Modelo de Canal de Propagação para o Planejamento de Redes Móveis em Ambientes Densamente Arborizados

Transcrição

1 de Canal de Propagação para o Planejamento de Redes Móveis em Ambientes Densamente Arborizados Alexandre R.O. de Freitas, Glaucio Haroldo Silva de Carvalho. Universidade Federal do Pará UFPA Campus de Santarém, Av. Marechal Rondom, s/n, CEP: , Santarém/PA. Josiane do Couto Rodrigues Instituto de Estudos Superiores da Amazônia-IESAM, Av. Gov. José Malcher n o 1148, CEP: , Belém/PA. Simone G. C. Fraiha, Hermínio Gomes, Gervásio Protásio dos Santos Cavalcante Universidade Federal do Pará - UFPA Campus Belém, Avenida Augusto Corrêa n o 01, CP: 8619 CEP: Belém/PA. Resumo Este trabalho apresenta uma proposta de um modelo de propagação da onda eletromagnética na faixa de telefonia celular em ambientes suburbanos densamente arborizados. Para tanto, foi realizado um estudo da potência recebida levando em consideração várias alturas da antena transmissora. O objetivo principal deste trabalho é mostrar que os resultados obtidos para as alturas adotadas da antena transmissora na campanha de medição são expressivos quando comparados com dados experimentais, principalmente para o caso crítico em que a altura da antena transmissora é próxima à altura da copa das arvores. Palavras-chave comunicações móveis, modelos empíricos de propagação, propagação em florestas. I. INTRODUÇÃO O conhecimento detalhado dos fenômenos envolvidos na perda de propagação em florestas é um fator essencial no projeto de enlaces sem fio em sistemas de telecomunicações para esse tipo de ambiente. Entretanto, a modelagem eletromagnética da onda de rádio nesse tipo de ambiente tem sido um desafio devido à grande complexidade dos aspectos inerentes ao meio. Os parâmetros físicos e geométricos das árvores são aleatórios na natureza, de modo que as áreas com vegetação carecem de modelos que os representem de forma a caracterizar melhor o ambiente e atender as especificidades do sistema como: freqüência, potência transmitida, alturas das antenas entre outros [1] [3]. O canal de propagação é um dos componentes mais críticos dos sistemas de comunicações móveis, o que suscita uma modelagem apropriada dos elementos que o constitui, a fim de que sejam realizados projetos capazes de atender às demandas das mais diferentes áreas de cobertura. Alexandre R.O. de Freitas, aro_freitas@yahoo.com.br. Tel ; Glaucio Haroldo S. Carvalho, ghsc@ufpa.br, Tel.: , Josiane do Couto Rodrigues, josi@ufpa.br, Simone G. C. Fraiha, fraiha@ufpa.br, Hermínio Gomes, herminio@ufpa.br, Gervásio Protásio dos Santos Cavalcante, gervasio@ufpa.br. Tel (7302). Este trabalho foi parcialmente financiado pela UFPA, campus Santarém- Pará. O canal em estudo, neste trabalho, consiste na interface aérea de um sistema móvel terrestre em operação nas cidades de Marituba e Abaetetuba no Estado do Pará, ambas caracterizadas pela ocorrência de ruas estreitas com densa arborização de origem nativa [4]. O modelo foi criado levando-se em consideração parâmetros que dependem do meio e do sistema, tais como: a altura da vegetação, não homogeneidades do meio, altura da antena transmissora e a distância entre o transmissor e o receptor. Para validar o modelo proposto, seus resultados são comparados com dados experimentais para diferentes alturas da antena transmissora (80, 70, 44, e 14m). Esses dados foram obtidos através de campanhas de medição. Observa-se uma grande concordância, em todos os casos, entre os resultados medidos e preditos pelo modelo, principalmente para o caso crítico, onde a altura da antena transmissora é próxima à altura da copa das árvores excitando, desta forma, uma onda lateral. Este trabalho é organizado da seguinte forma: A seção II abordará a formulação do problema em questão bem como os aspectos inerentes ao desenvolvimento do modelo. Posteriormente, na seção III, é apresentado o cenário onde foram realizadas as campanhas de medições usadas na validação do modelo. Na seção IV, os resultados para das campanhas realizadas são confrontados com os resultados do modelo para cada uma das alturas adotadas. Por fim, as conclusões são apresentadas na seção V. II. FORMULAÇÃO DO PROBLEMA A. Perda de Propagação Considerando antenas isotrópicas, a perda de propagação no espaço livre pode ser determinada pela relação: L o = 32, log f + 20 log d (1) MHz A perda de transmissão excedente (L ex ) é então: km

2 L = L (2) exc L o Sendo L a relação entre a potência transmitida e a potência recebida. Essa perda em excesso inclui efeitos da dependência das antenas, polarização e perdas de acoplamento de multipercurso. B. Atenuação específica As propriedades eletromagnéticas da atenuação na floresta não dependem apenas da sua densidade e de outras características físicas como: quantidade de árvores e sua distribuição na floresta; dependem também do tipo de árvores presentes na floresta. O efeito quantitativo da vegetação na atenuação da onda de rádio é considerado diferente ao longo da trajetória da onda: essa trajetória num meio com vegetação tem maior atenuação em relação à trajetória da onda na ausência da vegetação para o mesmo conjunto de sistemas e parâmetros de comunicação. A perda excedente, neste caso, levará em conta a presença da folhagem [5]. A atenuação específica é obtida através da perda de transmissão por unidade de distância e é expressa em db/m. A atenuação específica exibe duas características distintas, uma para a vegetação e outra para o modo de propagação da onda. No caso da vegetação, a atenuação específica medida é independente da distância de percurso da onda e do modo de propagação se o meio for considerado homogêneo. Se a floresta for não homogênea, a atenuação específica varia ponto-a-ponto e, por conseguinte, influencia significativamente na perda de transmissão e no respectivo modo de propagação (onda direta, refletida ou onda lateral). A atenuação específica é definida no limite assintótico como. α = lim ln ' [ L( d)] (3) d + Sendo: L(d) a perda de transmissão em função da distância d; e ln a derivada do logaritmo natural [5]. A atenuação específica pode ser expressa em termos da potência recebida em função da distância: ' α [ nep / m] = 0, 5 lim ln [ P ( d)] (4) d + Essa definição está consistente com os estudos teóricos [5], mostrando que dentro de meios homogêneos de propagação, a variação da potência recebida com a distância assume a forma: P r γ 2αd r = Kd e (5) Sendo: K e γ : parâmetros dependentes do meio; α : atenuação específica (1/m); d : distância rádio entre o transmissor e receptor. A potência recebida em (5), em dbm, é dada por: Pr 0 Sendo K 0 = 10log(K). = K 10γ log( d) 0, 8686αd (6) Por definição, a perda de transmissão ou perda de propagação é dada por: P t L = 10 log (7) Pr Sendo: P t : a potência transmitida pela antena transmissora; P r : a potência máxima que pode ser extraída de antena receptora (potência recebida). Como o transmissor pode estar dentro ou fora da floresta, o sinal chega ao receptor por via direta e/ou, refletida, difratada ou via ondas laterais. Neste trabalho, a antena transmissora será colocada em três situações, a saber: muito acima da copa das árvores; um pouco acima e; no topo das árvores. A antena receptora estará 1,5m acima do solo e nas ruas cercadas de árvores e casas. Percebe-se então que os fenômenos de reflexão e difração estão, claramente, presentes neste cenário. A Equação (6) descreve a potência recebida em ambientes homogêneos. Para propagação em ambientes não homogêneos pode-se usar essa formulação desde que se façam modificações, principalmente na atenuação específica (α) para que se compensem os efeitos da não homogeneidade do percurso. Por exemplo, S. S. Seker e A. Schneider [5] têm mostrado que florestas com predominância de troncos têm a sua atenuação específica diretamente proporcional à densidade de número de troncos de árvores. O cenário escolhido para o modelo de radiopropagação aqui proposto é típico de pequenas cidades do interior do Estado do Pará, predominando florestas, construções baixas e ruas. Para esse caso, o problema apresenta a formulação descrita a seguir. C. Variabilidade do Ambiente Os sistemas móveis celulares atualmente instalados normalmente trabalham nas faixas de 800, 900 e 1800MHz. Nas cidades do interior do Estado do Pará, o sinal propagado experimenta uma grande absorção nas áreas com grande densidade de arborização, o problema se agrava bastante quando se utiliza a faixa de 1800MHz, o que obrigou as operadoras locais a instalarem o sistema GSM900 para tentar superar as enormes perdas e assim obter uma célula com raio maior. Além do problema de absorção, o ambiente provoca uma grande variabilidade no sinal recebido, isso se deve à aleatoriedade do ambiente. Tal fato deve ser compensado nos modelos de predição de perda de propagação através da inclusão de uma variável aleatória nos mesmos. Diferentemente de áreas altamente urbanizadas no qual se tem apontado ambientes micro e picocelular para a provisão de Qualidade de Serviço (QoS) no atendimento da crescente demanda por acessos sem fio a serviços móveis; em ambientes suburbanos densamente arborizados, aumenta-se a

3 altura da antena transmissora para a ampliação da área de cobertura. Considerando-se os fatores acima mencionados o modelo proposto terá a sua formulação baseada em (6), onde K 0 é um termo que descreve a relação entre a altura das antenas, α é a atenuação específica para ambientes não homogêneos e χ é a variável aleatória que caracteriza o ambiente em estudo. Desta forma, a formulação final do modelo é dada por: D. O Termo K 0 Pr 0, = K 10γ log ( d) αd + χ (8) Esse termo está relacionado com as alturas das antenas: K 3 2 ht ht ht = a b c d h + + r h r h (9) r 0 + Sendo: h t : a altura da antena transmissora; h r : a altura da antena receptora. Os valores de a, b, c e d foram obtidos de acordo com a seguinte metodologia: para cada altura da antena transmissora, foi predita uma potência recebida pelo modelo sem considerar no mesmo, o termo K 0, desta forma, foram encontrados quatro valores de erro médio entre a medição e o modelo. Um gráfico do erro versus a razão entre a altura das antenas transmissora e receptora foi gerado. Foi obtido, então, o ajuste dos pontos através de uma cúbica para minimizar os erros. Para o ambiente estudado esses coeficientes são: a = - 0,00173, b = , c = e d = E. Atenuação Específica do Meio Estudado (α) A Atenuação Específica será dada por: α = α. ρ (10) Aqui, α 0 é uma constante dependente do expoente de perdas do meio (γ) e ρ é um fator que correlaciona os efeitos das alturas da antena transmissora e da floresta. 0 1 α0 = 20γ t ( t f ; (11) h f ρ =, 1 ; (12) h h + h ) Sendo: h t : altura do transmissor; h f : altura média da floresta. m O fator ρ em (10) é utilizado para a caracterização da influência das alturas da antena transmissora e da floresta. O fator (α 0 ) destaca o efeito do expoente de perdas (γ) através de uma formulação empírica. Neste trabalho, γ foi obtido a partir dos dados experimentais. F. Variável Aleatória (χ) O último termo da equação geral do modelo (8) é a variável aleatória χ, que será obtida através da Função Densidade de Probabilidade (FDP) dos dados experimentais, bem como sua média e seu desvio padrão. Para os ambientes estudados essa FDP é Rayleigh [6]. III. AMBIENTES DE MEDIÇÃO Os cenários escolhidos para a realização das campanhas de medição, usadas na validação do modelo proposto, correspondem às cidades de Marituba e Abaetetuba Esses ambientes apresentam casas, ruas estreitas e áreas densamente arborizadas com vegetação típica da Floresta Amazônica. Na campanha realizada em Marituba, a altura da antena transmissora foi fixada em 70m, 44m e 14m, sendo a última próxima à altura da copa das árvores. A antena utilizada foi uma omnidirecional com ganho de 2dBi e irradiava um sinal CW em 890,43 MHz. A antena receptora móvel, omnidirecional de ganho 3 dbi, foi fixada sobre um carro que percorreu algumas ruas da área de cobertura da Estação Rádio Base, a potência recebida e as coordenadas geográficas dos dados foram armazenados em um notebook equipado com um programa de aquisição e armazenamento de dados. Na cidade de Abaetetuba a antena transmissora era uma painel com ganho de 17,5 dbi e a antena receptora era uma omnidirecional de ganho 0 dbd. A potência transmitida era de 44,5 dbm na freqüência de 1800 MHz. O sistema receptor e o cenário do ambiente eram semelhantes ao de Marituba. IV. RESULTADOS A. Faixa de 900 MHz Cidade de Marituba Na Tabela I são mostrados os expoentes de perda de propagação para cada altura adotada na campanha de medição. Esses dados foram obtidos experimentalmente. Em todas as simulações foram usados os dados dessa Tabela. TABELA I. PARÂMETROS DO AMBIENTE E DO SISTEMA. Altura, h t Expoente de Perda, γ 70 3,5 44 3,5 14 4,8 1) Primeiro Caso: Antena transmissora a 70 metros Na Fig. 1, pode-se observar que o modelo proposto se ajusta bem aos dados experimentais. Esse resultado reflete que o modelo representa muito bem o canal de propagação quando a diferença entre a altura da antena transmissora e da copa das árvores é grande.

4 Os dados estatísticos para este caso são apresentados na Tabela II TABELA II. DADOS ESTATÍSTICOS PARA 70m. Mínima 207,4,95 207,4-84,12 Máxima , ,03 Média , ,43-9,59-8,12 O Erro Médio obtido entre a simulação e os dados experimentais foi de 2,34 db Fig. 1. recebida para transmissão a 70m. 2) Segundo Caso: Antena transmissora a 44 metros A Fig. 2 mostra que para a antena transmissora a 44 m, o modelo novamente acompanha os dados experimentais. Os dados estatísticos para este caso são apresentados na Tabela III TABELA III. DADOS ESTATÍSTICOS PARA 44m. Mínimo 204,7-89,51 204,7-87,18 Máximo , ,36 Média , ,12-9,56-7, Fig. 2. recebida para transmissão a 44 m. 3) Terceiro Caso: Antena Transmissora a 14 metros Por fim, coloca-se o transmissor a uma altura de 14m em relação ao solo. Essa altura é considerada uma altura crítica, pois o transmissor está na mesma altura da floresta, com isso o sinal que se propaga está totalmente imerso no ambiente florestal. Neste caso é excitada uma onda lateral. A onda lateral corresponde a um raio que é irradiado de uma antena transmissora em um ângulo crítico e propaga-se ao longo da interface copa-ar e chega à antena receptora também através de um ângulo crítico. Dependendo da distância entre a antena transmissora e a receptora, a onda direta e refletida ou a onda lateral podem ser dominantes. A onda lateral é o principal mecanismo de transmissão da onda de rádio a longas distâncias através da floresta (considerando-se o transmissor e o receptor localizados no interior da floresta). A onda lateral é uma componente de um campo refratado que fornece uma correta e consistente interpretação de muitos aspectos de propagação, dentre as quais se destaca o efeito ganhoaltura, os efeitos da despolarização da onda, que são fortemente dependentes dos parâmetros dos meios envolvidos. A onda lateral é fisicamente resultado de um processo de difração [1]. É importante destacar que esta situação crítica não é prevista na maioria dos modelos da literatura formulados para a faixa de freqüência dos sistemas móvel celular considerada neste trabalho [7]. Mesmo nessa condição crítica, novamente, obteve-se resultados excelentes quanto à proximidade dos resultados do modelo teórico e dos dados da campanha de medição, Fig. 3. O Erro Médio obtido entre a simulação e os dados experimentais foi de 2,51 db.

5 Os dados estatísticos são apresentados na Tabela V. O Erro Médio obtido entre a simulação e os dados experimentais foi de 1,16dB. TABELAV. DADOS ESTATÍSTICOS PARA 80m. Mínima 400,3-57,55 400,3-54,8 Máxima , ,74 Média , ,18-6,94-7, Fig 3. recebida para transmissão a 14 m. Os dados estatísticos para este caso são apresentados na Tabela IV. O Erro Médio obtido entre a simulação e os dados experimentais foi de 3,04 db. TABELA IV. DADOS ESTATÍSTICOS PARA 14m. Mínima 206,1-107,5 206,1-111,0 Máxima , ,00 Média , ,10-11,34-11,84 B. Faixa de 1800 MHz Cidade de Abaetetuba A Fig. 4 mostra que para a cidade de Abaetetuba onde a altura de antena transmissora é de 80m e o expoente de perda é 3,2, o modelo novamente acompanha os dados experimentais Fig 4. recebida para transmissão a 80 m V. CONCLUSÕES Observou-se nos resultados apresentados que o modelo de canal de propagação proposto consegue representar com precisão aceitável as características inerentes de ambientes suburbanos densamente arborizados típicos de cidades da região amazônica. Para uma completa validação do modelo, de modo a respaldar seu emprego, foram feitas comparações de seus resultados com medições realizadas em ambientes com características similares às consideradas na sua obtenção. Como citado anteriormente, os resultados convergiram para as quatro configurações adotadas; destacando-se que, para 14m, onde a antena transmissora e a copa das árvores encontram-se alinhados (caso crítico de excitação da onda lateral), o modelo apresentou resultados excelentes. Um outro ponto que deve ser citado é o nível do erro médio encontrado entre o modelo e os dados experimentais. Esses erros para as alturas de 80, 70, 44 e 14m foram, respectivamente, de 3,2dB; 2,34dB; 2,51dB e 3,04dB, o que reforça a eficácia do modelo quando comparados a erros de outros modelos [7]-[8]. REFERÊNCIAS [1] G. P. S. Cavalcante, D. A. Rogers, and A. J. Giardola. Radio loss in forests using a model with four layered media, Radio Sci., vol. 18, pp. 69l-695, [2] P. Holm, G. Ericksson, P. Krans, B. Lundborg, E. Löfsved, U. Sterner, A. Waern, Wave Propagation Over A Forest Edge Parabolic Equation Modelling, VS Measurements, IEEE, pp , [3] M. J. Gans,, Y. S. Yeh,, T. C. Damen, R. A. Valenzuela, and J. Lee, Propagation Measurements for Fixed Wireless Loops (FWL) in a Suburban Region With Foliage and Terrain Blockages, IEEE Transactions on Wireless Communications, Vol.. 1, No., 2, April 2002 [4] Endereço: : acesso em janeiro de [5] S. S. Seker, and Schneider, A Stochartic model for pulsed radio transmission through stratified forests, IEE proc. H., Microwaves, Antennas & Propagation, vol. 134, Nº 4, pp , [6] J. D. Parsons, Mobile Radio Propagation Channel, New York, Wiley, [7] A. P. B. B., Freire e G. P. S. Cavalcante, Modelagem Híbrida de Canal para Sistemas Móveis em Área Suburbana Densamente Arborizada, XXI Simpósio Brasileiro de Telecomunicações, SBT 05, de setembro de 2005, Campinas,SP. [8] J. C. Rodrigues, S. G. C. Fraiha, H. S. Gomes, G. P. S. Cavalcante, Path Loss Model for Densely Arboreous Cities in Amazon Region, International Microwave and Optoeletronics Conference, Brasília- Brasil,Julho 2005.