Origens: por que alguém precisa administrar o espectro

O rádio nasceu sem regulação nenhuma, e o resultado não demorou: um transmissor interferia no outro, e no mar essa interferência custou vidas. A resposta veio em escala internacional, com regras fixadas por tratado e negociadas em conferências que começaram em 1906. É por isso que o espectro é uma das pouquíssimas áreas técnicas coordenadas por tratado, e não por consenso da indústria.

A UIT (a ITU) faz a alocação das faixas no plano internacional e divide o mundo em três regiões, cada uma com as suas alocações. Dentro dessas regras, os reguladores nacionais (a Anatel no Brasil, a FCC nos Estados Unidos, o Ofcom no Reino Unido e os órgãos equivalentes de outros países) fazem a atribuição das frequências. Por isso um equipamento permitido num país não é automaticamente permitido em outro, e por isso os equipamentos têm certificação por região.

As faixas ISM são a exceção que deu origem ao mundo wireless de hoje. No começo, elas foram reservadas para equipamentos industriais, científicos e médicos (a faixa de 2,4 GHz existe, em parte, porque o forno de micro-ondas faz muito ruído nessa frequência) e acabaram virando o espaço não licenciado, onde qualquer equipamento pode transmitir, desde que cumpra regras de potência e de comportamento. , Bluetooth, telefone sem fio e uma quantidade enorme de sensores estão lá porque ninguém precisa pedir permissão, e o preço dessa liberdade é que também ninguém pode reclamar de interferência.

Esse trade-off, exclusividade com licença de um lado e liberdade sem licença do outro, é a chave mais útil para entender o assunto inteiro. Uma faixa licenciada custa dinheiro e dá proteção legal contra interferência; uma faixa não licenciada é de graça e não dá proteção nenhuma.

Um trade-off que decide tudo

Frequências baixas vão longe e carregam pouca informação. Frequências altas carregam muita informação e param no primeiro obstáculo. Quase toda decisão de projeto em rádio, da comunicação com submarinos ao 5G, é uma escolha de onde ficar nesse trade-off.

O motivo é físico. Um comprimento de onda longo sofre difração e contorna morros, prédios e a curvatura da Terra; um comprimento de onda curto se comporta cada vez mais como a luz. É por isso que uma parede faz sombra, e o seu Wi-Fi sofre do mesmo problema. Já a largura de banda, que é o espaço disponível para transportar informação, cresce com a frequência, e por isso a capacidade está nas faixas altas.

Os três modos de propagação

Quase todo o comportamento do sinal depende de qual desses três modos predomina.

A onda terrestre (ground wave) acompanha a superfície da Terra, rente ao terreno. Ela predomina abaixo de uns 2 MHz. É por causa dela que as rádios AM cobrem uma região com confiabilidade, de dia e de noite, e que frequências muito baixas chegam até submarinos submersos.

A onda ionosférica (sky wave) é a mais interessante. Entre uns 2 e 30 MHz, o sinal que sobe é refratado pela ionosfera e volta para a Terra a centenas ou milhares de quilômetros de distância. Ele pode bater no solo e subir de novo, num caminho multi-hop, e assim atravessar oceanos. Não é força de expressão: uma estação de com 100 watts numa antena de fio pode ser ouvida em outro continente, coisa que nenhuma potência em 2,4 GHz consegue.

Acima de uns 30 MHz, quem manda é a visada direta (line of sight). O sinal vai até onde a vista alcança, limitado pelo horizonte. Por isso as antenas de e UHF ficam o mais alto possível, e por isso qualquer obstrução pesa tanto.

A ionosfera não é constante, e operar em HF é justamente conviver com essa variação. Ela muda do dia para a noite, com as estações do ano e ao longo do ciclo solar, de cerca de onze anos: no máximo solar, a ionosfera fica mais carregada, sustenta frequências mais altas e abre rotas de longa distância que simplesmente não existem no mínimo solar. De vez em quando, a E esporádica (sporadic E) ou o duto troposférico (tropospheric ducting) levam o sinal muito além do que as regras normais de propagação preveem, e é por isso que os operadores ainda se surpreendem.

As faixas

VLF, 3–30 kHz. Comprimentos de onda de dezenas de quilômetros. O sinal penetra na água do mar, por isso é usado na comunicação com submarinos submersos e em alguns sinais de navegação e de hora. As taxas de dados são quase ridículas, poucos caracteres por segundo, mas o VLF chega a lugares aonde nada mais chega.

LF, 30–300 kHz. Onda terrestre de longa distância. Aqui ficam as estações de sinal horário que acertam os relógios radiocontrolados, além de parte da navegação marítima e, em algumas regiões do mundo, a radiodifusão em ondas longas.

MF, 300 kHz–3 MHz. É a faixa das rádios AM. De dia, a propagação é por onda terrestre; à noite, quando a camada D da ionosfera, que absorve o sinal, se dissipa, a onda ionosférica traz emissoras AM de centenas de quilômetros de distância. Quem já pegou uma rádio distante no carro, à noite, viu a ionosfera em ação.

HF, 3–30 MHz. Ondas curtas. É a faixa da radiodifusão internacional, das comunicações marítimas e aeronáuticas de longa distância e da maior parte do DX dos radioamadores, os contatos a grande distância. A onda ionosférica permite falar com o mundo inteiro usando equipamento modesto, e a desvantagem é a própria vantagem: as condições mudam o tempo todo, e a frequência que funcionou de manhã pode estar morta à tarde. No alto da faixa, perto dos 27 MHz, também fica o CB, a faixa do cidadão.

VHF, 30–300 MHz. Rádio FM, controle de tráfego aéreo, rádio marítimo, a televisão mais antiga e muitas repetidoras de radioamador. A propagação é quase toda por visada direta, em geral confiável e pouco afetada pelas oscilações da ionosfera que mexem com as faixas de baixo, embora, no máximo solar, as frequências mais baixas do VHF às vezes cheguem longe mesmo assim.

UHF, 300 MHz–3 GHz. É onde acontece a vida moderna: telefonia celular, Wi-Fi em 2,4 GHz, Bluetooth, GPS, a maior parte da televisão e repetidoras de radioamador. Tem banda suficiente para taxas de dados de verdade, antenas pequenas e prédios que bloqueiam o sinal para valer. O duto troposférico, em que inversões de temperatura prendem o sinal numa camada que o refrata, de vez em quando leva o UHF muito além do horizonte.

SHF, 3–30 GHz. Links de satélite, radar, backhaul por micro-ondas, Wi-Fi em 5 e 6 GHz. Capacidade enorme, propagação só em visada direta, e a chuva começa a pesar como fator de atenuação.

, 30–300 GHz. Ondas milimétricas (mmWave), inclusive as faixas altas do 5G. Capacidade extraordinária em distâncias muito curtas, com um sinal que quase tudo bloqueia, até folhagem e o corpo humano. Por isso o 5G em ondas milimétricas precisa de uma implantação densa de small cells, e não de torres altas.

Onde ficam as tecnologias do dia a dia

As faixas ISM (industrial, científica e médica) são as alocações isentas de licença que tornaram possível o wireless de consumo. Wi-Fi e Bluetooth dividem os 2,4 GHz com o forno de micro-ondas e muita coisa mais, e é exatamente por isso que essa faixa vive congestionada; as faixas de Wi-Fi em 5 e 6 GHz oferecem mais espaço e menos alcance, bem como o trade-off prevê. O faz a aposta contrária: usa alocações ISM abaixo de 1 GHz e taxas de dados muito baixas para tirar de um sensor quilômetros de alcance e anos de bateria, uma escolha deliberada de alcance em vez de capacidade.

O celular combina, numa mesma rede, faixas baixas para cobertura e faixas altas para capacidade. É o trade-off administrado, não resolvido: a faixa baixa alcança as áreas rurais mais distantes, e a faixa alta atende o quarteirão lotado da cidade.

O que os números significam na prática

A capacidade vem da largura de banda. O teorema de Shannon relaciona a taxa que se consegue atingir com a largura de banda e com a relação sinal-ruído, e a leitura prática é que as frequências mais altas atraem porque lá em cima simplesmente há mais espaço: um canal de 100 MHz em 6 GHz é coisa comum, e em 900 MHz é impossível, porque a faixa inteira é mais estreita que isso.

A atenuação aumenta com a frequência, e o que decide a implantação é a interação do sinal com os obstáculos. A perda no espaço livre cresce com a frequência, mas, em ambiente interno, o efeito mais forte vem do material: em 2,4 GHz, uma parede de drywall causa uma perda modesta; em 60 GHz, ela é praticamente opaca; e, em comprimentos de onda milimétricos, até folhagem e chuva fazem diferença. Por isso, o planejamento de cobertura depende tanto do material da construção quanto da distância.

O piso de ruído (noise floor) e o duty cycle decidem o que de fato funciona nas faixas compartilhadas. A operação sem licença tem limites de potência e, em muitas regiões, regras de listen-before-talk (escutar antes de transmitir) e de duty cycle, a fração do tempo em que o equipamento pode transmitir. Por isso, estar dentro da lei não garante a um equipamento o seu airtime, o tempo de transmissão no ar.

Onde cada faixa é usada de verdade

  • Abaixo de 1 GHz: longo alcance, boa penetração, taxas de dados baixas. LoRaWAN, Sigfox, Z-Wave, os medidores das concessionárias, e o motivo de a cobertura rural ser feita com faixas baixas.
  • 2,4 GHz: o meio-termo global. Está disponível em quase todo lugar, lotada de Wi-Fi, Bluetooth, fornos de micro-ondas e todo o resto, e tem só três canais de Wi-Fi que não se sobrepõem.
  • 5 GHz: muito mais espectro, menos alcance e trechos compartilhados com radar; por isso os equipamentos precisam detectar radar e liberar o canal.
  • 6 GHz: aberta há pouco tempo para uso sem licença em muitos países, mas não em todos, e ainda sem nenhum equipamento legado; esse é justamente o atrativo.
  • Faixas de celular: licenciadas e leiloadas, com faixas baixas para cobertura, médias para equilibrar as duas coisas e ondas milimétricas para dar capacidade em áreas densas, a distâncias muito curtas.
  • Ondas milimétricas e acima: largura de banda enorme, comportamento de visada direta e o rain fade, a atenuação pela chuva, tratado como dado de projeto, e não como nota de rodapé.

Quem atua no espectro, por categoria

  • Reguladores: a UIT, no plano internacional, e órgãos nacionais como a Anatel, a FCC e o Ofcom, que decidem o que pode ser transmitido, onde e com que potência. No espectro, o regulador pesa mais do que qualquer fabricante.
  • Operadores licenciados: operadoras de celular e emissoras de rádio e TV, cujas licenças são ativos comprados em leilão e cujas reclamações de interferência têm força legal.
  • Fabricantes de equipamentos não licenciados: empresas de Wi-Fi, Bluetooth e rádios de curto alcance, que competem dentro de regras que não podem mudar.
  • Órgãos de padronização e certificação: o , para os padrões de rádio; a Wi-Fi Alliance e o Bluetooth SIG, para os selos de interoperabilidade; e os regimes nacionais de certificação, que decidem se um equipamento pode sequer ser vendido.

A consequência prática para quem projeta com rádio: a limitação costuma ser regulatória, não física. A faixa define a potência, a potência define o alcance, e o regulador define a faixa.

Por que vale a pena saber isso

Quem entende esse trade-off deixa de achar misterioso quase tudo o que o rádio faz. O seu Wi-Fi sofre com as paredes porque 2,4 GHz se comporta como luz. Um radioamador na faixa de 20 metros fala com o Japão usando a potência de uma lâmpada porque, nessa frequência, a ionosfera funciona como um espelho. O seu celular funciona dentro de casa numa faixa baixa e fica rápido na rua numa faixa alta. O 5G em ondas milimétricas impressiona na esquina onde está a célula e some um prédio depois.

Nada disso é arbitrário. É sempre o mesmo trade-off, repetido em todas as faixas.