Universidade da Beira Interior Planeamento de uma Rede sem Fios IEEE 802.16e no Concelho da Covilhã Rui Marcos Dany Santos Covilhã, 7 de Novembro de 2005
Resumo Objectivo Planeamento Celular Análise de Visibilidade Ligação ponto-a-ponto Conclusões e trabalho futuro
Objectivo Projectar uma rede móvel Ponto-Multiponto que abrange todo o concelho da Covilhã, estudando particularmente a área urbana da cidade em pormenor Desenvolver uma rede sem fios WiMax para interligar Ponto-a-Ponto os Hospitais Pêro da Covilhã, Sousa Martins (Guarda) e Amato Lusitano (Castelo Branco)
WiMax WiMax é uma organização sem fins lucrativos cujo principal objectivo é promover e certificar a compatibi-lidade e a interoperabilidade de equipamentos para redes sem fios de banda larga da norma IEEE 802.16 Norma 802.16 802.16a-REVd 802.16e Espectro de Frequência [GHz] Ritmo de transmissão máximo [Mbps] Mobilidade Raio típico da célula [km] 10-66 2-11 2-6 32-174 75 Até 15 Fixo 2-5 Fixo e Mobilidade pedestre 7-10; distância máxima:50 Mobilidade 2-5
Distâncias de cobertura versus Ritmos de Transmissão
Planeamento Modelos de Propagação Modelo de Friis modificado Modelo SUI Atenuação Potência recebida Relação portadora-ruído Relação portadora-interferência Com sectorização Sem sectorização Ferramentas GIS para análise de visibilidade
Área de Cobertura e Reutilização na Rede Ponto-Multiponto
Cálculo do número n de célulasc Área total - 550 Km 2 Raio da célula [km] Número de células 2 53 3 24 4 14 5 9
Atenuação, L - Modelo de Friis modificado γ, expoente de propagação ο γ =2 espaço livre ο γ =3 zona urbana sem sombra ο γ =4 zona urbana com sombra d, distância de propagação, toma valores entre 2 e 6 km γ chuva assume o valor de 0,015 db/km para uma intensidade de precipitação de 25 mm/h γ nevoeiro assume o valor de 0,01 db/km para uma frequência até 5 GHz γ neve considera-se desprezável para frequências abaixo dos 30 GHz f, frequência, 3,5 GHz ( d[ km ]) + chuva[ db km] d[ km] L 32,4 + 30γ + 10γ log γ = / + γ nevoeiro / d + γ d + 20log ( f ) [ db km] [ km] neve[ db / km] [ km] [ GHz]
Relação portadora-ru ruído (Friis) P r N0 = 204 + 10 log b dbw 10 rf ( ) [ ] = Pe [ dbw ] + Ge[ dbi ] + G dbw r [ dbi ] L[ db] [ ] [ Hz] N = N 0 + Nf C N = P r N Nf = 3 db [ dbw ] [ dbw ] brf = 5 MHz G e +G r = 25 dbi Nf Factor de ruído brf largura de banda de radiofrequência C/N [db] 60 50 40 30 20 10 0 1,5-10 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5-20 -30-40 Distância [km] Gama 2 Gama 3 Gama 4
Modelo SUI - Modelo SUI Tipos de terreno o A terreno montanhoso com densidade moderada-elevada de árvores o B terreno liso com densidade moderada-elevada de árvores ou terreno montanhoso com densidade reduzida de árvores o C terreno liso com densidade reduzida de árvores d, distância de propagação, toma valores entre 2 e 6 km d 0 = 100m X f Factor de correcção da frequência da antena X h Factor de correcção do receptor da antena s Factor de perda de desvanecimento das árvores e estruturas f Frequência, 3,5 GHz L = A + 10γ log d d 0 + X f + X h + s A = 4. d 20log λ π 0
Comparação modelos Friis / SUI C/N [db] 80 70 60 50 40 30 20 10 0-10 -20-30 -40 c 1 2 3 4 5 6 Distância [km] Tipo A Tipo B Tipo C Gama 2 Gama 3 Gama 4
Relação portadora-interferência (omnidireccional) 25 20 C / I [db] 15 10 5 0 3 4 7 9 Factor de Reutilização Gama 2 Gama 3 Gama 4
Relação portadora-interferência (sectorial 180º) 30 25 C / I [db] 20 15 10 5 0 3 4 7 9 Factor de Reutilização Gama = 2 Gama = 3 Gama = 4
Planeamento celular recorrendo a ferramentas GIS - Concelho da Covilhã SPOT OFFSETA/B AZIMUTH1/2 VERT1/2 RADIUS1/2
Reutilização de Frequências
Ligação à rede fixa
Planeamento celular recorrendo a ferramentas GIS - Cidade da Covilhã
Colocação das BSs
Análise da visibilidade a partir da BS1
Análise da visibilidade a partir da BS2
Análise da visibilidade a partir da BS3
Análise da visibilidade a partir das 3 BSs
Conclusões - Cobertura O número de células necessárias para a cobertura da área do concelho da Covilhã, com uma área aproximada de 550 km 2, é de 24 e 14, considerando células com raio de cobertura de 3 e 4 km, respectivamente No modelo de Friis modificado, só é possível ultrapassar o limiar mínimo de C/N para modulações de ordem baixa e para γ =2 e γ=3 com distâncias até 4 km. Para modulações de ordem elevada, o limiar de C/N só é atingido para γ =2 No modelo SUI para as distâncias envolvidas, não existe qualquer limitação na cobertura para qualquer ordem de modulação
Conclusões - Reutilização Sem sectorização os valores do factor de reutilização são demasiado elevados Utilizou-se a sectorização para ultrapassar esta dificuldade aumentar a capacidade do sistema Com sectorização consegue-se reduzir o factor de reutilização para valores aceitáveis (k>4)
Conclusões Concelho da Covilhã No concelho da Covilhã propõe-se um esquema de cobertura com 18 estações de base, garantindo-se 70 % de cobertura com linha de vista (LoS) Na zona das localidades, garante-se 83% de cobertura em LoS Com um factor de reutilização k=7, não existem limitações relativamente à relação portadorainterferência Como backhaul para ligação á rede fixa criou-se uma rede WiMax paralela com componentes ponto-a-ponto e ponto-multiponto na gama dos 5.8GHz Para a zona urbana da cidade da Covilhã, através da colocação de 3 antenas, após algumas iterações, atingimos aproximadamente 75% de cobertura com linha de vista
Trabalho Futuro As sugestões para trabalho futuro incluem: Análise de visibilidade para uma área mais alargada O dimensionamento de painéis solares para alimentação da estações de base O desenvolvimento de arquitecturas de rede para interoperabilidade e IP, assim como, aspectos de segurança na IEEE 802.16e O desenvolvimento de ferramentas de planeamento celular que tenham em conta aspectos de cobertura, reutilização, análise de visibilidade, capacidade e custos de implementação
Agradecimentos MobileMAN (Mobile IP for Broadband Wireless Metropolitan Area Networks), um projecto interno do Instituto de Telecomunicações - Laboratório Associado Departamento de Engenharia Civil - Serviço Transfronteiriço de Informação Geográfica da UBI
FIM Obrigado pela vossa atenção