Rede GSM II: Caracterização de Ambiente Celular

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1 Rede GSM II: Caracterização de Ambiente Celular O sistema de telefonia móvel tem evoluído ao longo dos anos, tendo sido criados vários padrões e tecnologias. A telefonia celular hoje é tecnologia popular que afeta os padrões e hábitos dos povos ao redor do mundo. O objetivo desta série de tutoriais é oferecer aos projetistas de telefonia móvel, uma maneira de caracterizar o ambiente de recepção do sinal juntamente com uma analise sobre o processo. As predições de cobertura serão feitas a partir de um software que caracterizará o ambiente para o usuário, embasado em informações como distância entre o celular e a estação radiobase e o nível de sinal recebido. Os tutoriais foram preparados a partir do trabalho de conclusão de curso Caracterização de Ambiente Celular GSM, elaborado pelo autor, e apresentado ao Curso de Engenharia Eletrônica com Ênfase em Automação e Telecomunicações da Faculdade de Engenharia da Universidade de Itaúna, como requisito parcial à obtenção do título de Engenheiro Eletrônico. Foi orientador do trabalho o Prof. MSc. Antônio Evangelista de Freitas. Este tutorial parte II apresenta a metodologia empregada no projeto, o algoritmo desenvolvido no software MATLAB que simula a recepção do sinal da rede de telefonia celular e caracteriza o ambiente onde se encontra o usuário, as medições de sinais feitas que compõe a parte prática do trabalho, finalizando com as conclusões obtidas. Douglas Henrique Clemente Engenheiro Eletrônico com ênfase em Automação e Telecomunicações pela Fundação Universidade de Itaúna (2009), cursando atualmente o MBA Profissional de Análise de Sistemas e Telecomunicações na ESAB Ensino Superior Aberto do Brasil. Atuou como Técnico Eletrônico na Probank S.A. (Itaúna, MG), executando atividades de programação, revisões do software e manutenção de hardware, e como Estagiário da Prefeitura Municipal de Itaúna, executando atividades de implantação e manutenção de redes (locais e wireless) e sistemas de telecomunicações com links via rádio para unir a rede municipal de saúde. Atualmente é Professor do Curso Técnico de Eletrônica do Colégio Técnico Martins COTEMAR, sendo responsável pela Administração da disciplina Eletrônica Prática, que envolve eletrônica básica, circuitos elétricos e eletrônica digital. 1

2 Categoria: Telefonia Celular Nível: Introdutório Enfoque: Técnico Duração: 15 minutos Publicado em: 13/09/2010 2

3 Rede GSM II: Introdução Introdução O sistema de telefonia móvel vem se aprimorando nas últimas décadas e já foram criados vários padrões e tecnologias para este sistema. A telefonia celular revolucionou os costumes, hábitos e a economia mundial nesses últimos anos. A estrutura da telefonia celular demanda uma série de fatores que devem ser de conhecimento de engenheiros e técnicos da área de telecomunicações. O padrão GSM (Global System for Mobile Communications) se tornou o padrão mais difundido no mundo ao longo dos últimos anos e será o padrão aqui estudado. Objetivo O objetivo deste trabalho é medir a potência do sinal de telefonia celular e caracterizar o ambiente de propagação através do modelo matemático log-distância. Será utilizado o software MATLAB [1], na sua versão trial gratuita para testes com validade de 30 dias e disponível no site para desenvolver um algoritmo que, utilizando o modelo matemático estudado neste trabalho, faz a caracterização de ambiente através das potências recebidas. Posteriormente, com a caracterização feita, é possível realizar uma predição de sinal, calculando matematicamente o valor de potência recebida. Justificativa Nos últimos anos, à medida que a telefonia celular foi se difundindo, houve a necessidade de uma intensa pesquisa, desenvolvimento e mão de obra capacitada para a criação de novas tecnologias na área de sistemas de telefonia móvel. Isso deve ser combinado com o interesse crescente em evitar os custos elevados associados à instalação em ambientes interligados por fios. (Freeburg, 1991[2]). O estudo da qualidade de transmissão e recepção deve ser focado, afim de que o consumidor final seja satisfeito com o produto adquirido, incentivando assim, o fornecedor a melhorar cada vez mais a qualidade do serviço prestado e implantar novas tecnologias. A caracterização de ambiente permite que tal qualidade seja alcançada, uma vez que a operadora de telefonia celular, ao longo dos anos, pode assim verificar a necessidade de novas estações de telecomunicações para suprir uma eventual falta de sinal devido às variações do ambiente como construção de novos prédios. Metodologia Este trabalho consiste na análise dos dados obtidos através de um celular, com a opção de teste de campo (field test) habilitada, na região central de Itaúna e estudada pelo modelo de propagação de ondas log-distância [3]. O tutorial parte I apresentou as questões teóricas necessária para o entendimento do projeto, tais como a estrutura celular, o modelo de propagação log-distância e o padrão GSM e sua arquitetura e características. Este tutorial parte II apresenta a metodologia empregada no projeto, o algoritmo desenvolvido no software MATLAB que simula a recepção do sinal da rede de telefonia celular e caracteriza o ambiente onde se 3

4 encontra o usuário, as medições de sinais feitas que compõe a parte prática do trabalho, finalizando com as conclusões obtidas. 4

5 Rede GSM II: Metodologia do Projeto Nesta seção será abordada a metodologia usada neste projeto, constituído das medições de sinal através do field test e análise dos dados obtidos por um algoritmo criado no software MATLAB. Simulação A simulação feita neste trabalho foi feita pelo algoritmo criado no programa de computador MATLAB e tem como finalidade a caracterização do ambiente de propagação onde o usuário se encontra. O MATLAB O MATLAB (MATrix LABoratory) é um software especializado e otimizado para cálculos científicos e de engenharia. Ao longo dos anos o MATLAB transformou-se em um sistema computacional flexível, com a implementação de uma linguagem de programação própria, assim como várias bibliotecas e uma rica variedade de funções, que juntas são capazes de resolver problemas técnicos [13]. O Algoritmo O algoritmo deste trabalho foi desenvolvido afim de que encontrar o coeficiente n, presente nas fórmulas do modelo de propagação log-distância, através de dados fornecidos pelo usuário como a distância da antena transmissora e a potência recebida. O resultado é obtido através de cálculos do modelo de propagação log-distância devidamente ajustados para a linguagem computacional do MATLAB. A figura 1 mostra o algoritmo desenvolvido neste trabalho, note que depois que a fórmula do modelo log-distância é devidamente desenvolvida, utiliza-se o método da minimização da soma dos erros quadráticos para achar o coeficiente n [3]. Validação o Algoritmo Figura 1: Algoritmo de Caracterização de Ambiente 5

6 Para validar o algoritmo foi testado um exemplo hipotético, encontrado na referência [3], no qual é possível calcular o valor do coeficiente de caracterização de ambiente n, que deverá ter o valor aproximado de 4,41. O teste é representado na figura 2. Figura 2: Validação o Algoritmo Alguns testes com outros valores também foram realizados para a validação, porém como se trata de um modelo matemático exato e relativamente simples, poucos testes seriam suficientes para comprovar a eficiência do algoritmo. Realizando Medições Neste projeto as medições foram feitas por um celular GSM e pelo programa gratuito Google Earth [14], para obter respectivamente a potência recebida do celular e a distância em que o usuário se encontra da ERB. Field Test As medições das potências recebidas na telefonia celular GSM podem ser feitas através do field test, que é um modo que pode ser habilitado nos celulares GSM e têm, entre as finalidades, mostrar a potência recebida em dbm e as potências recebidas das células vizinhas candidatas ao handover. Neste projeto foi utilizado o celular Nokia 6510, ilustrado pela figura 3. 6

7 Figura 3: Nokia 6510 [15] O modo field test apresenta várias informações, inclusive os nomes das ERB's, e para saber o que significa todas as informações, basta segurar a tecla * (asterisco) do celular que o field test fornece o que significa cada uma delas. No Nokia 6510 as potências recebidas são oferecidas no seguinte formato: SCH C1 Rx C2 1CH C1 Rx C2 2CH C1 Rx C2 Onde SCH é o canal principal onde o usuário se encontra, 1CH e 2CH são o primeiro e o segundo canal candidatos a handover respectivamente, Rx a potência recebida daquele canal e C1 e C2 os quadros dos canais. Ainda há a possibilidade de ver todos os canais candidatos a handover, chegando usualmente a 7CH ou 8CH, e suas respectivas potências, porém focaremos somente os dois primeiros canais candidatos. O SCH mudará somente se a área onde for feita a medição for um centro urbano com a densidade de tráfego telefônico muito grande e, conseqüentemente, células menores, do contrário raramente o SCH irá mudar. Ao longo de uma medição é possível observar claramente através do SCH o mapeamento da setorização de uma célula e quanto mais pontos uma medição tiver, melhor será a visualização desta setorização e o resultado final dos cálculos. Quando se mapeia a região, os canais 1CH e 2CH mudarão à medida que o usuário se encontra mais próximo de uma borda de um setor, assim é perceptível o formato do setor em que se encontra e onde começam os setores vizinhos, oferecendo um mapeamento mais preciso. Os quadros representados por C1 e C2 oscilam constantemente confirmando a teoria de quadros do GSM. Por esse motivo, e por não serem relevantes aos cálculos, C1 e C2 não foram anotados neste projeto, ressaltando-os apenas a concordância com a teoria já discutida de estrutura celular GSM. Google Earth O software gratuito Google Earth é um programa que apresenta imagens das cidades obtidas através de 7

8 um satélite e nele é possível fazer cálculos e medições de distância com precisão [14]. Neste projeto os pontos de medições foram devidamente localizados no programa, obtendo-se assim, as distâncias entre os pontos e a ERB da Oi. Esta é a operadora do chip SIM utilizado, que em Itaúna, tem sua ERB no alto do morro do Bomfim. 8

9 Rede GSM II: Predição de Cobertura Nesta seção será apresentado o projeto de predição de cobertura que foi desenvolvido com as potências recebidas, obtidas nas medições, e a caracterização do ambiente através do algoritmo desenvolvido no software MATLAB. Medições As medições foram feitas no centro da cidade de Itaúna com o celular Nokia 6510 através do field test. Foi medido um total de sete pontos distribuídos aleatoriamente pelo centro e devidamente anotado os lugares, para posteriormente adquirir as respectivas distâncias necessárias para aplicação no modelo log-distância. Os pontos onde as medições foram realizadas são ilustrados na figura 4, obtida através do programa Google Earth [14]. Figura 4: Pontos de Medição Com as medições devidamente anotadas e as distâncias calculadas, a tabela 1 foi obtida. Tabela 1: Relação das potências e distâncias dos pontos de medição Pontos Canal Potências Recebidas (dbm) Distância da ERB (m) Como foi utilizado um chip SIM da operadora Oi, todas as medições apresentarão canais em uma faixa em 9

10 torno de 520, característico desta operadora. Caracterização de Ambiente De posse das medições é possível então caracterizar a região central de Itaúna através do algoritmo desenvolvido. A figura 5 mostra a aplicação do algoritmo com as medições feitas. Figura 5: Caracterização de Ambiente do Centro de Itaúna O Coeficiente de caracterização n encontrado tem o valor de 3.23 e, segundo a Tabela 2 (Expoente de atenuação n para diferentes ambientes) do tutorial parte I, equivale à celular em área urbana, podendo também ser considerado como área urbana com sombra, satisfazendo a condição real do centro da cidade que possui alguns prédios que provocam áreas de sombra. Com o ambiente devidamente caracterizado é possível especular que não há necessidade de uma nova ERB para atender o centro da cidade nem de criação de células menores. Futuramente uma nova medição e caracterização indicarão se, nas condições em questão, haverá a necessidade de novas ERB's para o centro da cidade. Tais medições mostrarão o crescimento da demanda na telefonia celular, podendo assim, obter estatisticamente uma previsão de quando haverá necessidade de novas medições ou instalações. Predição de Sinal De posse do coeficiente de caracterização pode-se, então, fazer uma predição de sinal, calculando através do modelo de propagação log-distância o quanto de potência recebida deveria se obter em uma medição a uma determinada distância entre a ERB transmissora e o celular receptor. A tabela 2 mostra as potências calculadas em dbm, além das potências recebidas encontradas nas medições e suas respectivas distâncias. Ainda nesta tabela temos o erro, em db, ocorrido nas potências medidas. Tabela 2: Relação das potências calculadas e medidas e seus respectivos erros 10

11 Pontos Canal Potências Recebidas Distância da ERB Potência Calculada Erro (dbm) (m) (dbm) (db) O desvio padrão σ, obtido através dos erros, tem valor aceitável de 2.47 db. 11

12 Rede GSM II: Considerações finais A rede de telefonia celular está em pleno desenvolvimento e suas tecnologias demandam novos experimentos para facilitar e compreender melhor os fatores físicos presentes. Um bom entendimento dos efeitos físicos e dos modelos matemáticos que os regulam, proporciona ao aluno e ao profissional da área de telecomunicações, um desenvolvimento melhor em sua área e a possibilidade de uma expansão do estudo. O GSM tornou-se hoje o padrão mais difundido ao redor do mundo e suas qualidades e resultados positivos permitiram uma evolução para novos modelos. Isso prova que o padrão GSM é eficaz e ficará marcado na história dos próximos padrões. A caracterização de ambiente, em qualquer padrão de telefonia celular, vem oferecer inúmeras possibilidades e soluções para os projetistas de redes de telecomunicações, dando-os condições para, estatisticamente, realizar previsões de cobertura e possíveis alterações na planta ao longo dos anos. Este trabalho oferece um apoio aos projetistas, através de noções sobre estrutura celular, o padrão GSM, o algoritmo de predição e sugestão de medição através de field test em um aparelho GSM, pois os objetivos foram alcançados, caracterizando o centro de Itaúna e realizando uma predição de sinal no mesmo. Assim, uma contribuição deste trabalho é a possibilidade de tornar-se um guia ou ter caráter informativo, além de suas referências, para os profissionais que pretendem realizar projetos ou trabalhos similares. Ainda há a possibilidade de uma continuação deste trabalho, através de análises mais profundas deste e de outros modelos de propagação que se empregam à telefonia celular. Também podem ser realizadas medições através do modelo de propagação HATA [3]. Referências [1] MATHWORKS. Software trial MATLAB. Disponível em: Acesso em: 30 jul. 2008, 17:30. [2] FREEBURG, T. A. Enabling technologies for wireless in-building network communications - four technical challenges, four solutions. IEEE Communications Magazine, v.29, n.4, p.58-64, abr [3] RAPAPPORT, T.S. Wireless Communications: Principles and Practice. 1. ed. NJ: Prentice Hall, p. [4] NANDA, S. And GOODMAN, D. J. Third Generation Wireless Information Network. 1. ed. Boston: Kluver Academic Publisher, p. [5] ALENCAR, Marcelo Sampaio de. Telefonia Celular Digital. 1. ed. São Paulo: Érica, p. [6] PARSONS, J.D. The Mobile Radio Propagation Channel.2. ed. Nova York: John Wiley & Sons, p. [7] JUSTINO, J. A. Propagação das Ondas Eletromagnéticas: princípios e aplicações. 1. ed. São Paulo: 12

13 Érica, p. [8] Lee, W. C. Y. Mobile Communications Engineering: theory and applications. 2. ed. New York: McGraw-Hill, p. [9] BELLAMY, John. Digital telephony. 3. ed. Nova York: J.Wiley, p. [10] TELECO. Recurso Rádio em GSM/GPRS: GSM. Disponível em: Acesso em: 17 set. 2008, 13:45. [11] WIRELESSBRASIL. GSM Conceitos Básicos. Disponível em: Acesso em: 31 jul. 2008, 14:35. [12] HAYKIN, Simon. Sistemas de Comunicação: Analógicos e Digitais. 4. ed. 1: Bookman, p. [13] CHAPMAN, Stephen J. Programação em MATLAB para engenheiros. 1. ed. 2003, São Paulo: Thomson Learning, p. [14] GOOGLE. Software gratuito Google Earth. Disponível em: Acesso em: 29 out. 2008, 08:44. [15] NOKIA. Manual do Utilizador. Disponível em: /6510_usersguide_pt.pdf Acesso em: 01 nov. 2008, 15:27. 13

14 Rede GSM II: Teste seu entendimento 1. Porque foi usado o MATLAB no presente projeto? Por ser um software especializado e otimizado para cálculos científicos e de engenharia. Por ser um sistema computacional flexível, com linguagem de programação própria. Por ter várias bibliotecas e uma rica variedade de funções, que juntas são capazes de resolver problemas técnicos. Todas as anteriores. 2. Quais foram as informações obtidas do celular utilizado e do software Google Earth para o projeto? Potência recebida e localização do usuário. Potência recebida e distância do usuário até a ERB. Acesso ao Google Earth via Internet e localização do usuário. Freqüência e banda utilizada e localização do usuário. 3. Qual foi o modelo de propagação utilizado neste projeto? Modelo Log-distância. Modelo de HATA. Modelo de Okumura. Modelo de propagação em Terra Plana. 14