Para um melhor entendimento das equações a seguir, é utilizada a nomenclatura abaixo:

(1)

A

C ´alculo de Enlace

Para um melhor entendimento das equa¸c˜oes a seguir, ´e utilizada a nomenclatura abaixo:

xERB posi¸c˜ao da ERB no eixo x;

yERB posi¸c˜ao da ERB no eixo y;

β dire¸cão de máximo apontamento da antena da esta¸cão transmis-sora ERB, tendo como referência o norte (eixo y);

xT U posi¸c˜ao do terminal do usu´ario no eixo x;

yT U posi¸c˜ao do terminal do usu´ario no eixo y;

α dire¸cão entre a esta¸cão transmissora ERB e a esta¸cão receptora do terminal do usuário;

φ ângulo formado entre a esta¸cão transmissora ERB e a esta¸cão receptora do terminal do usuário.

A.1

C ´alculo da Dist ˆancia

A figura A.1 representa a localiza¸cão de uma antena da esta¸cão transmissora ERB e uma antena receptora do terminal do usuário.

A distância do enlace de rádio comunica¸cão entre a esta¸cão rádio base e o terminal do usuário é a distância euclidiana entre dois pontos, calculada através da equa¸cão A-1:

d = p(xERB− xT U)

2_{+ (y}

ERB− yT U)2

1000 (A-1)

(2)

ˆ

Angulo de Apontamento da Antena 71

XTU YTU

X Y

dir. antena ERB

TU dist. XTU - XERB XERB YERB YTU - YERB

Figura A.1:Distˆancia do enlace

A.2 ˆ

Angulo de Inclinac¸ ˜ao do Enlace

Na localiza¸cão da esta¸cão rádio base, o ângulo de inclina¸cão, denomi-nado α é ângulo formado pelo eixo norte e a reta que liga a esta¸cão rádio base ao terminal do usuário e é calculado pela equa¸cão A-2:

α = 90 − tan−1µ yT U− yERB xT U − yERB

¶

(A-2) No cálculo do enlace reverso, é utilizado o ângulo de inclina¸cão, denominado α0, formado pelo eixo norte e a reta que liga o terminal do usuário e a esta¸cão rádio base.

α0 = ( 180 + α se α 6 180; α − 180 se α > 180. (A-3) A.3 ˆ

Angulo de Apontamento da Antena

O ângulo de apontamento é o ângulo da dire¸cão de máximo ganho da antena, representado na esta¸cão rádio base como β. No terminal do usuário, este ângulo representa a dire¸cão de apontamento para o melhor servidor, sendo assim β0 = α0

(3)

ˆ

Angulo na Direc¸ ˜ao do Enlace 72

A.4 ˆ

Angulo na Direc¸ ˜ao do Enlace

Este ângulo é formado pela reta do enlace e da dire¸cão de apontamento da antena. A partir deste ângulo é obtido o valor das perdas de irradia¸cão nesta dire¸cão e conseqüentemente do ganho da antena.

O valor deste ângulo depende da localiza¸cão da esta¸cão rádio base e do terminal do usuário. Na figura A.2(a), temos que α > β, então φ = α−β. Porém na figura A.2(b) α < β então φ = 360 + (α − β).

XTU YTU

ERB X

Y

dir. antena ERB α

β

ϕ _TU

(a) ˆAngulo alfa maior do que beta

XTU YTU

ERB X

Y

dir. antena ERB α

β ϕ

TU

(b) ˆAngulo alfa menor do que beta

Figura A.2:Angulo de inclina¸c˜ao do enlace diretoˆ

(4)

Ganho da Antena 73

Resumidamente o ângulo entre a antena transmissora ERB e a antena receptora do terminal do usuário é calculado pela equa¸cão A-4:

φ = ( α − β se α > β; 360 + (α − β) se α < beta. (A-4) A.5

Diagrama de Intensidade de Campo

´

E a representa¸cão gráfica da distribui¸cão espacial da intensidade de campo da antena.

A figura A.3 apresenta o diagrama de radia¸c˜ao na forma polar da intensidade de campo no plano horizontal de uma antena de 90◦_{de abertura,}

utilizada na esta¸c˜ao transmissora ERB. Esta antena apresenta um ganho m´aximo de 16 dBi.

Consultando o ângulo φ, obtido em A-4 no diagrama de radia¸cão da antena, obtém–se o valor do ganho na dire¸cão φ, pela equa¸cão A-5:

A.6

Ganho da Antena

O ganho da antena é definido como a rela¸cão entre a energia irradiada na dire¸cão do máximo do diagrama de radia¸cão desta antena e a que seria irradiada por uma antena isotrópica ideal em uma dire¸cão qualquer, supondo que as duas irradiem a mesma potência total (considerando todas a dire¸cões).

Quanto maior o ganho da antena, maior a disponibilidade, ou seja, maior o percentual de tempo em que o enlace de comunica¸cão é opera-cional sem sofrer distúrbios atmosféricos. Antenas com ganho elevado são geralmente utilizadas em enlaces do tipo ponto–a–ponto nas instala¸cões do terminal do usuário. As antenas utilizadas pelas esta¸cões rádio base são setorizadas e possuem ganho inferior ao do terminal do usuário.

A vantagem em utilizar antenas de ganho elevado é a disponibilidade elevado do sistema, porém traz como desvantagem o fato de que quanto mais elevado é o ganho, mais diretiva, ou seja, mais estreito é o feixe de comunica¸cão da antena.

(5)

Direc¸ ˜ao do Melhor Servidor 74

Figura A.3:Diagrama de antena de 90◦

Para as antenas transmissoras das ERBs foram utilizadas antenas de 90◦_{, 60}◦ _{e 45}◦_{. E no terminal do usu´ario foram utilizadas antenas de 5}◦_.

A.7

Discriminaç ão de Polarizaç ão Cruzada

´

E a ”isola¸cão”do sinal de uma polariza¸cão em rela¸cão a outra, na mesma antena. A discrimina¸cão de polariza¸cão cruzada refere–se à habili-dade de um dispositivo de alimenta¸cão detectar os sinais de uma polarihabili-dade e rejeitar os sinais que estejam em polariza¸cão oposta.

A.8

Direc¸ ˜ao do Melhor Servidor

A dire¸cão do melhor servidor é o apontamento da antena do terminal do usuário na dire¸cão da esta¸cão rádio servidor do sinal desejado.

(6)

As figuras A.4(a) e A.4(b) apresentam uma configura¸cão do enlace de comunica¸cão entre um terminal do usuário e a esta¸cão rádio base melhor servidor.

A.8.1

Ganho do terminal do usu ´ario

O ganho do terminal do usuário em uma dire¸cão qualquer é calculado através da rela¸cão entre o ganho máximo da antena e as perdas de irradia¸cão. Na dire¸cão de melhor servidor corresponde ao ganho máximo da antena GR(0). É calculado através da expressão A-5

G(φ) = G(max) − ∆G(φ) (A-5)

(7)

XTU YTU

ERBj X

Y

dir. antena ERB interferente

αj βj

ϕj _TU

dir. antena TU

dir. melhor servidor

β’ α’ ϕ’ Y αi ERBi X Y α’ > β’ βi ϕi (a) ˆAngulo α0 > β0 XTU YTU ERBj X Y

dir. antena ERB interferente αj

βj

ϕj _TU

dir. antena TU

dir. melhor servidor

β’ α’ ϕ’ Y αi ERBi _X Y α’ < β’ βi ϕi sinal interferente (b) ˆAngulo α0 < β0

Figura A.4:Angulo de apontamento do melhor servidorˆ

(8)

B

Implementac¸ ˜

oes e Aplicac¸ ˜

oes

B.1

Descriç ão do Programa Para O C álculo da Relaç ãoS/I

Neste trabalho foi desenvolvido uma ferramenta computacional com a finalidade de simular o cálculo de cobertura, de capacidade e da disponi-bilidade de sistemas de rádio acesso em banda larga utilizando os modelos de previsão de atenua¸cão por chuvas do ITU-R e do CETUC, incluindo também efeitos de atenua¸cão diferencial.

A ferramenta é denominada BWAS (Broadband Wireless Access Sys-tem) e foi desenvolvido para trabalhar em ambiente Windows utilizando o software Matlab c°. Para tornar o simulador mais amigável e intuitivo foi desenvolvida uma interface gráfica no padrão MS Windows buscando simplicidade e facilidade de uso.

B.2

Telas do Simulador

A tela principal do simulador (fig. B.1) é ativada após digitar bwas na linha de comando do Matlab. Esta tela possui alguns componentes que auxiliam o usuário na simula¸cão.

O menu principal na parte superior da tela apresenta fun¸cões que podem ser escolhidas pelo usuário, dependendo de alguns estados que são verificados pelo simulador. Assim algumas op¸cões no menu podem não estar dispon´ıveis. Por exemplo, o menu gráficos não pode ser acessado se não houver um cenário carregado na tela e se a simula¸cão não tiver sido executada.

A esquerda da tela apresenta uma caixa de texto informativo onde são exibidas informa¸cões a respeito da simula¸cão e dicas. Durante a fase de processamento é exibido um contador do número de itera¸cões que

(9)

Abrir Cen ´ario 78

corresponde a quantidade de enlaces entre esta¸cão rádio base e terminal do usuário.

O eixo ordenado X-Y apresenta a disposi¸cão f´ısica das esta¸cões rádio base em um cenário hipotético. Optou-se por um cenário hipotético devido as complica¸cões em implementar um sistema de mapas com latitude e longitude sem recorrer a fun¸cões de cartografia no Matlab.

Os terminais do usuário não são exibidos nesta tela pois, se assim fossem, dificultariam a localiza¸cão das ERBs. Os terminais do usuários podem ser visualizados em outra tela.

Figura B.1:Tela inicial do simulador

B.3

Abrir Cen ´ario

O sistema bwas permite abrir cenário de esta¸cões rádio base para rodar as simula¸cões. Estes cenários são arquivos texto (extensão txt), armazenado no diretório erb. Este arquivo é uma tabela composta de n linhas, onde cada linha corresponde a uma esta¸cão rádio base e um número fixo de colunas representando informa¸cões para a plotagem das ERBs e dados utilizados na rotinas de simula¸cão.

(10)

Abrir Cen ´ario 79

O cenário é carregado a partir da op¸cão Abrir cenário de esta¸cões rádio base (figura B.2 no menu arquivo. Quando um cenário é carregado, informa¸cões da dimensão do mapa e resolu¸cão também são carregadas e não podem ser alteradas.

Figura B.2:Menu arquivo

A figura B.3 apresenta a janela abrir cenário de esta¸cões rádio base, onde os arquivos com informa¸cões sobre os cenários estão dispon´ıveis.

Figura B.3:Abrir cen´ario de ERB

B.3.1

Representaç ão Gr áfica do Cen ário

A figura B.4 é a representa¸cão gráfica de um cenário de ERBs. Neste caso uma configura¸cão formada por 64 esta¸cões rádio base dividas em 4 sites com setores de 90◦ _{utilizando polariza¸cão vertical.}

B.3.2

Escolhendo o Resultado da Simulac¸ ˜ao

Assim que é escolhido o cenário de simula¸cão, o sistema apresenta janela, figura B.5, onde são guardados os resultados da simula¸cão. Os resul-tados são armazenados em pastas, representado a corbertura do sistema. O

(11)

Abrir Cen ´ario 80

Figura B.4: Configura¸c˜ao de ERB do tipo 4 x 4, utilizando antenas setorizadas de 90◦

com polariza¸c˜ao vertical

nome do arquivo de resultados está vinculado ao nome do cenário aberto. Caso o resultado exista, há a possibilidade de carregá–lo ou então executar nova simula¸cão. Por conven¸cão existem dois tipos de arquivo de acordo com o resultado que se deseja analisar:

Figura B.5:Lugar que armazena resultados da simula¸c˜ao

– ∗.01 – simula¸c˜ao em evento de chuva – modelo ITU-R; – ∗.02 – simula¸c˜ao em evento de chuva – modelo CETUC;

(12)

Simulac¸ ˜ao 81

B.4

Exibindo os Terminais do Usu ´ario

Após o cenário ter sido carregado é poss´ıvel visualizar os terminais através da op¸cão exibir terminais no menu principal. A figura B.6 apresenta um zoom de uma área do mapa com alguns pontos representando terminais do usuário. No parte superior da tela é poss´ıvel visualizar o número total de pontos existentes neste mapa. Nesta configura¸cão há um total de 63001 pontos, representando uma resolu¸cão de 200 pontos sobre uma área de 50 x 50 km.

Figura B.6:Menu principal

B.5

Simulac¸ ˜ao

As simula¸cões são realizadas acessando o menu Simular e podem ser: – Modelo ITU–R – Método de previsão para a atenua¸cão por chuva do

ITU-R P.530-7, para climas temperados;

– Modelo CETUC – Método de previsão para a atenua¸cão por chuva do CETUC, para climas tropicais e equatoriais;

ambas fazem chamada a tela de entrada, mostrada na figura B.7, onde valores de clima e chuva s˜ao utilizados durante os c´alculos.

Devido a resolu¸cão utilizada, isto implica na quantidade de terminais do usuário que estão na tela, e do numero de ERBs, o processamento pode demandar um tempo elevado para ser conclu´ıdo. Durante os cálculos da simula¸cão, o software apresenta uma barra de progresso que evolui durante

(13)

Simulac¸ ˜ao 82

Figura B.7:Dados de entrada de clima e chuva

Figura B.8:Barra de progresso

a execu¸cão. As simula¸cões executadas no cap´ıtulo B.8 levaram em média aproximadamente 8000 segundos.

Ao final da simula¸cão, o software apresenta a op¸cão de salvar os resultados para posterior análise. A figura B.9 e B.10 apresentam as janelas para salvar o resultado. O resultado é salvo na pasta contendo o nome cobertura a qual foi executada a simula¸cão e o nome do arquivo de resultado é o nome do cenário.

Figura B.9:Salvar resultado

(14)

Capacidade 83

Figura B.10:Janela mostrando onde resultados s˜ao salvos

B.6 Gr ´aficos

Quando a simula¸cão é conclu´ıda, os resultados podem ser visualizados na forma de gráficos. Os gráficos dispon´ıveis são:

– melhor servidor; – polariza¸c˜ao;

– sinal–interferˆencia.

O gráfico de melhor servidor apresenta a cobertura em condi¸cões de céu claro e de chuva para a disponibilidade em análise.

A rela¸cão sinal–interferência é apresentada em três gráficos, correspon-dendo a condi¸cões de céu claro, chuva e degrada¸cão total.

B.7

Capacidade

A capacidade é calculada para cada terminal do usuário no mapa com base nos valores da rela¸cão sinal–interferência em céu claro, se-gundo a equa¸cão 2-2. Para calcular a capacidade é necessário obter o va-lor da eficiência espectral máxima comparando o vava-lor da rela¸cão sinal– interferência do terminal do usuário com valor na tabela 2.1.

Ao final, o software apresenta um histograma com os valores de taxa calculado em Mbps e o percentual de ´area que pode ser atendido por esta taxa.

(15)

Capacidade 84

A figura B.11 mostra a tela de entrada de valores utilizados para o c´alculo da capacidade.

Figura B.11:Dados de entrada para c´alculo de capacidade

(16)

C

Fluxugramas

As figuras C.1, C.2, C.3, C.4, C.5 e C.6 apresentam os fluxugramas principais com as funcionalidades do algoritmo do simulador bwas.

Executar simulação Calcular capacidade Exibir gráficos Possui simulação? Abrir cenário Fim Início

Figura C.1: Fluxograma do programa principal

(17)

Fluxugramas 86 Início Calcular distância ERB_TU Calcular angulo ERB_TU α > 0? N α = 360 + α S α > β? N ϕ = 360 + (α - β) S ϕ = α - β ϕ < 0? S ϕ = 360 + ϕ N ϕ > 360? S ϕ = ϕ − 360 1

Figura C.2: Fluxograma do algoritmo de simula¸c˜ao – parte 1

Verificar antena da ERB pol = H? S N 1 Verificar freqüência de operação Verificar pol. da ERB pol = 1 pol = 2

Ler ganho máximo e diagramas de irradiação Calcular perdas de campo da antena Cálcular ganho na direção ϕ 2

(18)

Fluxugramas 87 Calcular potência efetivamente irradiada Calcular atenuação de espaço livre Calcular atenuação específica de gases Calcular atenuação em céu claro Calcular atenuação de chuva

Calcular nível do sinal recebido em céu claro

Calcular nível do sinal recebido em evento de chuva

Escolher melhor servidor 2

3

4 Calcular ganho da antena do TU

Calcular ângulo entre Norte e o enlace α’ > 360? S N α’ = α’ - 360? Calcular ângulo de apontamento da antena do TU Calcular direção de

apontamento do ganho da antena

Ler tipo de antena do TU

Ler ganho máximo e diagrama de irradiação Calcular perdas de campo da antena Calcular ganho na direção ϕ∋∋ Calcular RSLlimiar

Calcular sinal recebido no TU em céu claro

(19)

Fluxugramas 88 4 S N Calcular sinais interferentes ERB na mesma freqüência? ERB na mesma polarização? Calcular interferência N inteferencia_db = intereferencia_db - xpd Calcular interferência em mw Somar interferência em mw

Converter interferência para dB

Calcular S/I

Fim

(20)

Bibliografia

[1] Chowdhury D. D. Unified IP Internetworking. Spring, 2001. [2] Smith C. LMDS. McGraw Hill, 2000.

[3] Clark M. P. Wireless Access Networks. Wiley, 2000.

[4] Kukshya V. Wideband terrestrial path loss meassurement results for characterization of pico-cell radio links at 38 ghz and 60 ghz bands of frequencies. Master’s thesis, Virginia Polytechnic Institute and State University, June 2001.

[5] Flainville Ramos M. C. Atenuaç ão por chuvas em regi ões tropicais: Aplicaç ão ao dimensionamento de sistemas lmds. Master’s thesis, Pontif´ıcia Univeridade Catolica – PUC–Rio, Abril 2002.

[6] P érez Garc´ıa N. A. C álculo de cobertura de sistemas wll e lmds. Master’s thesis, Pontif´ıcia Universidade Cat ólica do Rio de Janeiro, Abril 2000.

[7] Rappaport T. S. Wireless Communications: Principle and Practice. Prentice Hall Publications, 1996.

[8] ITUR. Recommendation, p.576 calculation of free-space attenua-tion. Technical report, ITU–R, 1994.

[9] ITUR. Recommendation, p.676 attenuation by atmosferic gases. Technical report, ITU–R, 2001.

[10] ITUR. Recommendation, p.838 specific attenuation model for rain for use in prediction methods. Technical report, ITU–R, 1999. [11] Silva Mello L. A. Efeito das Chuvas. CETUC/PUC–Rio, 1988. Nota

de Aula do Curso de Propagaç ão Troposf érica. P ós Graduaç ão.

[12] P érez Garc´ıa N. A. Modelamento de Efeitos de Atenuaç ão por

Chuvas em Enlaces Terrestres Ponto–a–Ponto e Ponto-multiponto.

(21)

BIBLIOGRAFIA 90

PhD thesis, Pontif´ıcia Universidade Cat ´olica do Rio de Janeiro, Junho 2003.

[13] Miyoshi E. M. Projetos de Sistemas R ´adio. Editora ´Erica, 2002.