SIMULAÇÃO UTILIZADO NAS PROJETO FEUP 2013/2014. Equipa 08D: Supervisor: Sílvio Abrantes Moreira. Monitora: Vera Mónica Silva.

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1 QUAL O SOFTWARE DE SIMULAÇÃO UTILIZADO NAS TELECOMUNICAÇÕES? MESTRADO INTEGRADO EM ENGENHARIA ELETROTÉCNICA E DE COMPUTADORES PROJETO FEUP 2013/2014 Equipa 08D: Supervisor: Sílvio Abrantes Moreira Monitora: Vera Mónica Silva Diogo Moreira Hélio Puga Joana Veiga Paulo Portela Ricardo Ferreira

2 Resumo Desde os primeiros equipamentos que surgiram na área das telecomunicações no século XIX até à atualidade, tornou-se uma necessidade ir melhorando os mesmos. Tenta-se, portanto, uma readaptação de determinado projeto perante o surgimento de lacunas, tornando os equipamentos mais e mais complexos e fazendo com que a tarefa dos engenheiros seja cada vez mais difícil. Surgem mais variáveis a ter em conta e a produção de protótipos para testar essas modificações revela-se bastante dispendiosa. Para responder a esta falha existem, portanto, os pacotes de software de simulação, que permitem testar determinado projeto, colmatando as irregularidades num protótipo virtual. É, portanto, uma ferramenta indispensável para os engenheiros. A simulação em telecomunicações é realizada através de diversos software sendo uns mais abrangentes e outros, pelo contrário, específicos em determinadas áreas. Embora cada um tenha funcionalidades distintas, todos trabalham em função de fórmulas matemáticas. Palavras-chave Software, simulação, telecomunicações, CST Studio Suite, Antenna Magus, Ansoft HFSS, Satsoft, Antenna Software, SIMSAT, OPNET, Network Simulator 2 (ns-2), Nctuns. 2

3 Índice Resumo... 2 Palavras-chave... 2 Índice... 3 Introdução Simulação em antenas CST Studio Suite Antenna Magus Ansoft HFSS EZNEC Antenna Software Simulação em satélites CSIM Satsoft SIMSAT Simulação de Redes OPNET Network Simulator 2 (ns-2) Nctuns Sistema de simulação de propagação RF - Radio Mobile Propagação RF (Radio Frequency) Matlab/Simulink Conclusões Bibliografia

4 Introdução Os tempos que correm são sinónimo de evolução, em grande parte, do ponto de vista tecnológico. O que era impensável há uns anos, tornou-se real para o Homem através dos sucessivos avanços científicos. Envoltos num clima de crescente competitividade mundial, é primordial a existência de ferramentas que nos ajudem a conceber e a aprimorar determinado projeto, pacotes de software de simulação. No processo de desenvolvimento de uma antena, de um satélite ou de uma rede, estas aplicações assumem uma elevada importância pois permitem que algo possa ser testado mesmo quando ainda é só um protótipo virtual. Aumenta-se assim a eficácia do produto, facilitando a tarefa dos engenheiros que já não precisam perder dias e dias a fazer cálculos e fazendo com que haja uma diminuição significativa dos custos com protótipos. Neste relatório disponibilizamos uma síntese do funcionamento de algumas destas aplicações, distinguindo as especificações de cada um. Fazemos assim uma breve abordagem sobre alguns pacotes de softwares que podem ser bastante úteis num dia a dia de um engenheiro. 4

5 1. Simulação em antenas As antenas são dos dispositivos mais importantes na área das telecomunicações. São estes dispositivos que permitem que um sinal analógico/digital possa ser enviado para um local a milhares de quilómetros de distância permitindo assim que dois locais separados fisicamente possam estabelecer comunicação entre si. Existe uma enorme variedade de pacotes de software que permitem modelar, desenhar e simular antenas, mas neste trabalho apenas iremos abordar 3: CST STUDIO SUITE, Ansoft HFSS e EZNEC. 1.1 CST Studio Suite CST STUDIO SUITE é uma das aplicações de simulação mais eficientes na área de optimização e design de sistemas electromagnéticos. Desenvolvido pela CST Computer Simulation Tecnology, empresa que desenvolve software de simulação para campos electromagnéticos em todas as bandas de frequência, é composto por ferramentas para projetar e otimizar dispositivos eletromagnéticos numa vasta área de frequências. As análises realizadas por este software podem incluir efeitos térmicos e mecânicos, assim como simulação de circuitos. Figura 1 Interface gráfica do CST STUDIO SUITE (Fonte: 5

6 Vantagens: Ambiente gráfico integrado que dá acesso a várias ferramentas; Sistema de montagem e modelização facilitam a gestão de sistemas eletromagnéticos. Vantagens no mercado: Ciclos de desenvolvimento mais curtos; Desenvolvimento de protótipos virtuais antes dos protótipos físicos; Otimização em vez de experimentação. Ferramentas: CST MICROWAVE STUDIO (CST MWS): permite a análise de dispositivos de alta frequência. Exemplo: antenas. CST EM STUDIO (CST EMS): software de projeção a simulação de dispositivos de baixa frequência. Exemplos: sensores e transformadores. CST PARTICLE STUDIO (CST PS): ferramenta que permite simular o movimento de partículas com carga. Exemplos: tubos de raios catódicos e canhões de electrões. CST CABLE STUDIO (CST CS): ferramenta direcionada para a análise tridimensional da integridade do sinal (SI), emissão conduzida (CE), emissão radiada (RE), e suscetibilidade eletromagnética (EMS) de estruturas complexas em sistemas elétricos de grandes dimensões. CST PCB STUDIO (CST PCBS): Software que permite simular a integridade do sinal (SI), a integridade da energia (PI), compatibilidade eletromagnética (EMC), em placas de circuito impresso. CST MPHYSICS STUDIO (CST MPS): Software para análise do stress mecânico e térmico de sistemas; CST DESIGN STUDIO (CST DS): ferramenta que permite a rápido desenvolvimento, análise, sintetização e otimização de estruturas e sistemas eletromagnéticos. 6

7 1.1.1 Antenna Magus Antena Magus é uma das aplicações desenvolvidas pela CST especializado em design de antenas. Este software acelera o processo de design e modelação de antenas com a sua peculiaridade de incluir uma grande biblioteca onde o utilizador pode encontrar elementos para antenas e inclui-los na sua própria antena. Antenna Magus funciona também em conjunto com o CST MWS. Figura 2 - Interface gráfica de Antenna Magus (Fonte: Vantagens: Grande base de dados na qual o utilizador pode escolher elementos para a sua antena; Informação detalhada sobre os vários tipos de antenas; A partilha de informação permite poupar muito tempo aos engenheiros e faz com que as antenas sejam fiáveis. 7

8 1.2 Ansoft HFSS Ansoft HFSS (High Frequency Structure Simulator) é um software de alto desempenho desenvolvido pela Ansoft Corporation, que é capaz de fazer simulações de campos eletromagnéticos (EM) para dispositivos. O software contém ferramentas de design e simulação num ambiente onde é fácil de aprender devido ao facto do software fazer uso da interface gráfica do Microsoft Windows. Com o HFSS podemos fazer, por exemplo, a análise de antenas, previsões do comportamento de ondas eletromagnéticas de alta frequência e perdas devido aos materiais e radiação. Figura 3 - Interface gráfica do Ansoft HFSS (Fonte: HFSS manual do utilizador) Vantagens: Boa capacidade de desenho: possibilidade de desenhar em 3D ou de importar ficheiros em 3D de outros programas; Base de dados sobre materiais: a base de dados contém uma vasta gama de dados sobre materiais comuns; Biblioteca de modelos: contem uma biblioteca de modelos onde é possível definir modelos base para o projeto; 8

9 Análise de modelos: utilizando as ferramentas ao seu dispor o utilizador pode fazer varias simulações rapidamente de maneira a perceber como as variações dos principais parâmetros afetam o seu produto; 1.3 EZNEC Antenna Software EZNEC é um software de simulação desenvolvido por W7EL e Sam Lewallen. Este software foi especialmente desenvolvido para simulação e desenvolvimento de antenas. É relativamente fácil de usar e dispõem de grandes capacidades para análise de desempenho para quase qualquer tipo de antenas nos seus locais de operação. Tem um ambiente gráfico simples, e a informação tanto pode ser apresentada em 3D ou em 2D, com mais detalhe. Informações sobre a antena e gráficos de parâmetros podem ser facilmente guardados para análise futura. Vários gráficos podem ser sobrepostos de modo a que formem um só gráfico para comparação. Todo o software é baseado em menus desta maneira, todas a mudanças e novas entradas são facilmente introduzidas. Com estas ferramentas todas ao dispor o utilizador pode facilmente projetar antenas de grandes dimensões e complexidade. Figura 4 Interface gráfica e os diferentes tipos de vista do EZNEC (Fonte: 9

10 2 Simulação em satélites 2.1 CSIM Este simulador foi criado tendo como alvo a simulação da construção de satélites, validação dos procedimentos de controle dos mesmos, tanto no seu lançamento como nas orbitais iniciais. Aplicações: Verifica o software dos satélites antes do lançamento dos mesmos; O objetivo principal deste software é simular a coordenação de constelações de satélites, bem como das estações terrenas que a eles estão associadas. Vantagens: Testa o software do computador de bordo dos satélites, evitando que haja erros no mesmo depois de estar em orbita; Permite criar constelações de satélites; Simula a comunicação do satélite com a estação terrestre associada ao mesmo; Reduz os custos de produção dos satélites, evitando a construção de unidades dispensáveis. Curiosidade: Este sistema foi utilizado na simulação da constelação de satélites Galileo, tornando-o muito importante para a história da União Europeia, visto que esta constelação de satélites representa o sistema de navegação por satélite da UE, criando uma independência em relação a outros sistemas, tais como o Sistema GPS (Americano) e o GLONASS (Russo). Figura 5 Constelação de satélites Galileo (Fonte: 10

11 2.1 Satsoft Aplicações: Satsoft foi desenvolvido tendo em vista a comunicação via satélite, a otimização do design das respetivas antenas e ainda a avaliação da cobertura de rede pelas mesmas; Verifica a cobertura de rede de uma dada antena; Avalia o poder comercial das antenas (como por exemplo: o preço de construção e dos materiais que compõe as antenas, verificando se é rentável a construção da mesma); Vantagens: A avaliação do poder comercial das antenas e dos satélites permite poupar recursos na construção das mesmas, tornando-as mais rentáveis É um software simples, permitindo assim ser manejável tanto por especialistas na área das telecomunicações (engenheiros de sistemas), como por utilizadores com conhecimentos básicos acerca da matéria; O software em si sofre vários upgrades regularmente, tentando otimizar as suas funcionalidades. Figura 6 - Interface gráfica do SATSOFT (Fonte: 11

12 2.2 SIMSAT Aplicações: O software SIMSAT é utilizado para a simulação exaustiva de satélites; Permite ao utilizador avaliar todas as variáveis possíveis, variáveis estas às quais o produto poderá estar sujeito; Avalia também a complexidade do sistema, permitindo obter uma melhor relação qualidade - preço (evitando gastos desnecessários).em suma, este software permite, através da simulação de vários testes, optimizar o design e corrigir as imperfeições do produto, antes de este ser produzido. Vantagens: Permite que o sistema seja totalmente testado antes de ser construído, poupando recursos; Avalia também o sistema a meio do seu processo de desenvolvimento; Ajuda a preservar recursos, visto que deteta construções desnecessárias. Figura 7- Interface gráfica do SIMSAT (Fonte: 12

13 3 Simulação de Redes 3.1 OPNET O OPNET é um software usado para melhor compreender e prever o comportamento da rede, com muitos recursos e conjuntos de ferramentas, incluindo um pacote de formato que define protocolos, um modelo de nó para especificar o interface do componente de rede, um modelo de processo para a captação do comportamento de um componente da rede particular, uma janela de projeto para definir a topologia da rede, e uma janela de simulação, que é capaz de captar e mostrar os resultados da simulação da rede. Figura 8 - Dois modelos OPNET para estudar o atraso de transmissão. À esquerda de uma LAN. Direita de uma WAN,(Fonte: Network Simulator 2 (ns-2) O ns-2 é um simulador discreto por eventos projetado para a simulação de redes. O objetivo do ns-2 é proporcionar um ambiente para o desenvolvimento de pesquisas em torno de protocolos que constituem a Internet, isto é, que utilizam a pilha TCP/IP (conjunto de protocolos de comunicação entre computadores em rede). Adota duas linguagens de programação: C++ para o núcleo do simulador (back-end) e Otcl (Object Tool Control Language) para construção de scripts e modelização da simulação (front-end), o que permite uma maior flexibilidade sem prejudicar o desempenho. 13

14 Figura 9 - Multicast Extension to NS-2 (Fonte: Principais componentes do Network Simulator 2: Pré-processadores: o Geradores de tráfego; o Geradores de topologias (INET, GT-ITM, TIERS, BRITE). Pós-processadores: o Analisadores dos ficheiros de trace (scripts Awk, Perl ou Tcl); o Analisadores gráficos (Xgraph, gnuplot, nam). 3.3 Nctuns O Nctuns é um simulador de redes expansível de alta fidelidade capaz de simular diversos protocolos tanto em redes com fios como sem fios. A sua tecnologia principal é baseada na metodologia de reutilização do kernel do linux inventado pelo Prof S. Y. Wang. Devido a esta metodologia, o Nctuns fornece variadas vantagens únicas que não são tão facilmente alcançadas por simuladores mais tradicionais como ns-2 e OPNET. 14

15 Vantagens e Aplicações É facilmente utilizado como um emulador; Suporta emulação distribuída de uma rede em várias maquinas; Suporta inúmeras emulações e simulações; Utiliza automaticamente o protocolo do Linux TCP/IP para gerar simulações de alta qualidade; Corre qualquer aplicação UNIX numa simulação criada sem modificações; Simula uma grande variedade de redes e protocolos importantes; Usa qualquer rede UNIX e as suas ferramentas e configuração; Gera resultados de simulações que podem ser repetidos; É continuamente suportado, atualizado e melhorado. Figura 10- Interface NCTUns ( 15

16 3.4 Sistema de simulação de propagação RF - Radio Mobile Propagação RF (Radio Frequency) Para compreendermos as funcionalidades do Radio Mobile é necessário uma mínima compreensão da terminologia RF. Tal entendimento esta facilmente ao nosso alcance, como por exemplo no livro escrito por John S. Seybold Introduction to RF propagation. Radio Mobile Radio Mobile é um software de simulação da propagação de ondas RF de domínio publico. Este software é uma ferramenta utilizada para prever o comportamento de um sistema de radio. O enorme crescimento verificado nos últimos anos nas comunicações móveis leva os operadores de telecomunicações a oferecer um serviço de qualidade, cobrindo o melhor possível as zonas urbanas, normalmente de elevada densidade de tráfego. Por outro lado, elevados níveis de tráfego obrigam os operadores a diminuir a distância de reutilização para valores críticos, relativamente à interferência co-canal. Neste contexto as ferramentas de predição de cobertura rádio são indispensáveis no planeamento celular de sistemas de comunicações móveis pessoais. Com base nas ferramentas de predição poder-se-ão ajustar localizações, alturas, parâmetros de emissão das estações base e optimização das respectivas antenas de forma a aproximar-se do planeamento inicialmente efectuado. Figura 11 - Interface do Radio Mobile (Fonte: 16

17 Complementarmente à funcionalidade de estimação de cobertura rádio, o software de aplicação desenvolvido permite localizar e eliminar possíveis zonas em que o nível de interferência co-canal fica aquém dos valores recomendados para a tecnologia GSM. Desta forma, Radio Mobile é um software cuja utilização é essencial e necessária, tanto para sistemas rádio como também para os sistemas móveis. 4 Matlab/Simulink O Simulink é uma ferramenta do Matlab que é muito utilizada no cálculo científico em engenharia, por exemplo, em simulação de circuitos elétricos, na resolução de equações de três e quatro variáveis, na representação de modelos extensos de vários blocos em subsistemas mais pequenos e fáceis de compreender e é preferencialmente utilizado como simulador para as telecomunicações. Reúne ainda as vantagens de todos os outros mencionados ao longo do relatório tendo, desta forma, uma área de utilização mais abrangente. Figura 12- Interface Simulink (Fonte: 17

18 Conclusões O exponencial progresso induz contínuas tentativas de aprimorar e desenvolver determinado tipo de produtos. As aplicações de simulação assumem, portanto, uma relevante importância no que respeita à análise, perceção e avaliação de um futuro objeto final. Hoje em dia esta ferramenta é indispensável para os encarregados de um dado projeto, permitindo um controlo de diversas situações. Embora seja indiscutível a necessidade destas ferramentas nos dias que correm, todo o projeto não deixa de ser testado através de protótipos físicos. Estes permitem verificar realmente a boa funcionalidade do produto e o seu atendimento a todos os requisitos desejados. Concluindo, todo este trabalho realizado através de plataformas virtuais de simulação vem diminuir o gasto de recursos e de tempo necessário à realização dos protótipos iniciais. Facilita então o desenvolvimento de todas as tecnologias que nos acompanham no dia a dia. 18

19 Bibliografia CST Corporation. CST. s.d. (acedido em 11 de 10 de 2013). Earth LogicWare Technologies. s.d. (acedido em 11 de 10 de 2013). Idra Company. s.d. (acedido em 14 de 10 de 2013). Opnet. s.d. ( ) (acedido em 14 de 10 de 2013).. s.d. (acedido em 20 de 10 de 2013). Opnet Corporation. s.d. (acedido em 14 de 10 de 2013). Patkilroy. s.d. (acedido em 15 de 10 de 2013). Satsoft Corporation. s.d. (acedido em 11 de 10 de 2013). School of Eletronic and Communications Engineering. s.d. (acedido em 15 de 10 de 2013). 19