Gustavo Pinheiro Machado Planejamento de Cobertura de Sistemas de Rádio Acesso em Banda Larga Operando acima de 20 GHz DISSERTAÇÃO DE MESTRADO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA Programa de Pós graduação em Engenharia Elétrica Rio de Janeiro Dezembro de 2003
Gustavo Pinheiro Machado Planejamento de Cobertura de Sistemas de Rádio Acesso em Banda Larga Operando acima de 20 GHz Dissertação de Mestrado Dissertação apresentada como requisito parcial para obtenção do grau de Mestre pelo Programa de Pós graduação em Engenharia Elétrica do Departamento de Engenharia Elétrica da PUC Rio Orientador: Prof. Luiz Alencar da Silva Mello Rio de Janeiro Dezembro de 2003
Gustavo Pinheiro Machado Planejamento de Cobertura de Sistemas de Rádio Acesso em Banda Larga Operando acima de 20 GHz Dissertação apresentada como requisito parcial para obtenção do grau de Mestre pelo Programa de Pós graduação em Engenharia Elétrica do Departamento de Engenharia Elétrica do Centro Técnico Científico da PUC Rio. Aprovada pela Comissão Examinadora abaixo assinada. Prof. Luiz Alencar da Silva Mello Orientador CETUC PUC Rio Prof. Erasmus Couto Brazil de Miranda Universidade Católica de Petropólis Prof. Marco A. Grivet Mattoso Maia Centro de Estudos em Telecomunicações PUC Rio Prof. Rodolfo Sabóia Lima de Souza Centro de Estudos em Telecomunicações PUC Rio Prof. Ney Augusto Dumont Coordenador Setorial do Centro Técnico Científico PUC Rio Rio de Janeiro, 17 de Dezembro de 2003
Todos os direitos reservados. É proibida a reprodução total ou parcial do trabalho sem autorização da universidade, do autor e do orientador. Gustavo Pinheiro Machado Graduou se em Engenharia Elétrica pelo Centro Federal de Ensino Técnico do Rio de Janeiro em 2000. Especializou se na PUC-Rio de Janeiro, em Sistemas de Telecomunicações. Ficha Catalográfica Machado, Gustavo Pinheiro Planejamento de Cobertura de Sistemas de Rádio Acesso em Banda Larga Operando acima de 20 GHz/ Gustavo Pinheiro Machado; orientador: Luiz Alencar da Silva Mello. Rio de Janeiro : PUC Rio, Departamento de Engenharia Elétrica, 2003. v., 90 f: il. ; 29,7 cm 1. Dissertação (mestrado) - Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro, Departamento de Engenharia Elétrica. Inclui referências bibliográficas. 1. Engenharia Elétrica Teses. 2. LMDS. 3. BWA. 4. Rádio em Banda Larga. 5. Atenuação por Chuva. 6. Atenuação Diferencial. 7. Relação sinalinterferência 8. Capacidade 9. Degradação Total. I. Mello, Luiz Alencar da Silva. II. Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro. Departamento de Engenharia Elétrica. III. Título. CDD: 621.3
Agradecimentos Agradeço ao meu orientador, Professor Luiz Alencar da Silva Mello, pela oportunidade, apoio e incentivo para a realização deste trabalho. À minha namorada pelo carinho, apoio e ajuda durante esta fase da minha vida. Aos meus pais e família, pela confiança e carinho. Ao corpo docente do CETUC pelo aprendizado proporcionado e aos funcionários do Departamento. Aos amigos Leonardo Brega, Jonhderson Nogueira, Marcela Novo, Tiago, Luis Ramirez, Marta, Daniel Broadbaker, José Alberto, Marcio, José Antônio e demais colegas do CETUC pelo companheirismo, debates e pelo ambiente de trabalho proporcionado. À CAPES e à PUC Rio, pelos auxílios concedidos. Aos colegas da Dataprev que ao longo deste ano, acompanharam o desenvolvimento, contribuiram com compreensão e incentivo neste trabalho.
Resumo Machado, Gustavo Pinheiro; Mello, Luiz Alencar da Silva. Planejamento de Cobertura de Sistemas de Rádio Acesso em Banda Larga Operando acima de 20 GHz. Rio de Janeiro, 2003. 90p. Dissertação de Mestrado Departamento de Engenharia Elétrica, Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro. Os sistemas de rádio acesso em banda larga em freqüências superiores a 20 GHz oferecem soluções de alta velocidade, vídeo, áudio e multimídia sendo, portanto, alternativas aos sistemas cabeados para acesso à última milha. Nestas faixas de freqüências, os sistemas de rádio acesso em banda larga utilizam enlaces do tipo ponto multiponto na direção de descida e ponto a ponto na subida, com configurações semelhantes às encontradas nas redes celulares. Entretanto, devido as altas freqüências utilizadas, os enlaces operam apenas em visibilidade e o principal problema de propagação encontrado é a atenuação por chuvas, que afeta fortemente o nível do sinal recebido reduzindo a cobertura e o desempenho do sistema. Neste trabalho é desenvolvida uma ferramenta computacional com a finalidade de simular o cálculo de cobertura, de capacidade e da disponibilidade de sistemas de rádio acesso em banda larga utilizando os modelos de previsão de atenuação por chuvas do ITU R e do CETUC, incluindo também efeitos de atenuação diferencial. A inclusão deste último efeito permite tratar de forma completa o problema da atenuação por chuvas em enlaces convergentes e determinar a degradação total na relação sinal-interferência do sistema. Palavras chave LMDS; BWA; Rádio acesso em banda larga; Atenuação por chuva; Atenuação diferencial; Degradação total.
Abstract Machado, Gustavo Pinheiro; Mello, Luiz Alencar da Silva.. Rio de Janeiro, 2003. 90p. MSc. Dissertation Departamento de Engenharia Elétrica, Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro. Broadband wireless access systems in frequencies above 20 GHz can provide a simple and effective solution for high speed, video, audio and multimedia service providers being an excellent alternative to cable systems for the last mile. At these frequencies bands, the broadband radio access system uses point to multipoint link in the downlink direction and point to point in the uplink. The configuration is similar to those of cellular networks. However, at these high frequencies the links are line-of-sight and the main problem is rain attenuation, that seriously affects the received signal level reducing coverage and system performance. In this work a computational tool is developed with the purpose of simulating coverage prediction, capacity and system availability calculations using models for rain attenuation prediction developed by ITU-R and CETUC. Also considered is the effect of differential attenuation, what allows a complete treatment of rain effects in point to multipoint links and the calculation of the total degradation in the signal to interference ratio. Keywords LMDS; BWA; Broadband Radio Access; Rain Attenuation; Differential Attenuation; Total Degradation
Conteúdo 1 Introdução 12 1.1 Histórico 12 1.2 Redes de Acesso em Banda Larga 14 1.3 Objetivos do Trabalho 15 1.4 Organização do texto 15 2 Local Multipoint Distribution System LMDS 17 2.1 Definição e Introdução 17 2.2 Aspectos Técnicos 18 2.3 Arquitetura da ERB 21 2.4 Técnicas de acesso 21 2.5 Esquemas de modulação 22 2.6 Capacidade 23 3 Propagação de Ondas Milimétricas 27 3.1 Modelos de Propagação 28 3.2 Propagação no Espaço Livre 28 3.3 Atenuação Atmosférica 29 3.4 Atenuação de Chuva 30 3.4.1 Atenuação Específica 31 3.4.2 Método ITU-R 33 3.4.3 Método CETUC 34 3.5 Perdas de Balanceamento 35 3.6 Atenuação Diferencial por Chuvas 35 4 Cálculo de Cobertura 38 4.1 Potência Transmitida e Controle Automático de Potência 38 4.2 Limiar de Potência de Recepção 38 4.3 Cálculo de Enlace 39 4.4 Nível de sinal recebido 40 4.5 Cálculo da relação S/I 40 4.6 Cálculo da Degradação por Chuvas 41 5 Aplicações 43 5.1 Fator de reuso 1 43 5.2 Fator de Reuso 2 com Polarização Vertical 50 5.3 Fator de Reuso 2 com Polarização Horizontal e Vertical 53 5.4 Fator de Reuso 2 com Polarização Alternada 56 5.5 Fator de Reuso 4 com Polarização Horizontal e Vertical 59 5.6 Fator de Reuso 4 com Alternância de Freqüência e Polarização 61 5.6.1 Cálculo de Capacidade 64 6 Conclusões e Sugestões para Trabalhos Futuros 67 6.1 Conclusão 67
6.2 Sugestão para Trabalhos Futuros 69 Apêndice 70 A Cálculo de Enlace 70 A.1 Cálculo da Distância 70 A.2 Ângulo de Inclinação do Enlace 71 A.3 Ângulo de Apontamento da Antena 71 A.4 Ângulo na Direção do Enlace 72 A.5 Diagrama de Intensidade de Campo 73 A.6 Ganho da Antena 73 A.7 Discriminação de Polarização Cruzada 74 A.8 Direção do Melhor Servidor 74 A.8.1 Ganho do terminal do usuário 75 B Implementações e Aplicações 77 B.1 Descrição do Programa Para O Cálculo da Relação S/I 77 B.2 Telas do Simulador 77 B.3 Abrir Cenário 78 B.3.1 Representação Gráfica do Cenário 79 B.3.2 Escolhendo o Resultado da Simulação 79 B.4 Exibindo os Terminais do Usuário 81 B.5 Simulação 81 B.6 Gráficos 83 B.7 Capacidade 83 C Fluxugramas 85 Bibliografia 89
Lista de Tabelas 2.1 Esquemas de modulação 23 3.1 Coeficientes de regressão para atenuação específica 32 5.1 Valores comuns das simulações 43 5.2 Raio máximo das células 44
Lista de Figuras 2.1 Arquitetura de rede LMDS 19 2.2 Configuração típica de uma rede LMDS 20 2.3 Acesso FDMA 22 2.4 Acesso misto FDMA e TDMA 22 2.5 Eficiência espectral obtida em função de S/I para uma taxa de erros de bits de 10 6 24 3.1 Propagação no Espaço Livre 29 3.2 Atenuação específica 30 3.3 Atenuação diferencial 36 5.1 Conjunto de 64 setores, utilizando fator de reuso 1 único valor de freqüência 44 5.2 Reuso 1 em céu claro 46 5.3 Fator de reuso 1 em 99% de disponibilidade 47 5.4 Fator de reuso 1 em 99, 9% de disponibilidade 48 5.5 Fator de reuso 1 em 99, 99% de disponibilidade 49 5.6 Reuso 2 em céu claro polarização vertical 51 5.7 Fator de reuso 2 em 99,9% de disponibilidade polarização vertical 52 5.8 Conjunto de 64 setores, utilizando fator de reuso 2 polarização horizontal e vertical 53 5.9 Reuso 2 em céu claro 54 5.10 Fator de reuso 2 em 99, 9% de disponibilidade polarização horizontal e vertical 55 5.11 Conjunto de 64 setores, utilizando fator de reuso 2 dois valores de freqüência distintos e polarização alternada 56 5.12 Reuso 2 em céu claro polarização alternada 57 5.13 Fator de reuso 2 em 99, 9% de disponibilidade polarização alternada 58 5.14 Conjunto de 64 setores, utilizando fator de reuso 4 quatro valores de freqüência distintos e polarização horizontal e vertical em setores adjacentes 59 5.15 Reuso 4 em céu claro polarização horizontal e vertical 59 5.16 Fator de reuso 4 em 99, 9% de disponibilidade polarização horizontal e vertical 60 5.17 Conjunto de 64 setores, utilizando fator de reuso 4 quatro valores de freqüência distintos e polarização horizontal e vertical em setores alternados 61 5.18 Reuso 4 em céu claro freqüência e polarização alternada 62 5.19 Fator de reuso 4 em 99, 9% de disponibilidade freqüência e polarização alternada 63 5.20 Fator de reuso 1 histograma de S/I 65 5.21 Taxas máximas oferecida pelo sistema 65
5.22 Capacidade total excedida 66 A.1 Distância do enlace 71 A.2 Ângulo de inclinação do enlace direto 72 A.3 Diagrama de antena de 90 74 A.4 Ângulo de apontamento do melhor servidor 76 B.1 Tela inicial do simulador 78 B.2 Menu arquivo 79 B.3 Abrir cenário de ERB 79 B.4 Configuração de ERB do tipo 4 x 4, utilizando antenas setorizadas de 90 com polarização vertical 80 B.5 Lugar que armazena resultados da simulação 80 B.6 Menu principal 81 B.7 Dados de entrada de clima e chuva 82 B.8 Barra de progresso 82 B.9 Salvar resultado 82 B.10 Janela mostrando onde resultados são salvos 83 B.11 Dados de entrada para cálculo de capacidade 84 C.1 Fluxograma do programa principal 85 C.2 Fluxograma do algoritmo de simulação parte 1 86 C.3 Fluxograma do algoritmo de simulação parte 2 86 C.4 Fluxograma do algoritmo de simulação parte 3 87 C.5 Fluxograma do algoritmo de simulação parte 4 87 C.6 Fluxograma do algoritmo de simulação parte 5 88