UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ LUCIANA MICHELOTTO IANTORNO SISTEMAS DE MÚLTIPLAS ANTENAS PARA A COMUNICAÇÃO EFICIENTE ENTRE AUTOMÓVEIS

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LUCIANA MICHELOTTO IANTORNO

SISTEMAS DE MÚLTIPLAS ANTENAS PARA A COMUNICAÇÃO EFICIENTE ENTRE AUTOMÓVEIS

CURITIBA 2009

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SISTEMAS DE MÚLTIPLAS ANTENAS PARA A COMUNICAÇÃO EFICIENTE ENTRE AUTOMÓVEIS

Projeto de Final de Curso apresentado à Disciplina de Projeto de Graduação como requisito parcial à conclusão do Curso de Engenharia Elétrica, Setor de Tecnologia, Departamento de Engenharia Elétrica, Universidade Federal do Paraná.

Orientador: Prof. Dr. Evelio Martín García Fernández

CURITIBA 2009

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Devido ao fato do tráfego ter aumentado ao longo dos últimos anos, a probabilidade de acidentes também aumentou. Como solução para esse problema, informações sobre o tráfego e os veículos vizinhos são disponibilizadas ao motorista. O desenvolvimento da comunicação entre veículos aumenta a cada dia, por isso vários projetos estão sendo e serão estabelecidos. Na Europa, por exemplo, já há diferentes projetos em andamento com o objetivo de diminuir os acidentes no trânsito. O objetivo desse projeto é identificar o melhor sistema de antenas para a comunicação entre veículos. Isso inclui a escolha do melhor número de antenas, a melhor posição das antenas no automóvel e a combinação necessária do sinal recebido pelas antenas. Para alcançar o objetivo, o programa Ray Tracing foi utilizado para simular a propagação de ondas para que os diferentes parâmetros de um sinal de rádio fossem analisados. A simulação foi realizada considerando vários cenários para que fosse possível comparar o comportamento de cada um deles para as diferentes posições de antenas. Após a análise e comparação dos resultados, conclui-se que um sistema MIMO com duas antenas transmissoras e duas antenas receptoras em uma altura de 30 cm é o melhor sistema para esse tipo de transmissão.

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Road traffic has been increasing over the last years, due to this fact, the probability of accidents, as well as the traffic have been raised. As a solution to this problem, information about the traffic conditions and the neighboring vehicles are provided to the driver. The development of Car-to-Car communications is increasing nowadays, therefore several projects are and will be established. In Europe for example, there are a lot of projects working in different Car-to-Car communications applications to reduce the number of traffic accidents. The objective of this project is to identify the best antenna system for Car-to-Car communication. This includes the choice of the best number of antennas, the best position for the antennas at the car and the best combination of the antennas. In order to achieve this objective, Ray-Tracing is used to simulate the wave’s propagation with the purpose of analyzing the different radio channel parameters. The simulations were done in different scenarios in order to compare the behavior of the channel in each one for various antenna positions. After analyzing and comparing the results, it was concluded that a MIMO system with two transmitters and two receivers 30 cm high is the best system for the car to car communication.

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Figura 3.1 – Modulação OFDM [2] ... 4

Figura 3.2 – Rede AD-HOC na Comunicação entre Veículos [3] ... 5

Figura 4.1 – Sistema SISO, SIMO, MISO e MIMO [14] ... 6

Figura 4.2: Método de Diversidade por Seleção ... 9

Figura 4.3: Método de Combinação de Máxima Proporção ... 10

Figura 4.4: Método de Diversidade de Mesmo GAnho ... 10

Figura 5.1: Reflexão de Onda ... 11

Figura 5.2: Difração de Onda [11] ... 12

Figura 5.3: Caminhos Percorridos pelas Ondas ... 12

Figura 5.4: Potência Recebida para uma Antena Transmissora em uma Altura Igual a 30 cm ... 14

Figura 5.5: Potência Recebida para uma Antena Transmissora em uma Altura Igual a 150 cm... 14

Figura 5.6: Caminhos Percorridos pelo Sinal na Teoria das Duas Ondas Modificada ... 15

Figura 5.7: Potência Recebida Combinada Através do Método de Seleção ... 16

Figura 5.8: Potência Recebida Combinada Através do Método de Mesmo Ganho... 16

Figura 5.9: Potência Recebida Combinada Através do Método de Máxima Proporção ... 17

Figura 6.1: Comparação de um Cenário Urbano com um Cenário Rural ... 18

Figura 7.1: Ilustração do Cenário Urbano Estacionário ... 21

Figura 7.2: Potência Recebida Calculada Através da Soma Incoerente das Ondas . 22 Figura 7.3: Potência Recebida Calculada Através da Soma Coerente das Ondas ... 22

Figura 7.4: Melhores Pontos Para a Altura de 30 cm ... 24

Figura 7.9: SNR pela Distância para Antenas em uma Altura Igual a 30 cm ... 27

Figura 7.10: Potência Recebida no Cenário Urbano Estacionário ... 28

Figura 7.11: Fading em Curto Prazo ... 29

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Figura 7.16: Comparação entre os Sistemas Variante e Invariante no Tempo para

uma Altura de 30 cm ... 33

Figura 7.17: Comparação entre os Sistemas Variante e Invariante no Tempo para uma Altura de 60 cm ... 33

Figura 7.18: Comparação entre um Sistema MIMO Invariante no Tempo e um Sistema MIMO Variante no Tempo ... 34

Figura 7.19: Cenário Rural ... 35

Figura 7.20: Potência REcebida no Cenário Rural ... 36

Figura 7.21: Capacidade do Sistema em Cenário Rural ... 37

Figura 7.22: SNR Mínimo ... 38

Figura 7.23: SNR Médio ... 38

Figura 8.1: Melhor Posicionamento das Antenas ... 39

Figura 9.1: SNR pela Distância de um Sistema MIMO com a Altura das Antenas Igual a 30 cm ... 43

Figura 9.6: Altura das Antenas Igual a 30 cm... 46

Figura 9.9: Altura das Antenas Igual a 120 cm ... 47

Figura 9.10: Altura das Antenas Igual a 150 cm ... 47

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LISTA DE TABELAS

TABELA 6.1: Propriedade dos Materiais ... 19

TABELA 7.1: Análise dos Pontos para a Altura de 30 cm ... 24

TABELA 7.6: Análise dos Diferentes Sistemas SIMO ... 26

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IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers ITS Intelligent Transportation Systems

MIMO Multiple Input Multiple Output MISO Multiple Input Single Output

OFDM Orthogonal frequency-Division Multiplexing SIMO Single Input Multiple Output

SISO Single Input Single Output SNR Signal-to-Noise Ratio

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SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO ... 1

2 COMUNICAÇÃO ENTRE VEÍCULOS ... 2

2.1 AVISO SOBRE UMA SITUAÇÃO DE PERIGO ... 2

2.2 CÁLCULO DA VELOCIDADE ÓTIMA ... 2

2.3 NOTIFICAÇÃO DE PONTOS DE INTERESSE ... 3

3 PARÂMETROS TÉCNICOS ... 4 4 SISTEMAS DE TRANSMISSÃO ... 6 4.1 TÉCNICAS DE DIVERSIDADE ... 6 4.1.1 Diversidade de Freqüência ... 7 4.1.2 Diversidade Temporal ... 7 4.1.3 Diversidade Espacial ... 7

4.1.4 Diversidade por Polarização ... 8

4.2 MÉTODOS DE DIVERSIDADE ... 8

4.2.1 Método de Diversidade por Seleção ... 8

4.2.2 Combinação de máxima proporção ... 9

4.2.3 Combinação de Mesmo Ganho ... 10

5 PROPAGAÇÃO DE ONDA ... 11

5.1 FENÔMENOS DE ONDA ... 11

5.1.1 Reflexão ... 11

5.1.2 Difração ... 11

5.2 TEORIA DAS DUAS ONDAS ... 12

5.2.1 Modificação da Teoria das duas Ondas ... 15

5.2.2 Análise dos Métodos de Combinação ... 15

6 FERRAMENTAS DE SIMULAÇÃO ... 18

6.1 ROADCOM ... 18

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7.1.2 Correlação ... 22

7.1.3 Melhores Pontos Receptores ... 23

7.1.4 Análise do Número de Antenas ... 26

7.1.5 Sistema MIMO ... 27

7.2 Cenário Urbano Variante no Tempo... 30

7.3 COMPARAÇÃO ENTRE OS DOIS CENÁRIOS URBANA ... 32

7.4 Cenário Rural Estacionário ... 34

7.4.1 Sistema SIMO... 35

7.5 Comparação do Cenário Urbano e Rural ... 37

8 CONCLUSÃO ... FEHLER! TEXTMARKE NICHT DEFINIERT. 9 REFERÊNCIAS ... 41

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1 INTRODUÇÃO

O constante aumento de veículos nas ruas e nas estradas torna o trânsito cada vez mais lento e perigoso. A comunicação entre veículos visa melhorar esses problemas através do envio de informações sobre condições da pista e do tráfego aos motoristas, assim como de informações sobre os veículos vizinhos.

Na Europa já existem diversos projetos de aplicações para a comunicação entre veículos com o objetivo não apenas de tornar o trânsito mais eficiente e seguro, mas também de disponibilizar informações sobre pontos de interesse aos motoristas. O Car-2-Car Manifesto [1] descreve nove aplicações da comunicação entre veículos, três delas serão descritas no capítulo 2.

Este projeto tem como objetivo principal analisar os diferentes tipos de sistemas de múltiplas antenas, a fim de identificar o melhor sistema, posicionamento e combinações das antenas. O projeto está dividido em duas partes principais, a primeira compreende a simulação de sistemas de transmissão, através do programa Ray Tracing, que calcula a propagação de uma onda em um cenário pré-definido. Já a segunda consiste na análise dos resultados obtidos na simulação a partir da construção de gráficos a fim de tornar possível a comparação de parâmetros como a intensidade do sinal recebido e a capacidade do sistema entre os diversos cenários e posicionamento de antenas.

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2 COMUNICAÇÃO ENTRE VEÍCULOS

Na Europa há um projeto em andamento que visa padronizar a comunicação entre veículos, tendo como objetivo principal aumentar a segurança e a eficiência do trânsito. Além disso, essa comunicação visa um maior conforto para o motorista e seus passageiros, disponibilizando a eles informações e métodos de entretenimento. Vários exemplos de possíveis aplicações para a comunicação entre automóveis estão descritos em [1]. A seguir serão exemplificados três desses casos. O primeiro refere-se a uma aplicação voltada à segurança, o segundo visa tornar o tráfego mais eficiente e o terceiro tem como objetivo disponibilizar informações ao motorista.

2.1 AVISO SOBRE UMA SITUAÇÃO DE PERIGO

Apesar da maioria das batidas atrás dos automóveis serem provocadas por distração do motorista ou em alguns casos por uma freada não esperada, essa forma de colisão representa uma grande porcentagem de acidentes ocorridos ao redor do mundo. Como forma de evitar esse tipo de colisão, cada automóvel equipado com a comunicação entre veículos receberá informações sobre os automóveis vizinhos. Sendo identificado um caso crítico (como por exemplo, uma freada brusca), o motorista do veículo recebe um aviso, tendo tempo suficiente para frear e evitar um acidente. Além da comunicação entre veículos, sensores podem ser utilizados para a identificação de automóveis não equipados com a comunicação sem fio.

2.2 CÁLCULO DA VELOCIDADE ÓTIMA

O objetivo principal dessa aplicação é evitar com que os automóveis tenham que parar nos sinais vermelhos, otimizando o fluxo de veículos e melhorando o trânsito. A partir da aproximação de um veículo a um cruzamento sinalizado, informações sobre o posicionamento do sinaleiro e o tempo em que ele permanece

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verde e vermelho são enviados ao veículo. Com essas informações, o veículo consegue calcular a velocidade ideal para aquela via e através do seu deslocamento nessa velocidade, a parada desnecessária em sinais vermelhos é evitada.

2.3 NOTIFICAÇÃO DE PONTOS DE INTERESSE

Na realidade a notificação de pontos de interesse não é uma comunicação entre veículos, mas sim uma comunicação entre um veículo e uma infra-estrutura, a qual possui informações como posicionamento, horário de funcionamento e preço dos pontos de interesse (informações turísticas, restaurantes, business, etc.) localizados em seus arredores. Quando solicitado pelo motorista, essas informações são enviadas a ele, passando por um filtro no veículo, que irá mostrar na tela apenas as informações desejadas.

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3 PARÂMETROS TÉCNICOS

A norma IEEE 802.11p [15] é uma modificação da norma IEEE 802.11a que adiciona acesso sem fio no ambiente veicular, suportando aplicações de ITS (Intelligent Transportation Systems). Essa norma, ainda em desenvolvimento, estabelece os parâmetros técnicos para a troca de dados entre veículos a alta velocidade e entre veículos e infra-estruturas localizadas paralelamente a pista.

Segundo a norma acima citada, a banda de freqüências para a transmissão foi definida em 5,9 GHz com uma largura de banda de 30 MHz para o caso da Europa, resultando assim em uma freqüência entre 5,875 GHz e 5,905 GHz. Para o caso dos Estados Unidos a largura de banda é de 70 MHz.

A técnica de modulação utilizada é a OFDM [17], que consiste na transmissão paralela de dados em diversas sub-portadoras, fornecendo assim uma alta eficiência espectral. A figura 3.1 ilustra esse tipo de modulação.

FIGURA 3.1 – MODULAÇÃO OFDM [2]

Como tipo de rede para a transmissão veicular utiliza-se uma rede Ad-hoc (especificada através da norma IEEE 802.11s), a qual transmite e retransmite dados entre os automóveis sem a necessidade de um nó ou terminal especial para o qual todas as comunicações convergem antes de serem encaminhadas aos seus destinos. A Figura 3.2 indica um exemplo de uma rede Ad-hoc em uma comunicação

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entre veículos.

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4 SISTEMAS DE TRANSMISSÃO

Um sistema simples de transmissão, identificado como SISO (Single Input Single Output) é constituído de uma antena transmissora, uma antena receptora e um meio de transmissão. A fim de minimizar as perdas devido à propagação do sinal, assim como aumentar a capacidade do canal, são utilizados sistemas de múltiplas antenas denominados por: SIMO (Single Input Multiple Output), MISO (Multiple Input Single Output) e MIMO (Multiple Input Multiple Output). Uma ilustração para cada um dos sistemas de transmissão é demonstrada na figura 4.1.

FIGURA 4.1 – SISTEMA SISO, SIMO, MISO E MIMO [14]

4.1 TÉCNICAS DE DIVERSIDADE

Várias técnicas de diversidade são utilizadas a fim de otimizar um sistema de múltiplas antenas. Em cada uma delas um mesmo sinal é transmitido ou recebido mais de uma vez, com a modificação de ao menos um parâmetro entre os sinais. O nome das técnicas de diversidade varia conforme o parâmetro diferenciado na transmissão dos sinais, podendo chamar-se diversidade por: freqüência, tempo, espaço e polarização. A seguir cada um desses casos de diversidade será brevemente descrito conforme [4].

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4.1.1 Diversidade de Freqüência

Neste tipo de técnica de diversidade, duas ou mais ondas são enviadas ao mesmo tempo em diferentes freqüências. Durante o percurso da onda entre a antena transmissora e a antena receptora, fenômenos como reflexão, difração e dispersão de onda (descritos no capítulo 5) podem causar uma interferência nessa onda. Como a ocorrência de uma interferência destrutiva depende tanto do comprimento de onda como da distância que a onda percorre, e as duas ondas percorrem a mesma distância com comprimento de onda diferente, a probabilidade de as duas ondas sofrerem uma interferência destrutiva ao mesmo tempo diminui.

4.1.2 Diversidade Temporal

Na técnica de diversidade temporal, um mesmo sinal é enviado duas ou mais vezes com um determinado intervalo de tempo entre os envios. Nesse caso é necessário gravar a informação para que o transmissor consiga reenviá-la, e para que o receptor possa comparar e analisar as informações recebidas. Através dessa comparação entre os sinais feita pelo receptor, é possível separar o sinal enviado do ruído.

4.1.3 Diversidade Espacial

Nesse caso, as antenas são separadas espacialmente e enviam o mesmo sinal, que percorre distâncias distintas de acordo com o posicionamento das antenas. Como já mencionado na seção 4.1.1, a interferência destrutiva depende tanto da distância percorrida pela onda como da freqüência da onda. Como os sinais, com mesma freqüência, percorrem trajetos e distâncias distintas, espera-se que a interferência sofrida por cada um dos sinais também seja distinta, aumentando assim a probabilidade de que ao menos um dos sinais recebidos possua uma alta SNR (Signal-to-Noise Ratio).

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Na Diversidade por Polarização, dois sinais são transmitidos e recebidos com duas polarizações ortogonais (por exemplo, vertical e horizontal). Quando um dos sinais é altamente influenciado pela atenuação, espera-se que o segundo sinal seja menos afetado, resultando na recepção de pelo menos um bom sinal.

As várias técnicas de diversidade também podem ser combinadas [9] para que a qualidade do sinal recebido melhore ainda mais. A recepção de rádio em um automóvel é um exemplo disso, nela são utilizados métodos de diversidade por freqüência juntamente com diversidade espacial. Outro exemplo muito utilizado é a união da diversidade temporal com a diversidade espacial, resultando por exemplo, na codificação de Alamouti [6], que envia a mesma informação codificada de maneiras diferentes por duas antenas distintas e repete esse envio após certo intervalo de tempo, com outra codificação. O código de Alamouti é muito utilizado por apresentar uma fácil implementação e uma grande melhora no sinal recebido.

Dentro deste projeto a diversidade especial terá uma importância maior, já que ela será utilizada nas simulações e em suas análises.

4.2 MÉTODOS DE DIVERSIDADE

Em um sistema com múltiplas antenas receptoras, alguns métodos de diversidade são utilizados a fim de combinar os sinais recebidos nas diversas antenas. Três desses métodos serão descritos nas próximas seções. Esses métodos são: a diversidade por seleção, a combinação de máxima proporção e a combinação de mesmo ganho.

4.2.1 Método de Diversidade por Seleção

Na diversidade por seleção, a cada instante de tempo a qualidade dos sinais recebidos é analisada e o melhor sinal é escolhido. Para o sinal resultante será utilizado apenas um dos sinais, independentemente do número de antenas receptoras. A qualidade do sinal é determinada através de um sintonizador e o

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melhor sinal é selecionado através de um Diodo [9]. Como vantagem do método de seleção há a simplicidade de sua implementação.

A figura 4.2 ilustra a técnica de diversidade por seleção.

FIGURA 4.2: MÉTODO DE DIVERSIDADE POR SELEÇÃO 4.2.2 Combinação de máxima proporção

Para um sistema de combinação de máxima proporção, todos os sinais são importantes dentro do sinal combinado, resultando em um maior ganho em relação ao método da seleção para sistemas com um maior número de antenas receptoras. Nesse caso todos os sinais passam por um ajuste de fase, são multiplicados por um coeficiente e em seguida são somados. Os coeficientes possuem uma relação com a amplitude dos sinais, sendo assim, dependendo da amplitude do sinal, ele apresentará um ganho ou uma atenuação. Esse fato faz com que o peso dos melhores sinais seja maior na soma do que o dos piores sinais. A fórmula 4.1 [10] representa o cálculo dos coeficientes.

= ∙

∑ | | (4.1)

Onde,

- coeficiente do sinal i

N - número de antenas receptoras - potência recebida na antena i

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FIGURA 4.3: MÉTODO DE COMBINAÇÃO DE MÁXIMA PROPORÇÃO 4.2.3 Combinação de Mesmo Ganho

Na combinação de mesmo ganho, assim como na combinação de máxima proporção, todos os sinais são importantes para o sinal combinado. Nela todos os sinais são adicionados em fase, com um coeficiente igual a um. Devido à adição em fase, a implementação de um sistema de combinação de mesmo ganho é mais complexa do que um sistema de diversidade por seleção. Já em relação à diversidade de máxima proporção, a implementação de um sistema de combinação de mesmo ganho é mais simples, já que nela não é necessário o conhecimento do canal. Na realidade a combinação de mesmo ganho é um caso específico da combinação de máxima proporção, para a qual todos os coeficientes são iguais e possuem o valor um.

A figura 4.4 indica um sistema de diversidade de mesmo ganho.

FIGURA 4.4: MÉTODO DE DIVERSIDADE DE MESMO GANHO

A fim de determinar o melhor método de combinação, realizou-se uma análise com auxílio da teoria das duas ondas, a qual será explicada no capítulo 5.

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5 PROPAGAÇÃO DE ONDA

Na propagação de onda é possível observar a ocorrência de vários fenômenos que causam o Fading (diminuição da intensidade do sinal recebido por influência do meio de propagação) a longo e em curto prazo.

5.1 FENÔMENOS DE ONDA

5.1.1 Reflexão

Quando uma onda em propagação encontra um meio, o qual apresenta propriedades de propagação distintas do primeiro meio, uma parte dessa onda atravessa esse meio e a outra parte é refletida com o mesmo ângulo da onda incidente. A figura 5.1 ilustra esse fenômeno.

FIGURA 5.1: REFLEXÃO DE ONDA 5.1.2 Difração

Um obstáculo no caminho da onda causa um desvio no seu percurso, esse desvio é chamado de difração. A aparição desse obstáculo no caminho da onda, fará com que a onda propague-se contornando esse obstáculo, que no caso da comunicação entre veículos será uma árvore, uma construção, um outro automóvel, dentre outros. O princípio de Huygens [16] descreve a nova fonte de onda.

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FIGURA 5.2: DIFRAÇÃO DE ONDA [11]

5.2 TEORIA DAS DUAS ONDAS

A propagação de onda em um sistema SISO é descrita pela teoria das duas ondas [5], a qual considera que um sinal percorre dois caminhos distintos entre a antena transmissora e a antena receptora, sendo eles um caminho direto e um caminho devido a uma reflexão no chão. A figura 5.3 indica os dois caminhos percorridos pelo sinal.

FIGURA 5.3: CAMINHOS PERCORRIDOS PELAS ONDAS

O calculo da potência recebida na antena receptora ₍_{) é realizado através} da equação 5.1 [5]. = _{4 ∙} ∙ ∙ ∙ ∙ !"∙#$% & + ((), +, ,) ∙ !"∙#$% & (5.1)

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Onde,

– comprimento de onda no vácuo – potência transmitida

– ganho da antena transmissora – ganho da antena receptora

d – distância direta entre a antena transmissora e receptora & – distância percorrida pela onda através da reflexão . – número de onda no vácuo =

( – fator de reflexão de Fresnel

Sendo que ₍ é calculado através da equação 5.2.

(/ = +∙ cos +∙ cos Onde,

µ – permeabilidade do meio ε – permissividade do meio θ – ângulo incidente da onda

Calculou-se a potência recebida para diferentes alturas da antena transmissora e

analisaram-gráficos, fixou-se uma altura para a antena transmissora e variou antena receptora quanto a

m até 2 m e a variação da distância foi de 0 m até 200 m

ilustram essa análise para a antena transmissora nas alturas de 30 cm e 150 cm, respectivamente.

comprimento de onda no vácuo potência transmitida

ganho da antena transmissora ganho da antena receptora

distância direta entre a antena transmissora e receptora distância percorrida pela onda através da reflexão

número de onda no vácuo =

lexão de Fresnel para uma polarização vertical

é calculado através da equação 5.2.

cos()) 3 4+5∙ (+3 +5) ∙ sin())

cos()) + 84+5∙ (+3 +5) ∙ sin())∙ , (5.2)

permeabilidade do meio permissividade do meio

ângulo incidente da onda

se a potência recebida para diferentes alturas da antena -se os resultados através de gráficos. Para cada um dos a altura para a antena transmissora e variou-se tanto a altura da antena receptora quanto a distância entre as antenas. A variação da altura foi de 0, m até 2 m e a variação da distância foi de 0 m até 200 m. As figuras 5.4 e 5.5

a a antena transmissora nas alturas de 30 cm e 150 cm, para uma polarização vertical

se a potência recebida para diferentes alturas da antena se os resultados através de gráficos. Para cada um dos se tanto a altura da A variação da altura foi de 0,2 . As figuras 5.4 e 5.5 a a antena transmissora nas alturas de 30 cm e 150 cm,

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FIGURA 5.4: POTÊNCIA RECEBIDA PARA UMA ANTENA TRANSMISSORA EM UMA ALTURA IGUAL A 30 CM

FIGURA 5.5: POTÊNCIA RECEBIDA PARA UMA ANTENA TRANSMISSORA EM UMA ALTURA IGUAL A 150 CM

Na figura 5.4, observa-se uma grande atenuação do sinal para uma antena receptora numa altura de 30 cm para uma distância maior que 50 m entre a antena transmissora e a antena receptora. A adição de uma segunda antena transmissora, em uma altura de 150 cm poderia melhorar o sinal para esse caso, o que pode ser observado na figura 5.5.

Realizando o mesmo procedimento na figura 5.5, observa-se que para uma antena receptora a uma altura de 150 cm, há grandes perdas no sinal para uma distância entre as antenas de 45 m a 50 m, assim como de 90 m a 100 m. Na figura

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5.4, é possível observar que a adição de uma antena transmissora em uma altura de 30 cm diminui as perdas do sinal para essas distâncias.

Como a combinação de dois sinais enviados por antenas em alturas diferentes resulta em uma melhora do sinal recebido, realizou-se uma modificação na teoria das duas ondas para que através dessa fosse possível analisar os diversos métodos de diversidade.

5.2.1 Modificação da Teoria das duas Ondas

Através da modificação da teoria das duas ondas foi possível analisar a propagação de ondas em um sistema MIMO como duas antenas transmissoras e duas antenas receptoras. Neste caso leva-se em consideração não apenas uma onda que percorre um caminho direto e uma onda que percorre um caminho com reflexão no solo, mas quatro ondas com percurso direto e quatro ondas refletidas, conforme mostrado na figura 5.6.

FIGURA 5.6: CAMINHOS PERCORRIDOS PELO SINAL NA TEORIA DAS DUAS ONDAS MODIFICADA

A potência recebida () para esse caso será calculada de acordo com a Equação 5.3 [5].

=_;∙<:$

∙ ∙ ∙ ∙ ∑ =;C5 >?@∙A$B_% + ((), +, ,) ∙>?@∙A$B_% = (5.3) 5.2.2 Análise dos Métodos de Combinação

Para analisar cada um dos métodos de combinação e identificar o melhor deles, considerou-se um sistema MIMO com dois conjuntos de antenas, cada um deles formado por uma antena transmissora e uma antena receptora localizadas na mesma altura. Nesse sistema, a distância entre a antena transmissora e a receptora varia de 5 a 200 m com um intervalo λ entre cada um dos pontos. Já a altura de cada um dos conjuntos de antenas varia de 0,2 a 2 m a cada λ/2. Calculou-se a

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antenas receptoras e transmissoras.

Como forma de analisar a relação entre a potência recebida na antena receptora e a altura de cada um dos conjuntos de antenas, calculou-se para cada combinação de altura de antenas, a média da potência recebida para todas as distâncias compreendidas entre 5 e 200 m. Como há duas antenas receptoras, para esse cálculo combinaram-se os dois sinais recebidos através dos métodos de diversidade por seleção, método de combinação de mesmo ganho e método de combinação de máxima proporção. As figuras 5.7, 5.8 e 5.9 indicam os três casos, respectivamente.

FIGURA 5.7: POTÊNCIA RECEBIDA COMBINADA ATRAVÉS DO MÉTODO DE SELEÇÃO

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FIGURA 5.9: POTÊNCIA RECEBIDA COMBINADA ATRAVÉS DO MÉTODO DE MÁXIMA PROPORÇÃO

Analisando os três gráficos observa-se que para os três casos os melhores pontos de recepção estão localizados no mesmo intervalo de altura das antenas, compreendido entre 20 e 40 cm para os dois conjuntos de antenas. A diferença entre os três métodos está na intensidade do sinal recebido, a qual é mais baixa para a diversidade por seleção e mais alta para a combinação de máxima proporção. O ganho médio do gráfico de mesmo ganho em relação ao gráfico de seleção é de aproximadamente 3 dB, já o ganho médio do método de máxima proporção em relação ao gráfico de mesmo ganho é aproximadamente 1.5 dB.

Como a diversidade de máximo ganho é a que apresenta um melhor resultado, esse método foi o escolhido para a realização da análise das simulações.

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6 FERRAMENTAS DE SIMULAÇÃO

Todas as simulações foram realizadas com auxílio dos programas Roadcom e Ray Tracing. O primeiro cria o cenário para a simulação e o segundo calcula a propagação de onda nesse cenário. As seções 6.1 e 6.2 descrevem as duas ferramentas.

6.1 ROADCOM

O Roadcom é um programa que cria diferentes cenários de acordo com o objetivo da simulação. Nele é possível especificar quantos intervalos de tempo serão simulados e qual será o período entre esses intervalos de tempo. Além disso, define-se o número de reflexões que uma mesma onda poderá sofrer e o número de difrações.

A diferença de cada um dos cenários está na densidade de automóveis, construções e árvores. Ao comparar um cenário urbano com um rural, observa-se que o primeiro possui uma densidade muito maior de automóveis e de construções, enquanto o segundo, pelo fato de referir-se a estradas e rodovias, possui uma densidade muito maior de árvores. Carros estacionados também são considerados como objetos no cenário urbano. A Figura 6.1 indica a visão superior de um cenário urbano, à direita, com um cenário rural, à esquerda.

FIGURA 6.1: COMPARAÇÃO DE UM CENÁRIO URBANO COM UM CENÁRIO RURAL Cada objeto do cenário é representado como uma composição de retângulos tridimensionais. Como forma de diferenciar um objeto do outro, definem-se parâmetros para cada um dos materiais. Para os seguintes materiais: vegetação,

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construções, vidro, asfalto e metal, serão definidas suas permissividades, permeabilidades e rugosidades.

A tabela 6.1 indica a permissividade e a permeabilidade de cada um desses materiais. Material ε µ Vegetação 10-6j 1 Construção 5-0,1j 1 Vidro 6+0,01j 1 Asfalto 5-0,1j 1 Metal 10-1000000j 1 TABELA 6.1: PROPRIEDADE DOS MATERIAIS

Para finalizar a criação do cenário, define-se tanto para o ponto transmissor quanto para o ponto receptor sua posição e velocidade, o tipo e orientação de antena, a freqüência de transmissão e quantidade de veículos que há entre o transmissor e o receptor.

6.2 RAY TRACING

O Ray Tracing é um programa baseado em linhas de comando para cálculo da propagação de onda entre pontos transmissores e receptores pré-definidos. Ele foi desenvolvido para um cenário urbano envolvendo micro e macro células, porém também pode ser utilizado para outros ambientes, como, por exemplo, ambientes internos.

Nesse programa, considera-se que uma onda pode sofrer reflexão, difração e dispersão, dependendo dos obstáculos que ela encontre em seu percurso. Para um resultado preciso, é necessário que o comprimento de onda seja pequeno, se comparado com os objetos do cenário. Nesse programa há a limitação de que uma mesma onde poderá refletir até no máximo cinco vezes e difratar até três vezes.

Os parâmetros resultantes da simulação são: módulo de fase da onda, freqüência Doppler, ângulo de elevação em que a onda saiu do transmissor e chegou ao receptor, azimute da onda enviada e recebida e atraso, para cada instante para cada uma das ondas que são recebidas no ponto definido como receptor.

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7 SIMULAÇÃO

A simulação visa analisar a propagação de onda em diversos cenários a fim de localizar o melhor ponto receptor no automóvel. Nas simulações as antenas utilizadas foram antenas omni-direcionais, já que um dos resultados obtidos na simulação é o ângulo em que a onda sai do transmissor e chega ao receptor, sendo possível analisar posteriormente se uma antena direcional é mais adequada para a transmissão.

Para todas as simulações, a freqüência de transmissão utilizada foi a de 5.9GHz, valor selecionado de acordo com a norma IEEE 802.11p.

A simulação foi realizada para três cenários diferentes, cenário urbano estacionário, cenário urbano variante no tempo e cenário rural estacionário. A seguir explica-se cada um dos cenários, seus resultados e uma análise dos resultados.

7.1 CENÁRIO URBANO ESTACIONÁRIO

Definiu-se para a simulação um cenário urbano com quatro pistas de carros em movimento, sendo duas em um sentido e as outras duas no sentido oposto às duas primeiras. Nesse cenário, os automóveis que trafegam nas duas pistas externas possuem uma velocidade aproximada de 40 km/h e os automóveis das duas pistas centrais trafegam a uma velocidade de 60 km/h. Além das quatro pistas de carros em movimento, há duas com carros estacionados e ao lado dessas pistas construções e algumas árvores.

A simulação foi realizada apenas para o primeiro intervalo de tempo, sendo assim considerado um cenário estacionário, para o qual um ponto transmissor e diversos pontos receptores, espalhados pelas quatro pistas do cenário foram escolhidos. Os pontos receptores distanciam-se do transmissor de 5 a 200 m e o espaçamento entre dois pontos receptores é de 5λ. A ilustração tanto do cenário, como dos pontos transmissor e receptores está indicada na Figura 7.1.

(31)

FIGURA 7.1: ILUSTRAÇÃO DO CENÁRIO URBANO ESTACIONÁRIO

Essa simulação foi realizada para antenas localizadas em cinco alturas diferentes, sendo essas alturas iguais a 30 cm, 60 cm, 90 cm, 120 cm e 150 cm. Em cada uma das simulações, todas as antenas possuem a mesma altura.

Realizada a simulação, analisaram-se as perdas devido à propagação do sinal. Em seguida escolheram-se os melhores pontos receptores em relação ao automóvel para cada uma das alturas e por fim sumulou-se o envio do sinal através de uma segunda antena transmissora a fim de analisar a SNR e a capacidade de um sistema MIMO.

7.1.1 Análise das Perdas por Propagação

Para a análise das perdas por propagação, em cada um dos pontos receptores, somaram-se todas as ondas recebidas por esse ponto de duas maneiras diferentes, uma coerente e outra incoerente. As fórmulas 7.1 e 7.2 demonstram o cálculo para a potência calculada de forma coerente e incoerente, respectivamente.

= |5+ + E+ … + | (7.1) = |5|+ |;|+ |E|+ … + || (7.2)

Onde,

P – amplitude do sinal resultante

– ondas que compõem o sinal (formada por ângulo e fase)

Através da potência recebida calculada pela soma incoerente dos sinais, analisou-se o percurso de cada uma das ondas, assim com seus pontos de reflexão, já que para esse caso, a interferência sofrida pelo sinal é menor, tornando a visualização do percurso da onda mais clara.

(32)

indicou a potência real em cada um dos pontos receptores. Nela é possível observar qual a interferência real que as varias ondas causam no sinal resultante.

As figuras 7.2 e 7.3 indicam a potência recebida em cada um dos pontos receptores localizados a uma distância de 5 a 105 m da antena transmissora, espalhados pelas quatro pistas do cenário para as antenas em uma altura de 120 cm para o caso de adição coerente e incoerente dos sinais recebidos (cálculo realizado conforme equações 7.1 e 7.2), respectivamente.

FIGURA 7.2: POTÊNCIA RECEBIDA CALCULADA ATRAVÉS DA SOMA INCOERENTE DAS ONDAS

FIGURA 7.3: POTÊNCIA RECEBIDA CALCULADA ATRAVÉS DA SOMA COERENTE DAS ONDAS O anexo A ilustra a potência recebida para uma distância de 5 a 205 m da antena receptora para as cinco alturas tanto para o caso coerente, o caso real. 7.1.2 Correlação

Ao contrário da maioria dos métodos de combinação de sinais, na combinação de máxima proporção não é apenas a amplitude dos sinais combinados que é importante, mas também a correlação entre os sinais. Para dois sinais pouco correlacionados, a probabilidade de que para cada ponto ao menos um dos sinais possua uma boa SNR é maior. Por esse fator, analisou-se a correlação entre cada dois pontos receptores.

(33)

O coeficiente de correlação (k), o qual descreve a relação linear entre dois ou mais sinais, está definido segundo Bravais-Pearson [7] na equação 7.3.

. = ∑ (HC5 3 HI)∙ (J3 JK) L∑ (HC5 3 HI)∙ ∑ (JC 3 JK) (7.3) Na qual, HI é o valor médio da x JK é o valor médio da y H é o valor de x no ponto i J é o valor de y no ponto i

O coeficiente de correlação pode variar entre 0 e 1, sendo que o valor 0 indica que os sinais não possuem nenhuma correlação e o valor 1 indica que os sinais são totalmente correlacionados.

7.1.3 Melhores Pontos Receptores

Para avaliar o sinal recebido em cada ponto do automóvel, calculou-se a curva SNR pela distância para cada um desses pontos para as quatro pistas. Para isso supõe-se que um automóvel trafega pela pista do ponto 0 m até o ponto 200 m. Para a análise dos melhores pontos receptores, comparou-se a SNR em oito conjuntos de pontos distintos, cada um deles formado por dois pontos. Os oito conjuntos de pontos foram escolhidos da seguinte forma: primeiramente calculou-se a correlação do sinal de cada dois pontos do automóvel para cada uma das pistas. Os pontos com menor correlação de cada uma delas foram os primeiros quatro conjuntos de pontos escolhidos. Em seguida calculou-se a correlação média das quatro pistas para cada dois pontos, sendo que os dois pontos que apresentaram a menos correlação foram escolhidos como o 5º conjunto de pontos.

Os últimos três conjuntos de pontos foram escolhidos através de sua amplitude. Supondo o deslocamento virtual de um veículo através de cada uma das pistas do cenário, para cada ponto deslocado, computou-se o posicionamento em relação ao veículo dos cinco pontos com melhor sinal recebido. Ao final do deslocamento, analisou-se quantas vezes cada um dos pontos apareceu entre os cinco melhores sinais, encontrando assim os três pontos de melhor amplitude.

(34)

de pontos a serem analisados.

Para comparar a SNR entre os pontos, calculou-se a média do sinal para uma distância de 200 m, o seu valor máximo e seu valor mínimo. Como melhor ponto para cada uma das alturas, escolheu-se o conjunto de pontos que apresentou o maior valor mínimo da SNR, já que o importante é que o sinal seja suficientemente maior do que o ruído para que seja possível separá-los.

Abaixo há, para cada uma das alturas analisadas, uma figura com todos os pontos utilizados na primeira análise (em azul) e o conjunto de pontos escolhidos (círculo preto), assim como uma tabela com os oito conjuntos de pontos selecionados e suas respectivas SNR máxima, mínima e média.

FIGURA 7.4: MELHORES PONTOS PARA A ALTURA DE 30 CM

Altura Pontos

30 cm 8,1 – 8,18 8,1 – 8,17 8,2 – 8,17 8,17 – 1,1 3,2 – 1,11 1,10 – 6,7 5,14 – 3,6 3,5 – 2,17

SNR máxima em dB 70,83 70,58 70,71 70,86 68,67 70,19 70,27 70,77

SNR mínima em dB 36,91 36,08 38,21 35,92 37,91 36,65 38,05 36,61

SNR média em dB 54,34 54,1 54,32 54,36 53,98 54,25 54,23 54,33

TABELA 7.1: ANÁLISE DOS PONTOS PARA A ALTURA DE 30 CM

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Altura Pontos

60 cm 2,1 – 3,1 2,1 - 3,18 1,15 – 5,1 1,6 – 1,1 1,1 – 1,18 4,1 – 1,4 7,1 – 1,7 4,1 – 8,1

SNR máxima em dB 69,64 71,21 70,26 68,6 68,93 70,59 69,28 69,65

SNR mínima em dB 19,78 26,35 27,14 26,73 27,52 26,12 25,74 23,45

SNR média em dB 46,84 47,69 47,86 47,48 47,43 47,94 47,62 47,53

Altura Pontos

90 cm 2,15 – 2,14 1,6 – 2,15 10,6 – 4,15 1,6 -2,14 8,15 – 2,9 6,6 – 4,6 7,15 – 6,6 3,15 – 9,7

SNR máxima em dB 68,47 68,72 68,72 68,65 68,9 68,1 69,26 68,59

SNR mínima em dB 14,38 19,22 19,22 19,27 18,25 8,27 15,7 16,45

SNR média em dB 43,97 44,42 44,42 44,39 44,69 43,43 44,31 44,92

Altura Pontos

120 cm 1,15 – 1,6 1,15 – 1,14 1,6 – 1,14 3,6 – 2,6 3,15 – 8,6 1,6 – 1,15 1,10 – 1,6 4,6 – 5,15

SNR máxima em dB 68,17 68,19 68,08 68,04 67,77 68,17 67,61 68,29

SNR mínima em dB 18,77 9,69 16,94 8,3 18,51 18,82 13,86 13,47

SNR média em dB 43,99 43,65 43,87 42,57 44,93 43,99 43,64 43,5

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FIGURA 7.8: MELHORES PONTOS PARA A ALTURA DE 150 CM Altura Pontos 150 cm 1,7 – 1,6 1,7 – 1,14 8.6 – 2.15 1,6 – 1,14 1,13 – 8,7 5,6 – 3,10 4,6 -1,9 8,11 – 4,8 SNR máxima em dB 64,89 65,44 53,95 65,39 65,63 65,45 64,96 65,52 SNR mínima em dB 17,53 23,46 22,44 20,09 21,27 20,27 20,48 21,73 SNR média em dB 44,33 44,85 45,62 44,86 45,87 44,3 44,62 45,29

7.1.4 Análise do Número de Antenas

Para analisar o número de antenas necessárias para a recepção, comparam-se alguns sistemas SIMO com diferentes números de antenas receptoras. Sabendo-se que o máximo ganho através de uma combinação de máxima proporção ocorre quando os dois sinais são iguais, calculou-se o ganho máximo de um sistema SIMO com 2, 3, 4 e 5 antenas receptoras em relação a um sistema SISO. Número de Receptores Ganho em relação ao SISO Ganho em relação ao SIMO – 2 Rx Ganho em relação ao SIMO – 3 Rx Ganho em relação ao SIMO – 4 Rx 2 3.01 dB - - - 3 4.77 dB 1.77 dB - - 4 6.02 dB 3.01 dB 1.25 dB - 5 6.99 dB 3.98 dB 2.22 dB 0.97 dB

TABELA 7.6: ANÁLISE DOS DIFERENTES SISTEMAS SIMO

Como com a adição de antenas receptoras ao sistema SIMO, o ganho trazido por essa antena é cada vez menor, e os custos do sistema são cada vez maiores, optou-se por realizar análises com sistemas com apenas duas antenas transmissoras e duas antenas receptoras.

(37)

7.1.5 Sistema MIMO

Após a realização da simulação para a segunda antena transmissora, foi possível analisar os ganhos que um sistema MIMO proporciona. Primeiramente, traçou-se a curva do valor médio da SNR nas quatro pistas pela distância, ilustrada na figura 7.9 para a antena em uma altura de 30 cm.

SNR – Combinação de Máxima Proporção

Distância em Relação a Antena Transmissora em m

S N R e m d B

FIGURA 7.9: SNR PELA DISTÂNCIA PARA ANTENAS EM UMA ALTURA IGUAL A 30 CM Os gráficos da SNR para as outras quatro alturas de antena estão ilustrados no Anexo B.

Para o cálculo da SNR, utilizou-se como potência transmitida pelo sistema 23 dBm, valor estipulado segundo a norma IEEE 802.11p. O valor de potência do ruído térmico utilizado foi de aproximadamente -104 dBm, valor resultante do cálculo através da equação: P = kBT, na qual k = constante de Bolzmann, B = largura de banda e T = temperatura ambiente (293 K).

Observando os gráficos, nota-se que a altura de 30 cm apresenta um resultado mais satisfatório. Para possibilitar uma comparação mais precisa entre todas as alturas, traçou-se o gráfico da função distribuição acumulada da potência recebida para cada uma das alturas, conforme demonstrado na figura 7.10.

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Potência Recebida em dB F u n ç ã o D is tr ib u iç ã o A c u m u la d a

FIGURA 7.10: POTÊNCIA RECEBIDA NO CENÁRIO URBANO ESTACIONÁRIO

Através do gráfico da figura 7.10, observa-se claramente que a altura de 30 cm resulta em uma potência recebida mais alta do que as outras antenas, possuindo um valor médio de aproximadamente 5 dB maior do que a altura de 60 cm, a qual apresenta o segundo melhor sinal. Observa-se também que quanto mais altas as antenas, pior é o sinal recebido.

O melhor resultado na altura de 30 cm pode ser explicado pelo fato de que para essa altura não há problema quando um automóvel está entre a antena transmissora e a antena receptora, já que o sinal propaga-se por baixo dos veículos. Além disso, o número de reflexões nessa altura é maior, chegando ao ponto receptor um número maior de ondas, e quanto maior o número de ondas recebidas, melhor é o sinal e menor é a interferência, já que o peso de cada uma das ondas individualmente é menor.

Já o fato do aumento da altura da antena piorar a intensidade do sinal recebido, é explicado com a observação dos gráficos da perda do sinal devido à propagação, localizados no anexo A. Observa-se que quanto mais altas as antenas, maior é a perda do sinal devido a um obstáculo entre o ponto transmissor e o ponto receptor e maior o tempo que o sinal leva para recuperar parte de sua potência.

Além disso, observa-se ainda que na altura de 30 cm o Fading em curto prazo é menor, já que o intervalo entre a potência mais baixa e a potência mais alta é menor do que nos outros casos. A figura 7.11 ilustra o pico negativo e pico positivo do Fading em curto prazo para cada altura de antenas.

(39)

FIGURA 7.11: FADING EM CURTO PRAZO

Além da potência recebida pelo sistema, a capacidade do sistema também foi analisada. O cálculo da capacidade (C) [14] é realizado através da equação 7.4 para um sistema SISO, da equação 7.5 para um sistema MISO, da equação 7.6 para um sistema SIMO e a equação 7.7 para um sistema MIMO. Para isso utilizou-se a equação 7.3. Na figura 7.12 observa-se que apesar da equação para o cálculo da capacidade ser altamente relacionada com a SNR, o gráfico da capacidade apresenta algumas diferenças em relação ao gráfico da potência recebida. Isso ocorre porque diferentemente do cálculo da potência recebida, o cálculo da capacidade do sistema não utiliza nenhum tipo de combinação de sinal. Sendo assim, cada um dos sinais que formam o sinal resultante possui o mesmo peso sobre este. M = NOP2 (1 + QR( ∙ |ℎ|_{) (7.4)} M = NOP2 1 +QR(_{T ∙ ℎ ∙ ℎ}∗_(7.5) M = NOP2 V& W XY+QR(_{T ∙ ℎℎ}∗Z (7.6) M = NOP2 V& W XY+QR(_{T ∙ \\}∗Z (7.7) Onde, SNR – relação sinal-ruído h – coeficiente de transmissão

H – coeficiente de transmissão complexo M – número de antenas transmissoras I – matriz identidade -9 -17 -20 -16 -14 4 6 6 7 6 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 30 cm 60 cm 90 cm 120 cm 150 cm

A

m

p

li

tu

d

e

m

d

B

Alturas

Fading em Curto Prazo

Valor Mínimo

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FIGURA 7.12: CAPACIDADE DO SISTEMA PARA O CENÁRIO URBANO ESTACIONÁRIO

7.2 CENÁRIO URBANO VARIANTE NO TEMPO

O objetivo principal dessa simulação é comparar o cenário que varia tanto no tempo como na distância como cenário analisado anteriormente, o qual varia apenas na distância. Com isso será possível concluir se o canal analisado até agora pode ser considerado um canal real (variante no tempo) ou não.

Para essa simulação, criou-se um novo cenário urbano, com as mesmas características do anterior, como ilustrado na figura 7.13. A diferença entre os cenários é que aqui ao invés de apenas um intervalo de tempo, serão considerados diversos intervalos. Além disso, as duas antenas transmissoras foram posicionadas em um veículo e as antenas receptoras em outro. Esses dois veículos estão em movimento e trafegam em sentido oposto, cada um com uma velocidade de 60 km/h. A distância inicial entre eles é de 200 m, em seguida eles aproximam-se até que a distância entre eles seja de 0 m e afastam-se novamente até que uma distância de 200 m seja novamente atingida.

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FIGURA 7.13: PRIMEIRO INSTANTE DO CENÁRIO URBANO VARIANTE NO TEMPO Nesse cenário uma antena transmissora e uma antena receptora foram posicionadas em uma altura de 30 cm e as outras duas em 60 cm. Essa diferença entre as alturas foi escolhida, já que a análise para duas antenas na mesma altura já foi realizada no cenário anterior. Como forma de análise, traçou-se o gráfico da função distribuição acumulada da potência recebida para um sistema SISO, SIMO, MISO e MIMO, ilustradas na figura 7.14.

F u n ç ã o D is tr ib u iç ã o A c u m u la d a

FIGURA 7.14: POTÊNCIA RECEBIDA NO CENÁRIO URBANO VARIANTE NO TEMPO O fato dos sistemas SIMO e MISO possuírem o mesmo número de antenas e o sistema SIMO apresentar um resultado mais satisfatório explica-se por o primeiro caso combinar seus sinais recebidos e o segundo caso não apresentar nenhum tipo de codificação de sinal. Ele apenas envia sinais através de uma segunda antena transmissora; esses sinais podem em alguns casos interferir de forma destrutiva no primeiro sinal e em outros casos interferir de forma construtiva. Podendo em alguns pontos apresentar um sinal pior do que o sistema SISO.

(42)

melhorar o sinal recebido no caso MISO, melhorando também o sinal MIMO.

A figura 7.15 ilustra a capacidade do sistema em cada um dos sistemas, que demonstra a não linearidade da relação da capacidade de um sistema MIMO com um sistema SISO. À medida que a capacidade aumenta a diferença entre as duas capacidades também aumenta.

Capacidade em bps/Hz F u n ç ã o D is tr ib u iç ã o A c u m u la d a

FIGURA 7.15: CAPACIDADE DO SISTEMA PARA O CENÁRIO URBANO VARIANTE NO TEMPO 7.3 COMPARAÇÃO ENTRE OS DOIS CENÁRIOS URBANO

A fim de comparar os dois cenários, traçou-se a curva da função distribuição acumulada da potência recebida em um sistema SISO, primeiramente para uma altura de 30 cm e a seguir para uma altura de 60 cm, conforme ilustrado nas figuras 7.16 e 7.17, respectivamente.

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F u n ç ã o D is tr ib u iç ã o d e A c u m u la d a

FIGURA 7.16: COMPARAÇÃO ENTRE OS SISTEMAS VARIANTE E INVARIANTE NO TEMPO PARA UMA ALTURA DE 30 CM

F u n ç ã o D is tr ib u iç ã o d e A c u m u la d a

FIGURA 7.17: COMPARAÇÃO ENTRE OS SISTEMAS VARIANTE E INVARIANTE NO TEMPO PARA UMA ALTURA DE 60 CM

Como resultado, nota-se que as duas curvas apresentam grande semelhança. As diferenças ocorrem pelo fato de que as simulações foram feitas no mesmo tipo de cenário, mas não no mesmo cenário e, além disso, pela quantidade de automóveis entre o ponto transmissor e o ponto receptor não ser a mesma para os dois casos.

Analisando agora o sistema MIMO com duas alturas de antenas distintas, observa-se através da figura 7.18 que essa curva está localizada exatamente entre

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antenas em 60 cm, que são exatamente as duas alturas que formam o sistema MIMO analisado com duas alturas distintas.

Tempo Potência Recebida em dB F u n ç ã o D is tr ib u iç ã o A c u m u la d a

FIGURA 7.18: COMPARAÇÃO ENTRE UM SISTEMA MIMO INVARIANTE NO TEMPO E UM SISTEMA MIMO VARIANTE NO TEMPO

Esses resultando comprovam que as análises realizadas para o sistema variante apenas na distância também são válidas para um sistema real, o qual varia no tempo e na distância.

7.4 CENÁRIO RURAL ESTACIONÁRIO

Definiu-se para a simulação um cenário rural com seis pistas de carros em movimento, sendo que em três delas os veículos trafegam em um sentido e nas outras três no sentido oposto ao das três primeiras. Nesse cenário, os automóveis que trafegam nas duas pistas externas possuem uma velocidade aproximada de 100 km/h, os automóveis das duas pistas centrais trafegam a uma velocidade de 180 km/h e os que trafegam nas outras duas pistas possuem uma velocidade de 140 km/h. Nesse cenário não há veículos estacionados e no lugar das construções há arvores.

Assim como no cenário urbano estacionário, a simulação foi realizada apenas para o primeiro intervalo de tempo. Escolheu-se um ponto transmissor e

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diversos pontos receptores, espalhados por duas pistas do cenário, numa distância entre 50 e 150 m do ponto transmissor, espaçados 5λ entre si. A ilustração tanto do cenário, como dos pontos transmissor e receptores está indicada na Figura 7.19.

FIGURA 7.19: CENÁRIO RURAL

Essa simulação foi realizada para antenas localizadas em cinco alturas diferentes, sendo essas alturas iguais a 30 cm, 60 cm, 90 cm, 120 cm e 150 cm. Em cada uma das simulações, todas as antenas possuem a mesma altura.

7.4.1 Sistema SIMO

Como o objetivo principal dessa simulação é a análise do sinal nos pontos selecionados no cenário urbano, assim como a comparação entre os dois cenários, não foi necessária a simulação de duas antenas transmissoras. A análise foi realizada através do sistema SIMO.

A tabela 7.7 indica uma análise comparativa da potência recebida no cenário rural para dois conjuntos diferentes de pontos, um já selecionado no cenário urbano e o outro analisado através do próprio cenário rural.

30 cm 60 cm 90 cm 120 cm 150 cm

(em dB) Urbano Rural Urbano Rural Urbano Rural Urbano Rural Urbano Rural valor máximo -47,63 -46,98 -47,83 -47,88 -46,1 -46,04 -51,17 -50,23 -51,07 -50,61 valor mínimo -77,86 -72,8 -80,59 -78,88 -74,98 -73,34 -87,36 -84,13 -85,34 -80,3 valor médio -57,99 -56,43 -59,59 -59,42 -59,01 -58,58 -63,24 -65,01 -62,54 -61,97

TABELA 7.7: AVALIAÇÃO DA POTÊNCIA RECEBIDA PARA O CENÁRIO RURAL

Na tabela é possível observar que a diferença entre os valores mínimos da potência recebida encontrada no cenário urbano através dos dois conjuntos de

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da potência recebida durante os 100 m percorridos chegam no máximo a 2 dB, o que indica que os pontos escolhidos no cenário urbano também podem ser utilizados no cenário rural.

A fim de comparar as diversas alturas também para o cenário rural, traçou-se a curva função distribuição acumulada da potência recebida também para estraçou-se cenário. O resultado está indicado na figura 7.20.

Potência Recebida em dB F u n ç ã o D is tr ib u iç ã o A c u m u la d a

FIGURA 7.20: POTÊNCIA RECEBIDA NO CENÁRIO RURAL

Na figura observa-se que a curva de 30 cm é novamente a melhor, a diferença aqui é que diferentemente do cenário urbano, a altura de 90 cm também apresenta bons resultados. Uma comparação entre os resultando do cenário urbano e do cenário rural será realizada na próxima sessão a fim de identificar os melhores pontos.

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FIGURA 7.21: CAPACIDADE DO SISTEMA EM CENÁRIO RURAL

Nesse gráfico ficam claras as diferenças que uma combinação entre dois sinais pode causar no sinal resultante.

7.5 COMPARAÇÃO DO CENÁRIO URBANO E RURAL

As duas figuras a seguir (7.22 e 7.23) comparam para cada uma das alturas os resultados obtidos no cenário SIMO urbano e rural para uma distância entre a antena transmissora e receptora entre 50 e 150 m. A primeira figura indica os valores mínimos da SNR para cada altura em cada um dois cenários e a segunda indica os valores médios da SNR também para as cinco alturas e os dois cenários.

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FIGURA 7.22: SNR MÍNIMA

FIGURA 7.23: SNR MÉDIA

Observa-se que a altura de 30 cm é melhor em todos os quesitos, com exceção do valor mínimo da SNR no cenário rural, no qual a altura de 30 cm apresenta um valor de 26 dB e a altura de 90 cm um valor de 29 dB. Porém, comparando todos os sinais mínimos da SNR, tanto a altura de 30 cm quanto a altura de 90 cm apresentam o valor mínimo igual a 26 dB e comparando todos os outros quesitos, a altura de 30 cm apresenta valores muito superiores a de 90 cm.

38 28 26 19 23 26 23 29 17 19 0 10 20 30 40 50 h = 30 cm h = 60 cm h = 90 cm h = 120 cm h = 150 cm V a lo o r m ín im o d o S N R e m d B

Altura das Antenas em m

SNR mínima

Urbano Rural 53 46 45 42 43 46 ₄₄ ₄₅ 41 41 0 10 20 30 40 50 60 h = 30 cm h = 60 cm h = 90 cm h = 120 cm h = 150 cm V a lo r m é d io d o S N R e m d B

Altura das Antenas em m

SNR média

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8 RESULTADOS

A partir da análise dos diversos cenários e combinações de antenas, conclui-se que a altura de 30 cm é a melhor delas, tanto para a transmissão quanto para a recepção de sinal em um sistema de comunicação entre veículos. Além de apresentar uma melhor SNR, essa altura também apresenta menor interferência.

O aumento no número de antenas transmissoras e receptoras melhora a recepção do sinal, porém, também aumenta o custo do sistema. Como um sistema MIMO com duas antenas transmissoras e duas antenas receptoras apresentou um resultado satisfatório, tendo como valor mínimo da SNR para uma distância de até 205 m da antena transmissora 40 dB, esse sistema foi o escolhido. Como valores de SNR satisfatórios, são considerados valores acima de 20 dB.

A figura 8.1 indica o melhor posicionamento das antenas em relação ao automóvel para a altura de 30 cm.

FIGURA 8.1: MELHOR POSICIONAMENTO DAS ANTENAS

Análises posteriores podem ser realizadas a fim de observar o ganho provocado pela codificação espaço-temporal de Alamouti, que é um método simples e eficiente para a otimização de um sistema MIMO.

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9 CONCLUSÃO

Constatou-se durante o trabalho a importância da comunicação entre automóveis para que o trânsito torne-se cada vez mais seguro e eficiente. Além disso, foi possível alcançar todos os objetivos principais do projeto. Primeiramente constatou-se o melhor método para a combinação dos sinais recebidos através das antenas receptoras, em seguida foi possível observar a influência do posicionamento das antenas sobre a propagação de onda nos cenários urbano e rural, encontrando o melhor posicionamento para elas. Para finalizar escolheu-se o número ideal de antenas para o sistema, levando em consideração tanto seu sinal recebido quanto seus custos.

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10 REFERÊNCIAS

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[12] MAURER, J.: “Strahlenoptisches Kanalmodell für die Fahrzeug-Fahrzeug-Funkkommunikation”, Institut für Hochfrequenztechnik und Elektronik, 2005

[13] JASOS, M.: “Anleitung für die Straßenverkehrssymulation Roadcom”, Institut für Hochfrequenztechnik und Elektronik, 2005

[14] WIESBECK, W.; WALDSCHMIDT, C.; KUHNERT, C.: “MIMO Introduction”

[15] IEEE P802.11pTM/D5.0: Draft Standard for Information Technology —

Telecommunications and information exchange between systems — Local and metropolitan area networks — Specific requirements, 2008

[16] BAKER, B.; COPSTON E. T.; American Mathematical Society: “The Mathematical Theory of Huygens Principle”, AMS Bookstore, 2003

[17] LIMA, G.; AQUINO, F.; MACHADO, R.; UCHOA FILHO, B.; DE NORONHA NETO, M.; SOUZA, R.; MENDES L.: “Projeto MI-SBTVD: STC-OFDM e Estimação de Canal”, Revista Científica Periódica – Telecomunicações, Vol. 9, 2006

(53)

ANEXO A

FIGURA 10.1: SNR PELA DISTÂNCIA DE UM SISTEMA MIMO COM A ALTURA DAS ANTENAS IGUAL A 30 CM

(54)

(55)

(56)

ANEXO B

Potência calculada através da soma coerente de todas as ondas recebidas para uma distância de 5 a 105 m entre a antena transmissora e a antena receptora

FIGURA 10.6: ALTURA DAS ANTENAS IGUAL A 30 CM

(57)

FIGURA 10.9: ALTURA DAS ANTENAS IGUAL A 120 CM

Potência calculada através da soma coerente de todas as ondas recebidas para uma distância de 105 a 205 m entre a antena transmissora e a antena receptora

(58)

FIGURA 10.14: ALTURA DAS ANTENAS IGUAL A 120 CM