1 Propagação em sistemas rádio móveis

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1 1 Propagação em sistemas rádio móveis O canal de comunicação rádio móvel impõe limitações fundamentais ao desempenho dos sistemas de comunicação sem fio. O percurso de transmissão entre transmissor e receptor pode variar de uma simples linha de visada a um percurso seriamente obstruído por edifícios, montanhas e vegetações. Diferente dos canais de sistemas com fios, estacionários e previsíveis, os canais de rádio são extremamente aleatórios e de difícil análise (modelagem). Os mecanismos relacionados a propagação de ondas eletromagnéticas são diversos mas geralmente atribuídos a reflexão, difração e espalhamento: Reflexão: Ocorre quando a onda propagada incide sobre objetos de dimensões bem maiores que o comprimento de onda (e.g. edifícios, paredes). Devido a reflexões múltiplas vindas de vários objetos, as ondas eletromagnéticas se propagam ao longo de diferentes percursos de comprimentos variados. A interação entre essas ondas causam desvanecimento do sinal (fading) em uma determinada região. Difração: Ocorre quando o caminho entre o transmissor e o receptor é obstruído por uma superfície pontiaguda (modelo gume de faca). As ondas secundárias resultantes do obstáculo estão presentes em todo o espaço inclusive atrás do obstáculo. O resultado desse fenômeno é um curvamento da onda, fazendo com que ela aparece em pontos fora da linha de visada. Espalhamento: Ocorre quando a onda propagante se depara com superfícies cujas irregularidades são da ordem do comprimento de onda da onda incidente. Em meios de comunicação sem fio esse fenômeno é observado quando o sinal propagante se depara com folhagens, fios, etc. 1.1 Modelos de Propagação Os modelos de propagação têm tradicionalmente sido focados na predição da potência média de sinal recebido a uma certa distância do transmissor, bem como, na variabilidade do sinal em uma área fechada próxima a uma localização particular. Assim, tem-se: 1. Modelos de Larga Escala: Modelos para a predição da potência média do sinal numa distância de separação arbitrária entre transmissor e receptor. A distância entre transmissor e receptor pode ser da ordem de centenas ou milhares de metros. 2. Modelos de Pequena Escala: Modelos que caracterizam as variações rápidas da potência do sinal quando o móvel é deslocado a distâncias muito curtas ou intervalos de tempo muito curtos. As variações de potência do sinal recebido, denominadas desvanecimento, são da ordem de 30 db ou 40 db em razão do sinal recebido ser a soma de muitas contribuições vindo de diferentes direções. As variações de distância são da ordem de pequenos comprimentos de onda. Os intervalos de tempo são da ordem de segundos. 1

2 Quando um móvel se desloca para longe do transmissor, a grandes distâncias, a média local do sinal recebido vai gradualmente decaindo. Está média local do sinal que é predita pelos modelos de propagação de larga escala. Os mecanismos de propagação (reflexão, difração e espalhamento) determinam a atenuação de propagação no enlace e, consequentemente, o valor médio do sinal no receptor. A compreensão dos mecanismos envolvidos é básica para o cálculo do raio máximo de uma célula. Por outro lado, os efeitos de propagação determinam as flutuações rápidas e lentas do sinal em torno de seu valor médio. As flutuações que reduzem o valor do sinal abaixo da média são o que se denomina desvanecimento. Figura 1: Desvanecimento de larga e pequena escala. Fonte: (RAPPAPORT, 1996). A Figura 1 ilustra as variações no sinal da potência recebida devidas ao desvanecimento de pequena escala e de larga escala do canal radiomóvel em função da distância entre o transmissor e o receptor. 2 Modelos de propagação em large escala Propagação no espaço livre É o modelo utilizado para predição da potência do sinal recebido quando não existe obstáculo entre a antena transmissora e receptora (linha de visada desobstruída). Por exemplo, Sistemas de comunicação via satélite e enlaces de microondas. É expresso pela fórmula de Friis: ( ) 2 λ G t G r P r (d) = P t 4πd L, (1) em que: 2

3 d =distância em metros entre transmissor (Tx) e receptor (Rx); G t =ganho da antena transmissora; G r =ganho da antena receptora; λ= comprimento de onda em metros; P t = potência de transmissão em Watts; L= fator de perda do sistema; P r = potência de recepção em Watts. A equação de Friis mostra que a potência cai com o quadrado da distância de separação entre transmissor e receptor. Isto implica que a potência decai a uma taxa de 20 db/década. A equação de Friis supõe uma antena isotrópica de área efetiva (A e = λ2 ), que é a relação 4π entre a potência recebida máxima nos terminais da linha de transmissão e a densidade de potência da onda incidente e pode ser expressa por: A e = λ2 G 4π. (2) Um radiador isotrópico é uma antena ideal que irradia potência com ganho unitário uniformemente em todas as direções, sendo normalmente utilizado com referência para ganho de antenas em sistemas wireless. A EIRP (Effective Isotropic Radiated Power) é definida como: EIRP = P t G t. (3) Representando a máxima potência irradiada disponível de um transmissor na direção de máximo ganho da antena, quando comparado com um radiador isotrópico. Na prática é empregado o ERP (Effective Radiated Power) para denotar a potência máxima irradiada quando comparado com o dipolo de meia onda. O dipolo de meia onda tem um ganho de 1,64, isto é 2,15 db acima da isotrópica. O ERP será 2,15 menor do que o EIRP. Os ganhos das antenas são apresentados em dbi (ganho em db em relação a isotrópica) ou em dbd (ganho com respeito ao dipolo de meia onda). A perda de percurso (P L ), a qual representa a atenuação como uma quantidade positiva medida em db, é definida como a diferença entre a potência efetiva transmitida e a potência recebida. P L = 10 log P t P r = 10 log [ Gt G r λ 2 (4π) 2 d 2 ]. (4) O modelo de Friis só é válido para valores de distância que estão no Far-Field (campo distante) da antena transmissora. Isto é, na região de campos distantes, onde campo elétrico e campo magnético são perpendiculares entre si e perpendiculares a direção de propagação. Nessa região os campos são predominantemente irradiantes. Na região de campo perto os campos elétrico e magnético não são perpendiculares e não podem ser 3

4 caracterizados como ondas. Nesta região, a estrutura do campo eletromagnético é bastante complexa, não existe uma relação direta entre os dois campos e para a caracterização do ambiente eletromagnético são necessários cálculos/medições dos dois campos. Uma ilustração simplista é feita na Figura 2 Figura 2: Região de campo perto e de campo distante. A distância de Far-Field pode ser expressa por: d f = 2D2, em que D é a maior dimensão λ física da antena, além disso d f >> D e d f >> λ. Observe que a equação de Friis não é válida para d = 0, por isso usa-se uma distância como ponto de referência de potência recebida, d 0, assim d > d 0. A distância de referência deve ser escolhida, tal que esteja na região do campo distante. Assim: [ ] 2 d0 P r (d) = P r (d 0 ), d > d 0 d f, (5) d em dbm [P r (d)] dbm = 10 log P r(d 0 ) 0, log ( ) d0, d > d 0 d f. (6) d 2.1 Exercício 1. Ache a distância de far-field para uma antena com uma dimensão máxima de 1 metro e frequência de operação de 900 MHz. 2. Se um transmissor produz 50 Watts de potência; ganho das antenas igual a unidade; frequência da portadora igual a 900MHz. Determine: (a) Potência do transmissor em dbm e dbw; 4

5 (b) Potência recebida (dbm) para um distância entre transmissor e receptor de 100m e 10Km. 2.2 Relacionando potência e campo elétrico Algumas vezes se deseja obter a intensidade de campo elétrico em um receptor. Uma razão é verificar se a intensidade de sinal recebido está dentro das normas estabelecidas pelos órgãos regulamentadores quanto a radiação não ionizante. No espaço livre, a densidade de fluxo de potência S(W/m 2 ), conforme ilustra a Figura 3, é dada por: S = EIRP 4πd 2 = P tg t 4πd 2 = E2 R fs = E2 η, (7) em que, R fs é a impedância intrínseca do meio, que para o espaço livre é η = 120Ω ou 377Ω, E representa a magnitude da porção irradiadora do campo elétrico na região de far field. Figura 3: Representação da densidade de potência elétrica. A potência recebida pode ser, então, expressa por: P r (d) = S A e = E 2 120π A e = P tg t G r λ 2 (4π) 2 d 2. (8) A equação acima relaciona a potência recebida ao campo elétrico. Geralmente é útil relacionar o nível de potência recebida a voltagem de entrada no receptor, bem como ao campo elétrico induzido na antena receptora. Se a antena receptora é modelada como uma carga resistiva casada com o receptor, ela induzirá uma voltagem rms no receptor que é metade da tensão de circuito aberto da antena. 5

6 Figura 4: Representação de um receptor. Assim V é a voltagem rms na entrada do receptor e Rant é a resistência do receptor casado com o sistema. A potência recebida é: P r (d) = V 2 = ( Vant 2 )2 = V ant 2. (9) R ant R ant 4R ant 6

7 2.3 Exercícios 1. Assuma que um receptor está localizado a 10 Km de um transmissor de 50W. A frequência da portadora é de 900 MHz. É assumida a propagação no espaço livre, G t = 1 e G r = 2, ache: (a) Potência no receptor; (b) Magnitude do campo elétrico no receptor da antena; (c) Voltagem rms aplicada na entrada do receptor assumindo que o receptor da antena tem uma impedância puramente real de 50Ω e está casado com o receptor. 7

8 A Radiações ionizantes e não ionizantes: O espectro de frequências. fonte: Prof. José Osvaldo Saldanha Paulino - UFMG Uma das mais importantes características dos campos e de ondas eletromagnéticas é a sua frequência. A gama de frequências das fontes naturais e também das fontes artificiais é muito grande. É comum apresentar-se um gráfico em que são relacionadas as várias frequências e sua utilização. Este gráfico é chamado de espectro de frequências ou espectro eletromagnético (Figura 5). Existe um ponto no espectro eletromagnético que é muito importante. Figura 5: Espectro de frequências. Esse ponto se encontra logo após as frequências da luz visível e ele divide as radiações em dois grandes grupos. As radiações de frequências inferiores à esse ponto são chamadas de radiações não ionizantes e as radiações de frequências acima desse ponto são chamadas de radiações ionizantes. Os tecidos vivos assim como todos os materiais são constituídos de átomos. De forma simplificada, o átomo pode ser descrito como um núcleo central envolvido por um conjunto ou nuvem de elétrons (pequenas partículas carregadas negativamente). Quando a radiação eletromagnética incide em um material parte da energia pode ser absorvida pelos átomos constituintes do material. Dependendo da frequência da radiação, ao ser absorvida pelos átomos, a energia pode ser suficiente para provocar o arrancamento de elétrons dos átomos, formando ions (ionização), ou seja, provocando uma reação química (Figura 6). A estrutura do material que absorveu a energia da radiação irá sofrer mudanças em sua estrutura. Para que ocorra a ionização do material, a frequência 8

9 Figura 6: Reação química. da radiação deve ser muito elevada. Apenas radiações com frequência acima do ultravioleta tem energia suficiente para ionizar o material. Estas radiações são conhecidas como radiações ionizantes. Sabe-se a muito tempo que estas radiações são muito prejudiciais ao ser humano. Um exemplo de radiação ionizante é o raio-x (frequências acima de um milhão de MHz), que é muito utilizado na medicina mas a sua dosagem tem de ser muito controlada e uma série de cuidados são adotados pelas pessoas que trabalham com este tipo de radiação constantemente. Radiações com frequência abaixo do ultravioleta são chamadas de radiações não ionizantes porque elas não tem energia suficiente para provocar a ionização dos materiais. Ao serem absorvidas elas irão aumentar a temperatura do material. As frequências utilizadas nos sistemas de telecomunicações (rádio, TV e telefonia celular) são radiações não ionizantes. Quando estas radiações incidem em um tecido vivo elas não provocam reações químicas. No entanto, elas podem implicar em um aumento da temperatura do tecido (efeito térmico) e podem provocar alguns efeitos não térmicos tais como polarização ou vibração das moléculas ou células constituintes do tecido. 9