INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA ROGERIO MOREIRA LIMA SILVA

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1 INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA ROGERIO MOREIRA LIMA SILVA CARACTERÍSTICAS DA PROPAGAÇÃO PONTO-ÁREA NA FAIXA DE A 5GHz COM APLICAÇÃO EM COMUNICAÇÕES MÓVEIS Dissertação e Mestrao apresentaa ao Curso e Mestrao em Engenharia Elétrica o Instituto Militar e Engenharia, como requisito parcial para a obtenção o título e Mestre em Ciências em Engenharia Elétrica. Orientaor: Prof. Mauro Soares e Assis Notório Saber. RIO DE JANEIRO 004

2 c004 Instituto Militar e Engenharia Praça General Tibúrcio, 80 Praia Vermelha Rio e Janeiro - RJ Cep: Este exemplar é e proprieae o instituto militar e engenharia, que poerá incluílo em base e aos, armazenar em computaor, microfilmar ou aotar qualquer forma e arquivamento. É permitia a menção, reproução parcial ou integral e a transmissão entre bibliotecas este trabalho, sem moificação e seu texto, em qualquer meio que esteja ou venha a ser fixao, para pesquisa acaêmica, comentários e citações, ese que sem finaliae comercial e que seja feita a referência bibliográfica completa. Os conceitos expressos neste trabalho são e responsabiliae o(s) autor(es) e o(s) orientaor(es). S586c Silva, Rogerio Moreira Lima Silva Características a Propagação ponto-área na faixa e a 5GHz com Aplicações em Comunicações Móveis / Rogerio Moreira Lima Silva. - Rio e Janeiro: Instituto Militar e Engenharia, p. : il., graf., tab. Dissertação: (mestrao) - Instituto Militar e Engenharia Rio e Janeiro, Comunicação Móvel. I. Título. II. Instituto Militar e Engenharia CDD 6.38

3 INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA ROGERIO MOREIRA LIMA SILVA CARACTERÍSTICAS DA PROPAGAÇÃO PONTO-ÁREA NA FAIXA DE A 5GHz COM APLICAÇÃO EM COMUNICAÇÕES MÓVEIS Dissertação e Mestrao apresentaa ao Curso e Mestrao em Engenharia Elétrica o Instituto Militar e Engenharia, como requisito parcial para a obtenção o título e Mestre em Ciências em Engenharia Elétrica. Orientaor: Prof. Mauro Soares e Assis Notório Saber. Aprovaa em 6 e maio e 004 pela seguinte Banca Examinaora: Prof. Mauro Soares e Assis Notório Saber o IME - Presiente Prof. Luiz Alencar Reis a Silva Mello D.C. a PUC Prof. Maurício Henrique Costa Dias D.C. o IME Rio e Janeiro 004 3

4 Ao Instituto Militar e Engenharia, alicerce a minha formação e aperfeiçoamento 4

5 AGRADECIMENTOS Agraeço a toas as pessoas que me incentivaram, apoiaram e possibilitaram esta oportuniae e ampliar meus horizontes. Agraeço aos meus pais e em especial ao meu avô William Moreira Lima. Agraeço em especial a minha noiva Cristina Pinto Carvalho que sempre me apoiou. Agraeço ao Engenheiro Jorge Paulo o Bomfim, por ispor e seu tempo para me auxiliar na confecção as fotos usaas nesta issertação. E em especial ao Professor Mauro Soares e Assis pela orientação impecável, por sua isponibiliae, atenção, isposição e eicação em toas as fases e esenvolvimento este trabalho. 5

6 Sem publicação, a ciência é morta. GERARD PIEL 6

7 SUMÁRIO LISTA DE ILUSTRAÇÕES...09 LISTA DE TABELAS... LISTA DE ABREVIATURAS E SÍMBOLOS... LISTA DE SIGLAS...5 INTRODUÇÃO...8. SISTEMAS PONTO-ÁREA...9. OBJETIVO HISTÓRICO ROTEIRO... FUNDAMENTOS DE PROPAGAÇÃO...3. CONCEITOS BÁSICOS...3. PROPAGAÇÃO EM ESPAÇO LIVRE PROPAGAÇÃO SOBRE TERRA PLANA DIFRAÇÃO EFEITO DA VEGETAÇÃO ATENUAÇÃO POR CHUVA DESVANECIMENTO PROPAGAÇÃO PONTO-ÁREA NAS FAIXAS DE 800,900 E 000MHz ANTENA DA ERB ACIMA DO NÍVEL MÉDIO DOS PRÉDIOS RESULTADOS EXPERIMENTAIS DE YOUNG RESULTADOS EXPERIMENTAIS DE OKUMURA MODELO DE OKUMURA-HATA MODELO DE IKEGAMI MODELO DE WALFISCH-BERTONI PROJETO COST MODELO COST 3 OKUMURA HATA

8 3..6. MODELO COST 3 WALFISCH IKEGAMI MODELO DE SAKAGAMI-KUBOI ANÁLISE COMPARATIVA ANTENA DA ERB ABAIXO DO NÍVEL MÉDIO DOS PRÉDIOS MODELO DE ERCEG MODELO DE WIART APLICAÇÃO DA TEORIA GEOMÉTRICA DA DIFRAÇÃO COMENTÁRIOS PROPAGAÇÃO PONTO-ÁREA NA FAIXA DE A 5 GHz ANTENA DA ERB ACIMA DA ALTURA MÉDIA DOS PRÉDIOS ANTENA DA ERB ABAIXO DO NÍVEL MÉDIO DOS PRÉDIOS TRANSIÇÃO ENTRE AS ZONAS DE INTERFERÊNCIA E DIFRAÇÃO EFEITO DA DIFRAÇÃO LATERAL EFEITO DA REFLEXÃO NAS VIATURAS EM DESLOCAMENTO ABSORÇÃO E ESPALHAMENTO POR VEGETAÇÃO, PEDESTRES E OUTROS OBSTÁCULOS PROPAGAÇÃO EM VISIBILIDADE PROPAGAÇÃO SEM VISIBILIDADE CONCLUSÕES REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS APÊNDICES APÊNDICE : EXTENSÃO DA SOLUÇÃO DE MILLINGTON PARA ANTENAS ELEVADAS APÊNDICE : PROGRAMA DOS GRÁFICOS PARA TGD EM 900 MHz E GHz...8 8

9 LISTA DE ILUSTRAÇÕES FIG.. Moelo e propagação em terra plana, traçao e raios...6 FIG.. Comportamento o campo elétrico na região e interferência e na região e ifração...7 FIG..3 Difração por um obstáculo gume e faca...9 FIG..4 Geometria para aplicação a TGD em ifração por uma aresta...3 FIG..5 Taxa e precipitação, em mm/h, exceia em 0,0% e um ano méio...34 FIG. 3. Resultaos experimentais e Yong (a) 50MHz (b) 450MHz (c) 900MHz...39 FIG. 3. Atenuação meiana em área urbana...40 FIG. 3.3 Ganho a altura a antena a ERB...40 FIG. 3.4 Ganho a altura a antena a estação móvel...4 FIG. 3.5 Fator e correção para áreas suburbanas e rurais...4 FIG. 3.6 Moelo e Ikegami Detalhe a geometria no ponto e recepção...44 FIG. 3.7 Geometria para o Moelo e Walfisch-Bertoni...46 FIG. 3.8 Análise comparativa e moelos e propagação ponto-área (a) 900MHz (b) GHz...5 FIG. 3.9 Variação a Atenuação com a Distância

10 FIG. 3.0 Conição e não visibiliae...55 FIG. 3. Atenuação por ifração nas proximiaes a esquina one se processa a ifração (a) 900MHz (b) GHz...58 FIG. 4. Canyon urbano (a) Moelo iealizao (b) Situação real...6 FIG. 4. Difração em um canyon urbano (a) Difração lateral (b) Difração pela terra plana...63 FIG. 4.3 Ilustração os Fatores que Causam Absorção, Espalhamento a Energia em Vias Públicas (A) Avenia Rio Branco (B) Avenia Pauster...65 FIG. 4.4 Análise comparativa em e 6 GHz...69 FIG. 4.5 Análise comparativa em 3,5GHz...70 FIG. 7.Propagação por trajetos mistos

11 LISTA DE TABELAS TAB.. Valores os parâmetros K e α em função o tipo e polarização...3 TAB. 4. Parâmetros as configurações geométricas usaas nos moelos aotaos...68

12 LISTA DE ABREVIATURAS E SÍMBOLOS ABREVIATURAS Eo - campo elétrico em espaço livre p t - potência transmitia g t - ganho a antena transmissora - istância entre o transmissor (ou ERB) e receptor (ou EM) Ao - atenuação em espaço livre p r - potência recebia f - freqüência R F - coeficiente e reflexão e Fresnel para onas planas h - folga entre o obstáculo e o raio a ª Zona e Fresnel r - raio a ª Zona e Fresnel - istância entre a ERB ( ou transmissor) e a esquina (ou obstáculo) - istância a esquina (ou obstáculo) até a EM (ou receptor) A tp - atenuação sobre terra plana h - altura a antena o transmissor h - altura a antena o receptor A - atenuação evio a ifração por uma aresta (tg) A C - atenuação evio a chuva A m - atenuação meiana Amur - atenuação meiana urbana G h b - ganho a altura a antena a ERB G h m - ganho a altura a antena a em F c - fator e correção para área suburbana ou rural Abu - atenuação básica meiana e propagação h m - altura a antena a EM

13 h b - altura a antena a ERB a ( h m ) - função que epene a altura a antena a EM A bs - atenuação meiana em área suburbana A br - atenuação meiana em área rural A bu - atenuação meiana em área urbana w - largura a rua one está localizaa a ERB w - largura a rua one está localizaa a EM H B - altura o préio one se processa a ifração nas vizinhanças a estação móvel l r - parâmetro que epene o coeficiente e reflexão as faces os préios H bb - altura méia a antena a ERB com relação à altura as construções em seu entorno A - parâmetros que moelo a influência as construções H bb - altura méia a antena a ERB com relação à altura as construções em seu entorno b - espaçamento entre colunas e préios c m - parâmetro que varia em função o grau e urbanização A - atenuação evio a contribuições causaas pela ifração associaa à urbanização a área em estuo A - atenuação evio a contribuições causaas pela ifração associaa à urbanização a área em estuo H mm - altura méia as construções nas vizinhanças a estação móvel h bo - altura a antena a ERB em relação ao solo H mb - altura a méia as construções nas vizinhanças a ERB SÍMBOLOS β - ângulo a esquina entre as ruas principal e transversal φ - ângulo entre o eixo a rua e a ireção o raio inciente ε r - permissiviae elétrica σ - conutiviae 3

14 λ - comprimento e ona γ - atenuação específica k - parâmetro a UIT que epene o tipo e polarização e a freqüência α - parâmetro a UIT que epene o tipo e polarização e a freqüência 4

15 LISTA DE SIGLAS G Seguna Geração e Sistemas Móveis Celulares 3G Terceira Geração e Sistemas Móveis Celulares CCC Central e Comutação e Controle EM Estação Móvel ERB Estação Raiobase IMTS Improve Mobile Telephone System ITU International Telecommunication Union PCS Personal Communication System TM Terminal Móvel UIT União Internacional De Telecomunicações UMTS Universal Mobile Telecommunication System 5

16 RESUMO Nos últimos anos a emana por serviços e comunicações móveis tem crescio e moo significativo. Embora o serviço telefônico aina preomine, com a popularização os terminais móveis, a transmissão e aos (mensagens curtas, correio eletrônico, acesso à Internet, etc.) está assumino uma posição relevante no mercao. Os sistemas móveis e ª geração (G) e a geração e transição (,5G) ocupam atualmente as faixas e 800 / 900 MHz e,8 /,9 GHz, esta última prevista também para a 3ª geração (3G). O aumento crescente que se observa na capaciae os sistemas móveis e a possibiliae e congestionamento o espectro em UHF são fatores que justificam investigar a utilização e freqüências mais elevaas, one o problema a largura a faixa e transmissão é menos restritivo. Por outro lao, é e se esperar que, inicialmente, a necessiae e expansão o espectro para os serviços móveis seja crítica em áreas urbanas. Neste contexto este trabalho propõe um proceimento e cálculo a atenuação e propagação em áreas urbanas, aplicável na faixa e a 5 GHz, na conição e haver ou não visibiliae entre os terminais. O estuo esenvolvio está funamentao nos conceitos básicos e propagação (espaço livre, ifração, reflexão e espalhamento) e tem por referência a experiência acumulaa nos moelos utilizaos entre 800 e 000 MHz. Objetivano a maior generaliae possível, o métoo proposto inclui iversos fatores ambientais, tais como, alteração o nível e reflexão os sinais em função o fluxo e veículos em eslocamento nas vias públicas, ifração lateral nos préios que limitam o espaço e propagação em áreas urbanas, atenuação pela vegetação utilizaa na urbanização e efeito e espalhamento causao por movimentação e peestres nas calçaas, pela fiação a ree elétrica, por sinais e trânsito, etc. Aicionalmente, uma vez que são consieraas freqüências acima e 0 GHz, o efeito a atenuação por chuva é também levao em conta. 6

17 ABSTRACT In the last years the eman for services of mobile communications has increase in the significant way. Although the telephonic service still preominates, with the popular mobile terminals, the transmission of ata (short messages, , access to the Internet, etc.) it is assuming an excellent position in the market. The mobile systems of ª generation (G) an the generation of transistion (,5G) occupy the bans of 800 / 900 MHz an,8/,9 GHz, this last one also foreseen for 3ª generation (3G). The increasing increase that if observes in the capacity of the mobile systems an the possibility of congestion of the specter in UHF are the factors that they justify to more investigate the use of higher frequencies, where the problem of the banwith of the transmission is less restrictive. On the other han, it is of if waiting that, initially, the necessity of expansion of the spectrum for the mobile services is critical in urban areas. In this context, this work consiers a proceure of calculation of the attenuation of propagation in urban areas, applicable in the ban of at 5 GHz, in the conition to have or not visibility between the terminals. The evelope stuy free space is base on the basic concepts of propagation (free space, iffraction, reflection an scattering) an have for reference the experience accumulate in the moels use between 800 an 000 MHz. Objectifying the possible generality, the consiere metho inclues iverse factors ambient, such as, alteration of the level of reflection of the signals in function of the flux of vehicles in isplacement in the public ways, sie iffraction in the builing that limit the space of propagation in urban areas, attenuation for the vegetation use in the urbanization an effect of scattering cause for the motion of peestrians in the siewalk, for the wire of the electric net, for transit signals, etc. Aitionally, for frequencies above of 0 GHz, the effect of the attenuation for rain also is taken in account. 7

18 INTRODUÇÃO Nos últimos anos a emana por serviços e comunicações móveis tem crescio e moo significativo. Embora o serviço telefônico aina preomine, com a popularização os terminais móveis portáteis, a transmissão e aos (mensagens curtas, correio eletrônico, acesso a internet, etc.) está assumino uma posição relevante no mercao. No contexto os serviços e aos, o aumento a taxa e transmissão requer maior largura a faixa o canal e RF, implicano em uma ampliação o espectro e freqüência isponível para o serviço. Os sistemas móveis celulares atuais e ª geração (G) e e transição (,5G) ocupam atualmente as faixas e 800/900MHz e,8/,9ghz. Embora esta última faixa, esignaa genericamente por GHz, esteja prevista para acomoar também os sistemas e 3ª geração (3G), outras faixas e freqüências estão seno investigaas. Com isto espera-se atener não apenas à expansão para 3G, mas também à 4ª geração que everá acontecer, provavelmente, entre 00 e 05. Em que pesem as ificulaes operacionais para emprego em serviços que exijam mobiliae, estuos sobre as características e propagação estão seno realizaos em freqüências superiores a GHz. É claro que a utilização e freqüências não muito acima e GHz seria ieal para tais serviços, porquê acima esta faixa temos restrições na área cobertura e no emprego as antenas. Entretanto, o congestionamento o espectro obriga que sejam pesquisaas outras faixas e freqüências com maiores problemas para a aplicação esejaa. Desta forma, as questões relativas à efinição as áreas e cobertura, ao imensionamento os terminais móveis, especialmente as antenas, etc. evem ser enfrentaas objetivano remover os obstáculos que possam impeir a evolução as futuras gerações as comunicações móveis. 8

19 . SISTEMAS PONTO-ÁREA Relativamente ao posicionamento os terminais em um enlace raioelétrico, os sistemas e comunicações poem ser classificaos como: a) Ponto-a-ponto quano os terminais estão fixos e a trajetória a energia se faz ao longo o perfil traçao entre o transmissor e receptor; b) Ponto-área quano há mobiliae e um os terminais que poerá localizar-se em qualquer posição entro e uma eterminaa área. Os sistemas móveis são o tipo ponto-área e o terminal fixo é enominao estação ráio base (ERB). Nesta situação, o sistema eve ser imensionao através e um proceimento estatístico objetivano a melhor cobertura possível a área esejaa. Os sistemas atuais procuram cobrir entre 90 e 95% a área em questão. Funamentalmente, os moelos utilizaos no cálculo e propagação ponto-área poem ser classificaos em eterminísticos, empíricos e semi-empíricos. Relativamente aos moelos eterminísticos, estaca-se a técnica e traçao e raios (RUSTAKO et alli,99) como ferramenta que possibilita obter cálculo bastante preciso a atenuação entre os pontos e transmissão e recepção. Entretanto, esta precisão epene a isponibiliae e informações etalhaas sobre a urbanização a área em estuo. Além isso, o cálculo é feito através e um software específico, que eve ser ajustao em função a geometria e caa caso. No caso os moelos empíricos e semi-empíricos, a necessiae e informação sobre a urbanização é menos crítica. É claro que existem moelos este tipo one é imprescinível um certo etalhamento os aos locais. Entretanto, lançano-se mão a experiência acumulaa sobre o assunto e utilizano como referência os fenômenos básicos e propagação (reflexão, ifração e espalhamento) é possível estruturar moelos a partir e um conjunto mínimo e parâmetros, usualmente isponíveis nos órgãos responsáveis pela urbanização as vias públicas. 9

20 . OBJETIVO Esta issertação tem por objetivo propor uma metoologia para o cálculo a atenuação e propagação ponto-área a ser utilizaa na faixa e a 5 GHz. Esta proposta tem por base o conhecimento os fenômenos básicos e propagação citaos anteriormente, assim como a experiência proveniente os moelos pontoárea atualmente utilizaos em UHF (800, 900 e 000MHz). Consierano que a aplicação e freqüências acima e GHz everá ser concentraa, pelo menos inicialmente, em áreas urbanas, além e aspectos básicos associaos à geometria a urbanização (tais como, reflexão no solo, ifração em esquinas, etc.), foram levaas em conta características específicas o ambiente e propagação (vegetação, fluxo e viaturas, peestre em eslocamento nas calçaas, etc.). Aicionalmente, uma vez que são consieraas freqüências acima e 0 GHz, o efeito a atenuação por chuva é também levao em conta..3 HISTÓRICO Ao se fazer um retrospecto a evolução as comunicações móveis, observa-se que os Laboratórios o Sistema Bell (Bell System Laboratories USA) tiveram uma posição relevante no processo. Isto porque, após a ª Guerra Munial, o esenvolvimento realizao com finaliaes militares foi transferio para aplicações civis, objetivano o retorno o capital investio, o aproveitamento as instalações fabris e implantação e sistemas avançaos e comunicações, estacano-se melhor qualiae e maior capaciae e transmissão, confiabiliae, mobiliae, etc. Embora os Laboratórios o Sistema Bell tenham atuao em praticamente toos os segmentos a tecnologia em questão, alguns exemplos a seguir ilustraram apenas à parte e propagação e sistemas. Um os primeiros trabalhos nesta linha foi publicao por Bullington em 950. Neste trabalho, Bullington reuniu, em fórmulas e gráficos, a experiência isponível na época, analisano problemas envolveno atenuação o sinal, interferências, etc. 0

21 Dois anos mais tare, Young emonstrou a aequação a freqüência e 900MHz para comunicações móveis, quano os sistemas existentes operavam, no máximo, em 450MHz. Cumpre acrescentar que Young investigou também a possibiliae e utilizar a freqüência e 3,7GHz que, no entanto, apresentava aina algumas ificulaes tecnológicas para tal aplicação. Neste contexto, a síntese funamental as ativiaes e pesquisa e esenvolvimento entre as écaas e 30 e 60 foi o número especial o Bell System Technical Journal, em janeiro e 970, conteno um número significativo e artigos abrangeno o conceito e célula, cobertura e áreas, planejamento e sistemas, equipamentos, etc, que constituiu a base para implementação o sistema AMPS (Avance Mobile Phone System). Fora os Laboratórios o Sistema Bell, mas aina no períoo que anteceeu a introução os sistemas celulares, vale estacar os trabalhos e Egli, e Okumura at alli. Com base em um moelo e terra plana, ajustao experimentalmente, Egli esenvolveu um estuo para imensionamento e sistemas móveis entre 40 e 000MHz. Foi um trabalho abrangente, incluino também aspectos associaos à variabiliae a intensiae o sinal com a mobiliae a viatura. Por sua vez, o trabalho e Okumura tornou-se uma referência obrigatória em qualquer texto que trate e aspectos e propagação em sistemas o tipo ponto-área. Apesar e publicao há mais e 30 anos, continua atual e e extrema utiliae para usuários interessaos na estimativa a atenuação e propagação em iferentes ambientes. Em trabalho posterior, Hata trauziu, através e fórmulas matemáticas, os gráficos e Okumura, facilitano o cálculo rápio a atenuação com o emprego e calculaoras portáteis. A partir a écaa e 70, houve um crescimento significativo a literatura técnica na área e comunicações móveis. Alguns moelos, consieraos mais representativos são escritos no Capítulo 3, como subsíio para funamentar o esenvolvimento o proceimento e cálculo aotao para a estimativa a atenuação o sinal entre e 5GHz, objetivo principal essa issertação.

22 .4 ROTEIRO Teno em vista o objetivo estabelecio, foi aotao o seguinte roteiro. Após esta introução, o Capítulo conceitua os fenômenos básicos e propagação sobre os quais estão funamentaos os moelos e cálculo trataos nos Capítulos 3 e 4.O Capítulo 3 escreve e compara iversos moelos e propagação ponto-área isponíveis na literatura técnica para avaliar a atenuação o sinal na faixa e freqüência entre 800 e 000MHz. Com base no conhecimento estabelecio anteriormente, o Capítulo 4 esenvolve um métoo para o cálculo a atenuação e propagação ponto-área aplicável na faixa e a 5 GHz, em região urbana, na configuração one a antena a ERB está abaixo o nível méio os préios e supono a existência ou não e visibiliae entre os terminais. O Capítulo 5 estaca as principais conclusões o trabalho apresentao e comenta alguns itens que poerão ar continuiae ao tema aborao nesta issertação. Em complementação, o APÊNDICE apresenta a solução empírica, relativa à propagação em trajetos mistos, a qual foi utilizaa no métoo e cálculo proposto no Capítulo 4, enquanto o APÊNDICE etalha o programa empregao no cálculo a ifração nas arestas e préios, elaborao com base na TGD (Teoria Geométrica a Difração). O texto é concluío com a relação as referências utilizaas nos iversos capítulos o trabalho.

23 FUNDAMENTOS DE PROPAGAÇÃO Este capítulo tem por finaliae estabelecer a base conceitual que funamenta os moelos e propagação utilizaos na solução e problemas práticos. Neste contexto, inicialmente são introuzios os fenômenos básicos e propagação, a saber: reflexão, ifração e espalhamento. A seguir, são apresentaos os mecanismos e propagação ponto-a-ponto que servem e referência para interpretação os moelos ponto-área empregaos em comunicações móveis. Finalizano, faz-se menção ao esvanecimento os sinais. Trata-se, e um tema complementar ao texto, uma vez que não está incluío nos objetivos o presente trabalho.. CONCEITOS BÁSICOS O mecanismo mais elementar e propagação e uma ona eletromagnética correspone a conição e espaço livre, one naa afeta a trajetória a energia entre o transmissor e o receptor. Obviamente, trata-se e uma conição iealizaa, pois é intuitivo concluir sobre os efeitos que o relevo o terreno, a vegetação, as construções em áreas urbanas e suburbanas as ciaes, etc, poem causar na energia em propagação. De uma forma geral, três fenômenos básicos evem ser estacaos: reflexão, ifração e espalhamento ou ifusão. a) Reflexão quano a ona eletromagnética incie na superfície e separação e ois meios, parte a energia é refletia e parte é transmitia, penetrano no seguno meio. as parcelas corresponentes e energia são calculaas através os coeficientes e reflexão e transmissão (refração). Tais coeficientes epenem as proprieaes elétricas os meios em questão (permissiviae elétrica, permeabiliae magnética e conutiviae), a polarização a ona, a freqüência e o ângulo e inciência sobre a superfície e 3

24 separação, a qual eve ter imensões muito maiores o que o comprimento e ona. Este fenômeno é usualmente analisao pela óptica geométrica, fazeno-se uso a teoria e raios, seno e funamental importância nos enlaces em visibiliae. Nesta situação, as onas refletias no solo e nas parees os préios fazem variar a intensiae o sinal recebio relativamente a ona que se propaga em espaço livre; b) Difração é o fenômeno responsável pela existência e energia na região e não visibiliae e um obstáculo. A intensiae o campo ifratao apresenta um valor sempre inferior ao que seria obtio em espaço livre. Matematicamente, o cálculo a atenuação por ifração é mais complexo o que avaliar os efeitos a reflexão e transmissão os sinais. Para freqüências elevaas existe uma formulação matemática equivalente à óptica geométrica citaa anteriormente, enominaa Teoria Geométrica Da Difração (TGD). Quano se emprega esta teoria na solução e um eterminao problema, utiliza-se um coeficiente e ifração que epene e iversos parâmetros, entre estes epene também os mesmos parâmetros relacionaos para os coeficientes e reflexão e transmissão. Através a ifração pelo relevo o terreno e nas quinas os préios, poe-se cobrir áreas e sombra e um transmissor; c) Espalhamento acontece quano o meio one se propaga a energia possui obstáculos com imensões a orem ou inferior ao comprimento e ona. Relativamente aos fenômenos a reflexão e a ifração, a análise teórica o espalhamento é bem mais complexa e ser estruturaa, razão pela qual os moelos empregaos na prática são, em geral, empíricos obtios a partir e aos experimentais. O espalhamento pela vegetação, por fios a ree elétrica, por sinais e trânsito, etc., são exemplos e interesse para as comunicações móveis. 4

25 . PROPAGAÇÃO EM ESPAÇO LIVRE Embora tenha por base uma conição iealizaa, a propagação em espaço livre possui uma aplicação prática bastante relevante, particularmente em freqüências elevaas. Aicionalmente, constitui referência para outros mecanismos e propagação. a intensiae o campo elétrico em conições e espaço livre é aa por (ASSIS, 998), E o 30 pt gt = (.) seno p t potência transmitia g t ganho a antena transmissora istância entre o transmissor e receptor Por outro lao, supono antenas isotrópicas na transmissão (g t = ) e na recepção (g r =), tem-se para atenuação em espaço livre, A o pt = 0 log = 3,4 + 0log f ( MHz) + 0log ( km) p (.) r one p r potência recebia; f freqüência em GHz; istância em m.3 PROPAGAÇÃO SOBRE TERRA PLANA Desprezano a ona e superfície, o móulo a intensiae e campo elétrico acima e uma terra plana perfeitamente lisa (FIG..) é aa por (LEE, 998),.π j λ = Eo + RFe E (.3) one 5

26 e o intensiae e campo elétrico em espaço livre; r f coeficiente e reflexão e Fresnel para onas planas; =. π. h. h λ. Para o caso em que a ona tem polarização horizontal e vertical, o coeficiente e reflexão é ao, respectivamente, por, ( Φ) η cos ( Φ) ( Φ) + η cos ( Φ) sen R F =, para polarização horizontal (.4a) sen ( ) η ( ) η ( Φ) η cos ( Φ) ( Φ) + η cos ( Φ) sen R F =, para polarização vertical (.4b) sen seno η = ε j60σλ ; r ε r - permissiviae relativa a superfície; σ - conutiviae a superfície. FIG.. Moelo e propagação em terra plana, traçao e raios. Nos casos e interesse prático, o ângulo e inciência (Φ) é muito próximo e zero. Nesta situação, inepenentemente a polarização, o coeficiente e reflexão poe ser aproximao por e a EQ..3 se reuz a,. π. h. h E = Eo sen (.5) λ. 6

27 De acoro com a EQ..5, fixano-se as alturas as antenas e o comprimento e ona, a variação e E em função a istância apresenta o comportamento mostrao na figura.. FIG.. Comportamento o campo elétrico na região e interferência e na região e ifração Depeneno o posicionamento o receptor em relação ao transmissor, uas regiões istintas poem ser estacaas nesta figura: a) Região e interferência one a soma fasorial os raios ireto e refletio provoca variações o campo elétrico em torno o seu valor em espaço livre; b) Região e ifração one a intensiae e campo elétrico é sempre inferior ao espaço livre, ecresceno monotonicamente com a istância. É fácil mostrar que o ponto e separação entre as regiões e interferência e ifração correspone a uma folga h (relativamente ao ponto e reflexão mostrao na FIG..) aa por, 7

28 H=0,6R (.6) one r=[λ /] / é o raio a primeira zona e fresnel. as istâncias e estão efinias na FIG.. Na região e ifração é vália a aproximação,. π. h. h sen λ.. π. h. h (.7) λ. Conseqüentemente, a EQ..5 poe ser escrita, π. hh E o 4. E = (.8) λ A partir a EQ..8 chega-se, então, à seguinte equação para atenuação em relação à terra plana, 4 A tp = 0log = 40log ( m) 0log h ( m) 0log h ( m) (.9) h h.4 DIFRAÇÃO Em áreas rurais, one as irregulariaes o terreno são as principais responsáveis por efeitos e ifração na propagação a energia, o obstáculo gume e faca (FIG..3) constitui um moelo simples e prático para avaliar a atenuação o sinal. De acoro com este moelo, a atenuação em relação ao espaço livre em função a folga ou obstrução e percurso (h/r) tem por expressão, ( ) ( ) B = Ao + Agf = Ao + 6,9 + 0log vo 0, + + vo 0, A ;v o >-0,7 (.0) one A o atenuação em espaço livre, aa pela EQ.. A gf atenuação evio à ifração por gume e faca v o H = = θ ; θ<0, ra R λ 8

29 FIG..3 Difração por um obstáculo gume e faca Nas áreas urbanas e suburbanas as ciaes, as quinas os préios e resiências não se ajustam rigorosamente a obstáculos o tipo gume e faca haveno necessiae e se ispor e um moelo geométrico que melhor se aproxime a situação real. A hipótese a ifração por uma aresta tem mostrao resultaos satisfatórios para resolver este problema. De acoro com a teoria geométrica a ifração a atenuação relativa ao espaço livre para a aresta a FIG..4 é aa por, A one E UTD seno s. EUTD = 0log (.) exp exp = s ( j. ks) ( jks ) D s s ( s + s ) exp ( jks ) E UTD - campo elétrico no ponto e observação; s - istância relativa entre a aresta e ifração e a fonte; s - istância a aresta ao ponto e observação; ifração; s - istância total entre fonte e ponto e observação passano pela aresta e k - número e ona π λ ; D - coeficiente e ifração na aresta e efinia por (ERCEG et alli, 994), 9

30 D one exp = n ( jπ 4) πk ( Φ Φ ) π + cot n π + cot n π + Ro cot π + + Rn cot F ( Φ Φ ) Φ - ângulo inciente (ver FIG..4) Φ - ângulo ifratao (ver FIG..4) n - ângulo externo à aresta ( Φ + Φ ) ( Φ + Φ ) n n + ( kla ( Φ Φ )) F ( kla ( Φ Φ )) F F ( kla ( Φ + Φ )) ( ( )) + kla Φ + Φ (.) A integral e Fresnel F ( x) e emais parâmetros escritos na EQ.. são aos por, F L ( x) =. j. x.exp( jx). exp( j. t ) x t (.3) s. s s + s = (.4) ± ±. n. π. N β a (.5) ( β ) = cos β = Φ ± (.6) N ± Φ β ± π =. n. π (.7) Os coeficientes e reflexão são aos pelas EQ..4a e EQ..4b, mas os parâmetros são aos por, Φ = Φ para o R e Φ = ( π ) n. Φ para R n ε r - constante ielétrica relativa a aresta σ - conutiviae a aresta em s/m 30

31 FIG..4 Geometria para aplicação a TGD em ifração por uma aresta.5 EFEITO DA VEGETAÇÃO Na análise este problema poe-se ientificar 3 (três) moelos istintos: a) árvore isolaa ; b) fileira e árvores ; c) parques e bosques urbanos. O efeito e árvores isolaas e e fileiras e árvores, tem sio investigao através e formas geométricas específicas, tais como: cilinros, cones e esferas. Em que pese o rigor matemático os moelos esenvolvios teoricamente, na prática, teno por base aos experimentais, é simples incorporar os efeitos e espalhamento e absorção a outros (fios elétricos, sinais e trânsito, etc) que também prejuicam a propagação ao longo e vias públicas. Este proceimento foi aotao na efinição o moelo proposto nesta issertação, o qual é iscutio no Capítulo 4. No que se refere a bosques urbanos, teno em vista a maior área afetaa, há necessiae e uma solução específica. Consierano a faixa e freqüências a ser coberta ( a 5 GHz), sugere-se que seja aotao o moelo e Weissberger (BLAUSTEIN,000), estabelecio a partir e meias entre 30MHz e 95GHz. e acoro com este moelo, a atenuação (A v ) em relação ao espaço livre é aa por, A v 0,84 ( B) 0,45 f v = v < 4m (.8a) 3

32 v 0,84 0, 588 ( B),33 f v A = 4 m < 400m (.8b) one v é a istância coberta e vegetação e f a freqüência em MHz..6 ATENUAÇÃO POR CHUVA O ponto e partia para a estimativa o efeito a chuva em enlaces raioelétricos é a atenuação específica (γ), em B/km e expressa por, γ α = kr (.9) one r é a taxa e precipitação em mm/h e k e α são parâmetros que epenem, em primeira aproximação a freqüência e a polarização o sinal. A TAB.. mostra os valores estes parâmetros para a faixa e a 40GHz (ASSIS,998). TAB.. Valores os parâmetros k e α em função o tipo e polarização FREQÜÊNCIA (GHz) k h k v α h α v 0, , ,9 0,880 0, , ,963 0,93 4 0, ,00059,, ,0075 0,0055,308,65 7 0,0030 0,0065,33,3 8 0, ,00395,37,30 0 0,00 0,00887,76,64 0,088 0,068,7,00 5 0,0367 0,0335,54,8 0 0,075 0,069,099, ,4 0,3,06, ,87 0,67,0, ,63 0,33 0,979 0, ,350 0,30 0,939 0,99 3

33 A ificulae funamental na avaliação a atenuação causaa por chuva em um enlace está associaa à variabiliae espacial a taxa e precipitação. Existem na literatura técnica inúmeros moelos que, com maior ou menor complexiae, procuram resolver este problema entro e uma precisão aceitável (UIT-R P.530-7,997). Entretanto, consierano que em freqüências superiores a 0GHz é e se esperar que a cobertura a ERB não ultrapasse um raio e km, é bastante razoável supor uma istribuição uniforme a chuva ao longo o percurso. Com esta aproximação, a atenuação em relação ao espaço livre é aa por, ( B) γ A c =. (.0) one é a istância entre a ERB e o terminal móvel. A variabiliae temporal a chuva é levaa em conta a partir o conhecimento a istribuição estatística a taxa e precipitação. Por exemplo, a FIG..5 mostra, para o Brasil, a taxa e precipitação ultrapassaa em 0,0% o tempo (base anual). Uma vez que não existe um critério paronizao que estabeleça a percentagem e tempo a ser utilizaa em um caso específico, sugere-se empregar a taxa efinia na FIG DESVANECIMENTO Embora o objetivo esta issertação esteja concentrao na análise a atenuação meiana o sinal em enlaces ponto-área, cumpre estacar alguns comentários sobre o problema a variabiliae a intensiae o sinal associaa à mobiliae o terminal móvel. Tais variações, enominaas genericamente por esvanecimento, poem ser classificaas como e pequena escala (observaas em janelas a orem e ezenas e comprimentos e ona) e e grane escala (janelas e centenas e comprimentos e ona). As variações e grane escala estão associaas a: a) variação o valor meiano o sinal em função a istância entre o transmissor e o receptor; b) variação o valor meiano que se observa quano a istância transmissor-receptor se mantém fixa e o terminal móvel percorre uma circunferência e centro no transmissor. O esvanecimento e grane escala é 33

34 causao por obstáculos, naturais ou não, tais como elevações o terreno, construções, vegetação, etc, que se encontram no trajeto entre o transmissor e o receptor. No caso e freqüências acima e 0GHz há que se consierar também o efeito a precipitação pluviométrica. Os resultaos experimentais mostram que este esvanecimento obeece a uma istribuição e probabiliae log-normal com esvio parão entre 4 e B (OKUMURA et alli, 968). FIG..5 Taxa e precipitação, em mm/h, exceia em 0,0% e um ano méio As variações e pequena escala são causaas pela multipliciae e percursos, por reflexão, ifração ou espalhamento, a energia entre o transmissor e o receptor (esvanecimento multipercurso) e à mobiliae entre transmissor e receptor (esvio Doppler). O esvanecimento multipercurso provoca uma ispersão 34

35 o sinal que constitui um problema crítico no caso e sistemas igitais e faixa larga (interferência entre símbolos). Por outro lao, o esvio Doppler introuz uma variação temporal no canal e propagação que aumenta a freqüência e ocorrência e esvanecimentos profunos, aumentano conseqüentemente a taxa e erros na recepção. Maiores etalhes sobre o esvanecimento e pequena escala poem ser encontraos em Rappaport, (RAPPAPORT, 996) 35

36 3 PROPAGAÇÃO PONTO-ÁREA NAS FAIXAS DE 800, 900 E 000MHz Este capítulo escreve e compara iversos moelos e propagação ponto-área isponíveis na literatura técnica para avaliar a atenuação o sinal na faixa e freqüência entre 800 e 000MHz. O estuo esenvolvio tem por finaliae estabelecer uma base e conhecimento para a estruturação o moelo a ser proposto para a faixa e a 5 GHz, que constitui o objetivo essa issertação. O texto esta iviio em uas partes, teno por referência o posicionamento a antena a ERB. Isto porque, a altura a ERB representa um parâmetro e extrema relevância no imensionamento e um sistema celular. Antenas elevaas poem aumentar o raio e cobertura, embora aumente o risco e interferência co-canal. Conseqüentemente, há necessiae e se estabelecer uma relação e compromisso que possibilite obter um posicionamento otimizao. Por outro lao, nas áreas urbanas e suburbanas as ciaes, este posicionamento poe alterar totalmente o tipo e cobertura a célula. Quano a antena situa-se acima a altura méia os préios a cobertura, epeneno a iretiviae a antena utilizaa, poe ser omniirecional ou setorial. Esta situação moifica-se totalmente se a antena a ERB estiver localizaa abaixo o nível méio os préios, quano a cobertura se restringe à rua principal (longituinal) e às ruas transversais, em profuniae menor, epeneno o efeito a ifração nas esquinas. Obviamente, epeneno o tipo e célula a ser coberta, isto é, a altura a ERB, proceimentos istintos para o cálculo a atenuação evem ser aotaos. Os sistemas móveis e ª e ª gerações foram implementaos nas faixas e 800 e 900 MHz com as antenas as ERBs localizaas acima o nível méio os préios. Com o aumento e tráfego, houve uma reução progressiva o raio e cobertura até a introução o conceito e microcélula, levano a uma situação one é mais aequao posicionar a ERB abaixo o nível méio os préios. Posteriormente, com a utilização a faixa e 000MHz, esta conição tomou vulto, haveno uma reformulação significativa na metoologia e cálculo a atenuação e propagação. Este problema será iscutio a seguir, tomano por base alguns moelos utilizaos nas faixas e 800, 900 e 000MHz. 36

37 3. ANTENA DA ERB ACIMA DO NÍVEL MÉDIO DOS PRÉDIOS Nesta situação é usual empregar proceimentos empíricos ou semi-empíricos no cálculo a atenuação, one os aos experimentais isponíveis são responsáveis por uma parcela significativa a precisão o moelo aotao. Os moelos iscutios a seguir foram esenvolvios nesta linha e raciocínio 3.. RESULTADOS EXPERIMENTAIS DE YOUNG Embora sem efinir um proceimento e cálculo genérico, aplicável em uma situação qualquer, as meias publicaas por Young abriram horizontes no que iz respeito às possíveis faixas e freqüências a serem utilizaas nos sistemas móveis. A FIG. 3. mostra os resultaos obtios nas faixas e 50, 450 e 900MHz. Cumpre observar que estas figuras foram eitaas a partir o texto original e Young, one apenas as escalas horizontal e vertical foram trauzias para o português. Daí, a utilização a uniae milha na efinição a istância ao transmissor. Estas meias corresponem a uma antena ipolo e meia ona, localizaa a uma altura e 35m na transmissão e um monopolo e um quarto e ona na recepção. No texto, não há uma inicação clara a altura a antena e recepção. Entretanto, como foi utilizao um veículo o tipo utilitário poe-se estimar esta altura em metros. Relativamente à freqüência e 3700MHz, evio às limitações e potência e transmissão e e sensibiliae o receptor não foi possível traçar curvas similares às obtias em freqüências mais baixas. Apenas algumas meias para pontos específicos foram estacaas. Entretanto, é inegável que o trabalho e Young foi pioneiro no que se refere à utilização a faixa e SHF em comunicações móveis. 37

38 a) 50MHz b) 450MHz 38

39 c) 900MHz FIG. 3. resultaos experimentais e Young 3.. RESULTADOS EXPERIMENTAIS DE OKUMURA O trabalho publicao por Okumura et alli (MELLO, 00) foi bastante abrangente, cobrino iversos ambientes, ou seja, áreas urbanas e suburbanas e Tóquio e localiaes vizinhas, áreas rurais e características peculiares o terreno, tais como, percurso inclinao, relevo irregular e trajetos mistos (terra-mar). As meias foram realizaas nas freqüências e 00, 453, 9, 30, 430 e 90 utilizano nas ERBs antenas com altura efetivas entre 30 e 000 metros. A altura efetiva e uma antena é efinia por, a) h e =h t, para h t > h; b) h e =h, para h t <h one h altura a antena em relação à cota e sua base; h t altura a antena em relação ao nível méio o terreno avaliao entre 3 e 5Km a partir a base consieraa. 39

40 No que se refere à antena a uniae móvel foram utilizaas altura entre e 0 metros e moo que os resultaos fossem úteis também para raioifusão. As figuras FIG. 3. e FIG. 3.3 apresentam curvas que permitem o cálculo a atenuação meiana e propagação em função as características a área a ser coberta (urbana, suburbana ou rural), a freqüência, o raio a célula, as alturas as antenas a ERB e a uniae móvel. FIG. 3. Atenuação meiana em área urbana FIG. 3.3 Ganho e altura a antena a ERB 40

41 A FIG. 3. fornece o valor a atenuação meiana urbana para alturas a ERB e a estação móvel e, respectivamente, 00m e 3m. Para outras alturas, ajusta-se a atenuação meiana através as FIG. 3.3 e FIG FIG. 3.4 Ganho e altura a antena a estação móvel FIG. 3.5 Fator e correção para áreas abertas. 4

42 Finalmente, a correção para área suburbana ou área rural é obtia na FIG Assim, em uma situação qualquer, a atenuação meiana em relação ao espaço livre é aa por, A m one ( B) A ( B) G ( B) G ( B) F ( B) = (3.) mur hb A mur - atenuação meiana urbana e referência (B) F c - fator e correção para área suburbana ou rural (B) hm c 3..3 MODELO DE OKUMURA-HATA Este moelo empírico foi esenvolvio por Hata ajustano fórmulas matemáticas aos resultaos gráficos e Okumura. Dentro os limites estabelecios por Hata, praticamente não há iferença entre os gráficos e as fórmulas corresponentes. Com este proceimento, o cálculo através e computaor os resultaos e Okumura tornou-se extremamente simples. Vale ressaltar, que o equacionamento e Hata consiera a atenuação básica meiana e propagação ( A b ) que correspone ao valor obtio através a EQ. 3. acrescio a atenuação e espaço livre. e acoro com Hata, tem-se então para uma área urbana ( A bu ), A bu ( B) 69,55 + 6,6 log f 3,83log h a( h ) + ( 44,9 6,55log h ) log = (3.) one f freqüência em MHz(50-500) h m altura a antena a estação móvel h b altura a antena a ERB (30-00) istância entre a ERB e a estação móvel em km(-0) b m b A função a ( h m ) epene a altura a estação móvel. no caso usual e h m, 5m =, esta função é igual a zero. Para outros valores e h m a função ( ) aa por, a é h m 4

43 a) Ciaes pequenas e méias a ( h ) = (,log f 0,7) h (,56 log f 0,8) m m (3.3a) b) Ciaes granes ( h ) 8,9( log,54 ) m h, = m a, se f 300MHz (3.3b) ( h ) 3,( log,75 ) m h 4, 97 = m a, se f 300MHz (3.3c) No que iz respeito a áreas suburbanas e rurais, tem-se para atenuação básica meiana e propagação, a) Área suburbana ( A s ), f A ( ) ( ) log bs B = Abu B 5, 4 8 (3.4) b) Área rural ( A br ) ( B) = A ( B) 4,78( log f ) + 8,33log f 40, 94 Abr bu (3.5) 3..4 MODELO DE IKEGAMI Trata-se e um moelo semi-empírico aequao para regiões urbanas homogêneas. O cálculo a atenuação consiera apenas o efeito a ifração na quina o préio imeiatamente anterior a estação móvel. A FIG. 3.6 ilustra esta situação, one se observa que o campo no ponto e recepção é ao pela soma e uas contribuições, uma corresponente ao raio ireto e outra associaa ao raio refletio na paree oposta. Apesar e simples, este moelo mostrou resultaos satisfatórios na comparação e aos experimentais. Além os parâmetros básicos (freqüência e istância), o moelo epene e características locais e urbanização (altura méia os préios e largura a rua), a orientação a trajetória a energia (ângulo φ na FIG. 3.6) e a altura a estação móvel. Cumpre assinalar que não há epenência com a altura a ERB, pois a energia propaga-se acima os préios na superposição e onas planas. De acoro com Ikegami (CÁTEDRA et alli, 999), a atenuação básica meiana é aa por, 43

44 A bu ( B) 0log w one = 6, log f + 0log f freqüência (MHz) 3 + 0log 0log + lr ( H h ) + 0log( senφ ) B m istância entre a ERB e a estação móvel (km) w largura a rua one esta localizaa a estação móvel h b altura o préio one se processa a ifração nas vizinhanças a estação móvel (ver figura 3.6) h m altura a antena a estação móvel φ ângulo entre o eixo a rua e a ireção o raio inciente (em graus) (3.6) l r parâmetro que epene o coeficiente e reflexão as faces os préios Relativamente ao parâmetro l r, eve ser observao que esta pera é proporcional ao inverso o coeficiente e reflexão, para o qual poe-se supor um valor típico e 0,5. Esta conição foi utilizaa por Ikegami implicano em uma pera por reflexão e 6B (-0log0,5). FIG. 3.6 Moelo e Ikegami etalhe a geometria no ponto e recepção 44

45 3..5 MODELO DE WALFISCH-BERTONI Este moelo é também semi-empírico e aplicável a áreas urbanas homogêneas constituías e uma fileira e préios paralelos como mostra a FIG Entretanto, ifere o anterior por consierar a ifração múltipla no topo os préios, os quais são supostos obstáculos absorventes. De acoro com Walfish e Bertoni, a atenuação e propagação consiste e 3 (três) fatores: a) pera em espaço livre; b) parcela e pera associaa à propagação sobre topos os préios; c) pera por ifração na quina o último préio a fileira consieraa. Neste contexto, tem-se para a atenuação meiana e propagação, A bu one ( B) = 89,55 + log f + 38log 8log H + bb A 8log 7H bb f freqüência (MHz) istância entre a ERB e a estação móvel (km) h bb altura méia a antena a ERB com relação à altura as construções em seu entorno a termo que moela a influência as construções b A = 5log + ( H h ) B m 9logb + 0log tg ( H h ) h b altura o préio one se processa a ifração nas vizinhanças a estação móvel h m altura a antena a estação móvel (m) b espaçamento entre colunas e préios conforme inica a figura 3.7 8log 7H bb efeito a curvatura a terra B b m (3.7) (3.8) 45

46 FIG. 3.7 Geometria para o Moelo e Walfisch-Bertoni 3..6 PROJETO COST 3 Uma as soluções aotaas na Europa para estimular o esenvolvimento técnico-científico envolveno inústrias, institutos e pesquisa e universiae é conhecia pelo nome e COST (COoperation in the fiel of Scientific an Technical research). Esta cooperação é realizaa através e projetos específicos e interesses os países que pertencem à união européia. Nesta linha e ação, o Projeto COST 3 eicou-se ao estuo a evolução as comunicações móveis terrestres, englobano aspectos o sistema ráio, os problemas e propagação e e aplicações e faixa larga. Relativamente à parte e propagação, com base em meias realizaas em iversas ciaes européias, houve um esforço consierável em esenvolver métoos e preição confiáveis. Dois esses métoos serão escrito a seguir. 46

47 3..6. MODELO COST 3 OKUMURA HATA Corresponente a uma extensão a formulação empírica e Hata, objetivano cobrir a faixa e,5 a,0 GHz. O valor constante a fórmula original e Hata foi alterao e 69,55 para 46,3 e o fator e epenência com a freqüência passou a 33,9. Além isso, foi acrescentao um novo fator (C m ) para tornar a expressão aplicável em áreas urbanas ensas. Com tais moificações, a atenuação básica meiana e propagação é aa por, A + bu ( B) = 46,3 + 33,9 log f 3,8 log hb a( hm ) ( 44,9 6,55log hb ) log + CM one f freqüência em MHz ( ) h m altura a antena a estação móvel h b altura a antena a ERB (30-00) istância entre a ERB e a estação móvel em km(-0) + (3.9) Para ciaes pequenas e méias, tem-se as mesmas fórmulas e Okumura- Hata, ou seja, a ( h ) = (,log f 0,7) h (,56 log f 0,8) m m (3.0a) para ciaes granes, tem-se: ( h ) 8,9( log,54 ) m h, a, se f 300MHz (3.0b) = m ( h ) 3,( log,75 ) m h 4, 97 a, se f 300MHz (3.0c) = m C M = 3B para áreas urbanas ensas e zero nos emais casos Para áreas suburbanas e rurais, tem-se f A ( ) log bs B = Abu 5, 4 8 (3.a) Para áreas rurais, tem-se ( B) = A 4,78( log f ) + 8,33log f 40, 94 Abr bu (3.b) 47

48 3..6. MODELO COST 3 WALFISCH IKEGAMI Este moelo é aplicável nas conições e visibiliae e e não visibiliae entre os terminais. No caso e haver visibiliae, o moelo utiliza uma equação similar à e espaço livre, com coeficientes ajustaos a partir e aos experimentais provenientes e meias na Europa. Para o caso e não visibiliae, tal como no caso e Walfisch-Bertoni, a atenuação e propagação é constituía e 3 (três) parcelas: a) espaço livre; b) propagação sobre topo e préios; c) ifração na quina o préio one está localizaa a estação móvel. Com base em tais consierações, a atenuação básica meiana e propagação é aa por, A ( B) A ( B) + A ( B) A ( B) = (3.) bu o + one, Ao é a atenuação em espaço livre e as parcelas A e A são contribuições causaas pela ifração associaa à urbanização a área em estuo. ( H h ) ( φ ) A = 6,9 0log w + 0log f + 0log B m + A (3.3) one w largura a rua one se encontra o receptor h b altura méia o préio one se processa a ifração nas vizinhanças a estação móvel h m altura a antena a estação móvel ( φ ) = 0 0, 35φ A para 0 φ < 35 (3.4a) + ( ) =,5 + 0,75( φ o ) ( ) = 4 0,4 ( φ o ) A φ 35 para 35 φ < 55 (3.4b) A φ 55 para 55 φ < 90 (3.4c) one φ é o ângulo formao pela eixo a rua com a linha que interliga a ERB e a estação móvel. A = A + k + k log + k log f 9log b (3.5) a f ( + ) A = 8log h b H B para hb H B (3.6a) A = 0 para h b < H B (3.6b) k a = 54 para hb H B (3.7a) k a ( h H ) = 54 0, 8 b B para 0, 5km e h b < H B (3.7b) 48

49 k a = 54 0, 4( hb H B ) para < 0, 5km e hb H B (3.7c) k = 8 para hb H B (3.8a) k = 5 ( h h ) b B 8 para b hb hb h < (3.8b) f k f = 4 + k f (3.9) 95 O valor o parâmetro k f é e,5 para centros urbanos e 0,7 para emais situações. one istância entre a ERB e a EM km (>0m) f freqüência em MHz, 800MHz<f<000mhz 4m < h b <50m e m<h m <3m 0m < < 5km As equações 3. até 3.8 são válias para o caso sem visibiliae (NLOS). No caso e haver visibiliae, tem-se uma expressão próxima o valor em espaço livre, cujos parâmetros numéricos foram ajustaos experimentalmente, A = 4,6 + 6log + 0log f (3.0) 3..7 MODELO DE SAKAGAMI E KUBOI Moelo empírico extremamente etalhao no que iz respeito aos aos necessários e urbanização o ambiente em estuo. Tal como nos casos anteriores a caracterização o ambiente é aa pelo grau e urbanização efinio nos parâmetros utilizaos nos cálculos e atenuação. Cumpre assinalar que este moelo foi estenio por Sakawa (SAKAWA et alli,00) para aplicações em freqüências até 5GHz com resultaos plenamente satisfatórios (ver Capítulo 4). A atenuação básica meiana é aa por, 49

50 A bu ( B) = 00 7,log w H mb 4,37 3,7 0 hb + 0log f + exp 3 log H [ ( log f 3,3) ] + 0,03φ +,4 log H b + ( 43, 3,log h ) B + 6,log H b log + mm + (3.) one: w largura a rua one esta o receptor(5m<w<50m) φ ângulo o eixo a rua em relação a ona inciente (0<φ <90 ) h b altura o préio one se processa a ifração nas vizinhanças a estação móvel (5m<h b <80m) h mm altura méia as construções nas vizinhanças a estação móvel (5m<h mm <50m) h bm altura a antena a ERB em relação à antena a estação móvel (0m<h bm <00m) h b0 altura a antena a ERB em relação ao solo (h b0 >h mb ) h b altura a antena a ERB h mb altura a méia as construções nas vizinhanças a ERB f freqüência (450-00MHz) istância a ERB e a em (0,5-0km) 3..8 ANÁLISE COMPARATIVA Os moelos escritos nesta seção têm como enominaor comum o fato e a antena e a ERB estar situaa acima a altura méia os préios situaos em seu entorno. A título e ilustração, será feita a seguir uma comparação e resultaos obtios pela aplicação e tais moelos, para se ter uma iéia o esempenho e caa um, teno por base o mesmo grau e urbanização. A FIG. 3.8 apresenta para, respectivamente, 900MHz e GHz, a atenuação básica meiana e propagação em função a istância entre a ERB e a estação móvel, e acoro com os seguintes parâmetros: 50