UNIVERSIDADE ESTADUAL DO MARANHÃO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE COMPUTAÇÃO
1. Introdução 2. Como conhecer o Canal Rádio móvel 3. Rádio-Propagação 4. Mecanismos de Propagação 5. Análise do Canal 6. Técnicas de Sondagem do Canal 7. Análise do Canal na Prática
Fundamentos de Canal Rádio Móvel Introdução *Cenário das comunicações móveis continua em constante crescimento. *Entrada da 4G e aumento de Tablets e Smartphones *Para oferta de serviços banda larga sem fio, engenheiros enfrentam desafios quanto: * Ruído e interferência entre símbolos causada pelo canal dispersivo. * Baixa relação S/R devido atenuação * Limitação de Espectro Crescimento Engenharia (desafios) Conhecimento do Canal Rádio Móvel
Caracterização de Canal Introdução *A engenharia de RF para uma eficiente implantação de sistemas banda larga sem fio precisará: *Procedimentos e metodologias de cálculo para uma eficiente predição de cobertura macro e microcelular * Ferramentas computacionais fáceis de manipular, de rápida implementação e que possuam resultados confiáveis.
Caracterização de Canal Objetivos Perda de Pecurso Comparação Com Modelos Objetivos Caracterização do Canal Caracterização Banda Estreita Caracterização Banda Larga Obtenção de Perfis de Retardo Estatísticas Análise Estatística da Variabilidade
Fundamentos de Canal Rádio Móvel Radio Propagação *Há uma série de regras básicas e simples que têm se provado extremamente úteis no planejamento inicial de um sistema rádio: Quanto maior o comprimento de onda, maior é o alcance; Quanto maior o comprimento de onda, maior a facilidade com que ela atravessa e contorna as coisas; Quanto menor o comprimento de onda, mais dados ela pode transportar.
Fundamentos de Canal Rádio Móvel Radio Propagação *Um transmissor de potência PT(W) irradiando isotropicamente em espaço livre gera, a uma distância d(m) da antena, uma densidade de potência (S) dada por: *A potência recebida é dada pelo produto da densidade de potência por área efetiva da antena de recepção: onde para uma antena isotrópica temos:
Fundamentos de Canal Rádio Móvel Radio Propagação * A perda básica de transmissão em espaço livre é definida como a razão entre as potências recebida e transmitida em espaço livre para antenas isotrópicas, ou seja *O valor correspondente em db é denominado atenuação em espaço livre e dado por:
Fundamentos de Canal Rádio Móvel Radio Propagação *Em regiões urbanizadas a propagação envolve três mecanismos: visada direta (nem sempre existente), difração múltipla e reflexões múltiplas. *O sinal sofre flutuações acentuadas em função dos deslocamentos do móvel em relação à radio base. *A potência média recebida pelo móvel depende da potência transmitida, das alturas de antenas e cai com a distância elevada a um expoente que depende do grau de urbanização.
Fund. de Canal Rádio Móvel Mecanismos de Propagação *Ocorre quando a onda propagada incide sobre objetos de dimensões bem maiores que o comprimento de onda (e.g. edifícios, paredes). * Devido as múltiplas reflexões vindas de vários objetos, as ondas eletromagnéticas se propagam ao longo de diferentes percursos de comprimentos variados. * A interação entre essas ondas causam desvanecimento do sinal (fading) em uma determinada região.
Fund. de Canal Rádio Móvel Mecanismos de Propagação
Fund. de Canal Rádio Móvel Mecanismos de Propagação *Ocorre quando o caminho entre o transmissor e o receptor é obstruído por uma superfície pontiaguda (modelo gume de faca). * As ondas secundárias resultantes do obstáculo estão presentes em todo o espaço inclusive atrás do obstáculo. *O resultado desse fenômeno é um curvamento da onda, fazendo com que ela aparece em pontos fora da linha de visada.
Fund. de Canal Rádio Móvel Mecanismos de Propagação Princípio de Huygens
Fund. de Canal Rádio Móvel Mecanismos de Propagação
Fund. de Canal Rádio Móvel Mecanismos de Propagação *Acontece quando o meio onde se propaga a energia possui obstáculos com dimensões da ordem ou inferior ao comprimento de onda. * Relativamente aos fenômenos da reflexão e da difração, a análise teórica do espalhamento é bem mais complexa de ser estruturada, razão pela qual os modelos empregados na prática são, em geral, empíricos, obtidos a partir de dados experimentais. *O espalhamento pela vegetação, por fios da rede elétrica, por sinais de trânsito, chuva, etc., são exemplos que acontecem em áreas urbanas e suburbanas. *Cumpre acrescentar que o meio responsável pelo espalhamento sempre possui condutividade, portanto, dependendo da frequência, observa-se adicionalmente certa absorção da onda em propagação.
Fund. de Canal Rádio Móvel Análise do Canal * Perda de Percurso e Desvanecimentos em pequena e larga escala *Análise e predição de cobertura * Caracterização do Canal Em áreas urbanas, a comunicação se faz possível devido ao espalhamento do sinal nas superfícies das edificações e pela difração ao redor deles, uma vez que o receptor está geralmente abaixo da altura média destas edificações.
Fund. de Canal Rádio Móvel Análise do Canal * Efeitos da Propagação do Sinal Potência do Sin al Distância entre Tx e Rx
Fund. de Canal Rádio Móvel Análise do Canal * Efeitos da Propagação do Sinal Potência do Sin al Distância entre Tx e Rx
Fund. de Canal Rádio Móvel Análise do Canal * Efeitos da Propagação do Sinal Potência do Sin al Distância entre Tx e Rx
Fund. de Canal Rádio Móvel Análise do Canal * Efeitos da Propagação do Sinal Potência do Sin al 3 Contribuições Somadas * Perda de Percurso * Desvanecimento Larga Escala * Desvanecimento Pequena Escala Distância entre Tx e Rx
*Caracterização do Fenômeno de Multipercurso Multipercursos Fund. de Canal Rádio Móvel Análise do Canal Potência, dbm Réplicas do sinal Transmitido 0 1 2 3 (em us) Tempo de atraso em relação a primeira componente * Os sinais que chegam exatamente no mesmo instante de tempo no receptor, se combinam vetorialmente e o resultado, dependendo das fases, amplitudes e tempos podem produzir campos mais fortes ou mais fracos *Os sinais que chegam em instante de tempos diferentes, criam ecos na recepção, ou seja, réplicas do sinal são recebidas no receptor.
Fund. de Canal Rádio Móvel Análise do Canal *Perda de Percurso e Desvanescimentos em Pequena e Larga Escala Lognormal Sonda de Canal Desvanecimento Perda de Pequena Percurso Larga Escala * O Devido Desvanecimento ao Multipercurso, em Larga os Escala sinais que ocorre chegam devido no a receptor, obstruções se naturais (relevo) combinam e a vetorialmente construções, como e o resultado, casas e edifícios, dependendo que fazem das fases, com que o móvel amplitudes fique e em tempos uma região pode produzir de sombra campos eletromagnética. mais fortes ou mais fracos. *Neste * A queda caso no o nível sinal do chega sinal ao recebido receptor devido basicamente ao multipercurso através de é difração e espalhamento, conhecido como e a Desvanecimento amplitude do sinal em Pequena assim recebido Escala. segue uma função de densidade de probabilidade log-normal.
Fund. de Canal Rádio Móvel Análise do Canal *Perda de Percurso e Desvanecimentos Pequena e Larga Escala Rayleigh Rice Nakagami Weibull
*Comportamento do Canal Resumidamente... Fund. de Canal Rádio Móvel Análise do Canal
Fund. de Canal Rádio Móvel Análise do Canal *Caracterização do Fenômeno de Multipercurso Variabilidade Rápida na Potência do Sinal Recebido (Desvanecimento em Pequena Escala) Multipercurso Réplicas do Sinal Transmitido que chegam no receptor muito rapidamente (Perfil de Retardos) Potência, dbm Réplicas do sinal Transmitido 0 1 2 3 (em us) Tempo de atraso em relação a primeira componente
*Caracterização Banda Estreita Perda de Percurso Fund. de Canal Rádio Móvel Análise do Canal Comparação com Modelos de Predição de Perdas de Propagação Perda de Pecurso Comparação Com Modelos Modelos Outdoor Modelos Indoor Modelo de Okumura-Hata [9] Modelo One Slope (1SM) [11] COST 231 Walfish-Ikegami [10] COST 231-Modelo Motley-Keenan [12], Ikegami [11] Modelo Rappaport (Modelo Motley- Keenan-modificado) [13] Walfish-Bertoni [12] Modelo Valenzuela [14] Xia [13] COST 231-Multi Parede/Andar (MWM) [15] COST 231 Hata [14] Modelo de Atenuação Linear (LAM) [7] SUI (Standford University Interim) [15, 16] ITU-R P.1411-3 [17] ITU-R P.1546-3 [18]
Fund. de Canal Rádio Móvel Análise do Canal *Caracterização em Banda Estreita *Variabilidade Rápida da Potência do Sinal Recebido Análise Estatística da Variabilidade r(t) - Envoltória do Sinal τ1 τ 2 τ 3 τ 4 τ 5 τ 6 τ 7 *Parâmetros importantes: *Taxa de Cruzamento de nível * Tempo Médio de duração do Desvanecimento
*Caracterização em Banda Estreita * Taxa de Cruzamento de nível Caracterização de Canal Banda Estreita A Taxa de Cruzamento de Nível mostra quantas vezes em média, na unidade de tempo, o nível do sinal cruza um determinado limiar estabelecido R. Análise Estatística da Variabilidade Assumindo que r e R são independentes, obtém-se, para a distribuição de Rayleigh: Definindo pode-se escrever, também para a distribuição de Rayleigh:
*Caracterização em Banda Estreita Caracterização de Canal Banda Estreita Análise Estatística da Variabilidade *Tempo Médio de duração do Desvanecimento A Duração Média de Desvanecimentos abaixo de um limiar R é dada pela razão entre o tempo total que um sinal desvanecido de amplitude r fica abaixo de um determinado nível de interesse R e o número total de desvanecimentos. - é função de densidade de probabilidade da distribuição de r e, usando a distribuição de Rayleigh:
*Características do Canal em Banda Larga Obtenção do Perfil de Retardos Fund. de Canal Rádio Móvel Análise do Canal Tx Rx *Autocorrelação do Sinal de Saída do Canal WSSUS considerando o sinal z(t) na entrada do canal uma função impulsiva, então essa expressão se resume a:
*Características do Canal em Banda Larga Obtenção do Perfil de Retardos Fund. de Canal Rádio Móvel Análise do Canal Tx Rx *Autocorrelação do Sinal de Saída do Canal WSSUS *Correlação Cruzada da Sequência PN com o Sinal de Saída do Canal considerando o sinal z(t) na entrada do canal uma função impulsiva, então essa expressão se resume a: Agora, ao realizar a correlação cruzada dessa saída y() com a réplica do ruído branco de entrada retardada no tempo, obtém-se:
*Método de Compressão de Pulsos Correlação Cruzada Sinal Recebido Fund. de Canal Rádio Móvel Técnicas de Sondagem Sinal Original
Fund. de Canal Rádio Móvel Técnicas de Sondagem *Método de Compressão de Pulsos Correlação Cruzada Resposta ao Impulso do Canal Perfil de Retardos
*Método da Autocorrelação Fund. de Canal Rádio Móvel Técnicas de Sondagem Sinal Recebido Sinal Recebido
*Método da Autocorrelação Fund. de Canal Rádio Móvel Técnicas de Sondagem Perfil de Retardos
Fund. de Canal Rádio Móvel Técnicas de Sondagem *Características do Canal em Banda Larga Parâmetros de Dispersão Temporal do Canal * Retardo Médio * Banda de Coerência * Espalhamento de Retardo RMS * Retardo Máximo
Fund. de Canal Rádio Móvel Aplicação Prática *Canal Real 1 *Canal Real 2
Fund. de Canal Rádio Móvel Aplicação Prática
Fund. de Canal Rádio Móvel Aplicação Prática *Medidas em Banda Larga Rua Glauca (Rota Campo Grande Rio-SP) Retardo Médio (us) Retardo RMS (us) Visada Média Desvio Média Desvio Rua Glauca 0,3890 0,0987 0,2033 0,0613 LOS Sinal OFDM 1 Estrada da Cachamorra (Rota Campo Grande Cachamorra) Retardo Médio (us) Retardo RMS (us) Média Desvio Média Desvio Estrada da Cachamorra Subindo 0,4078 0,0962 0,2155 0,0599 LOS Sinal OFDM 1 Visada
Fund. de Canal Rádio Móvel Aplicação Prática *Medidas em Banda Estreita * Variabilidade em Pequena Escala Trecho 3 Trecho 3 - Rua soldado Valdemar de Almeida Visada Rayleigh Rice Nakagami Weibull LOS (σ) (s) (σ) (m) (Ω) (λ) (α) Parâmetros estimados por MLE a partir dos dados empíricos Desvio entre as curvas práticas e teóricas de PDF (%) Erro médio Quadrático entre os valores observados e esperados Distribuições que passaram no teste do Qui-Quadrado 0,2635 0,297 0,1592 1,702 0,1389 0,3888 2,5659 0,7525 0,7189 0,6897 0,708 1,0042 1,0039 0,9125 0,963 X X X X
Caracterização de Canal Próxima Aula *Modelagem Matemática da Caracterização do Canal Banda Larga *Exercícios Aplicados (MATLAB)
Caracterização de Canal Aulas Anteriores *Fundamentos de Propagação em VHF e UHF *Aplicação de Processos Estocásticos em Propagação (ao Estudo de Canal Rádio) *Análise e Predição de Cobertura (Modelos empíricos e semi-empíricos) *Revisão de Análise de Sistemas Linerares Invariantes no Tempo Caracterização de Canal Rádio Móvel Referência bibliográfica: PARSONS, J.D. The Mobile Radio Propagation Channel. John Wiley & Sons, 2000.