A
Cálculo de Enlace
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Para um melhor entendimento das equações a seguir, é utilizada a
nomenclatura abaixo:
xERB
posição da ERB no eixo x;
yERB
posição da ERB no eixo y;
β
direção de máximo apontamento da antena da estação transmissora ERB, tendo como referência o norte (eixo y);
xT U
posição do terminal do usuário no eixo x;
yT U
posição do terminal do usuário no eixo y;
α
direção entre a estação transmissora ERB e a estação receptora do
terminal do usuário;
φ
ângulo formado entre a estação transmissora ERB e a estação
receptora do terminal do usuário.
A.1
Cálculo da Distância
A figura A.1 representa a localização de uma antena da estação
transmissora ERB e uma antena receptora do terminal do usuário.
A distância do enlace de rádio comunicação entre a estação rádio base
e o terminal do usuário é a distância euclidiana entre dois pontos, calculada
através da equação A-1:
d=
p
(xERB − xT U )2 + (yERB − yT U )2
1000
(A-1)
Ângulo de Apontamento da Antena
71
di
r.
an
te
na
ER
B
Y
YTU
TU
dist.
YTU - YERB
YERB
XERB
X
XTU
XTU - XERB
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Figura A.1: Distância do enlace
A.2
Ângulo de Inclinação do Enlace
Na localização da estação rádio base, o ângulo de inclinação, denominado α é ângulo formado pelo eixo norte e a reta que liga a estação rádio
base ao terminal do usuário e é calculado pela equação A-2:
α = 90 − tan
−1
µ
yT U − yERB
xT U − yERB
¶
(A-2)
No cálculo do enlace reverso, é utilizado o ângulo de inclinação,
0
denominado α , formado pelo eixo norte e a reta que liga o terminal do
usuário e a estação rádio base.
0
α =
(
180 + α se α 6 180;
α − 180 se α > 180.
(A-3)
A.3
Ângulo de Apontamento da Antena
O ângulo de apontamento é o ângulo da direção de máximo ganho da
antena, representado na estação rádio base como β. No terminal do usuário,
este ângulo representa a direção de apontamento para o melhor servidor,
0
0
sendo assim β = α
Ângulo na Direção do Enlace
72
A.4
Ângulo na Direção do Enlace
Este ângulo é formado pela reta do enlace e da direção de apontamento
da antena. A partir deste ângulo é obtido o valor das perdas de irradiação
nesta direção e conseqüentemente do ganho da antena.
O valor deste ângulo depende da localização da estação rádio base e
do terminal do usuário. Na figura A.2(a), temos que α > β, então φ = α−β.
Porém na figura A.2(b) α < β então φ = 360 + (α − β).
Y
Y
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α
YTU
ERB
β
α
ϕ
di
β
di
r.
r.
an
an
te
te
na
na
ER
B
ER
B
TU
YTU
ϕ
TU
XTU
(a) Ângulo alfa maior do que beta
X
ERB
XTU
(b) Ângulo alfa menor do que beta
Figura A.2: Ângulo de inclinação do enlace direto
X
Ganho da Antena
73
Resumidamente o ângulo entre a antena transmissora ERB e a antena
receptora do terminal do usuário é calculado pela equação A-4:
φ=
(
α−β
se α > β;
360 + (α − β) se α < beta.
(A-4)
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A.5
Diagrama de Intensidade de Campo
É a representação gráfica da distribuição espacial da intensidade de
campo da antena.
A figura A.3 apresenta o diagrama de radiação na forma polar da
intensidade de campo no plano horizontal de uma antena de 90◦ de abertura,
utilizada na estação transmissora ERB. Esta antena apresenta um ganho
máximo de 16 dBi.
Consultando o ângulo φ, obtido em A-4 no diagrama de radiação da
antena, obtém–se o valor do ganho na direção φ, pela equação A-5:
A.6
Ganho da Antena
O ganho da antena é definido como a relação entre a energia irradiada
na direção do máximo do diagrama de radiação desta antena e a que
seria irradiada por uma antena isotrópica ideal em uma direção qualquer,
supondo que as duas irradiem a mesma potência total (considerando todas
a direções).
Quanto maior o ganho da antena, maior a disponibilidade, ou seja,
maior o percentual de tempo em que o enlace de comunicação é operacional sem sofrer distúrbios atmosféricos. Antenas com ganho elevado são
geralmente utilizadas em enlaces do tipo ponto–a–ponto nas instalações do
terminal do usuário. As antenas utilizadas pelas estações rádio base são
setorizadas e possuem ganho inferior ao do terminal do usuário.
A vantagem em utilizar antenas de ganho elevado é a disponibilidade
elevado do sistema, porém traz como desvantagem o fato de que quanto
mais elevado é o ganho, mais diretiva, ou seja, mais estreito é o feixe de
comunicação da antena.
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Direção do Melhor Servidor
74
Figura A.3: Diagrama de antena de 90◦
Para as antenas transmissoras das ERBs foram utilizadas antenas de
90◦ , 60◦ e 45◦ . E no terminal do usuário foram utilizadas antenas de 5◦ .
A.7
Discriminação de Polarização Cruzada
É a ”isolação”do sinal de uma polarização em relação a outra, na
mesma antena. A discriminação de polarização cruzada refere–se à habilidade de um dispositivo de alimentação detectar os sinais de uma polaridade
e rejeitar os sinais que estejam em polarização oposta.
A.8
Direção do Melhor Servidor
A direção do melhor servidor é o apontamento da antena do terminal
do usuário na direção da estação rádio servidor do sinal desejado.
Direção do Melhor Servidor
75
As figuras A.4(a) e A.4(b) apresentam uma configuração do enlace de
comunicação entre um terminal do usuário e a estação rádio base melhor
servidor.
A.8.1
Ganho do terminal do usuário
O ganho do terminal do usuário em uma direção qualquer é calculado
através da relação entre o ganho máximo da antena e as perdas de irradiação.
Na direção de melhor servidor corresponde ao ganho máximo da antena
GR (0). É calculado através da expressão A-5
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G(φ) = G(max) − ∆G(φ)
(A-5)
Direção do Melhor Servidor
76
Y
αi
βi
X
ERB
antena
dir.
interferente
ϕi
ERBi
Y
Y
α’ > β’
βj
α’
αj
ϕj
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YTU
ϕ’
TU
β’
XTU
ERBj dir. antena TU
X
dir. melhor servidor
0
(a) Ângulo α > β
0
Y
Y
α’ < β’
βj
β’
ϕ’
αj
ϕj
YTU
ERBj
α’
TU
TU
ntena servidor XTU
a
.
r
r
di
melho
dir.
X
e
nt
re
fe
r
te
in
B
ER
na e
e
t nt
an
. fere
r
di ter
in
l
a
in
Y
s
αi
βi
ϕi
ERBi
X
0
(b) Ângulo α < β
0
Figura A.4: Ângulo de apontamento do melhor servidor
B
Implementações e Aplicações
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B.1
Descrição do Programa Para O Cálculo da Relação S/I
Neste trabalho foi desenvolvido uma ferramenta computacional com
a finalidade de simular o cálculo de cobertura, de capacidade e da disponibilidade de sistemas de rádio acesso em banda larga utilizando os modelos
de previsão de atenuação por chuvas do ITU-R e do CETUC, incluindo
também efeitos de atenuação diferencial.
A ferramenta é denominada BWAS (Broadband Wireless Access System) e foi desenvolvido para trabalhar em ambiente Windows utilizando
c Para tornar o simulador mais amigável e intuitivo
o software Matlab °.
foi desenvolvida uma interface gráfica no padrão MS Windows buscando
simplicidade e facilidade de uso.
B.2
Telas do Simulador
A tela principal do simulador (fig. B.1) é ativada após digitar bwas
na linha de comando do Matlab. Esta tela possui alguns componentes que
auxiliam o usuário na simulação.
O menu principal na parte superior da tela apresenta funções que
podem ser escolhidas pelo usuário, dependendo de alguns estados que são
verificados pelo simulador. Assim algumas opções no menu podem não
estar disponı́veis. Por exemplo, o menu gráficos não pode ser acessado se
não houver um cenário carregado na tela e se a simulação não tiver sido
executada.
A esquerda da tela apresenta uma caixa de texto informativo onde
são exibidas informações a respeito da simulação e dicas. Durante a fase
de processamento é exibido um contador do número de iterações que
Abrir Cenário
78
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corresponde a quantidade de enlaces entre estação rádio base e terminal
do usuário.
O eixo ordenado X-Y apresenta a disposição fı́sica das estações rádio
base em um cenário hipotético. Optou-se por um cenário hipotético devido
as complicações em implementar um sistema de mapas com latitude e
longitude sem recorrer a funções de cartografia no Matlab.
Os terminais do usuário não são exibidos nesta tela pois, se assim
fossem, dificultariam a localização das ERBs. Os terminais do usuários
podem ser visualizados em outra tela.
Figura B.1: Tela inicial do simulador
B.3
Abrir Cenário
O sistema bwas permite abrir cenário de estações rádio base para rodar
as simulações. Estes cenários são arquivos texto (extensão txt), armazenado
no diretório erb. Este arquivo é uma tabela composta de n linhas, onde cada
linha corresponde a uma estação rádio base e um número fixo de colunas
representando informações para a plotagem das ERBs e dados utilizados na
rotinas de simulação.
Abrir Cenário
79
O cenário é carregado a partir da opção Abrir cenário de estações
rádio base (figura B.2 no menu arquivo. Quando um cenário é carregado,
informações da dimensão do mapa e resolução também são carregadas e não
podem ser alteradas.
Figura B.2: Menu arquivo
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A figura B.3 apresenta a janela abrir cenário de estações rádio base,
onde os arquivos com informações sobre os cenários estão disponı́veis.
Figura B.3: Abrir cenário de ERB
B.3.1
Representação Gráfica do Cenário
A figura B.4 é a representação gráfica de um cenário de ERBs. Neste
caso uma configuração formada por 64 estações rádio base dividas em 4 sites
com setores de 90 ◦ utilizando polarização vertical.
B.3.2
Escolhendo o Resultado da Simulação
Assim que é escolhido o cenário de simulação, o sistema apresenta
janela, figura B.5, onde são guardados os resultados da simulação. Os resultados são armazenados em pastas, representado a corbertura do sistema. O
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Abrir Cenário
80
Figura B.4: Configuração de ERB do tipo 4 x 4, utilizando antenas setorizadas de 90 ◦
com polarização vertical
nome do arquivo de resultados está vinculado ao nome do cenário aberto.
Caso o resultado exista, há a possibilidade de carregá–lo ou então executar
nova simulação. Por convenção existem dois tipos de arquivo de acordo com
o resultado que se deseja analisar:
Figura B.5: Lugar que armazena resultados da simulação
– ∗.01 – simulação em evento de chuva – modelo ITU-R;
– ∗.02 – simulação em evento de chuva – modelo CETUC;
Simulação
81
B.4
Exibindo os Terminais do Usuário
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Após o cenário ter sido carregado é possı́vel visualizar os terminais
através da opção exibir terminais no menu principal. A figura B.6 apresenta
um zoom de uma área do mapa com alguns pontos representando terminais
do usuário. No parte superior da tela é possı́vel visualizar o número total
de pontos existentes neste mapa. Nesta configuração há um total de 63001
pontos, representando uma resolução de 200 pontos sobre uma área de 50
x 50 km.
Figura B.6: Menu principal
B.5
Simulação
As simulações são realizadas acessando o menu Simular e podem ser:
– Modelo ITU–R – Método de previsão para a atenuação por chuva do
ITU-R P.530-7, para climas temperados;
– Modelo CETUC – Método de previsão para a atenuação por chuva do
CETUC, para climas tropicais e equatoriais;
ambas fazem chamada a tela de entrada, mostrada na figura B.7, onde
valores de clima e chuva são utilizados durante os cálculos.
Devido a resolução utilizada, isto implica na quantidade de terminais
do usuário que estão na tela, e do numero de ERBs, o processamento pode
demandar um tempo elevado para ser concluı́do. Durante os cálculos da
simulação, o software apresenta uma barra de progresso que evolui durante
Simulação
82
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Figura B.7: Dados de entrada de clima e chuva
Figura B.8: Barra de progresso
a execução. As simulações executadas no capı́tulo B.8 levaram em média
aproximadamente 8000 segundos.
Ao final da simulação, o software apresenta a opção de salvar os
resultados para posterior análise. A figura B.9 e B.10 apresentam as janelas
para salvar o resultado. O resultado é salvo na pasta contendo o nome
cobertura a qual foi executada a simulação e o nome do arquivo de resultado
é o nome do cenário.
Figura B.9: Salvar resultado
Capacidade
83
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Figura B.10: Janela mostrando onde resultados são salvos
B.6
Gráficos
Quando a simulação é concluı́da, os resultados podem ser visualizados
na forma de gráficos. Os gráficos disponı́veis são:
– melhor servidor;
– polarização;
– sinal–interferência.
O gráfico de melhor servidor apresenta a cobertura em condições de
céu claro e de chuva para a disponibilidade em análise.
A relação sinal–interferência é apresentada em três gráficos, correspondendo a condições de céu claro, chuva e degradação total.
B.7
Capacidade
A capacidade é calculada para cada terminal do usuário no mapa
com base nos valores da relação sinal–interferência em céu claro, segundo a equação 2-2. Para calcular a capacidade é necessário obter o valor da eficiência espectral máxima comparando o valor da relação sinal–
interferência do terminal do usuário com valor na tabela 2.1.
Ao final, o software apresenta um histograma com os valores de taxa
calculado em Mbps e o percentual de área que pode ser atendido por esta
taxa.
Capacidade
84
A figura B.11 mostra a tela de entrada de valores utilizados para o
cálculo da capacidade.
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Figura B.11: Dados de entrada para cálculo de capacidade
C
Fluxugramas
As figuras C.1, C.2, C.3, C.4, C.5 e C.6 apresentam os fluxugramas
principais com as funcionalidades do algoritmo do simulador bwas.
Início
Abrir cenário
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Possui
simulação?
Executar
simulação
Calcular
capacidade
Exibir
gráficos
Fim
Figura C.1: Fluxograma do programa principal
Fluxugramas
86
Início
Calcular
distância ERB_TU
Calcular
angulo ERB_TU
α > 0?
N
α = 360 + α
N
ϕ = 360 + (α - β)
S
α > β?
S
ϕ = α - β
S
ϕ < 0?
ϕ = 360 + ϕ
N
S
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ϕ > 360?
ϕ = ϕ − 360
1
Figura C.2: Fluxograma do algoritmo de simulação – parte 1
1
Verificar freqüência
de operação
Verificar antena
da ERB
Verificar pol.
da ERB
pol = H?
S
pol = 1
N
pol = 2
Ler ganho máximo
e diagramas de irradiação
Calcular perdas
de campo da antena
Cálcular ganho
na direção ϕ
2
Figura C.3: Fluxograma do algoritmo de simulação – parte 2
Fluxugramas
87
2
Calcular potência
efetivamente irradiada
Calcular atenuação
de espaço livre
Calcular atenuação
específica de gases
Calcular atenuação
em céu claro
Calcular atenuação
de chuva
Calcular nível do sinal
recebido em céu claro
Calcular nível do sinal
recebido em evento de chuva
Escolher melhor servidor
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3
Figura C.4: Fluxograma do algoritmo de simulação – parte 3
3
Calcular ganho
da antena do TU
Calcular ângulo entre
Norte e o enlace
α’ > 360?
S
α’ = α’ - 360?
N
Calcular ângulo de
apontamento da antena do TU
Calcular direção de
apontamento do ganho da antena
Ler tipo de
antena do TU
Ler ganho máximo e
diagrama de irradiação
Calcular perdas
de campo da antena
Calcular ganho
na direção ϕ∋∋
Calcular RSLlimiar
Calcular sinal recebido
no TU em céu claro
4
Figura C.5: Fluxograma do algoritmo de simulação – parte 4
Fluxugramas
88
4
Calcular sinais
interferentes
ERB na mesma N
freqüência?
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S
Calcular
interferência
ERB na mesma
polarização?
N
inteferencia_db = intereferencia_db - xpd
Calcular interferência em mw
Somar interferência em mw
Converter interferência para dB
Calcular S/I
Fim
Figura C.6: Fluxograma do algoritmo de simulação – parte 5
Bibliografia
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[2] Smith C. LMDS. McGraw Hill, 2000.
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State University, June 2001.
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Pontifı́cia Univeridade Catolica – PUC–Rio, Abril 2002.
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Master’s thesis, Pontifı́cia Universidade Católica do Rio de Janeiro,
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[8] ITUR. Recommendation, p.576 calculation of free-space attenuation. Technical report, ITU–R, 1994.
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Technical report, ITU–R, 2001.
[10] ITUR. Recommendation, p.838 specific attenuation model for rain
for use in prediction methods. Technical report, ITU–R, 1999.
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de Aula do Curso de Propagação Troposférica. Pós Graduação.
[12] Pérez Garcı́a N. A. Modelamento de Efeitos de Atenuação por
Chuvas em Enlaces Terrestres Ponto–a–Ponto e Ponto-multiponto.
BIBLIOGRAFIA
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Junho 2003.
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0116368/CA
[13] Miyoshi E. M. Projetos de Sistemas Rádio. Editora Érica, 2002.