PROPAGAÇÃO PONTO-ÁREA(SISTEMAS MÓVEIS)

Maio, 2012

PROPAGAÇÃO

Propagação corresponde ao processo físico através do qual a energia irradiada por uma antena transmissora atinge a antena receptora. O problema básico a ser resolvido consiste em desenvolver modelos que possibilitem o cálculo da potência recebida por um receptor localizado em determinado ponto, partindo das características técnicas do transmissor que irradia a energia e das características físicas dos meios onde se propaga esta energia.

ONDA ELETROMAGNÉTICA

Na figura acima pode-se visualizar o campo eletromagnético associado a uma onda de energia em propagação em dois instantes de tempo distintos: a) Em t = 0; b) Em t = ¼ de período mais tarde. O campo eletromagnético é composto pelas componentes dos campos elétrico ( E ) e magnético ( H ).

ESPECTRO DE FREQUÊNCIAS

PROPAGAÇÃO

O mecanismo mais elementar de propagação de uma onda eletromagnética corresponde a condição de espaço livre, onde nada afeta a trajetória da energia entre o transmissor e o receptor. Obviamente, trata-se de uma condição idealizada, pois é intuitivo concluir sobre os efeitos que o relevo do terreno, a vegetação, as construções em áreas urbanas e suburbanas das cidades, etc., podem causar na energia em propagação.

Fenômenos básicos de propagação: Difração; Reflexão; Espalhamento

PROPAGAÇÃO EM ESPAÇO LIVRE

dgp

E tto

30

pt – potência transmitida

gt – ganho da antena transmissora

d – distância entre o transmissor e receptor

ou

kmdMHzfrptpdBoA log20log204,32log10)(

mdGHzfrptp

dBoA log20log204,32log10)(

REFLEXÃO Quando a onda eletromagnética incide na superfície de separação de dois meios, parte da

energia é refletida e parte é transmitida, penetrando no segundo meio. As parcelas correspondentes de energia são calculadas através dos coeficientes de reflexão e transmissão (refração). Tais coeficientes dependem das propriedades elétricas dos meios em questão (permissividade elétrica e condutividade), da polarização da onda, da freqüência e do ângulo de incidência sobre a superfície de separação, a qual deve ter dimensões muito maiores do que o comprimento de onda. Este fenômeno é usualmente analisado pela óptica geométrica, fazendo-se uso da teoria de raios, sendo de fundamental importância nos enlaces em visibilidade. Nesta situação, os raios refletidos no solo e nas paredes dos prédios fazem variar a intensidade do sinal recebido relativamente ao raio que se propaga em espaço livre.

DIFRAÇÃO

É o fenômeno responsável pela existência de energia na região de não

visibilidade de um obstáculo. A intensidade do campo difratado da apresenta um valor sempre inferior ao que seria obtido em espaço livre. Matematicamente, o cálculo da atenuação por difração é mais complexo do que avaliar os efeitos da reflexão e transmissão dos sinais. Para freqüências elevadas existe uma formulação matemática equivalente à óptica geométrica citada anteriormente, denominada teoria geométrica da difração (TGD). Quando se emprega esta teoria na solução de um determinado problema, utiliza-se um coeficiente de difração que depende dos mesmos parâmetros relacionados para os coeficientes de reflexão e transmissão. Através da difração pelo relevo do terreno e nas quinas dos prédios, pode-se cobrir áreas de sombra de um transmissor;

DIFRAÇÃO

ESPALHAMENTO

Espalhamento – acontece quando o meio onde se propaga a energia possui

obstáculos com dimensões da ordem ou inferior ao comprimento de onda. Relativamente aos fenômenos da reflexão e da difração, a análise teórica do espalhamento é bem mais difícil de ser estruturada, razão pela qual os modelos empregados na prática são, em geral, empíricos obtidos a partir de dados experimentais. O espalhamento pela vegetação, por fios da rede elétrica, por sinais de trânsito, etc., são exemplos de interesse para as comunicações móveis.

PROPAGAÇÃO SOBRE A TERRA PLANA

mhmhkmdhh

dAtp 2122

21

4log20log20log40120log10

ZONA DE INTERFERÊNCIA E ZONA DE DIFRAÇÃO

DEPENDÊNCIA DA ATENUAÇÃO COM A DISTÂNCIA

Na expressão da atenuação no modelo da terra plana verifica-se uma dependência com d4. Entretanto, em uma situação real o expoente da distância pode diferir do valor 4. Desta forma, é usual representar a dependência com a distância por,

dγ

onde as medidas indicam que o valor típico de γ é da ordem de 3,5.

PROPAGAÇÃO PONTO-ÁREA(ERB acima do nível médio dos prédios)

Classificação das áreas

UrbanaSuburbanaRural

VARIABILIDADE DO SINAL (ERB abaixo do nível médio dos prédios)

RRxx

d

(0,0) xW1

y

hd

TTxx

W2

2

34

1

CANYON URBANO

ATENUAÇÃO E ESPALHAMENTO

ATENUAÇÃO E ESPALHAMENTO

PROPAGAÇÃO URBANA SEM VISIBILIDADE

a) Propagação no trecho entre a ERB e a esquina das ruas principal e transversal

b) Difração na quina do prédio que separa as duas ruas

c) Propagação no trecho entre a esquina e o terminal móvel

PROPAGAÇÃO URBANA SEM VISIBILIDADE

DESVANECIMENTO

Denomina-se desvanecimento a variabilidade da intensidade do sinal associada à mobilidade do terminal móvel. Tais variações podem ser classificadas como de pequena escala (observadas em janelas da ordem de dezenas de comprimentos de onda) e de grande escala (janelas de centenas de comprimentos de onda).

As variações de grande escala estão associadas a: a) variação do valor mediano do sinal em função da distância o transmissor e receptor; b) variação do valor mediano que se observa quando a distância transmissor-receptor se mantém fixa e o terminal móvel percorre uma circunferência de centro no transmissor. O desvanecimento de grande escala é causada por obstáculos, naturais ou não, tais como elevações do terreno, construções, vegetação, etc., que se encontram no trajeto entre o transmissor e o receptor.

As variações de pequena escala são causadas pela multiplicidade de percursos, por reflexão, difração e espalhamento da energia entre o transmissor e o receptor (desvanecimento multipercurso) e à velocidade de terminal móvel (desvio Doppler). O desvanecimento multipercurso provoca uma dispersão do sinal que constitui um problema crítico no caso de sistemas digitais de faixa larga. Por outro lado, o desvio Doppler introduz uma variação temporal no canal de propagação que afeta particularmente os sinais com baixa taxa de transmissão.

DESVANECIMENTO

DESVANECIMENTO

Grande Escala

– JANELAS DA ORDEM DE CENTENAS DE COMPRIMENTOS DE ONDA

Pequena Escala

– JANELAS DA ORDEM DE DEZENAS DE COMPRIMENTOS DE ONDA

DESVANECIMENTO

DESVANECIMENTO

SELETIVO

DESVANECIMENTO

PLANO

DESVANECIMENTO

RÁPIDO

DESVANECIMENTO

LENTO

VARIABILIDADE

EM PEQUENA ESCALA

VARIABILIDADE

DO SINAL

VARIABILIDADE

EM GRANDE ESCALA

VARIAÇÃO DO

NÍVEL MEDIANO DO

SINAL COM A

DISTÂNCIA

DESVANECIMENTO EM

GRANDE ESCALA

(POR SOMBREAMENTO)

VARIAÇÃO

TEMPORAL

DO CANAL

DISPERSÃO

DO SINAL

DESVANECIMENTO

Grande Escala– DISTRIBUIÇÃO NORMAL OU DE GAUSS

Pequena Escala– DISTRIBUIÇÃO DE RAYLEIGH– DISTRIBUIÇÃO DE RICE-NAKAGAMI (RICEAN)

VARIABILIDADE DO SINAL

DESVANECIMENTO

Grande Escala

– VARIAÇÃO DO NÍVEL MEDIANO COM A DISTÂNCIA

– DESVANECIMENTO POR SOMBREAMENTO

DESVANECIMENTO

O passo inicial na análise do desvanecimento em grande escala e estimar o valor mediano da atenuação do sinal entre os terminais. Neste particular, conforme comentado anteriormente, a altura da antena da ERB representa um parâmetro importante no dimensionamento de um sistema celular. Quando a antena situa-se acima da altura média dos prédios, dependendo da diretividade da antena utilizada, a cobertura pode ser omnidirecional ou setorial. Esta situação modifica-se totalmente se a antena da ERB estiver localizada abaixo do nível médio dos prédios, quando a cobertura se restringe à rua principal (longitudinal) e, em menor profundidade, às ruas transversais, através do efeito da difração nas esquinas. Obviamente, dependendo do tipo de célula a ser coberta, ou mais precisamente, da altura da antena da ERB, procedimentos distintos para o cálculo da atenuação devem ser adotados. Os sistemas móveis de 1ª e 2ª gerações foram implementados nas faixas de 800 e 900 MHz com as antenas das ERBs localizadas acima do nível médio dos prédios. Com o aumento de tráfego, houve uma redução progressiva do raio de cobertura até a introdução do conceito de micro-célula, levando a uma situação onde é mais adequado posicionar a ERB abaixo do nível médio dos prédios. Posteriormente, com a utilização da faixa de 1800MHz, esta condição tomou vulto, havendo uma reformulação significativa na metodologia de cálculo da atenuação de propagação.

MODELO DE OKUMURA(Antena da ERB acima do nível médio dos prédios)

O trabalho publicado por Okumura e outros foi bastante abrangente, cobrindo diversos ambientes, ou seja, áreas urbanas e suburbanas de Tóquio e localidades vizinhas, áreas rurais e características peculiares do terreno, tais como, percurso inclinado, relevo irregular e trajetos mistos (terra-mar). As medidas foram realizadas nas freqüências de 200, 453, 922, 1310, 1430 e 1920 utilizando nas ERBs antenas com altura efetivas entre 30 e 1000 metros. A altura efetiva de uma antena é definida por,

he=ht, para ht > h;

he =h, para ht<h

ondeh – altura da antena em relação à cota de sua base ht – altura da antena em relação ao nível médio do terreno avaliado entre 3 e 15km a partir

da base considerada.Para distâncias inferiores a 3 km, considerar he = h.

No que se refere à antena da unidade móvel foram utilizadas altura entre 1 e 10 metros de modo que os resultados fossem úteis também para radiodifusão.

MODELO DE OKUMURA-HATA

Este método foi desenvolvido por Hata com base em medidas realizadas na área de Tóquio, Japão, por Okumura e outros, sendo válido dentro dos seguintes limites:150 MHz f 1500 MHz30 m hb 200 m

1 m hm 10 m

1 km d 20 kmA atenuação básica mediana de transmissão, correspondente à cobertura de 50% de uma área urbana (Abmu), tem por expressão,

  Abmu(dB) = 69,55 + 26,16 x log[f(MHz)] -13,82 x log[hb(m)] -a[hm(m)] +

  + {44,9 - 6,55 x log[hb(m)]} x log[d(km)]

onde f é a freqüência em MHz, d é a distância em km, hb é a altura da estação base em metros, hm é a altura da estação móvel em metros e o termo a(hm) é dado por,

 a) Cidade pequena ou média  a(hm) = {1,1 x log[f(MHz)] -0,7} x hm - {1,56 x log[f(MHz)] -0,8}

  b) Cidade grande  b.1) f 200 MHz  a(hm) = 8,29 x {log[1,54 x hm(m)]2 -1,1}

  b.2) f 400 MHz  a(hm) = 3,2 x {log[11,75 x hm(m)]2 -4,94}

Cumpre observar que, para hm = 1,5m (altura típica de uma unidade móvel), tem-se a(hm) = 0.

MODELO DE OKUMURA-HATA

No que diz respeito a áreas suburbanas e rurais, tem-se para atenuação básica mediana de propagação,

Área suburbana

Área rural

4,528

log22

fdBAdBA bubs

94,40log33,18log78,4 2 ffdBAdBA bubr

EXTENSÃO DO MODELO OKUMURA-HATA(COST 231)

Na faixa de 1,5 a 2,0 GHz utiliza-se uma extensão da formulação de Okumura-Hata onde a atenuação básica mediana de propagação é dada por,

sendo CM uma correção de 3 dB aplicável em áreas urbanas densas. Em outras áreas esta constante deve ser tomada igual a zero.

Mbmbbu CdhhahfdBA loglog55,69,44log82,13log9,333,46

PERCENTAGEM DE COBERTURA DA ÁREA

baberfeaerfPCA b

ab 11)(121 2

12

x

t dtexerf0

22)( 2

Ma 2

log10 eb

M - margem de desvanecimento definida pela diferença, em dB, entre o valor mediano

da atenuação e o nível do sinal recebido na percentagem considerada;

- desvio padrão da distribuição log-normal na área em estudo;

MARGEM DE DESVANECIMENTO( = 3,5)

Desvio padrão (dB)Cobertura(%) 6,0 6,5 7,0 7,5 8,0 8,5 9,0 9,5 10,0 10,5 11,0 11,590 3,3 3,9 4,4 4,9 5,5 6,0 6,6 7,1 7,7 8,2 8,8 9,495 5,9 6,6 7,3 8,0 8,7 9,4 10,2 10,9 11,6 12,4 13,1 13,998 9,3 10,2 11,2 12,1 13,1 14,0 15,0 16,0 16,9 17,9 18,9 19,9

VARIABILIDADE DO SINAL

Pequena Escala

– DISPERSÃO DO SINALDESVANECIMENTO PLANODESVANECIMENTO SELETIVO

– VARIAÇÃO TEMPORAL DO CANALDESVANECIMENTO LENTODESVANECIMENTO RÁPIDO

TÉCNICAS DE MELHORIA

1. AUMENTO DA ERPERP - Potência Efetiva Irradiada (Effective Radiated Power)

ParâmetrosPOTÊNCIA DE TRANSMISSÃO (Pt)GANHO DA ANTENA TRANSMISSORA (Gt)ERP (dBW) = Pt(dBW) + Gt(dB)

AplicaçãoCOMPENSAR A VARIAÇÃO DE GRANDE ESCALA

 2. DIVERSIDADE Recepção de dois ou mais sinais contendo a mesma informação

DIVERSIDADE DE ESPAÇODIVERSIDADE DE POLARIZAÇÃODIVERSIDADE DE TEMPO

Aplicação DESVANECIMENTO PLANO E LENTO

 

TÉCNICAS DE MELHORIA

3. EQUALIZAÇÃO Compensação do desvanecimento multipercurso ( desvanecimento seletivo)

 Aplicação – DESVANECIMENTO SELETIVO (Sistemas que utilizam portadora única)

 4. CÓDIGOS CORRETORES DE ERRO

 Aplicação – DESVANECIMENTO PLANO E LENTO  

TÉCNICAS DE MELHORIA

 5. ESPALHAMENTO DO ESPECTRO – SEQÜÊNCIA DIRETA – SALTO EM FREQÜÊNCIA Aplicação

– DESVANECIMENTO SELETIVO

6. MULTIPLEXAÇÃO POR DIVISÃO DE FREQÜÊNCIAS ORTOGONAIS (OFDM – Orthogonal Frequency Division Multiplex)Aplicação

– DESVANECIMENTO SELETIVO

 7. ENTRELAÇAMENTO DE BITS Aplicação – DESVANECIMENTO PLANO E LENTO

RECEPÇÃO EM DIVERSIDADE

RECEPÇÃO DE DOIS OU MAIS SINAIS CONTENDO A MESMA INFORMAÇÃO

TÉCNICAS– DIVERSIDADE DE ESPAÇO– DIVERSIDADE DE POLARIZAÇÃO

APLICAÇÃO– DESVANECIMENTO PLANO

RECEPÇÃO EM DIVERSIDADE DE ESPAÇO DUPLA