Neste capítulo serão apresentados os principais aspectos de propagação a serem considerados no projeto de sistemas de comunicação de 60 GHz.
4.1- Propagação no Espaço Livre
Comunicações que não utilizam meios guiados para transmissão introduzem certas limitações e perdas que devem necessariamente ser analisadas em um projeto de enlace. Uma perda que sempre estará presente em enlaces de comunicação sem fio é a atenuação devido à propagação através do espaço livre.
Essa perda é diretamente proporcional à distância percorrida pela onda eletromagnética e à sua frequência, ou seja, quanto mais altas forem a frequência e a distância, maior será a atenuação.
Esse valor é dado em dB pela da equação (5).
AEL= 92,44 + 20 log(D) + 20 log(f) (5) Em que:
AEL é a atenuação no espaço livre [dB]; D é a distância do enlace [km];
4.2- Absorção por gases atmosféricos
A atenuação atmosférica diz respeito a atenuações causadas por ar seco (oxigênio), vapor d’água e outros gases presentes na atmosfera. Como pode ser visto na figura 8, próximo a 60 GHz há um pico no nível de absorção por gases atmosféricos, principalmente devido ao oxigênio [21].
A molécula de oxigênio absorve altamente a energia eletromagnética na faixa de 60 GHz, atenuando bastante o sinal. Esta característica, nociva quando o objetivo é alcance, por outro lado evita que um enlace em 60 GHz interfira em outro de mesma frequência operando na vizinhança, possibilitando um maior reuso da frequência.
Figura 8 – Atenuação específica devido a gases atmosféricos.
A figura 8 mostra resultados ao nível do mar, com densidade de vapor d’água de 7,5 g/cm3 (densidade padrão atmosférica) e temperatura média de 15o C. Verifica- se que a atenuação específica devido a gases atmosféricos em 60 GHz é de cerca de 16 dB/km.
A atenuação total devido a gases atmosféricos AATM dada em dB é obtida pela equação (6).
AATM = (γo + γw).d (6)
Em que:
γo é a atenuação específica devido ao oxigênio [dB/km]; γw é a atenuação específica devido ao Vapor d’água [dB/km];
d é a distância do enlace [km].
4.3- Efeito de Hidrometeoros
Outro elemento que influencia diretamente na propagação em altas frequências, como em 60 GHz, é a absorção e o espalhamento por hidrometeoros, como chuva, neve, granizo e névoa. [20]
Como no capítulo seguinte será feito um estudo de caso baseado na cidade de Natal-RN, somente será considerado o efeito da chuva.
4.3.1- Atenuação por chuva
Em regiões tropicais, como o Brasil, um dos principais fatores atenuadores de ondas eletromagnéticas propagantes em meio aberto em frequências acima de 8 GHz é a chuva. Em [22], foi demonstrado que os efeitos de absorção e espalhamento nas gotas de chuva tornam-se mais fortes conforme o comprimento
de onda em questão diminui aproximando-se ao tamanho de uma gota de chuva (frequências acima de 10 GHz em climas temperados e acima de 8 GHz em climas tropicais e equatoriais). A absorção ocorre devido à condutividade da água, que dissipa a energia da onda. O espalhamento se dá por conta de a onda eletromagnética satisfazer as condições de contorno das gotas de chuva. A figura 9 ilustra bem o efeito atenuador da chuva para diversas frequências.
Figura 9 – Atenuação devido à chuva, a nevoeiro e a gases atmosféricos.
Fonte: Acervo Digital da PUC-Rio.7
O causador principal de desvanecimento nesse caso é a intensidade da chuva, que pode causar uma leve perda de potência, no caso de uma chuva leve e escassa, até a total indisponibilidade do enlace, em caso de tempestades.
Logo, para a implantação de um sistema que trabalhe em 60 GHz, é fundamental o levantamento estatístico da incidência de chuvas na região de interesse, para que se possa estimar de forma mais concreta a viabilidade da operação do sistema, com a qualidade e a disponibilidade requeridas.
7 Disponível em: http://www.maxwell.vrac.puc-rio.br/11887/11887_3.PDF . Acesso em 17 de Dezembro de 2015
Para cálculo da atenuação específica por chuva, a ITU indica o método “Long- term statistics of rain attenuation” descrido na seção 2.4.1 da Recomendação ITU-R P.530-16, que faz uso da Recomendação ITU-R P.838-3 (que trata especificamente sobre atenuação devido à chuva). Podemos calcular a atenuação específica por chuva ACE de acordo com a equação (7).
AEC = k.R0,01α (7)
Em que:
AEC é a atenuação específica por chuva [dB/km];
k e α são coeficientes definidos com relação à frequência e à polarização; R0,01 é a taxa de precipitação que é excedida em 0,01% do tempo em um ano de medição [mm/h].
As figuras 10 e 11 mostram os valores de k e α de acordo com a frequência, para as polarizações horizontal e vertical:
Figura 10 – Valores de k e α com relação à frequência, considerando polarização horizontal.
(a) (b) Fonte: Recomendação ITU-R P.838-3 [23].
Figura 11 – Valores de k e α com relação à frequência, considerando polarização vertical.
(a) (b) Fonte: Recomendação ITU-R P.838-3 [23].
Os valores exatos de k e α para 60 GHz estão contidos na tabela 3.
Tabela 3 – Valores dos coeficientes k e α para 60 GHz.
Coeficiente Horizontal Vertical
K 0,8606 0,8515
α 0,7656 0,7486
Fonte: Recomendação ITU-R P.838-3 [23].
.Por fim, a atenuação total devido à chuva para um determinado enlace de comprimento d é obtida a partir da equação (8).
ACH = d*AEC (8) Em que d é o comprimento do enlace em quilômetros [km].
A difração tem por efeito o contorno de obstáculos, com atenuação de energia, por meio da interação da onda incidente e bordas da estrutura. A reirradiação de energia devido a correntes excitadas na estrutura produz o resultado final de contorno do obstáculo.
Em sistemas que operam em 60 GHz, é de extrema importância que o enlace esteja em visada direta, ou seja, sem obstáculos entre as antenas, para que a transmissão se dê de forma satisfatória em relação aos parâmetros estabelecidos [24].
A desobstrução da primeira zona de Fresnel é fator importante para se evitar a degradação do sinal por difração em obstáculos. A teoria de Fresnel-Kirchhoff para difração por obstáculo do tipo “gume de faca” indica a necessidade de desobstrução de pelo menos 60% do primeiro elipsóide de Fresnel para que a comunicação seja considerada em visada direta. O raio dos elipsóides de Fresnel são maiores no centro do enlace, diminuindo conforme se aproximam de cada extremidade da linha de visada, conforme mostra a figura 12.
Figura 12 – Primeiro elipsóide de Fresnel em um enlace em visada direta.
Fonte: Wikimedia.org8
O raio do primeiro elipsóide de Fresnel é calculado a partir da equação (9).
8 Disponível em: ://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/5/5c/FresnelSVG1.svg/800px- FresnelSVG1.svg.png. Acesso em 04 de Dezembro de 2015.
R1 = √ 𝜆𝑑1𝑑2
𝑑1+𝑑2 (9)
Em que:
R1 é o raio do primeiro elipsoide de Fresnel [m];
𝜆 é o comprimento de onda do sinal transmitido [m];
d1 e d2 são as distâncias entre as antenas e o ponto P [m].
4.5- Reflexões e multipercursos
O multipercurso (ou múltiplo percurso) atmosférico é um fenômeno aleatório que ocorre quando as irregularidades no índice de refração do ar produzem caminhos alternativos para a energia, como mostra a figura 13. O sinal resultante é formado pelas componentes fasoriais geradas pelo multipercurso, que chegam ao receptor. Caso o raio direto se atenue de forma que este se equipare às componentes geradas pelos multipercursos, poderão acontecer desvanecimentos profundos.
O desvanecimento por multipercurso é uma das causas da degradação do desempenho de enlaces rádio digitais de alta capacidade, acentuando os efeitos do ruído térmico e da interferência intersimbólica.
Fonte: Inatel.
Um tipo de reflexão que pode interferir fortemente em enlaces ponto-a-ponto de visada direta é a reflexão no solo. Tipicamente, se faz uso da análise do modelo de dois raios, mostrado na figura 14.
Figura 14 – Modelo de propagação de dois raios.
Fonte: Site Analytical Graphics, Inc.9
Um tipo de degradação que o sinal refletido no solo pode causar no recebimento da mensagem é a soma fasorial em defasagem entre o sinal direto e o refletido. Além da variação da amplitude, o campo elétrico pode sofrer também variação de fase após a reflexão, o que, em conjunto com a diferença de percurso entre o raio direto e o refletido, ocasionará composição fasorial em defasagem na recepção [25].
9 http://agi.com/resources/help/online/stk/10.1/source/extfile/comm/images/groundReflection.gif. Acesso em 05 de Dezembro de 2015.
O coeficiente de reflexão , depende das características eletromagnéticas dos meios, da polarização da onda eletromagnética incidente, do ângulo de incidência e da frequência da onda incidente. É definido pelas equações baixo:
(10)
(11) Em que:
H e V são os coeficientes de reflexão para polarização horizontal e vertical, respectivamente;
ER e EI são os campos elétricos refletido e incidente, respectivamente;
Z1 e Z2 são as impedâncias do meio 1 (mesmo meio do raio incidente) e do meio 2, respectivamente.
A análise da influência do raio refletido é composta basicamente da avaliação do grau de rugosidade do solo, em que um solo muito rugoso é desejável, visto que promoverá espalhamento da energia incidente, fazendo com que percentual baixo da energia seja refletida na direção da antena receptora.
Outro método de análise da importância do raio refletido consiste na avaliação da abertura de meia potência das antenas transmissora e receptora, comparando-a ao ângulo entre o raio direto e o raio refletido. Caso o raio refletido seja lançado e/ou recebido dentro dos limites do ângulo de meia potência, ele será lançado e/ou recebido com ganho significativo, podendo, a depender de outros fatores (especialmente a rugosidade do solo, como mencionado), gerar impacto considerável no desempenho do enlace. A figura 15 ilustra o conceito de ângulo de meia potência.
Figura 15 – Ângulo de meia potência. I T I T I R V Z Z Z Z E E cos cos cos cos 1 2 1 2 T I T I I R H Z Z Z Z E E cos cos cos cos 1 2 1 2
Fonte: Site Teleco.10
10 Disponível em: http://www.teleco.com.br/tutoriais/tutorialredeswifi1/pagina_3.asp . Acesso 17 de Dezembro de 2015.
5.
Estudo de caso: Enlace entre a InterTV Cabugi e o estádio
Arena das Dunas
Como proposta prática deste trabalho, neste capítulo será feita uma análise de equipamentos de transmissão e recepção para a faixa de 60 GHz e também para FSO, além da solução híbrida RF/FSO. Será então abordado um estudo de caso propondo um enlace inicialmente em 60 GHz e, após essa fase, será analisada a viabilidade de outro enlace, dessa vez utilizando FSO, funcionando como backup do enlace em RF.
Para tanto, o estudo será feito com base na transmissão de imagens e sons de alta definição ponto-a-ponto, de um estádio de futebol para uma emissora de TV.
Fatores como distância de enlaces propostos, atenuação do sinal considerando diferentes condições climáticas e disponibilidade total do sistema serão abordados a fim de se obter uma análise confiável da viabilidade técnica.
5.1 – A TV Digital no Brasil e os padrões de definição de imagem
Com o início do planejamento da implantação do Sistema Brasileiro de Televisão Digital em 2006, com o Decreto nº 5.820 e com a portaria nº 652 do Ministério das Comunicações, as emissoras brasileiras de televisão começaram a se organizar para o oferecimento de sua programação na forma digital [26, 27].
Hoje, muitas emissoras já oferecem sua programação de forma totalmente digital, tanto em definição padrão SDTV (Standard Definition Television) quanto em alta definição HDTV (High Definition Television). A principal diferença entre SDTV e HDTV é o nível de detalhamento da imagem devido à diferença de resolução da tela dos respectivos padrões. HDTV possui normalmente uma resolução de 1280x720 ou 1920x1080, resultando em um aspecto de imagem 16:9, enquanto que a SDTV possui resolução mais comum de 640x480, gerando um de aspecto 4:3. Na figura 16
podemos notar melhor a diferença entre os aspectos de imagem entre os dois padrões citados.
Figura 16 – Comparativo entre os aspectos 16:9 e 4:3.
Fonte: SlideCoaching.11
Por ter uma imagem mais rica e atrativa, o foco desse projeto será na transmissão em HD (HDTV).
5.2 – Motivação para a interligação InterTV Cabugi – Arena das Dunas e o uso de um sistema de comunicação em 60 GHz
5.2.1 – Interesse público
Diversos eventos de interesse público ocorrem no estágio Arena das Dunas durante o ano, que podem ser transmitidos por TV em alta definição.
Um dos principais eventos é o Campeonato Potiguar de Futebol, que ocorre no início do ano e conta com clubes de todas as regiões do Rio Grande do Norte.
11 Disponível em: http://www.slidecoaching.com/wp-content/uploads/2014/08/aspect-ratio.png. Acesso em 22 Novembro de 2015
Partidas importantes e decisivas acontecem no Arena das Dunas que, por ser o maior estádio de futebol da capital norte-riograndense, também tem sido palco para jogos da Copa do Brasil, transmitidos para diversos lugares do país.
Outro grande evento que acontece no Arena das Dunas é o espetáculo “Natal em Natal”, evento promovido pela Prefeitura Municipal de Natal que conta com diversas apresentações culturais. A entrada é sempre gratuita e o público tem a possibilidade de assistir a shows musicais de bandas de renome nacional. Com uma possível parceria entre a Prefeitura do Natal e a InterTV Cabugi, o “Natal em Natal” poderia ser transmitido de forma aberta à população.
5.2.2 – Uso de um sistema de comunicação em 60 GHz
Após uma visita técnica à InterTV Cabugi, foram levantadas informações acerca de toda a parte técnica envolvida na transmissão de um jogo de futebol, desde a captação das câmeras na área do estádio até a radiodifusão das imagens.
1 – As imagens captadas pelas diversas câmeras dentro do estádio, juntamente com o áudio dos comentaristas são enviados a um ponto central, geralmente um veículo situado na área do estádio;
2 – Neste veículo, chamado pelos técnicos da TV de SNG, as imagens são escolhidas e, juntamente com o áudio, são direcionadas ao transmissor, presente no próprio veículo, que envia o sinal a um satélite geoestacionário (que funciona como repetidor), redirecionando o sinal para a emissora;
3 – Na emissora, ocorre então o tratamento do sinal e algumas adições, como placar do jogo e outras informações sobrepostas. A partir daí, as imagens finais e o áudio são encaminhados para a radiodifusão.
Percebe-se, então, que um enlace direto em 60 GHz seria bastante interessante e proporcionaria diversas vantagens em relação ao uso de satélite.
O uso de satélite causa considerável atraso (lag) na recepção do sinal entre o estádio e a emissora: são cerca de 3 segundos, contando os tempos de propagação e de processamento de equipamentos, o que impacta na experiência do usuário.
Atualmente, a InterTV Cabugi utiliza banda de 7 MHz, porém foi citado pelo técnico responsável pela emissora que uma banda de 15 MHz traria grande melhoria. Atualmente, a taxa atingida é de cerca de 7,2 Mbps.
Outro ponto relevante, consiste no fato de o uso do satélite requerer licença de uso, o que acarreta custos à emissora. Entretanto, a faixa dos 60 GHz, como já citado, é de livre uso, não requerendo licença junto à Anatel.
5.2.3 – Grande largura de banda para maior flexibilidade técnica
Com a possibilidade de transmissão multi Gbps na faixa de 60 GHz, o enlace proposto poderia transportar imagens em alta definição captadas pelas câmeras, de forma não comprimida, diretamente para o estúdio na emissora, onde seriam então tratadas e colocadas para radiodifusão. Com isso, haveria uma maior facilidade nas edições devido à maior gama de possibilidades e flexibilidade de se desempenhar tarefas em estúdio ao invés de fazê-las no interior do veículo.
5.3 – Características do enlace
Na figura 17 podemos ver o mapa que mostra a localização da InterTV Cabugi e do estádio Arena das Dunas, bem como a distância em linha reta entre ambos os locais.
Figura 17 – Localização da InterTV Cabugi e do Estádio Arena das Dunas.
Fonte: Google Maps.12
A distância entre a InterTV Cabugi e o Arena das Dunas é de cerca de 675 metros em linha reta. O enlace precisa cobrir essa distância para que a interligação seja efetivada.
Nesse estudo de caso, o receptor na InterTV será colocado em uma torre metálica no teto da emissora, a uma altura de 27 metros do solo, como mostra a figura 18.
Figura 18 – Torre metálica para o receptor.
Fonte: Próprio Autor.
Na figura 19 pode-se fazer um primeiro cheque (visual), a respeito da existência da visada direta entre a torre e o Arena das Dunas, condição importante para o correto funcionamento do enlace.
Figura 19 – Vista da torre da InterTV em direção ao Arena das Dunas.
No estádio, a área geralmente reservada para equipamentos externos de rádio e TV, como o veículo SNG, fica por trás do setor de mídia, conforme apresenta a figura 20. Para a escolha do ponto exato da localização do transmissor foi definido um ponto médio da área, totalizando uma distância total do enlace de 675,22 metros.
Figura 20 – Área normalmente reservada aos equipamentos de rádio e TV no Arena das Dunas.
Fonte: Google Maps.13
5.4 - Desempenho e Disponibilidade do enlace de 60 GHz
Todos os parâmetros analisados a seguir estão de acordo com a Recomendação ITU-R P.530-16 “Propagation data and prediction methods required for the design of terrestrial line-of-sight- systems”, de junho de 2015. Essa
recomendação especifica de forma clara os aspectos que devem ser levados em consideração para uma análise correta da viabilidade deste tipo de enlace [20].
Para fins de cálculo, serão adotados parâmetros técnicos de equipamentos reais (vide tabela 4), para aumentar a fidelidade deste estudo em relação a implementações reais.
Tabela 4 – Parâmetros técnicos adotados para o transceptor de 60 GHz Bridgewave GE60 [28, 29].
Taxa de transmissão 1 Gbps
Link Budget 150,5 dB @ BER 10-12
152,5 @ BER 10-6
Potência de transmissão 8 dBm Largura de banda 1,4 GHz
Polarização da Antena Horizontal ou Vertical Temperatura de Operação -33o C a 55 o C
Largura de feixe de meia
potência 1,4o
Dimensões 30 x 30 x 15 cm
Massa 8,7 kg
Consumo máximo 45 W
5.4.1 - Atenuação no Espaço Livre
Fazendo uso da expressão (5), apresentada no capítulo 4, para o enlace proposto temos aproximadamente:
AEL = 92,44 + 20 log (0,675) + 20 log (60)
5.4.2 - Atenuação devido à absorção atmosférica
Os gráficos de atenuação por gases atmosféricos presentes na recomendação ITU-R P.676-10 consideram uma temperatura média de 15 C. Porém, segundo a Recomendação P. 1510-0 da ITU [30], a temperatura média da região onde Natal se encontra é de 25o C. Então, para um resultado mais exato, por meio do anexo 2 da Recomendação ITU-R P. 676-10, foram implementados, com auxílio do software Matlab, gráficos para atenuações atmosféricas para a temperatura média em questão. As figuras 21 e 22 apresentam os resultados.
Figura 21 – Atenuação por oxigênio na faixa de 54 a 60 GHz com temperatura média de 25 C.
Figura 22 – Atenuação por vapor d’água na faixa de 54 a 60 GHz com temperatura média de 25o C.
Fonte: Próprio Autor.
Para os algoritmos geradores das figuras 21 e 22, temos o seguinte resultado: γo = 13,75 dB/km
γw= 0,009 dB/km
Logo, de acordo com a equação (6) do capítulo 5, a atenuação total devido a gases atmosféricos (AATM) para o enlace proposto é de:
AATM = (13,75+0,009).0,675 AATM = 9,28 dB.
5.4.3 - Efeitos dispersivos
Todos os meios reais de propagação apresentam dispersão, em maior ou menor grau, exceto o vácuo. Quando o meio apresenta dispersão, um pulso policromático (composto por várias frequências) de ondas eletromagnéticas será distorcido pelo efeito da dispersão, pois ondas com diferentes frequências irão se propagar com distintas velocidades de fase [25].
De acordo com a recomendação ITU-R P.676-10, para fins práticos, efeitos dispersivos não impõem limitações relevantes em comunicações terrestres em ondas milimétricas para enlaces curtos (até 20 km).
5.4.4 - Atenuação por multipercurso
Observando a Recomendação ITU-R P. 530, atenuação por múltiplo percurso precisa ser calculada apenas em enlaces de comprimento maior que 5 km, podendo ser considerada zero em enlaces menores.
5.4.5 - Atenuação devido à chuva
Para o cálculo da atenuação por chuva consideremos a Recomendação ITU_R P.837-6. Essa recomendação classifica a região do extremo nordeste brasileiro, onde se situa a cidade de Natal, como zona Climática N [31]. Logo, considerando a taxa de precipitação excedida 0,01% do tempo, temos um valor para R0,01 de 95 mm/h. Fazendo uso da expressão (7) e da tabela 3, apresentados no capítulo anterior, temos:
Atenuação específica para Polarização Horizontal: ACE = 0,8606.950,7656 = 28,12 dB/km
Atenuação específica para Polarização Vertical:
ACE = 0,8515.950,7486 = 25,75 dB/km
Para fins práticos, nesse trabalho consideraremos como perda por chuva o menor caso, tendo em vista que poderemos configurar nossos equipamentos com polarização vertical.
Como o enlace é curto, consideramos que a taxa de precipitação será constante ao longo do percurso, logo, a partir da expressão (8) do capítulo 4, temos:
ACH = 0,675.25,75 = 17,38 dB
5.4.6 - Análise da difração
Para o enlace proposto, temos:
λ = 0,005 m
Para se ter a quantificação do quão estreito é o primeiro elipsoide de Fresnel nesta frequência de trabalho, consideremos seu maior raio, no meio do enlace.
Portanto, fazendo d1 = d2 = 337,5 metros:
F1 = 0,92 m
Para ser considerada a propagação em visada direta, devemos ter 0,6.0,92 = 0,55 m do raio do primeiro elipsóide de Fresnel livre de obstruções.
Se analisarmos todos os raios do primeiro elipsóide de Fresnel, ao longo de todo o perfil do enlace, não é encontrado nenhum obstáculo que penetre tal elipsóide. A comunicação é considerada, portanto, em visada direta.
5.4.7 - Análise da reflexão no solo