Modelos de Propagação - TG - TELECOMMUNICATION GROUPtele1.dee.fct.unl.pt/csf_2003_2004/folhas/Introducao.pdf · Propagação em espaço livre / fórmula de Friis 3. ... Classificação

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Comunicação sem fios

Livros recomendados

“Wireless Communications, Principles & Practice”, Theodore S. Rappaport, Prentice Hall Communications Engineering and emerging Technologies Series, 1999.

“UMTS Networks Architecture, Mobility and services”, Heikki kaaranen, Ari Ahtiainen and Laurie Laitinen, John wiley and Sons.

“802.11 Wirelless networks the definitive Guide”, Matthew s. Gast, O’Reilly, 2002

“GSM, Switching, services and protocols”, Jörg Eberspächer and Christian Bettstetter, 2ª Edição.

Leitura suplementar

Mobile Cellular Telecomunications Systems, William C. Y. Lee, McGraw-Hill Book Company, 1990.

Mobile Radio Communications, Raymond Steele, PentechPress Publishers-London, 1992.

Communications systems, A. Bruce Carlson, McGraw-Hill, 2001.

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Programa Detalhado

1. Introdução.1. Evolução das comunicações móveis2. Arquitectura típica duma rede rádio móvel3. Sistemas de rádio móvel privado

2. Conceitos fundamentais no planeamento celular1. Reutilização de frequências2. Estratégias de atribuição de canais3. Métodos de Handoff4. Interferência5. Co-canal6. Canal adjacente7. Técnicas para redução de interferências8. Impacto da interferência na capacidade do sistema9. Técnicas para melhoria da capacidade10. Padrões celulares / plano de frequências11. Sectorização e ajuste contínuo de potência12. Conceito de alocação dinâmica de canais13. Divisão de células14. Microcélulas

3. Aspectos de propagação1. Fenómenos que condicionam a propagação2. Propagação em espaço livre / fórmula de Friis3. Reflexão especular e dispersão em superfícies

rugosas

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4. Estimação do sinal em “terra plana”5. Difracção em obstáculos6. Efeito de Doppler7. Modelos de propagação8. Modelos empíricos e deterministas9. Classificação dos ambientes de propagação10. Modelo de Okumura-Hata11. Propagação multi-percurso12. Desvanecimento lento e rápido13. Estatísticas do desvanecimento em comunicações

móveis

4. Transmissão em comunicações móveis1. Conceitos fundamentais2. Modulações digitais3. Códigos de linha4. DEP e largura de banda5. Modulações de fase6. BPSK7. DPSK8. QPSK e OQPSK9. Estruturas de emissão e recepção10. Modulações de envolvente constante11. FSK, MSK12. GMSK13. Codificação de canal14. Códigos de blocos

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16. Códigos convolucionais17. Turbo códigos18. Estruturas de recepção 19. Equalização20. Diversidade

5. sistemas1. O sistema GSM (Global System for Mobile

Communications)2. Características dos sistemas GSM e DCS 18003. Topologia e componentes da rede GSM4. Tipos de canais5. Técnicas de acesso múltiplo (FDMA/TDMA)6. Encriptação 7. Estrutura das tramas GSM8. Procedimentos de handover e rooming9. Estabelecimento e encaminhamento de chamadas

6. UMTS (Universal Mobile Telecommunications System)

1. Evolução para os sistemas de comunicações móveis de 3ª geração

2. Tecnologia do sistema UMTS3. Técnicas de acesso4. UTRAN5. Serviços móveis de banda larga suportados em UMTS

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6. Redes Locais Wireless1. Introdução à norma 802.112. Tecnologia e características gerais3. Critérios de dimensionamento de células/capacidade4. Canal físico e estruturas de dados 5. Integração com redes de comunicações móveis

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Evolução das Comunicações MóveisO conceito de comunicação rádio móvel engloba todas as situações onde o equipamento terminal..0 tem liberdade de movimento.

• 1880 - Hertz mostra que a propagação de ondas electromagnéticas é possível em espaço livre.

• 1895 - Marconi estabelece contacto rádio ao longo de alguns quilómetros utilizando duas antenas elevadas.

• Anos 30 - Sistemas móveis são usados por diversas unidades policiais norte-americanas e em aplicações radio-navais. Estes sistemas destinam-se à cobertura de áreas restritas, não permitindo transferencia de chamadas entre estações base (EB)

• Anos 70 - Os laboratórios Bell introduzem o conceito desistema celular com as seguintes características:

− Divisão da área de serviço em células.

− Utilização eficiente do espectro fazendo reuso de frequências.

− Permitir uma grande capacidade de assinantes.

− Cobertura de grandes áreas com transferencia de chamadas entre EBs.

− Adaptabilidade à densidade de tráfego (ex :em áreas de elevada concentração de tráfego as células devem ser mais pequena).

− Permitir expansão modular à medida que o mercado cresce.

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− Os sistemas de telefone celular baseiam-se no princípio da reutilização de frequência: os canais usados para cobrir uma dada célula, são usados noutra suficientemente afastada, de modo a manter a interferência co-canal dentro de limites razoáveis.

• 1ª GERAÇÃO: Sistemas analógicos baseados na tecnologia de acesso por divisão na frequência (FDMA), com um canal por portadora. Disponibilizam o serviço de voz, com o desenvolvimento de MoDems passou a ser possível transmitir dados em sistemas de comunicação analógicos.

− Alguns sistemas analógicos: AMPS (Advanced Mobile Phone System - EUA), NMT (Nordic Mobile Telephone) e o TACS (Total Access Communication System - Europa).

− Actualmente os telefones analógicos sem fios (CT-Cordeless Telephones) são usados essencialmente em áreas residenciais onde o cabo de ligação é substituído por uma ligação rádio.

• 2ª GERAÇÃO: O aumento da capacidade de integração dos circuitos digitais conduziram ao desenvolvimento de standardscelulares digitais baseados na tecnologia de acesso por divisão no tempo (TDMA) e em técnicas de modulação digital.

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− O IS-54 foi desenvolvido nos EUA para coexistir com o AMPS.− O GSM (Global System for Mobile communications na banda dos

900 MHz) e a sua versão deslocada na frequência (DCS 1800 -Digital Cellular System a 1800 MHz), permitindo taxas de transmissão de 270.8 Kbps, foi adoptado em mais de 90 países.

− Na Europa desenvolveu-se o standard DECT (Digital European Cordeless Telecommunications) visando sistemas residenciais, sistemas públicos de telefones sem fios e redes de área local. Ostandard DECT permite para além dos serviços de voz e fax, serviços de videotelefonia, multimédia e internet.

− O Japão desenvolveu o PHS (Public Handyfone System) visando uma gama de aplicações semelhante às do DECT.

• 3ª GERAÇÃO: As crescentes necessidades de elevadas taxas de transmissão para suportar serviços de banda larga levou a que noinicio dos anos 90 o ETSI (European TelecommunicationsStandards Institute) desenvolvesse o standard europeu UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) que suporta ritmos de transmissão até 2 Mbps. O objectivo é estender os serviços de banda larga disponíveis na rede fixa ISDN aos utilizadores móveis.

− Neste momento desenvolvem-se sistemas com células de raios de dezenas ou centenas de metros, pensados para cobrir pequenas áreas (interior de edifícios, túneis, caves) e com taxas de transmissão que podem ir aos 155 Mbps. Por outro lado, os desenvolvimentos na área das comunicações móveis via satélite emórbitas de baixa altitude vem garantir a mobilidade global em todas as regiões do planeta.

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−Sistemas actualmente em funcionamento:

Sistema Início de operação Banda [MHz]Largura de banda [MHz] PaísesNAMTS 1978 900 25 JNMT-450 1981 450 25 A,B,DK,F,SF,ICL,E,NL,S,N,LAMPS 1983 900 30 USA,CAN,AUS,NZC-450 1985 450 20 D,PTACS 1985 900 25 UK,IRL,I,AR2000 1985 200 12.5 FRMTS 1985 150 INMT-900 1996 900 12.5 NL,N,DK,SF,S,CHGSM 1991 900 25 Toda Europa, ...DCS-1800 1994 1800 25 UK, D, PPHS 1995 1800 JQ-CDMA 1996 1800 USA, HK

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Processo de desenvolvimento das Comunicações Móveis Celulares

− Em Portugal o mercado da telefonia móvel registava 2 milhões de clientes em Junho de 1998 e uma facturação superior a 100 milhões de contos. A taxa de penetração situa-se nos 24 %.

• MobilidadeA mobilidade dos utilizadores implica dois aspectos essenciais:

− Processo de handover : Manutenção de uma ligação estabelecida quando o utilizador se desloca entre células do mesmo sistema rádio-móvel.

− Processo de roaming : Assegura a utilização dos serviços independentemente da localização da estação móvel (EM) e da redeque serve o utilizador (subscritor).

Mais utilizadores

Maior capacidade

Diminuição do tamanho das células

Menor potência a transmitir

Equipamento de menor consumo

Instalação e utilização mais simples

Custos menores e novos serviços

Terminais mais compactos

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• Arquitectura típica duma rede celular

− MSC (Mobile Switching Center): centro de comutação e controlo do sistema móvel. Coordena a alocação de recursos rádio e os procedimentos de registo de localização e handover.

− PSTN (Public Switched Telephone Network): centro de comutação da rede telefónica pública.

− As células estão agrupadas em áreas de cobertura controladas porMSCs diferentes. As EBs estão ligadas ao MSC por cabo ou através de feixes de microondas.

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Sistemas de Rádio Móvel Privado• Num sistema típico a estação base comunica, em áudio, com um

certo número de móveis, veículos ou portáteis, usando a mesma antena para emissão e recepção.

• Os utilizadores são: empresas de transporte, militares, serviços de segurança, serviços de emergência, ...

• Os sistemas não funcionam em duplex, existindo um interruptor.

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• As frequências disponíveis para os sistemas de rádio móvel privado estão nas bandas: [70, 87] MHZ; [148, 174] MHZ; [406, 470] MHz

• O grande número de utilizadores, e o tráfego baixo associado a cada um, impõem uma gestão rigorosa do espectro disponível.

• Actualmente só se usam modulações analógicas :− em VHF pode usar-se AM ou FM− em UHF só pode usar-se FM− Cada portadora é ocupada por um só canal de voz.

− Fig SF 2/2

• Os sistemas de rádio móvel privado são operados em simplex ou em alternado.

• O simplex é caracterizado por:− Todas as unidades se escutam entre si (usam o mesmo canal rádio).− A estação base é única e está num local elevado para garantir uma

boa cobertura.

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− Sistemas usados para cobrir pequenas áreas e requer disciplina eexperiência na utilização.

• No sistema alternado :− Os móveis não se podem escutar entre eles.− Pode usar-se mais do que uma estação base.− Cada subárea é coberta por pares de frequências distintas

(ascendente e descendente).− Os móveis têm que seleccionar os canais de acordo com a região

onde pretendem comunicar.

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Sistemas de Telemensagem (paging)

• Os sistemas de telemensagem permitem o envio de mensagens a um grande número de utilizadores.

• Os sistema tem a grande vantagem de requerer receptores baratos,pequenos, leves e fáceis de transportar.

• A cada receptor é atribuído um endereço, podendo haver endereçoscomuns a grupos de receptores, ou um receptor ter vários endereços.

• A mensagem é transmitida simultaneamente (simulcasting) por todas as EBs do sistema.

• As bandas de frequência que estão atribuídas são as de 160 MHz, 470 MHz e 930 MHz.

• A cobertura pode estender-se a uma cidade, região ou país.

• As mensagens têm origem na rede pública de telecomunicações e podem não ter transmissão imediata.

• Os receptores estão sujeitos a especificações que podem ser severas devido às limitações de peso e tamanho.

• As antenas dos receptores são espirais enroladas na caixa ou em torno de uma ferrite.

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• As antenas dos receptores são espirais enroladas na caixa ou em torno de uma ferrite.

• A potência dos emissores depende do tipo de sistema, podendo atingir 1 kW, os ritmos de transmissão são baixos (2,4 Kbps no protocolo POGSAG).

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Sistemas Celulares• Divisão celular permite minimizar:

• Problema da congestão espectral.• Problema da capacidade.

• Baseado em transmissores de baixa potência a cobrir áreas restritas. Cada célula tem um conjunto de frequências distintas das utilizadas nas células adjacentes, isto permite:

• Minimizar a interferência de canal adjacente• Minimizar a interferência co-canal• Reutilizar de frequências, desde que o planeamento das antenas seja o

adequado• Aumento da capacidade do sistema sem aumento da ocupação espectral

Reutilização de frequênciasConceitos:• Célula formada pela estação base e grupo de frequências alocadas

para a zona onde se pretende fornecer cobertura• Potência empregue de maneira a que a cobertura se limite quanto

possível às fronteiras da célula, o que permite a reutilização das frequências utilizadas numa célula, desde que a distância entre células co-canal garanta a atenuação necessária de forma a que a interferência se reduza a níveis negligenciáveis.

• Planeamento de frequência, consiste no processo de selecção e atribuição das diversas portadoras ao conjunto de células que compõem o sistema.

• Planeamento baseado em modelos hexagonais das células (com a utilização de antenas omnidireccionais as células na realidade são circulares, no entanto a aproximação hexagonal é que aproxima melhor a realidade, embora não contemple as situações de sobreposição áreas entre células adjacentes que se verifica na realidade).

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• Permite maximizar a capacidade do sistema (primeiro sistema de comunicações móveis o número de utilizadores estava limitado ao número de canais disponíveis o que não sucede nos sistemas 2G e 3G)

S – número de canais duplexK – número de canais atribuídos a uma célulaN – células com grupos de canais disjuntos

S=KNCluster – conjunto de células que utiliza a totalidade

dos canais disponíveis.Se um sistema for constituído por M clusters a

capacidade total é

C=MKN=MS

Da expressão anterior conclui-se:• Reutilização de frequências permite aumentar a capacidade M

vezes.• N crescente =>raio célula / D células co-canal crescente =>

interferência co-canal baixa• N baixo => aumento da capacidade C devido ao aumento do

número de clusters => aumento a interferência co-canal• Compromisso entre C e interferência co-canal na escolha de N

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Factor de reutilização de frequências

• Ao nível de projecto convêm ter um factor elevado com vista a maximizar a capacidade do sistema na área onde se pretende fornecer cobertura.

Atribuição de frequências

2 tipos:I. FixaII. Dinâmica (permite maximizar capacidade, utilizada nos sistemas 2G

e 3G)

PropriedadesI.

• Nº de canais atribuídos por célula fixo• Possibilidade de utilizar canais disponíveis em células adjacentes em

caso de ocupação total dos canais da célula actual• Gestão centralizada no MSC (Mobile Switching Center)

II.• Ausência de canais fixos• MSC atribui os canais quando solicitados pelas células, atendendo a

factores como probabilidade de bloqueio, reutilização de frequências, etc..

N1

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• Atribuição de frequências pelo MSC de forma a evitar a interferência co-canal.(planeamento de frequências realizado centralmente pelo MSC)

• Aumenta a capacidade de truncking do sistema, já que todos os canais se encontram disponíveis em qualquer célula.

• Decréscimo da probabilidade de bloqueio devido a gestão centralizada.

• Necessário conhecer em tempo real• Ocupação espectral• Distribuição de tráfego na rede• Nível de potência de cada canal

• Condicionantes• Capacidade de processamento do MSC• Capacidade de armazenamento do MSC• Gestão em tempo real da rede (atrasos introduzidos, inviável em

redes 3G e 4G devido a ritmos aplicados). Handoff gerido centralmente o que coloca problema de atrasos na realização deste.

HandoffConsiste no processo de manutenção se sessão quando o

terminal móvel transita entre duas estações base. Em rede das 1º geração, o MSC gere esta operação, mediante a identificação da estação base nova e atribuição dos canais de voz/dados e controlo necessários (típico do AMPS e sistema analógico utilizado na europa).

3 estratégias:I. Não assistida.II. Assistida pelo terminal móvel (GSM, UMTS)III. Soft-handoff

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Características do HandoffBaixa frequência de ocorrênciaElevada taxa de sucessoRapidez de modo a não se tornar perceptível

Critérios de handoffNível de potência ligeiramente superior ao nível de potência tomado como limiar para handoff (-90dbm a –100dbm).Realizado a um nível superior que o limiar de forma a garantir margem de segurança

(notar que a margem de segurança é necessária de forma a que o sistema tenha tempo para realizar a operação).

Uma margem demasiado elevada conduz a handoffs desnecessários

Uma margem demasiado baixa pode originar situações de quebra de ligação, sem a realização do handoff, nesta situação o tempo necessário ao handoff, é superior ao tempo em que o sinal decresce para níveis de potência inaceitáveis( típico quando os terminais móveis se deslocam a alta velocidade).

iarRHandoffR PP lim−=∆

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Problemas:O fading introduz uma variabilidade rápida no nível de potência do sinal, que não pode dar origem a handoffsindevidos. Logo é necessário que a estação base ou móvel conheçam o valor médio da potência do sinal e a taxa de variação da mesma. Consoante a taxa de variação, ter-se-á um handoff rápido ou lento.Necessária informação respeitante a:

Velocidade do terminalFading Distribuição estatística do Dwell time (duração média de uma chamada antes de realização de handoff)

I. Handoff não assitido1ª geraçãoMonitorização do sinal pelas estações base com supervisão do MSCNecessário localizador (locator) para monitorar o nível de potência dos sinais provenientes de terminais em células adjacentesTodos os RSSI (Radio Signal Strenght Information), são comunicados ao MSC que decide o handoff de cada terminal de acordo com o nível de potência apresentado (caso da gestão centralizada referido atrás)

II. Handoff assistido ou MAHO (Mobile Assisted Handoff)2ª, 3ª e gerações posterioresMais rápido, pois é descentralizado

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Cada terminal móvel mede o nível de sinal proveniente das várias estações base vizinhas, comunicando o resultado à estação base da célula, onde se encontra localizado. Critério de handoff baseado na superioridade do nível de potência de uma célula vizinha durante um intervalo de tempo pré-definido (este intervalo de tempo deve contemplar o efeito do fading, como tal o handoff baseia-se na potência média e não no valor instantâneo).MSC já não tem que monitorar os níveis de potência de todos os terminais presentes na rede, logo a operação é mais rápida e os requisitos de processamento/armazenamento são menores. Vantagens face ao handoff não assistido em ambientes com handoffs frequentes (caso das micro e pico células).

Politicas de gestão de prioridades de Handoffs

I. Canais de reservaII. Filas de espera

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I.Neste método existe a reserva prévia de um número de canais

para pedidos de handoff. Tem como desvantagem a redução do tráfego máximo suportado pela célula. É eficiente quando aliado a mecanismos dinâmicos de atribuição dos canais (baixa probabilidade de falahas).

II.O recurso a uma fila de espera permite reduzir a probabilidade de

terminação de uma chamada. Este método torna-se possível na medida em que existe uma margem de potência para a realização do handoff, que garante um intervalo de tempo entre o instante em que o sinal fica abaixo do limiar de potência de handoff e o instante em que o sinal atinge o um nível de potência para o qual já não é possível manter a sessão. O tamanho da fila tem de ser dimensionado atendendo à duração do intervalo de tempo definido atrás e às condições de tráfego existentes na célula em questão.

III.Utilizado nos sistemas 3G ao abrigo do CDMA. Como existe

partilha do espectro por todos os utilizadores e estações base, o handoff não consiste na atribuição de um canal físico distinto, mas sim de uma mudança de estação base. O MSC controla o nível de potência do sinal proveniente de um utilizador, recebido pelas várias estações e decide eplo sinal que apresenta melhores condições (e estação base correspondente).

Problemas:Redução da carga associada ao MSCRedução da taxa de handoff

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Solução: Associar várias emissores com diferentes níveis de potência, numa célula. A utilização de diferentes potências e alturas para as diferentes estações base, permite a coesistência de células de diferentes tamanhos (usualmente macro, micro e pico células). Como se pode constatar da figura, as células maiores garantem cobertura para terminais móveis a alta velocidade.

Consoante a velocidade do terminal móvel a cobertua pode ser realizada pelas macro-células ou micro células. Assim um terminal móvel cuja velocida decresca à mediada que entra na célula, pode transitar da estação base de maior potência para uma de menor potência sem intervenção do MSC. Garante-se uma elevada capacidade de tráfego, juntamente com uma diminuição dos problemas referidos.

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A interferência é o principal factor limitativo da capacidade dos sistemas celulares, uma vez que o ruído pode ser compensado mediante o aumento da potência do sinal para melhorar a relação sinal ruído à entrada do receptor. No entanto na presença de interferências, a qualidade não pode ser melhorada aumentado a potência, já que pode conduzir a um agravamento da interferência.

Tipos:Co-canalCanal adjacenteOut of band (devido a harmónicas, equipamento electrónico e presença de emissores de outros operadores)

Efeitos e propriedades

Cross talk nos canais de vozInterrupção de sessões devido a interferência (erros+ quebra de potência) nos canais de controlo. Limitação da capacidade do sistema, devido à interferência co-canal.Maior nos centros urbanos

ContramedidasAdopção de um planeamento de frequências correcto para as diversas células que compõem um cluster, de forma a que a reutilização de frequências minimize os primeiros dois tipos de interferência.

Interferência

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Hipótese:

Células do mesmo tamanhoEstações base com a mesma potência

Pode-se definir o quociente de reutilização co-canal

Nesta situação é independente da potência transmitida, dependendo somente da distância entre células co-canal e do raio da célula.

Propriedades:

Q elevado garante um maior isolamento RF entre células devido á maior distância entre elas (menor interferência co-canal). Nesta situação o tamanho do cluster é maior o que implica uma menor capacidade do sistemaQ baixo eleva a capacidade à custa de um aumento da inteferênciaNo dimensionamento do sistema o valor de Q tem de obedecer simultaneamente aos requisitos de capacidade e qualidade.

NRDQ 3==

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Interferência Co-canal

Define-se relação sinal-interferência no terminal móvel, pelo quociente (CIR Carrier Interference Ratio):

com S a representar a potência do sinal proveniente da estação base correcta, Ii a representar a potência do sinal interferente proveniente de uma célula co-canal e N a potência de ruído.

A relação sinal interferência é um parâmetro essencial no dimensionamento de uma rede celular, porque permite estabelecer a ligação entre nível de interferência co-canal, tamanho do cluster e quociente de reutilização co-canal.Sendo a potência recebida à distância d da antena emissora dada na forma:

P

∑=

+=

0

1

i

ii NI

SIS

meiodotípicaatenuaçãoàassociadapotêncianreferênciadedistânciad

comddndBmPdBmr

−−

−=

0

00 log10)()(

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Admitindo que as células interferentes encontram-se à distância Dido terminal móvel e desprezando o ruído, o CIR pode ser representado na forma

Normalmente contabiliza-se somente a interferência proveniente do primeiro conjunto de células co-canal. Note-se que o nível de interferência associado aos outros conjuntos de células é desprezável, já que a distância a que se encontram do terminal móvel é muito superior. Admitindo que todas as células interferentes são equidistantes à distância D, tem-se

Exemplo: Nos sistemas AMPS e GSM, os valores usuais do CIR para efeitos de projecto situam-se entre os 15 e 18 dB. Considerando dentro das hipóteses admitidas o pior cenário possível, tem-se a situação representada na próxima figura, na qual o terminal móvel se encontra na fronteira da célula, à distância R da estação base e D-R de duas estações base co-canal.

∑=

−

−

=0

1)(

i

i

ni

n

D

RIS

( )00

3/iN

iRD

IS

nn

==

30


Pior cenário de interferência co-canal contabilizando o primeiro conjunto de células co-canal para um cluster igual a 7

Admite-se ainda :N = 7n = 4Nestas condições pode-se escrever:

444

444

4

2)1(2)1(21

2)(2)(2

−−−

−−−

−

+++−=

+++−=

QQQ

DRDRDR

IS

31


Q=4.6 para N=7 e S/I=17 dB ou S/I=17.8 dB consoante a expressão utilizada. Neste caso para obter 18 dB há que aumentar o tamanho do cluster para 12, baixando consequentemente o factor de reutilização de frequência. Notar que na presença de ruído os valores anteriores da CIR sofrem uma degradação, o que implica um aumento em N.

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Interferência canal-adjacente

Resulta de sinais de frequências adjacentes à frequência da portadora que está a ser utilizada para efeitos de comunicação. Como fonteprincipal deste tipo de interferência, têm-se as emissões que utilizam portadoras de frequências adjacentes. Normalmente evita-se este tipo de interferência etravés de um planeamento de frequências que evite a utilização de canais adjacentes na mesmacélula. Também uma filtragem mais selectiva permite reduzir estetipo de interferência. Assim há que garantir simultaneamente:

• Separação adequada dos diferentes canais• Filtragem mais selectiva• Evitar atribuição de canais contíguos na mesma célula• Maximizar a separação dos canais numa célula, utilizando para esse

efeito as N sub-bandas em que se divide o espectro disponível (N tamanho do cluster)

• Evitar se possível a atribuição de canais adjacentes em células adjacentes

• Utilizar filtros com um factor de qualidade elevado de modo a eleminara energia out-of-band

Notar que uma factor de reutilização de frequência baixo pode conduzir a níveis de interferência inaceitáveis, dada a pequena separação entre canais. O seu valor pode ser calculado por

n

idd

IS

−

=

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Técnicas para melhoria de capacidadeÀ medida que o número de utilizadores aumenta, o número de canais disponíveis atribuídos a uma célula torna-se insuficiente para garantir o tráfego solicitado. Em Portugal por volta de 97, o aumento do número de subscritores de telemóveis, fez que em muitas zonas a cobertura fornecida se tornou-se manifestamente insuficiente, face ao tráfego solicitado, o que originou situações onde era impossível aceder a uma portadora em horas de ponta ou zonas de alta densidade de tráfego. Ainda hoje em certos eixos principais da cidade de Lisboa, nas horas de ponta podem-se verificar situações de congestionamento da rede. Para evitar este tipo de situações, há que recorrer a técnicas que permitam aumentar o número de canais disponíveis, e entre as quais se destacam:

• Cell splitting ou divisão celular• Sectorização• Microcélulas

Divisão celularEsta técnica consiste em dividir uma célula onde se verifique congestão de tráfego, em várias células de menor dimensão por meio de uma redução da potência emitida e diminuição da altura das antenas. A vantagem inerente a esta técnica consiste no aumento do factor de reutilização de frequências, o que se traduz num aumento do número de canais disponíveis por área geográfica,dado o aumento do número de clusters. Por exemplo a substituição de células de raio R por células de raio R/2, implica que para cobertura da mesma área sejam agora necessárias 4 vezes mais células que na situação inicial. No entanto, como já foi referido atrás, a este acréscimo de células encontra-se associado um aumento do número de clusters e consequentemente da capacidade do sistema.

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Na figura representada acima, encontra-se exemplificada a divisão celular realizada por meio da adição de 6 micro-células à volta da célula A. Note-se que a adição das micro-células é realizada de forma a preservar a reutilização de frequências, sendo colocadas as micro-estações co-canal a meio da distância que separa estações co-canal originais. Na realidade trata-se de uma operação de mudança de escala, com redução da potência de emissão. Neste caso para manutenção do plano de reutilização de frequências tem-se:

n

tr

ntr

RPfrontiernewP

RPfrontieroldP−

−

∝

∝

2][

][

2

1

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Com n = 4 vem para a relação entre potências:

161

2t

tPP =

Exemplo de divisão celular numa área geográfica limitada pelo quadrado de 3km de largura

Problemas:I. A manutenção da potência nas células originais implica um

aumento da interferência co-canal nas micro-células.II. Como se processa o handoff ?

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Resolução:I.

Para se evitar o aumento da interferência co-canal nas micro-células devido às emissões das estações base das células originais, há que dividir o número de canais das células originais em dois, estando um grupo associado ao planeamento das macro-células e respectiva reutilização de frequências e o segundo associado à reutilização de frequências nas micro-células. Notar que a redução da potência de emissão das macro-células embora possa resolver o problema da interferência, pode conduzir a uma deficiente cobertura.

II.Após a divisão celular, cai-se numa situação análoga à referida para resolução do problema de handoff, onde a macro-célula funciona como guarda chuva para as células mais pequenas. Neste caso o handoff pode ser realizado entre as estações base das micro-células e a da macro-célula, libertando o MSC deste tipo de tarefas. Notar que este tipo de solução permite ainda um decréscimo da taxa à qual se realizam os handoffs.

Sectorização

O recurso a este tipo de solução, permite aumentar a capacidade sem acréscimo no número de estações base. Assim mediante a utilização de antenas sectoriais consegue-se uma redução do número de células num cluster e um aumento da reutilização de frequência. O recurso a antenas direccionais permite obter:

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• Redução da interferência co-canal• Aumento da capacidade do sistema• Diminuição da eficiência de truncking devido à sectorização

de canais por estação base

Exemplos de sectorização: a) sectorização a 120 graus; b) sectorização a 60 graus

A redução da interferência co-canal e aumento da capacidade são dependem do grau de sectorização empregue. Normalmente as células são dividas em sectores de 120 ou 60o . Quando é empregue sectorização, o número de canais total é dividido pelo número de sectores utilizados. Considerando uma sectorização a 120 graus como a da figura Sect.II, verifica-se que o número de interferências co-canal baixa de 6 para 2, já que na célula central somente duas emissões co-canal é que interferem com esta. Na ausência de sectorização o número de fontes interferentes seria 6, logo existe uma melhoria do CIR para 24.2 dB nas mesmas condições consideradas anteriormente.

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Fig Sect. IIConclusões:

O aumento do número de sectores permite melhorar o CIRA eficiência de truncking baixa com o aumento da sectorização, dado o menor número de canais disponíveis por sectorO número de handoffs cresce dada a redução de área coberta, tendo que ser realizada a gestão de handoffs entre sectores pelas estações base

Células de zona e microcélulas

Esta técnica divide a célula em diversas antenas utilizando canais distintos, mas partilhando a mesma estação base. Nesta situação o terminal móvel encontra-se ligado ao terminal com sinal de maior potência.

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Fig MicrocellVantagens:

A passagem do terminal móvel de uma zona para outra não está associada a um handoff, pois mantêm o mesmo canal.Redução da interferência co-canal devido à substituição da antena omnidireccional por antenas de baixa potência, colocadas na fronteira da célula.Não afecta a capacidade de truncking do sistemaDada a menor taxa de handoffs é usual na cobertura de eixos rodoviários.Melhora a CIR, para técnicas de planeamento convencionais (sem sectorização ou divisão celular)

40


Aspectos de Propagação• A propagação de ondas electromagnéticas é afectada pela presença

da atmosfera e da superfície terrestre, nomeadamente através de:− Variação das características atmosféricas com o tempo− Características electromagnéticas do solo− Curvatura da terra− Presença e forma de obstáculos (edifícios, vegetação, ...)− Rugosidade das superfícies onde ocorrem reflexões− Variação da posição da estação móvel (EM)

• A influência da presença da atmosfera e da terra sobre a propagação depende de:

− frequência− polarização− diagrama de radiação e ganho das antenas− posição das antenas− distância entre emissor r e receptor

causando:− atenuação− despolarização das ondas− interferência− desvanecimento

• Modelo de propagação: é uma descrição matemática baseado na teoria da propagação electromagnética e/ou em medidas experimentais que pretende descrever a influência dos factores que condicionam a propagação nas características do sinal recebido.

41


• Na prática, os modelos usam sempre aproximações na descrição dos fenómenos complexos que condicionam a propagação.

• Para os sistemas móveis actualmente em funcionamento tem especial interesse modelos de propagação válidos nas bandas VHF/UHF.

Propagação em Espaço Livre

• Dados um emissor e um receptor em espaço livre, a potência disponível aos terminais da antena receptora, PR, é dada por :

ou então,

REER GGPd

P2

4

=

πλ

)log(20)log(20

44.32

][][

][][][][

MHzKm

dBiRdBiEdBWEdBWR

fd

GGPP

−−

+++−=

42


onde :− PE: potência de alimentação da antena emissora− GE, GR: ganhos das antenas emissora e receptora, referidos à antena

isotrópica, ou seja, em dBi− d: distância entre as antenas− f, λ: frequência e comprimento de onda de ligação (λ=c/f, c=3x108

m/s)

• Em muitas aplicações, o ganho das antenas é referido não à antena isotrópica, mas ao dipolo de meia-onda:

G[dBi]= G[dBi] + 2.15

• É habitual tomar o valor conjunto da potência e do ganho de emissão, PE GE, referido quer à antena isotrópica (EIRP ou PIRE) quer ao dipolo de meia onda (ERPd).

• Toma-se muitas vezes como referência a atenuação em espaço livre,

)log(20)log(2044.32 ][][][0 MHzKmdB fdL ++=

43


• EIRP (Effective Isotropic Radiated Power) representa o máximo de potência radiada na direcção em que a antena apresenta ganho máximo relativamente a uma antena isotrópica. E é obtido pela expressão:

• ERP (Effective Radiated Power) representa o máximo de potência radiada na direcção em que a antena apresenta ganho máximo relativamente a um dipolo de meia onda. Como o dipolo tem um ganho igual a 1.64, o ERP pode ser obtido a partir do EIRP, atravêsda expressão:

• Define-se zona distante, como a zona cujos os pontos obedecem á condição:

com D a representar a maior dimensão da antena.

• A potência recebida num ponto situado na zona distante à distância d do emissor é dada por :

)()( 15.2 dBdBEIRPERP −=

λλ

>>>>

=

ff

f

deDd

comDd22

EEGPEIRP =

frr ddddddPdP ≥≥

= 0

20

0 ,)()(

44


ou

Notar que:

para indoor

para outdoor

• Pode-se definir densidade de fluxo de potência:

Logo a potência recebida pode ser descrita pela expressão:

[ ][ ]Ω=

===

πππ

120

/44

0

2

0

2

22

Z

mwZE

dGP

dEIRPP EE

d

[ ]wattsd

GGPAZE

APP REEeeddBWR 22

2

0

2

][ )4( πλ

===

f

rdBmR

ddddd

wdPdP

≥≥

+

=

00

0][

,log20

001.0)(log10)(

md 10 ≈

kmamd 11000 ≈

45


Propagação na Atmosfera

• As variações da temperatura, da pressão atmosférica e da humidade causam alterações no índice de refracção da atmosfera.

• O índice de refracção diminui com a altura, o que implica que osraios se propaguem segundo uma trajectória curvilínea.

• Uma forma de modelar esse fenómeno é considerar uma trajectória rectilínea e aumentar o raio da terra : para Portugal considera-seaefectivo≈ 4a/3

a

aefectivo

46


• A atenuação provocada por gases atmosféricos e pela chuva é desprezável nas bandas VHF/UHF.

Curvas de absorção do oxigénio e do vapor de agua

Caracterização Electromagnética do Solo

• O conhecimento das propriedades electromagnéticas do solo é importante para a caracterização dos sinais reflectidos.

• O solo é caracterizado electromagnéticamente por:− σ: condutividade− µ=µ0 : permeabilidade magnética− ε=ε0(εr-j60σλ) permitividade dieléctrica

F re q u ê n c ia (G H z )

Ate

nuaç

ão d

B/k

m

47


− Alguns valores típicos :

Reflexão em Terra Plana

• A existência de ondas reflectidas pode provocar interferência nas comunicações.

• A superfície terrestre pode ser aproximada por um plano quando:

− a distância entre o emissor e o receptor é pequena− a frequência é baixa− a superfície é pouco rugosa comparativamente com o λ

• A reflexão de uma onda plana numa interface dieléctrica depende da polarização. Consideram-se habitualmente as duas polarizações lineares ortogonais.

48


Fig RTP 1/3

• O factor de reflexão é dado para cada componente, por:

)()60()(

)()60()(2

2

ϕσλεϕ

ϕσλεϕ

CosjSen

CosjSen

r

rPH

−−+

−−−=Γ

)()60()()60(

)()60()()60(2

2

ϕσλεϕσλε

ϕσλεϕσλε

CosjSenj

CosjSenj

rr

rrPV

−−+−

−−−−=Γ

• O campo eléctrico reflectido é dado por: Er=Γ Ei , onde Γ é ΓPH ou ΓPV , consoante o tipo de polarização.

• O coeficiente de reflexão ao ser uma grandeza complexa introduz desfasamento extra na fase da onda reflectida.

• Uma aproximação comum é fazer σ=0, o que simplifica as expressões dos coeficientes de reflexão (deixam de ser complexos).

49


50


• O campo eléctrico reflectido é dado por: Er=Γ Ei , onde Γ é ΓPH ou ΓPV , consoante o tipo de polarização.Logo nesta situação ΓPH =1 e ΓPV = .-1

• No caso de ondas com polarização eliptíca ou circular, aplica-se oprincipío da sobreposição.

• Normalmente o coeficiente de reflexão é complexo o que acarreta um desfasamento na fase da onda reflectida e consequentemente alteração do seu estado de polarização.

Reflexão em condutores perfeitos

Admitindo que o campo E está no palno de incidência tem-se:

riri EEe −==θθ

51


• Uma onda com uma polarização genérica (elíptica) pode ser analisada por decomposição em duas polarizações ortogonais PH e PV. Após uma reflexão uma onda de polarização elíptica sofre uma despolarização.

• Despolarização duma onda por reflexão:

EiPH

EiPV ErPV

ErPH

•Geometria do problema da interferência em Terra Plana :

hR

hE

rdirecto

ϕϕ rr

rE

EiEr

Ed

d• O sinal recebido é a soma vectorial dos sinais directo e reflectido :

|Etotal| = |Ed + Er|

52


• O valor do campo total depende da diferença de fase entre os dois raios recebidos.

• A diferença de fase entre o campo eléctrico directo e o campo eléctrico reflectido deve-se à diferença de percursos ∆ r=(rE+rr)-r e ao desfasamento introduzido pelo fenómeno da reflexão:

∆ θ=(2π/λ) ∆ r + ∆ θreflexão

• Admitindo que a distância é muito grande, d >> hE, hR, pode usar-se a aproximação Γ ≅ -1.

• Como a grande distância o comprimento do raio directo e reflectido são aproximadamente iguais vem |Ed|≅|Er|, donde :[ver secção 3.6 Rappaport]

][)(

sen4

4

],/[4)(

4

2

22

0

0200

WdhhGGPP

dhhkGGP

dP

dreferênciade

distânciaàcampooéEmVd

hhdEdE

REREER

REREER

rttotal

≈

=

≈

πλ

λπ

53


Demontração:

O valor instantâneo do campo num ponto do espaço é descrito por:

Os campos associados ao raio directo e reflectido são:

Sendo o angulo de incidência igual ao angulo de reflexão, vem:

0

0

00 ],/[)(cos),(

dreferênciadedistânciaàcampooéE

mVcdtw

ddEtdE

−=

]/[)(cos),(

]/[)(cos),(

"

"00'

'

'00'

mVcdtw

ddEtdE

mVcdtw

ddEtdE

r

dir

−Γ=

−=

01)1(

=⇒−=Γ⇒Γ+=

Γ==

ti

it

ir

ri

EpequenoseEE

EE

ϕ

ϕϕ

54


Consequentemente pode-se escrever:

Notar que as distâncias anteriores são obtidas por meio da aplicação do método das imagens. A difrença de percurso entre os dois raios é, atendendo ao seu desenvolvimento em série:

A esta diferença de percurso estão por sua vez associados umadesfasagem e um atraso:

Sendo a distância d muito superior à altura das antenas, as distâncias associadas aos dois percursos são praticamente iguais. Logo

22"

22'

"

"00

'

'00

)(

)(

)(cos)(cos),(

dhhd

dhhd

eEEE

comcdtw

ddE

cdtw

ddEtdE

rt

rt

rdirtot

tot

+−=

++=

+=

−−

−=

dhhdd rt2'" ≈−=∆

fcce

cwc

πθτ

λπθ

22 ∆

∆∆ =∆

=∆

=∆

=

55


Consequentemente pode-se escrever:

Nestas condições pode-se escrever:

Atendendo à expressão do módulo do campo total e à expressão da potência recebida à distância d, pode-se escrever:

22sin

3.02

sin2

sin)1(cos

00

2/1

22

0022

00

∆∆

∆

∆

∆∆

≈

≤

=

+−

=

θθθ

θ

θθ

radsendoddEE

ddE

ddEE

tot

tot

dhh

ddE

E

raddhh

rttot

rt

λπ

λπθ

22

3.022

00=

<≈∆

4

22

0

2

dhhGGPA

ZE

P rtREEer ==

56


• A grande distância a potência recebida diminui com 1/d4 , muito mais rapidamente do que considerando a situação de espaço livre, onde a potência diminui com 1/d2 (ver acetato 15).

• Exemplo :

Uma estação móvel está localizada a 5 Km da estação base. A antena da EM é um monopolo de λ/4 com ganho de 2.55 dB. A amplitude do campo eléctrico medido a 1 Km da estação base é 10-3

V/m. A frequência da portadora é 900 MHz.

Calcule a potência recebida pela estação móvel, usando o modelo de terra plana, e assumindo que a altura da estação base é 50 m e o móvel localiza-se a 1.5 m acima do solo.

57


• A interferência entre sinais directo e reflectido depende de:

− Directividade das antenas;− Altura das antenas;− Comprimento dos percursos;− Natureza do solo;− Variações na altura da superfície reflectora;

• Para evitar interferências, pode-se:

− Usar antenas directivas;− Obstruir o sinal reflectido;− Procurar que a reflexão se dê em solo mau reflector;

− Utilizar diversidade espacial:

Emissor

Receptor 1

Receptor 2

Combinador

58


Reflexão em superfícies rugosas

• A rugosidade do solo:− dispersa a energia por rerradiação− diminui a interferência entre os sinais directo e reflectido;− é difícil de modelar em bandas de frequências muito largas

devido à variação do comprimento de onda

• A reflexão pode ser especular ou difusa (espalhamento).

• Segundo o critério de Rayleigh uma reflexão considera-se especular quando se verificar:

1)sen( <<ϕλh

, onde h é a altura média das rugosidades e ϕ é o ângulo de incidência.

•

•

Tx

Rx

Transmissão

ReflexãoEspecular

Reflexão Difusa

59


• A condição anterior também pode ser colocada na forma:

com hc a representar a altura crítica. A classificação de uma superficie é feita de acordo com as seguintes

condições:Se h<hc a superficie é lisaSe h>hc a superficie é rugosa

• Factor de difusão ou dispersão

Em que σh representa o desvio padrão dos valores da altura em torno do valor médio da altura das rugosidades.

• A rugosidade de uma superficie onde se verifique h>hc, traduz-se em termos práticos na multiplicação do coeficiente de reflexão Гpelo factor de dispersão.

)(8 ϕλ

senhc =

−=

λϕπσρ sin8exp h

s

60


Difracção em obstáculos

• Quando a trajectória de uma onda passa junto de um obstáculo, mesmo que não haja obstrução pode ser introduzida uma atenuação suplementar importante.

• Considera-se que a propagação se faz em espaço livre quando a região do espaço correspondente ao primeiro elipsoide de Fresnelestá desimpedida.

• No caso de haver obstrução, criam-se frentes de onda secundárias à volta do obstáculo que se propagam na região de sombra, aumentando a região de cobertura.

• A importância do obstáculo depende da frequência, da distância às antenas, da altura e da forma do obstáculo.

• Quando as dimensões do obstáculo são muito superiores ao comprimento de onda pode ser utilizado o modelo do obstáculo em lâmina (knife edge).

61


• Atenuação suplementar provocada por um obstáculo isolado e em forma de lâmina:

E R

d2d1

d

h

ddd

dddhv

λα

λ212

212

±=±=

•Obstáculo abaixo da linha de vista: v<0

•Obstáculo acima da linha de vista: v>0

•Condições de validade: h>>λ e h<<d1,d2

21

21

221

2

222

2

ddddddh

dddh

+=

≈∆=

≈∆

λπ

λπφ

62


• Definem-se zonas de Fresnel que representam as zonas do espaço onde o percurso das ondas secundárias é superior ao percurso do raio directo em

• O raio de cada uma das zonas de fresnel é dado por:

2λn

dddnrn

21λ=

• O critério para uma ligação sem obstrução está associado ao bloqueio das zonas de Fresnel, já que as perdas por difracção são também devidas à interrupção das ondas secundárias.

• Como critério adopta-se normalmente 55% do 1º elipsoide defresnel livre.

• Exemplos de alguns ganhos de difracção

[ ][ ][ ] 01),628.05.0log(20

1,0)(log20

≤≤−−=−≤=

=

vdBGvdBG

vFdBG

d

d

d

63


[ ]

[ ]

[ ] 4.2,225.0log20

4.21,))1.038.0(1184.04.0log(20

10)),95.0exp(5.0log(20

2

>

=

≤≤

−−−=

≤≤−=

vv

dBG

vvdBG

vvdBG

d

d

d

64


• Curva da atenuação suplementar por efeito da difracção:

Efeito de Doppler

• O movimento relativo entre a EM e a EB, resulta numa variação dafrequência do sinal recebido.

d

θ

∆l

vEM

X Y

θ

65


• A EM desloca-se com velocidade constante v. Para posições distantes da EB, a diferença de comprimento entre os raios que chegam à posição X e à posição Y é dada por:

∆l = d Cos(θ) = v ∆t Cos(θ)

onde ∆t é o tempo necessário para a EM se deslocar de X a Y e θ é o ângulo que a direcção de chegada do raio faz com o vector velocidade da EM (v).

• A variação da fase do sinal recebido entre os pontos X e Y é ,

correspondendo uma variação da frequência (Doppler Shift):

• fd > 0 quando a EM se desloca no sentido da chegada da onda.

• fd < 0 quando a EM se desloca em sentido contrário ao da chegada da onda.

)cos(22 θλπ

λπφ tvl ∆=∆=∆

][)cos(21 Hzv

tf d θ

λφ

π=

∆∆

=

66


• Num cenário real chegam ao receptor raios vindos de diferentes direcções (multipercurso) e portanto com diferentes desvios de frequência. Este efeito vem alargar o espectro do sinal recebido.

• Quando é transmitida uma onda sinusoidal à frequência fc, o espectro do sinal recebido existe entre fc-fm < f < fc+fm, onde fm= v/λ representa o desvio máximo de Doppler.

vEM

EB

fcfc-fm fc+fm

P

67


• Exemplo:

• Considere que é transmitida uma onda sinusoidal com frequência de 1850 MHz. A EM desloca-se a uma velocidade de 100 Km/h.

a) Determine a largura espectral do sinal recebido.b) Se a EM se deslocar perpendicularmente à direcção de chegada da onda qual é a frequência do sinal recebido ?

Influência da Vegetação

• A vegetação (matas) pode ser modelada por uma camada dieléctrica de perdas baixas.

• A vegetação introduz discriminação na polarização das ondas.

• Quando as antenas estão acima do nível das árvores, pode usar-se o modelo dos raios reflectidos numa superfície.

• Quando a propagação se faz dentro das matas, Weissberger propõe que a atenuação suplementar seja estimada ( f > 200 MHz) por:

68


≤≤≤≤

=40014,187.0

140,063.0][ 588.0284.0

284.0

dmdmfdmdmf

dBLMHz

MHz

• Onde dm é o comprimento de mata atravessada pela onda.

• O ITU (International Telecommunications Union) propõe outro modelo para a atenuação suplementar quando a propagação se faz dentro das matas :

inserir IV-2/2

69


Modelos de Propagação

O planeamento das áreas de cobertura das EB requer a estimação do sinal de modo a conhecer-se o contorno de cada célula.

É essencial prever as zonas limites onde o nível de sinal é mínimo e as zonas onde pode haver interferência.

A previsão do sinal faz-se recorrendo a modelos que calculam o valor médio do sinal e a variação em torno desse valor médio.

Em geral os modelos são uma mistura de empirismo e aplicação da teoria electromagnética da propagação.

Empirismo - quando se obtêm curvas ou expressões analíticas baseadas em dados medidos .

Vantagem - toma em conta todos os fenómenos, tanto conhecidos como os desconhecidosDesvantagem - Deverá ser rigorosamente testado para localizações e frequências diferentes das que serviram para produzir o modelo.

Equações teóricas: como as perdas em espaço livre e as perdas devido ao plano terra, servem muitas vezes como alicerces a modelos que se recorrem de factores empíricos para levarem em conta as perdas por difracção, a curvatura da Terra, efeitos atmosféricos e as perdas devido aos edifícios e vegetação.

70


• Não existe um modelo de aplicação genérico para todos os tipos de ambientes, frequências e parâmetros.

• A aplicação de modelos com uma componente empírica requer a classificação dos ambientes de propagação.

• A propagação em zonas com edifícios é fortemente influenciada pelo ambiente envolvente, em especial pelo tamanho e densidade dos edifícios.

Uma possível classificação:Áreas urbanas - edifícios altos, escritórios e centros comerciaisÁreas suburbanas - pequenos edifícios, parques e jardinsÁreas rurais - quintas com edifícios dispersos e florestas

Uma classificação não precisa pode levar a diferentes interpretações por diferentes projectistas.

Existe a necessidade de descrever o ambiente qualitativamente para evitar ambiguidades.

O ambiente pode ser observado como composto por um conjunto de diferentes “scattered classes”, independentes uns dos outros.

71


• Classificação das Áreas Urbanas através de:Densidade, tamanho, localização e altura dos edifícios Densidade da vegetaçãoOndulação do terreno

• Métodos de Classificação das Áreas Urbanas

− Kozono e Watanabe ( Tóquio 1977 )2 parâmetros :

- factor relacionado com a área ocupada por edifícios.

- factor relacionado com o volume dos edifícios na área em estudo.

− Ibrahim e Parsons

Aplicado à zona central de Londres.L - factor de ocupação do terreno - % da área de um quadrado, com 500 m de lado, que está ocupada por edifícios, independentemente da sua altura.U - factor do grau de urbanização - % da área ocupada com edifícios com mais de 4 andares.

− British Telecom (1988)

A British Telecom propôs uma categorização de 10 tipos de cenários de propagação baseados em descrições qualitativas.

72


Categoria Descrição

0 Rios, lagos e mares

1 Campos com poucas árvores

2 Áreas rurais com árvores

3 Florestas

4 Montes e montanhas5 Áreas suburbanas com poucas habitações e zonas indústriais

6 Áreas suburbanas com grande densidade de habitações

7 Áreas urbanas com edifícios até 4 pisos mas dispersos entre si

8 Áreas urbanas com alguma densidade de edifícios,algum dos quais commais de 4 pisos

9 Áreas urbanas com elevada densidade de edifícios em que maior partepossui mais de 4 pisos,sendo alguns classificados de arranha-céus

Modelo de Okumura-Hata• O modelo empírico que serve actualmente de padrão foi proposto por Okumura em 1968, baseado em medidas feitas na cidade de Tóquio na banda [150, 2000] MHz.

• O modelo fornece o valor mediano da intensidade do campo tendo como parâmetros de entrada :

−frequência;

−distância do móvel à base;

−alturas da EB e EM;

−tipo de ambiente em que a EM se desloca;

−características do terreno entre a EM e a EB.

73


Os ambientes são divididos em 3 classes:

1. Área aberta: ausência de obstáculos numa região de pelo menos 300 m a 400 m diante do móvel;

2. Área suburbana: existência de alguns obstáculos, não muito densos, na região próxima do móvel;

3. Área urbana: região com grande densidade urbanística, e edifícios com 2 ou mais andares

No modelo há que considerar os seguintes parâmetros:Os necessários ao cálculo da intensidade do campo em espaço livre

(Pb, Gb, d, f);• hm – altura da antena móvel em relação ao solo• hbe – altura efectiva da antena da estação de base• hga – altura efectiva da antena da estação base• hga – altura média do terreno a cobrir

74


A mediana da intensidade do campo, segundo Okumura vem expressa por

Onde:• Eel – intensidade do campo em espaço livre;• Amu – atenuação mediana (relativa ao espaço livre) numa região

urbana, com hbe=200 m e hm=3m;• Hbu – factor de ganho da altura da antena da base, relativo a • hbe=200 m;• Hmu – factor de ganho da altura da antena do móvel relativo a

hm=3 m.Sendo válido para

Em espaço livre o valor eficaz do campo eléctrico junto da antena de recepção é:

mhmh

kmdMHzf

m

be

]10,1[]200,30[

]20,1[]1500,150[

∈∈∈∈

∑+++−=

)(),(

),(),(

][

][][]/[]/[

correcçãodefactoresfhH

dhHdfAEE

mdBmu

bedBbudBmumVdBelmVdB µµ

)log(2077.74 ][][][]/[ kmdBiEdBwEmVdBel dGPE −++=µ

75


Curvas para o cálculo do campo:

• Atenuação da mediana Amu

76


• Factor de ganho da base, Hbu

• Factor da ganho do móvel, Hmu

77


• A atenuação de propagação segundo Hata vem dada por:

Onde o factor de ganho da altura do móvel é definido por:

Com Hmu a representar o factor de ganho de altura do móvel, definido para

),()log()]log(55.690.44[)log(82.13)log(16.2655.69

][][

][][

fhHdhhfL

mdBmukmbe

beMHzdBP

−−

+−+=

≥−≤−

−−−

=

grandecidadeMHzfh

MHzfhmédiapequenacidade

fhf

Hm

m

MHzmMHz

dBmu

400,79.4)75.11(log20.3200,1.1)54.1(log29.8

/]8.0)log(56.1[]7.0)log(1.1[

2

2

][][

][

mhmh

kmdMHzf

m

be

]10,1[]200,30[

]20,1[]1500,150[

∈∈∈∈

78


Factores de correcção ao valor padrão da mediana da intensidade do campo:

• Correcção para ruas radiais e circunferenciais, Kal e Kac

• Correcção para a inclinação média, Ksp

79


Correcção para a ondulação do terreno, Kh

80


Correcção para a posição nas ondulações, Khf

Correcção para trajectos mistos, Ks

81


Correcção para monte isolado, Kim; modelo do obstáculo em lâminaCorrecção para áreas abertas, Qo, ou quase abertas, Qr (áreas não

urbanas)

Correcção para áreas suburbanas, Kmr

82


Hata também estabeleceu aproximações para os factores de correcção das áreas

A estimação da cobertura das estações base deverá ser feita de acordo com o procedimento seguinte:

a) a área de cobertura é dividida em sectores circulares, de acordo com os valores típicos dos parâmetros do terreno;

b) calculam-se os parâmetros do terreno para cada sector circular;

c) desenham-se, em cada sector circular as isolinhas da mediana do campo, sem factores de correcção;

d) aplicam-se os factores de correcção dentro de cada sector circular, de acordo com as particularidades locais.

40.5)28/(log2

94.40)log(33.18)(log78.4

][2

][

][][2

0

+=

+−=

MHzdBmr

MHzMHz

fK

ffQ

83


• Influência do terreno na altura efectiva da antena. As variações na altura efectiva da antena provocam alterações no nível médio do sinal recebido.

hbe hbe

• Extensão ao Modelo de Okumura (COST231-European CO-operation in the field of Scientific and Technical research)

• A expressão de Hata foi alargada para frequências entre [1.5, 2.0] GHz :

=

+−−+

−+=

urbanoscentrossuburbanoscentrosemédiacidades

C

CfhHdh

hfL

dBm

dbmmdbmuKmbe

beMHzdBp

,,3

0

),()log()]log(55.690.44[

)log(82.13)log(90.333.46

][

][][][

][][

84


• Exemplo de aplicação do modelo de Okumura-Hata no dimensionamento de células:

− A área a servir é uma zona suburbana onde o terreno tem morfologia plana.

− Parâmetros conhecidos à partida no planeamento da célula :− As estações base são de classe Y, isto é, as suas antenas são

alimentadas com um máximo de 40 W (46 dBm) , podendo estes valores descer em saltos de 2dB. Os terminais móveis são alimentados com uma potência máxima de 2 W (33 dBm).

− Comprimento da torre da antena =15 m− Altura da estação base= 65 m− Altura média do terreno a cobrir hga= 50 m− Altura do móvel hm= 2 m− Ganho da antena da estação base Gb = 5 dBi− Ganho da antena da estação móvel Gm = 2 dBi− Sensibilidade da estação base PRM= -104 dBm− Sensibilidade da estação móvel PRM= -102 dBm− Frequência do sistema f = 900 MHz

• Pretende-se calcular a dimensão máxima desta célula urbana :

−A altura efectiva da estação base é dada por : hbe= hbs-hga hbe=(15+65)-50 = 30 m

−Tendo em conta a fórmula de Friis (balanço de potências):

Pr=Pt+Gb+Gm-Lp+∑ Fc

85


• Atendendo à fórmula de Hata para o factor de correcção Kmr:

, donde Kmr = 9.94 dB , -102 = 46 + 5 + 2 - Lp + 9.94 <=> Lp= 165 dB

• Atendendo à fórmula de Hata para a atenuação de propagação:

),()log()]log(55.690.44[

)log(82.13)log(16.2655.69

][][

][][

fhHdh

hfL

mdbmuKmbe

beMHzdBp

−−+

−+=

−Considerando o móvel como receptor (Pt=46 dBm) vem:

-102 = 46 + 5 +2 - Lp + ∑Fc

−Onde Fc são os factores de correcção : Por exemplo, Kmr que é o factor de correcção para áreas suburbanas. Devido à morfologia plana do terreno alguns factores de correcção previstos pelo modelo não são considerados (inclinações e ondulações).

40.5)28

(log2 ][2][ += MHz

dBmr

fK

−Sendo o factor de correcção para a altura do móvel (cidade pequena / média ) dado por :

]8.0)log(56.1[

]7.0)log(1.1[

][

][

−−

−=

MHz

mMHzmu

f

hfH

86


− Substituindo, tem-se : Hmu= 5.09-3.8 = 1.3 dB

Lp=125.04 + 35.22log(d[Km]) <=> 165 = 125.04 + 35.22log(d[Km])

<=> d = 101.13 = 13.6 Km.

− Tendo em conta a situação em que o móvel é receptor conclui-se que o raio máximo desta célula suburbana é dmax= 13.6 Km

• É necessário refazer os cálculos para a situação em que a estação base é a receptora :

-104 = 33 + 5 +2 - Lp + ∑Fc

Sabemos que Kmr = 9.94 dB , donde : Lp=154 dB,

154 = 125.04 + 35.22log(d[Km]) <=> dmax = 100.82 = 6.64 Km.

• Conclusão : O raio máximo da célula é escolhido em função do caso mais desfavorável, ou seja, quando o sinal se dirige do móvel para a base, assim dmax=6.64 Km.

• Note-se que o tamanho duma célula está relacionada com a capacidade da mesma, o que obriga a verificar se o raio da célula, calculado através da atenuação do sinal, é suficientemente pequeno relativamente à taxa de bloqueamento desejada. Caso se verifique o contrário há que reduzir o tamanho da célula de forma a conseguir essa taxa de bloqueamento para o sistema.

87


Propagação Multipercuso

• Como nos ambientes urbanos não há, em geral, linha de vista entre a base e o móvel, a propagação faz-se por rerradiação e difracção nos obstáculos, ou seja, por percursos alternativos.

• A fase e a amplitude dos raios que em cada instante chegam à estação móvel variam com o tempo. Como na recepção esses raios são somados vectorialmente existem variações no nível de potência do sinal recebido à medida que a estação móvel se desloca.

α3

α1

α2

α4

αeq

(1

α2α3

α4

αeq

(a) (b)

Representação fasorial dos sinais recebidos num canal multipercurso em dois instantes de tempo diferentes.

(a) Interferência construtiva. (b) Interferência destrutiva.

88


Desvanecimento lento e rápido do sinal• A variação temporal do sinal que chega à antena receptora dá-se

segundo duas formas diferentes:

• Desvanecimento lento: consiste na flutuação do valor médio do sinal devido à variação das perdas de propagação causadas pelas irregularidades da superfície onde o móvel se desloca, ou ao efeito sombra causado pela presença de obstáculos no cenário de propagação.

• Desvanecimento rápido: acontece para pequenos deslocamentos da estação móvel, e que se deve à interferência das várias componentes multipercurso.

• Á medida que o terminal móvel se desloca o nível médio da potência recebida sofre pequenas flutuações (desvanecimento lento), enquanto que em deslocamentos relativamente curtos acontecem variações instantâneas do sinal em torno do valor médio (desvanecimento rápido).

• A caracterização do desvanecimento lento é feita duma forma escalar e tem como objectivo gerar dados de cobertura rádio paraum planeamento celular eficiente.

• Quando se pretende avaliar a prestação de diferentes esquemas deacesso, tipos de modulação, algoritmos de equalização, codificação e diversidade é necessário caracterizar convenientemente o canalquanto ao desvanecimento rápido.

89


-110

-100

-90

-80

-70

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

Distância (m)

Potê

ncia

Rec

. Nor

m. (

dB)

Desvanecimento lento e rápido à medida que o terminal móvel se desloca numa pico-célula.

• O caracter aleatório da variação do nível do sinal levou ao desenvolvimento de modelos estatísticos baseados em funções de distribuição de probabilidade. Os parâmetros de cada distribuição ajustam-se ao cenário de propagação em causa.

• Várias distribuições têm sido propostas na literatura como candidatas à modelação do desvanecimento. Em seguida faz-se um resumo das mais significativas.

90


Noções básicas sobre distribuições estatísticas

• Na descrição estatística da variação do sinal recebido a variável aleatória considerada é a amplitude do sinal recebido: r, ou em dB; 20log(r). Note-se que esta variável aleatória só pode assumir valores positivos.

• A função distribuição de probabilidades dá a probabilidade da variável aleatória r assumir valores inferiores a um determinado valor R.

• A função densidade de probabilidade da variável aleatória r : fdp(r) é por definição a derivada da função distribuição :

)(1)(

)()(

RFRrF

RrPRF

−=≥

≤=

∫∫

∫

=≤≤=

=≤==

∞+

∞−

∞−

2

1

)()21(1)(

)()()()(

R

R

R

drrfdpRrRPrfdp

drrfdpRrPRFdrdFrfdp

91


• Parâmetros fundamentais que caracterizam uma lei de probabilidades:

• A média é o valor mais provável que a variável aleatória pode assumir, a variância σ2 e o desvio padrão σ, são medidas da dispersão (largura) da distribuição.

• Distribuição Uniforme: Todos os valores da variável aleatória são igualmente prováveis. A distribuição uniforme é usada tipicamente para descrever a variação de fase do campo eléctrico que chega ao receptor via múltiplos percursos.

∫

∫∞+

∞−

+∞

∞−

−=

==

drrfdprrVariância

drrfdprrrEMédia

)()(:

)()(:

22σ

πϕππ

ϕ <<−= ,21)(fdp

-π π0

1/2π

fdp(ϕ)

ϕ

92


• Distribuição Log-Normal : Usada para caracterizar o desvanecimento lento, ou seja, a variação do valor médio do sinal recebido devido à presença de edifícios e vegetação.

• A função erf é uma função integral que está tabelada :

• O desvio padrão σ, é um valor experimental que depende do tipo de cenário de propagação. Valores típicos medidos em cidades Japonesas e dos EUA situam-se entre 8-12 dB.

• É com base nesta distribuição que é possível prever a percentagem de área coberta por uma estação base dentro dum determinado raio, o que é essencial para a determinação da qualidade de serviço. As especificações típicas apontam para àreas de cobertura de 90% da área total da célula.

−+=≤

>=−−

)2)ln((1

21)(

0,21)( 2

2

2))(ln(

σ

σπσ

rRerfRrP

rerfdprr

dtexerfx

t∫ −=0

22)(π

93


• Distribuição de Rayleigh: A distribuição de Rayleigh é usada na modelação do desvanecimento rápido, ou seja para descrever as variações instantâneas da amplitude do sinal recebido via múltiplos percursos.

• O campo eléctrico resultante é dado por:

Onde Ei e ϕi são, respectivamente a amplitude e a fase da componente i. Wc é a frequência da portadora, não considerando o efeito de Doppler.

• Assumindo que todas as componentes Ei chegam ao receptor com a mesma amplitude, mostra-se que a variação instantânea da amplitude do campo resultante segue uma distribuição de Rayleigh:

• O parâmetro de Rayleigh σ2 representa fisicamente a potência média do sinal que chega à antena receptora.

f

∑=

+=N

i

twji

iceEE0

)( ϕr

∫ −

−

−==≤

>=

RR

r

edrrfdpRrP

rerrdp

0

2/

22

22

22

1)()(

0,)(

σ

σ

σ

94


• Um pressuposto importante desta distribuição é considerar que asvárias componentes multipercurso do campo eléctrico chegam ao receptor com a mesma amplitude, o que significa dizer que ao longo do seu trajecto todos os raios sofrem as mesmas perdas de propagação.

• Esta aproximação pode ser grosseira em cenários onde haja uma componente dominante que chegue ao receptor segundo uma direcção privilegiada relativamente a outras componentes multipercurso. Em cenários onde isso acontece opta-se pela distribuição de Rice.

• Distribuição de Rice: A distribuição de Rice usa-se para descrever o desvanecimento rápido do sinal quando existe um raio dominanteque chega com amplitude muito mais forte que os restantes.

• Io é a função de Bessel modificada de ordem zero que se encontra tabelada. O parâmetro A é a amplitude da componente dominante e σ2 é a potência da componente de espalhamento.

• A distribuição de Rice é geralmente caracterizada em termos dum parâmetro K (factor de Rice) definido como o quociente entre a potência da componente dominante e a potência da componente de espalhamento:

= +−

202)(

2

222

)(σσ

σ rAIerrfdp Ar

95


• A distribuição de Rice é geralmente caracterizada em termos dum parâmetro K (factor de Rice) definido como o quociente entre a potência da componente dominante e a potência da componente de espalhamento:

• Quando A-->0 o raio dominante é eliminado e a distribuição de Rice degenera numa distribuição de Rayleigh de parâmetro σ2.

• Exemplo da modelação estatística do desvanecimento rápido. Pretende-se obter a melhor distribuição teórica que se ajuste aos seguintes resultados experimentais.

( ) ][2log10 22 dBAK σ=

-110

-105

-100

-95

-90

-85

-80

-75

4.4 4.45 4.5 4.55 4.6 4.65 4.7Distância (m)

PRN

(dB

)

96


• O gráfico mostra a variação aleatória da potência recebida em função da posição da estação móvel. O cenário em causa é o interior dum edifício. A EM localiza-se numa zona onde existe uma forte componente dominante.

• É de prever que distribuição de Rice seja a que consegue uma melhor aproximação à função distribuição experimental.

• Todos os valores estão normalizados em relação à média da potência recebida, neste caso -86 dB. Note-se as distribuições estatística que descrevem o desvanecimento rápido em torno do valor médio.

• Porque é que a distribuição de Rayleigh apresenta níveis de desvanecimento superiores aos previstos pela distribuição de Rice ?

0.001

0.01

0.1

1

-25 -20 -15 -10 -5 0 5

Amplitude Normalizada (dB)

Prob

abili

dade

Am

plitu

de<A

bcis

sa

Rayleigh

Distribuição Experimental

Rice

97


• Exemplo : A potência média do sinal recebido numa determinada região duma célula urbana é -100 dBm. O limite de sensibilidade do móvel é -102 dBm. O sinal chega por múltiplos percursos não havendo nenhuma componente claramente dominante. Calcule a probabilidade de acontecerem nessa região desvanecimentos que levem o sinal a baixar do limiar de sensibilidade do receptor.

b) Quanto é que é necessário subir a potência média recebida para que os desvanecimentos abaixo do limiar de sensibilidade do móvel ocorram em apenas 1% do tempo ?

98


Técnicas de diversidade espacial no combate ao desvanecimento

• A propagação multipercurso e o carácter variante do canal de propagação, introduzem distorções significativas no sinal recebido, requerendo técnicas de processamento sofisticadas no receptor.

Diversidade Espacial

• A técnica de diversidade espacial consistem em combinar os sinais recebidos em dois ou mais pontos diferentes do espaço (diferentes localizações das antenas) de forma a resultar um sinal menos vulnerável ao desvanecimento.

• A diversidade espacial é uma técnica eficaz no combate ao desvanecimento da envolvente do sinal, resultando em ganhos significativos desde que os sinais recebidos nas diferentes antenas sejam suficientemente não correlacionados.

• A diversidade espacial é uma técnica que usualmente é implementada nas estações base por forma a melhorar a relação sinal ruído (SNR) do sinal recebido durante o uplinnk.

• Na figura seguinte ilustra-se a variação da potência recebida (PRN) por duas antenas da mesma estação base, à medida que a estação móvel (emissora) se afasta.

99


• Assumindo que cada um dos ramos é sujeito a um desvanecimento rápido de Rayleigh, uma separação entre as antenas superior a d=10λ é suficiente para garantir uma boa descorrelação entre os sinais recebidos, ou seja, os sinais são praticamente independentes.

-110

-105

-100

-95

-90

-85

100 120 140 160 180 200

D is tânc ia (m )

PR

N (d

B)

H E M =2mH E M =2.105m

G1

G2

GM

Combinador

Antena 1

Antena M

Antena 2

...

Desmodulador

d

Diagrama de blocos dum sistema de recepção com diversidade espacial

e com M ramos.

100


TÉCNICAS DE COMBINAÇÃO DOS SINAIS : A forma de combinar os sinais recebidos pelas antenas é importante, sendo asua escolha uma solução de compromisso entre desempenho e complexidade de implementação.

Considerando que a envolvente dos dois sinais recebidos têm amplitudes a1 e a2 , a amplitude do sinal resultante segundo as técnicas mais usuais, selecção de máxima potência (SEL), igual ganho (EGC) e a combinação de máxima razão (MRC), é dada por:

• Selecção de máxima potência,

• Igual ganho,

• Combinação de máxima razão,

• SEL : É a técnica mais simples, os sinais das M antenas são continuamente monitorizados e o melhor é enviado aodesmodulador.

• EGC : Os M sinais recebidos são somados em fase, para isso há necessidade dum circuito de cophasing.

• MRC : Nesta técnica os sinais começam por ser amplificados com um ganho proporcional à relação sinal ruído do respectivo ramo, depois todos os sinais são somados em fase.

21 , aamaxa SEL =

221 aaa EGC

+=

22

21 aaaMRC +=

101


-110

-105

-100

-95

-90

-85

100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200

Distância (m)

PR

N (d

B)

HEM=2mSELMRCEGC

0.001

0.01

0.1

1

-110 -105 -100 -95 -90 -85

PRN (dB)

Pro

babi

lidad

e (P

RN

<Abs

ciss

a)

HEM=2mSELMRCEGC

1 antena

1 antena

Esquema de diversidade com 2 antenas, comparação

entre os métodos de combinação dos sinais.

102


• O método mais eficiente na melhoria do nível de sinal é o MRC (combinação de máxima razão), no entanto é o mais complexo em termos de implementação electrónica do circuito de recepção.

• Devido às características aleatórias do sinal recebido, também afigura de mérito SNR (relação sinal/ruído) é uma variável aleatória que varia instantaneamente. Só uma abordagem estatística é que pode quantificar o ganho da SNR para um determinado esquema de diversidade espacial.

• Considere-se o esquema de diversidade por selecção de máxima potência (SEL). Em cada ramo o valor médio da SNR é Γ. Assumindo que os M ramos do receptor estão sujeitos a desvanecimentos de Rayleigh independentes, mostra-se que a probabilidade de que a SNR seja em todos os ramos simultaneamente menor ou igual a um determinado valor γ é dada por :

• Por outro lado, a probabilidade que no esquema de diversidade SEL exista pelo menos um ramo com SNR superior a um determinado valor γ é dada por :

M

M eP

−=≤ Γ

−γ

γγγγ 1),...,,( 21

M

M eP

−−=≥ Γ

−γ

γγγγ 11),...,,( 21

103


Gráfico da distribuição da probabilidade da SNR ser superior a um determinado valor usando selecção de máxima potência (SEL).

• É notória a melhoria verificada no nível da SNR á medida que se aumenta o número de ramos M.

• Por exemplo, garante-se que o ganho da SNR em 99.9% do tempo quando se passa de M=1 (sem diversidade) para M=2 é de 15 dB.

104


• Exemplo : Considere uma estação base que usa diversidade espacial com dois ramos e onde os ramos recebem sinais sujeitos a desvanecimentos de Rayleigh independentes. O esquema de diversidade usado é o Selecção de máxima potência. A SNR média de cada ramo é 20 dB. Determine em que percentagem de tempo é que a SNR do receptor desce abaixo dos 10 dB (valor limiar do sistema).

A relação γ/Γ=1010/10 / 1020/10 = 10/100 = 0.1

Diversidade na Frequência

• A técnica de diversidade na frequência consiste em enviar a mesma informação em duas portadoras diferentes. Essas portadoras devem ser o suficientemente separadas na frequência para que o desvanecimentos a que são sujeitas pelo canal de propagação sejam pouco correlacionados.

• As propriedades estatísticas de dois sinais com frequências diferentes são essencialmente independentes se a separação das frequências for maior que a largura de banda de coerência Bc do canal. Nessas condições diz-se que o canal é selectivo na frequência.

[ ] %1009.01)10,..,( 21.01 ≈=−=≤ −edBP Mγγ

105


• Alguns valores típicos para a Banda de Coerência:

Ambiente Aberto: 800 KHz; Ambiente Suburbano: 300 KHz;

Ambiente Urbano : 50 KHz.

• A desvantagem desta técnica de diversidade é exigir uma ocupação extra de espectro, que usualmente está bastante limitado.

Diversidade Temporal

• A técnica de diversidade temporal consiste em enviar a mesma informação mais do que uma vez. Pode por exemplo levar á repetição de tramas até que os dados sejam recebidos sem erros. Como em principio a estação móvel está a deslocar-se, as características do desvanecimento a que é sujeito o sinal são alteradas com o tempo.

Frequency Hopping

• Utiliza saltos na frequência da portadora durante a chamada, ou seja, regularmente o sistema altera a frequência do canal em que estáa ocorrer a comunicação impondo assim alguma diversidade na frequência. Esta técnica é usada no GSM.

106


• Frequency Hopping no GSM:

fc0 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7fc1 0 1 2 3 4 5 6 7

fc0' 0 1 2 3 4 5 6 7fc1' 0 1 2 3 4 5 6 7

fd0fe0

Sentido descendente: Brodcast Control Channel (células adjacentes)

Sentido ascendente

Sentido descendenteRx

Tx

Monitor

Rx

Tx

Monitor

Rx

• À EM é atribuído o mesmo intervalo de tempo (IT) na ligação ascendente (uplink) e descendente (downlink), sendo a diferença de alinhamento correspondente a 3 intervalos de tempo. Como se mostra na figura a EM recebe no IT3 da portadora descendente fc0, emite no mesmo IT da portadora fc0`, monitora o nível do canal de difusão d0 de uma célula adjacente, volta a receber no IT3 da portadora descendente fc1, volta a emitir no IT3 da portadora fc1`, monitorando em seguida o nível do canal de difusão e0 de outra célula adjacente e assim sucessivamente.

• O resultado da monitoria é reportado à EB, pelo menos uma vez em 30 s, de modo que esta possa determinar as condições de handover. O tempo disponível para executar cada salto é aproximadamente 1 ms.

107


Caracterização do canal de propagação em termos da resposta impulsiva

• A resposta impulsiva é a resposta do canal de propagação a um impulso muito estreito.

• O canal de comunicação rádio-móvel é por natureza variante no tempo, donde a sua RI varia com a posição da EM.

• A RI do canal de propagação multipercurso designa-se por h(t, τ ) onde t é a variável tempo (relacionada com a posição da EM) e τrepresenta o atraso com que uma determinada réplica chega ao receptor.

• Ao convoluir a RI do canal com o símbolo a enviar dá-se um alargamento da cauda no sinal recebido. Diz-se então que o canal é dispersivo no tempo.

τ0 τ1 τ2 τ3 τ4 τ5 τ6 τ7 ... τmax

t1

t0

t2

t

τ

Exemplo da variação da RI com a posição da EM

h(t, τ )

108


• O Perfil de Potência do Atraso (power delay profile) é uma representação gráfica da distribuição da potência das várias réplicas recebidas em função do tempo de atraso (excess delay time) para uma determinada posição da EM.

• O parâmetro rms delay spread é usado para caracterizar o canal de propagação em termos da dispersão temporal. Esse parâmetro extrai-se a partir do Perfil de Potência do Atraso usando as expressões seguintes:

Canal de Propagação

r(t) =s(t) ⊗ h(τ )

s(t) r(t)

109


∑

∑

=

== N

ii

N

iii

P

P

0

0

)(

)(

τ

τττ e

)(

)(

0

0

2

2

∑

∑

=

== N

ii

N

iii

P

P

τ

τττ

22 )(ττ −=SpreadDelayrms

• Definiu-se largura de banda de coerência (Bc) como a banda de frequências ao longo da qual o comportamento do canal em termos de desvanecimento é semelhante. A Bc está relacionada com o rms Delay Spread através da expressão seguinte:

• Exemplo: Num cenário urbano, com obstrução do raio directo, mediu-se o seguinte Perfil de Potência do Atraso normalizado.

-20 dB

-10 dB

readrmsDelaySpBc

π21

=

PRN

0 dB

-30 dB

0 1 2 5 µs

110


Determine o valor do rms Delay Spread para esse cenário. Sabendo que o sistema em causa é o GSM, onde as portadoras estão espaçadas de 200 KHz, avalie a prestação da técnica de saltos na frequência para este cenário em particular.

• O alargamento das caudas dos símbolos recebidos, devido à característica dispersiva do canal de propagação pode levar a interferências entre símbolos adjacentes (IES) e a erros no circuito de decisão do receptor.

• O parâmetros rms Delay Spread é uma medida da dispersão temporal do canal e está relacionado com o nível de IES esperado.

• Para garantir IES=0 com uma taxa de transmissão de 1/Ts é necessário que :

rms Delay Spread << Ts

• Na prática, mesmo com uma relação sinal/ruído elevada a dispersão temporal pode ser tão significativa que conduza a uma taxa de erros insuportável para o sistema.

111


• A dispersão temporal do canal provoca IES que podem levar adecisões erradas na recepção.

Sinal Digital com ritmo de transmissão 1/Ts

1 01 1

0Ts

Canal de Propagação

multipercurso

Limiar de decisão

0 t0

Amostragem na recepção

1 111

ERRO

112


• Quanto mais dispersivo for um canal no tempo, menor é a taxa de transmissão (1/Ts) máxima que se pode usar.

• O nível de IES na recepção aumenta com a dispersão temporal do canal de propagação.

Equalização no combate à IES

• A IES é dos maiores obstáculos às elevadas taxas de transmissão nos sistemas de comunicação móveis digitais.

• O objectivo das técnicas de equalização é cancelar a IES através de técnicas de processamento do sinal no receptor.

• Uma vez que em comunicações móveis as características do canal são variantes no tempo é necessário que os equalizadores tenham propriedades adaptativas.

113


• Um equalizador tem uma estrutura linear transversal onde as amostras da sequência digital recebida, x´´(n), são multiplicadas pelos coeficientes hi e somados para se obter a sequência de saída, x^(n). Na implementação mais usual as amostras são armazenadas num shift register digital.

• Os coeficientes hi são calculados de forma a anular a IES. Como o canal rádio-móvel é variante no tempo os coeficientes hi devem ser ajustados continuamente de forma a adaptarem-se às variações do canal à medida que a EM se desloca.

• A operação dum equalizador adaptativo envolve uma sequência de treino. É uma sequência digital que obedece a um padrão de repetição previamente conhecido pelo receptor. Após essa sequência de treino são enviados os bits de informação.

• A sequência de treino permite ao equalizador calcular os coeficientes hi, que conduzem ao menor nível de IES possível.

114


• Um equalizador adaptativo tem duas fases de funcionamento:

− Fase de treino (Training Mode): É transmitido um sinal de treino conhecido. Os coeficientes hi são calculados de forma a que a sequência à saída do circuito de decisão, x´(n), seja o mais próximo possível de x(n). Os coeficientes são calculados segundo vários critérios e usando algoritmos recursivos de convergência rápida .

− Fase de seguimento (Tracking Mode): Após a sequência de treino os coeficientes hi são periodicamente ajustados de forma a ajustar o equalizador ás variações continuas do canal durante a chamada.

• Alguns critérios que definem a prestação dum equalizador a adaptativo :

− Comprimento da sequência de treino mínima necessária.− Velocidade de convergência do algoritmo suficiente para acompanhar as variações do canal.− Número mínimo de baixadas (steps) necessárias.− Complexidade computacional na implementação do algoritmo.

• No sistema GSM no meio de cada trama com 116 bits de informação é enviada uma sequência de treino com 26 bits.

3

Sequência de treino

26 58 3 8.25583

115


Técnicas de modulação digitais em comunicações móveis

• O sinal de voz é gerado pelo homem a baixas frequências [0 ; 3.4 KHz]. O objectivo das técnicas de modulação é deslocar essa informação para frequências mais elevadas tornando a transmissão no canal físico mais eficiente:

− Para que uma antena radie em boas condições é necessário que as suas dimensões físicas sejam da ordem de grandeza do comprimento de onda, assim quanto mais elevada for a frequência mais compacta será a antena.

− Quanto maior for a frequência da portadora maior será a largura de banda disponível .

• Nas técnicas de modulação o sinal de informação (banda base: analógico ou digital) actua na amplitude, na frequência ou fase duma onda sinusoidal de alta frequência designada por portadora.

• A desmodulação consiste no receptor extrair o sinal banda base da portadora modulada e descodifica-lo.

• As técnicas de modulação digitais apresentam vantagens relativamente às técnicas de modulação analógicas (AM e FM):− Maior imunidade ao ruído.− Moduladores e desmoduladores de fácil integração em

tecnologia VLSI (Very Large Scale Integration).− Existem técnicas de processamento digital do sinal bem

desenvolvidas.

116


− Os sinais de saída dum computador são digitais.− Compatibilidade com a rede digital integrada de serviços

(RDIS) na transmissão de dados e voz.− Maior segurança na informação através do uso de técnicas de

encripetação da informação.

• Quantificação: Operação que transforma o sinal analógico com todas as amplitudes possíveis num sinal com um determinado número de níveis de quantificação.

• Amostragem: Na prática é necessário reduzir o número de níveis de quantificação (geralmente a dois: 0 e 1) obtendo-se assim uma sequência de bits a que se chama sinal digital.

[0; 3.4KHz]

analógico

117


111

110

101

100

011

010

001

000 23 = 8 níveis de quantificação

Sinal digital em banda base: 010 010 011 101 110 110 110 101 010

• Exemplo : A largura de banda de um canal de voz é 3.4 KHz, donde, pelo teorema da amostragem, a frequência de amostragem dosinal deve ser no mínimo 2x3.4=6.8 KHz, se na prática usarmos 8 KHz, a que correspondem 8000 amostras/seg e se cada amostra for codificada com 8 bits (28=256 níveis) precisamos duma taxa de transmissão de 8x8=64 Kbits/seg.

118


• Formatação do símbolo básico a ser enviado: Na prática os símbolos enviados não têm forma rectangular. A um símbolo rectangular corresponde na frequência uma função Sinc(f) e portanto uma largura de banda infinita, o que na prática é impossível. Com a formatação dos símbolos pretende-se melhorar a eficiência espectral do sistema.

• Uma forma muito usual com que são formatados os símbolos é o coseno-elevado com expressão:

• A forma do símbolo em coseno-elevado depende do parâmetro α. O coseno-elevado impõe zeros nos instantes de amostragem de forma a reduzir o efeito das caudas que provocam IES.

2))2/(4(1)/cos()/sen()(

s

ssRC Tt

Ttt

Ttthααπ

ππ

−=

119


• No sistema GSM a formatação de símbolos usada é Gaussiana com expressão:

• A maior vantagem deste tipo de formatação é limitar o nível de sinais espúrios gerados pelas não linearidades dos amplificadores de rádio-frequência de forma a não provocar interferência com canais adjacentes (por exemplo, de outros operadores GSM).

• No entanto, a formatação Gaussiana dos símbolos conduz a níveis de IES superiores aos que se conseguem com a formatação em coseno-elevado.

−= 2

22

exp)(α

παπ tthG

120


• Códigos de linha: O sinal banda base digital é codificado de forma a alterar as propriedades da sequência de símbolos transmitidos e assim ajustar o espectro do sinal transmitido às características do canal físico.

• Os códigos de linha mais usuais em comunicações móveis são o não retorno a zero (NRZ), retorno a zero (RZ) e o código de Manchester:

• A codificação NRZ é a que tem um conteúdo de baixas frequências (DC) mais elevado.

• Na codificação RZ a tensão positiva correspondente ao bit 1 volta a zero antes de se esgotar o intervalo de tempo destinado à transmissão de um bit de informação.

• Depois de codificados os símbolo sofrem a formatação necessária,por exemplo, coseno-elevado ou Gaussiana.

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Técnicas básicas de modulação digital

• As técnicas de modulação digital actuam na amplitude, na frequência ou na fase duma onda sinusoidal (portadora) em funçãodo sinal de informação digital a transmitir.

• xc(t) é a portadora modulada e a frequência da portadora é fc.

)]()(2cos[)()( ttfftAtx Cc φπ +∆±=

Sinal digital a transmitir

Modulação de frequênciaModulação de faseModulação de amplitude

Codificador Formatação dos símbolos

ModuladorCanal de propagação

Desmodulador

Decisão Descodificador

Sinal digital recebido

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• Nas modulações de frequência FSK-Frequency shift keying e PSK-Phase shift keying a amplitude da envolvente da portadora transmitida permanece constante.

• A largura de banda ocupada pelo sinal após a modulação deverá ser a menor possível, assim uma figura de mérito importante duma técnica de modulação é a sua eficiência espectral.

• Outra figura de mérito é a taxa de erros (Bit Error Rate) conseguida para uma determinada relação sinal/ruído à entrada do desmodulador.

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• Pode aumentar-se a velocidade de transmissão (bits/seg) usando a mesma largura de banda se a cada símbolo transmitido corresponder mais do que um bit de informação.

• Por exemplo, na modulação 8-PSK combinam-se grupos de 3 bits sucessivos duma sequência digital que depois são usados para modular uma portadora com 8 fases possíveis. Como a cada símbolo recebido corresponde um agrupamento de 3 bits, a taxa detransmissão permitida pelo PSK simples vem aumenta 3 vezes.

b its p h ase sh iftO O O 0O O 1 45ºO 1O 90ºO 11 135º1O O 180º1O 1 -135º11O -90º111 -45º

Diagrama da constelação 8-PSK

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• É importante comparar as diferentes técnicas de modulação em termos da taxa de erros (BER) conseguida para uma determinada relação sinal ruído. [ver capítulo 5 do Rappaport]

• No sistema GSM a taxa de transmissão (bit rate) do sinal banda base é 270.833 Kbps.

• No GSM em cada símbolo transmitido há um único bit de informação.

• A técnica de modulação usada no sistema GSM é a técnica MSK (Minimum Shift Keying) que é a versão da modulação FSK a que corresponde a largura de banda de transmissão mínima.

• O MSK exige desmoduladores e circuitos de sincronização no receptor relativamente simples.

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• Como associado a esta técnica de modulação, o sistema GSM usa uma formatação de símbolos Gaussiana, diz-se que a modulação no GSM é GMSK.

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