Melhoria de modelos de predição de path loss para sinais da quinta geração (5G) na faixa de 3,5 GHz

(1)

Universidade Federal Fluminense

Escola de Engenharia

Curso de Gradua¸

c˜

ao em Engenharia de

Telecomunica¸

c˜

oes

Gustavo Nabuco Santos da Silva

Melhoria de modelos de predi¸c˜

ao de path loss para

sinais da quinta gera¸c˜

ao (5G) na faixa de 3,5 GHz

Niter´

oi – RJ

2020

(2)

Gustavo Nabuco Santos da Silva

Melhoria de modelos de predi¸c˜ao de path loss para sinais da quinta gera¸c˜ao (5G) na faixa de 3,5 GHz

Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso de Gradua¸cão em Engenharia de Teleco-munica¸cões da Universidade Federal Fluminense, como requisito parcial para obten¸cão do Grau de Engenheiro de Telecomunica¸cões.

Orientador: Prof. Dr. Tadeu Nagashima Ferreira Coorientador: Prof. Dr. Pedro Vladimir Gonzalez Castellanos

Niter´oi – RJ 2020

(3)

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Gustavo Nabuco Santos da Silva

Melhoria de modelos de predi¸c˜ao de path loss para sinais da quinta gera¸c˜ao (5G) na faixa de 3,5 GHz

Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso de Gradua¸cão em Engenharia de Teleco-munica¸cões da Universidade Federal Fluminense, como requisito parcial para obten¸cão do Grau de Engenheiro de Telecomunica¸cões.

Aprovada em 31 de julho de 2020.

BANCA EXAMINADORA

Prof. Dr. Tadeu Nagashima Ferreira - Orientador Universidade Federal Fluminense - UFF

Prof. Dr. Pedro Vladimir Gonzalez Castellanos - Coorientador Universidade Federal Fluminense - UFF

Prof. Dra. Leni Joaquim de Matos Universidade Federal Fluminense - UFF

Prof. Dr. Maur´ıcio Weber Benj´o da Silva Universidade Federal Fluminense - UFF

Niter´oi – RJ 2020

(5)

Resumo

Os sistemas móveis estão em constante evolu¸cão desde seu surgimento nos anos 1950 e, face à enorme demanda da sociedade atual por informa¸cão e meios para se comunicar, chegam ao seu ápice com o desenvolvimento dos sistemas da quinta gera¸cão, popularmente conhecidos como 5G. Estima-se uma melhora significativa nas trocas de dados entre usu´ a-rios destes sistemas, sejam eles pessoas ou máquinas. Utilizando esta inova¸cão como cenário, este trabalho propõe a melhoria de determinados modelos de predi¸cão de path loss que serão utilizados nas previsões de cobertura de sinais na frequência de 3,5 GHz, os quais figuram nas principais proje¸cões como os que terão maior utiliza¸cão no 5G, visto a maior facilidade de implementa¸cão aproveitando-se a infraestrutura utilizada pelos siste-mas móveis atuais, além do maior alcance nesta faixa do que as mais altas propostas para o 5G. São definidos conceitos básicos dos sistemas 5G, bem como os principais atributos que proporcionaram a chegada da nova tecnologia móvel, além de um panorama geral do 5G em âmbito nacional. São elucidados, ao longo deste trabalho, os modelos de predi¸cão de perda de percurso utilizados, os quais servirão como base para o método de melhoria pretendido. Para que houvesse dados confiáveis a serem estudados, um procedimento ex-perimental foi detalhadamente definido, destacando os setups de transmissão e recep¸cão do sinal, o ambiente de propaga¸cão onde ocorreram as medi¸cões de potência recebida e as rotas percorridas pela antena receptora. De posse dessas informa¸cões, os cálculos são realizados de acordo com as defini¸cões dos modelos de predi¸cão, para, posteriormente, ocorrer a melhoria destes resultados e a compara¸cão entre os resultados obtidos, de modo a confirmar a eficácia do método proposto.

(6)

Abstract

Mobile systems have been constantly evolving since their emergence in the 1950s and, gi-ven the enormous demand of today’s society for information and means to communicate, they reach their peak with the development of the fifth generation systems, popularly known as 5G. It is estimated a significant improvement in data exchanges between users of these systems, whether they are people or machines. Using this innovation as a scena-rio, this work proposes the improvement of certain path loss prediction models that will be used in signal coverage forecasts at the frequency of 3.5 GHz, which are included in the main projections as those that will have greater use in 5G, given the greater ease of implementation taking advantage of the infrastructure used by current mobile systems, in addition to the greater reach in this range than the highest proposals for 5G. Basic con-cepts of 5G systems are defined, as well as the main attributes that provided the arrival of the new mobile technology, in addition to an overview of 5G at the national level. Th-roughout this work, the models used to predict path loss are elucidated, which will serve as a basis for the intended improvement method. In order to have reliable data to be stu-died, an experimental procedure was defined in detail, highlighting the transmission and reception setups, the propagation environment where the received power measurements took place and the routes taken by the receiving antenna. With this information in mind, calculations are performed according to the definitions of the prediction models, so that these results can be improved and the results obtained compared, in order to confirm the effectiveness of the proposed method.

(7)

Agradecimentos

Primeiramente, agrade¸co aos meus pais, Let´ıcia e Pedro, por todo amor, dedica¸cão, apoio e ensinamentos que, sem dúvida, nortearam as decisões que tomei até hoje em minha vida e me permitiram chegar até aqui.

Aos meus avós maternos, Mariza e Moacyr, por todo o amor, carinho e sabedoria que me dedicam até hoje e por toda ajuda despendida aos meus pais ao longo de minha infância.

`

A Amanda, a quem tenho o prazer de chamar de namorada, por todo amor, carinho, amizade, conversas, incentivos e paciˆencia ao longo dos ´ultimos 4 anos em que estamos juntos.

Aos professores do Colégio Metropolitano, em especial André, Renata, Rita e Ro-berto, pelos aprendizados ao longo de minha trajetória acadêmica na institui¸cão, dentro e fora da sala de aula, que contribu´ıram fortemente em meu desenvolvimento como cidadão.

`

As grandes amizades que constru´ı neste Colégio, especialmente para Igor, João, Lu-cas, Matheus e Marcos, pelos momentos juntos em quadra, histórias, risadas, adversidades e sucessos compartilhados que, sem dúvida, me moldaram até aqui.

Ao meu orientador, Prof. Dr. Tadeu Ferreira, por toda a ajuda e dedica¸cão na elabora¸cão deste trabalho, além das demais conversas sobre variados assuntos nos laboratórios e nas salas de aula da UFF.

Aos grandes amigos que a gradua¸cão na UFF me proporcionou, Marcelo, Renan e Rodrigo, por todas as conversas, trabalhos e momentos de descontra¸cão que tornaram este desafiador per´ıodo muito mais agradável.

A todas as pessoas citadas aqui que, de diferentes maneiras, impactaram positiva-mente minha vida, possibilitando que eu chegasse at´e este momento, os meus mais sinceros agradecimentos.

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”Ninguém baterá tão forte quanto a vida. Porém, não se trata de quão forte você bate, se trata de quão forte você pode ser atingido e continuar seguindo em frente.”

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Lista de Figuras

2.1 Exemplo de Small Cell instalada. . . 8

2.2 Esquema de funcionamento de Small Cell . . . 9

2.3 Esquema de funcionamento de antenas MIMO . . . 9

2.4 Esquema de funcionamento de antenas em Massive MIMO . . . 10

2.5 Faixas de frequˆencias a serem licitadas para explora¸c˜ao do 5G . . . 12

4.1 Diagrama esquem´atico do setup do sistema de transmiss˜ao . . . 27

4.2 Diagrama esquem´atico do setup do sistema de recep¸c˜ao . . . 29

4.3 Pr´edio localizado no bairro de Del Castilho utilizado como base de trans-miss˜ao do sinal de 3,5 GHz . . . 30

4.4 Rota percorrida na Campanha de Medi¸c˜ao 1 . . . 31

4.5 Rota percorrida na Campanha de Medi¸c˜ao 2 . . . 32

5.1 Histograma de Frequˆencias dos dados de potˆencia recebida coletados . . . . 35

5.2 Potência média recebida medida em rela¸cão à distância Transmissor-Receptor 36 5.3 Compara¸cão entre a potência média recebida estimada pelo modelo Free Space e a potência média recebida coletada . . . 37

5.4 Compara¸cão entre a potência média recebida estimada pelo modelo Log-Distance e a potência média recebida coletada . . . 38

5.5 Compara¸cão entre a potência média recebida estimada pelo modelo ITU-R P.1411-10 e a potência média recebida coletada . . . 39

5.6 Compara¸cão entre a potência média recebida estimada pelo modelo COST-231 Hata e a potência média recebida coletada . . . 40

5.7 Compara¸cão entre a potência média recebida estimada pelo modelo Okumura-Hata e a potência média recebida coletada . . . 40

(10)

5.8 Compara¸cão entre a potência média recebida estimada pelo modelo ECC-33 e a potência média recebida coletada . . . 41 5.9 Compara¸cão entre a potência média recebida estimada pelo modelo SUI e

a potência média recebida coletada . . . 42 5.10 Compara¸cão entre as potências médias recebidas estimadas pelos modelos

e a potência média recebida coletada . . . 43 5.11 Compara¸cão entre a potência média recebida estimada pelo modelo Free

Space melhorado e a potência média recebida coletada . . . 48 5.12 Compara¸cão entre a potência média recebida estimada pelo modelo ITU-R

P.1411-10 melhorado e a potência média recebida coletada . . . 49 5.13 Compara¸cão entre a potência média recebida estimada pelo modelo

Log-Distance melhorado e a potência média recebida coletada . . . 50 5.14 Compara¸cão entre a potência média recebida estimada pelo modelo SUI

melhorado e a potência média recebida coletada . . . 51 5.15 Compara¸cão entre a potência média recebida estimada pelo modelo

ECC-33 melhorado e a potência média recebida coletada . . . 52 5.16 Compara¸cão entre as potências médias recebidas estimadas pelos modelos

melhorados e a potência média recebida coletada . . . 53 5.17 Compara¸cão entre modelos Free Space e Free Space melhorado . . . 55 5.18 Compara¸cão entre modelos ITU-R P.1411-10 e ITU-R P.1411-10 melhorado 55 5.19 Compara¸cão entre modelos Log-Distance e Log-Distance melhorado . . . . 56 5.20 Compara¸cão entre modelos SUI e SUI melhorado . . . 56 5.21 Compara¸cão entre modelos ECC-33 e ECC-33 melhorado . . . 57

(11)

Lista de Tabelas

3.1 Valores para expoente de perda de percurso de acordo com ambiente de

propaga¸c˜ao . . . 16

3.2 Coeficientes de perda básica de transmissão para cenários de esta¸cões acima e abaixo do teto . . . 17

3.3 Parˆametros utilizados no modelo SUI . . . 23

4.1 Especifica¸c˜oes dos equipamentos utilizados na transmiss˜ao . . . 26

4.2 Parâmetros para cálculo da potência efetivamente irradiada . . . 27

4.3 Especifica¸c˜oes dos equipamentos utilizados na recep¸c˜ao . . . 28

4.4 Parˆametros envolvidos na recep¸c˜ao do sinal . . . 29

5.1 Especifica¸c˜oes da distribui¸c˜ao dos dados coletados . . . 34

5.2 Parâmetros utilizados para cálculo das predi¸cões de path loss pelo modelo Log-Distance . . . 37

5.3 Parâmetros utilizados para cálculo das predi¸cões de path loss pelo modelo ITU-R P.1411-10 . . . 38

5.4 Parâmetros utilizados para cálculo das predi¸cões de path loss pelo modelo COST-231 Hata . . . 39

5.5 Parˆametros atribu´ıdos ao tipo de terreno utilizado pelo modelo SUI - Stan-ford University Interim . . . 41

5.6 Parâmetros utilizados para cálculo das predi¸cões de path loss pelo modelo SUI - Stanford University Interim . . . 42

5.7 Tabela comparativa entre valores de Desvio Padrão e RMSE entre modelos de predi¸cão de path loss pré-melhoramento . . . 44

5.8 Terceiro passo para melhoria do modelo de predi¸c˜ao de path loss . . . 46

(12)

5.10 Segunda etapa para melhoria do modelo Free Space . . . 47

5.11 Terceira etapa para melhoria do modelo Free Space . . . 47

5.12 Fun¸c˜oes de Fitting utilizadas na melhoria do modelo ITU-R P.1411-10 . . . 48

5.13 Resultados das etapas de melhoria do modelo ITU-R P.1411-10 . . . 48

5.14 Fun¸c˜oes de Fitting utilizadas na melhoria do modelo Log-Distance . . . 49

5.15 Resultados das etapas de melhoria do modelo Log-Distance . . . 49

5.16 Fun¸c˜oes de Fitting utilizadas na melhoria do modelo SUI . . . 50

5.17 Resultados das etapas de melhoria do modelo SUI . . . 50

5.18 Fun¸c˜oes de Fitting utilizadas na melhoria do modelo ECC-33 . . . 51

5.19 Resultados das etapas de melhoria do modelo ECC-33 . . . 51

5.20 Tabela comparativa entre valores de Desvio Padrão e RMSE entre modelos de predi¸cão de path loss pós-melhoramento . . . 54

5.21 Tabela comparativa entre valores de Desvio Padrão e RMSE entre modelos de predi¸cão de path loss pré e pós-melhoramento . . . 57

(13)

Sum´

ario

Resumo v Abstract vi Agradecimentos vii Lista de Figuras ix Lista de Figuras x Lista de Tabelas xi

Lista de Tabelas xii

Sum´ario xiii

1 Introdu¸c˜ao 1

1.1 Objetivos . . . 2

1.2 Estrutura do texto . . . 2

2 A Quinta Gera¸cão de Sistemas Móveis 4 2.1 5G - Conceitos e motiva¸cões . . . 4

2.1.1 Enhanced mobile broadband . . . 5

2.1.2 Ultra-reliable low latency communications . . . 6

2.1.3 Massive machine-type communciations . . . 6

2.2 Tecnologias viabilizadoras para sistemas m´oveis 5G . . . 6

2.2.1 Ondas Milim´etricas . . . 6

2.2.2 Small Cells . . . 7

(14)

2.3 O 5G no Brasil . . . 10

2.3.1 Utiliza¸c˜ao da faixa de 3,5 GHz . . . 13

3 Modelos de Predi¸c˜ao de Path Loss 14 3.1 Free Space . . . 14 3.2 Log-Distance . . . 15 3.3 ITU-R P.1411-10 . . . 16 3.4 Okumura-Hata . . . 18 3.5 COST-231 Hata . . . 19 3.6 ECC-33 . . . 21

3.7 SUI - Stanford University Interim . . . 22

4 Procedimento Experimental 25 4.1 Equipamentos e setups . . . 25

4.1.1 Transmiss˜ao . . . 26

4.1.2 Recep¸c˜ao . . . 28

4.2 Ambiente de medi¸c˜oes . . . 29

4.3 Campanhas de medi¸c˜oes . . . 31

4.4 Metodologia de medi¸c˜ao . . . 32

5 Resultados e An´alises 33 5.1 Dados coletados . . . 33

5.1.1 Distribui¸c˜ao de Dados . . . 34

5.1.2 Potˆencia recebida ao longo do percurso . . . 35

5.2 Potˆencia recebida de acordo com modelos de predi¸c˜ao de path loss . . . . 36

5.2.1 Compara¸c˜ao geral . . . 42

5.2.2 Desvio Padr˜ao e RMSE . . . 43

5.2.3 An´alise de resultados pr´e-melhoramento . . . 44

5.3 Modelos de predi¸c˜ao de path loss melhorados . . . 44

5.3.1 Termo de Melhoria . . . 45

5.3.2 Potˆencia recebida de acordo com modelos de predi¸c˜ao de path loss melhorados . . . 46

5.3.3 Compara¸c˜ao geral . . . 52

(15)

5.3.5 Análise de resultados pós-melhoramento . . . 54 5.4 Compara¸cão entre modelos de predi¸cão de path loss padrão e melhorados . 54 6 Conclusões e trabalhos futuros 59 6.1 Conclusões . . . 59 6.2 Trabalhos futuros . . . 60 Referências Bibliográficas 61 A Conversão de unidades e Medidas de dispersão 64 A.1 Conversão de unidades . . . 64 A.2 Desvio Padrão . . . 64 A.3 RMSE . . . 65

(16)

Cap´ıtulo 1

Introdu¸

c˜

ao

O sistema 5G é a última barreira tecnológica rompida quando se estuda sobre as ge-ra¸cões de sistemas móveis. Comparado aos sistemas atuais, o 5G, quando amplamente implementado em escala comercial, proverá uma mudan¸ca significativa no desempenho dos equipamentos móveis, bem como ressignificará a forma como pessoas e máquinas se comunicam. Uma das principais novidades abarcadas no 5G será a maior disponibilidade para que haja comunica¸cão confiável entre usuários, sejam eles máquinas ou pessoas, em taxas muito elevadas de tráfego de dados e consequente latência extremamente baixa. Estes atributos também proporcionarão seguran¸ca para que ocorra maior intera¸cão en-tre máquinas, o que permitirá maiores aplica¸cões inteligentes destas, o que promete ser algo que proverá impactos positivos na vida das pessoas. Para que fossem poss´ıveis estas evolu¸cões, algumas novas tecnologias foram desenvolvidas de modo a propiciar condi¸cões para uma melhor propaga¸cão dos sinais 5G, além do constante aperfei¸coamento de t´ ecni-cas outrora existentes para que estas se adequassem às novas demandas. No Brasil, desde meados da década de 2000, há um esfor¸co muito grande por parte dos órgãos respon-sáveis pelas telecomunica¸cões no pa´ıs para acompanhar o desenvolvimento dos sistemas 5G e estipular maneiras para divisão das faixas de frequências para explora¸cão comercial destas, aplicáveis às empresas interessadas, com o intuito de mitigar dificuldades para implementa¸cão dos novos sistemas quando estes estiverem dispon´ıveis comercialmente.

Tendo em vista todas as melhorias que o 5G irá proporcionar aos seus usuários, muitos estudos referentes ao assunto vêm sendo realizados ao redor do mundo. Um campo interessante a ser estudado refere-se à previsão de cobertura proporcionada por estes sistemas para determinados ambientes de propaga¸cão. Os modelos de predi¸cão de path loss

(17)

amplamente estabelecidos na literatura, em sua maioria, não são aplicáveis teoricamente a sinais cujas faixas de frequência inserem-se no espectros do 5G, de tal forma que faz-se necessário realizar certas adapta¸cões a estes no intuito de tornar suas previsões mais assertivas para estes tipos de sinais. Além disso, devido às especificidades nas defini¸cões de ambientes de propaga¸cão, há a necessidade de se realizar estudos nos mais variados tipos de ambiente ao redor do mundo, de modo a pré-estabelecer a maior quantidade de poss´ıveis cenários nos quais as previsões realizadas retornem ´ındices de cobertura coerentes com o almejado.

Dessa forma, a partir desta demanda, entende-se que a realiza¸cão deste trabalho se faz necessária visto que este abordará pontos relevantes acerca das novas tecnologias dos sistemas 5G, os aspectos mencionados relacionados aos modelos de predi¸cão de perda de percurso, além de propor melhorias a estes para que suas predi¸cões tornem-se mais confiáveis para sinais a serem utilizados nestes novos sistemas, cujas frequências terão ampla utiliza¸cão no Brasil, como será o caso da faixa de 3,5 GHz.

1.1 Objetivos

O objetivo principal deste trabalho é propor um método simples e eficiente para a melhoria de modelos de predi¸cão de path loss que serão utilizados nas previsões de cobertura de sistemas móveis 5G. Isso será feito a partir de dados coletados em campo, por meio de procedimento experimental bem definido, e posterior utiliza¸cão destes nos modelos de predi¸cão de perda de percurso escolhidos. Após esta etapa, o método de melhoramento será proposto, baseado nos resultados encontrados na primeira etapa de previsão.

Entende-se como objetivos secundários a este trabalho a finalidade de elucidar bre-vemente sobre os sistemas 5G, algumas das tecnologias que os viabilizarão e como o Brasil se prepara para utilizá-los em larga escala. Ademais, a defini¸cão clara dos procedimentos adotados nas campanhas de medi¸cão e dos modelos de predi¸cão adotados também são metas a serem atingidas neste trabalho.

1.2 Estrutura do texto

No primeiro cap´ıtulo, é feita uma breve introdu¸cão ao escopo deste trabalho, bem como defini¸cão dos objetivos deste e a estrutura do texto que o segue.

(18)

No segundo cap´ıtulo, são abordados os principais conceitos acerca da quinta gera-¸cão dos sistemas móveis, destacando-se as tecnologias que viabilizarão o 5G. Além disso, o cenário destes em âmbito nacional também será descrito.

No terceiro cap´ıtulo, estão descritos os modelos de predi¸cão de path loss utilizados nos cálculos realizados.

No quarto cap´ıtulo, o procedimento experimental realizado é elucidado, destacando-se a metodologia das medi¸cões, detalhamento dos setups de transmissão e recep¸cão, o am-biente em que se deram as medi¸cões e os trajetos realizados nas campanhas de medi¸cão.

No quinto cap´ıtulo, são expostos os resultados das campanhas de medi¸cão, bem como as predi¸cões de perda de percurso de acordo com os modelos adotados e compara¸cões entre estes. Após, o termo utilizado para realizar o melhoramento dos modelos é descrito e os resultados obtidos a partir desta são mostrados, também havendo posterior compara¸cão de resultados.

No sexto cap´ıtulo, são registradas as conclusões obtidas a partir dos resultados encontrados e sugestões para trabalhos futuros.

Após o sexto cap´ıtulo, há a se¸cão de referências bibliográficas e uma se¸cão de apêndice, onde são citadas as equa¸cões de medidas de dispersão, utilizadas na compara¸cão entre os resultados obtidos com os modelos de predi¸cão de path loss.

(19)

Cap´ıtulo 2

A Quinta Gera¸

c˜

ao de Sistemas

M´

oveis

De modo a elucidar sobre as defini¸cões e as tecnologias que compõem os sistemas que irão disponibilizar comercialmente as redes da quinta gera¸cão para dispositivos móveis (5G), o presente cap´ıtulo abordará, de maneira concisa, alguns dos principais conceitos por trás da nova tecnologia, a qual serviu de ambiente para elabora¸cão das práticas envolvidas neste trabalho. Este cap´ıtulo dividir-se-á da seguinte maneira: Na se¸cão 2.1, serão abordados conceitos estabelecidos acerca da tecnologia 5G, além de motiva¸cões e anseios para o desenvolvimento desta. A se¸cão 2.2 trará algumas das principais tecnologias viabilizadoras para o atingimento dos objetivos definidos e implementa¸cão das melhorias almejadas pela tecnologia 5G. Finalmente, a se¸cão 2.3 trará um panorama a n´ıvel nacional destes sistemas, elucidando sobre as frequências a serem utilizadas pelas redes 5G no Brasil, bem como a libera¸cão das outorgas de direitos de explora¸cão destas às empresas prestadoras de servi¸cos de telecomunica¸cões por parte da Agência Nacional de Telecomunica¸cões (ANATEL).

2.1 5G - Conceitos e motiva¸

c˜

oes

De acordo com a União Internacional de Telecomunica¸cões (UIT), o 5G é uma nova tec-nologia de transporte de dados em redes envolvendo dispositivos móveis [1]. Ela sucederá gera¸cões anteriores, como o 4G e 3G, seguindo a escala natural da evolu¸cão tecnológica de sistemas móveis, iniciada no final do século XX e acelerada a partir do in´ıcio dos anos 2000. Devido à rápida expansão destas tecnologias e sua ampla utiliza¸cão pela

(20)

popula-¸cão, houve a necessidade latente de busca por novas solu¸cões que visassem fornecer ao usuário uma experiência de conectividade, seja à Internet ou a outros dispositivos, melhor e mais rápida. Nesse contexto, a tecnologia 5G foi projetada para utilizar um espectro de frequências que não estivesse muito populado por dispositivos e/ou sinais de comuni-ca¸cão já existentes e amplamente utilizados na atualidade. Nesse cenário, vislumbrou-se inicialmente a possibilidade de utiliza¸cão da faixa de EHF (do inglês, Extremely High Frequency), compreendida entre 30 GHz e 300 GHz e utilizada, prioritariamente, para co-munica¸cão militar via radar. Posteriormente, novos espectros de frequências foram sendo abarcados nesta nova tecnologia, tais como espectros em 700 MHz, 2,6 GHz e 3,5 GHz. Espera-se que a rede 5G ofere¸ca suporte a uma quantidade expressiva de tráfego de dados móveis e um grande número de conexões sem fio, além de melhor custo e eficiência ener-gética, bem como QoS (do inglês, Quality of Service ou qualidade de servi¸co) em termos de atraso, confiabilidade e seguran¸ca na comunica¸cão [2].

Espera-se que novas fronteiras tecnológicas sejam amplamente exploradas e melho-radas com o advento e difusão dos sistemas móveis 5G. Nesse contexto, destacam-se três cenários principais, intrinsecamente conectados: (i) comunica¸cões da ordem de Gbit/s, conhecido como eMBB (do inglês, enhanced mobile broadband ); (ii) comunica¸cões ultra-confiáveis e de baix´ıssima latência ou URLL (ultra-reliable low latency communications); e (iii) comunica¸cões massivas entre máquinas ou mMTC (massive machine-type commun-ciations) [3].

2.1.1 Enhanced mobile broadband

No cenário de eMBB, espera-se que o 5G proporcionará aos usuários (pessoas e/ou m´ a-quinas) elevadas taxas de transmissão de dados. Como exemplo, pode-se destacar que, enquanto as tecnologias da primeira gera¸cão, como o 1.5G, atingiam taxas médias de download de 2 kbit/s e as mais recentes 4G e 4.5G oferecem tráfego de até 1 Gbit/s nos dias atuais, estima-se que o 5G terá capacidade de fornecer taxas de até 10 Gbit/s [4]. Tal melhora proporcionará ao usuário uma experiência quase imediata de downloads e uploads de conteúdos oriundos da Internet.

(21)

2.1.2 Ultra-reliable low latency communications

Uma vez que as taxas de tráfego de dados serão amplamente favorecidas, espera-se também uma evolu¸cão expressiva da latência1 nos sistemas 5G, com maior confiabilidade nos dados trocados entre emissor e receptor. Neste sentido, foi pensado o conceito de Ultra-reliable low latency communications. Como exemplo, nas redes 4G e 4.5G, a latência média é de, respectivamente, de 80 e 20 milissegundos. Estima-se que nos sistemas móveis 5G esta seja reduzida para menos de 1 milissegundo [5], sendo este um dos principais objetivos para a implementa¸cão desta evolu¸cão.

2.1.3 Massive machine-type communciations

A latência m´ınima, associada à alta vazão do tráfego de dados e em conjunto com as massive machine-type communciations impulsionarão a implementa¸cão em larga escala dos conceitos de IoT (do inglês, Internet of Things). Tendo em vista a alta disponibilidade de troca de informa¸cões e a estrita conformidade nos dados trafegados entre dispositivos e a Internet, devido às grandes taxas e à latência extremamente baixa, espera-se que a comunica¸cão entre dispositivos inteligentes seja facilitada com o advento dos sistemas móveis 5G.

2.2 Tecnologias viabilizadoras para sistemas m´

oveis

5G

Para serem atingidos os cenários ora abordados, inúmeras novas tecnologias foram de-senvolvidas ao longo das últimas décadas, sendo que as que mais destacam-se no âmbito do 5G são: Ondas milimétricas (mmW), Small Cells e Massive MIMO, as quais serão elucidadas nas subse¸cões a seguir.

2.2.1 Ondas Milim´

etricas

Uma das motiva¸cões para o desenvolvimento das redes 5G perpassa pela grande utiliza¸cão dos espectros de frequências dispon´ıveis para as tecnologias atuais. A sa´ıda encontrada para este problema foi a de utilizar faixas de frequências extremamente elevadas, as quais

(22)

possuem espectro mais limpo, livre para ampla utiliza¸cão e implementa¸cão de novas tecno-logias. A faixa de frequência a ser adotada pela maioria dos sistemas 5G compreenderá o espectro de 30 a 300 GHz. O espectro dispon´ıvel nestas frequências mais elevadas pode ser 100 vezes maior que todas as aloca¸cões atuais a sistemas celulares [6]. Dessa forma, a uti-liza¸cão de ondas milimétricas será de suma importância para o desenvolvimento das redes 5G. São chamados de ondas milimétricas pois, devido às elevadas frequências utilizadas, os comprimentos de onda destes variam na escala de 1 a 10 mm.

Com o advento das ondas milimétricas, será fact´ıvel a sistemas móveis da nova gera¸cão atingirem taxas de transmissão de dados equiparáveis às taxas obtidas em redes fixas de acesso a Internet. Enquanto as taxas obtidas nas tecnologias 4G e 4.5G atingem, ao máximo, 1 Gbit/s, estima-se que com o desenvolvimento da nova tecnologia, essas taxas saltem para algo próximo de 10 Gbit/s, favorecendo o surgimento do conceito de eMBB, abordado na Se¸cão 2.1.1.

Há uma limita¸cão f´ısica importante no uso dessas ondas milimétricas. Devido ao comprimento de onda utilizado nestes sinais, há uma maior propensão de ocorrência de interferência destrutiva destes por obstáculos f´ısicos, tais como árvores, prédios e cons-tru¸cões, bem como intempéries climáticas como chuva e neve. Tal dificuldade pode ser contornada por meio da utiliza¸cão de uma nova tecnologia, crescente nesta década, que permitirá maior propaga¸cão das ondas milimétricas nestas condi¸cões, conhecida como Small Cells.

2.2.2 Small Cells

As Small Cells são esta¸cões de rádio base menores do que as esta¸cões convencionais, como o próprio nome sugere, que foram desenvolvidas para suprir uma demanda crescente em grandes centros urbanos: manuten¸cão de bons ´ındices de cobertura em regiões altamente sujeitas a interferências, como espa¸cos internos de prédios residenciais e comerciais e re-giões centrais de grandes cidades. Esta solu¸cão destaca-se pelo tamanho dos equipamentos e pela facilidade de instala¸cão das antenas em grandes centros urbanos, visto que suas dimensões usuais permitem que estas sejam instaladas em cima de bancas de jornal, pon-tos de ônibus e até em postes usados para distribui¸cão de energia elétrica. Além disso, destaca-se também que as Small Cells foram desenvolvidas para transmissão de sinais com baixa potência, o que mitiga os riscos de exposi¸cão aos sinais irradiados por estas,

(23)

além de proporcionar maior eficiência energética.

As pequenas unidades de hardware são projetadas para reduzir a complexidade na instala¸cão, tornando sua implementa¸cão mais rápida, simples e menos onerosa financei-ramente. A Figura 2.1 [7] mostra um dos variados modelos de Small Cells dispon´ıveis atualmente.

Figura 2.1: Exemplo de Small Cell instalada.

Na prática, as Small Cells funcionarão, nos sistemas 5G, como uma espécie de rote-ador dos sinais de elevada frequência, visto que as ondas milimétricas, conforme abordado na se¸cão anterior, estão muito mais sujeitas a interferências do que ondas convencionais, propagadas pelos sistemas móveis utilizados atualmente. Dessa forma, estes sinais chega-riam muito atenuados aos usuários, o que comprometeria o correto desempenho das redes 5G nestas frequências. A Figura 2.2 ilustra o design proposto por esta solu¸cão [8].

(24)

Figura 2.2: Esquema de funcionamento de Small Cell

2.2.3 Massive MIMO

MIMO (do inglês, Multiple-Input Multiple-Output ) é a tecnologia mais utilizada por siste-mas móveis sem fio que usam dois ou mais transmissores e receptores para enviar e rece-ber dados. Neste modelo, as antenas são usadas tanto no transmissor (Multiple-Output ) quanto no receptor (Multiple-Input ). Essa é uma das razões que explicam as altas taxas de transmissão que podem ser alcan¸cadas com esta técnica. A Figura 2.3 [9] mostra, de maneira genérica, a lógica associada a esta técnica.

Figura 2.3: Esquema de funcionamento de antenas MIMO

O Massive MIMO é de uma extensão à tecnologia MIMO, com um aumento sig-nificativo de antenas em uma mesma esta¸cão rádio base que realizam técnicas t´ıpicas de MIMO. O elevado número de antenas ajuda a concentrar a energia, o que traz melhorias ao rendimento e na eficiência energética [10] da esta¸cão. Com o aumento do número

(25)

de antenas, há uma maior possibilidade de desenvolvimento nas redes e nos dispositivos móveis, visando a implementa¸cão de projetos mais complexos para realiza¸cão de opera-¸cões MIMO. Dessa forma, esses avan¸cos visam proporcionar melhorias de desempenho necessárias para viabiliza¸cão das expectativas geradas pelo 5G.

As esta¸cões rádio base 5G estão sendo projetadas para suportar elevada quantidade de acessos simultâneos, seja para comunica¸cão entre móveis ou entre dispositivos eletrˆ o-nicos no âmbito de IoT, o que significa que muito mais antenas deverão ser instaladas em um único array de antenas. Isso significa que uma esta¸cão rádio base poderá enviar e receber sinais de muitos mais usuários ao mesmo tempo, aumentando consideravelmente a capacidade das redes móveis, indo de encontro aos anseios dos sistemas 5G. O funcio-namento das antenas que utilizam a técnica de Massive MIMO é ilustrado na Figura 2.4 [11].

Figura 2.4: Esquema de funcionamento de antenas em Massive MIMO

2.3 O 5G no Brasil

De acordo com o Ministério da Ciência, Tecnologia, Inova¸cões e Comunica¸cões (MCTIC), o 5G é mais do que apenas uma melhoria das gera¸cões anteriores. “As redes móveis 5G proporcionarão servi¸cos avan¸cados de banda larga móvel, com taxas de dados mais altas, menor latência e mais capacidade, que possibilitarão enorme potencial para novos servi¸cos sem fio de valor agregado” [1].

No Brasil, a ANATEL estipulou as faixas de explora¸cão para os sistemas 5G le-vando em considera¸cão a ocupa¸cão atual dos espectros envolvidos e a possibilidade do

(26)

desenvolvimento de novas tecnologias que favore¸cam a utiliza¸cão de ondas milimétricas pelas operadoras de telecomunica¸cões. Inicialmente, foram definidas as faixas de 700 MHz, 2,3 GHz, 3,5 GHz e 26 GHz, que serão licitadas pela Agência às operadoras interessadas. Segundo Marcos Ferrari, presidente da Telebrasil, a associa¸cão das operadoras de teleco-munica¸cões no Brasil, este será ”o maior leilão para o 5G dentre os que já foram feitos no mundo para essa tecnologia”[12].

Como feito em licita¸cões de frequências realizadas nas tecnologias anteriores, as outorgas para explora¸cão dos espectros de frequências serão concedidas em blocos às empresas que participarem do certame. Além disso, como pode ser visto na Figura 2.5 [13], todas as faixas de frequências oferecidas pela ANATEL no Edital possuem compromissos e metas que deverão ser atendidas pelas empresas que adquirirem os blocos oferecidos, tais como: atendimento a localidades que não possuam rede 4G, prioridade de cobertura em estradas, atendimento a munic´ıpios com menos de trinta mil habitantes e instala¸cão de backhaul em fibra óptica com munic´ıpios que não possuam essas infraestruturas. As licen¸cas serão outorgadas com prazo de 20 anos com possibilidade de prorroga¸cão ao término deste per´ıodo [14].

(27)

(28)

2.3.1 Utiliza¸

c˜

ao da faixa de 3,5 GHz

´

E poss´ıvel notar que a faixa de frequências em torno da frequência 3,5 GHz será a de maior ocupa¸cão na operacionaliza¸cão do 5G no Brasil, dada a maior quantidade de blo-cos desta frequência postos em leilão pela ANATEL. Esta faixa contemplará o espectro compreendido entre 3,2 e 3,8 GHz. Esta escolha se deu, principalmente, pelo fato desta faixa ser capaz de prover cobertura usando as mesmas esta¸cões rádio base utilizadas por frequências inferiores, o que tornará mais suave a migra¸cão para a nova tecnologia.

Cabe ressaltar, entretanto, que uma das maiores dificuldades para a implementa¸cão do 5G no Brasil será a interferência que este pode causar nas transmissões de TV aberta no território nacional. Isso ocorre, pois, as frequências utilizadas nestas transmissões estão inseridas na chamada Banda C2, compreendendo as frequências de 3,8 a 4,3 GHz, perto o suficiente para receber interferência da futura rede 5G.

O edital de licita¸cão das frequências de opera¸cão do 5G determina a solu¸cão para esta questão através de modelo semelhante ao adotado para a faixa de 700 MHz, com a cria¸cão de um grupo coordenado pela ANATEL e uma entidade independente para operacionalizar a solu¸cão. Nesse sentido, o Comitê de Uso do Espectro e de Órbita (CEO) da ANATEL desenvolveu estudos acerca das principais solu¸cões vislumbradas sobre o tema. Em razão das medidas sanitárias adotadas no combate à dissemina¸cão do novo coronav´ırus (COVID-19), o Comitê teve de suspender a etapa de testes de campo antes da realiza¸cão de todos os ensaios programados. Ainda assim, a partir da utiliza¸cão de dados obtidos na etapa laboratorial e de simula¸cões computacionais relacionadas ao tema, o CEO sugeriu o estabelecimento de banda de guarda entre os espectros conflitantes utilizados pelos sistemas 5G e de TV aberta [15], além de concluir que dispositivos LNBF (Low Noise Block Feedhorn) podem ser eficazes na diminui¸cão do ru´ıdo gerado pela interferência dos sinais destes, ainda que necessário o desenvolvimento de novos dispositivos LNBF que cumpram adequadamente a fun¸cão[16].

Em razão disso, as operadoras de telecomunica¸cões e as emissoras de rádio e te-levisão chegaram a um consenso [17], buscando mitigar os eventuais problemas de inter-ferência, de que deverão definir uma banda de guarda de 100 MHz na faixa de 3,7 e 3,8 GHz, ao passo que filtros LNBF, adequados para os sinais de TVRO (do inglês, Television receive-only), deverão ser instalados nas antenas receptoras de TV espalhadas pelo pa´ıs.

(29)

Cap´ıtulo 3

Modelos de Predi¸

c˜

ao de Path Loss

Os modelos de predi¸cão de path loss são de suma importância quando da análise de co-bertura e do comportamento do sinal irradiado em determinada região, tendo em vista as obstru¸cões f´ısicas entre transmissor (Tx) e receptor (Rx). Estes são utilizados para prever a diferen¸ca entre as potências transmitida e recebida de um sinal, baseando-se em métodos emp´ıricos, determin´ısticos ou uma combina¸cão de ambos [18]. Os modelos de predi¸cão emp´ıricos mais utilizados atualmente levam em considera¸cão em seus c´ alcu-los alguns componentes espec´ıficos do enlace, como distância entre Tx-Rx, a frequência utilizada no sinal, o ambiente em que se dá a propaga¸cão e, em alguns casos, a confi-gura¸cão das constru¸cões encontradas na região, o que pode caracterizar o ambiente de propaga¸cão como urbano, suburbano ou rural, por exemplo. No âmbito deste trabalho, foram escolhidos alguns dos modelos de predi¸cão emp´ıricos mais clássicos, cujos concei-tos são amplamente difundidos, além de algumas extensões desenvolvidas a partir destes. Neste cap´ıtulo, serão descritos os modelos de predi¸cão de path loss utilizados nos cálculos necessários à realiza¸cão deste trabalho, cujos resultados obtidos a partir das respectivas equa¸cões estão expostos no Cap´ıtulo 5.

3.1 Free Space

O modelo de predi¸cão para sinais que se propagam em espa¸co livre (ou Free Space) é o mais básico dentre os modelos conhecidos, destacando-se pela simplicidade dos cálculos na estima¸cão de path loss. Para o cálculo da perda de percurso por este modelo, é necessário apenas o conhecimento da frequência do sinal utilizado na transmissão e a distância entre

(30)

transmissor e receptor. O modelo de Free Space foi escolhido para os cálculos deste trabalho justamente por apresentar os resultados mais genéricos dentre os demais modelos, servindo como ponto de partida para as compara¸cões entre estes.

A equa¸cão para o cálculo da perda de percurso pelo modelo Free Space é dada por [19]:

P LF S = 32, 4 + 20log(d) + 20log(f ) (3.1)

onde:

• P LF S - Perda de percurso pelo modelo Free Space, na escala dB;

• d - Distância entre transmissor e receptor, em quilômetros; • f - Frequência do sinal propagado, em MHz.

3.2 Log-Distance

Os modelos de propaga¸cão teóricos e emp´ıricos desenvolvidos e utilizados nas predi¸cões de perda de percurso indicam que a potência média de um sinal propagado varia loga-ritmicamente com a distância de separa¸cão entre transmissor e receptor [20]. Com base nisso, desenvolveu-se o modelo de predi¸cão baseados neste comportamento, chamado de Log-Distance. A equa¸cão utilizada nas predi¸cões feitas por este modelo é [20]:

P LLD = P L(d0) + 10 n log d d0 (3.2) onde:

• P LLD - Perda de percurso no modelo Log-Distance, na escala dB;

• d - Distˆancia entre transmissor e receptor, em quilˆometros;

• d0 - Distância de referência entre transmissor e receptor, em quilômetros;

• P L(d0) - Perda de percurso calculada pelo modelo de Free Space associada `a

dis-tˆancia de referˆencia d0, na escala dB;

(31)

Neste trabalho, utilizou-se como distância de referência a menor distância medida entre Tx-Rx. O expoente de perda de percurso utilizado varia conforme o ambiente de propaga¸cão por onde o sinal trafega, de modo que, quanto mais obstru¸cões presentes no ambiente, maior será o expoente. Alguns dos poss´ıveis valores para n estão expostos na Tabela 3.1 [20].

Tabela 3.1: Valores para expoente de perda de percurso de acordo com ambiente de propaga¸c˜ao Ambiente de Propaga¸c˜ao n Espa¸co livre 2 ´ Area urbana 2,7 a 3,5 ´

Area urbana com elevado sombreamento 3 a 5 .

3.3 ITU-R P.1411-10

O modelo de predi¸cão intitulado neste trabalho por ITU-R P.1411-10 diz respeito ao modelo proposto pela UIT a partir do conjunto de recomenda¸cões P.1411, as quais vêm sendo atualizadas desde 1999, sendo a P.1411-10 a mais recente versão desta, divulgada em agosto de 2019. Este conjunto de recomenda¸cões foi proposto para elucidar acerca da propaga¸cão de sinais da faixa de frequência compreendida entre 300 MHz e 100 GHz, em ambientes de espa¸co aberto e curta distância entre transmissor e receptor1_{. Este}

abrangente modelo propõe solu¸cões para variados tipos de ambientes de propaga¸cão2_,

posi¸c˜ao em que se encontram as esta¸c˜oes transmissoras e receptoras3 _{em cen´}_{arios com ou}

sem linha de visada entre transmissor e receptor.

A equa¸cão base utilizada nas predi¸cões feitas por este modelo é [21]:

P LIT U = 10 α log(d) + β + 10 γ log(f ) (3.3)

1_At´_{e 1 quilˆ}_{ometro de distˆ}_ancia 2_{Urbano, suburbano e residencial} 3_{Acima ou abaixo do teto}

(32)

onde:

• P LIT U - Perda de percurso no modelo ITU-R P.1411-10, na escala dB;

• d - Distˆancia entre transmissor e receptor, em metros; • f - Frequˆencia do sinal propagado, em GHz;

• α - Coeficiente associado ao aumento da perda básica de transmissão com a distância; • β - Coeficiente associado ao valor de offset da perda básica do sinal transmitido; • γ - Coeficiente associado ao aumento da perda básica de transmissão com a frequˆ

en-cia.

Para este trabalho, serão utilizadas as informa¸cões obtidas desta recomenda¸cão referentes ao modelo em que uma das esta¸cões está acima e a outra abaixo do teto de uma constru¸cão, com visada direta. Neste caso, a esta¸cão transmissora está acima e a receptora abaixo. Esta configura¸cão estará melhor ilustrada no Cap´ıtulo 4. Dessa forma, o modelo ITU-R P.1411-10 determina valores espec´ıficos para os coeficientes presentes na equa¸cão 3.3 a depender da frequência de opera¸cão utilizada, da distância Tx-Rx e o tipo de ambiente em que se dá a propaga¸cão [21].

Tabela 3.2: Coeficientes de perda básica de transmissão para cenários de esta¸cões acima e abaixo do teto Faixa de Frequência (GHz) Distância Tx-Rx (m) Ambiente de propaga¸cão Linha de visada α β γ 2,2 a 73 55 a 1200 Urbano/Suburbano Com visada 2,29 28,6 1,96 2,2 a 66,5 260 a 1200 Urbano Sem visada 4,39 -6,27 2,30 Os valores utilizados que melhor representam as condi¸cões em que ocorreram as medi¸cões pertinentes a este trabalho, de modo a proporcionar maior precisão nas predi¸cões realizados pelo modelo ITU-R P.1411-10 estão expostos no Cap´ıtulo 5.

(33)

3.4 Okumura-Hata

O modelo de Okumura-Hata é um dos muitos modelos de predi¸cão de path loss h´ıbridos. Nestes modelos, há a união de considera¸cões oriundas de modelos emp´ıricos e teóricos. Este modelo é uma adapta¸cão ao consagrado modelo teórico de Okumura [19]. Apesar deste modelo ser mais indicado para frequências compreendidas entre 150 MHz e 1500 MHz, escolheu-se utilizá-lo, pois, este apresenta uma formula¸cão espec´ıfica para áreas suburbanas, servindo como meio de compara¸cão com os demais modelos adotados neste trabalho.

Assim como o modelo apresentado na se¸cão anterior, o modelo de Okumura-Hata também utiliza-se do ambiente em que ocorre a propaga¸cão para determinar a equa¸cão que melhor prevê as perdas de percurso sofridas pelo sinal propagado. Conforme mencionado, as medi¸cões ocorreram em ambiente suburbano. Apesar disso, o modelo de Okumura-Hata estabelece a necessidade de calcular, inicialmente, o valor médio da atenua¸cão de uma área urbana, para depois ser poss´ıvel prever o path loss de um ambiente suburbano [19]. As equa¸cões a seguir ilustram os cálculos necessários para a predi¸cão [20].

• Atenua¸cão média em ambiente de propaga¸cão urbano

AU rb = 69, 55 + 26, 16 log(f ) − 13, 82 log(hT x) − ahre+ (44, 9 − 6, 55 log(hT x)) log(d) (3.4)

onde:

• AU rb - Atenua¸cão média em ambiente de propaga¸cão urbano, na escala dB;

• f - Frequˆencia do sinal propagado, em MHz; • hT x - Altura da antena de transmiss˜ao, em metros;

• ahre - Fator de corre¸c˜ao para a altura da antena de recep¸c˜ao, na escala dB;

• d - Distˆancia entre transmissor e receptor, em quilˆometros.

O fator de corre¸cão ahre é resultado do cálculo de uma equa¸cão que depende do

ambiente em que ocorre a propaga¸cão. Apesar do ambiente suburbano, a cidade onde foram realizadas as medi¸cões para este trabalho é considerada uma cidade grande para fins de adequa¸cão ao modelo. Dessa forma, duas equa¸cões podem expressar o fator de corre¸cão, a depender da frequência do sinal utilizado.

(34)

• Fator de corre¸c˜ao para a altura da antena de recep¸c˜ao para cidades gran-des

ahre = 8, 29 (log(1, 54 hRx))2− 1, 1, paraf ≤ 300M Hz (3.5)

ahre = 3, 2 (log(11, 75 hRx))2− 4, 97, paraf > 300M Hz (3.6)

onde:

• hRx - Altura da antena de recep¸c˜ao, em metros;

• f - Frequˆencia do sinal propagado, em MHz.

Ap´os isso, utilizam-se os valores calculados de ahre e AU rb para, finalmente, realizar

as predi¸cões de perda de percurso em ambientes de propaga¸cão suburbanos. A equa¸cão final para este modelo é [20]:

P LOH = AU rb− 2 log f 28 2 − 5, 4 (3.7) onde:

• P LOH - Perda de percurso no modelo Okumura-Hata, na escala dB;

• AU rb - Atenua¸cão média em ambiente de propaga¸cão urbano, na escala dB;

• f - Frequˆencia do sinal propagado, em MHz.

3.5 COST-231 Hata

De modo a estender a faixa de frequências aplicáveis ao modelo Okumura-Hata, o grupo de estudos europeu European Cooperative for Scientific and Technical Research desenvolveu o modelo que ficou conhecido como COST-231 Hata [22]. Neste modelo, as equa¸cões uti-lizadas no modelo h´ıbrido original foram adaptadas de modo a garantir que os resultados obtidos nas predi¸cões obtidas pelo modelo COST-231 Hata fossem confiáveis também na faixa de frequência compreendida entre 1500 MHz e 2000 MHz.

Como este modelo é uma extensão ao modelo Okumura-Hata, este foi escolhido neste trabalho pois também apresenta uma formula¸cão espec´ıfica para áreas suburbanas,

(35)

o que se adequa ao cenário das medi¸cões, servindo como meio de compara¸cão com os demais modelos empregados neste trabalho.

A equa¸cão utilizada para realiza¸cão da predi¸cão de path loss por este modelo é dada por [23]:

P LCOST = 46, 3 + 33, 9 log(f ) − 13, 82 log(hT x) − ahre+ (44, 9 − 6, 55 log(hT x)) log(d) + Cm

(3.8) onde:

• P LCOST - Perda de percurso no modelo COST-231 Hata, na escala dB;

• f - Frequˆencia do sinal propagado, em MHz; • hT x - Altura da antena de transmiss˜ao, em metros;

• d - Distˆancia entre transmissor e receptor, em quilˆometros; • Cm - Fator de ajuste, na escala dB, dado por:.

– Cm = 0 dB - Ambiente de propaga¸c˜ao suburbano;

– Cm = 3 dB - Ambiente de propaga¸c˜ao urbano.

Como pode ser visto na equa¸cão 3.8, há a necessidade de calcular um fator de corre¸cão para altura da antena de recep¸cão, tal como feito na se¸cão 3.4. Este fator também varia de acordo com o ambiente em que ocorre a propaga¸cão do sinal medido. Conforme mencionado anteriormente para o modelo Okumura-Hata, utilizaremos neste trabalho a equa¸cão referente a ambientes de propaga¸cão suburbanos [23].

ahre = (1, 1 log(f ) − 0, 7) hRx− (1, 56 log(f ) − 0, 8) (3.9)

onde:

• f - Frequˆencia do sinal propagado, em MHz; • hRx - Altura da antena de recep¸c˜ao, em metros.

(36)

3.6 ECC-33

O modelo ECC-33, tamb´em desenvolvido por grupos de estudos europeus4_{, foi formulado}

a partir do modelo original de Okumura, tal como os modelos Okumura-Hata e COST-231 Hata. A principal evolu¸cão obtida com a cria¸cão do modelo ECC-33 foi a de fornecer dire-trizes para implementa¸cão eficiente e independente de tecnologias que utilzem a frequência de 3,5 GHz, a partir da formula¸cão de modelo de predi¸cão de path loss adequado para a faixa de frequência compreendida entre 3,4 e 3,8 GHz [24]. A escolha por este modelo se deu justamente pela adequa¸cão deste à frequência do sinal utilizado neste trabalho.

A equa¸cão utilizada para realiza¸cão da predi¸cão de path loss por este modelo é dada por [23]:

P LECC = AF s+ Amb− GT x− GRx (3.10)

onde:

• P LECC - Perda de percurso no modelo ECC-33, na escala dB;

• AF s - Atenua¸c˜ao do sinal pelo modelo Free Space, na escala dB;

• Amb - Mediana de atenua¸c˜ao, na escala dB;

• GT x - Fator de ganho em altura da antena de transmiss˜ao;

• GRx - Fator de ganho em altura da antena de recep¸c˜ao.

Os termos expostos na Equa¸cão 3.10 são descritos pelo seguinte conjunto de equa-¸cões [23]:

AF s = 92, 4 + 20 log(d) + 20 log(f ) (3.11)

Amb = 20, 41 + 9, 83 log(d) + 7, 894 log(f ) + 9, 56 [log(f )]2 (3.12)

GT x = log

hT x

200

[13, 958 + 5, 8 (log(d))2] (3.13)

4_{Electronic Communication Committee (ECC) e European Conference of Postal and}

(37)

GRx= [42, 57 + 13, 7 log(f )] [log(hRx) − 0, 585] (3.14)

onde:

• d - Distância entre transmissor e receptor, em quilômetros; • f - Frequência do sinal propagado, em GHz;

• hT x - Altura da antena de transmiss˜ao, em metros;

• hRx - Altura da antena de recep¸c˜ao, em metros.

3.7 SUI - Stanford University Interim

O modelo SUI é resultado de estudos realizados pelo grupo IEEE 802.16a, voltado para solu¸cões de aplica¸cões sem fio [25]. A equa¸cão básica que define este modelo baseia-se na equa¸cão proposta pelo modelo de Erceg 5, com a devida adi¸cão de termos que ajustam esta à frequência e altura da antena receptora [19]. Este modelo foi proposto no intuito de complementar os resultados obtidos a partir dos modelos de Okumura-Hata e seus derivados, abarcando diferentes tipos de ambiente de propaga¸cão. Neste sentido, o modelo SUI destaca-se por definir três diferentes ambientes, associando a estes valores constantes pré-estabelecidos, de modo que cada tipo de terreno tenha uma equa¸cão própria para predi¸cão de path loss.

Nominalmente, estes tipos de ambientes dividem-se em Tipo A, Tipo B e Tipo C [25]. Os ambientes que fazem parte do grupo Tipo A são aqueles que apresentam relevo muito acidentado e folhagem densa, contribuindo para um cenário de máxima perda de percurso. Os ambientes que se enquadram na defini¸cão de Tipo C são aqueles que apresentam relevo mais plano e baixa incidência de folhagem. Ambientes que apresentam estas configura¸cões são os que apresentam menor perda de percurso. Os ambientes que não apresentam cenários tão extremos quanto os descritos para os Tipos A e C são definidos no Tipo B. Conforme será detalhado no Cap´ıtulo 4 a seguir, o ambiente em que ocorreram as medi¸cões pode ser caracterizado como do Tipo B.

5_{Modelo de predi¸}_c˜_{ao de perda de percurso estat´ıstico, desenvolvido a partir de dados experimentais}

(38)

A equa¸cão utilizada para realiza¸cão da predi¸cão de path loss por este modelo é dada por [23]: P LSU I = A + 10 γ log d d0 + Xf + Xh+ s (3.15) Com: A = 20 log 4πd0 λ (3.16) γ = a − b hT x+ c hT x (3.17) onde:

• P LSU I - Perda de percurso no modelo SUI, na escala dB;

• d0 - Distˆancia de referˆencia igual a 100 metros;

• Xf - Fator de corre¸cão referente à frequência do sinal propagado;

• Xh - Fator de corre¸c˜ao da antena de recep¸c˜ao;

• s - Fator de sombreamento.

As constantes utilizadas na Equa¸cão 3.17 são definidas de acordo com o tipo de ambiente em que se dá a propaga¸cão. Este deverá se adequar aos três tipos de cenários poss´ıveis neste modelo.

Tabela 3.3: Parˆametros utilizados no modelo SUI Parˆametro Tipo A Tipo B Tipo C

a 4,6 4,0 3,6 b (m−1) 0,0075 0,0065 0,005

(39)

Os fatores de corre¸c˜ao caracter´ısticos deste modelo s˜ao definidos por: Xf = 6 log f 2000 (3.18) E: Xh = −10, 8 log hRx 2000 , para T ipos A e B (3.19) Xh = −20 log h_Rx 2000 , para T ipo C (3.20) onde:

• f - Frequˆencia do sinal propagado, em MHz; • hRx - Altura da antena de recep¸c˜ao, em metros.

O fator de sombreamento s é o termo que representa a degrada¸cão ao sinal cau-sada pela presen¸ca de árvores, folhagens, prédios, entre outros fatores. Este segue uma distribui¸cão log-normal e pode assumir valores que variam entre 8,2 dB e 10,6 dB.

(40)

Cap´ıtulo 4

Procedimento Experimental

O in´ıcio da caracteriza¸cão de sinal de radiofrequência da faixa de 3,5 GHz se dá, primor-dialmente, pela escolha adequada do procedimento experimental a ser implementado. A partir de uma escolha bem sucedida da metodologia que o compõe, será poss´ıvel coletar os dados pertinentes aos processos de análises e predi¸cão de potências recebidas pelos mo-delos adequados. Este cap´ıtulo irá explorar, de forma abrangente, todo o procedimento experimental adotado para a obten¸cão dos dados de potência recebida. Inicialmente, se-rão especificados os equipamentos que compuseram os sistemas de transmissão e recep¸cão, bem como serão ilustrados os setups de transmissão e recep¸cão, de forma a esclarecer a relevância desses no processo de gera¸cão e capta¸cão do sinal de 3,5 GHz. Também será explicitado o processo de gera¸cão deste tipo de sinal. Após isso, serão detalhados o trajeto e o ambiente de propaga¸cão em que ocorreram as medi¸cões do sinal irradiado. Também serão detalhados todos os percursos percorridos pelo sistema móvel de capta¸cão de modo a auxiliar na análise dos valores coletados. Cabe aqui destacar que o procedimento expe-rimental empregado neste trabalho fora realizado em meados de dois mil e dezoito, pela mestranda Dayana Silva Carvalho em sua disserta¸cão de mestrado intitulada Sondagem em faixa larga De canal em ambiente suburbano para sistema de quinta gera¸cão [26].

4.1 Equipamentos e setups

Nesta se¸cão, serão abordados os equipamentos utilizados na gera¸cão e irradia¸cão do sinal de 3,5 GHz, bem como os dispositivos escolhidos para compor o sistema de recep¸cão deste sinal. Além disso, serão ilustrados os setups de montagem destes dois sistemas.

(41)

4.1.1 Transmiss˜

ao

O sistema de transmissão foi instalado no topo de um prédio próximo às rotas de teste escolhidas, de modo a proporcionar condi¸cão de visibilidade à maior parte destas. A antena transmissora foi montada a uma altura de 48 metros acima do n´ıvel do solo. Para a transmissão dos sinais, fez-se uso do gerador vetorial MG 3700A da Anritsu, um amplificador de potência modelo 0502047B da marca MILMEGA, uma antena setorial com ganho de 15 dBi da marca HyperLink Technologies, modelo HG3515P-120, operando na faixa de frequências compreendida entre 3,4 e 3,7 GHz, além dos cabos e conectores utilizados para interligar os equipamentos. Os equipamentos e dispositivos empregados na transmissão do sinal estão detalhados na Tabela 4.1 [26].

Tabela 4.1: Especifica¸cões dos equipamentos utilizados na transmissão Equipamento Especifica¸cão

Gerador Vetorial de Sinal MG-3700A, Anritsu Amplificador de Potˆencia 0502047B, MILMEGA

Fonte Digital PS-5000, ICEL

Antena Setorial Modelo: HG3515P -120 Antena Setorial – 15 dBi 120o _{Setor Panel Antena - HyperLink Technologies}

Cabo RG 213

Cabo 1: 1 m, com perda total de 1.2 dB Cabo 2: 6 m, com perda total de 1.4 dB

As sequências que compõem o sinal de teste foram geradas a partir da utiliza¸cão de um notebook dotado com os softwares Matlab e IQ Producer. Logo após, estas foram enviadas para o Gerador Vetorial de Sinal, de modo a conferir ao sinal as caracter´ısticas desejadas neste experimento. Os detalhes acerca da cria¸cão do sinal de 3,5 GHz podem ser encontrados na disserta¸cão de mestrado [26], enunciada no in´ıcio deste cap´ıtulo. Após isso, o sinal de teste foi amplificado em 46 dB pelo Amplificador de Potência e, posteriormente, irradiado pela antena. Na Figura 4.1 [26], é mostrado o diagrama esquemático do setup do sistema de transmissão.

(42)

Figura 4.1: Diagrama esquem´atico do setup do sistema de transmiss˜ao

Durante as campanhas de medi¸cões, foi verificado que o valor de potência efetiva-mente irradiada (EIRP ) na sa´ıda do setup variou muito pouco no decorrer dos trajetos. Por esse motivo, foi definido um valor constante de EIRP para todas as rotas determina-das para realiza¸cão das medi¸cões. As etapas para o cálculo final da EIRP, utilizada neste experimento, seguem conforme a Tabela 4.2.

Tabela 4.2: Parâmetros para cálculo da potência efetivamente irradiada Parâmetro Valor

Frequência de Transmissão 3500 MHz Potência de Sa´ıda no Gerador de Sinais -10 dBm

Ganho do Amplificador de Potˆencia 46 dB Ganho da Antena de Transmiss˜ao 15 dBi Perdas nos Cabos e Conectores 2,6 dB

(43)

4.1.2 Recep¸

c˜

ao

Para o sistema de recep¸cão, foi instalada uma antena receptora omnidirecional no topo do automóvel utilizado para coletada dos dados ao longo das rotas escolhidas. Esta foi acoplada ao ve´ıculo a 1,5 metro de altura em rela¸cão ao solo.

Ao passo que os dados de potˆencia recebida eram coletados, estes foram automati-camente direcionados a um amplificador de baixo ru´ıdo (ABR), o qual foi polarizado por uma fonte de tens˜ao de 5 V. A sa´ıda do ABR estava conectada a um analisador de sinais que realizou a captura das amostras do sinal recebido a uma taxa de 5, 0 x 107 _amostras

por segundo. As amostras capturadas foram enviadas via cabo e armazenadas no disco r´ıgido de um notebook que se encontrava dentro do ve´ıculo.

A fim de que fosse poss´ıvel avaliar o posicionamento do sistema de recep¸cão quando da realiza¸cão das medi¸cões, também foi acoplado ao ve´ıculo utilizado um sistema de GPS (Global Positioning System) de modo a realizar o registro de latitude e longitude do dado coletado. Estas informa¸cões foram transferidas via cabo USB (Universal Serial Bus) e salvas no disco r´ıgido do mesmo notebook.

Os equipamentos e dispositivos empregados na recep¸c˜ao do sinal est˜ao detalhados na Tabela 4.3 [26].

Tabela 4.3: Especifica¸cões dos equipamentos utilizados na recep¸cão Equipamento Especifica¸cão

Antena Ominidirecional 3 dBi Amplificador de

Baixo Ru´ıdo (ABR)

ZX60-33LN-S+, Minicircuits Ganho: 18.7 dB Analisador de Sinais MS-2692A, Anritsu

GPS 60CSx, Garmin

Notebook Dell Inspiron 15 com Processador Intel Core i7 Cabo RG 213 2 metros, com perda total de 1.0 dB

(44)

Na Figura 4.2 [26], é mostrado o diagrama esquemático do setup do sistema de recep¸cão.

Figura 4.2: Diagrama esquem´atico do setup do sistema de recep¸c˜ao

Os valores dos parâmetros utilizados para a implementa¸cão do setup de recep¸cão estão listados na Tabela 4.4 a seguir [26].

Tabela 4.4: Parâmetros envolvidos na recep¸cão do sinal Parâmetro Valor Altura da Antena de Recep¸cão 1,5 m Ganho da Antena de Recep¸cão 3 dB Ganho no Amplificador de Baixo Ru´ıdo (ABR) 18,7 dB

Perdas nos Cabos e Conectores 2,0 dB

4.2 Ambiente de medi¸

c˜

oes

O tipo de ambiente de propaga¸cão escolhido para a coleta dos dados deste experimento foi o tipo suburbano, visto a maior facilidade de realizar a experiência neste tipo de ambiente em uma cidade altamente populosa, como é o caso da cidade do Rio de Janeiro. Para tal, foram escolhidos os bairros de Del Castilho e Higienópolis, localizados na zona norte da cidade, visto a predominância de casas e prédios residenciais nestes bairros, a alta

(45)

concentra¸c˜ao de ve´ıculos e a proximidade destes com o local em que foi instalada a antena transmissora.

A antena transmissora setorial HG3515P -120, utilizada para irradiar o sinal de 3,5 GHz, foi instalada no terra¸co de um edif´ıcio de 14 andares, localizado no bairro de Del Castilho, a uma altura de, aproximadamente, 50 metros. O pr´edio utilizado como base de transmiss˜ao do sinal pode ser visualizado na Figura 4.3 abaixo.[26]

Figura 4.3: Pr´edio localizado no bairro de Del Castilho utilizado como base de transmiss˜ao do sinal de 3,5 GHz

O sistema de recep¸cão, conforme explicitado na subse¸cão 4.1.2, foi acoplado a um automóvel que foi utilizado para percorrer as rotas determinadas nestes dois bairros. As rotas estipuladas para a coleta de dados foram pensadas para que fosse poss´ıvel compre-ender regiões que, ao longo das campanhas de medi¸cão, apresentassem localidades com diferentes condi¸cões de visada direta para a antena de transmissão.

(46)

4.3 Campanhas de medi¸

c˜

oes

As medi¸cões dos valores de potência recebida pelo sistema móvel foram realizadas na cidade do Rio de Janeiro, em ambiente suburbano, conforme mencionado na Se¸cão 4.2. De maneira a prover uma quantidade elevada de valores medidos, foram estipuladas duas campanhas de medi¸cões abrangendo as rotas especificadas para serem percorridas nestes dois bairros.

Nas Figuras 4.4 e 4.5 [26], obtidas a partir da utiliza¸cão dos dados registrados pelo GPS e do software Google Earth, estão descritas as rotas percorridas nas duas campanhas realizadas. O GPS foi posicionado no teto do ve´ıculo utilizado para percorrer as rotas e conectado ao analisador vetorial de sinal com o software GPS Trackmaker instalado, permitindo, dessa forma, a sincroniza¸cão entre os tempos de captura de dados e o tempo de captura das posi¸cões georreferenciadas. As duas campanhas foram realizadas na manhã do dia 08 de fevereiro de 2018.

1. Campanha de Medi¸c˜ao 1 Data: 08/02/2018

Hora: 11:05

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2. Campanha de Medi¸c˜ao 2 Data: 08/02/2018

Hora: 11:36

Figura 4.5: Rota percorrida na Campanha de Medi¸c˜ao 2

4.4 Metodologia de medi¸

c˜

ao

A metodologia implementada para a medi¸cão dos valores de potência recebida do sinal irradiado na frequência de 3,5 GHz consistiu de realizar a coleta dos dados pertinentes ao longo das campanhas de medi¸cões. Esta coleta ocorreu com o aux´ılio do automóvel, o qual foi utilizado para percorrer as rotas das campanhas de medi¸cões. Buscando a melhor captura das componentes do sinal propagado no ambiente escolhido para o experimento, a velocidade do ve´ıculo foi de, aproximadamente, 30 km/h. A antena receptora omnidire-cional, acoplada no exterior do ve´ıculo, foi responsável por coletar os dados para posterior análise. Dentro do carro, as medi¸cões foram encaminhadas para o ABR onde foi realizada a amplifica¸cão destas.

Os dados coletados no sistema de recep¸c˜ao e amplificados pelo ABR foram enviados ao analisador de sinais, onde foram tratados a uma taxa de 5, 0 x 107 _{amostras por segundo}

(48)

Cap´ıtulo 5

Resultados e An´

alises

Este cap´ıtulo apresenta e discute os resultados encontrados nas campanhas de medi¸cões realizadas em campo, os resultados obtidos a partir das implementa¸cões dos modelos de predi¸cão de path loss e, por fim, os valores calculados a partir do melhoramento dos mo-delos abordados. Investigam-se, primeiramente, os dados de potência recebida coletados nos percursos em que foram realizadas as medi¸cões, visando entender a forma como se dá a distribui¸cão destes. Após isso, os valores aferidos de potência recebida de acordo com a distância entre transmissor e receptor são traduzidos para a forma gráfica. Posterior-mente, são estimados valores de potência recebida de acordo com o respectivo modelo de predi¸cão de path loss para que, dessa forma, seja poss´ıvel verificar qual modelo produz resultados que mais se aproximam dos valores reais coletados. Finalmente, de posse des-tas informa¸cões, é proposto um método de melhoramento de alguns dos modelos outrora utilizados, de modo a determinar qual modelo melhorado é mais adequado às condi¸cões da medi¸cão. A determina¸cão dos melhores modelos pré e pós melhoria é feita através da análise da gráfica dos dados coletados e a compara¸cão destes com os resultados calculados a partir dos modelos utilizados.

5.1 Dados coletados

A partir da medi¸cão dos valores de potência recebida ao longo da campanha de medi¸cões, os dados coletados pela antena receptora e pelo analisador de sinais foram disponibilizados para tratamento em softwares dedicados. Para esta tarefa, foram utilizados os recursos do programa Microsoft Excel.

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5.1.1 Distribui¸

c˜

ao de Dados

Com a implementa¸cão de tratamento computacional, utilizando o software Microsoft Ex-cel, foi poss´ıvel analisar o comportamento da distribui¸cão dos dados coletados em campo a partir da elabora¸cão de um Histograma de Frequência e dos cálculos de Média e Desvio Padrão da cole¸cão de dados de potência recebida.

Tamanho da amostragem, Valores Máximo e M´ınimo, Média e Desvio Padrão Para a análise completa da distribui¸cão dos dados coletados, faz-se necessária a observa¸cão dos valores máximos e m´ınimos aferidos pela antena receptora acoplada ao ve´ıculo, assim como os cálculos do valor médio referente aos valores de potência recebida e do desvio padrão associado à distribui¸cão de dados1.

Tabela 5.1: Especifica¸c˜oes da distribui¸c˜ao dos dados coletados Quantidade de Amostras 587 amostras

Valor Máximo -51,325 dBm Valor M´ınimo -81,458 dBm Média -65,508 dBm Desvio Padrão -91,129 dB

Histograma de Frequˆencia

A distribui¸cão das amostras coletadas pode ser analisada a partir do histograma de frequências. Devido à grande quantidade de pontos coletados, foi conveniente matema-ticamente aproximar o número de classes no histograma para vinte classes, visto que, para um número maior de classes (24), a distribui¸cão apresenta distor¸cões qualitativas nas classes mais afastadas dos valores centrais do histograma.

1_{Para o c´}_{alculo da m´}_{edia e do desvio padr˜}_{ao, foi realizada a convers˜}_{ao dos valores medidos em dBm}

para a escala de watt. Posteriormente, os resultados nesta unidade foram convertidos para dBm e dB, respectivamente. As Equa¸c˜oes A.1 e A.2, elucidadas no Apˆendice A, foram utilizadas nestes procedimentos

(50)

Figura 5.1: Histograma de Frequências dos dados de potência recebida coletados Como pode ser visto na Figura 5.1, a maior parte dos valores de potência re-cebida coletados pelo sistema móvel de recep¸cão ao longo das campanhas de medi¸cões está localizada no intervalo compreendido entre -78,44 dBm e -73,92 dBm. A quantidade de amostras neste intervalo representa, aproximadamente, 47% do total da amostragem realizada.

5.1.2 Potˆ

encia recebida ao longo do percurso

Ao longo do percurso em que se deram as medi¸cões, foram coletadas as amostras de potência recebida de acordo com a metodologia de medi¸cão elucidada no Cap´ıtulo 4.

A Figura 5.2 mostra os dados de potência medidos na antena receptora, do sinal de 3,5 GHz, ao longo da distância entre transmissor e receptor. Após carregar os valores medidos no software Microsoft Excel, foi poss´ıvel elaborar o gráfico exposto na Figura 5.2, de modo a ilustrar a distribui¸cão dos dados de potências aferidas coletados neste experimento.

(51)

Figura 5.2: Potência média recebida medida em rela¸cão à distância Transmissor-Receptor

5.2 Potˆ

encia recebida de acordo com modelos de

pre-di¸

c˜

ao de path loss

Conhecendo o ambiente em que se dá a propaga¸cão do sinal de 3,5 GHz, dos setups de transmissão e recep¸cão, da distância entre transmissor e receptor e de posse dos dados coletados, pode-se estimar o valor de potência recebida em um determinado ponto da tra-jetória a partir do cálculo de path loss (ou perda de percurso) de acordo com o modelo de predi¸cão de path loss desejado. As equa¸cões utilizadas para cálculo de path loss seguem às elucidadas anteriormente no Cap´ıtulo 3, de acordo com os respectivos modelos utilizados. Para determinar a potência recebida de acordo com o modelo de predi¸cão, foi necessário, inicialmente, calcular a perda de percurso associada às especificidades do am-biente das medi¸cões e as condi¸cões de propaga¸cão do sinal. As informa¸cões relevantes para realiza¸cão dos cálculos depath loss são: Frequência central de opera¸cão do sinal a ser medido, a EIRP, o ambiente de propaga¸cão do sinal e as alturas em que se encontram as antenas de transmissão e recep¸cão. Os valores referentes a estes parâmetros, os quais serão utilizados nos cálculos a seguir, seguem conforme dispostos no Cap´ıtulo 4.

De posse destas informa¸cões e após calcular a perda de percurso para cada um dos modelos desejados, foi necessário subtrair este valor calculado do valor conhecido de EIRP pela antena transmissora, visando, finalmente, estimar o valor de potência recebido pelo modelo implementado.