Beatriz Pires Eduardo Lopes Joana Enes Mariana Caixeiro Tiago Lavarinhas up201305598@fe.up.pt up201303452@fe.up.pt up201305054@fe.up.pt up201305174@fe.up.pt up201305177@fe.up.pt Mestrado Integrado em Engenharia Eletrotécnica e de Computadores Projeto FEUP MIEEC, 1º ano Equipa 08B Coordenador Geral Projeto FEUP: Armando Sousa Coordenador MIEEC: José Nuno Fidalgo Supervisor: Prof. Sílvio Abrantes Moreira Monitor: Vera Mónica Quintela da Silva Porto, novembro de 2013
Resumo No âmbito da Unidade Curricular Projeto FEUP foi-nos solicitada a realização de um trabalho subordinado ao tema Software de Cálculo Científico utilizado em engenharia, de modo a responder à questão. Este projeto tem como objetivo o desenvolvimento do trabalho em equipa e outros soft skills, a integração dos estudantes na comunidade académica da Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, assim como a otimização dos métodos de trabalho (gestão de tempo). Inicialmente, de modo a dar a conhecer a Unidade Curricular, foi-nos providenciada formação sob a forma de palestras. A estrutura deste relatório é a seguinte: primeiro, foi feita uma breve referência à evolução das telecomunicações ao longo do tempo e a importância das mesmas; de seguida, elaborou-se uma introdução ao software de simulação de sistemas de telecomunicações existente no mercado; posteriormente, procedeu-se à apresentação de sete dos programas mais importantes do setor: o que são; as suas caraterísticas; exemplos de utilização; por fim, apresentam-se as conclusões do trabalho desenvolvido e presente neste relatório, sendo a ideia principal a reter a otimização do processo de produção e instalação de sistemas de telecomunicações graças ao desenvolvimento dos pacotes de software de simulação. 2/16
Agradecimentos Após a realização deste projeto gostaríamos de agradecer a quem nos ajudou à sua realização, nomeadamente ao professor Sílvio Abrantes Moreira e à monitora Vera Mónica Quintela da Silva, que nos orientaram na elaboração deste relatório. Por fim, agradecemos também à Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, pois através dos seus serviços foi possível a elaboração deste mesmo projeto, assim como aos docentes que apresentaram as importantes palestras realizadas na primeira semana letiva, onde nos providenciaram as informações vitais para a elaboração de um bom trabalho. 3/16
Índice Siglas... 6 1. Introdução... 7 2. Software de simulação usado em telecomunicações.... 8 2.1 Matlab/Simulink... 8 2.2 CST Studio Suite... 9 2.3 EZNEC... 10 2.4 Radio Mobile... 11 2.5 Mentum Planet... 12 2.6 OPNET Modeler... 13 2.7 VPIphotonics... 14 4. Conclusões... 15 5. Referências bibliográficas... 16 4/16
Índice de figuras Ilustração 1: Simulação em Simulink de um sistema de telecomunicações.... 8 Ilustração 2: Janela principal do EZNEC (SOFTPEDIA).... 10 Ilustração 3: Simulação do software Radio Mobile (Radio Mobile).... 11 Ilustração 4: Imagem tridimensional criada pelo Mentum Planet (InfoVista)... 12 Ilustração 5: Simulação de diversos cenários da rede multisserviços realizada numa chamada de voz (SNN Angola).... 13 Ilustração 6: Fibras óticas (midiaeducação)... 14 5/16
Siglas DVB-H: Digital Video Broadcasting Handheld; EVDO: Evolution-Data Optimized; FDMA: Frequency Division Multiple Access; GPRS: General Packet Radio Service; GSM: Global System for Mobile Communications; HSPA: High Speed Packet Access; LTE : Long Term Evolution; TDMA: Time Division Multiple Access; WCDMA: Wide-Band Code-Division Multiple Access; WiMAX: Worldwide Interoperability for Microwave Access. 6/16
1. Introdução As telecomunicações são, certamente, uma das maiores invenções do Homem. Televisão, internet, telemóvel, nada disto poderia existir se não houvesse telecomunicações. Será possível imaginar um mundo no qual não pudéssemos telefonar a ninguém, ver os nossos programas favoritos na TV, ver vídeos e navegar na internet? De facto, o mundo não seria a mesma coisa. A verdade é que as telecomunicações rodeiam-nos, estão em todo o lado, são omnipresentes! Estão presentes tanto nos bairros pobres de África, como nas moradias mais luxuosas de Miami. No entanto, a tecnologia atual no setor das telecomunicações demorou muito tempo até ser desenvolvida. Em 1837, surgia o primeiro telégrafo, acontecimento que marca o início das telecomunicações a longa distância. À medida que a tecnologia foi evoluindo, foram criados, então, o primeiro telefone, a telegrafia sem fios, a transmissão de imagens em movimento (televisão), o primeiro satélite, a internet, a comunicação ótica (fibra ótica), entre outros. Atualmente, para que a telecomunicação entre duas entidades seja possível, é necessário instalar, por vezes, grandes e dispendiosos sistemas de telecomunicações. Todavia, há uma questão que pode surgir: e se o sistema, depois de implementado, tem um comportamento inesperado ou deficiente? Para que isso não aconteça, deve-se estudar o comportamento de um sistema sem ter de o construir, ou seja, analisar artificialmente dados em relação ao sistema, às suas características e ao seu desempenho, tendo em conta o ambiente onde vai ser instalado. Para isso, recorre-se à simulação de sistemas de telecomunicações, construindo um modelo matemático do sistema real e efetuando experiências com o modelo no computador. Então, quais são os programas de software de simulação usados em telecomunicações? 7/16
2. Software de simulação usado em telecomunicações. Existem vários programas de simulação que são usados na indústria das telecomunicações. Este tipo de software cria modelos matemáticos de sistemas reais permitindo ao utilizador o estudo/análise desse determinado sistema, antes de se proceder à sua instalação. Alguns desses programas são: Matlab/Simulink, CST Studio Suite, EZNEC, Radio Mobile, Mentum Planet, OPNET Modeler e VPIphotonics. 2.1 Matlab/Simulink O Matlab é um software que é utilizado para computação numérica, visualização e programação, mais especificamente, análise de dados, desenvolvimento de algoritmos e criação de modelos e aplicações. O Simulink é uma das ferramentas utilizadas pelo Matlab, bastante utilizado em telecomunicações. O Simulink é utilizado para simulação, geração automática de código e verificação de sistemas. Através desta aplicação é possível explorar os algoritmos desenvolvidos em ambiente Matlab e exportar os resultados de simulação para posterior análise. Além disso, é amplamente utilizado em teoria de controlo e processamento digital de sinais para projeto e simulação de vários domínios. Ilustração 1: Simulação em Simulink de um sistema de telecomunicações. 8/16
2.2 CST Studio Suite O software de otimização eletromagnética CST Studio Suite é composto por ferramentas que permitem projetar e otimizar dispositivos que operam numa ampla gama de frequências. Fornece análises de efeitos térmicos e mecânicos, bem como a simulação de circuitos. A sua poderosa tecnologia de simulação permite uma gestão eficiente dos slots e a combinação de métodos numéricos eficientes, por exemplo, permitindo aos engenheiros a análise de EMC/EMI (Electromagnetic Compatibility/ Electromagnetic Interference) antes de ir para o laboratório. Algumas das ferramentas disponibilizadas por este software são: CST MICROWAVE STUDIO (CST MWS) simulação rápida e precisa de dispositivos de alta frequência; CST EM STUDIO (CST EMS) projeto e análise de aplicações EM estáticas e de baixa frequência (ex.: motores, sensores, transformadores e caixas de proteção); CST PARTICLE STUDIO (CST PS) simulação de partículas carregadas em movimento livre (ex.: canhões de eletrões, tubos de ondas, etc.); CST PCB STUDIO (CST PCBS) simulação de sinal e efeitos de integridade de alimentação em placas de circuito impresso; CST MPHYSICS STUDIO (CST MPS) simulações térmicas e análise de stress mecânico. CST DESIGN STUDIO (CST DS) síntese de 3D EM / simulação de circuitos / simulação e otimização do sistema. Deste modo, o CST Studio Suite oferece vantagens como ciclos mais curtos de desenvolvimento, prototipagem virtual e otimização, como alternativa à realização de ensaios físicos. É utilizado em várias indústrias, tais como: telecomunicações, defesa, automação, eletrónica e equipamento médico. 9/16
2.3 EZNEC O EZNEC é um software de simulação usado em telecomunicações, mais precisamente para criar programas de modelização de antenas. O EZNEC faz programas de computador que permitem prever e analisar a performance de uma antena (Ken Konechy). Assim estes programas permitemnos saber quais as características que uma determinada antena deve ter para que o seu desempenho seja máximo. Entre estas características destacam-se: o peso da antena, a forma, os materiais que se devem utilizar na sua construção, as condições do solo e a frequência. O EZNEC ainda faz gráficos a duas e três dimensões, gráficos estes que têm informação detalhada sobre a característica que selecionamos. Ilustração 2: Janela principal do EZNEC (SOFTPEDIA). 10/16
2.4 Radio Mobile O Radio Mobile é um software de simulação usado em telecomunicações direcionado a redes de rádio. O que é o Radio Mobile? É uma ferramenta para o desenho e simulação de sistemas sem fios; Prevê o potencial do link de rádio; Usa mapas digitais e o sistema GIS (Geographic Information System); É software público; Utiliza a elevação do terreno para o cálculo de cobertura, indicando a potência do sinal recebido em vários pontos; Cria automaticamente um perfil entre dois pontos no mapa digital que permite ver a área de cobertura de uma rede; Disponibiliza mapas de elevação digital (DEM) a partir de várias fontes; Experimenta diferentes alturas de antena para obter um desempenho ideal. Ilustração 3: Simulação do software Radio Mobile (Radio Mobile). 11/16
2.5 Mentum Planet O Mentum Planet é um software de simulação usado em telecomunicações, mais propriamente no planeamento e otimização de redes sem fios. As suas principais características são: O Mentum Planet suporta as principais normas de acesso sem fios, como por exemplo, GSM, GPRS, EDGE, WCDMA, HSPA, HSPA +, LTE, Wi-Fi, WiMAX, CDMA2000, EVDO, TDMA, FDMA, DVB-H, TETRA, P25 e TDMA/FDMA genérico, assim como descreve todas as etapas do ciclo de vida de uma rede, ou seja, desde o seu planeamento estratégico até ao planeamento, administração e otimização. O Mentum Planet tem como objetivo simular o mundo real da melhor maneira de modo a que a implementação do projeto cumpra os seus objetivos da melhor forma possível. Possui capacidades avançadas de GIS (Geographic Information System). Ilustração 4: Imagem tridimensional criada pelo Mentum Planet (InfoVista) 12/16
2.6 OPNET Modeler O OPNET é um software de simulação e modelização utilizado por diversas instituições, que trabalha com qualquer tipo de redes e tecnologias (por exemplo VoIP, TCP, OSPFv3, MPLS, IPv6, ). Permite ao utilizador: Estudar e desenvolver redes de telecomunicações, aparelhos e aplicações; Testar diferentes tecnologias, em cenários realistas, antes da produção (analisar redes simuladas para comparar o impacto de diferentes tecnologias no projeto); Avaliar melhorias para protocolos baseados em normas; Criar novos protocolos e tecnologias. Um exemplo da sua utilização pode ser observado na figura 5: o software simula diversos cenários da rede multisserviços que está a ser projetada, cada cenário utiliza diferentes tecnologias e normas de comunicação. O objetivo era conseguir um atraso nas chamadas de voz que estivesse dentro dos padrões internacionais. Este é o resultado duma simulação realizada numa chamada de voz. O atraso (o tempo que leva de um extremo a outro) é medido nos quatro cenários. Os resultados são apresentados na imagem em baixo. No eixo das ordenadas, está o atraso medido em segundos e, no eixo das abcissas, o tempo de simulação. Pela análise da imagem, conclui-se que o cenário 4 é o mais indicado para esta situação. Ilustração 5: Simulação de diversos cenários da rede multisserviços realizada numa chamada de voz (SNN Angola). 13/16
2.7 VPIphotonics VPIphotonics é um software de simulação e modelização de redes óticas (transmissão de dados é efetuada através de luz, por meio de fibra ótica) utilizado por várias empresas de renome. Permite ao utilizador conceber, testar e parametrizar os diversos componentes de um sistema de comunicação ótica (por exemplo: fonte de luz, meio de transmissão, fotodetetor, moduladores, amplificadores). Ilustração 6: Fibras óticas (midiaeducação) 14/16
4. Conclusões Com a elaboração deste relatório, pode-se concluir que a utilização de software de simulação na área das telecomunicações é um aspeto fulcral na conceção de sistemas de telecomunicações. De facto, graças à simulação, os engenheiros têm a capacidade de estudar o comportamento desses sistemas, mesmo antes do início do processo de produção e implementação dos mesmos, tendo em conta as características do local de instalação. Pode-se, então, fazer uma síntese do software abordado neste relatório: - O Simulink, uma das várias ferramentas disponibilizadas pelo conhecido software Matlab, permite ao utilizador explorar os programas desenvolvidos em ambiente Matlab e exportar os resultados de simulação para posterior análise. - Quanto ao CTS, é um software de otimização eletromagnética que fornece análises de efeitos térmicos e mecânicos e simula circuitos e o movimento livre de partículas carregadas. Esta solução apresenta, então, várias vantagens em relação ao método convencional (realização de ensaios físicos), por exemplo, a nível financeiro. - O EZNEC é um software usado na modelização de antenas, podendo este programa analisar o desempenho da antena, dependendo do local onde é colocada, dos materiais de que é constituída e da frequência utilizada, antes de ser instalada. - Radio Mobile é uma ferramenta que permite o desenho e simulação de sistemas sem fios, cuja principal aplicação é a transmissão de ondas de rádio. - Mentum Planet é um software usado para o planeamento e otimização de redes sem fios. - O OPNET Modeler, de entre várias funções, consegue estudar e desenvolver redes de telecomunicações, aparelhos e aplicações; testar diferentes tecnologias e cenários; e criar novos produtos e tecnologias. - VPIphotonics possibilita a modelização de redes óticas, permitindo ao utilizador conceber e testar as diversas partes de um sistema de comunicação ótico. Por fim, pode-se afirmar que os pacotes de software de simulação têm extrema importância não só na indústria das telecomunicações, mas também em muitas outras áreas, nas quais se deve recorrer à simulação antes de se iniciar a produção. 15/16
5.Referências bibliográficas EZNEC SOFTPEDIA, EZNEC Screenshots http://www.softpedia.com/progscreenshots/eznecscreenshot-152245.html, acedido em 13/10/2013; Konechy, Ken, www.w6ze.org/newsletter/.../antenna_modeling.ppt, acedido em 13/10/2013; W7EL & Lewallen, Sam, EZNEC Antenna Software by W7EL, http://www.eznec.com/, acedido em 13/10/2013; Radio Mobile, http://www.cplus.org/rmw/rme.html, acedido em 16/10/2013; Dublin Institute of Technology, OPNET, http://www.electronics.dit.ie/techsupport/software/opnet.html, acedido em 06/10/2013; Dunaytsev, Roman, Network Simulators: OPNET Overview and Examples http://utopia.duth.gr/~rdunayts/pdf/guest/opnet.pdf, acedido em 06/10/2013; Riverbed, Network Simulation (OPNET Modeler Suite) http://www.riverbed.com/productssolutions/products/network-performance-management/network-planningsimulation/network-simulation.html#overview, acedido em 06/10/2013; SNNAngola, OPNet: O verdadeiro simulador para engenheiros de Telecomunicações http://snnangola.wordpress.com/2011/12/21/opnet-o-verdadeiro-simulador-paraengenheiros-de-telecomunicacoes/, acedido em 06/10/2013; IEEE SPECTRUM, CST of America, Inc., http://telecomchannelmarketplace.com/company.php?id=1221597&company=cst+of+ame rica,+inc.&term=http://telecomchannelmarketplace.com/company.php?id=1221597&comp any=cst+of+america,+inc.&term, acedido em 08/10/2013; CST Computer Simulation Technology, CST STUDIO SUITE, http://www.cst.com/content/products/cst_s2/overview.aspx, acedido em 08/10/2013; VPIphotonics, http://www.vpiphotonics.com/index.html, acedido em 06/10/2013; Louro, Paula e Pinho, Pedro, Resumo da Proposta de Ideia Para Dissertação de Natureza Científica ou Trabalho de Projecto - Avaliação do Desempenho de Fibras Ópticas de Plástico, http://www.deetc.isel.ipl.pt/meet/propostas/mt22.pdf, acedido em 06/10/2013; Antunes, Tiago, Finalmente a fibra óptica chega em massa a Portugal GLOBPT, 15/05/2009, http://globpt.com/2009/05/15/finalmente-a-fibra-optica-chega-em-massa-aportugal/, acedido em 06/10/2013. 16/16