Definição Na sua forma mais simples, um enlace de micro-ondas consiste em um par de transceptores (antenas) separados de alguns quilômetros;
Para distâncias maiores, vários repetidores podem ser utilizados, cobrindo uma distância que pode chegar a centenas de quilômetros;
Definição A propagação por micro-ondas é primordialmente por linha de visada, constituindo algumas vantagens em relação aos sistemas a cabo
Linha de visada é um termo parcialmente correto ◦ Condições atmosféricas e o solo modificam a propagação de micro-ondas
◦ Mesmo que um ponto A “veja” um ponto B, pode ser impossível obter comunicação satisfatória;
◦ Mesmo que um ponto A não “veja” um ponto B, pode ser possível obter comunicação satisfatória;
Definição A informação de voz, vídeo ou
dados é multiplexada gerando um sinal banda base
O sinal é então modulado (FM,PSK,QAM) gerando um sinal FI
O sinal é finalmente transladado em frequência, para transmissão
O processo inverso ocorre no receptor
Aplicações Enlaces em micro-ondas são melhores que os sistemas em fibra óptica em:
◦ terrenos montanhosos ou rochosos,
◦ lugares isolados como ilhas,
◦ onde cabos externos são vulneráveis e cabos subterrâneos são muito caros e não são imunes às atividades de agricultura e construção
Aplicações •Tradicionalmente, em rotas de
operadoras de telefonia (substituído por fibra óptica)
•Usa-se ainda em aplicações que não exigem grande capacidade de tráfego;
• O grande aumento de novos enlaces deve-se a acesso sem fio
Aplicações Redes de distribuição de TV
LMDS (local multipoint
distribution service)
MMDS (multichannel
multipoint distribution
service)
Mecanismos de Propagação Estimativa Inicial:
◦ Propagação por Espaço Livre
Correções: ◦ Atmosfera:
◦ Absorção
◦ Refração
◦ Relevo:
◦ Reflexão
◦ Difração
Efeitos Atmosféricos - Absorção ◦ Oxigênio:
◦ de 0.01 dB/km a 0.02 dB/km na banda de interesse
◦ Chuva: grande atenuação para grandes precipitações
◦ p/ 6 GHz:
◦ 0.001 dB/km (Vapor)
◦ 0.01 dB/km (chuva fraca)
◦ 1.0 dB/km (chuva muito forte)
◦ Pode chegar a 12 dB/km em 12 GHz
Refração A refratividade é definida como
Empiricamente (ITU-R P.453):
610)1( nN
)4810(6,77
T
ep
TN
• T é a temperatura em kelvin, • p é a pressão atmosférica em mbar • e é a pressão do vapor d’água em mbar
Refração Define-se ainda o gradiente de refratividade:
(valor válido para a atmosfera padrão)
km
N de unidades 40
h
NN
Refração ◦ Valor padrão de K = 4/3
◦ Porém varia e depende:
◦ da hora do dia
◦ da estação do ano
◦ da localização geográfica
◦ K > 4/3 para áreas quentes
◦ K < 4/3 para áreas frias
◦ Geralmente 1,1 < K < 1,6
h
nR
K
01
1
RealRaio
EfetivoRaio
Refração O valor de K = 4/3 decorre de uma taxa de decréscimo do índice de refração da atmosfera com a altitude, e este caso é definido como atmosfera padrão;
A taxa de variação varia com o tempo e com as condições atmosféricas
Refração Valores de Kmin para 99,9% do tempo no pior mês do ano em função da distância (clima temperado continental)
Recomendação ITU-R P. 530
Efeitos do Terreno Obstáculos no terreno: Montanhas, Árvores, Edifícios, .....
A forma e o material do obstáculo deve ser considerado no Enlace ◦ Perdas no enlace
◦ Espalhamento do sinal
Efeitos para análise: ◦ Reflexão
◦ Difração
Princípio de Huygens Cada ponto de uma frente de onda possui a funcionalidade de uma nova fonte pontual
Princípio de Huygens Cada ponto de uma frente de onda possui a funcionalidade de uma nova fonte pontual
Difração – Gume de Faca Mostra-se que:
Em que define-se o parâmetro de difração de Fresnel como:
dtej
E
Etj
fs
drf 2/2
2
1
21
11
1
2
dd
h
Difração – Gume de Faca A expressão pode ser reescrita como:
Em que define-se o parâmetro de difração de Fresnel como:
)()(1)()(2
1 CSjCS
jE
E
fs
drf
21
11
1
2
dd
h
Difração – Gume de Faca A expressão pode ser reescrita como:
São definidas as funções seno integral de Fresnel e cosseno integral de Fresnel:
)()(1)()(2
1 CSjCS
jE
E
fs
drf
0
2
2sen)( dt
tS
0
2
2cos)( dt
tC
Determinação da Altura das Antenas Para todos os obstáculos significativos ao longo do percurso, determinar:
Considerando o feixe com percurso linear de propagação,
kmkmmc ddRK
h ,2,1
0
3
,2
10
ncPCAABB RhHdHhdhHd )()( 21
kmGHz
kmkm
ndf
dndR
,2,132,17
Exercício 1 Calcular a altura das antenas para 100% de desobstrução da primeira zona de Fresnel para K = 4/3, f = 2 GHz e f = 8 GHz, sob os seguintes valores: ◦ d = 40 km
◦ d1 = 30 km
◦ d2 = 10 km
◦ HA = 748 m
◦ HB = 936 m
◦ HPC = 906 m
kmkmmc ddRK
h ,2,1
0
3
,2
10
kmGHz
kmkm
ndf
dndR
,2,132,17
ncPCAABB RhHdHhdhHd )()( 21
Exercício 2 Repetir o exercício anterior, considerando 60% de desobstrução da primeira zona de Fresnel ◦ d = 40 km
◦ d1 = 30 km
◦ d2 = 10 km
◦ HA = 748 m
◦ HB = 936 m
◦ HPC = 906 m
Exercício 3 Repetir os exercício anteriores, considerando agora K = 2/3.
◦ d = 40 km
◦ d1 = 30 km
◦ d2 = 10 km
◦ HA = 748 m
◦ HB = 936 m
◦ HPC = 906 m
Exercício 4 Determinar a altura das antenas para o seguinte enlace de micro-ondas em visibilidade, considerando a distância total do enlace de 58 km, operando na frequência de 6 GHz e fator K = 0,92, com obstrução de 40% da metade inferior da primeira zona de Fresnel. Os pontos de A a D marcam a presença de obstáculos, que são árvores de 15 metros de altura.
Elemento do Enlace Altitude (m) Distância em relação ao Tx (km)
Tx 81,51 0,00
‘A’ 52,50 12,07
‘B’ 33,87 31,22
‘C’ 48,26 43,45
‘D’ 61,00 48,28
Rx 61,00 58,00
Exercício 4
Elemento do Enlace
Altitude (m)
Distância em relação ao Tx (km)
Tx 81,51 0,00
‘A’ 52,50 12,07
‘B’ 33,87 31,22
‘C’ 48,26 43,45
‘D’ 61,00 48,28
Rx 61,00 58,00
Balanço de Potência Fatores de perda em um enlace
k
ABSORÇÃO
k
ENTODESVANECIM
k
OEQUIPAMENT
k
FS
k
T
k
ATMOSFERA
k
aEstatísticCHUVA
k
REFRAÇÃO
k
REFLEXÃO
k
DIFRAÇÃO
k
GHzmdBaOALIMENTAÇÃ
k
dBÃOINTERCONEX
k
FS
k
T
LLLLL
LL
LLL
LLLL
)(
)6100/93()2(
Balanço de Potência Para um enlace (k-ésimo enlace), a razão portadora ruído é dada por:
A temperatura de ruído do sistema receptor relaciona-se com a figura de ruído por meio da relação:
k
T
k
SdB
k
TdB
k
RdB
k
TdB
k
T
k
dB
BTLGGPN
C
iiW
log10log106,228
ga
T0+Te
Ni” = K (T0+Te) BT
+ Te
T0 Nout = K (T0+Te) BT ga
0TFTS
Exemplo 1 Considere um enlace de micro-ondas em visibilidade de 40 km de extensão entre duas cidades A e B, que opera em 38 GHz. O sistema transmissor, de potência PT W, alimenta a antena de transmissão através de um guia de onda com perdas de 3 dB/100m. O sistema receptor é alimentado pela antena receptora a partir de um guia de onda com essas mesmas características. Tanto o transmissor quanto o receptor estão distantes das suas respectivas antenas de uma distância de 50 m.
Exemplo 1 As antenas transmissora e receptora são idênticas e são do tipo parabólica com eficiência de 60%. A temperatura ambiente pode ser considerada 300 K. A figura de ruído do sistema receptor é igual a 4 dB e a figura de mérito é igual a 15 dB. Calcule PT (em dBw), o ganho G e o diâmetro D das antenas (transmissora e receptora) para que o sistema trabalhe na sensibilidade máxima do receptor, que é de –65 dBm, sabendo ainda que o sistema está em uma região onde as perdas por absorção de chuva podem chegar a 0,15 dB/km. Despreze nesse caso os problemas com difração, refração e reflexão.
Modelos de Disponibilidade A probabilidade de que o desvanecimento exceda FM no pior mês em um dado enlace é dada pela relação (modelo de Barnett-Vigants):
FM = margem de desvanecimento de um enlace (em dB)
f = frequência de operação (em GHz) O expoente B varia entre 0,85 e 1,5
105 10100,6(%)
FM
CB
fT dfTc
Modelos de Disponibilidade A probabilidade de que o desvanecimento exceda FM no pior mês (indisponibilidade) é dada pela relação (modelo de Barnett-Vigants):
FM = margem de desvanecimento de um enlace (em dB)
d = distância do enlace (em km)
O expoente C varia entre 2,00 e 3,50
105 10100,6(%)
FM
CB
fT dfTc
Modelos de Disponibilidade Modelo de Barnett-Vigants:
cT é o fator clima 1/2 para a costa do Golfo e áreas similares (em termos de temperatura e umidade)
1/8 para clima muito seco
1/4 nos demais casos
105 10100,6(%)
FM
CB
fT dfTc
Modelos de Disponibilidade Modelo de Barnett-Vigants:
Tf – é o fator terreno 4 para terrenos muito planos (incluindo enlaces sobre água)
¼ para terrenos montanhosos ou irregulares
1 para os demais casos
105 10100,6(%)
FM
CB
fT dfTc
Exemplo 2 Qual será a disponibilidade de um enlace de comprimento 50 km em uma região úmida (similar ao Golfo), de terreno plano, que opera em 6 GHz e apresenta margem de desvanecimento de 40 dB?
Considere 1035 10100,6(%)
FM
fT dfTc
Modelos de Disponibilidade Há outros modelos disponíveis para outras regiões do mundo Por exemplo, ITU-R P. 530
Disponibilidade do Sistema
SE
SESE
SEk
N
k
k
N
k
k
N
k
k
N
k
k
1
sistemasistema
11
sistema
1
indep.
sistema
1
11
Disponibilidade do Sistema
Para enlaces full-duplex,
Para enlaces half-duplex,
2
kVOLTA
k
IDA
k
k
VOLTA
k
IDA
k
Disponibilidade do Sistema Como aumentar a disponibilidade de um enlace e mitigar os efeitos do desvanecimento? Re-projetar os enlaces para utilizar antenas maiores ou maior potência de
transmissão ou melhor sensibilidade
Uso de técnicas de diversidade
Uso de FEC (codificação de canal)
Diminuir a distância entre os enlaces
Reduzir a taxa de transmissão de bit
Exemplo 2 – Revisitado.... (a) Qual será a disponibilidade de um enlace de comprimento 50 km em uma região úmida (similar ao Golfo), de terreno plano, que opera em 6 GHz e apresenta margem de desvanecimento de 40 dB?
(b) Suponha que seja utilizada diversidade espacial, com duas antenas de mesmo ganho, espaçadas de 12 m. Se for mantida a margem de desvanecimento utilizada em (a), qual a nova disponibilidade do enlace?
(c) Qual deve ser a nova margem de desvanecimento para que a disponibilidade seja a mesma considerada em (a) ?