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Redes de Acesso em Banda Larga

2 – Projeto de Enlaces Rádio

L. Silva Mello L. Silva Mello L. Silva Mello CETUCCETUCCETUC---PUC/RioPUC/RioPUC/Rio

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Projeto de enlaces rádio

O projeto de enlaces rádio requer o conhecimento das

características do equipamento disponível, do sistema rádio a

ser utilizado, de parâmetros rádio climáticos e geográficos, e

dos modelos de propagação relevantes para a faixa de

frequências de interesse.

Apresenta como resultado parâmetros de equipamento, como

potência de transmissor, ganho de antenas, e previsões de

desempenho do enlace projetado.

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Parâmetros de equipamento

TransmissorPotência de transmissão Pta 40 dBm

ReceptorLimiar do receptor 10-3 Rsa_10-3 -100 dBmLimiar do receptor 10-6 Rsa_10-6 -90 dBmFigura de ruído F 6 dB

GeraisAltura da antena sobre o nível do mar heff-a 1034 mLatitude Lat-a -15.7228 grausLongitude Long-a -47.8559 grausGanho da antena Ga 25 dBiPerdas de alimentação La 5 dBGanho de diversidade Gda 2 dB



Dados do enlace

Frequência f 14 GHzPolarização pol hComprimento do enlace d 19.2 Km

Fator K mínimo Kmin 0.67Fator K mediano Kmed 1.33Temperatura média T 25.0 CPressão atmosférica p 1013.0 mbDensidade de vapor d'água vd 10.0 g/m3

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Cálculo de enlace



Cálculo de enlace

Enlace a-bPotência efetiva irradiada

ERPa = PTa + Ga -La

Nível mínimo de sinal na antena receptoraRSLb = RSb - Gb + Lb

Margem bruta do enlaceMab = ERPa - RSLb - LL corresponde a perda total de propagação

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Cálculo da Perda de Propagação

Perda total de propagaçãoL = Lel + Lg + LdondeLel = 92,44 + 20 log f (GHz) + 20 log d (km)é a perda de espaço livre;Lg = ( γο + γw ) d é a absorção por gases (f>20GHz);Ld é a perda por difração para o valor mediano dofator K da terra.



Propagação em espaço livre

A propagação em espaço livre é aquela que se realiza no vácuo ounuma atmosfera homogênea e isotrópica e na ausência de qualquer corpo capaz de criar perturbação na recepçãoDensidade de fluxo de potência gerada por um transmissor de potência pT a uma distância d

2T W/m d

ps 24π=

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Propagação em espaço livre

Potência recebida numa antena de área efetiva de recepção ae

Perda básica de transmissão

Atenuação em espaço livre

eR asp ⋅= isotrópica antena uma para 4

2

πλ

=ea

2

R

T d4pp

λπ

=

)GHz(flog20)km(dlog2044,92d4log20pplog10)dB(A)dB(L

R

T0bf ++=

λπ

=

==



Refração AtmosféricaA atmosfera não é um meio homogêneo. Sua composiçãovaria espacial e temporalmente. O efeito destas variações napropagação é determinado pelo índice de refração.Índice de refração

Refratividade00031

0,n ≈

εε

=

256 10733677101

Te,

TP,)n(N ×+=×−=

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Propagação sobre terra esférica

A trajetória dos raios é curva, em função da variação vertical do índice de refração



Raio equivalente da Terra

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Atmosfera padrão

km/n.uniddzdn 61040 −×−= 34 /k = kmae 8500=

km/n.uniddzdN 40−= km/n.unid

dzdM 117=



−ν++−ν++= 0,110,1)(og206,9)dB(L)( 0

20elb ldΒL

d

dd2 210 λ

θν =

Difração por gume de faca

H

θ

d

d1

d2

Tx

Rx

S1

S2

hT

hR

8



– 3 – 2 – 1 0 1 2 3

– 2

0

2

4

6

8

1 0

1 2

1 4

1 6

1 8

2 0

2 2

2 4

ν

Ld

Difração por gume de faca



Critérios de visibilidade

Para frequências acima de 2 GHz, a atenuação por difração torna-se proibitiva, devendo o enlace ser projetado para garantir visibilidade.O critério tradicional para garantir visibilidade consiste em escolher as alturas de antenas de tal forma que a folga H (distância entre o raio direto e o topo do maior obstáculo no percurso seja superior a 60% do raio F1 da primeira zona de Fresnel.Para determinação da folga, o perfil deve ser traçado considerando o raio equivalente da terra (ae=ka) para o valor de k excedido em 99,9% do tempo (valor típico kmin=2/3).

d1 d2

HF1

GHz em f;km em d)dd(f

dd,F

,21

21

211 317

+=

9



Atenuação na troposfera500

200100

50

0,01

0,02

0,05

0,10,2

0,5

12

5

10

20

1 2 5 10 2 5 102 2 5 103 2 5 104

Frequência ( GHz )

Ate

nuaç

ão e

spec

ífica

( dB

/km

)

H2OH2O

Nevoeiro0,1 g/m3

Chuva0,25 mm/h

H2O

Chuva25 mm/h

O2

O2Chuva

150 mm/h

Os componentes e partículas na

atmosfera causam atenuação no sinal

propagante que aumenta com a

distância e com a frequência

A atenuação pela chuva cresce com a

frequência e depende da

intensidade de precipitação, medida

em mm/h

O nevoeiro e outras partículas, em concentrações

típicas, são equivalentes a uma

chuva muito fraca

A absorção por oxigênio e vapor d’água apresenta vários picos em

frequênciasespecíficas de

ressonância de suas moléculas



Atenuação por chuvas

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Atenuação por chuvas em enlaces terrestres -ITU-R

0

010

1

1

ddr

+=. )..( .)( 0100150

0 35 ReRd −⋅=

eff.. dkRA ⋅= α010010 010.eff rdd ⋅=

)S ou N(30 p/lat pA,A

)S ou N(30 p/lat pA,A0)plog,,(

.p

0)plog,,(.p

<⋅=

≥⋅=+−

+−

13908550010

04305460010

0070

120



Taxa de precipitação - metodologia tradicional

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Taxa de precipitação - nova metodologia

180 200 220 240 260 280 300 320

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

25

30

35

40

50

60

80

100

120

10080

60 50 50

60 50

15

20

25

20

15

10

5

10

15

20

25

30

35

40

50

60

60

80

100

100

100

80

5

10

10

15

20

10

1520

40

6060

60

60

30

40

30

25

20

15

10

30

35

40

50

60

80

100

120

30

100100

Latit

ude

Longitude

Figure 4 - Rain Intensity (mm/h) exceeded for 0.01% of the average year



Taxa de precipitação - classificação do CETUC

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Previsão da atenuação por chuvasBarueri - RIS

21.69 Km - 14.5290 GHz - V

percentage of time

atte

nuat

ion

(dB)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

450.

009

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0.08

0.09 0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9 1

measuredcetuc98itu-r



Desempenho de enlaces

Um enlace rádio é projetado para atender requisitos de desempenho que, para sistemas digitais, são expressos em termos da probabilidade de que determinadas taxas de bits errados ou taxas de blocos errados sejam excedidas na recepção.

A probabilidade de que uma determinada taxa de erro seja excedida (probabilidade de falha) depende da margem, geometria, freqüência de operação e polarização do enlace, dos parâmetros rádio climáticos e geográficos e de uma características do equipamento denominada assinatura, que por sua vez depende do tipo de modulação e da taxa de transmissão.

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Vários fatores são fonte de degradação de desempenho →estas degradações são decorrentes de fenômenos anômalosna atmosfera

Estes fenômenos são classificados quanto ao seu tempo de duração:

Variações lentas:• Variações do Fator k que levam: Desacoplamento das antenas, aumento do

grau de obstrução ou perda de visibilidade

Variações rápidas:• Dutos Troposféricos: Multipercurso Atmosférico

Soma-se a estes fenômenosChuva: importante para freqüências superiores a 8 GHz, aproximadamente



IndisponibilidadePeríodos de tempo em que enlace está “fora do ar”Hoje, são considerados como causadores de indisponibilidade:

Atenuação por Chuva;Despolarização por Chuva;Difração (variação lenta do fator k da Terra).

QualidadePeríodos de tempo em que o nível de sinal é de tal maneira baixoque degrada a qualidade do enlace, sem entretanto inviabilizá-loHoje, são considerados como causadores de degradação na qualidade:

Despolarização em céu claro (reflexões, espalhamentos)Efeitos rápidos e lentos já descritos, a menos de obstrução, categorizada como indisponibilidade


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Considera-se que o sistema está indisponível quando um determinado requisito de taxa de erro não é atendido por mais de 10 segundos consecutivos. Neste caso o tempo de não atendimento conta como tempo de indisponibilidade. Caso o evento seja de duração inferior a 10 segundos o tempo é contado como de não atendimento ao critério de qualidade.




Qualidade (Rec. ITU-R P.530-9)Cálculo dependente do tipo de hierarquia digital de transmissão utilizada. Hierarquia define, basicamente, agrupamentos de canais para formar taxas de transmissão maiores

PDH: Plesiochronous Digital Hierarchycritérios de qualidade definidos pela Rec. ITU-T G.821 ou pela Rec. ITU-T G.826

SDH: Synchronous Digital Hierarchycritérios de qualidade definidos pela Rec. ITU-T G.826 ;SDH é mais nova, permitindo maiores taxas de transmissão


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Qualidade (continuação)G.821Interesse no seguinte resultado final: percentagem do tempo em que determinado valor de taxa de erro de bit (BER - Bit Error Ratio, ou TEB -Taxa de Erro de Bit) é excedido devido aos efeitos que degradam qualidade, já descritos resumidamente.Este valor, padrão, pode ser 10-3 (para tráfego de voz) ou 10-6 (para tráfego de dados)

Ptotal = Ps + Pns + PXPonde:

Ps

- probabilidade de BER ser excedida por efeito seletivo em freqüência (devido a multipercurso). Crítico em canais banda larga

Pns

- probabilidade de BER ser excedida por efeito não seletivo em freqüênciaP

XP- probabilidade de BER ser excedida por efeito de despolarização do campo

elétrico em céu claro (reflexões e espalhamentos)




Qualidade (continuação)G.826Interesse no seguinte resultado final: percentagem do tempo em que determinado valor de taxa de erro de bloco (conjunto de bits) é excedido devido aos efeitos que degradam qualidade, já descritosresumidamente. Usa-se a denominação BLER (Block Error Ratio), ou mesmo BER

Medida da qualidade baseia-se nos seguintes conceitos:ES (Errored Second) - segundo onde há pelo menos 1 bloco errado ou

1 defeitoSES (Severely Errored Second) - segundo onde pelo menos 30% dos

blocos são erradosBBE (Background Block Error) - erro de bloco (EB) na ausência de efeitos de desvanecimento, devida exclusivamente ao equipamento


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Qualidade (continuação)G.826

definem-se os seguintes parâmetros de qualidade:

SESR - Severely Errored Seconds Ratio• taxa de transmissão define BER

SES-> limiar de BER que define a qualidade

quanto a SES

SESR = Ps + Pns + PXPonde as probs. são como já definidas, porém para BER

SES

BBER - Background Block Error Ratio• taxa de transmissão define RBER (residual BER) -> limiar de BER que

define a qualidade quanto a ES




Qualidade (continuação)G.826

BBER - Background Block Error Ratio (continuação)Ps , Pns , PXP e também SESR são utilizados para a obtenção de BBER

ESR - Errored Seconds Ratiocálculo obtido a partir de BBER e SESR

Definição de atendimento à qualidade para cada um dos três parâmetros (SESR, BBER e ESR)

projetista pode definir limiar crítico para cada um dos três ; oupodem ser utilizadas sugestões de limiares da própria UIT (Recs. ITU-R série F)


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Disponibilidade (Rec. ITU-R P.530-9)

Atualmente, calculada através da Rec. ITU-T G.821, tanto para PDH como para SDH

G.821calculada a margem do enlace para atendimento a uma taxa de erro de bit (BER) máxima de 10-3 , a indisponibilidade é definida pela percentagem de tempo em que a BER excede este valor devido aos efeitos que causam indisponibilidade, já descritos resumidamente e reapresentados adiante

G.826idem à definição para G.821, porém com relação à taxa de erro de bloco BER = BERses

Indisponibilidade é definida para três efeitos:atenuação do sinal devido à chuva;despolarização do campo elétrico devido à chuva;aumento da difração (maior atenuação do sinal) devido à variação, lenta, do fator k da Terra




Disponibilidade (continuação)Pode-se agrupar os cálculos de indisponibilidade total da seguinte forma:

indisponibilidade por difração

+maior valor entre indisponibilidade por despolarização e atenuação por chuva

De fato, a soma é uma boa aproximação, já que efeitos de chuva edifração em geral não são concorrentes :em freqüências onde a chuva é importante (> 8 GHz aprox.) não é usual se estabelecer enlaces difratados


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