5

Análise dos Dados e Resultados

Neste capítulo é descrita a campanha de medição realizada, o tipo de

modelagem adotada, os procedimentos utilizados para aquisição dos dados, e o

processamento de dados obtidos das medições.

Inicialmente será apresentada a descrição do modelo de canal de

transmissão SFN ISDB-T que se comporta como um sistema com diversidade de

sítio tendo em vista que os transmissores estão em localidades distintas. Como

ilustrado na figura 3.9 (seção 3.5), cada uma das componentes (percursos) do

canal representa a propagação entre o transmissor e o receptor SFN.

Foi considerado neste trabalho um cenário de recepção em conformidade

com a recomendação ITU-R BT.2035 apresentada anteriormente no capítulo 4, ou

seja, a recepção fixa utilizando uma antena externa direcional a alturas de 10m.

Como forma de comparação da eficácia do modelo de canal proposto, foi

considerado também a recepção fixa utilizando uma antena externa

omnidirecional com a mesma altura de recepção.

Como vimos na seção 3.4, a propagação através do canal escalar pode ser

modelada como a composição de três efeitos: a perda de propagação dependente

da distância, o desvanecimento lento onde as perdas de sombreamento dos canais

escalares são considerados independentes [24][25][26], e o desvanecimento rápido

(fast fading), portanto, serão apresentados dois tipos de análise das medidas,

considerando um canal SFN de banda larga. A primeira corresponde à análise das

medidas de intensidade de campo e da perda média de propagação. A segunda

visa fornecer uma análise estatística das medidas dos perfis de retardo para

verificar como o aumento do número de transmissores na SFN afeta parâmetros

intrínsecos do canal, tais como, o retardo médio e o retardo RMS [3].

71

5.1

Ambiente de Medições

Numa rede SFN é necessário prever o nível médio do sinal recebido para

uma distância de separação arbitrária entre cada par de transmissor e receptor.

Vimos que o desvanecimento em larga escala determina o valor médio da

amplitude do sinal recebido numa determinada área, entretanto, verifica-se que a

perda média no percurso cresce com a distância segundo uma lei de potência, cujo

expoente vai depender do ambiente e das condições de visibilidade ou obstrução.

Inicialmente, foi analisada a cobertura considerando apenas o sinal

proveniente do transmissor principal do Sumaré. É importante observar que,

apesar de existir mais do que uma contribuição do sinal desejado no receptor

produzindo ganho de diversidade, a pronunciada diferença de potência entre as

duas fontes transmissoras da rede bem como uma constante diferença de leitura,

superior a 19 dB, entre os níveis dos sinais dominantes (em visibilidade) nos

perfis medidos dos transmissores, torna praticamente desprezível a contribuição

do transmissor da Pena quando se utiliza uma antena altamente diretiva no

receptor [1].

Com base neste cálculo da perda de transmissão da fonte principal da rede

SFN, veremos na seção 5.4 que, comparativamente a um sistema de um único

transmissor, a rede SFN é capaz de oferecer múltiplas oportunidades para que o

receptor possa receber o sinal transmitido por diversas fontes quando a recepção é

feita com uma antena comercial de TV, de menor diretividade, ou com uma

antena omnidirecional, mesmo quando um dos transmissores está obstruído.

O sítio de medidas escolhido compreende uma região com um alcance de

até 26 km de raio, abrangendo os bairros da Barra da Tijuca, Recreio dos

Bandeirantes, Curicíca e Jacarepaguá, na cidade do Rio de Janeiro. Na figura 5.1,

pode-se ter uma visão de toda a região de teste. Observa-se que esta é rodeada por

morros com vegetação, muitos deles com mais de 300 metros. Essas formações se

apresentam como uma espécie de “bloqueio” natural para o sinal, além de serem

áreas não habitadas e de difícil acesso. Por esses motivos, tais áreas foram

descartadas, limitando a região de teste aos bairros já citados.

72

Outra característica da região, que se pode perceber observando a figura

5.1, é a presença de uma área considerável ocupada por lagoas que limitam,

também, a distribuição dos pontos de medida, além de influenciarem nas

características de propagação.

Figura 5.1 Região de medidas

A antena transmissora principal do Sumaré esta orientada com seu 0º no

azimute 345º, de forma a irradiar o máximo de potência sobre a área de cobertura

de interesse da emissora, na direção oposta o mar.

Com a finalidade de produzir um estudo mais criterioso, destacando as

principais características de relevo e seus respectivos graus de urbanização,

dividimos a área de cobertura da SFN através dos três principais bairros vistos na

figura 5.3 que são: Bairro de Jacarepaguá, Bairro da Barra da Tijuca e Bairro do

Recreio dos Bandeirantes. Note-se que o setor visto na figura 5.1 abrange os três

principais bairros do estudo e delimita a área em que estão localizados os pontos

de medição, onde existe a presença dos sinais irradiados pelos transmissores do

Sumaré e da Pena.

73

5.1.1

Bairro de Jacarepaguá

Na realidade, esta região do mapa abrange não somente o bairro de

Jacarepaguá bem como os bairros da Freguesia, Curicica, Pechincha e Cidade de

Deus. Pode se verificar, através de informações topográficas obtidas com o auxílio

do software de SIG (Sistema de Informações Geográficas) ArcGIS, gentilmente

cedido pela Faculdade de Geologia da Universidade Estadual do Rio de Janeiro

(UERJ/LAGEX), a presença de “irregularidades” no terreno, que apresenta

algumas formações montanhosas. Além da presença de irregularidades no terreno,

essa sub-região se caracteriza por uma área densa em construções e uma região de

descampado com ausência de construções. As construções, apesar de presentes em

grande número e em muitos casos pouco espaçadas são, em geral, de alturas

reduzidas, muitas delas com no máximo 3 andares e alguns prédios com 5

andares. Em número bem reduzido se encontram prédios mais elevados, que não

passam, porém, de 10 andares.

5.1.2

Bairro da Barra da Tijuca

Este bairro apresenta características bem próprias, não podendo ser

considerado como uma sub-região altamente urbanizada, nem tão pouco não

urbanizada. Sua topologia é bem plana e, nessa região, também se encontra grande

parte da lagoa de Marapendi. Suas características de urbanização estão ilustradas

de modo simplificado na figura 5.2. Nota-se que a quantidade de prédios bem

elevados é grande com construções de 25 andares, aproximadamente, presentes ao

longo dos 12 km de extensão, entretanto, sua ocupação não se dá de forma

uniforme, encontrando-se áreas pouco urbanizadas. Por se tratar de um bairro

predominantemente residencial, há a presença de muitas casas juntamente com os

prédios, principalmente em condomínios. A região é, assim, formada por “blocos”

com características semelhantes, intercalados com regiões não edificadas.

74

Figura 5.2 Urbanização do Bairro da Barra da Tijuca

5.1.3

Bairro do Recreio dos Bandeirantes

O último bairro que será estudado é o Recreio dos Bandeirantes, que

possui um relevo bastante semelhante ao da Barra da Tijuca, com terreno bem

plano e baixas altitudes.

Essa região, essencialmente residencial, é ocupada por prédios baixos (4

andares, em média) e casas com espaçamento praticamente uniforme como nas

cidades planejadas, entretanto, em seus dois primeiros quilômetros a partir do

ponto de referência das medições (P17), por se tratar de uma transição entre os

bairros da Barra da Tijuca e do Recreio dos Bandeirantes, há a presença de

condomínios residenciais de altos edifícios com mais de 20 andares. Essas

características de urbanização estão ilustradas de modo simplificado na figura 5.3.

75

Figura 5.3 Urbanização do Bairro do Recreio dos Bandeirantes

5.2

Análise da Perda Média de Propagação do Transmissor Principal

5.2.1

Dependência da Perda de Propagação com a distância

Como foi descrito no capítulo três, as medidas da intensidade de campo

foram realizadas na cidade do Rio de Janeiro, considerando a antena transmissora

principal da rede SFN localizada no bairro Sumaré. Na transmissão, o sinal gerado

pela da TV Globo corresponde ao padrão ISDB-T, que utiliza o canal 29 UHF

(com frequência central em 563,142857 MHz). As medidas de campo foram

obtidas em locais previamente definidos. Tais pontos estão localizados nas

principais ruas e avenidas dentro da área de cobertura da rede, conforme ilustrado

na figura 4.18. Com as medidas realizadas, é possível analisar dentre os modelos

de cobertura descritos anteriormente, no item 2.5 o que melhor se adequa ao

comportamento do sinal nesse ambiente.

Os testes foram realizados com a antena de recepção direcional, fixa à

altura de 10 metros, de acordo com o padrão de testes de estudos de recepção para

TV [21]. Os pontos de medições foram escolhidos de modo a abranger da melhor

76

maneira possível toda a região coberta pela rede. As medidas foram realizadas na

região de interesse até onde existia cobertura dos dois transmissores da SFN, em

diversas distâncias entre transmissores e receptor e diferentes condições de

sombreamento. Estas diferentes condições são impostas pelas diferenças de

topografia e de características de urbanização que podem ser encontradas na

região de teste e cobertura da rede.

Numa análise inicial dos dados, foi caracterizada a dependência do sinal

medido em relação à distância. O valor medido corresponde ao nível de sinal

recebido em dBµV/m, que foi utilizado para determinar a atenuação no percurso

para cada ponto. A dependência exponencial da perda de propagação média no

percurso é expressa por

/ (5.2)

onde, n quantifica quão rapidamente a perda no percurso cresce com a

distância. O parâmetro do define uma distância de referência e d é a distância entre

o transmissor e o receptor. A perda média no percurso, em dB, é expressa pela

perda desde o transmissor até uma distância de referência do, a qual é determinada

a partir de medições realizadas próximas ao transmissor e representa uma

distância de referência em espaço livre, que é dependente do ambiente de

propagação, mais uma perda adicional [12][18].

10 (dB) (5.3)

É importante observar que o modelo na equação (5.3) não considera o fato

que o conjunto de espalhadores em torno do ambiente podem não ser o mesmo em

dois locais diferentes, independente da distância entre transmissor e receptor ser

constante. Isto leva a sinais medidos que apresentam variações em relação ao

valor médio previsto pela equação (5.3). As medições mostraram que em

qualquer valor de d, a perda de propagação PL(d) em um determinado local

apresenta uma variação com distribuição log-normal (normal em dB) em relação

77

ao valor médio dependente da distância [38]. Podemos, portanto, expressar a

perda de propagação como:

10 (5.4)

onde Xσ é uma variável aleatória de uma distribuição Gaussiana com

média zero e desvio padrão σ, expresso em dB. Na nossa análise, utilizaremos a

seguinte expressão, incorporando o termo em log(d0) à constante:

10 A (5.5)

onde Ad é a atenuação por difração em múltiplos obstáculos [41]

A figura (5.4) ilustra uma comparação entre os dados medidos e os

previstos pela Recomendação 1546 em linha de visada. É também apresentada

uma reta que representa o valor da perda no espaço livre para comparação. O

gráfico da figura 5.4 correspondente aos pontos em linha de visada e a equação

que melhor ajustou os dados é a seguinte:

72,19 10 0,6107 A (5.6)

Como pode observado nesse gráfico da figura 5.4, os desvios dos erros

obtidos entre as perdas em espaço livre e os valores medidos refletem efeitos do

sombreamento causados pelos grandes obstáculos e diferentes obstruções

existentes entre o transmissor principal (Sumaré) e os pontos de medição. Como

foi visto na seção 3.8, esta forma de desvanecimento normalmente é modelada por

uma distribuição log-normal [7], como pode ser visto através da distribuição dos

erros ilustrada na figura 5.5.

78

Figura 5.4 Gráfico da perda no percurso em relação ao ajuste

Figura 5.5 Distribuição lognormal dos erros

Nota-se também que, devido à altura do transmissor do Sumaré, que está

obstruído para pontos próximos e em visibilidade apenas para pontos distantes, a

perda total de propagação apresenta uma tendência de redução com a distância,

contrariamente ao que é normalmente esperado, uma vez que esta perda também

leva em conta uma atenuação adicional por difração em múltiplos obstáculos,

ilustrada na figura 5.4, e que é decrescente com a distância. Como era de se

esperar, retirando-se esta componente de atenuação por difração dos valores

medidos a perda de propagação se torna crescente para pontos cada vez mais

79

distantes do transmissor principal. Conforme ilustrado na figura 5.6, isto ocorre

em função do ambiente, onde as medições foram realizadas apresentar

características bem próprias, tais como diferentes formas de obstrução causadas

pelo perfil do terreno montanhoso ou zonas de sombra precariamente cobertas

pelo diagrama de radiação próximo à antena transmissora.

Figura 5.6 Localização geográfica dos transmissores e pontos de recepção com

obstrução

5.2.2

Comparação com a Rec. ITU-R P. 1546-3

A segunda análise realizada com estes dados foi à comparação com as

previsões do método apresentado na Recomendação da ITU-R P.1546-3, que

permite obter o valor do campo pontual para diferentes valores de freqüência,

distância e percentagem de tempo, entre outros para permitir esta comparação, foi

utilizado um programa em Matlab desenvolvido anteriormente [28], que permite o

cálculo do valor de campo pela Recomendação ITU-R P.1546-3. A figura 5.7

ilustra a interface, mostrando a janela principal do programa. Esta interface

permite a entrada dos parâmetros requeridos, que são: distância, frequência, altura

do transmissor, altura do receptor, altura efetiva do transmissor (caso não se

80

disponha do perfil do terreno, a EIRP, o ganho da antena receptora, a percentagem

de tempo que o valor é excedido, o tipo de ambiente (rural, suburbano, urbano,

urbano denso), o nome e a localização do arquivo do perfil do terreno (duas

colunas no formato txt). Além destes parâmetros básicos para o cálculo do campo,

a recomendação permite obter correções do valor associadas ao ângulo de

visibilidade e ao tipo de ambiente.

Figura 5.7 Interface da ferramenta desenvolvida para cálculo do campo segundo a Rec.

ITU-R P. 1546-3

O programa foi utilizado para obter o valor do campo em cada um dos

pontos. Como entradas do programa temos a frequência em 563 MHz, a altura do

centro de fase (97m) da antena do transmissor principal localizado no morro do

Sumaré, a altura do receptor (23,4 m), a percentagem de tempo na qual o valor de

campo é excedido (50%), o perfil do enlace (contido num arquivo .txt), o tipo de

ambiente e as correções de ângulo de visada.

É válido destacar que o valor de campo recebido deve ser fornecido em

dBµV/m para uma potência de transmissão de 1 kW. Para podermos comparar os

valores medidos de potência recebida (dBm) com os valores de campo (dBµV/m)

calculados com a recomendação, foi necessário converter, proporcionalmente, a

potência de 6 kW do transmissor principal para 1 kW, visando estar em

81

conformidade com a Recomendação 1546, e aplicar a equação (5.12) aos valores

obtidos medidos.

⁄ 90 10 (5.12)

Os resultados obtidos são mostrados na figura 5.8, que mostra

comparações entre os valores medidos (em vermelho) e previstos pela

recomendação (em verde). Como pode ser observado, numa situação onde se

considera visibilidade para maioria dos pontos, existe uma razoável concordância

entre os valores medidos e previstos, embora o primeiro apresente um maior

espalhamento e o segundo subestime estes valores.

Figura 5.8 Comparação dos valores de campo medidos (em vermelho) e calculados (em

verde) com a ITU-R P. 1546-3

No que se refere à perda de transmissão, os resultados obtidos ilustrados

na figura 5.9, mostram comparações entre os valores medidos (em vermelho), os

valores da perda em espaço livre (em azul), e os valores previstos pela

recomendação 1546 (em verde). Como era de se esperar, devido ao terreno sobre

o qual se dá a propagação apresentar topografia variada, vegetação e construções

distribuídas de forma aleatória, os valores obtidos para perda de propagação em

espaço livre (em azul) foi menor do que a perda de transmissão medida (em

82

vermelho) para a maioria dos pontos. Com relação à Recomendação 1546,

verifica-se neste caso que os valores previstos tendem a superestimar os valores

medidos da perda de transmissão.

Figura 5.9 Comparação dos valores de perda de transmissão medidos (em vermelho),

calculados (em verde) com a ITU-R P. 1546-3 e em espaço livre (em azul)

Uma maneira de fazer uma comparação quantitativa é analisando as

estatísticas do erro para o modelo em relação aos valores medidos. O erro (e) e o

erro absoluto (E), entre as previsões são calculados, para cada ponto, por:

(5.8)

onde é o campo elétrico previsto por um determinado modelo e é o

campo médio para cada ponto. O erro médio e o erro médio absoluto são

calculados a partir da equação (5.9) por:

∑

∑ (5.9)

83

onde N é o número de pontos. O desvio padrão absoluto, σ, é calculado a

partir do erro absoluto e do erro médio absoluto por:

∑ (5.10)

O erro RMS é uma associação dos dois parâmetros anteriores. Assim,

usando as equações (5.9) e (5.10), tem-se:

(5.11)

Deste modo, uma análise utilizando o nível médio de sinal recebido em

cada ponto foi realizada, comparando-se os valores medidos com os previstos pelo

método apresentado na recomendação da ITU-R P.1546-3, que permite obter o

valor do campo pontual em função da frequência, distância, percentagem de

tempo e perfil do enlace. Assim, os resultados apresentaram um erro médio de -

11,5 dB, erro médio absoluto de 11,63 dB, desvio padrão de 9 dB e valor rms de

14,7 dB.

5.2.3

Ganho e Melhoria de Diversidade da SFN

Convencionalmente, para os sistemas de transmissão ponto a ponto, a

variação de intensidade do sinal é medida pela perda de percurso,

que descreve a dependência do sinal com a distância e é definida como

PL 10 (5.12)

onde, PL é a perda de percurso, d é a distância entre transmissor e

receptor, Pt e Pr são, respectivamente, os valores da potência transmitida e

recebida. Gt e Gr são, respectivamente, os ganhos das antenas transmissora e

receptora.

84

Numa rede SFN, no entanto, onde múltiplos transmissores distribuídos são

utilizados para transmitir os mesmos sinais para cada usuário num mesmo canal

de frequência, uma distância comum (d) entre um usuário específico (ou

ponto de recepção) e o transmissor (ou ponto de transmissão) não pode ser

definida [29]. Deste modo, o conceito da perda de percurso não seria adequado no

caso de uma SFN, pois a potência recebida não poder ser definida como Pr (d) e

sim como Pr (d1, d2,..., dN), caso existam N transmissores presentes.

Para caracterizar a variação da intensidade do sinal neste caso, o conceito

de perda de transmissão na SFN é introduzido a fim de ampliar o conceito da

perda de percurso, definido como a relação entre a potência recebida de um

receptor numa determinada posição e a soma da potência efetiva de todos os

transmissores da rede SFN. Em outras palavras, este parâmetro indica a relação

entre a potência recebida, que será influenciada pelo número de transmissores e

pela configuração dos mesmos, e a potência total transmitida por todos os

transmissores da rede.

A perda de transmissão na SFN é então expressa como

10 , , , (5.13)

onde N é o número de transmissores da SFN.

Nota-se que quando N =1 a equação (5.13) reduz-se à equação (5.12), de

modo que o parâmetro da “perda de transmissão na SFN” é uma generalização da

“perda de percurso” [29].

A Fig.5.10 mostra a distribuição cumulativa da perda de transmissão

calculada com base nos dados medidos na SFN Sumaré-Pena e a comparação com

os resultados para um único transmissor (Sumaré).

85

Figura 5.10 Distribuição cumulativa da perda de transmissão na SFN e cenários com um

transmissor (Sumaré)

Observa-se que a perda de transmissão na SFN, calculada pela expressão

(5.13), é significativamente menor do que no caso de um transmissor. Como foi

visto na seção 5.4, em alguns pontos existe grandes obstáculos para o sinal do

transmissor principal (Sumaré). De acordo com a figura 5.6, devido à obstrução

do sinal transmitido pela fonte do Sumaré, podemos observar perdas mais

elevadas em pontos medidos que estejam mais próximos do site principal, ou seja,

para os pontos onde o sinal do Sumaré se encontra mais atenuado pelas

obstruções, obtivemos uma diferença de perda de transmissão entre SFN e o

cenário de um único transmissor superior a 20 dB, considerando uma

probabilidade de 10%. Para 90% de probalidade, a diferença na perda de

transmissão cai para cerca de 5 dB.

O segundo e terceiro gráficos da figura 5.10 mostram o ganho e a melhoria

de diversidade obtidos pelo uso da SFN, definidos por:

(dB) (5.14)

e

86

(5.15)

onde p denota probabilidade.

A melhoria ou ganho trazidos pela SFN são maiores onde essas perdas

causadas pelo bloqueio do sinal do transmissor principal são mais significativas.

Por outro lado, o gráfico da melhoria SFN é a razão entre distribuições

cumulativas de probabilidades da SFN e um único transmissor. É possível,

também, observar que esta razão vai se tornando menos significativa com o

aumento das perdas do sinal do transmissor principal.