uacuteltima milha oferecendoampla largura de banda quando comparados com outros sistemas wireless Na regiatildeo Sul sistemas FSOpodem ser empregados em enlaces de curta distacircncia por exemplo para o provimento de conexatildeo temporaacute-ria ou de emergecircncia

Como uacuteltimo comentaacuterio eacute importante ressaltar a necessidade de aprimorar o modelo numeacuterico decintilaccedilatildeo por meio da coleta de dados especiacuteficos para as diversas regiotildees brasileiras

Em seguida foi desenvolvido um protoacutetipo que mostra ser possiacutevel construir um equipamento simplese de baixo custo para um sistema FSO Os resultados obtidos nos diversos testes demonstram que o disposi-tivo eacute capaz de atender agraves especificaccedilotildees da aplicaccedilatildeo proposta Vale a pena ressaltar que o custo total do pro-toacutetipo montado e testado natildeo ultrapassa R$ 5000 Obviamente equipamentos de melhor desempenhopodem ser desenvolvidos com o emprego de componentes de melhor qualidade Um segundo protoacutetipomais aprimorado encontra-se em desenvolvimento

Sem duacutevida os resultados obtidos com este trabalho indicam claramente que se forem realizados estu-dos e experimentos utilizando teacutecnicas mais avanccediladas eacute possiacutevel executar um projeto mais elaborado edesenvolver um equipamento capaz de oferecer taxas de transmissatildeo muito superiores agravequelas aqui conside-radas e ao longo de distacircncias bem maiores de forma a que seja possiacutevel atender agraves atuais necessidades domercado como superar o gargalo do acesso agrave uacuteltima milha

Pesquisa e estudo complementares estatildeo em andamento eou encontram-se em fase de amadureci-mento com o objetivo de possibilitar o dimensionamento projeto e caracterizaccedilatildeo de um sistema FSO queatenda agraves demandas de capacidade e qualidade de traacutefego de informaccedilatildeo das aplicaccedilotildees pretendidas Semduacutevida o pleno desenvolvimento do projeto deveraacute contar com o apoio de agecircncias oficiais de fomento agravepesquisa eou a participaccedilatildeo da iniciativa privada

REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICASCARLSON RT amp PACIOREK S ldquoEnvironmental qualification and field test results for the SONAbeamtrade 155Mbs and

622Mbsrdquo ltwwwsystemsupportsolutionscomDataSheetstech_qual-testpdfgt (15fev04)JOHNSON D ldquoOptical Through the Air Communications Handbookrdquo lthttpwww imagineeringezinecomgt (15fev04)KIM II et al Measurement of scintillation for free-space laser communication at 785 nm and 1550 nm Optical Wireless Com-

munications II Boston 3850 Part of the SPIE Conference on Optical Wireless Communications II 49-62 1999______ Measurement of scintillation and link margin for the TerraLink laser communication system Wireless Technologies and

Systems millimeter wave and optical Dallas 100-118 1997 Proceedings of SPIE______ Wireless optical transmission of Fast Ethernet FDDI ATM and ESCON protocol data using the TerraLink laser com-

munication system Optical Engineering 37 3143-3155 1998 lthttpwwwfreespaceopticcomWhitePapersWireless_Transmission_of_Fast_Ethernetpdfgt (14fev04)

McCULLAGH MJ et al A low noise optical receiver for a 155 Mbits 4 km optical free space link Proc 1993 Lasers andElectro-Optics Society - LEOS Annual Meeting 365ndash367 1993

MOURA LES et al Anaacutelise e dimensionamento de sistemas oacutepticos no espaccedilo livre Projeto de final de curso TET ndash UFF2003

TERESCOPE ldquoThe Effects of Weather on Wireless Communicationsrdquo lthttpwwwtaifoncomtwwebDownloaddownloadDatasheetOpticalAccessTerescopegt (01jul03)

WILLEBRAND H amp GHUMAN BS Free-Space Optics enabling optical connectivity in todayacutes networks IndianaacutepolisSams Publishing 2002

Dados dos autores

LUCIANO EUGEcircNIO DA SILVA MOURAGraduado em engenharia de telecomunicaccedilotildees pela UFFRJAtualmente participa do Programa de Trainees da Vivo Telerj

Celular Rio de JaneiroRJ

ANDRES PABLO LOPEZ BARBEROEngenheiro de telecomunicaccedilotildees (UFFRJ) com mestrado em

sistemas sensores a fibra oacuteptica (experimental) pelo ITA e

34 janjun bull 2004

iacutendice de refraccedilatildeo do ar quente em movimento a frente de onda do sinal eacute completamente deformadadando origem a interferecircncias construtivas e destrutivas no receptor que variam raacutepida e aleatoriamenteEsse efeito pode ser observado na figura 8 para uma modulaccedilatildeo a uma taxa de 500 kbs

Fig 8 Efeito da cintilaccedilatildeo no sinal recebido a 500 kbs

Entretanto verificou-se que a cintilaccedilatildeo provocada dessa forma natildeo foi suficiente para introduzir errosna comunicaccedilatildeo entre duas calculadoras HP 48GX operando a uma taxa de 96 kbs no experimento apre-sentado na figura 7 Isso se deve ao fato de que o valor miacutenimo de potecircncia oacuteptica que atinge o detector e queainda permite a demodulaccedilatildeo correta do sinal eacute menor para taxas de modulaccedilatildeo reduzidas Dessa forma umsistema operando a 96 kbs possui uma margem de atenuaccedilatildeo total maior do que quando opera a 500 kbsEm taxas de transmissatildeo mais elevadas correspondendo a uma duraccedilatildeo temporal menor de um bit a quanti-dade de luz que pode ser coletada pelo receptor e convertida em eleacutetrons durante o intervalo de um bittorna-se extremamente baixa Em outras palavras a sensibilidade do receptor eacute funccedilatildeo da taxa de transmis-satildeo Em termos gerais quanto maior a taxa de transmissatildeo menor a sensibilidade do receptor Quando olimite da sensibilidade do receptor eacute atingido o ruiacutedo teacutermico passa a determinar a BER do sistema (Wille-brand amp Ghuman 2002)

CONCLUSOtildeESEste trabalho apresentou um consistente estudo da viabilidade da tecnologia oacuteptica no espaccedilo livre Ini-

cialmente foi desenvolvido um modelo numeacuterico baseado no conceito de balanccedilo de potecircncia que permitiucaracterizar as diferentes componentes da perda em um enlace oacuteptico e avaliar seus efeitos na disponibilidadede um sistema de comunicaccedilotildees oacutepticas no espaccedilo livre Os dados de visibilidade foram coletados nos princi-pais aeroportos assegurando confiabilidade ao software desenvolvido

Os resultados satildeo apresentados principalmente na forma de disponibilidade (porcentagem de tempo)em funccedilatildeo do comprimento do enlace (km) para diferentes cidades de interesse classificadas de acordo comsua regiatildeo geograacutefica Fica claro que as condiccedilotildees atmosfeacutericas satildeo determinantes na disponibilidade dos refe-ridos sistemas

Na regiatildeo Nordeste devido agraves boas condiccedilotildees atmosfeacutericas (condiccedilatildeo de ceacuteu claro) sistemas FSO satildeocapazes de oferecer qualidade e confiabilidade a custos reduzidos tornando-se atraentes como backup nainfra-estrutura de fibra oacuteptica jaacute instalada eou na implantaccedilatildeo de uma rede de acesso de alta velocidade

Os resultados indicam ainda que a tecnologia FSO eacute viaacutevel em vaacuterias cidades das regiotildees Sudeste eCentro-Oeste onde satildeo possiacuteveis enlaces com alcance tiacutepico de 35 km e disponibilidades em torno de 98

Sinal recebido

Sinal transmitido

REVISTA DE CIEcircNCIA amp TECNOLOGIA bull V 12 Nordm 23 ndash pp 25-35 33

Nesses casos os sistemas FSO satildeo particularmente uacuteteis na soluccedilatildeo do problema da uacuteltima milha oferecendoampla largura de banda quando comparados com outros sistemas wireless Na regiatildeo Sul sistemas FSOpodem ser empregados em enlaces de curta distacircncia por exemplo para o provimento de conexatildeo temporaacute-ria ou de emergecircncia

Como uacuteltimo comentaacuterio eacute importante ressaltar a necessidade de aprimorar o modelo numeacuterico decintilaccedilatildeo por meio da coleta de dados especiacuteficos para as diversas regiotildees brasileiras

Em seguida foi desenvolvido um protoacutetipo que mostra ser possiacutevel construir um equipamento simplese de baixo custo para um sistema FSO Os resultados obtidos nos diversos testes demonstram que o disposi-tivo eacute capaz de atender agraves especificaccedilotildees da aplicaccedilatildeo proposta Vale a pena ressaltar que o custo total do pro-toacutetipo montado e testado natildeo ultrapassa R$ 5000 Obviamente equipamentos de melhor desempenhopodem ser desenvolvidos com o emprego de componentes de melhor qualidade Um segundo protoacutetipomais aprimorado encontra-se em desenvolvimento

Sem duacutevida os resultados obtidos com este trabalho indicam claramente que se forem realizados estu-dos e experimentos utilizando teacutecnicas mais avanccediladas eacute possiacutevel executar um projeto mais elaborado edesenvolver um equipamento capaz de oferecer taxas de transmissatildeo muito superiores agravequelas aqui conside-radas e ao longo de distacircncias bem maiores de forma a que seja possiacutevel atender agraves atuais necessidades domercado como superar o gargalo do acesso agrave uacuteltima milha

Pesquisa e estudo complementares estatildeo em andamento eou encontram-se em fase de amadureci-mento com o objetivo de possibilitar o dimensionamento projeto e caracterizaccedilatildeo de um sistema FSO queatenda agraves demandas de capacidade e qualidade de traacutefego de informaccedilatildeo das aplicaccedilotildees pretendidas Semduacutevida o pleno desenvolvimento do projeto deveraacute contar com o apoio de agecircncias oficiais de fomento agravepesquisa eou a participaccedilatildeo da iniciativa privada

REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICASCARLSON RT amp PACIOREK S ldquoEnvironmental qualification and field test results for the SONAbeamtrade 155Mbs and

622Mbsrdquo ltwwwsystemsupportsolutionscomDataSheetstech_qual-testpdfgt (15fev04)JOHNSON D ldquoOptical Through the Air Communications Handbookrdquo lthttpwww imagineeringezinecomgt (15fev04)KIM II et al Measurement of scintillation for free-space laser communication at 785 nm and 1550 nm Optical Wireless Com-

munications II Boston 3850 Part of the SPIE Conference on Optical Wireless Communications II 49-62 1999______ Measurement of scintillation and link margin for the TerraLink laser communication system Wireless Technologies and

Systems millimeter wave and optical Dallas 100-118 1997 Proceedings of SPIE______ Wireless optical transmission of Fast Ethernet FDDI ATM and ESCON protocol data using the TerraLink laser com-

munication system Optical Engineering 37 3143-3155 1998 lthttpwwwfreespaceopticcomWhitePapersWireless_Transmission_of_Fast_Ethernetpdfgt (14fev04)

McCULLAGH MJ et al A low noise optical receiver for a 155 Mbits 4 km optical free space link Proc 1993 Lasers andElectro-Optics Society - LEOS Annual Meeting 365ndash367 1993

MOURA LES et al Anaacutelise e dimensionamento de sistemas oacutepticos no espaccedilo livre Projeto de final de curso TET ndash UFF2003

TERESCOPE ldquoThe Effects of Weather on Wireless Communicationsrdquo lthttpwwwtaifoncomtwwebDownloaddownloadDatasheetOpticalAccessTerescopegt (01jul03)

WILLEBRAND H amp GHUMAN BS Free-Space Optics enabling optical connectivity in todayacutes networks IndianaacutepolisSams Publishing 2002

Dados dos autores

LUCIANO EUGEcircNIO DA SILVA MOURAGraduado em engenharia de telecomunicaccedilotildees pela UFFRJAtualmente participa do Programa de Trainees da Vivo Telerj

Celular Rio de JaneiroRJ

ANDRES PABLO LOPEZ BARBEROEngenheiro de telecomunicaccedilotildees (UFFRJ) com mestrado em

sistemas sensores a fibra oacuteptica (experimental) pelo ITA e

34 janjun bull 2004

Nesses casos os sistemas FSO satildeo particularmente uacuteteis na soluccedilatildeo do problema da uacuteltima milha oferecendoampla largura de banda quando comparados com outros sistemas wireless Na regiatildeo Sul sistemas FSOpodem ser empregados em enlaces de curta distacircncia por exemplo para o provimento de conexatildeo temporaacute-ria ou de emergecircncia

Como uacuteltimo comentaacuterio eacute importante ressaltar a necessidade de aprimorar o modelo numeacuterico decintilaccedilatildeo por meio da coleta de dados especiacuteficos para as diversas regiotildees brasileiras

Em seguida foi desenvolvido um protoacutetipo que mostra ser possiacutevel construir um equipamento simplese de baixo custo para um sistema FSO Os resultados obtidos nos diversos testes demonstram que o disposi-tivo eacute capaz de atender agraves especificaccedilotildees da aplicaccedilatildeo proposta Vale a pena ressaltar que o custo total do pro-toacutetipo montado e testado natildeo ultrapassa R$ 5000 Obviamente equipamentos de melhor desempenhopodem ser desenvolvidos com o emprego de componentes de melhor qualidade Um segundo protoacutetipomais aprimorado encontra-se em desenvolvimento

Sem duacutevida os resultados obtidos com este trabalho indicam claramente que se forem realizados estu-dos e experimentos utilizando teacutecnicas mais avanccediladas eacute possiacutevel executar um projeto mais elaborado edesenvolver um equipamento capaz de oferecer taxas de transmissatildeo muito superiores agravequelas aqui conside-radas e ao longo de distacircncias bem maiores de forma a que seja possiacutevel atender agraves atuais necessidades domercado como superar o gargalo do acesso agrave uacuteltima milha

Pesquisa e estudo complementares estatildeo em andamento eou encontram-se em fase de amadureci-mento com o objetivo de possibilitar o dimensionamento projeto e caracterizaccedilatildeo de um sistema FSO queatenda agraves demandas de capacidade e qualidade de traacutefego de informaccedilatildeo das aplicaccedilotildees pretendidas Semduacutevida o pleno desenvolvimento do projeto deveraacute contar com o apoio de agecircncias oficiais de fomento agravepesquisa eou a participaccedilatildeo da iniciativa privada

REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICASCARLSON RT amp PACIOREK S ldquoEnvironmental qualification and field test results for the SONAbeamtrade 155Mbs and

622Mbsrdquo ltwwwsystemsupportsolutionscomDataSheetstech_qual-testpdfgt (15fev04)JOHNSON D ldquoOptical Through the Air Communications Handbookrdquo lthttpwww imagineeringezinecomgt (15fev04)KIM II et al Measurement of scintillation for free-space laser communication at 785 nm and 1550 nm Optical Wireless Com-

munications II Boston 3850 Part of the SPIE Conference on Optical Wireless Communications II 49-62 1999______ Measurement of scintillation and link margin for the TerraLink laser communication system Wireless Technologies and

Systems millimeter wave and optical Dallas 100-118 1997 Proceedings of SPIE______ Wireless optical transmission of Fast Ethernet FDDI ATM and ESCON protocol data using the TerraLink laser com-

munication system Optical Engineering 37 3143-3155 1998 lthttpwwwfreespaceopticcomWhitePapersWireless_Transmission_of_Fast_Ethernetpdfgt (14fev04)

McCULLAGH MJ et al A low noise optical receiver for a 155 Mbits 4 km optical free space link Proc 1993 Lasers andElectro-Optics Society - LEOS Annual Meeting 365ndash367 1993

MOURA LES et al Anaacutelise e dimensionamento de sistemas oacutepticos no espaccedilo livre Projeto de final de curso TET ndash UFF2003

TERESCOPE ldquoThe Effects of Weather on Wireless Communicationsrdquo lthttpwwwtaifoncomtwwebDownloaddownloadDatasheetOpticalAccessTerescopegt (01jul03)

WILLEBRAND H amp GHUMAN BS Free-Space Optics enabling optical connectivity in todayacutes networks IndianaacutepolisSams Publishing 2002

Dados dos autores

LUCIANO EUGEcircNIO DA SILVA MOURAGraduado em engenharia de telecomunicaccedilotildees pela UFFRJAtualmente participa do Programa de Trainees da Vivo Telerj

Celular Rio de JaneiroRJ

ANDRES PABLO LOPEZ BARBEROEngenheiro de telecomunicaccedilotildees (UFFRJ) com mestrado em

sistemas sensores a fibra oacuteptica (experimental) pelo ITA e

34 janjun bull 2004

doutoramento em modelagem numeacuterica de amplificadoresoacutepticos dopados com Eacuterbio (FEECUnicamp) Professor em

regime de dedicaccedilatildeo exclusiva do Departamento de Engenhariade Telecomunicaccedilotildees e coordenador do curso de mestrado em

telecomunicaccedilotildees (UFFRJ) Integrante de projeto interinstitucional(UFFIME) para pesquisa e desenvolvimento de redes oacutepticas de

alta velocidade financiado pela FAPERJ

PAULA BRANDAtildeO HARBOEEngenheira eleacutetrica com ecircnfase em telecomunicaccedilotildees (PUC-Rio)

onde obteve os tiacutetulos de mestre e doutora em ciecircncia emengenharia eleacutetrica ambos com ecircnfase em telecomunicaccedilotildees Eacuteprofessora em regime de dedicaccedilatildeo exclusiva do Departamento

de Engenharia de Telecomunicaccedilotildees da UFF onde aindaparticipa de cursos de extensatildeo e MBAs

JOSEacute RODOLFO SOUZAEngenheiro eleacutetrico com ecircnfase em telecomunicaccedilotildees (PUC-Rio)

por onde eacute mestre em ciecircncia em engenharia eleacutetrica doutor(PhD) em engenharia eleacutetrica em The City University com poacutes-

doutoramento na University College London ambos emLondres Inglaterra Professor da PUC-Rio onde integra o Centro

de Estudos em Telecomunicaccedilotildees (CETUC)

Recebimento do artigo 14ago03Consultoria 30out03 a 18dez03

Aprovado 18dez03

REVISTA DE CIEcircNCIA amp TECNOLOGIA bull V 12 Nordm 23 ndash pp 25-35 35

36 janjun bull 2004

36 janjun bull 2004