3 Propagação em ambientes abertos na faixa GHz

Transcrição

1 3 Proagação em ambientes abertos na faixa GHz Na faixa de freqüências de oeração entre 10 e 66 GHz, a existência de visada direta é muito imortante ara viabilizar a comunicação de sistemas sem fio em ambientes abertos uma vez que quaisquer tios de obstruções, até mesmo as causadas or vegetação [15, 16] causam degradação no sinal. A desobstrução de elo menos 58% da 1ª zona de Fresnel, conforme ilustrado ela Figura 3.1, evita a ocorrência de erdas adicionais or difração. Na rática, deve-se buscar fazer com que a maior arte da 1ª zona de Fresnel esteja desobstruída o que ode ser alcançado através da elevação das antenas. [17]. Figura 3.1 Proagação em visada direta [18]. Mesmo com a existência de visibilidade entre transmissor e recetor, odem existir ondas refletidas (denominadas multiercursos) chegando à antena do recetor. Multiercursos odem causar distorção de fase nos sinais e os multiercursos oriundos de ercursos mais longos odem causar distorções na forma dos ulsos devido aos efeitos de disersão dos comonentes de frequência [19].

2 Proagação em ambientes abertos na faixa GHz 34 Os multiercursos devem ter seus efeitos considerados rincialmente em situações onde existem suerfícies muito lisas resentes no ambiente de roagação como, or exemlo, suerfícies de água ois a intensidade das ondas refletidas que chegam ao recetor ode se tornar relevante. Alguns testes exerimentais realizados no estado da Virginia (EUA) com três enlaces oerando na frequência de 38 GHz [20] mostraram a existência de multiercursos durante a ocorrência de chuvas em um dos enlaces em que não havia sinal roveniente de multiercursos chegando ao recetor em condições de céu claro. Foi observado também que a otência dos multiercursos era ainda maior durante chuvas fortes que ocorriam exatamente antes e exatamente deois de ocorrer reciitação de granizo. Este efeito ode ser considerado como tendo sido causado elas extremidades da célula de chuva de granizo como mostrou outra esquisa aresentada em [19]. O adrão IEEE [12] esecifica a necessidade de existência de visada direta entre estações assinantes e estação base de uso de antenas altamente diretivas nas estações assinantes ara minimizar o número de multiercursos e de interferências de outras fontes que chegam ao recetor. Sendo assim, neste estudo serão considerados somente os asectos de roagação envolvidos nos casos em que a 1ª zona de Fresnel está totalmente desobstruída. Não serão consideradas as erdas causadas or vegetação e não serão abordados os efeitos de multiercursos e as erdas or difração. Uma vez definidas estas remissas, os rinciais tios de erdas na roagação durante a oeração de sistemas sem fio oerando na faixa entre 10 e 66 GHz estão aresentadas a seguir. Na análise da roagação de ondas eletromagnéticas elo ar, a rimeira erda a ser considerada é a erda de roagação em esaço livre. Neste caso a freqüência de oeração e a distância entre antena do transmissor e antena do recetor são os fatores diretamente relacionados com tais erdas. A roagação na atmosfera acima de 10 GHz, entretanto, não envolve somente erdas no esaço livre mas também outros fatores que contribuem ara a degradação do sinal: a existência de não-homogeneidades na atmosfera, a resença de gases em atmosfera homogênea, a reciitação de chuvas, a existência de nevoeiro e artículas em susensão na atmosfera [21]. Estes fatores causam atenuação or absorção e esalhamento.

3 Proagação em ambientes abertos na faixa GHz 35 No caso das chuvas, a absorção acontece ela dissiação da energia da onda incidente na gota. O esalhamento é rovocado elas modificações da onda ara satisfazer às condições de contorno em cada gota, não havendo erda de energia [22]. As chuvas também odem causar uma redução na discriminação de olarização cruzada segundo indica a recomendação ITU-R P [23]. Este assunto será analisado na seção 3.3. Variações do índice de refração da atmosfera ao longo do enlace também contribuem ara a degradação do sinal odendo causar atenuação or variação no ângulo de chegada e artida das ondas eletromagnéticas. Variações abrutas do índice de refração causam desvanecimento devido a esalhamento do feixe das ondas transmitidas (efeito que também é conhecido como desfocalização) [23] Perdas na roagação Dentre todos os fatores mencionados como causadores de erdas na roagação das ondas eletromagnéticas em ambientes abertos, este estudo irá se concentrar nos fatores mais comuns e mais imortantes: chuvas, gases atmosféricos e vaor de água e variação do ângulo de artida/chegada. O estudo destes fatores é baseado na recomendação ITU-R P.530 [23]. Não serão abordados neste estudo os efeitos de reciitação de neve e granizo cuja influência é estudada na recomendação ITU-R P.840 [24] Atenuação or gases atmosféricos e vaor de água Em freqüências sueriores a 10 GHz ocorre atenuação do sinal devido à absorção or oxigênio e vaor de água. A atenuação é diretamente roorcional à distância do enlace e ode ser calculada através da Equação 3.1. Agv ( db ) = γgv. d (3.1) Onde d é a distância do enlace em quilômetros γ gv é a atenuação esecífica or quilômetro (db/km) obtida a artir da recomendação ITU-R P.676 [25]

4 Proagação em ambientes abertos na faixa GHz 36 A Figura 3.2 aresenta um gráfico do valor da atenuação esecífica em função da freqüência de oeração. Neste gráfico odemos observar que a atenuação esecífica total é a soma da atenuação esecífica causada or vaor de água com a atenuação esecífica or gases atmosféricos em situação de céu claro. Na faixa de freqüências sob análise o vaor de água tem a tem a maior influência em freqüências róximas a 22 GHz enquanto moléculas de oxigênio causam grande atenuação em freqüências entre 58 e 62 GHz. Os efeitos de atenuação or gases atmosféricos e vaor de água, entretanto, são consideravelmente inferiores aos efeitos de atenuação or chuvas que serão analisados na róxima sub-seção deste estudo Atenuação or chuva Na faixa entre 10 e 66 GHz o mecanismo redominante de desvanecimento é roveniente da atenuação or chuvas. A intensidade do desvanecimento deende de diferentes fatores. Um deles é a intensidade da chuva que varia conforme o clima da região geográfica onde o enlace está localizado. As estatísticas de incidência de chuvas na região geográfica do enlace ossibilitam estimar a robabilidade de que uma determinada taxa de reciitação seja excedida na região e, consequentemente, a distribuição de robabilidades de atenuação or chuvas. A artir destas estatísticas é ossível estabelecer ara um sistema onto-multionto o máximo raio de célula que viabiliza a oeração aroriada do sistema dado um requisito de disonibilidade do enlace e um conjunto de características dos equiamentos de transmissão. Um exemlo aresentado em [12] mostra que arâmetros tíicos de equiamentos oerando em 28 GHz resultam num raio máximo de célula de aroximadamente 3,5 km ara uma região com taxa de chuvas de 42 mm/h que ode ser excedida em 0,01% do temo. Outros fatores que influem na intensidade do desvanecimento são: freqüência de oeração, distância do enlace e tio de olarização utilizada.

5 Proagação em ambientes abertos na faixa GHz H O 2 10 Atenuação esecífica (db/km) Total 10-2 Ar seco Ar seco H 2 O 10 Frequência, (GHz) Pressão: hpa Temeratura: 15 C Vaor de água: 7,5 g/m Figura Atenuação esecífica or gases atmosféricos e vaor de água [25].

6 Proagação em ambientes abertos na faixa GHz 38 A influência do tio de olarização se deve ao fato de que as gotas de chuvas aresentam durante a queda o formato de um esferóide oblato devido à resistência do ar, odendo sofrer também uma rotação devido à ação dos ventos. A orientação do eixo maior na seção reta da gota é mais róxima da horizontal e, or isto, uma onda eletromagnética com olarização linear horizontal sofre uma atenuação maior que uma onda com olarização linear vertical [22]. Testes realizados em Cingaura em um enlace onto-a-onto oerando na frequência de 26 GHz com distância de 3,8 km [26] mostraram que a diferença entre a atenuação de uma onda com olarização horizontal e a atenuação de outra com olarização vertical na mesma frequência é diretamente roorcional à taxa de reciitação conforme mostra o gráfico da Figura 3.3. É ossível observar também na Figura 3.3 que existe uma diferença de 3 db de atenuação entre os 2 tios de olarização em situações de chuvas cujas taxas sejam de 90 mm/h e quase 6 db ara taxas de 150 mm/h. Na faixa de frequência de 10 a 40 GHz também foi mostrado em [27] através de testes exerimentais realizados ara uma das regiões maeadas elo ITU em [28] que a diferença de atenuação entre olarização horizontal e vertical é diretamente roorcional à frequência de oeração. Figura Diferença de atenuação entre olarização horizontal e vertical [26] Para estimar as estatísticas de atenuação em larga escala causada or chuvas em enlaces onto-a-onto existem diversos métodos emíricos e semi-emíricos entre os quais odemos citar os métodos ITU [23], CETUC-98 [29], Pérez-Mello [30], Crane [31] e Fedi [32].

7 Proagação em ambientes abertos na faixa GHz 39 Para regiões troicais e equatoriais, entretanto, é necessário algum cuidado na alicação dos métodos ITU [23], Crane [31] e Fedi [32] ois eles foram elaborados com base em resultados obtidos em testes exerimentais realizados no hemisfério norte onde revalece o clima temerado. A alicação de tais métodos em regiões troicais e equatoriais ode levar a valores subestimados de atenuação or chuva conforme mostram testes exerimentais realizados com enlaces de 15 e 18 GHz na cidade de São Paulo [33]. Testes exerimentais realizados no estado da Virginia (EUA) com enlaces de 38 GHz também aresentaram resultados de atenuação sueriores aos valores estimados elo método Crane [20]. A seguir estão aresentados o método do ITU que é internacionalmente aceito e o método Pérez-Mello que foi desenvolvido a artir de medidas realizadas no Brasil. Método ITU [23] As estatísticas de atenuação em larga escala causada or chuvas odem ser estimadas a artir dos seguintes assos : 1 - obter o valor da taxa de chuvas (R 0.01 ) excedida em 0,01 % do temo na região de interesse. O valor de R 0.01 é medido em mm/h e deve ser obtido a artir de dados de incidência de chuva na região do enlace considerando temo de integração igual a 1 minuto. Caso tais dados não sejam disoníveis, é ossível obter os valores em maas de unidades climáticas aresentados na recomendação ITU-R P.837 [28]. 2 - calcular a atenuação esecífica R (db/km) ara a taxa de chuvas obtida e ara a frequência e o tio de olarização através da Equação 3.2 [34]. α γ R = k. R (3.2) Onde k e são coeficientes que deendem da freqüência e da olarização utilizada e odem ser obtidos através das Equações 3.3 e 3.4.

8 Proagação em ambientes abertos na faixa GHz 40 k 2 = [ k + k + ( k - k )cos θ cos 2 τ ] / 2 (3.3) H V H V 2 ( k a k a ) cos θ cos 2 τ ] / 2k a = [ k H ah + kv av + (3.4) H H V V Onde é o ângulo de elevação do enlace é o ângulo tilt de olarização em relação à horizontal k H, k V, H e V são obtidos através de equações aresentadas em [34] a artir das quais são obtidos os dados da Tabela 3.1 conforme o tio de olarização linear utilizada (horizontal ou vertical) As Equações 3.3 e 3.4 também odem ser utilizadas ara olarização circular. Neste caso o valor do ângulo utilizado é 45º. Para freqüências com valores intermediários aos valores aresentados na Tabela 3.1 é ossível fazer um rocesso de interolação ara obter os valores dos coeficientes. 3 - calcular o comrimento efetivo do ercurso do enlace d eff. A distância efetiva do enlace é um arâmetro utilizado nos cálculos ara considerar o fato de que as chuvas ocorrem em regiões delimitadas (denominadas células de chuva) e não estão resentes em todo o ercurso do enlace. O cálculo é feito através da Equação 3.5. d eff = d.r (3.5) Onde d é a distância do enlace r é um fator de encurtamento da distância e ode ser calculado através da Equação r 1 d / d0 (3.6) Onde d é a distância do enlace em quilômetros d 0 é calculado através da Equação 3.7 se a taxa de chuvas R 0.01 for menor ou igual a 100 mm/h.

9 Proagação em ambientes abertos na faixa GHz 41-0,015 R d = 0,01 (3.7) e Se R mm/h, o valor 100 mm/h deve ser usado ara a taxa de chuvas R Neste caso, d 0 = 7,8 km. Tabela 3.1 Coeficientes ara cálculo da atenuação esecífica na faixa de frequências em estudo [34] Frequência (GHz) k H k V H V 10 0, , ,2571 1, , , ,1825 1, , , ,1233 1, , , ,0568 0, ,1571 0,1533 0,9991 0, ,2403 0,2291 0,9485 0, ,3374 0,3224 0,9047 0, ,4431 0,4274 0,8673 0, ,5521 0,5375 0,8355 0, ,6600 0,6472 0,8084 0, ,8606 0,8515 0,7656 0, ,9670 0,9598 0,7458 0, calcular através da Equação 3.8 a atenuação em db no enlace A 0,01 que é excedida em 0,01% do temo. A = (3.8) 0,01( db ) γr. d eff 5 ara enlaces localizados em latitudes iguais ou sueriores a 30º (norte ou sul), a atenuação excedida ara outros ercentuais de temo entre 0,001% e 1% ode ser estimada através da Equação 3.9. A A (0,546 0,043 log ) (3.9)

10 Proagação em ambientes abertos na faixa GHz 42 Para enlaces localizados em latitudes inferiores a 30º (norte ou sul), a Equação 3.10 é usada na estimativa da atenuação [23]. A A , 855 0,139 log (3.10) Este rocedimento de estimativa da atenuação or chuvas que é recomendado elo ITU é válido em todas as artes do mundo, elo menos ara freqüências até 40 GHz e distâncias até 60 km [23]. Método Pérez-Mello [30] Analogamente ao método ITU, a atenuação or chuvas é diretamente roorcional à atenuação esecífica or quilômetro e à distância efetiva do enlace mas no método Pérez-Mello estes arâmetros são determinados ara qualquer ercentual de temo enquanto o método ITU faz a estimativa ara um ercentual de temo de 0,01% e utiliza um fator ara extraolar o valor da atenuação ara outros ercentuais de temo. As etaas do cálculo são aresentadas a seguir. A atenuação total excedida durante um determinado ercentual de temo é dada ela exressão aresentada na Equação A ( db ) = γ. d (3.11) R eff Onde γ R é a atenuação esecífica (db/km) e é obtida ela exressão da Equação 3.12 d eff é a distância efetiva (km) e é obtida ela exressão da Equação α γ R = k. R (3.12) Onde k e α são arâmetros relacionados com a frequência de oeração e com o tio de olarização utilizado. Estes arâmetros são obtidos através da recomendação ITU-R 838 [34].

11 Proagação em ambientes abertos na faixa GHz 43 d = d. (3.13) eff r Onde d é a distância em km do enlace r é calculado ela exressão da Equação ,164 b r = 3,445.d. R (3.14) Onde R é a taxa de chuvas na região do enlace ara um determinado ercentual de temo b é calculado ela exressão aresentada na Equação ,115 b = - 0,369 + d (3.15) Portanto, reescrevendo a Equação 3.11, temos o valor da atenuação total excedida durante um determinado ercentual de temo : A = 3,445.k. R ( α - 0,115 0,369 + ) d. d 0,836 (3.16) Atenuação diferencial Conforme aresentado na sub-seção 3.1.2, existem diversos métodos ara revisão de atenuação or chuvas em enlaces terrestres. Estes métodos, entretanto, são alicados a enlaces onto-a-onto. Nos casos de enlaces onto-multionto, considerações adicionais são necessárias. A distribuição esacial da chuva não é uniforme e, ortanto, os sinais dos enlaces convergentes que formam um sistema onto-multionto odem ser submetidos a atenuações de diferentes intensidades mesmo que tais enlaces tenham a mesma distância. Isto ocorre em situações em que a reciitação da chuva está localizada no ercurso de aenas um dos enlaces. A diferença entre os valores de atenuação a que são submetidos dois enlaces convergentes é definida como atenuação diferencial.

12 Proagação em ambientes abertos na faixa GHz 44 O fato das chuvas serem distribuidas esacialmente de maneira não uniforme tem grande imortância no lanejamento de sistemas fixos de acesso sem fio que utilizam toologia onto-multionto. Nestes sistemas a área de abrangência do sistema é divida em áreas menores denominadas células e em cada célula a cobertura é rovida or uma estação rádio-base. Conforme será estudado no Caítulo 4, ara ossibilitar um aumento da caacidade dos sistemas, as mesmas frequências são utilizadas em diferentes células. Devido a este fato, o enlace entre a estação base de uma determinada célula e uma estação assinante localizada dentro da mesma célula forma um enlace convergente com um sinal interferente recebido ela mesma estação base e que foi transmitido or uma estação assinante de outra célula que utiliza a mesma frequência. Na maioria dos eventos de chuva ocorrerá uma melhora na relação sinalinterferência (S/I) do enlace desejado na estação base uma vez que o ercurso do sinal desejado é normalmente menor que o ercurso dos sinais interferentes sendo, ortanto, sujeito a menos atenuação. Durante equenos ercentuais de temo, entretanto, oderá ocorrer a degradação da relação sinal-interferência devido a eventos de chuvas localizados aenas no ercurso do sinal desejado, conforme ilustrado na Figura 3.4. Neste caso, deendendo da intensidade da chuva, o sinal desejado ode ser submetido a atenuações maiores que os sinais interferentes odendo levar à indisonibilidade do enlace desejado. Figura 3.4 Situação de atenuação diferencial or chuvas [22]. Se a atenuação diferencial for alta, a discriminação das antenas ode também ser insuficiente ara receção aroriada quando diferentes olarizações

13 Proagação em ambientes abertos na faixa GHz 45 são utilizadas em setores vizinhos [35] ois o sinal desejado ode sofrer uma atenuação tão significativa que um sinal interferente, mesmo usando outra olarização, acaba sendo recebido ela antena. Uma revisão recisa da atenuação diferencial, ortanto, é fundamental ara revenir ou minimizar os efeitos das interferências durante a ocorrência de chuvas em regiões cobertas or sistemas rádio onto-multionto. Um modelo emírico de revisão de atenuação diferencial foi roosto a artir de testes exerimentais em enlaces localizados em duas cidades no Brasil em frequências de 15, 18, 23 e 38 GHz [23, 35]. A exressão obtida ara a revisão da distribuição de robabilidade cumulativa de atenuação diferencial ara dois enlaces A e B está aresentada na Equação A AB 0,23 2,25-0,4 [ A ( ) - 0,34 A ( )]. ( 2,65. θ + 0,004. d ). f ( ) = (3.17) A B Onde θ (rad) é o ângulo entre os enlaces d (km) é a diferença entre as distâncias dos enlaces f (GHz) é a frequência A A e A B são, resectivamente, as atenuações dos enlaces A e B excedidas durante o ercentual de temo. Outros modelos de revisão de atenuação diferencial foram roostos em [36] e [37] Variação nos ângulos de artida e chegada das ondas Variações anormais no índice de refração da atmosfera ao longo do enlace odem causar variação nos ângulos de artida e chegada das ondas transmitidas e recebidas. Esta variação é indeendente da freqüência e ocorre no lano vertical das antenas. A faixa de variação dos ângulos é maior em regiões costeiras úmidas do que em regiões mais interiores e secas mas nenhuma variação significativa é observada durante condições de ocorrência de chuvas [23]. Este efeito é articularmente imortante em enlaces com antenas de alto ganho e feixe estreito (que são as antenas esecificadas elo adrão IEEE

14 Proagação em ambientes abertos na faixa GHz 46 ara uso nas estações assinantes) ois odem ocorrer desvanecimentos quando ocorrerem variações nos ângulos. Sendo assim, nos enlaces em que as estações assinantes estiverem localizadas nas regiões onde a variação do índice de refração da atmosfera é mais acentuada é imortante verificar o alinhamento das antenas frequentemente Desvanecimentos or outros mecanismos Alguns mecanismos de desvanecimento causados or camadas muito refrativas da atmosfera odem ser considerados no lanejamento dos enlaces em condições de céu claro: esalhamento de feixe (desfocalização), multiercurso de suerfície e multiercurso atmosférico. Estes mecanismos odem ocorrer isoladamente ou combinados entre si. Desvanecimento or cintilação devido a irregularidades em menor escala na atmosfera está semre resente em conjunto com estes mecanismos e deve ser considerado nos casos de freqüências sueriores a 40 GHz [23]. Os efeitos destes desvanecimentos são analisados na recomendação ITU-R P.530 [23] e odem ser incluidos no lanejamento dos enlaces. Conforme esta recomendação do ITU é ossível calcular o ercentual de temo em que um desvanecimento excederá um valor ré-determinado no mês de ior média Cálculo da atenuação total na roagação Considerando os rinciais fatores causadores de erdas considerados neste estudo, a atenuação total em um enlace na faixa de freqüências entre 10 e 66 GHz é a soma da atenuação em esaço livre com as atenuações or chuvas e or gases atmosféricos e vaor de água odendo ser estimada através da exressão da Equação A ( db ) = 92, log f + 20 log d + A + A (3.18) total gv ch Onde d (km) é a distância do enlace f (GHz) é freqüência de oeração

15 Proagação em ambientes abertos na faixa GHz 47 A gv (db) é a atenuação causada or gases atmosféricos e vaor de água A ch (db) é a atenuação causada or chuvas 3.3. Redução na discriminação da olarização cruzada (XPD) Conforme foi aresentado na sub-seção 3.1.2, as gotas de chuvas aresentam o formato de um esferóide oblato durante a queda devido à resistência do ar e odem sofrer uma rotação devido à ação dos ventos. Por causa desta assimetria, os comonentes horizontais e verticais das ondas eletromagnéticas roagadas odem sofrer diferentes atenuações resultando em rotação da olarização ou desolarização. A redução da discriminação da olarização cruzada (Cross-Polarization Discrimination XPD) ode levar à ocorrência de interferências co-canal ou, menos freqüentemente, interferência de canal adjacente e ode ocorrer em situações de céu claro ou de chuva [23]. Nas situações de céu claro a redução da discriminação está relacionada com os multiercursos que não estão considerados neste estudo. As estatísticas de desolarização das ondas eletromagnéticas durante a ocorrência de chuvas odem ser estimadas através de método roosto em [38]. Testes realizados no Rio de Janeiro com um enlace onto-a-onto na frequência de 28 GHz e distância de 2,98 km mostraram, entretanto, que os valores de discriminação de olarização cruzada (XPD) aresentaram oucas variações durante todo o eríodo de medidas, mesmo durante a ocorrência de chuva no ercurso de roagação. Ainda que não tenham ocorrido condições extremas de chuvas, os resultados indicam que ara enlaces curtos a desolarização não deve afetar significativamente o desemenho do sistema [39].