O que é beamshaping

2010-12-10T15:53:00.000-08:00

Beamshaping é a técnica que modifica o padrão de irradiação de uma antena pela associação de diversas antenas (Antenna array) em um mesmo sítio. Esta técnica foi originalmente desenvolvida para uso militar em radares para detecção de aeronaves. Os primeiros tipos de radar baseados em beamshaping eram enormes devido à dificuldade da técnica em um período em que a potência computacional possível era pequena e escassa. Foram usadas nos chamados radares OTH (Over-the-horizon) onde uma portadora de baixa frequência e uma matriz de antenas é usada para rastrear alvos além do horizonte (Aproveitando-se das características da sondas de HF refletirem na ionosfera permitindo alcançar lugares muito mais distantes do que seria possível para as ondas de UHF dos radares da época). Dois equipamentos militares destacam-se na evolução desses radares baseados em matrizes de antenas : O sistema AEGIS da marinha americana e o radar Zaslon usado no avião de interceptação MiG-31 russo, ambos utilizando altas frequências (UHF) já que eram projetados para rastreamento à médias distâncias (As técnicas de beamshapping podem ser utilizadas em qualquer frequência, dependendo do uso intencionado, podendo até mesmo ser utilizadas para direcionar o som de um conjunto de alto-falantes em uma determinada direção).

Radar OTH (Over-The-Horizon) americano


Navio americano com radar AEGIS

MiG-31 com radar Zaslon à mostra

Formalmente o beamshaping chama-se phased array, ou matriz de fasores. Consiste no posicionamento de múltiplos transdutores (Uma antena é um transdutor, mas o phased array não se limita à antenas, como visto antes) em posições estratégicas de forma que a combinação do diagrama de irradiação de tais transdutores alcance um diagrama resultante esperado. Chama-se “phased” ou fasado (ou defasado) pois a característica explorada para alterar o diagrama de irradiação combinado é a fase dos sinais emitidos em cada um dos transdutores. Podemos explicar o funcionamento do beam-shapping pela fato de que duas ondas de mesma frequência, quando somadas, produzem um padrão de interferência que pode reforçar ou atenuar o sinal. Ou seja, duas ondas chegando em fase entre si somarão suas potências, enquanto que quando chegam fora de fase atenuam-se mutuamente. Assim, escolhendo a fase do sinal transmitido e conhecendo a posição relativa de cada transdutor é possível prever em que direção o sinal chegaria em fase e em que direção chegaria fora de fase, o que nos permite outra técnica, derivada do beamshaping, chamada beamsteering, ou direcionamento do feixe.

Funcionamento do Beamshapping

É esta característica de direcionamento do feixe que foi tão interessante para o desenvolvimento de radares de busca e interceptação de aeronaves. Os sistemas de radar tradicionais dependiam da movimentação mecânica das antenas para varrer o espaço aéreo que deveria ser vigiado, enquanto um sistema equivalente baseado em phased array modifica continua e eletronicamente a direção do feixe para isso. Não é difícil entender que o sistema de varredura eletrônica possui diversas vantagens sobre o método mecânico, como a velocidade de reposicionamento de feixe e a precisão em que esse movimento é feito.

O radar Zaslon russo é icônico neste desenvolvimento, pertencendo a uma geração de radares de matriz chamados PESA, ou passive eletronically scanned array, matriz passiva de escaneamento eletrônico. A nova geração de radares de matriz ativa americana pertence à uma geração chamada AESA, ou active eletronically scanned array, matriz ativa de escaneamento eletrônico. A diferença entre ambas as gerações é que no sistema PESA um único gerador de sinal é defasado eletronicamente e enviado às diversas antenas, enquanto no sistema AESA cada antena tem seu próprio gerador de sinal. Como ocorre geralmente em eletrônica, todo este desenvolvimento tecnológico militar acaba sendo reutilizado no mercado civil. Assim, vemos sistemas como o WAVION e o AirBEAM da Ubiquiti anunciando a utilização de matrizes de antenas.


Wavion WBS2400


AirBEAM - Ubiquiti

Um sistema de matriz de antenas para WIFI permite alcançar o que chamamos de SDMA, ou spatial division multiple access (Divisão espacial para multiplo acesso), onde a direção de propagação da onda é quem multiplexa o uso do canal entre os usuários. Não é difícil perceber que o método SDMA promete avanços elevados na banda passante disponível, já que os outros métodos possíveis (TDMA, CDMA, CSMA etc) degradam (dividem) a banda disponível entre os usuários, enquanto o método espacial permite que vários usuários utilizem a mesma banda (TDMA, CDMA, CSMA, etc ou dividem o canal ao longo do tempo, ou dividem o canal por espectro – na prática criando N canais menores cuja somatória não ultrapassa o limite de shannon-nyquist para o canal em questão, enquanto no SDMA o somatório da banda oferecida à cada cliente é maior do que seria teoricamente possível na situação em que um único feixe é enviado). Esta divisão espacial baseada em phased array é possível devido às características de alta diretividade das frequências utilizadas para WIFI.

Inicialmente é possível utilizar um sistema de beamshaping passivo e estático, no sentido de que várias antenas são fixadas e defasadas entre si de forma a alcançar um diagrama de irradiação fixo que seja desejado (Com aumento do ganho na direção desejada). Posteriormente poderíamos evoluir para um sistema de beamsteering, onde um transmissor ajusta o diagrama da matriz de antenas (PESA) antes de transmitir um pacote para o cliente (Aqui teriamos de ter uma tabela com a posição de cada cliente). Posteriormente poderíamos sincronizar vários transmissores (AESA). Por ultimo alcançaríamos o SDMA, com vários feixes sendo gerados ao mesmo tempo e carregando informações diferentes.

Aqui é interessante situar o MIMO, que consiste também no uso de várias antenas para transmissão e recepção. Este não constitui uma forma de SDMA pois o canal utiliza o mesmo método de controle de acesso do wireless comum (CSMA/CA) apenas aumentando o troughtput com o uso de vários feixes (Provocados pelo fenômeno do multipath) separados para transmitir ao mesmo cliente.

Quando da elaboração deste artigo não tínhamos informações suficientes para situar tanto o WAVION quanto o AirBEAM nesta escala de evolução, mas temos certeza de que o SDMA é a bola da vez no desenvolvimento do WiFi.

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2010-12-07T10:35:00.000-08:00

Olá a todos !

Este é o primeiro post, da sequencia de posts que espero ser bastante longa, do novo blog sobre Wireless no Brasil.

Esperamos com esse blog informar a comunidade wireless do Brasil, bem como desenvolver o livre diálogo entre todos os interessados do ramo.

Deste já agradeço,
J. Aldo

Wireless - Brasil

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