ACalculo de Enlace

Para um melhor entendimento das equacoes a seguir, e utilizada a

nomenclatura abaixo:

xERB posicao da ERB no eixo x;

yERB posicao da ERB no eixo y;

β direcao de maximo apontamento da antena da estacao transmis-

sora ERB, tendo como referencia o norte (eixo y);

xTU posicao do terminal do usuario no eixo x;

yTU posicao do terminal do usuario no eixo y;

α direcao entre a estacao transmissora ERB e a estacao receptora do

terminal do usuario;

φ angulo formado entre a estacao transmissora ERB e a estacao

receptora do terminal do usuario.

A.1Calculo da Distancia

A figura A.1 representa a localizacao de uma antena da estacao

transmissora ERB e uma antena receptora do terminal do usuario.

A distancia do enlace de radio comunicacao entre a estacao radio base

e o terminal do usuario e a distancia euclidiana entre dois pontos, calculada

atraves da equacao A-1:

d =

√

(xERB − xTU)2 + (yERB − yTU)2

1000(A-1)

Angulo de Apontamento da Antena 71

XTU

YTU

X

Y

dir. antena ERB

TUdist.

XTU - XERBXERB

YERB

YTU - YERB

Figura A.1: Distancia do enlace

A.2Angulo de Inclinacao do Enlace

Na localizacao da estacao radio base, o angulo de inclinacao, denomi-

nado α e angulo formado pelo eixo norte e a reta que liga a estacao radio

base ao terminal do usuario e e calculado pela equacao A-2:

α = 90− tan−1

(

yTU − yERBxTU − yERB

)

(A-2)

No calculo do enlace reverso, e utilizado o angulo de inclinacao,

denominado α′

, formado pelo eixo norte e a reta que liga o terminal do

usuario e a estacao radio base.

α′

=

{

180 + α se α 6 180;

α− 180 se α > 180.(A-3)

A.3Angulo de Apontamento da Antena

O angulo de apontamento e o angulo da direcao de maximo ganho da

antena, representado na estacao radio base como β. No terminal do usuario,

este angulo representa a direcao de apontamento para o melhor servidor,

sendo assim β′

= α′

Angulo na Direcao do Enlace 72

A.4Angulo na Direcao do Enlace

Este angulo e formado pela reta do enlace e da direcao de apontamento

da antena. A partir deste angulo e obtido o valor das perdas de irradiacao

nesta direcao e consequentemente do ganho da antena.

O valor deste angulo depende da localizacao da estacao radio base e

do terminal do usuario. Na figura A.2(a), temos que α > β, entao φ = α−β.

Porem na figura A.2(b) α < β entao φ = 360 + (α− β).

XTU

YTU

ERBX

Y

dir. antena ERB

α

β

ϕ TU

(a) Angulo alfa maior do que beta

XTU

YTU

ERBX

Y

dir. antena ERB

αβ

ϕ

TU

(b) Angulo alfa menor do que beta

Figura A.2: Angulo de inclinacao do enlace direto

Ganho da Antena 73

Resumidamente o angulo entre a antena transmissora ERB e a antena

receptora do terminal do usuario e calculado pela equacao A-4:

φ =

{

α− β se α > β;

360 + (α− β) se α < beta.

(A-4)

A.5Diagrama de Intensidade de Campo

E a representacao grafica da distribuicao espacial da intensidade de

campo da antena.

A figura A.3 apresenta o diagrama de radiacao na forma polar da

intensidade de campo no plano horizontal de uma antena de 90◦ de abertura,

utilizada na estacao transmissora ERB. Esta antena apresenta um ganho

maximo de 16 dBi.

Consultando o angulo φ, obtido em A-4 no diagrama de radiacao da

antena, obtem–se o valor do ganho na direcao φ, pela equacao A-5:

A.6Ganho da Antena

O ganho da antena e definido como a relacao entre a energia irradiada

na direcao do maximo do diagrama de radiacao desta antena e a que

seria irradiada por uma antena isotropica ideal em uma direcao qualquer,

supondo que as duas irradiem a mesma potencia total (considerando todas

a direcoes).

Quanto maior o ganho da antena, maior a disponibilidade, ou seja,

maior o percentual de tempo em que o enlace de comunicacao e opera-

cional sem sofrer disturbios atmosfericos. Antenas com ganho elevado sao

geralmente utilizadas em enlaces do tipo ponto–a–ponto nas instalacoes do

terminal do usuario. As antenas utilizadas pelas estacoes radio base sao

setorizadas e possuem ganho inferior ao do terminal do usuario.

A vantagem em utilizar antenas de ganho elevado e a disponibilidade

elevado do sistema, porem traz como desvantagem o fato de que quanto

mais elevado e o ganho, mais diretiva, ou seja, mais estreito e o feixe de

comunicacao da antena.

Direcao do Melhor Servidor 74

Figura A.3: Diagrama de antena de 90◦

Para as antenas transmissoras das ERBs foram utilizadas antenas de

90◦, 60◦ e 45◦. E no terminal do usuario foram utilizadas antenas de 5◦.

A.7Discriminacao de Polarizacao Cruzada

E a ”isolacao”do sinal de uma polarizacao em relacao a outra, na

mesma antena. A discriminacao de polarizacao cruzada refere–se a habili-

dade de um dispositivo de alimentacao detectar os sinais de uma polaridade

e rejeitar os sinais que estejam em polarizacao oposta.

A.8Direcao do Melhor Servidor

A direcao do melhor servidor e o apontamento da antena do terminal

do usuario na direcao da estacao radio servidor do sinal desejado.

Direcao do Melhor Servidor 75

As figuras A.4(a) e A.4(b) apresentam uma configuracao do enlace de

comunicacao entre um terminal do usuario e a estacao radio base melhor

servidor.

A.8.1Ganho do terminal do usuario

O ganho do terminal do usuario em uma direcao qualquer e calculado

atraves da relacao entre o ganho maximo da antena e as perdas de irradiacao.

Na direcao de melhor servidor corresponde ao ganho maximo da antena

GR(0). E calculado atraves da expressao A-5

G(φ) = G(max)−∆G(φ) (A-5)

Direcao do Melhor Servidor 76

XTU

YTU

ERBj X

Ydir. antena ERBinterferente

αj

βj

ϕj TU

dir. antena TUdir. melhor servidor

β’

α’

ϕ’

Y

αi

ERBi X

Y

α’ > β’

βi

ϕi

(a) Angulo α′

> β′

XTU

YTU

ERBjX

Y

dir. antena ERB

interferente

αj

βj

ϕj TU

dir. anten

a TU

dir. melho

r servidor

β’

α’ϕ’

Y

αi

ERBi X

Y

α’ < β’

βi ϕi

sinal interferente

(b) Angulo α′

< β′

Figura A.4: Angulo de apontamento do melhor servidor

BImplementacoes e Aplicacoes

B.1Descricao do Programa Para O Calculo da Relacao S/I

Neste trabalho foi desenvolvido uma ferramenta computacional com

a finalidade de simular o calculo de cobertura, de capacidade e da disponi-

bilidade de sistemas de radio acesso em banda larga utilizando os modelos

de previsao de atenuacao por chuvas do ITU-R e do CETUC, incluindo

tambem efeitos de atenuacao diferencial.

A ferramenta e denominada BWAS (Broadband Wireless Access Sys-

tem) e foi desenvolvido para trabalhar em ambiente Windows utilizando

o software Matlab c©. Para tornar o simulador mais amigavel e intuitivo

foi desenvolvida uma interface grafica no padrao MS Windows buscando

simplicidade e facilidade de uso.

B.2Telas do Simulador

A tela principal do simulador (fig. B.1) e ativada apos digitar bwas

na linha de comando do Matlab. Esta tela possui alguns componentes que

auxiliam o usuario na simulacao.

O menu principal na parte superior da tela apresenta funcoes que

podem ser escolhidas pelo usuario, dependendo de alguns estados que sao

verificados pelo simulador. Assim algumas opcoes no menu podem nao

estar disponıveis. Por exemplo, o menu graficos nao pode ser acessado se

nao houver um cenario carregado na tela e se a simulacao nao tiver sido

executada.

A esquerda da tela apresenta uma caixa de texto informativo onde

sao exibidas informacoes a respeito da simulacao e dicas. Durante a fase

de processamento e exibido um contador do numero de iteracoes que

Abrir Cenario 78

corresponde a quantidade de enlaces entre estacao radio base e terminal

do usuario.

O eixo ordenado X-Y apresenta a disposicao fısica das estacoes radio

base em um cenario hipotetico. Optou-se por um cenario hipotetico devido

as complicacoes em implementar um sistema de mapas com latitude e

longitude sem recorrer a funcoes de cartografia no Matlab.

Os terminais do usuario nao sao exibidos nesta tela pois, se assim

fossem, dificultariam a localizacao das ERBs. Os terminais do usuarios

podem ser visualizados em outra tela.

Figura B.1: Tela inicial do simulador

B.3Abrir Cenario

O sistema bwas permite abrir cenario de estacoes radio base para rodar

as simulacoes. Estes cenarios sao arquivos texto (extensao txt), armazenado

no diretorio erb. Este arquivo e uma tabela composta de n linhas, onde cada

linha corresponde a uma estacao radio base e um numero fixo de colunas

representando informacoes para a plotagem das ERBs e dados utilizados na

rotinas de simulacao.

Abrir Cenario 79

O cenario e carregado a partir da opcao Abrir cenario de estacoes

radio base (figura B.2 no menu arquivo. Quando um cenario e carregado,

informacoes da dimensao do mapa e resolucao tambem sao carregadas e nao

podem ser alteradas.

Figura B.2: Menu arquivo

A figura B.3 apresenta a janela abrir cenario de estacoes radio base,

onde os arquivos com informacoes sobre os cenarios estao disponıveis.

Figura B.3: Abrir cenario de ERB

B.3.1Representacao Grafica do Cenario

A figura B.4 e a representacao grafica de um cenario de ERBs. Neste

caso uma configuracao formada por 64 estacoes radio base dividas em 4 sites

com setores de 90 ◦ utilizando polarizacao vertical.

B.3.2Escolhendo o Resultado da Simulacao

Assim que e escolhido o cenario de simulacao, o sistema apresenta

janela, figura B.5, onde sao guardados os resultados da simulacao. Os resul-

tados sao armazenados em pastas, representado a corbertura do sistema. O

Abrir Cenario 80

Figura B.4: Configuracao de ERB do tipo 4 x 4, utilizando antenas setorizadas de 90 ◦

com polarizacao vertical

nome do arquivo de resultados esta vinculado ao nome do cenario aberto.

Caso o resultado exista, ha a possibilidade de carrega–lo ou entao executar

nova simulacao. Por convencao existem dois tipos de arquivo de acordo com

o resultado que se deseja analisar:

Figura B.5: Lugar que armazena resultados da simulacao

– ∗.01 – simulacao em evento de chuva – modelo ITU-R;

– ∗.02 – simulacao em evento de chuva – modelo CETUC;

Simulacao 81

B.4Exibindo os Terminais do Usuario

Apos o cenario ter sido carregado e possıvel visualizar os terminais

atraves da opcao exibir terminais no menu principal. A figura B.6 apresenta

um zoom de uma area do mapa com alguns pontos representando terminais

do usuario. No parte superior da tela e possıvel visualizar o numero total

de pontos existentes neste mapa. Nesta configuracao ha um total de 63001

pontos, representando uma resolucao de 200 pontos sobre uma area de 50

x 50 km.

Figura B.6: Menu principal

B.5Simulacao

As simulacoes sao realizadas acessando o menu Simular e podem ser:

– Modelo ITU–R – Metodo de previsao para a atenuacao por chuva do

ITU-R P.530-7, para climas temperados;

– Modelo CETUC – Metodo de previsao para a atenuacao por chuva do

CETUC, para climas tropicais e equatoriais;

ambas fazem chamada a tela de entrada, mostrada na figura B.7, onde

valores de clima e chuva sao utilizados durante os calculos.

Devido a resolucao utilizada, isto implica na quantidade de terminais

do usuario que estao na tela, e do numero de ERBs, o processamento pode

demandar um tempo elevado para ser concluıdo. Durante os calculos da

simulacao, o software apresenta uma barra de progresso que evolui durante

Simulacao 82

Figura B.7: Dados de entrada de clima e chuva

Figura B.8: Barra de progresso

a execucao. As simulacoes executadas no capıtulo B.8 levaram em media

aproximadamente 8000 segundos.

Ao final da simulacao, o software apresenta a opcao de salvar os

resultados para posterior analise. A figura B.9 e B.10 apresentam as janelas

para salvar o resultado. O resultado e salvo na pasta contendo o nome

cobertura a qual foi executada a simulacao e o nome do arquivo de resultado

e o nome do cenario.

Figura B.9: Salvar resultado

Capacidade 83

Figura B.10: Janela mostrando onde resultados sao salvos

B.6Graficos

Quando a simulacao e concluıda, os resultados podem ser visualizados

na forma de graficos. Os graficos disponıveis sao:

– melhor servidor;

– polarizacao;

– sinal–interferencia.

O grafico de melhor servidor apresenta a cobertura em condicoes de

ceu claro e de chuva para a disponibilidade em analise.

A relacao sinal–interferencia e apresentada em tres graficos, correspon-

dendo a condicoes de ceu claro, chuva e degradacao total.

B.7Capacidade

A capacidade e calculada para cada terminal do usuario no mapa

com base nos valores da relacao sinal–interferencia em ceu claro, se-

gundo a equacao 2-2. Para calcular a capacidade e necessario obter o va-

lor da eficiencia espectral maxima comparando o valor da relacao sinal–

interferencia do terminal do usuario com valor na tabela 2.1.

Ao final, o software apresenta um histograma com os valores de taxa

calculado em Mbps e o percentual de area que pode ser atendido por esta

taxa.

Capacidade 84

A figura B.11 mostra a tela de entrada de valores utilizados para o

calculo da capacidade.

Figura B.11: Dados de entrada para calculo de capacidade

CFluxugramas

As figuras C.1, C.2, C.3, C.4, C.5 e C.6 apresentam os fluxugramas

principais com as funcionalidades do algoritmo do simulador bwas.

Executarsimulação

Calcularcapacidade

Exibirgráficos

Possui simulação?

Abrir cenário

Fim

Início

Figura C.1: Fluxograma do programa principal

Fluxugramas 86

Início

Calculardistância ERB_TU

Calcularangulo ERB_TU

α > 0? α = 360 + αN

S

α > β?N ϕ = 360 + (α - β)

S

ϕ = α - β

ϕ < 0? ϕ = 360 + ϕS

N

ϕ > 360?S

ϕ = ϕ − 360

1

Figura C.2: Fluxograma do algoritmo de simulacao – parte 1

Verificar antenada ERB

pol = H?S

N

1

Verificar freqüênciade operação

Verificar pol.da ERB

pol = 1

pol = 2

Ler ganho máximoe diagramas de irradiação

Calcular perdasde campo da antena

Cálcular ganhona direção ϕ

2

Figura C.3: Fluxograma do algoritmo de simulacao – parte 2

Fluxugramas 87

Calcular potênciaefetivamente irradiada

Calcular atenuaçãode espaço livre

Calcular atenuaçãoespecífica de gases

Calcular atenuaçãoem céu claro

Calcular atenuaçãode chuva

Calcular nível do sinalrecebido em céu claro

Calcular nível do sinalrecebido em evento de chuva

Escolher melhor servidor

2

3

Figura C.4: Fluxograma do algoritmo de simulacao – parte 3

3

4

Calcular ganhoda antena do TU

Calcular ângulo entreNorte e o enlace

α’ > 360?S

N

α’ = α’ - 360?

Calcular ângulo deapontamento da antena do TU

Calcular direção deapontamento do ganho da antena

Ler tipo deantena do TU

Ler ganho máximo ediagrama de irradiação

Calcular perdas de campo da antena

Calcular ganhona direção ϕ∋∋

Calcular RSLlimiar

Calcular sinal recebidono TU em céu claro

Figura C.5: Fluxograma do algoritmo de simulacao – parte 4

Fluxugramas 88

4

S

N

Calcular sinaisinterferentes

ERB na mesmafreqüência?

ERB na mesmapolarização?

Calcularinterferência

N

inteferencia_db = intereferencia_db - xpd

Calcular interferência em mw

Somar interferência em mw

Converter interferência para dB

Calcular S/I

Fim

Figura C.6: Fluxograma do algoritmo de simulacao – parte 5

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