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Inventor cria rede de dados de longa distância usando o rádio amador e IPv4!

Ele conseguiu enviar dados via IPv4 até 300 quilômetros com hardware fácil de montar!

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Um inventor conseguiu criar uma rede de dados de longa distância usando o famoso e antigo rádio amador. Segundo F4HDK, codinome do inventor, ele gosta de criar coisas a pelo menos 15 anos. Assim, ele revela que estava analisando um protocolo chamado de NBP, que é utilizado para criar rede de dados através de links de rádio amador.

O NBP foi desenvolvido por volta do ano 2000, a ideia de sua criação foi de substituir o protocolo AX.25, que era usado em links digitais até a década de 1980. Então, o F4HDK descobriu que poderia criar um protocolo ainda melhor, com um design moderno, mais fácil e barato de implementar fisicamente.

O resultado disso foi o NPR (New Packet Radio). O novo protocolo suporta IPv4 da internet, e permite que os dados sejam transmitidos a uma velocidade de 500 Kbps. Para isso, ele também precisa utilizar a banda de rádio amador UHF de 70 centímetros. Ele confessa que 500 Kbps não é tão rápido se comparado as grandes empresas, mas é uma iniciativa barata e fácil.

Inicialmente, ele considerou utilizar diferentes bandas de frequência para as conexões de uplink e downlink: os downlinks teriam usado o padrão DVB-S, originalmente desenvolvido para televisão digital por satélite. Os uplinks usariam uma variação do FSK (chaveamento com mudança de frequência) para codificar dados.

Mas, a complexidade envolvida na sincronização do uplink e do downlink era muito alta. Então ele resolveu usar um rádio equipado com um FPGA (field-programmable gate array). Note que no relato, ele conta que já tinha alguma experiência com FPGAs, graças a um projeto anterior, no qual havia implementado uma CPU personalizada completa usando um FPGA do Altera Cyclone 4. O objetivo era fazer toda a modulação e desmodulação usando o FPGA, mas novamente o método era muito complexo. E conta que perdeu quase dois anos perseguindo essas idéias até perceber que não tinha mais o que fazer.

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O modem é principalmente um microcontrolador conectado a um transceptor de rádio.

Então, em um daqueles momentos “porque eu não pensei nisso antes”, ele lembrou dos chips ISM (industrial, científico e médico). Esses são transceptores projetados para operar em faixas estreitas de frequência de rádio que foram originalmente alocadas para fins de não comunicação, como aquecimento por RF.

No entanto, a banda ISM também se tornou popular nas comunicações, porque normalmente não é necessária uma licença para seu uso. Na África, Europa e Norte da Ásia, há uma banda ISM dentro da faixa de 70 cm de radioamadorismo a 434 megahertz; portanto, os chips comerciais ISM estão disponíveis para essa frequência.

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Um amplificador projetado para links de rádio DMR aumenta o sinal para os níveis necessários.

E assim, ele resolveu construir o seu hardware em torno do transceptor IS4463 [PDF] ISM: que segundo ele, é barato, flexível e disponível em muitos módulos e placas, e pode lidar com uma taxa de dados brutos de até 1 megabyte por segundo. Ele foi projetado para aplicações de curto alcance, que não é grande coisa mas funciona.

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O transceptor é um módulo blindado, construído em torno do chip Si4463 ISM, que opera a 434 megahertz.

Para alcançar distâncias razoáveis, você precisa de um amplificador para fornecer mais potência de RF. Para o seu plano NPR, ele precisava de um amplificador que também pudesse alternar rapidamente entre transmitir e receber. Encontrou alguns amplificadores externos de 20 watts amplamente disponíveis para rádios de mão projetados para o padrão DMR (Digital Mobile Radio) desenvolvido na Europa. No padrão DMR, o equipamento de rádio deve ser capaz de lidar com um ciclo completo de transmissão/recepção dentro de 60 milissegundos. Estabeleceu um tempo de ciclo mínimo de 80 ms para a NPR com esse objetivo em mente.

O transceptor ISM está conectado a um microcontrolador Mbed Nucleo STM32 L432KC, que usa uma CPU Arm Cortex.

Este microcontrolador, por sua vez, está conectado a uma interface Ethernet e cuida de todos os detalhes da execução do protocolo NPR. Qualquer PC ou rede conectado vê o link de rádio como apenas outra conexão IPv4 sem a necessidade de instalar um software NPR específico.

O modem NPR pode ser configurado através deste link ou através de uma conexão USB. O custo total do hardware é de cerca de US $ 80, e um parceiro, a Funtronics, disponibilizará kits para compra on-line. Se você deseja construir um modem do zero, instruções detalhadas e o software do protocolo NPR estão disponíveis na página do projeto Hackaday.

O protocolo NPR é baseado em um modelo de hub e spoke, no qual um modem central vincula vários modems clientes. Atualmente, pode haver até sete modems, embora há planos de expandir isso para 15.

A distância máxima teórica entre um modem cliente e o modem central é de 300 quilômetros. Esse limite surge porque o NPR usa uma técnica gerenciada de acesso múltiplo por divisão de tempo (TDMA), na qual o modem central e os clientes transmitem na mesma frequência, mas em momentos diferentes, com o modem central determinando quando cada cliente pode transmitir e fazendo ajustes de agendamento para levar em conta atrasos devido à distância. O ciclo completo de transmissão/recepção está entre 80 ms e 200 ms, dependendo do tipo exato de modulação e taxa de dados escolhida.

A criação do protocolo NPR foi uma parte muito divertida do projeto para ele: a ideia de poder decidir como os dados devem ser compactados e organizados dentro dos quadros de rádio e como os modems NPR devem interagir entre si foi extremamente nostálgica.

Mas depois de mais dois anos, era hora dele parar de trabalhar sozinho, então compartilhou a NPR com a sua comunidade local de rádio amador na França. No final de 2018, começaram a testá-lo no mundo real e em pleno funcionamento.

Já alcançaram distâncias superiores a 80 km e agora estão recebendo ajuda da comunidade amadora global, especialmente na Alemanha. Atualmente, o NPR está sendo usado para acessar redes locais de rádio amador de alta velocidade existentes em locais que não podem ter os links necessários para os sinais de 2,4 e 5,6 gigahertz.

Embora seja utilizável, ele diz que é o primeiro a admitir que a NPR é uma tecnologia jovem e provavelmente precisa amadurecer mais. Além de aumentar o número de clientes que podem ser suportados por um modem central, ele ainda tem várias melhorias em mente, como adicionar suporte à priorização de QoS (qualidade de serviço), para que o NPR possa ser usado para transmitir voz digital; permitindo que os quadros Ethernet sejam transportados diretamente; e separando frequências de downlink e uplink.

Com informações do IEEE SPECTRUM

Escrito por Emanuel Negromonte

Fundador do SempreUPdate. Acredita no poder do trabalho colaborativo, no GNU/Linux, Software livre e código aberto. É possível tornar tudo mais simples quando trabalhamos juntos, e tudo mais difícil quando nos separamos.

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