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Vol. 10 • n. 1 • janeiro/junho 2014

Cadernos CPqD

Tecnologia

Cadernos CPqD

Tecnologia

Cadernos CPqD Tecnologia

Editores-Chefes Claudio A. Violato

Rege Romeu Scarabucci

Editores Executivos Diretoria de Gestão da Inovação

Alberto Paradisi Moacir Giansante

Tania Regina Tronco

Comitê Editorial (Fórum de P&D do CPqD)

Rege Romeu Scarabucci (Representante do Conselho Curador do CPqD) Jamil Haddad (Universidade Federal de Itajubá – Unifei)

José Carlos Maldonado (Universidade de São Paulo – USP) Luci Pirmez (Sociedade Brasileira de Computação – SBC)

Antonio Jorge Gomes Abelém (Sociedade Brasileira de Computação – SBC) Michel Daoud Yacoub (Sociedade Brasileira de Telecomunicações – SBrT)

Murilo Araújo Romero (Sociedade Brasileira de Microondas e Optoeletrônica – SBMO) João César Moura Mota (Sociedade Brasileira de Telecomunicações – SBrT)

Preparação e Diagramação Elisabete da Fonseca

Juliana Cristina Fernandes Pereira Maria Fernanda Simonetti Ribeiro de Castilhos

Maria Paula Gonzaga Duarte Rocha SR Consultoria em Documentação

Tiragem 800 exemplares

Correspondência e Pedidos de Assinatura Adriana Maria Antonietta Bevilacqua

Assessoria de Desenvolvimento Corporativo – ADC Dr. Ricardo Benetton Martins, s/n – Parque II do Polo de Alta Tecnologia

CEP 13086-902 – Campinas – SP – Brasil DDG: 0800.7022773

e-mail: [email protected]

Diretoria do CPqD Presidente: Hélio Marcos M. Graciosa

Vice-Presidente de Tecnologia: Claudio A. Violato Vice-Presidente Comercial: José Eduardo Azarite

Vice-Presidente Financeiro: Sebastião Sahão Junior

Cadernos CPqD Tecnologia. Fundação CPqD – Centro de Pesquisa e Desenvolvimento

em Telecomunicações. Campinas, SP, v. 1, n. 1 (jan./dez. 2005 -) v.il.; 30 cm.

v.10, n.1, jan./jun. 2014 Semestral Resumos em português e inglês ISSN 1809-1946

1. Tecnologia. 2. Telecomunicações. I. Fundação CPqD

CDD 621.38

A revista Cadernos CPqD Tecnologia é uma publicação da Fundação CPqD – Centro de Pesquisa e Desenvolvimento em Telecomunicações, dedicada à divulgação das pesquisas desenvolvidas pela instituição. A revista é distribuída gratuitamente.

ISSN 1809-1946

Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 10, n. 1, p. 1-112, jan./jun. 2014

Cadernos CPqD Tecnologia Vol. 10, n. 1, jan./jun. 2014

Apresentação

Claudio A. Violato ..................................................................................................................................... 3

Prefácio

Rege Romeu Scarabucci ......................................................................................................................... 5

Automação avançada de redes de distribuição de energia elétrica: metodologia para reconfiguração automática

Luana L. Martins, Patricia L. Cavalcante, John F. Franco, Marcos J. Rider, Ariovaldo V. Garcia, Marcos R. R. Malveira, Alexandre Ozelo, Paulo F. S. Carvalho, Geraldo Tadeu Batista ..................................... 7

Testes de segurança em smart meters

Rafael Cividanes, Celso Saraiva, Bruno Botelho, Rafael de Biasi, Nelson Uto, Jefferson Capovilla, Sergio Ribeiro, Christiane Cuculo, Emílio Nakamura, Danilo Suiama, José Francisco Resende .......................... 21

Desenvolvimento de solução híbrida de rede sem fio para aplicação de telemedição – Smart grid

Luís Cláudio Palma Pereira, Rogério Botteon Romano, Fabrício Lira Figueiredo, André Luís de Souza, Antônio Augusto Netto de Faria, Fabrício Poloni dos Santos, Maria Luiza Carmona Braga, Moisés dos Santos, William Lima de Souza ............................................................................................................... 31

Antenas adaptativas e módulos de radiofrequência para redes sem fio banda larga aplicadas à segurança pública

Luís Cláudio Palma Pereira, Leonardo Pezzolo, Daniel Basso Ferreira, Moisés dos Santos, Cristiano Borges de Paula ...................................................................................................................................... 45

Redes de acesso banda larga satélite-terrestre

Onésimo Ferreira, João Paulo C. L. Miranda .......................................................................................... 65

Sobre a aplicação de wavelets para mitigação de interferência banda estreita no LTE downlink

João Paulo Miranda, Dick Carrillo Melgarejo, Fabiano Silva Mathilde, Ricardo Seiti Yoshimura, Felipe Augusto de Figueiredo, Juliano João Bazzo ........................................................................................... 73

Propriedade intelectual do CPqD ............................................................................................................. 85

Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 10, n. 1, p. 3, jan./jun. 2014

Apresentação

Com muita satisfação e orgulho apresentamos a primeira parte do décimo volume da revista Cadernos CPqD Tecnologia, cujo principal objetivo é divulgar os resultados e as atividades de desenvolvimento tecnológico obtidos no âmbito do programa de P&D do CPqD, de forma a contribuir para o desenvolvimento do setor de Tecnologias da Informação e Comunicação (TICs).

Em particular, este volume apresenta os resultados obtidos pelas seguintes áreas de P&D: (1) sistemas de Comunicações Móveis e Redes sem Fio, (2) tecnologias para Smart Grid e (3) tecnologias para Segurança da Informação e Comunicação, que atraem grande interesse por parte da comunidade brasileira de TICs.

Adicionalmente, este volume traz o balanço da produção técnico-científica da instituição, com 24 pedidos de patente depositados no INPI até 30 de junho, referentes ao primeiro semestre de 2014 e resultantes da inovação alcançada ao longo do desenvolvimento dos projetos.

Agradecemos a todos os autores, que permitiram a realização desta edição, bem como a todos os membros do Comitê Editorial e aos demais revisores a inestimável colaboração no processo de avaliação e revisão.

Boa leitura!

Claudio A. Violato

Vice-Presidente de Tecnologia


Prefácio

No presente número da revista Cadernos CPqD Tecnologia, são apresentados seis artigos que envolvem trabalhos recentes de pesquisa e desenvolvimento do CPqD relacionados à área de comunicações sem fio, smart grid e segurança.

No primeiro artigo, Martins e outros colaboradores apresentam uma ferramenta de reconfiguração automática de rede visando a recomposição do sistema elétrico, em caso de falha, através de manobras realizadas automaticamente por equipamentos telecomandados. Essa ferramenta agrega inúmeros benefícios para os consumidores e para a concessionária na medida em que atribui melhorias à qualidade da energia e proporciona reduções importantes no TMAE (Tempo Médio de Atendimento a Emergências) e nos indicadores a ele associados, resultando na redução das multas geradas pelo descumprimento das exigências estabelecidas pela Aneel (Agência Nacional de Energia Elétrica). Foram realizadas simulações com os dados do sistema da Cemig-D e os resultados mostraram-se bastante satisfatórios.

No segundo artigo, Cividanes e outros colaboradores apresentam uma metodologia de avaliação de segurança em smart meters e os resultados de pesquisa e desenvolvimento de protocolos de teste e emulação de software embarcado em medidores e testes de confiabilidade. Foram obtidas contribuições significativas no que tange a segurança e robustez, identificação de vulnerabilidades e requisitos mínimos dos smart meters.

No terceiro artigo, Palma Pereira e outros colaboradores apresentam os principais resultados do desenvolvimento e validação de uma rede experimental híbrida sem fio, integrando segmentos baseados nos padrões IEEE 802.15.4 (ZigBee) e 802.11b/g (Wi-Fi), implementando funcionalidade Ad Hoc Mesh e fazendo uso de faixas de frequência licenciadas com atribuição Anatel SLP (Serviço Limitado Privado) nos segmentos do espectro de 250 MHz e 370 MHz. Essa rede tem a capacidade de suportar aplicações típicas de telemedição, através da aquisição remota de dados disponibilizados por medidores eletrônicos.

No quarto artigo, Palma Pereira e outros colaboradores descrevem os resultados de pesquisa e desenvolvimento de tecnologias que operam na faixa de frequência de 4,9 GHz, destinada pela Anatel para o Serviço Limitado Privado - Segurança Pública, para prover serviços banda larga para segurança pública. O artigo descreve também os protótipos desenvolvidos e os resultados obtidos nos ensaios sistêmicos, em laboratório e nos testes preliminares em campo.

No quinto artigo, Ferreira e Miranda apresentam os resultados de pesquisa e desenvolvimento de uma rede de acesso banda larga satélite-terrestre baseada na tecnologia WiMAX, que tem como foco o atendimento ao cenário de aplicação característico do setor de óleo, gás e energia. A solução proposta é implementada no terminal da rede de acesso e tem por objetivo prover acesso preferencial via WiMAX à rede de infraestrutura e disponibilizar ao usuário de rede local (LAN) uma gama de serviços que demandam a observação de critérios de QoS, tais como VoIP, dados de alta velocidade e imagens.

O sexto artigo, de Miranda e outros colaboradores, apresenta uma análise da interferência ocasionada por transmissores de banda estreita em receptores de banda larga levando-se em consideração canais físicos – tanto no plano de usuário como no plano de controle – em sistemas LTE (Long Term Evolution). Medições em campo foram realizadas visando caracterizar sistemas de banda estreita operando na recém-padronizada banda 31 (450-470 MHz). Além disso, foram estabelecidos requisitos para suprimir a interferência de banda estreita no downlink do LTE. Wavelets dos tipos Biortogonal, Coiflets, Daubechies e Haar foram então avaliadas quanto a sua capacidade de atender a tais requisitos.


Os Cadernos apresentam, no presente número, uma diversidade de temas relacionados principalmente às tecnologias de comunicações sem fio, smart grid e segurança, provendo assim diversos resultados significativos nessas áreas. Agradeço a cada um dos autores que participam deste exemplar e aos meus colegas do Fórum de P&D o cuidadoso trabalho de revisão.

Rege Romeu Scarabucci

Presidente do Fórum de P&D do CPqD


Automação avançada de redes de distribuição de energia elétrica: metodologia para

reconfiguração automática

Luana L. Martins, Patricia L. Cavalcante*, John F. Franco**, Marcos J. Rider**, Ariovaldo V. Garcia***, Marcos R. R. Malveira, Alexandre Ozelo, Paulo F. S. Carvalho****, Geraldo Tadeu

Batista***

O problema de reconfiguração de rede é amplamente estudado em ambiente acadêmico, com diversas abordagens propostas, entretanto, aplicações reais no Brasil são raras. No âmbito das redes inteligentes, há a preocupação por parte das concessionárias de adquirir sistemas inteligentes para monitorar os diversos dados que estarão presentes na rede (medidores AMI, religadores telecomandados, indicadores de falta, etc.) e transformá-los em informações mais elaboradas para auxiliar os operadores na tomada de decisão em tempo real, uma vez que as redes são extensas, de difícil acesso e bastante ramificadas. O objetivo deste artigo é apresentar um sistema de reconfiguração de rede que está sendo desenvolvido em um projeto de P&D Aneel em parceria com a concessionária Cemig-D. Essa ferramenta é utilizada principalmente para a obtenção dos novos estados de chaves de interligação na rede de distribuição, partindo-se de uma condição inicial e visando minimizar a carga não atendida, considerando-se as equações do fluxo de carga, a capacidade máxima nos trechos, equipamentos e subestações, os limites na magnitude de tensão e a operação radial do sistema. Foram realizadas simulações com os dados do sistema da Cemig-D e os resultados mostraram-se bastante satisfatórios.

Palavras-chave: Reconfiguração de redes de sistemas de distribuição. Religadores automáticos. Fluxo de carga. Smart grid.

Abstract

Although network reconfiguration has been a widely studied and researched topic, under different approaches, real applications are still rare in Brazil. In the context of Smart Grid, the challenge is to improve the energy supply by using systems that are able to monitor the network (AMI meters, automatic reclosers, fault locators, etc.) and produce refined information to support the operator decisions in real time in a complex environment, because the network is large, ramified and in some places difficult to access. The objective of this paper is to present the initial results of the network reconfiguration algorithm that has been developed for Cemig-D, one of the Brazilian power distribution companies, through a R&D project funded by Aneel. The algorithm is mainly employed to provide a new network configuration, after an event (fault or study case), based on an initial condition and aiming to minimize the affected load, considering the restrictions of load flow equations, maximum capacity of the lines as well as equipment and substations, voltage limits and system radial operation. Initial tests were made considering real data from the system, provided by Cemig-D and it revealed very promising results.

Key words: Power distribution system reconfiguration. Automatic reclosers. Power flow. Smart grid.

*Autor a quem a correspondência deve ser dirigida: [email protected].

**Universidade Estadual Paulista Júlio de Mesquita Filho (UNESP).

***A.V. Garcia Tecnologia de Informação.

****Cemig Distribuição (Cemig-D).


8 Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 10, n. 1, p. 7-20, jan./jun. 2014

Notação

A notação utilizada ao longo deste artigo é reproduzida a seguir para consulta rápida.

SbΩ conjunto das subestações

zΩ conjunto das zonas

chΩ conjunto das chaves

czR

custo de corte de carga na zona zc ils

custo de corte de carga no nó i PzR

corte de carga de potência ativa na zona zQ zR

corte de carga de potência reativa na zona zri porcentagem de corte de carga possível no

nó iri máximo corte de carga possível no nó i wij variável binária que representa o estado da

chave ij xz variável binária que representa o estado da

zona z Pijch

fluxo de potência ativa pela chave ijQijch

fluxo de potência reativa pela chave ijRij resistência do circuito ijX ij reatância do circuito ijV i magnitude de tensão V tensão máxima no sistema V tensão mínima no sistema I ij máxima corrente no circuito ijI ijch máxima corrente nas chaves

zib

zona do nó i

lijz zona do nó ij

Ω número de elementos do conjuntoΩ

1 Introdução

O avanço da infraestrutura de telecomunicações para o sistema de energia elétrica permitirá o aumento no monitoramento e controle, em razão da maior quantidade de sensores, de forma que a arquitetura de rede inteligente integrada seja beneficiada com os dados de intercâmbio entre os sistemas de gerenciamento da distribuição e outras aplicações da concessionária. As tecnologias de redes inteligentes adicionarão uma grande quantidade de dados em tempo real, como informações de corrente e tensão obtidas através de sensores (com ou sem fio) instalados nos equipamentos. Além disso, para uma operação mais confiável, é necessário conhecer o estado atual da rede, o que será possível através da aplicação de redes inteligentes (FAN & BORLASE, 2009). A Figura 1 ilustra a transformação esperada na rede de energia elétrica. A automação da distribuição é uma das áreas mais importantes dentro do contexto de Redes Inteligentes e a busca por melhoria na qualidade do fornecimento de energia elétrica à população tem se tornado um assunto bastante explorado em discussões sobre o setor elétrico.

Fonte: Fan & Borlase, 2009.

Figura 1 Transformação da rede de energia elétrica


Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 10, n. 1, p. 7-20, jan./jun. 2014 9

Nesse contexto, a reconfiguração automática de redes de distribuição adquire o papel de uma ferramenta de grande importância. A reconfiguração automática consiste na recomposição do sistema elétrico, em caso de falha, através de manobras realizadas automaticamente por equipamentos telecomandados. Essa ferramenta agrega inúmeros benefícios para os consumidores e para a concessionária na medida em que confere melhorias à qualidade da energia, pois proporciona reduções importantes no Tempo Médio de Atendimento a Emergências (TMAE) e nos indicadores a ele associados – Módulo 8 dos Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica no Sistema Elétrico Nacional – PRODIST – (ANEEL, 2012), resultando na redução das multas geradas pelo descumprimento das exigências estabelecidas pela Aneel (Agência Nacional de Energia Elétrica). Além disso, oferece ganhos na produtividade, na imagem da empresa, na redução de perdas, no tempo de localização do defeito e de restabelecimento da energia fornecida, com a automatização de processos que viabilizam a otimização de recursos humanos e a consequente redução de custos operacionais. Os resultados da implantação da solução de reconfiguração automática podem incluir a melhoria da qualidade e da confiabilidade do sistema ao fornecer energia para o maior número de consumidores possível na ocorrência de uma falta ou durante desligamentos programados. A redução do número de clientes desligados proporciona uma melhoria na imagem da companhia e, consequentemente, aumenta sua confiabilidade. Para a implantação de uma funcionalidade de reconfiguração automática, foram estudadas duas abordagens: reconfiguração centralizada e reconfiguração descentralizada (ou distribuída). A abordagem considerada mais adequada é estabelecida através de estudos e análises das soluções e de suas interações dentro do cenário em que serão implantadas, considerando os desafios relacionados a fatores como integração de tecnologias, processos, aplicações e retorno financeiro. A reconfiguração centralizada reúne todas as informações coletadas do sistema e agrupa os dados em um computador central, situado geralmente no Centro de Controle da concessionária, onde estará toda a lógica da solução, responsável por tratar as informações e gerar as devidas ações para a operação. Essa característica permite à distribuidora utilizar controles automatizados já instalados na rede. Nesse tipo de solução, não é necessária a instalação de tecnologias específicas à

reconfiguração de redes, pois a inteligência está localizada no Centro de Controle, que processa as informações dos diferentes equipamentos instalados. Entretanto, o primeiro passo para recompor o sistema é a localização do local provável do defeito e, caso a chave não possua essa capacidade, será necessária a instalação de um hardware adicional. A solução centralizada pode considerar casos específicos e elaborar resultados otimizados da distribuição, além de permitir um aumento na quantidade de alimentadores monitorados sem necessidade de reprogramação de equipamentos. Em contrapartida, requer um modelo de carga preciso e uma infraestrutura de telecomunicações robusta e bem estruturada, capaz de trocar todas as informações entre o Centro de Controle e os equipamentos da rede. A reconfiguração descentralizada oferece implantação mais rápida e custos reduzidos na infraestrutura de telecomunicações, que não precisa ser robusta como a da solução centralizada, pois os dados são tratados localmente. Nesse tipo de abordagem, a lógica de automação necessária para a reconfiguração é pré-programada e está localizada nos dispositivos de controle das chaves. Esses dispositivos, na ocorrência de uma falta, deverão se comunicar de modo a determinar o menor trecho, que contenha a falta, capaz de ser isolado pelas chaves, e restabelecer a maior área possível sem defeito. Essa característica faz com que seja necessário reprogramar os equipamentos caso ocorra expansão na rede, além de envolver equipamentos especializados que geralmente são específicos por fabricante, o que muitas vezes dificulta a integração com outros equipamentos da rede. É uma solução adequada para regiões pequenas, pois apresenta desempenho superior (reconfiguração mais rápida) para quantidades pequenas de chaves. É evidente que as duas arquiteturas oferecem vantagens e desvantagens e que a determinação da solução mais adequada depende das características particulares do sistema em que será implantada. Este trabalho aborda a implantação de uma solução centralizada, pois o cenário da implantação engloba inúmeras chaves dispostas em alimentadores bastante extensos e ramificados, com longos trechos rurais, exigindo, portanto, uma infraestrutura robusta de telecomunicações e um sistema que gerencie o grande volume de dados da rede, que são necessários para propor a reconfiguração no momento da falha. Essa solução utiliza um algoritmo Estimador de Estados e um algoritmo de Reconfiguração Automática da Rede. A escolha dessa solução



está motivada no aproveitamento da infraestrutura existente, pois a utilização de equipamentos com inteligência local implica um investimento ainda muito elevado. O algoritmo Estimador de Estados tem como objetivo obter uma estimativa do estado da rede, que é composto por tensões complexas dos nós elétricos do sistema, a partir de dados e medidas disponíveis, como, por exemplo, potências (kW e kVAr) e corrente (A). Depois de conhecidas essas tensões, as demais grandezas do sistema podem ser calculadas (fluxos de potência ativa e reativa nos trechos, perdas de potência, etc.). O algoritmo de Reconfiguração Automática da Rede, na ocorrência de faltas, tem como objetivo restabelecer o serviço nas zonas de carga, em tempo hábil, através da isolação do trecho defeituoso com a atuação dos equipamentos de proteção e manobra e, em seguida, com o restabelecimento dos trechos que não fazem parte da zona de carga faltosa, mas que foram afetados pelo desligamento. Denomina-se “zona de carga” um trecho da rede elétrica conexo e delimitado por chaves/disjuntores. Os estudos realizados com o objetivo de otimizar e automatizar a reconfiguração de redes de distribuição agregam melhorias à operação dos sistemas de distribuição e estão sendo discutidos com maior frequência. O problema de reconfiguração foi analisado inicialmente por Merlin e Back (1975). Civanlar e autores (1988) empreenderam as primeiras pesquisas sobre o problema de reconfiguração nos alimentadores para redução de perdas de potência ativa. Baran e Wu (1989) modelaram a redução das perdas ativas e o balanceamento de cargas como um problema de programação inteira. Shirmohammadi e Hong (1989) propuseram que as chaves com capacidade máxima de minimização das perdas pudessem ser abertas. Fan, Zhang e McDonald (1996) apresentaram uma avaliação de um método para reconfiguração da rede de distribuição em que o problema foi formulado como um problema de otimização não linear inteiro, aplicando o método simplex. De acordo com Kashem, Ganapathy e Jasmon (1999), o método denominado Distance Measurement Technique (DMT), que considera o balanceamento de carga para reconfiguração da rede, pode identificar operações mais eficazes com esforços computacionais reduzidos. Em Bernardon e colaboradores (2010), é apresentada uma abordagem para a operação de chaves telecomandadas. O trabalho desenvolve uma ferramenta computacional capaz de realizar automaticamente simulações

para avaliar a viabilidade técnica da operação de chaves telecomandadas para transferências de cargas. O resultado indica a viabilidade das soluções e a melhor opção entre as soluções viáveis, considerando as funções objetivo e as restrições definidas previamente. Diversas soluções de reconfiguração de sistemas de distribuição vêm sendo propostas, entretanto, a solução desenvolvida neste projeto de P&D, Cidades do Futuro, tem a particularidade de levar em consideração as peculiaridades do sistema elétrico da Cemig-D, como, por exemplo, redes extensas, bastante ramificadas, grande extensão de alimentadores monofásicos na zona rural e alimentadores com diversos tipos de consumidores (comerciais, industriais, residenciais, etc.). Outras redes brasileiras também apresentam essas características, o que torna o desenvolvimento aplicável em outras concessionárias. Nas próximas seções, serão apresentados o desenvolvimento e os primeiros resultados obtidos para o sistema da Cemig-D. Por fim, as conclusões e considerações alcançadas até o momento serão abordadas.

2 Desenvolvimento

No contexto do projeto de P&D Cidades do Futuro, está sendo realizada uma prova de conceito que abrange a região geoelétrica de Sete Lagoas, em Minas Gerais. Essa região é composta por 24 alimentadores, distribuídos em 3 subestações: Sete Lagoas 1 (SLAU), Sete Lagoas 2 (SLAD) e Sete Lagoas 3 (SLAT), que juntas atendem 13 municípios. Foi escolhida uma amostra desses alimentadores para representar a rede da Cemig-D, com clientes urbanos e rurais. O projeto contempla a implantação de uma infraestrutura avançada de medição (AMI), automação da distribuição e telecomunicações capaz de suportar todos os desenvolvimentos. No que diz respeito à automação da rede de distribuição, o projeto contempla o desenvolvimento de um sistema de gerenciamento avançado da distribuição, composto pelos seguintes módulos:

a) Segurança b) Localização de falta c) Estimação de Estados d) Reconfiguração de Rede e) Controle de tensão e reativos (Controle

Volt-VAr) f) Monitoramento e análise de

transformadores de distribuição Este artigo aborda a descrição do módulo de reconfiguração de rede que leva em consideração o estado atual da rede (obtido



com o algoritmo Estimador de Estados), assegurando que os limites sejam atendidos e que não ocorra dano à rede. Além disso, leva em consideração as características intrínsecas à rede da Cemig-D, mencionadas anteriormente. A Figura 2 mostra o esquema geral do fluxo de informações e algoritmos envolvidos no processo de reconfiguração em tempo real.

Figura 2 Reconfigurador em tempo real

2.1 Estimador de Estados

Nos sistemas de distribuição, não existem malhas elétricas, o que acarreta uma diferença na correlação entre as grandezas elétricas do sistema, quando se compara com sistemas malhados. O método de estimação de estados desenvolvido considera essa diferença e emprega um procedimento semelhante ao fluxo de potência que usa método de varredura (CESPEDES, 1990; SHIRMOHAMMADI & CHENG, 1995). Em Sun e Zhang (2002) e Deng, He e Zang (2002), os autores propuseram métodos que levam em consideração a característica radial do sistema de distribuição para estimar o estado em partes da rede e, nas demais partes, que não possuem medidas, ajustam-se os valores de previsão. O método utilizado neste artigo é mais simples que o proposto por esses autores.

Em uma aplicação real, como é o caso do sistema da Cemig-D, há medidas tanto de potência ativa e reativa como de valores eficazes de corrente. Dessa forma, a metodologia desenvolvida considera que os valores medidos tanto podem ser valores de injeção nas barras (transformadores de média tensão – MT) como valores de fluxos em trechos. Por hipótese, temos as injeções de potência ativa e reativa em todas as barras (nós), sejam valores obtidos por medidas, sejam valores obtidos de curvas de carga. Os valores realmente medidos devem ter prevalência sobre os valores obtidos de curvas de carga. Dessa forma, se forem medidas de injeção, estas serão utilizadas. Já no caso de medidas em trechos (tanto de potência quanto de corrente), para as barras a jusante do ramo em que a medida é realizada, os valores de injeção oriundos das curvas de carga serão ajustados para que os valores calculados nos trechos sejam iguais aos medidos. Os valores corrigidos serão sempre as injeções de potência ativa e reativa oriundas de curvas de carga nas barras. Os fatores de correção são obtidos em função do tipo de medida existente no ramo. O método considera três casos:

a) medidas de correntes (valores eficazes) – I ij ;

b) medidas de fluxos de potência ativa e de

potência reativa – Pij e Qij ;

c) medidas de Pij ; Qij ; I ij .

2.2 Modelo matemático do reconfigurador

A discussão do problema de reconfiguração apresentada neste artigo tem por objetivo encontrar uma nova configuração do sistema que minimize as zonas de carga escuras (cargas não atendidas) e respeite as restrições de balanço de carga, a capacidade máxima dos condutores nos trechos, equipamentos e subestações, os limites da magnitude de tensão e a operação radial do sistema.

O modelo proposto é apresentado a seguir:

iDi

bΩi

lsi

Rz

zΩz

Rz rPc+Pcmin

(1)

Sujeito a:

zΩz

Rzj

Di

Sj

chij

chij

chΩji

chji

lΩijijijij

lΩjiji PrP=P+PP+IR+PP 12

bΩi (2)

zΩz

Rzi

Di

Si

chij

chij

chΩji

chji

lΩijijijij

lΩjiji QrQ=Q+QQ+IX+QQ 12

bΩi (3)



ii rr 0 bΩi (4)

l

ijzjijijijijijijil

ijzxVVIZQX+PRVxV 12212 222222

lΩij (5)

012 222222

ijijijjl

ijzij QPIVxIV lΩij

(6)

lijzijij xII 220 lΩij (7)

ijjiij wVVVwV 1212 2222chΩij

(8)

22,22 chij

chij

chijj Q+P=IV chΩij

(9)

2,20 chij

chij II chΩij

(10)

ijchij

chijij

chij wVIPwVI chΩij

(11)

ijchij

chijij

chij wVIQwVI chΩij

(12)

222

iSi

Si SQ+P S

bΩij (13)

zbΩi

Di

Rz xPP

10 zΩz (14)

zbΩi

Di

Rz xQQ

10 zΩz (15)

bizibiz

xVVxV 222 bΩi (16)

zΩz

zSbb

chΩijijl xΩΩ=w+Ω 1 (17)

z

chΩjiij

chΩijij xw+w

zΩz (18)

bizij xw chΩij (19)

bjzij xw chΩij (20)

wij bináriochΩij (21)

xz bináriozΩz (22)

Em que:

(1) É a função objetivo do problema, formada por duas partes que representam o custo total de corte de carga nas zonas desenergizadas e o

custo total de corte de carga nos nós do sistema, com o objetivo de dar prioridade aos atendimentos a consumidores especiais.

(2) Equação de balanço de potência ativa.



(3) Equação de balanço de potência reativa.

(4) Máximo corte de carga permitido.

(5) Queda de tensão nos circuitos.

(6) Cálculo do fluxo de corrente.

(7) Máximo fluxo de corrente nos circuitos.

(8) Magnitude de tensão entre os nós de uma chave.

(9) Magnitude do fluxo de corrente nas chaves.

(10) Limites da capacidade de corrente dos circuitos.

(11) Limites do fluxo de potência ativa nas chaves.

(12) Limites do fluxo de potência reativa nas chaves.

(13) Capacidade máxima das subestações.

(14) Limite de geração artificial de potência ativa (corte de carga de ativo nas zonas).

(15) Limite de geração artificial de potência reativa (corte de carga de reativo nas zonas).

(16) Limites de magnitude de tensão.

(17) Em conjunto com as restrições, (2) e (3) garantem uma topologia final radial.

(18)-(20) Restrições auxiliares que ajudam a modelar as zonas com demanda igual a zero.

(21)-(22) Definem as características binárias

das variáveis wij e xz .

As equações de (1) a (22) compõem um modelo de programação não linear inteiro misto (de grande complexidade e difícil resolução), que representa o problema de reconfiguração do sistema de distribuição radial.

2.3 Fluxo de carga para rede de distribuição

A avaliação de cada configuração da rede é realizada através do modelo de fluxo de carga, proposto em Cepedes (1990), que explora a operação radial do sistema de distribuição. As tensões obtidas em determinada etapa devem ser utilizadas como tensões iniciais da etapa consecutiva, uma vez que as respectivas configurações somente se diferenciam por uma troca de chaves do sistema e, dessa forma, o fluxo de carga converge com um número menor de iterações. Pelo mesmo motivo que as duas

configurações sucessivas são diferentes somente em uma troca de chaves, o ordenamento nodal necessário para rodar o fluxo de carga não precisa ser feito por completo, mas apenas atualizado, diminuindo o tempo de processamento. O fluxo de carga especializado baseado em métodos de varredura para sistemas de distribuição requer que o sistema esteja ordenado por níveis ou camadas, de forma ascendente ou descendente. Desenvolve-se também uma variação do algoritmo proposto, que permite atualizar eficientemente o ordenamento quando o estado de chaves é alterado, o que acontece quando se trabalha o problema de reconfiguração, em que a topologia do sistema muda e o ordenamento prévio não é válido.

3 SGAD – Sistema de Gerenciamento Avançado da Distribuição

O sistema Web SGAD comporta módulos de inteligência operacional que podem ser acessados com login e senha, conforme Figura 3.

Figura 3 Tela de login

Ao efetuar o login, o usuário passa a ter acesso às telas de suporte à tomada de decisão em tempo real (tela inicial) e modo estudo (acessado a partir do menu lateral), conforme Figura 4. O modo tempo real apresenta um mapa da região geoelétrica de Sete Lagoas, com informações dos alimentadores que estão sendo monitorados, incluindo seus dados de medição, e os dados estimados. Os eventos de falta na rede detectados pelo sistema da Cemig podem ser visualizados através do menu Ocorrências. Nessa tela, são apresentadas todas as ocorrências registradas e as reconfigurações propostas para cada caso. O sistema considera o cenário pré-falta para



propor a reconfiguração e visa a redução do número de consumidores desligados, o atendimento prioritário de cargas especiais, a tensão nas barras do sistema e a capacidade dos condutores e equipamentos. A Figura 5 apresenta a tela de ocorrências, que exibe as faltas que ocorrem na rede. O mapa à esquerda na tela exibe a situação sem o uso do reconfigurador de rede e o mapa à direita mostra a solução proposta pelo algoritmo desenvolvido. Os trechos tracejados representam a área desenergizada da rede. Pode-se notar que essa área é minimizada com a aplicação da reconfiguração automática. A coluna à direita apresenta a relação de ocorrências registradas e a sequência das

manobras que devem ser realizadas para a reconfiguração no caso da ocorrência selecionada.

A Figura 6 e a Figura 7 exibem a relação de ocorrências e o resultado da reconfiguração para a ocorrência selecionada, respectivamente.

Na ocorrência ilustrada pela Figura 5, a falta ocorreu a jusante da chave EQ565623 e a reconfiguração propõe a abertura da chave EQ196407 para isolamento do trecho sob defeito e, em seguida, o fechamento da chave EQ204676, que permite a transferência das zonas que não foram afetadas para o alimentador SLAU20.

Figura 4 Tela inicial do SGAD

Figura 5 Tela de Ocorrências

EQ204676



Figura 6 Menu Ocorrências

Figura 7 Resultado da reconfiguração

Quando o operador seleciona a ocorrência, ele pode escolher se a proposta de reconfiguração para a ocorrência selecionada será aceita ou não. A Figura 8 exibe a tela utilizada para tratar a ocorrência. A ação de confirmar ou rejeitar a reconfiguração proposta é útil para o controle do nível de assertividade do algoritmo de reconfiguração implementado na aplicação.

Figura 8 Tratar ocorrência

O modo estudo permite ao usuário reproduzir cenários por meio da abertura/fechamento e/ou bloqueio/desbloqueio de chaves, para verificar a possibilidade de reconfiguração do sistema sob tais circunstâncias. Com o intuito de demonstrar a eficiência do método de reconfiguração, foi utilizado o modo estudo para realização de simulações de defeito na rede da Cemig. Nesse modo, o operador tem a opção de selecionar, para a execução do algoritmo, todas as chaves existentes na rede ou, alternativamente, apenas as chaves telecomandadas. Outra opção disponível é a escolha por isolamento de trecho ou para isolamento de chave. Essas opções são oferecidas em um menu de operações, conforme Figura 9, localizado na coluna à direita dos mapas de estado atual e estado reconfigurado. Os estudos realizados podem ser salvos e recuperados posteriormente.

Figura 9 Exemplo de reconfiguração do sistema

Esse menu apresenta também o resultado da reconfiguração da rede, que consiste na lista de



operações a serem executadas. O resultado indica o número da chave a ser operada, seu estado inicial (antes da falta) e final (após a reconfiguração), a corrente máxima entre as fases e a corrente de neutro, conforme Figura 10. Um exemplo de reconfiguração é realizado simulando uma falta em uma zona próxima à uma subestação. Com a abertura da chave que alimenta a zona com defeito, praticamente todo o alimentador fica sem energia e a reenergização da área que não contém o defeito é o objetivo da reconfiguração, respeitando os limites e as restrições de operação.

Figura 10 Resultado da reconfiguração do sistema

Nessa simulação, o alimentador é o SLAU06, conforme Figura 11. O defeito é simulado com a escolha de uma chave para operar (abrir) e, em seguida, pela escolha do estudo por isolamento de trecho. Essa chave é a responsável pela

proteção do trecho em questão. O algoritmo isola o trecho onde ocorreu a falta e propõe a reconfiguração da rede, alimentando trechos desligados através de outro caminho, do próprio alimentador ou de um alimentador alternativo, dependendo das chaves de interligação entre alimentadores disponíveis para operação. Nesse exemplo, as cargas foram transferidas para outro alimentador (SLAU05), reduzindo a área afetada pela falta de energia. Após a execução do algoritmo, é apresentada a lista de operações a serem realizadas, necessárias para que a reconfiguração seja efetuada. Na atual etapa do projeto, a integração para envio do comando de abertura/fechamento para o sistema SCADA da Cemig-D não está contemplada, portanto, os comandos são sugeridos ao operador da distribuidora, que deve executá-los no sistema de supervisão e controle da companhia. A solução apresenta dois mapas com a rede elétrica em questão. O da esquerda representa toda a área afetada pela falta simulada e o mapa da direita exibe a rede após a reconfiguração, com as zonas que permaneceram escuras (trechos tracejados). Nota-se que a área escura, após a reconfiguração, é consideravelmente menor, ou seja, menos consumidores permanecem sem energia e, portanto, ocorre uma diminuição dos índices de continuidade da distribuidora.

Figura 11 Exemplo de reconfiguração do sistema – Isolamento de trecho

SLAU06 SLAU05

SE SLAU



Para acessar informações referentes a chaves, dados de medição e dados estimados, basta clicar na chave, conforme Figura 12.

Outro exemplo de estudo é mostrado na Figura 13. Nesse caso, foi bloqueada a chave EQ309927 e a chave EQ309925, a montante, foi selecionada para estudo.

O resultado indica que a reconfiguração foi realizada sem que a chave bloqueada fosse operada. Nesse exemplo, parte do trecho que estava no escuro (trecho tracejado) foi energizado pelo mesmo alimentador, com o fechamento das chaves EQ41909 e EQ309922 que ligam os trechos escuros a outros trechos energizados do mesmo alimentador.

Figura 12 Características operacionais do equipamento

Figura 13 Exemplo de reconfiguração do sistema, com bloqueio de chave

EQ309927

EQ309925



Nota-se que a região afetada pela falta é bastante reduzida após a reconfiguração, caracterizando um grande benefício para a concessionária, pois representa uma queda nos indicadores de continuidade. O sistema desenvolvido permite também simular uma reconfiguração considerando o isolamento de uma chave, para casos em que uma chave deve ser isolada para manutenção, por exemplo. A Figura 14 apresenta uma simulação com o isolamento da chave, sinalizado no sistema com uma bandeira. Quando essa opção é selecionada, o algoritmo considera que o estado inicial dessa chave deve ser igual ao final, ou

seja, não poderá sofrer alteração, e a chave é incluída na lista de chaves bloqueadas. Assim, o algoritmo encontra uma solução de tal forma que a chave seja isolada, ou seja, as zonas conectadas a essa chave são desenergizadas, segundo as restrições estabelecidas no modelo. Todas as simulações realizadas no modo estudo podem ser salvas para análises posteriores. A Figura 15 indica que todos os estudos realizados e salvos podem ser visualizados na aba Estudos realizados, no Menu lateral. O operador pode visualizar os detalhes dos estudos e as operações necessárias para sua execução.

Figura 14 Exemplo de reconfiguração do sistema – Isolamento de chave

Figura 15 Visualização de estudos realizados

Chave indicada para estudo



4 Conclusão

Para alcançar os objetivos esperados neste projeto, desenvolveu-se uma metodologia que satisfaz os requisitos estratégicos e de negócio de uma concessionária de energia. A primeira etapa compreendeu a definição da região em que será implantada a solução e os alimentadores a serem utilizados na Prova de Conceito. Em seguida, os dados de topologia da rede em questão foram levantados para a modelagem do sistema. Ao longo dessa etapa, foram propostas melhorias e a instalação de equipamentos ao longo dos alimentadores, para proporcionar um maior monitoramento da rede e possibilidade de manobras. Em paralelo, objetivos e restrições operativas foram levantados para a modelagem do algoritmo de reconfiguração de rede. Além disso, foi desenvolvido o SGAD (Sistema de Gerenciamento Avançado da Distribuição), dotado de funcionalidades com a finalidade de auxiliar no processo de operação da rede de distribuição. A fase final do projeto consistirá no acompanhamento da operação do sistema, utilizando os resultados fornecidos pelo SGAD e a análise dos indicadores operacionais e de qualidade de energia, anteriores e posteriores à aplicação do piloto, para uma análise qualitativa dos ganhos da implementação da solução. Espera-se que, com a implantação da solução de automação, os seguintes benefícios sejam alcançados:

a) implantação de recomposição automática no sistema de distribuição; b) melhorias nos indicadores de

continuidade de fornecimento de energia elétrica (DEC, DIC, DMIC e TMAE).

Além disso, o algoritmo de reconfiguração implementado oferece os seguintes diferenciais em comparação a outras técnicas encontradas na literatura:

a) algoritmo de ordenação por níveis a partir da subestação, diferenciando-se de outros algoritmos que partem das barras finais dos alimentadores, que normalmente são desconhecidas;

b) possibilidade de se trabalhar com mais de uma subestação;

c) na obtenção da solução, consideram-se limites de cabo, chaves e transformadores das subestações em que estão ligados os alimentadores.

Agradecimentos

Os autores agradecem o apoio técnico e financeiro da Cemig Distribuição, por meio do projeto de Pesquisa & Desenvolvimento

intitulado “Desenvolvimento de Modelo Funcional Smart Grid Através de Integrações Sistêmicas de Soluções Inteligentes para Automação da Rede de Distribuição, Infraestrutura Avançada de Medição e Participação do Consumidor”, no escopo do programa de P&D Aneel.

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Rafael Cividanes*, Celso Saraiva, Bruno Botelho, Rafael de Biasi, Nelson Uto, Jefferson Capovilla, Sergio Ribeiro, Christiane Cuculo, Emílio Nakamura, Danilo Suiama,

José Francisco Resende

Os avanços tecnológicos na área de energia elétrica permitiram a implantação de diversas tecnologias relacionadas às arquiteturas de smart grid em diferentes países. Essas novas tecnologias representam um novo desafio para os respectivos governos e empresas do setor de energia elétrica. No cenário brasileiro, estabeleceu-se uma meta de renovação de todo o parque de medição, com a substituição de medidores eletromecânicos por modernos smart meters (medidores inteligentes). As modalidades de fraudes associadas a medidores eletromecânicos são bastante conhecidas e geralmente se restringem à violação física desses dispositivos. Com a chegada dos smart meters, que agregam um conjunto de características tecnológicas, a variedade de ataques torna-se mais ampla, incluindo ataques remotos a seus programas de firmware. Esse novo cenário exige a abordagem do tema segurança da informação, no escopo de medição inteligente, tanto pelas concessionárias de energia no Brasil como pelos fabricantes de smart meters e fornecedores de tecnologias AMI. Nesse contexto, foi concebido, por meio de uma parceria entre o CPqD e a Elektro, o projeto de P&D Aneel intitulado "Avaliação de segurança para medidores eletrônicos e de smart metering". Resultados importantes foram obtidos, de acordo com os direcionamentos da concessionária Elektro, que culminaram na implantação de dois laboratórios preparados para a execução de testes de intrusão e avaliação de segurança/confiabilidade desses novos medidores. Decorreram importantes contribuições no que tange à segurança e à robustez dos smart meters, à identificação de vulnerabilidades e de requisitos mínimos, à elaboração da Metodologia de Avaliação de Segurança em Smart Meters e ao contato com fabricantes para aprimoramento da segurança desses dispositivos.

Palavras-chave: Cibersegurança em smart meters. Vulnerabilidades em smart meters. Laboratório de segurança para pentest em smart meters. Plataforma de treinamento. Engenharia reversa de firmware.

Abstract

Technological advances have enabled the deployment of several technologies related to smart grid architectures in different countries, representing a new challenge for their governments and utilities in the energy sector. In the Brazilian scenario, a goal has been set for renewing the entire metering structure and replacing old electromechanical meters with modern smart meters. Frauds related to electromechanical meters are well known and generally restricted to attacks or physical violation of these devices. With the introduction of smart meters, which offer a set of technological features, the variety of attacks becomes even wider, including remote attacks on smart meters' embedded firmware. This new scenario requires investments in information security related to smart metering by the electric power utilities in Brazil as well as by manufacturers and providers of smart meters and AMI technology. In this context, CPqD in a partnership with Elektro designed the Aneel R&D project, entitled "Electronic and Smart Meters Security Assessment."

Key words: Smart meter cyber-security. Vulnerabilities in smart meters. Security laboratory for smart meter pentest. Trainning Platform. Firmware reverse engineering.




1 Introdução

As tecnologias de smart grid proporcionam um conjunto de benefícios tanto para os consumidores como para as concessionárias de energia elétrica e o meio ambiente. No caso dos consumidores, possibilita a cobrança de tarifa diferenciada por horário (tarifa branca), melhor gestão do consumo residencial (ou comercial) e maior disponibilidade no fornecimento ininterrupto de energia elétrica. Para as concessionárias, entre seus inúmeros benefícios, destacam-se capacidade de gerenciamento remoto, automatização e balanceamento de carga, monitoramento contínuo e melhoramento da eficiência operacional. Já para o meio ambiente, as tecnologias de smart grid oferecem benefícios como redução significativa nos impactos ambientais, resultante da conservação de energia e da maior integração de geração renovável de energia. Todos esses benefícios são resultado de avanços e inovações tecnológicas que possibilitaram e continuam possibilitando a implantação de arquiteturas de smart grid no Brasil. Contudo, um aspecto da implantação de novas tecnologias merece sempre uma atenção especial: a segurança da informação aplicada ao novo ambiente e às novas tecnologias utilizadas. No caso das tecnologias de smart grid, isso não é diferente. De fato, inúmeras lacunas foram surgindo nos últimos anos e o tema cibersegurança em smart grid despontou como um tópico de alta relevância, sobretudo nas principais conferências hackers realizadas no âmbito internacional. A preocupação com a segurança relacionada ao ambiente de smart grid resultou em diversos investimentos no setor de energia, tanto no robustecimento das tecnologias adjacentes como em projetos de pesquisa e desenvolvimento. No cenário brasileiro de smart grid, outro fator importante para a aplicação de investimentos foi a meta da agência reguladora (Aneel) de renovação em massa dos medidores do parque atual, com a substituição dos medidores eletromecânicos convencionais pelos novos smart meters. Esses smart meters exercem um papel importantíssimo nas redes AMI (Advanced Metering Infrastructure) das concessionárias de energia, sendo que a opção por um medidor menos robusto, sobretudo nas circunstâncias atuais, pode representar impactos significativos para a concessionária e para todo o setor de energia no Brasil. Em vista desse cenário, foi concebido o projeto de P&D "Avaliação de segurança para medidores eletrônicos e de smart metering", executado com recursos financeiros da Aneel e

em parceria com a concessionária de energia Elektro. A Seção 2 deste artigo apresenta o escopo geral do projeto de P&D, incluindo atividades e metas. A Seção 3 expõe os resultados obtidos, segundo os tópicos: (3.1) Metodologia de Avaliação de Segurança em Smart Meters; (3.2) Laboratório de Certificação de Segurança de Smart Meters; (3.3) Testes de segurança de hardware; (3.4) Testes de segurança de software; (3.5) Testes de confiabilidade; e (3.6) Plataforma de testes – MeterGoat. Finalmente, a Seção 4 oferece algumas conclusões deste trabalho.

2 Escopo geral do trabalho de P&D

A implantação de arquiteturas tecnológicas para medição inteligente exige investimentos em cibersegurança na rede AMI das concessionárias de energia. Em vista disso e com o objetivo de estabelecer um plano de investimentos em P&D no setor elétrico, o CPqD e a Elektro propuseram um projeto de P&D Aneel com foco no principal ativo das redes smart grid: os smart meters. Em face do cenário nacional de mudança do parque de medidores para atender à resolução da Aneel, uma pergunta relevante que as concessionárias de energia no País precisarão estar aptas a responder é: qual o grau de segurança e robustez dos medidores que serão implantados e/ou substituídos? Uma pesquisa preliminar, com a análise de iniciativas internacionais relacionadas ao tema, possibilitou identificar um conjunto de características tecnológicas dos smart meters implantados nos últimos anos em países da Europa, América do Norte e Ásia como parte de seus programas de smart grid. Dentre essas características analisadas, uma que exerce papel importante sobre esse projeto refere-se às necessidades de customizações dos firmwares embarcados nos medidores para cada país, como forma de atender às legislações específicas. Isso resulta em equipes locais com foco em desenvolvimento de firmware para medidores inteligentes, inclusive para fabricantes internacionais. Outras destas características tecnológicas podem ser encontradas nos trabalhos propostos pela ENISA (2012) e por SEARLE (2012). Esse estudo inicial contribuiu para a concepção de um programa nacional, segundo as características e peculiaridades do cenário de medição inteligente no Brasil. Foi feito um levantamento baseado em um cenário de ataques apresentado no âmbito do trabalho de P&D elaborado por Cividanes e autores (2013). De maneira mais ampla, buscou-se definir meios para que a Elektro e todas as



concessionárias do setor de energia no País pudessem avaliar, após a conclusão do projeto de P&D, os medidores eletrônicos e smart meters sob a ótica de segurança da informação e tomar decisões mais acertadas sobre os riscos inerentes ao uso de cada modelo oferecido por diferentes fabricantes. Nesse sentido, foram identificados três objetivos principais a serem alcançados na presente pesquisa:

a) analisar e identificar vulnerabilidades de segurança aplicáveis aos medidores eletrônicos e de smart metering;

b) conceber uma metodologia para a avaliação do grau de segurança e confiabilidade desses medidores, incluindo requisitos mínimos;

c) estabelecer dois laboratórios para certificação de segurança em medidores de energia, um com foco em pesquisa de segurança (CPqD) e outro com foco em testes de segurança (Elektro).

O projeto de P&D compreende três metas principais que englobam, no total, nove etapas de trabalho. A Figura 1 ilustra essas metas e etapas. É possível constatar que existe uma total sinergia entre os três objetivos acima expostos: o laboratório construído oferece o ambiente e os artefatos técnicos necessários para a realização das avaliações de segurança, que resultam na identificação de vulnerabilidades, e a metodologia implantada oferece uma forma padronizada de realizar as avaliações e os testes de segurança mencionados. As etapas da Meta 1 e as etapas da Meta 2 foram executadas em paralelo, uma com o objetivo de realizar a contextualização no âmbito de testes de segurança e confiabilidade, culminando com o estabelecimento da metodologia adotada, e a outra com o objetivo de estabelecer um

laboratório pioneiro para a condução dos testes de intrusão realizados com os smart meters. A Meta 3 aborda o cerne deste trabalho de P&D, incluindo as etapas de testes (segurança e confiabilidade de hardware e software), de desenvolvimento do protótipo (MeterGoat e ferramentas relacionadas) e de transferência do conhecimento. A Seção 3 apresenta os principais resultados alcançados de acordo com cada uma das metas do trabalho de P&D.

3 Resultados

Este projeto de pesquisa encontra-se na fase de finalização das etapas de testes de segurança, testes de confiabilidade e desenvolvimento do protótipo. Houve avanços significativos no que se refere à segurança de software e hardware dos dispositivos de smart metering. Entre esses avanços, podem ser citados os procedimentos de testes práticos desenvolvidos no âmbito do presente P&D para aferir o grau de robustez dos smart meters utilizados no cenário brasileiro. No momento da finalização do projeto, a Aneel e a Elektro poderão fazer a devida divulgação para uso pelas demais concessionárias de energia e fabricantes de medidores. É importante destacar que, no contexto internacional, raramente se divulga a forma como os ataques são efetuados por se tratar de um tema que impacta diretamente os montantes de arrecadação relacionados à distribuição de energia elétrica. Geralmente, as abordagens se referem às possibilidades e aos aspectos de fragilidade existentes. Assim, torna-se extremamente importante e relevante que cada país desenvolva internamente seus programas de P&D nesta área e divulgue organizadamente mecanismos de mitigação dos riscos associados.

Figura 1 Escopo geral do projeto de P&D “Avaliação de segurança para medidores eletrônicos e de smart metering”



Esta seção apresenta os principais resultados alcançados no trabalho de P&D, subdivididos por área de pesquisa nas subseções apresentadas a seguir.

3.1 Metodologia de Avaliação de Segurança em Smart Meters

A Meta 1 do projeto compreendeu o levantamento do estado da arte, a especificação do ambiente de testes e o desenvolvimento da Metodologia de Avaliação de Segurança em Smart Meters (MASME). Inicialmente, foi realizada uma ampla busca por projetos ou iniciativas semelhantes em outros países em fases mais avançadas de implantação das tecnologias de smart grid. A condensação dessas informações em um relatório técnico foi de suma importância para o desenvolvimento das atividades subsequentes. Nesse levantamento inicial, foram identificadas inúmeras ferramentas de software e hardware que pudessem ser úteis na realização de testes de intrusão nos smart meters. Dentre as ferramentas de hardware, estão inclusas desde elementos para realizar escuta de barramento até itens para realizar o dump físico das memórias não voláteis dos smart meters. No caso das ferramentas de software, o foco foi o uso de ferramentas de disassembly para diversos processadores utilizados pelos smart meters (INGUARDIANS, 2011). As informações desse levantamento foram utilizadas para a elaboração de uma especificação do ambiente de testes, que pode ser utilizada por outros institutos de pesquisa e universidades para a implantação de laboratórios aptos a fornecer os principais

artefatos para a execução de testes de segurança em medidores de energia em geral. Essas especificações serão divulgadas pela Aneel e/ou Elektro tão logo seja finalizado este projeto. Por último, a Meta 1 abrangeu o desenvolvimento da MASME, que representa um resultado importante do projeto de P&D e gerou um pedido de patente depositado no INPI (Instituto Nacional da Propriedade Industrial). A MASME aborda a necessidade de medição do nível de segurança de cada tipo de medidor de energia para que seja possível traçar comparações com outros tipos de medidor. Os resultados dessas comparações são considerados parâmetros isolados da avaliação relacionada aos requisitos metrologicamente relevantes. O nível de segurança é um indicador que mede a propensão de materialização de ataques intrusivos que possam comprometer a integridade, confidencialidade e disponibilidade dos smart meters. A MASME discute também a necessidade de reduzir, ao máximo, o grau de subjetividade desses resultados para que seja possível afirmar, com certeza, que um medidor X é mais ou menos seguro do que um medidor Y. Além disso, outro parâmetro importante abordado na metodologia é a determinação do grau de risco de segurança no uso de determinado medidor em um contexto específico, com o objetivo de nortear e direcionar as decisões estratégicas da concessionária. O cálculo deste parâmetro considera, além dos aspectos relacionados às vulnerabilidades de segurança, os aspectos de uso específico realizado pela concessionária de energia com o medidor-alvo da análise. O macrofluxo da MASME é apresentado na Figura 2.

Figura 2 Macrofluxo da MASME – Metodologia de Avaliação de Segurança em Smart Meters



A MASME compreende dois escopos de aplicação:

a) Homologação RTM de segurança (fluxo à direita na Figura 2); e

b) Avaliação de Segurança (fluxo à esquerda na Figura 2).

A Homologação RTM de segurança inclui um conjunto de testes intimamente relacionados ao Regulamento Técnico Metrológico 586 (INMETRO, 2012) do Inmetro, com o objetivo de garantir a segurança e a integridade do software legalmente relevante. Trata-se de testes voltados para a exatidão da medição, oriunda do funcionamento do software embarcado, para evitar que ultrapasse o número máximo de erros estabelecido na norma. A Avaliação de Segurança compreende a execução de testes de intrusão nos medidores, ou seja, procedimentos para deixar o medidor-alvo em um estado não previsto pelo fabricante, com um comportamento não previsto ou não planejado. Os escopos têm aplicações bastante diferenciadas. O primeiro tem como objetivo tratar o uso legal dos dispositivos, em conformidade com a regulamentação brasileira, e os aspectos de segurança do software embarcado nos smart meters. No segundo escopo, o objetivo é estabelecer o grau de robustez dos medidores, quanto à segurança do software e do hardware. Essa vertente é mais útil nas decisões relativas à aquisição de determinado tipo de medidor. Além disso, a MASME oferece um arcabouço geral para viabilizar avaliações padronizadas da robustez da segurança da informação que possibilitem traçar comparações entre diversos tipos de medidor.

3.2 Laboratório de Certificação de Segurança de Smart Meters

De maneira geral, a questão da confiabilidade do software embarcado em sistemas de medições vem sendo discutida em inúmeras recomendações e normas, entre elas, a norma ISO/IEC TR 13233 (1995). Além disso, o National Physical Laboratory (WICHMANN, 2000) no Reino Unido e o National Institute of Standards and Technology (NIST, 2012) nos EUA têm publicado documentos sobre o tema. Em Saraiva e autores (2013) é apresentada uma análise dos principais aspectos de segurança metrológica e cibernética para medidores eletrônicos de energia. No âmbito da metrologia legal, o marco regulatório internacional ocorreu com o advento do documento OIML D31 (2008), cujo principal objetivo é oferecer orientação na definição de

requisitos apropriados para o software relacionado a funcionalidades em instrumentos de medição incluídos nas recomendações da OIML (instrumentos objeto de regulamentação metrológica). O OIML D31 também tem como objetivo oferecer orientações aos Estados-membros da OIML na aplicação das recomendações em suas leis nacionais, além de especificar os requisitos gerais aplicáveis às funcionalidades relacionadas ao software embarcado em instrumentos de medição, e fornecer orientações para a verificação do cumprimento desses requisitos. Entretanto, este trabalho não abrange todos os requisitos técnicos específicos a instrumentos de medição controlados por software e deve ser complementado com requisitos específicos ao medidor em questão, sendo também aplicável o documento que estabelece os requisitos gerais para instrumentos de medição eletrônica (OIML, 2011). Para medidores eletrônicos de energia, o Inmetro estabeleceu o RTM 586, em vigor desde janeiro de 2013 e em estreita sintonia com a recomendação OIML D31, cujos principais objetivos são:

a) estabelecer os requisitos técnicos de software necessários ao processo de aprovação de modelo de sistemas/instrumentos de medição de energia elétrica controlados por software;

b) garantir que o software legalmente relevante proporcione medidas corretas e dentro dos erros máximos admissíveis estabelecidos para os sistemas/instrumentos de medição de energia elétrica nas condições previstas no Regulamento Técnico Metrológico específico;

c) garantir que o software legalmente relevante não seja afetado por outros softwares ou partes não legalmente relevantes. (INMETRO, 2012).

O estabelecimento de laboratórios e o desenvolvimento de protocolos de teste e emulação de software embarcado em medidores para verificação de conformidade com requisitos metrológicos preconizados no RTM 586 não são atividades triviais e atualmente são objeto de estudo de inúmeros pesquisadores do Inmetro. A Elektro e a Fundação CPqD, através deste projeto de P&D, estão implantando laboratórios que serão utilizados para verificar não apenas as condições de adequação aos requisitos metrológicos preconizados no RTM 586 como também questões relacionadas à interoperabilidade sistêmica e à susceptibilidade a ataques cibernéticos em medidores de energia eletrônicos no cenário brasileiro. Os procedimentos em desenvolvimento preveem a emulação dos medidores em uma plataforma LabVIEW, cujo software aplicativo



está em fase final de desenvolvimento. Com base nesses protocolos de teste, será possível avaliar o desempenho do software segundo duas linhas:

a) confronto de requisitos com a documentação técnica apresentada; e

b) evidências operacionais com base em métricas obtidas pela emulação do medidor por vetores de teste.

Em suporte aos procedimentos de testes laboratoriais, foi adquirido um conjunto de artefatos de hardware e software especializados, com o objetivo de proporcionar avaliações de confiabilidade e segurança segundo os regulamentos acima expostos.

3.3 Testes de segurança de hardware

Os testes de segurança de hardware englobam todo e qualquer tipo de teste relacionado à camada física dos smart meters, geralmente executados com a abertura do medidor (quebra do lacre). Em medidores eletromecânicos convencionais, inúmeras fraudes de características físicas foram identificadas e registradas. Na verdade, era praticamente a única possibilidade para fraudar esse tipo de medidor. No caso de medidores eletrônicos, os testes de hardware geralmente são executados para extrair informações diretamente das placas e dos circuitos eletrônicos dos smart meters. Um dos principais objetivos desse tipo de teste é obter acesso ao firmware, software ou ferramentas residentes e a informações confidenciais armazenadas, como chaves criptográficas utilizadas na comunicação, senhas de configuração avançada, dados de medição, etc. Como a MASME aplica-se à execução de testes do tipo caixa-preta, os testes de hardware utilizam como informações de entrada somente o próprio dispositivo smart meter e informações de manuais, esquemáticos de hardware e PCBs (Printed Circuit Boards) disponíveis para acesso geral (não confidencial). Essas informações são importantes para auxiliar no entendimento geral do hardware do medidor-alvo e viabilizar acessos com a adulteração de componentes eletrônicos e o sniffing de circuitos. A execução dos testes de hardware antecede a execução dos testes de software, uma vez que testes de hardware geram insumo para testes de software. Um resultado bastante relevante obtido foi a constatação de que os smart meters, em grande parte, não são desenvolvidos com base no conceito de segurança por padrão (security by design), sobretudo no que se refere à segurança de hardware. Nesse sentido, com a utilização de modernas técnicas de hardware

hacking, é possível acessar informações importantes para a concretização de um ataque mais complexo. O acesso aos dados do firmware por extração direta das memórias é o primeiro passo para a execução de ataques lógicos de amplo espectro. Na execução dos testes de segurança de hardware são necessários alguns equipamentos e artefatos específicos. A maioria desses itens pode ser facilmente identificada e encomendada em sites especializados em adulteração e engenharia reversa de hardware. A composição dos equipamentos do Laboratório de Certificação de Segurança de Smart Meters incluiu a aquisição de todas essas ferramentas, de modo que os resultados obtidos foram plenamente satisfatórios, possibilitando identificar fragilidades nos medidores-alvo e acessar informações que, em princípio, não poderiam ou deveriam ser acessadas por um hacker. É importante mencionar que muitos desses mecanismos de ataque de hardware são efetivos, inclusive, em casos de controles na camada de software, que são mais comumente encontrados nos smart meters.

3.4 Testes de segurança de software

Os testes de software incluem todos os testes direcionados para firmware, ferramentas, artefatos e informações lógicas dos smart meters. Ataques na camada de software podem atingir grandes proporções e ampla proliferação. No caso dos ataques físicos perpetrados em medidores, a fraude ocorre por meio de sua adulteração. No caso de um ataque na camada de software, a inserção de um nó (smart meter) vulnerável na rede AMI pode comprometer uma quantidade muito maior de nós (como, por exemplo, vírus de computadores). Dessa forma, os resultados obtidos nos testes de hardware são utilizados como insumo para a execução dos testes de segurança de software. Para obter acesso lógico ao medidor-alvo, é necessária a adoção do protocolo de autenticação para acesso administrativo ao medidor. Esse mecanismo, embora presente na maioria dos medidores analisados, muitas vezes não é utilizado pela concessionária de energia, ou seja, não é habilitado o controle, facilitando bastante o trabalho de um eventual hacker. Outro problema identificado é a implantação incorreta (vulnerável) do protocolo de autenticação utilizado em um medidor específico. Nesse caso, houve a redução do universo de senhas possíveis, o que possibilitou a descoberta da senha de acesso em aproximadamente três horas, enquanto o mesmo protocolo adequadamente implantado levaria, pelo menos, três anos para ser



quebrado. Esse trabalho foi publicado no âmbito deste projeto de P&D (UTO et al., 2014). Outro resultado relevante obtido na etapa de testes de software foi a realização de ataques contra os arquivos de gestão dos smart meters. Esses testes são executados no programa de configuração utilizado pelos técnicos de campo para a viabilização de algumas configurações avançadas, no caso de ocorrência de problemas. Esses programas de configuração precisam ser desenvolvidos com controles robustos para impedir seu uso indevido por parte de um hacker. Alguns desses programas de configuração chegam, inclusive, a utilizar chaves de hardware para aumentar o grau de segurança dessas configurações avançadas. Foi justamente nesse escopo (uso de chave de hardware) que foram executados testes de engenharia reversa em um programa de configuração específico, o que resultou na impersonalização do programa autêntico por outro, malicioso, desenvolvido com o propósito de ataque. Trata-se de outro resultado significativo obtido neste trabalho de P&D. Outros ataques de software também foram explorados como parte dos testes, como, por exemplo, acesso a dados desprotegidos armazenados, verificação de ausência de criptografia através de testes de entropia, testes de negação de serviço e comportamento não planejado do dispositivo, atualização maliciosa de firmware, captura de comunicação sem fio (wireless), engenharia reversa de firmware e software residentes no medidor, fuzzing via interface local de configuração, fuzzing de protocolo de rede, quebra de integridade de software, entre outros. Foram obtidos resultados variados nos testes, como:

a) alguns medidores não apresentam mecanismo criptográfico para proteção de software armazenado, sendo empregada apenas codificação proprietária que facilita bastante a execução de ataques;

b) as atividades de engenharia reversa de firmware, por padrão, envolvem custos bastante elevados e, caso a ferramenta de disassembly utilizada nos testes não ofereça suporte à arquitetura de processadores utilizada pelo medidor-alvo, esse tipo de teste torna-se ainda mais oneroso;

c) os testes de entropia para detecção de uso de chaves criptográficas indicaram a não utilização desse recurso na maioria dos medidores analisados, o que leva à conclusão de que mecanismos criptográficos para transmissão de dados de medição baseiam-se estritamente em outros módulos, geralmente utilizando tecnologia GPRS.

3.5 Testes de confiabilidade

A vertente de testes de confiabilidade foi concebida para a avaliação dos requisitos metrologicamente relevantes derivados do RTM 586 do Inmetro. Para a elaboração do roteiro de testes com uma amplitude mais adequada, também foi considerado, além do RTM 586, o Guia 7.2 do grupo de trabalho europeu WELMEC (2012), e o Guia D31, da OIML (2008). Há duas formas de levantar evidências de que o software embarcado em medidores eletrônicos de energia elétrica seja confiável: a análise da documentação do software embarcado no medidor, fornecida pelo fabricante, e a condução de testes funcionais. O foco dos testes de confiabilidade foi a criação de um roteiro de testes funcionais que permitisse avaliar a confiabilidade do medidor sem que fosse necessário analisar detalhadamente a documentação do software e abrir o medidor eletrônico de energia elétrica. Medidores de energia elétrica utilizam as medições de tensão e corrente como entradas, com base nas quais é derivada a potência elétrica e ao longo do tempo é calculada a energia elétrica. Os medidores eletrônicos, especificamente, apresentam muitos parâmetros que são usados como constantes em cálculos, como parâmetros de configuração, para estabelecer a funcionalidade do equipamento, entre outros. Assim, os testes de confiabilidade foram direcionados para manipulação dessas entradas e dos parâmetros dos medidores com o objetivo de encontrar algum ponto vulnerável que permitisse a alteração, intencional ou não, dos resultados da medição de energia elétrica. Uma forma de testar a confiabilidade da medição de energia elétrica é a inserção de ondas harmônicas nos terminais de entrada, verificando se há erros de medições decorrentes do uso de harmônicas pelo método de comparação com um medidor padrão calibrado. Dados corrompidos podem alterar os dados de medição ou prejudicar o funcionamento correto do medidor eletrônico. Esse comportamento foi verificado em laboratório de várias maneiras, como, por exemplo, na simulação de problemas durante a atualização do firmware do medidor, na geração de tráfego de informações na porta óptica do medidor e no monitoramento de seu comportamento simultaneamente. O principal resultado encontrado foi o erro da medição de energia elétrica quando inserida onda harmônica de 3a ordem nos terminais de entrada (fases A, B e C) do medidor. Alguns modelos apresentaram erros superiores aos 2% especificados pelo fabricante para energia



elétrica ativa, chegando a mais de 15% na leitura da medição de energia elétrica reativa. Também foram verificadas falhas:

a) durante a atualização do firmware, que tornou o medidor inoperante até a reinstalação de nova imagem de firmware; e

b) na proteção de parâmetros por senha, permitindo a alteração dos parâmetros de configuração do medidor.

Como apoio aos testes de confiabilidade, está sendo desenvolvida uma ferramenta em LabVIEW que permitirá a comunicação entre o medidor eletrônico de energia elétrica e o computador (via porta óptica), bem como o envio e o recebimento de dados oriundos de comandos do protocolo de comunicação da norma ABNT NBR 14522 (2008). A ferramenta foi dividida em duas partes principais. A primeira parte refere-se à implantação dos comandos descritos na referida norma e à visualização da resposta do medidor aos comandos enviados. A segunda parte, que tornará a ferramenta inovadora em comparação a outras ferramentas existentes, refere-se à criação de funções para o suporte aos testes de confiabilidade. Essa segunda parte inclui funções como:

a) quebra de senha por força bruta;

b) envio de comandos sequenciais, limitados por tempo ou por número de comandos;

c) script de teste; e

d) cadastro de um novo comando.

O desenvolvimento dessa ferramenta de apoio está em sua fase final.

3.6 Plataforma de testes – MeterGoat

A execução de testes de intrusão em smart meters é uma tarefa que envolve diferentes tipos de conhecimento, incluindo tanto conceitos de segurança em hardware como também conceitos de segurança de software e sistemas embarcados. Essa tarefa envolve também o uso de ferramentas e equipamentos específicos para a identificação de vulnerabilidades que possam ser exploradas por eventuais hackers. Ainda, as tecnologias utilizadas em cada smart meter podem variar bastante, incluindo arquitetura de processadores, memórias, PCB, interfaces de comunicação externa,

barramentos, etc. Todos esses elementos conferem maior complexidade às avaliações de segurança desses novos medidores de energia. Com base nesses aspectos, julgou-se relevante o desenvolvimento de uma plataforma de testes para capacitação e exercícios práticos (hands on) de treinamento em segurança aplicada aos smart meters. Dessa forma, foi concebido o MeterGoat, uma plataforma open source composta por hardware de prateleira e baixo custo, e artefatos de software para a finalidade de ensino na área de smart meter pentesting. Esse trabalho foi publicado no âmbito deste projeto de P&D, conforme abordado por Capovilla e colaboradores (2014). O objetivo geral foi a implantação, de maneira vulnerável, das funcionalidades básicas de um medidor de energia, incluindo suas interfaces de comunicação externa (porta óptica), software embarcado (não necessariamente para medição de energia), protocolos de autenticação e demais mecanismos de controle. Assim, foi possível reunir, em uma única plataforma, um grande número de vulnerabilidades de hardware e software, facilitando o exercício prático de ataques para aplicação na capacitação de analistas de segurança. A arquitetura do MeterGoat, conforme Figura 3, baseia-se na arquitetura geral dos smart meters. Foram realizadas algumas simplificações, com o objetivo de reduzir o custo final e obter uma melhor modularização da plataforma, mas foram mantidas as principais vulnerabilidades identificadas nos dispositivos reais. O projeto de hardware inclui:

a) microcontrolador MSP430F5438;

b) kit de desenvolvimento, com display LCD e interface JTAG;

c) gerador de pulsos programáveis para emular o sinal do sensor de voltagem/corrente, responsável pela medição do consumo de energia;

d) mecanismos anti-tampering;

e) memórias flash externas/EEPROM;

f) interface óptica para comunicação;

g) interface de rede; e

h) interfaces de comunicação, como UART, USB, I2C, CAN, SPI, etc., que não fornecem proteção anti-tampering.



Figura 3 Arquitetura de alto nível do MeterGoat

Além do arcabouço de hardware, que oferece um conjunto de vulnerabilidades (permitindo o acesso às informações armazenadas interna e diretamente nos dispositivos eletrônicos), também está sendo inserido um conjunto de vulnerabilidades na camada de software. Entre essas vulnerabilidades, destacam-se:

a) interfaces desprotegidas, que permitem o dump de informações;

b) uso de algoritmos criptográficos inseguros;

c) uso incorreto de criptografia;

d) chaves criptográficas fracas;

e) armazenamento inseguro de chaves criptográficas;

f) dados desprotegidos em repouso;

g) comunicação insegura;

h) mecanismo de autenticação inseguro;

i) falhas de autorização;

j) implantação de falhas no nível do firmware; e

k) mecanismo anti-tampering fraco ou ineficiente.

O treinamento, com a plataforma MeterGoat para capacitação de analistas de segurança,

emprega um conjunto de ferramentas de software e de hardware adquiridas e implantadas no Laboratório de Certificação de Segurança de Smart Meters. É importante destacar que a finalidade desse protótipo não é a criação de um medidor de energia, mas tão somente a emulação das características principais, implantadas de maneira insegura, conforme mencionado anteriormente. Essa atividade encontra-se em fase final de desenvolvimento.

4 Conclusão

O presente trabalho de pesquisa, realizado pelo CPqD em parceria com a concessionária de energia elétrica Elektro e financiado com recursos da Aneel, encontra-se em fase final de execução. Até o momento, foram publicados quatro artigos em eventos internacionais e foram realizadas duas apresentações em workshops nacionais para divulgação da pesquisa no contexto de segurança em smart meters. Destaca-se ainda que os resultados obtidos no trabalho de P&D aplicam-se não somente à Elektro, mas também a todas as concessionárias do setor elétrico no País. Dessa forma, a metodologia, os artefatos de software e hardware e os mecanismos para testes de intrusão desenvolvidos podem ser reaproveitados para aumentar o nível de



segurança de todo o sistema de medição nacional. Este artigo apresentou, de maneira resumida, as metas, as atividades e os objetivos principais do projeto de P&D, abordando os resultados obtidos até o momento em cada frente de trabalho. As vulnerabilidades ou fragilidades identificadas nos diferentes medidores analisados serão condensadas em um relatório final, que será encaminhado à Aneel para divulgação coordenada e apropriada das informações, conforme estratégia do setor de energia. O protótipo desenvolvido para capacitação poderá ser utilizado, ao término do projeto, em atividades relacionadas a outras entidades e concessionárias, para difundir e ampliar os conhecimentos nessa área e aprimorar ainda mais a segurança na medição inteligente.

Referências

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CAPOVILLA, J. et al. MeterGoat: A Low Cost Hardware Platform for Teaching Smart Meter Security. In: INTERNATIONAL MULTI-CONFERENCE ON COMPUTING IN THE GLOBAL INFORMATION TECHNOLOGY, 9., 2014, Sevilha. Proceedings... Sevilha: IARIA 2014. p.180-184.

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WICHMANN, B. Software Support for Metrology – Best Practice Guide No. 1. Measurement System Validation: Validation of Measurement Software, April 2000.


Desenvolvimento de solução híbrida de rede sem fio para aplicação de telemedição – Smart

grid

Luís Cláudio Palma Pereira*, Rogério Botteon Romano, Fabrício Lira Figueiredo, André Luís de Souza, Antônio Augusto Netto de Faria, Fabrício Poloni dos Santos, Maria Luiza Carmona

Braga, Moisés dos Santos, William Lima de Souza

Este artigo apresenta os principais resultados alcançados em um projeto de desenvolvimento experimental realizado no âmbito do programa de P&D Aneel. O programa teve como principal objetivo o desenvolvimento e a validação da concepção de uma rede experimental híbrida sem fio, por meio da integração de segmentos baseados nos padrões IEEE 802.15.4 (ZigBee) e 802.11b/g (Wi-Fi), da implementação da funcionalidade Ad Hoc Mesh e do uso de faixas de frequência licenciadas com atribuição Anatel SLP (Serviço Limitado Privado) nos segmentos do espectro de 250 MHz e 370 MHz. A validação desse conceito foi realizada em testes de campo no CPqD, onde foram instalados os protótipos da rede híbrida desenvolvidos, avaliados seu desempenho, suas funcionalidades e capacidade de suportar aplicação típica de telemedição, através de aquisição remota de dados disponibilizados por medidores eletrônicos.

Palavras-chave: Smart grid. Telemedição. Wi-Fi Mesh. ZigBee. SLP.

Abstract

This paper presents a brief description the main results achieved by a wireless access network solution developed at CPqD and subject to requirements proposed within the scope of the R&D program. A solution aimed at providing a hybrid wireless access network, integrating segments based on well-established standards, including IEEE 802.15.4 (ZigBee) and Ad Hoc Mesh 802.11b/g (Wi-Fi), but using proprietary radio interfaces especially developed in order to operate in the SLP (Serviço Limitado Privado – Limited Private Service) licensed frequency bands, as recently regulated by Anatel, was proposed and approved. The new bands, comprising part of the reframed spectrum in the 250 MHz and 370 MHz bands were used in the Ad Hoc Mesh backhaul segment and the ZigBee wireless devices, respectively, the latter being integrated with residential smart metering devices in order to provide the means for large scale telemetering in high density urban areas. Validation of the hybrid experimental network concept and the developed prototypes was carried out in a field test environment set up at CPqD facilities.

Key words: Smart grid. Telemetering. Wi-Fi Mesh. ZigBee. SLP.

* Autor a quem a correspondência deve ser dirigida: [email protected].

1 Introdução

Atualmente, existe grande interesse das concessionárias de energia em tornar os diversos segmentos da infraestrutura de fornecimento de energia elétrica mais eficientes e rentáveis. Esse interesse se traduziu em um esforço concentrado de todas as partes envolvidas do setor elétrico mundial, que resultou inicialmente na criação do conceito de arquitetura IntelliGrid pelo EPRI (Electric Power

Research Institute) e, posteriormente, do conceito de smart grid, na Comunidade Europeia. A arquitetura IntelliGrid foi definida como uma arquitetura aberta, padronizada e voltada para a integração das redes de comunicação e dos equipamentos necessários para suportar o “Sistema de Transporte de Energia do Futuro”. O termo smart grid refere-se a uma rede de distribuição de energia elétrica que integra as ações dos envolvidos nos segmentos de



fornecimento e de consumo, possibilitando o desenvolvimento de um ecossistema capaz de fornecer bens e serviços de forma mais eficiente. Assim, o conceito de smart grid viabiliza o fornecimento de serviços inovadores aos consumidores e também proporciona aos fornecedores de energia, entre vários benefícios, um melhor controle da rede e maior simplicidade em operações como levantamento de informações de consumo, implementação de mecanismos de redução das perdas, incluindo as econômicas, e modalidades de tarifação. Nesse contexto, se destaca a relevância da solução de rede sem fio proposta, com potencial para suportar aplicações em telemedição alinhadas com a visão estratégica das concessionárias. A solução desenvolvida com esse intuito apresenta importantes diferenciais em comparação a soluções convencionais de comunicações sem fio, que vêm sendo adotadas recentemente como suporte à implantação de smart grids, as quais são normalmente baseadas em sistemas que utilizam faixas de frequência não licenciadas ou são suportadas pelos serviços de rede de dados disponíveis, GPRS (General Packet Radio Service) e UMTS (Universal Mobile Telecommunications System), comercializados pelas operadoras celulares. De fato, a solução apresentada neste artigo se baseia na utilização de tecnologias padronizadas de redes sem fio, adaptadas para operação em faixas de frequência licenciadas abaixo de 1 GHz, com atribuição Anatel para Serviço Limitado Privado (SLP), e, adicionalmente, incorpora todas as vantagens associadas a uma topologia de rede sem fio Mesh. Essas características tornam a solução única em termos de robustez, flexibilidade e adequação ao cenário regulatório do País e potencializam a flexibilidade e a penetração da rede, por meio da utilização de faixas de frequência mais baixas e da exploração das funcionalidades das redes Mesh. A solução, proposta e testada, mostrou-se bem adaptada à aplicação em cenários urbanos de morfologia complexa. Outras vantagens da solução são o custo otimizado da infraestrutura, em virtude da ampliação da cobertura alcançada por nó, proveniente da operação em faixas sub-1 GHz, e a disponibilidade de dispositivos que implementam padrões abertos e orientados à interoperabilidade na interface aérea.

2 Visão estratégica da aplicação de rede sem fio em smart grid/telemedição

O aumento da eficiência nas operações das concessionárias e consequentes benefícios financeiros estão fortemente relacionados a ações específicas que incorporam o conceito de smart grid e podem gerar resultados importantes para o futuro do setor elétrico. Ações prioritárias são direcionadas aos seguintes temas:

tratamento das perdas comerciais e técnicas, com a implementação da telemedição, associada à capacidade de realização de corte e religamento remotos;

expansão da automação da rede de subtransmissão/distribuição, com automação das chaves de linhas de subtransmissão e instalação de chaves automatizadas nos circuitos primários de distribuição;

integração de sistemas, incluindo telemedição, bases de dados georreferenciadas, supervisão e controle, e faturamento.

Nesse contexto, verifica-se a importância, para a empresa, do aumento da capacidade da realização de telemedição, com desdobramentos nos seguintes resultados operacionais:

redução das perdas não técnicas de energia;

redução da inadimplência; execução de 100% da sugestão

comercial de corte para a redução do tempo de consumo irregular;

redução da PCLD (Provisão para Crédito de Liquidação Duvidosa);

redução do custo de leitura; redução dos custos de inspeção e com

equipes de combate à fraude; redução de consumo próprio dos

equipamentos de medição (substituição de eletromecânicos);

redução do valor de corrente de partida registrado pelos medidores;

identificação das perdas por trecho da rede de distribuição (balanço de energia), com a melhoria do direcionamento das ações preventivas.

As vantagens advindas da concretização desses resultados devem ser ponderadas com base nos eventuais aumentos dos custos com a infraestrutura de telecomunicações necessária, motivando a investigação de alternativas e abrindo espaço para inovação.



A solução de rede sem fio é apresentada na próxima seção, que aborda algumas dessas questões e mantém o foco, num contexto de prova de conceito, na capacidade de suporte à telemedição.

3 Descrição da solução de rede sem fio proposta para prova de conceito de aplicações de telemedição

A arquitetura proposta no projeto é apresentada na Figura 1 e integra dois segmentos de rede sem fio baseados nos padrões IEEE 802.15.4 (ZigBee) e 802.11b/g (Wi-Fi) (IEEE, 2006, 2007), que correspondem respectivamente aos seguintes domínios: NAN (Neighborhood Area Network):

transporta o tráfego dos pontos de medição, ou eventualmente telecomando, composta

por gateways Wi-Fi Mesh/ZigBee (Mestre) e elementos ZigBee Clientes;

FAN (Field Area Network): transporta o tráfego da NAN para a rede corporativa e é composta por gateway Wi-Fi Mesh/ZigBee (Mestre) e roteadores Wi-Fi Mesh instalados na infraestrutura de distribuição entre os gateways e o ponto de concentração.

Ambos os segmentos operam em topologias Ad Hoc e Mesh, em que os nós da rede se comunicam entre si, sem que haja um controle centralizado. Nesse caso, as rotas mais adequadas às conexões entre os nós da rede são estabelecidas de acordo com protocolos de camada 3, distribuídos e abertos. Foram adotados os protocolos OLSR (Optimized Link State Routing – RFC 3626) (IETF, 2003b) para o segmento Wi-Fi

Figura 1 Arquitetura de referência da solução que integra redes Wi-Fi Mesh e ZigBee



e AODV (Ad hoc On Demand Distance Vector – RFC 3561) (IETF, 2003a) para o segmento ZigBee. Esses protocolos foram escolhidos porque foram desenvolvidos especificamente para redes sem fio. O protocolo OLSR permite a atualização constante das tabelas de roteamento e, por essa razão, é apropriado para redes com grande número de nós. O protocolo AODV foi projetado para maximizar a eficiência e a escalabilidade, reduzindo a disseminação de tráfego de controle e, consequentemente, minimizando o overhead no tráfego de dados. Sua aplicação é indicada para nós com baixa capacidade de processamento e memória, como nos dispositivos ZigBee. A rota só é descoberta no momento em que se faz necessário transmitir um pacote, o que resulta em uma maior economia de energia. As rotas estabelecidas compreendem conexões com múltiplos saltos entre os nós de origem e destino, que envolvem nós intermediários e gateways de interface para redes externas. Com o objetivo de atender o segmento FAN, foram desenvolvidos roteadores Wi-Fi Mesh que suportam a operação na faixa de 250 MHz, destinada à modalidade de serviço SLP. Esses roteadores constituem o backhaul da rede, com o qual se estabelece a conexão com a rede corporativa IP, provedora dos servidores de infraestrutura e das aplicações específicas de uma rede de telemedição. A interface de RF (Radio Frequency) dos roteadores Wi-Fi Mesh incorpora até duas antenas adequadas à faixa de 250 MHz e largura de canal de 5 MHz, utilizada conforme estabelecido em regulamentação de uso do espectro para essa faixa, publicada pela Anatel em dezembro de 2010, no Anexo à Resolução № 555 (ANATEL, 2010a). O segmento ZigBee confere maior versatilidade à topologia (ponto a ponto, estrela ou mista) da rede empregada na solução. Na configuração, conhecida como peer-to-peer, podem ser estabelecidos padrões arbitrários de conexões entre os nós, limitadas pelo alcance dos sinais de rádio e pelas perdas da capacidade de transmissão de dados, que normalmente ocorrem quando a comunicação entre os nós se dá através de múltiplos saltos. O sistema incorpora a capacidade de autoformação e de regeneração da rede, estabelecendo padrões de comunicação entre os nós clientes, sob a coordenação de um elemento-mestre. O nó cliente pode ser configurado como um elemento roteador da rede e conectado diretamente a um equipamento ou dispositivo, monitorado ou

telecomandado para enviar informações ou dados por ele gerado. A interface de RF dos nós da rede ZigBee incorpora antenas adequadas à faixa de 370 MHz e largura mínima de canal de 1,25 MHz, utilizada conforme estabelecido em regulamento específico da faixa, publicado em dezembro de 2010 pela Anatel, no Anexo à Resolução № 556 (ANATEL, 2010b). A prova de conceito dessa solução, conforme os objetivos do projeto, demandou a execução das seguintes atividades:

desenvolvimento de protótipos de módulos componentes das redes ZigBee e Wi-Fi Mesh nas frequências propostas;

integração com medidores eletrônicos de consumo de energia;

testes-piloto em campo (CPqD).

4 Comparação com alternativas à solução de rede sem fio

Conforme descrita na seção anterior, a solução de rede sem fio adotada é baseada na tecnologia Wi-Fi Mesh. Porém, como o padrão WiMAX, em sua difundida versão IEEE 802.16e, também é uma alternativa ao backhaul do segmento da rede de telemedição NAN, responsável pelo transporte do tráfego dos pontos de medição, ou eventualmente telecomando, é importante destacar alguns pontos que justificaram a escolha do padrão Wi-Fi. As funcionalidades da tecnologia WiMAX são adequadas às aplicações em sistemas com as seguintes características principais:

terminais com mobilidade; grande variação da carga de tráfego na

rede sem fio; ambientes de propagação complexos,

com grande ocorrência de múltiplos percursos e de desvanecimentos rápidos e lentos;

diversidade de serviços oferecidos e de perfis de usuários, que demanda adequações dos critérios de qualidade de serviço (QoS);

existência de aplicações críticas, particularmente relativas à latência;

infraestrutura para instalação de radiobases.

Por outro lado, as funcionalidades da tecnologia Wi-Fi Mesh são adequadas às aplicações em sistemas com as seguintes características:



capacidade para atender clientes fixos ou com baixa mobilidade;

variação moderada da carga de tráfego na rede sem fio;

ambientes de propagação complexos, com ocorrência de múltiplos percursos, interferências e níveis elevados de ruído;

ambientes operacionais característicos de zonas urbanas, com alta densidade de edificações e impedimentos ou baixa disponibilidade para instalação dos rádios em pontos elevados;

homogeneidade de serviços e perfis de usuários;

inexistência de aplicações críticas relativas à latência ou em situações em que a rede sem fio apresente recursos de banda disponíveis.

Outro ponto-chave na seleção da tecnologia é a capacidade de transmissão de dados. Em um sistema ponto-multiponto, essa capacidade varia com a distância entre o terminal e a estação-base. A Tabela 1 e a Tabela 2 apresentam taxas líquidas de transmissão máximas nas implementações das tecnologias WiMAX e Wi-Fi, com operação em 250 MHz e largura de canal de 5 MHz. As taxas baseiam-se em avaliações realizadas em laboratório. Para a capacidade de transmissão do WiMAX, foi considerado um valor típico de distribuição do quadro TDD e foram estimados valores para um sistema com operação em MIMO 2x2 (SM-Spacial Multiplex). Na Tabela 3, são comparadas as capacidades de transmissão máximas das duas tecnologias no sentido uplink, normalmente o sentido de transmissão que limita a comunicação. As distâncias são estimadas com o uso de modelos teóricos para ambiente urbano SUI (Stanford University Interim). Nessas estimativas, foi considerado o limite de potência radiada atualmente em vigor e estabelecido por norma (25 dBm). Esses resultados mostram a maior capacidade de transmissão da tecnologia Wi-Fi Mesh nos cenários considerados. Tabela 1 Taxas líquidas Wi-Fi Mesh máximas em

função do nível de sinal recebido (RSSI)

RSSI (dBm) Taxa líquida (Mbps)

Tráfego nos 2 sentidos

Tráfego em 1 sentido

- 86 1,6 3,0

- 83 2,3 5,0

- 66 6,0 12,0

Tabela 2 Taxas líquidas WiMAX (uplink) máximas em função do nível de sinal recebido (RRSI)

v Taxa líquida (Mbps)

SISO MIMO (2x2)

- 86 0,9 1,8

- 83 1,3 2,6

- 66 2,5 5,0

Tabela 3 Taxas líquidas (uplink) máximas em função de distâncias (tráfego em um sentido)

Distância (m) Taxa líquida (Mbps)

Ambiente urbano

Wi-Fi Mesh

WiMAX (MIMO)

1.750 3,0 1,8

1.550 5,0 2,6

800 12,0 5,0

Esses resultados indicam a adequação da tecnologia Wi-Fi Mesh ao cenário de aplicação considerado e os ganhos obtidos em comparação com a solução baseada na tecnologia WiMAX. Esses ganhos envolvem outros aspectos, tais como maior simplicidade da implementação, flexibilidade e adequação aos cenários de instalação.

5 Desenvolvimento da solução ZigBee

O desenvolvimento de protótipos e módulos componentes do segmento ZigBee da rede experimental incluiu a implementação de uma solução baseada na técnica de conversão de frequência e integração com as camadas da pilha padrão, tanto para o módulo com funções de coordenador (mestre) quanto para o módulo cliente (roteador). Foram desenvolvidas soluções de integração física e funcional, com um medidor eletrônico de consumo de energia para o módulo cliente, e com o gateway da rede Wi-Fi Mesh para o módulo coordenador. As principais características do padrão IEEE 802.15.4 (Physical Layer and Medium Access Control – PHY/MAC), especificadas para a plataforma utilizada como base para os desenvolvimentos, são as seguintes:

faixa de frequência padrão utilizada para conversão: 902-928 MHz;

dez canais espaçados de 2 MHz; modulação DSSS (Direct Sequence

Spread Spectrum) e BPSK (Binary Phase Shift Keying), com concentração da energia em uma faixa de 1,2 MHz;

modulação O-QPSK (Offset Quadrature Phase Shift Keying);



taxa bruta máxima de transmissão: 40 kbps (BPSK) ou 250 kbps (O-QPSK);

método de acesso ao meio: CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance);

topologias de rede compatíveis: ponto a ponto, estrela, mesh e árvore;

padrão de segurança dos dados (encriptação) utilizado é o AES (Advanced Encryption Standard) de 128 bits.

Para integração com o medidor eletrônico, a solução desenvolvida incluiu as seguintes funcionalidades na camada de aplicação:

aquisição remota de dados de leitura de consumo de energia disponibilizada pelo medidor eletrônico, utilizando protocolo da Associação Brasileira de Normas Técnicas, ABNT NBR 14522 (ABNT, 2008), e implementada através de aplicação fornecida por uma concessionária do setor elétrico;

endereçamento do nó cliente na rede ZigBee associada à identificação do medidor ao qual se encontra conectado.

A Figura 2 ilustra a integração dos componentes da solução para a rede ZigBee, desenvolvida no escopo do projeto, com o gateway e o medidor eletrônico. Na integração com o medidor eletrônico, foram considerados os seguintes requisitos:

interface física: porta óptica/porta serial RS232;

protocolo de comunicação para operação de aquisição de dados: ABNT;

tempo de resposta máximo suportado pelo protocolo: 60 s;

velocidade de transmissão requerida pela operação de aquisição: 9,6 kbps;

banda máxima requerida pela operação de aquisição: 258 bytes.

Foi necessária a acomodação do módulo cliente no interior da caixa metálica padrão E, utilizada para abrigar o medidor, conforme Figura 3.

Figura 2 Integração dos componentes da solução para a rede ZigBee, com medidor eletrônico e gateway

Figura 3 Caixa padrão tipo E utilizada na integração do módulo ZigBee cliente



5.1 Protótipo de módulo ZigBee em baixa frequência para medidores eletrônicos

A Figura 4 representa a arquitetura do módulo ZigBee cliente desenvolvido, com diagrama de blocos que representam seus principais componentes e as respectivas conexões.

Figura 4 Diagrama de blocos (cinza) do módulo ZigBee cliente (370 MHz)

As principais funcionalidades implementadas pelos blocos, em componentes distintos montados em uma única placa, são as seguintes:

microcontrolador implementando a pilha ZigBee definida pela ZigBee Alliance e a aplicação que define a ação do módulo cliente. Aplicação implementando o protocolo de comunicação com o medidor eletrônico, com controle de sinalização e armazenamento de dados na memória EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory) para possibilitar posteriores consultas;

interface de comunicação serial (transceiver), com unidade serial padrão EIA232, que viabiliza a comunicação entre o módulo ZigBee e o medidor eletrônico (taxa de dados máxima de 9.600 bps). Suporta o protocolo de comunicação para configuração e leitura remota dos dados contidos no medidor eletrônico com o uso de aplicação fornecida pelo fabricante;

unidade de memória EEPROM não volátil, com comunicação serial padrão I2C e capacidade de armazenamento das medidas coletadas pelo medidor eletrônico;

transceptor RFIC (Radio Frequency Integrated Circuit) + MAC/PHY, com interface SPI (System Packet Interface) para as faixas 700/800/900 MHz, incluindo as camadas MAC/PHY IEEE 802.15.4;

conversor de frequência atendendo as subfaixas 364,150 - 367,900 MHz, 371,025 - 372,275 MHz e 374,150 - 376,650 MHz, todas com espaçamento de 1,25 MHz. Inclui os componentes necessários à amplificação e à filtragem nessas frequências, mantendo as características do sinal definido pelo padrão IEEE 802.15.4.

A solução de empacotamento mecânico desenvolvido para integração física do protótipo na caixa tipo E, conforme Figura 3, é exibida na Figura 5 e na Figura 6.

Figura 5 Vista frontal do empacotamento do módulo ZigBee cliente

Figura 6 Vista interna do empacotamento do módulo ZigBee cliente

A disposição do protótipo no interior da caixa, juntamente com o medidor eletrônico de uso residencial, é mostrada na Figura 7.



Figura 7 Vista interna da caixa tipo E com medidor eletrônico e fixação do empacotamento

do módulo ZigBee cliente

A instalação do módulo ZigBee cliente no interior da caixa tipo E impõe requisitos adicionais para a antena a ser integrada ao módulo. Para a determinação de uma solução adequada, devem ser considerados os seguintes aspectos:

diversidade de cenários de instalação, tanto no posicionamento da caixa na alvenaria quanto nos detalhes de construção da caixa, tais como formato do visor de leitura e junções entre suas partes, principalmente entre a tampa e o corpo da caixa;

inconveniência de instalação de cabos para conexão com uma antena externa à caixa;

dimensões das antenas, necessárias na obtenção de eficiências condizentes com a operação adequada do sistema;

aspectos relacionados à segurança, com a recomendação de que os componentes do sistema não fiquem excessivamente expostos e sujeitos a manipulação e danos.

Com base nesses aspectos, foi desenvolvida uma solução em que as aberturas ou fendas da caixa fossem utilizadas como elementos radiadores. A excitação dessas aberturas foi feita por meio de microlinhas e as paredes internas da caixa foram utilizadas como planos metálicos. A Figura 8 mostra os detalhes da estrutura de excitação das fendas frontais do visor da caixa, ajustada experimentalmente, e incorporando os

componentes de casamento de impedância na estrutura de excitação em microfita.

Figura 8 Detalhe da estrutura em microfita utilizada na excitação das fendas frontais da caixa

tipo E

A Figura 9 reproduz a curva dos valores de perda de retorno atingidos na faixa de frequência de 360 a 380 MHz. O casamento de impedância, feito com um capacitor em série de 3,3 pF e outro em paralelo de 2,2 pF, permitiu atingir valores satisfatórios de perda de retorno, abaixo de -10 dB na faixa de 360 a 380 MHz. Observou-se, no entanto, uma grande sensibilidade dessa sintonia, resultando em pequenas variações na estrutura da caixa, por exemplo, na posição da sua tampa ou até no acúmulo de poeira no vidro, que podem modificar a frequência de sintonia.

Figura 9 Curva de perda de retorno para a excitação das fendas frontais da caixa tipo E na

faixa de frequência de 360 a 380 MHz

Outra possibilidade de utilização de fenda da caixa como antena foi explorada com a excitação da junção lateral da tampa. A Figura 10 mostra a fixação da estrutura de excitação em microfita nessa alternativa.



Figura 10 Visão do interior da caixa tipo E com detalhe da fixação da estrutura em microfita

utilizada na excitação da fenda lateral

5.2 Protótipo de módulo ZigBee em baixa frequência para gateway ZigBee/Wi-Fi Mesh

O diagrama de blocos apresentado na Figura 11 representa a arquitetura do módulo ZigBee coordenador (mestre) desenvolvido. A implementação foi integrada ao gateway, que, conforme Figura 2, incorpora a unidade de comunicação provedora do backhaul Wi-Fi Mesh. As principais diferenças da implementação do módulo ZigBee mestre em relação ao cliente estão na camada de aplicação, onde a pilha ZigBee definida pela ZigBee Alliance define a ação funcional do módulo como coordenador, e na conexão com o módulo host do gateway através de uma interface Ethernet. Adicionalmente, a camada de aplicação proporciona os meios para a obtenção de informações relativas à rede ZigBee, incluindo conexões estabelecidas e parâmetros como identificadores de nós e níveis de sinal.

Figura 11 Diagrama de blocos (cinza) do módulo ZigBee coordenador (370 MHz)

Quanto à requisição remota de dados disponibilizados pelos medidores eletrônicos, a camada de aplicação viabiliza o repasse das mensagens do protocolo ABNT. A Figura 12 e a Figura 13 ilustram a integração e a montagem da placa do módulo ZigBee coordenador no gateway, através da conexão com o processador de rede do módulo host (PQII). Com esse módulo ZigBee, é possível a utilização de antena comercial.

Figura 12 Detalhe da montagem do gateway ZigBee (370 MHz) / Wi-Fi Mesh (250 MHz) com a face superior da placa metálica de suporte aos

módulos de comunicação

Figura 13 Detalhe da montagem do gateway ZigBee (370 MHz) / Wi-Fi Mesh (250 MHz) indicando a posição do módulo ZigBee

coordenador na face inferior da placa metálica de suporte aos módulos de comunicação



5.3 Integração funcional dos medidores de consumo de energia com a rede ZigBee/Wi-Fi Mesh

A integração entre os medidores e a rede sem fio de transporte compreende a implementação do cliente ZigBee para leitura dos medidores eletrônicos de energia elétrica. O protocolo utilizado pelos fabricantes de medidores é o ABNT NBR 14522:2008. Esse protocolo define o padrão de intercâmbio de informações no sistema de medição de energia elétrica, com o objetivo de garantir a compatibilidade entre os sistemas e os equipamentos de medição de energia elétrica de diferentes procedências. No modo convencional, esse protocolo opera de forma assíncrona, com velocidade de 9.600 bps (com desvio máximo de 2%), bidirecional não simultâneo e com unidades de informação de 8 bits. Como o protocolo ABNT define, originalmente, a interface serial (RS232) para a transferência dos comandos e respostas entre o leitor e o medidor, foi necessário adaptá-lo para que os comandos e as respostas pudessem ser transmitidos na rede ZigBee. Essa adaptação consistiu basicamente no encapsulamento e no particionamento dos dados transportados segundo o protocolo padrão ABNT, preservando os fluxos de mensagens e requisitos de operação do sistema. O tempo máximo para o procedimento de obtenção de leitura do medidor conectado ao cliente ZigBee, com a aplicação de requisição (PLAW), é de 25 segundos, incluindo operações de extração do endereço de rede do dispositivo, particionamento de mensagem do protocolo e empacotamento de acordo com o padrão ZigBee. Outros aspectos importantes referentes à integração com o sistema de medida de energia dizem respeito à implementação do cliente ZigBee anteriormente descrita. É importante ressaltar que os dispositivos clientes Zigbee são configurados como roteadores, sem o uso de baterias e com alimentação no medidor. Por fim, cabe lembrar que a solução prevê a inclusão de memória de massa adicional no cliente ZigBee. Essa memória seria complementar à memória contida no próprio medidor, que já dispõe de capacidade de armazenamento dos dados de medição gerados.

6 Desenvolvimento da solução Wi-Fi Mesh

Conforme indicado na arquitetura de referência sintetizada na Figura 1, o segmento da rede Wi-Fi Ad Hoc Mesh compreende dois elementos: o gateway e o roteador. Para ambos os elementos, o desenvolvimento da solução

para operação na faixa de 250 MHz baseou-se em conversão de frequência, com módulo OEM (Original Equipment Manufacturer), segundo o padrão IEEE 802.11 b/g, com as seguintes características principais:

faixa de frequência padrão utilizada para conversão: 907-917 MHz;

taxa bruta máxima de transmissão: 14 Mbps (64 QAM – Quadrature Amplitude Modulation);

segurança: WPA (Wi-Fi Protected Access);

largura de canal de transmissão: 5 MHz (agregando canais de 1,25 MHz);

método de acesso ao meio: CSMA/CA. Sob o aspecto funcional, o estágio de RF desenvolvido para integração com o módulo OEM compreende um transceptor que opera nas mesmas frequências de transmissão e de recepção, com o uso de duplexação por divisão no tempo (Time Division Duplexing – TDD), com as seguintes funções básicas:

translação espectral do sinal Wi-Fi 900 MHz (802.11b/g) para canais na faixa de 228.75 a 238.75 MHz, com largura de banda de 5 MHz;

amplificação do sinal de RF em potência para a transmissão;

amplificação do sinal de RF em baixo ruído para a recepção;

manutenção da qualidade do sinal, dentro e fora da banda de operação, com ótimo funcionamento do sistema em si e compatibilidade com outros sistemas de transmissão que compartilham o espectro de frequências.

A Figura 14 ilustra a integração do estágio de RF desenvolvido, segundo os modelos de referência das arquiteturas lógicas do gateway e do roteador Wi-Fi Mesh.

Figura 14 Modelos de referência das arquiteturas dos componentes do sistema Wi-Fi Mesh (250 MHz) incluindo gateway e roteador



A Figura 15 representa o diagrama funcional do estágio de RF desenvolvido, seus principais blocos componentes, a integração do CI (Circuito Integrado) responsável pela conversão de frequência, e os demais blocos, responsáveis pela amplificação e filtragem do sinal convertido.

Figura 15 Diagrama de blocos da solução do estágio de RF desenvolvida

A Figura 12 ilustra a integração do estágio de RF no gateway e a Figura 16 e a Figura 17 apresentam a integração no roteador e seu empacotamento mecânico, respectivamente.

Figura 16 Colocação do módulo conversor no roteador Wi-Fi Mesh (250 MHz)

Figura 17 Empacotamento mecânico do roteador Wi-Fi Mesh (250 MHz)

7 Piloto em campo de teste no CPqD

A fim de validar a concepção de rede sem fio proposta no projeto e o suporte à telemedição, foi desenvolvido um campo de teste a céu aberto nas instalações do CPqD. Nesse campo, foi instalada a rede experimental, com a integração dos protótipos desenvolvidos, exercitadas as funcionalidades e avaliado o desempenho da rede. Embora o campo de teste não reproduza exatamente as características do ambiente de uma instalação típica em área urbana densa, algumas delas, como as distâncias e a disposição de elementos da rede ao longo das vias de circulação, se aproximam das encontradas nesse cenário. Entre os elementos mais adversos do campo, destacam-se a presença de desnível abrupto no terreno e de obstruções por vegetação. Os testes em campo foram realizados após a execução de uma sequência planejada de testes de desenvolvimento em laboratório e ambiente controlado, com a avaliação dos aspectos funcionais, da integração e do desempenho dos protótipos desenvolvidos. Esses testes preliminares permitiram a validação e o refinamento das adaptações necessárias para garantir a compatibilidade com o protocolo de comunicação e a utilização da aplicação de requisição de dados do medidor eletrônico. Além desses testes, foram realizados também testes de avaliação da atenuação nas faixas de frequência utilizadas e de alcance das antenas desenvolvidas para a caixa tipo E. A Figura 18 exibe o teste de alcance realizado, com a medição dos níveis de sinal CW (Continuous Waveform) (375 MHz) obtidos entre caixas com fendas frontais utilizadas como antena, em várias situações de obstrução, e com as caixas posicionadas na altura típica de instalação. Em conformidade com um nível de referência de sensibilidade de -90 dBm, foram obtidas variações de alcance em torno de 50 m.

Figura 18 Exemplo de cenário de obstrução para testes de alcance com caixas tipo E



Figura 19 Arquitetura de referência utilizada nos testes de campo no CPqD

Os testes no campo de teste foram executados em três etapas principais. Inicialmente, foram realizados testes somente no segmento ZigBee da rede, após instalação do módulo ZigBee coordenador e das caixas tipo E, contendo os módulos ZigBee clientes conectados aos medidores eletrônicos com cargas. Em seguida, foi instalado e avaliado o segmento Wi-Fi Mesh da rede, com a instalação do gateway e do backhaul. Finalmente, foram realizados os testes na rede integrada. A Figura 19 representa o diagrama da arquitetura de referência utilizada nos testes de campo no CPqD, incluindo a integração das redes ZigBee, backhaul Wi-Fi Mesh e sistema de requisição de dados dos medidores eletrônicos. A Figura 20 ilustra a instalação típica de caixa tipo E em campo, conectada à lâmpada para medição de consumo de energia, e a Figura 21 exibe a instalação de roteador Wi-Fi Mesh.

Figura 20 Caixa tipo E com carga resistiva, instalada no campo de teste no CPqD

Figura 21 Instalação do roteador backhaul Wi-Fi Mesh

A Figura 22 reproduz a vista aérea do campo de teste, com uma configuração típica da rede experimental e indicação da distribuição das caixas tipo E, localizações do gateway e do laboratório onde foi colocado o PC com a aplicação PLAW e o backhaul Wi-Fi Mesh.



Figura 22 Distribuição das caixas tipo E, com módulos ZigBee clientes (9), backhaul Wi-Fi Mesh e detalhe das ruas principal e lateral e indicação das posições das caixas

As seguintes condições foram consideradas na configuração do cenário de testes:

frequências: 252 MHz (Wi-Fi Mesh) e 372,275 MHz (ZigBee);

EIRP (Effective Isotropically Radiated Power): 23 dBm (Wi-Fi Mesh) e 0 dBm (ZigBee).

Os seguintes resultados foram obtidos durante os testes:

funcionalidades da rede ZigBee, incluindo capacidade de formação de rotas alternativas e estabelecimento de comunicação através de nós intermediários;

funcionalidades de configuração da rede ZigBee (Personal Area Network Identification – PAN-ID);

estabilidade da rede, incluindo avaliações do comportamento na ocorrência de desligamentos temporários do sistema ou de nós específicos, em períodos de curta e longa duração;

funcionalidades de aquisição de parâmetros da rede;

capacidade de suporte às operações de requisição remota de dados de leitura de consumo de energia disponibilizados pelos medidores eletrônicos; neste

caso, utilizando a aplicação selecionada pela concessionária (PLAW). Foram consideradas diversas situações, incluindo interrupções e religamentos do sistema ou de nós específicos;

funcionalidades dos modos de aquisição dos dados dos medidores disponibilizados pela aplicação (PLAW), tais como parâmetros atualizados, armazenados, totalizados, registros de alterações e períodos de quedas de energia;

avaliações de desempenho, com a verificação da capacidade de transmissão da interface aérea;

alcance e conectividade em campo, para a rede ZigBee, com os módulos instalados na caixa tipo E.

Os principais resultados de desempenho obtidos foram:

vazão medida durante o período de transmissão unidirecional contínua em enlace Wi-Fi Mesh, com potência de transmissão de 25 dBm: taxa de transmissão máxima de 7,98 Mbps (Transmission Control Protocol – TCP) para um nível de sinal na recepção de -59 dBm e de 1,5 Mbps para um nível de recepção de -97 dBm.



vazão medida no enlace Wi-Fi Mesh, com ocorrência de um salto: vazão máxima de 2,5 Mbps (TCP) para níveis de sinal de -67 dBm na recepção e de -48 dBm nos nós extremos, e -45 dBm e -52 dBm no nó intermediário;

RTT (Round Trip Time) medida em enlace Wi-Fi Mesh com um salto: 30 ms com vazão de 2,5 Mbps e pacotes de 1.518 bytes;

vazão medida em enlace ZigBee com modulação BPSK, pacotes de 1000 bytes (fragmentação): 6 kbps com BER (Bit Error Rate) de 0,8%;

alcance máximo entre módulo coordenador e ZigBee cliente com antena fenda lateral: 325 m.

8 Conclusão

Neste artigo, foi apresentada a solução híbrida de rede sem fio voltada para aplicações de telemedição, no contexto de smart grids. A solução foi desenvolvida no escopo do projeto Aneel e tem como uma de suas principais características a utilização de faixas de frequência licenciadas abaixo de 1 GHz, recentemente regulamentadas pela Anatel, e com atribuição de utilização SLP. Outra característica importante é a utilização de padrões abertos, como base de desenvolvimento, que oferece várias vantagens técnicas e econômicas. A apresentação da solução incluiu a descrição dos desenvolvimentos e a integração dos seus componentes de hardware e software, materializados em protótipos, bem como a abordagem adotada para sua avaliação, que inclui montagem de infraestrutura de testes e realização de piloto a céu aberto, em campo de teste no CPqD. Nesse cenário, foram apresentados os resultados que comprovam a efetividade da rede concebida, bem como das soluções encontradas, particularmente adaptações e adequações necessárias à viabilização da aplicação de telemedição. Essas adequações abrangeram aspectos físicos e funcionais, incluindo a integração com o medidor eletrônico, com a sua caixa de instalação e com a aplicação de requisição de dados selecionada pela concessionária.

Referências

AGÊNCIA NACIONAL DE TELECOMUNICAÇÕES (ANATEL). Anexo à Resolução № 555, Regulamento sobre canalização e condições de uso de radiofrequências na faixa de 225 a 270 MHz, 2010a.

______. Anexo à Resolução № 556, Regulamento sobre canalização e condições de uso de radiofrequências na faixa de 360 a 380 MHz, 2010b.

ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS (ABNT). NBR 14522-2008, Intercâmbio de informações para sistemas de medição de energia elétrica, maio 2008.

INSTITUTE OF ELECTRICAL AND ELECTRONICS ENGINEERS (IEEE). Std 802.15.4-2006. Part 15.4: Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications for Low-Rate WirelessPersonal Area Networks (LR-WPANs), September 2006.

______. Std 802.11-2007. Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications, June 2007.

THE INTERNET ENGINEERING TASK FORCE (IETF). RFC 3561 Ad hoc On-Demand Distance Vector (AODV) Routing, July 2003a.

______. RFC 3626 Optimized Link State Routing Protocol (OLSR), October 2003b.


Antenas adaptativas e módulos de radiofrequência para redes sem fio banda larga

aplicadas à segurança pública

Luís Cláudio Palma Pereira*, Leonardo Pezzolo, Daniel Basso Ferreira, Moisés dos Santos, Cristiano Borges de Paula

O suporte de telecomunicações a serviços de segurança pública é parte integrante de um escopo maior, que envolve segurança pública e assistência em situações de desastre. O principal fator motivador das ações regulatórias instituídas nas últimas décadas, nesse setor, é a necessidade básica de integração dos sistemas de comunicações e TI (Tecnologia da Informação) que apoiam as operações de comando e controle conjuntas das entidades públicas e privadas incumbidas da segurança pública. Em 2008, a Anatel destinou a faixa de frequência de 4,9 GHz para o Serviço Limitado Privado – Segurança Pública – e, no período de 2011 a 2013, o projeto RFSEGPUB desenvolveu, no CPqD, tecnologias que atendem às condições de uso dessa faixa e suportam serviços de banda larga para segurança pública. Este trabalho descreve os protótipos desenvolvidos e os resultados obtidos nos ensaios sistêmicos, testes em laboratório e testes preliminares em campo, realizados no escopo do projeto.

Palavras-chave: Radioacesso. Banda larga. Segurança pública. 4,9 GHz. WiMAX.

Abstract

The provision of telecommunications support for public safety services is part of a wide scope, which involves both public safety and disaster relief. The main driving force behind regulatory actions in the sector over the last decades is the basic need for integration between communication and IT systems to support command and control operations conducted by public and private safety organizations. In 2008, Anatel allocated the 4.9-GHz band to the Limited Private Service – Public Safety and, from 2011 through 2013, the RFSEGPUB Project developed technologies that meet the requirements for using the 4.9 GHz band and support broadband communication services for public safety. This paper describes the developed prototypes and results achieved in systemic tests, laboratory tests and during the preliminary field tests of the RFSEGPUB Project.

Key words: Radio access. Broadband communication. Public safety. 4.9 GHz. WiMAX.


1 Introdução

O suporte de telecomunicações a serviços de segurança pública é parte integrante de um escopo maior, que envolve segurança pública e assistência em situações de desastre. O principal fator motivador das ações regulatórias instituídas nas últimas décadas, nesse setor, é a necessidade básica de integração dos sistemas de comunicações e TI que apoiam as operações de comando e controle conjuntas das entidades públicas e privadas incumbidas da segurança pública, executadas em condições normais ou

em situações de desastre. O evento internacional que marcou o início da promoção das ações regulatórias coordenadas foi a Convenção de Tampere, na Finlândia, em 1998. As nações presentes nessa convenção reconheceram que a magnitude, a complexidade, a frequência e o impacto dos desastres aumentam em um ritmo dramático, com consequências particularmente graves em países em desenvolvimento. A partir desse evento, o Setor de Radiocomunicações da União Internacional de Telecomunicações (UIT-R) iniciou um ciclo de reuniões de grupos



de estudo com vistas a definir direcionadores para que as administrações locais conduzissem processos regulatórios coordenados por região da WRC (World Radio Conference). Entre as questões tratadas, a mais pertinente para o escopo do projeto é a destinação prévia, dentro do arcabouço regulatório local de cada país e região, de faixas de frequência destinadas à segurança pública e à assistência a desastres (defesa civil). Em 2003, a UIT-R publicou a Resolução 646 (WRC-03 – Public protection and disaster relief), na qual foram definidas recomendações de faixas de frequência a serem destinadas ao serviço. Ao Brasil e a outros países signatários das Américas, coube analisar e destinar, para uso em caráter primário, 50 MHz na faixa de 4,9 GHz. As ações da Anatel, destinadas a atender os requisitos da UIT-R, culminaram com a publicação da Resolução 494 (ANATEL, 2008b), que define as condições de uso do segmento de 4940 MHz a 4990 MHz, e da Resolução 495 (ANATEL, 2008c), que estabelece condições de coordenação com usuários do serviço fixo, que passaram a utilizar essa faixa em caráter secundário a partir de 1o de janeiro de 2013. No Brasil, os serviços de segurança pública e defesa civil, do ponto de vista da regulamentação dos serviços de telecomunicações, estão contidos na regulamentação do SLP (Serviço Limitado Privado) e do SLMP (Serviço Limitado Móvel Privativo). Dentro dessa designação, várias faixas de frequência estão destinadas ao uso pelas instituições de segurança pública, tipicamente nos segmentos de VHF e UHF (abaixo de 1 GHz). Em 2011, com base nessa disponibilidade de espectro e com foco na oportunidade de desenvolver um sistema de radioacesso banda larga, em alta frequência, com operação na faixa de frequência destinada pela Anatel para o SLP – Segurança Pública, foi iniciado o Projeto RFSEGPUB. O projeto contou com recursos do FUNTTEL (Fundo para o Desenvolvimento Tecnológico das Telecomunicações) do Ministério das Comunicações. O projeto teve por objetivo disponibilizar tecnologias de antenas, incluindo antenas adaptativas, e módulos de radiofrequência para redes sem fio banda larga aplicadas à segurança pública. Os protótipos gerados e os resultados alcançados ao longo do projeto são apresentados neste trabalho. Inicialmente, são descritas a concepção sistêmica proposta no projeto e a rede de acesso, na qual se inserem os módulos de RF (Radiofrequência) e as antenas desenvolvidas. A visão sistêmica inclui a integração com a rede provedora de serviços para aplicação em

segurança pública. Nas seções seguintes, o desenvolvimento dos módulos de RF e das antenas é detalhado e, finalmente, são apresentados os resultados obtidos em laboratório e nos testes preliminares de campo, com a demonstração das características técnicas dos protótipos e da operação dos protótipos de forma integrada.

2 Concepção da rede de acesso

O desenvolvimento proposto no projeto considerou a disponibilidade de algumas tecnologias que utilizam plataformas WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) e que foram desenvolvidas pela Fundação CPqD em projetos anteriores. O sistema WiMAX oferece uma boa alternativa de infraestrutura de rede de acesso banda larga sem fio BWA (Broadband Wireless Access) para cobertura metropolitana, na qual o estabelecimento de enlaces em condição NLOS (Non Line of Sight) é predominante. No caso de aplicações à segurança pública, esse é o cenário mais desafiador e de maior importância em virtude da constatação da tendência de crescimento da concentração das populações em grandes centros urbanos e da complexidade desses ambientes. Além de disponibilizar na interface aérea os meios para o suporte e a manutenção da qualidade de serviços (Quality of Service – QoS) de voz e transmissão de dados e imagens em tempo real (triple play), o sistema WiMAX oferece suporte à mobilidade, embora a principal forma de emprego vislumbrada seja a ilustrada na Figura 1, na qual o terminal WiMAX, funcionando como gateway e integrando um ponto de acesso Wi-Fi, fornece acesso aos serviços do usuário WLAN autorizado e autenticado de acordo com os requisitos de segurança da rede corporativa. Nessa situação, o veículo está estacionado e o backhaul WiMAX é estabelecido entre o terminal veicular, denominado TVM49, e a estação-base (EB).

Figura 1 Diagrama de aplicação do terminal veicular (TVM49)



2.1 Interface rádio

O modo de transmissão utilizado na solução é o TDD (Time Division Duplex), com canais de até 10 MHz de largura, que cumpre os requisitos de velocidade de transmissão de dados, incluindo a transmissão de imagens em tempo real. A regulamentação definida no Anexo à Resolução 494 (ANATEL, 2008b) para a faixa de 4,9 GHz permite a utilização de até 5 canais com essa largura, com a agregação de canais de 1 MHz e 5 MHz. Associados ao uso do espectro, outros importantes itens da regulamentação a serem observados são os seguintes:

limitação de potência máxima na saída dos transmissores dos equipamentos (Categoria II), com a largura de canal de 10 MHz: 30 dBm;

limitações de potência efetivamente radiada (56 dBm), em função da utilização do ganho máximo das antenas utilizadas: 26 dBi.

Os requisitos adicionais da interface rádio, definidos também para a certificação de transceptores que operam nessa faixa, são encontrados no Anexo à Resolução 492 (ANATEL, 2008a). Esses requisitos abrangem itens de desempenho, tais como máscara de emissão, sensibilidade e emissão de espúrios, entre outros. O padrão de interface aérea adotado é o especificado como sistema WiMAX IEEE 802.16e (IEEE, 2008), baseado na tecnologia de acesso OFDMA. Esse padrão atende aos requisitos e às características da solução e, em razão de seu estágio de amadurecimento avançado e sua aceitação no mercado, está implementado em uma variedade de plataformas e processadores dedicados, permitindo o desenvolvimento de soluções economicamente competitivas. Esses processadores implementam a camada física (PHY), a camada de acesso ao meio (MAC), a camada de segurança e a subcamada de convergência – interface de dados capaz de tratar pacotes IP e quadros Ethernet. As funcionalidades especificadas no WiMAX, consideradas fundamentais para a obtenção da conformidade com os principais requisitos sistêmicos previamente apresentados, são as seguintes:

classificação e priorização aplicáveis aos protocolos IP, IEEE 802.3 – Ethernet, IEEE 802.1D, IEEE 802.1p, IEEE 802.1Q (VLAN), associadas a fluxos de serviços (Service Flow – SF), com implementação de classes adequadas a serviços de voz

(Unsolicited Grant Service – UGS), tempo real (real time Polling Service – rtPS, Extended real time Polling Service – ertPS), dados priorizados (non real time Polling Service – nrtPS) ou não (Best Effort – BE) e alocação de recursos gerenciada pelo scheduler;

gerenciamento de chaves de cifragem e suporte à autenticação, por meio do protocolo PKMv2 (Privacy Key Management);

cifragem de chaves e dados, com a adoção do padrão AES (Advanced Encryption Standard);

autenticação do terminal (RADIUS), por meio do protocolo EAP (Extensible Authentication Protocol), método TTL (Transport Layer Security) ou TTLS (Tunneled Transport Layer Security), MS – CHAPv2 (Microsoft Challenge Handshake Authentication Protocol) e certificado X.509;

reenvio de pacotes ou partes de pacotes com erros, com o uso de HARQ (Hybrid Automatic Repeat Request) ou ARQ (Automatic Repeat Request);

diversidade de transmissão MIMO (Multiple Input Multiple Output) e de recepção MRC (Maximal Ratio Combining).

2.2 Integração com infraestrutura de serviços

Na arquitetura de uma rede de acesso WiMAX (Access Service Network – ASN), definida pelo WiMAX Forum em 2013 (WIMAX FORUM, 2013), a integração com a rede de infraestrutura provedora de serviços (Connectivity Service Network – CSN) ocorre por meio de interfaces padronizadas (R1, R2, R3 e R6), nas conexões entre as três principais entidades da rede de acesso: a estação terminal (ET), a estação-base (EB) e o ASN-GW (Access Service Network Gateway), conforme Figura 2. As interfaces viabilizam procedimentos essenciais de autenticação, autorização, através de interação com AAA (Authentication, Authorization and Accounting), mobilidade, endereçamento IP, implementação de critérios de QoS (WIMAX FORUM, 2007a), e também oferecem funcionalidades opcionais que aumentam a eficiência da rede e o suporte à mobilidade do terminal. Nessa arquitetura, o ASN-GW é o gateway para a rede de infraestrutura e serviços. Uma das funções primordiais do ASN-GW é o suporte à mobilidade em camada 3 (IP), que, nesse caso,



requer a implementação de PMIP (Proxy Mobile IP) no ASN-GW ou CMIP (Client Mobile IP) no terminal. No cenário de aplicação considerado, em que o terminal apresenta um padrão nômade de mobilidade, existe a opção de simplificação da rede de acesso. Nessa opção, a estação-base opera em modo conhecido como standalone, que dispensa o ASN-GW e se conecta diretamente à rede corporativa. Embora essa simplificação torne a rede de acesso mais simples, o suporte à mobilidade fica restrito à camada 2, sem garantia de continuidade das sessões IP estabelecidas por usuários conectados ao terminal WiMAX instalado no veículo. Nessa configuração, tanto a subcamada de convergência IP (IP-CS) como a Ethernet (Eth-CS) podem ser implantadas e a integração com a rede corporativa pode ser viabilizada com a incorporação de requisitos adicionais de segurança, tais como, segregação de tráfego por VLAN, controle de acesso NAC (Network Access Control) dos usuários da LAN, através do protocolo 802.1X, e de usuários da WLAN, via protocolo 802.11i (IEEE, 2007), desde que suportados pelo terminal veicular WiMAX (TVM49).

Figura 2 Diagrama de conectividade do terminal com rede de serviços

3 Desenvolvimento de módulo de RF para estação-base WiMAX

Na abordagem ao módulo de RF da EB, foi desenvolvida uma solução que pode ser integrada com o módulo de banda-base WiMAX contemplando duas possibilidades:

em um mesmo empacotamento mecânico, desenhado para instalação e operação ao relento;

em uma cabeça de RF remota (Remote Radio Head – RRH), conectada à unidade de banda-base através de uma interface óptica de alta velocidade padrão CPRI (Common Public Radio Interface).

Essas formas de integração e as características técnicas do módulo são descritas a seguir.

3.1 Arquitetura e integração funcional

O módulo de RF implementa um transceptor isofrequencial (mesmas frequências de transmissão e de recepção), em modo de duplexação por divisão no tempo (TDD), com as seguintes funções básicas:

translação espectral, demodulação/modulação do sinal OFDMA de/para o canal de RF de operação, na faixa de segurança pública (4,94 a 4,99 GHz);

amplificação em potência do sinal de RF para a transmissão com controle de ganho;

amplificação do sinal de RF em baixo ruído para a recepção;

chaveamento entre a transmissão e a recepção em sincronismo com o quadro TDD, que permite o compartilhamento de uma única antena nas duas condições de funcionamento;

suporte à implementação da funcionalidade MIMO, que implica a duplicidade da estrutura de transceptor de RF (cadeias A e B) e a coerência dos osciladores locais, moduladores e conversores de frequência;

garantia da qualidade do sinal, tanto dentro da banda de operação (assegurando o ótimo funcionamento do sistema em si) como fora dela (proporcionando a compatibilidade com outros sistemas de transmissão que compartilham o espectro de frequência, com aderência às normas da Anatel).

A Figura 3 ilustra, de forma simplificada, a arquitetura das cadeias de transmissão e recepção do módulo de RF, em que são destacados os principais blocos funcionais desenvolvidos, as interfaces dos sinais WiMAX (I/Q) e de controle, o bloco com o firmware de controle em microcontrolador e o módulo de adaptação desenvolvido para realizar a integração do módulo de RF com a EB WiMAX. A Tabela 1 resume as principais características técnicas do módulo (PEZZOLO, 2011). Em virtude da indisponibilidade no mercado de uma unidade de banda-base de EB WiMAX comercial, com interface óptica padrão CPRI e completa integração com a RRH desenvolvida, o foco se deu na integração do módulo de RF com o módulo de banda-base da EB compacta para operação ao relento (outdoor), previamente desenvolvido em outro projeto da Fundação CPqD. Essa primeira forma de integração, considerada preferencial, e a obtenção de um



protótipo de EB WiMAX outdoor, foram viabilizadas através dos módulos adicionais de adaptação e alimentação, destacados na Figura 4.

Figura 3 Diagrama de blocos do módulo de RF e

integração na EB WiMAX

Tabela 1 Características funcionais do módulo de RF

Item Especificação

Função principal Modem em quadratura e

front-end de RF

Arquitetura ZIF (Zero Intermediate

Frequency)

Modulações QPSK, 16QAM e 64QAM

Suporte a MIMO e diversidade

2x2

Banda de frequência 4,94 a 4,99 GHz

Larguras de canal (BW) 3,5; 5; 7 e 10 MHz

Ajuste de frequência Passo de 250 kHz

Método de duplexação TDD

Tempo de quadro 5 ms

Tempo de guarda mínimo para transmissão (TTG)

50 us

Tempo de guarda mínimo para recepção (RTG)

50 us

Potência transmitida

1 W rms / 10 W pico / 10-2 CCDF (Complementary Cumulative Distribution

Function)

Ajuste de potência transmitida

10 dB ajustável em passos de 1 dB

Figura de ruído mais perdas máximas

13 dB

Ganho de recepção 10 a 50 dB ajustável em

passos de 1 dB

Nível de potência máxima operacional na recepção

-45 dBm

Nível de potência máxima sem dano na recepção

-10 dBm

Controle de potência transmitida

Através do preâmbulo do quadro WiMAX

Proteção de VSWR (Voltage Standing Wave Ratio)

Desligamento do PA quando excedido o nível de 20 dBm

no sinal refletido

Figura 4 Diagrama de blocos da integração com a banda-base WiMAX da EB compacta

A Figura 5 ilustra a montagem das placas do módulo de RF e de adaptação/alimentação e banda-base no protótipo da EB, e a Figura 6 exibe o empacotamento mecânico que abriga as três placas e respectivas blindagens.

Figura 5 Montagem dos módulos de RF e adaptação no protótipo da EB WiMAX compacta

Figura 6 Empacotamento mecânico do protótipo da EB WiMAX compacta outdoor

A Figura 7 ilustra, de forma esquemática, a segunda forma de integração do módulo de RF, ou seja, no protótipo da RRH, com a incorporação de interface óptica padrão CPRI



implementada no bloco indicado. Esse bloco inclui a conexão por fibra, em modo slave do módulo master integrado à unidade de banda-base da EB, em uma arquitetura caracterizada como segmentada. A RRH é composta de três módulos básicos: módulo digital (KUEHNE, 2012), módulo de RF e módulo de alimentação. O módulo de RF, descrito acima, é exibido também na Figura 3. O módulo digital, implementado em plataforma FPGA (Field Programmable Gate Array), por sua vez, compreende interface óptica de alta velocidade CPRI, funcionalidade de redução de fator de crista do sinal OFDM (Crest Factor Reduction – CFR) e funcionalidades adicionais de gerenciamento e controle da RRH no firmware. O firmware do módulo digital permite configurar camadas de baixo nível (Hardware Abstract Layer – HAL) referentes às interfaces de comunicação serial e aos pinos (analógicos e digitais) configurados como entrada e saída do módulo. Nessas camadas, também são configuradas as interfaces de comunicação serial padrão SPI (Serial Peripheral Interface) e I2C, encarregadas de propiciar a comunicação entre os componentes do circuito do módulo digital e o circuito de controle do módulo de RF, composto basicamente de um microcontrolador. O empacotamento mecânico do protótipo de RRH projetado para operação outdoor, validado em ensaios térmicos (HEINRICH, 2012), é ilustrado na Figura 8.

Figura 7 Diagrama de blocos da integração

módulo de RF na RRH

Figura 8 Empacotamento mecânico do protótipo de RRH outdoor

3.2 Testes de desempenho e de integração funcional

Foram realizados testes para a verificação do funcionamento do módulo de RF integrado aos demais módulos que compõem o protótipo da EB de 4,9 GHz (módulo de banda-base), a placa de alimentação e conexão e o empacotamento mecânico. Os testes de integração envolveram, também, a validação do firmware de controle do módulo. Os testes cumprem também a finalidade de preparação para certificação, pois, apesar de executados em laboratório não credenciado, possibilitam a antecipação de eventuais problemas que um produto EB, com o módulo de RF desenvolvido, possa apresentar quando submetido a testes em laboratório de certificação. Uma vez que a banda-base utilizada na integração está fora do escopo do projeto, as medidas de desempenho foram direcionadas para o módulo de RF, com os seguintes itens básicos de avaliação (PEZZOLO, 2013):

potência máxima de transmissão realizada no transmissor A e no transmissor B para modulação 64QAM, no canal inferior, canal central e canal superior;

tolerância de frequência de transmissão realizada no canal inferior, canal central e canal superior;

espúrios de transmissão realizados na faixa de 30 MHz a 15.000 MHz;

máscara espectral de transmissão realizada para as modulações de 16QAM e 64QAM nos transmissores A e B, no canal inferior, canal central e canal superior;

sensibilidade de recepção nas modulações QPSK, 16QAM e 64QAM.

O firmware do módulo de RF desenvolvido permite dois modos de operação:

o modo de teste (manufatura), empregado em testes unitários, de validação e calibração do hardware; e

o modo de regime, para operação em regime do módulo.

As imagens a seguir, apresentadas na Figura 9 e na Figura 10, são exemplos de resultados de testes de avaliação do módulo de RF integrado, com operação em modo de teste. A Figura 9 mostra o espectro radiado confrontado com os limites de emissão (máscara) especificados pelo Anexo à Resolução 492 (ANATEL, 2008a), e a Figura 10 exibe o EVM (Error Vector Magnitude)



(-29 dB), ambos obtidos para a modulação de mais alto nível (64QAM) e em máxima potência. A Tabela 2 apresenta os valores de potência máxima de transmissão, compatíveis com as especificações de EVM, e a Tabela 3 exibe os valores de sensibilidade na recepção associados às diferentes modulações e para uma taxa de erro de bits (BER) de 10-6. São apresentados também os valores de referência constantes da especificação do sistema WiMAX IEEE 802.16e (IEEE, 2008).

Figura 9 Máscara espectral (64QAM) obtida para a cadeia de transmissão A e no canal inferior

Figura 10 Potência máxima e EVM (-29 dB) medidos na cadeia de transmissão A e no canal

inferior

Tabela 2 Potência máxima de transmissão (dBm) vs Frequência (MHz)

Cadeia de transmissão

4945 4965 4985

A 29,5 29,5 28,8

B 30,5 29,2 25,5

Tabela 3 Sensibilidade de recepção

Modulação / Codificação

Sensibilidade medida

(dBm +/-3 dB) Sensibilidade norma WiMAX

QPSK 1/2 -83 -82

QPSK 3/4 -81 -79

16QAM 1/2 -72 -75

16QAM 3/4 -68 -72

64QAM 3/4 -61 -66

No que se refere à avaliação dos parâmetros de transmissão, os resultados obtidos para o módulo de RF desenvolvido evidenciam a conformidade com os critérios e valores adotados como referência e a possibilidade de sua integração em um equipamento Categoria II (potência de transmissão máxima de 30 dBm), segundo critério estabelecido no Anexo à Resolução 494 da Anatel. Para o EVM, os valores obtidos estão em conformidade com os especificados para o sistema WiMAX, que, para a modulação 64QAM, integram a faixa de -26 dB a -30 dB. Quanto às avaliações dos parâmetros de desempenho do módulo na recepção, é importante ressaltar a dependência dos resultados relativos à sensibilidade na integração com a banda-base, o que pode em certa medida explicar a discrepância verificada para as modulações de mais alto nível. Esses resultados são apresentados na Tabela 3. Os valores medidos para o ruído introduzido pelo módulo de RF estão, de fato, em conformidade com o recomendado para o sistema WiMAX (WIMAX FORUM, 2007b). Conforme Tabela 1, o valor especificado é de 13 dB, incluindo figura de ruído do amplificador e demais perdas, enquanto os valores de 13,7 dB, 12,8 dB e 14,0 dB foram medidos, respectivamente, no extremo inferior, superior e centro da faixa. Melhores resultados podem ser alcançados principalmente com a redução de perdas provenientes do modo de manufatura da placa do módulo. Quanto à integração do módulo de RF na RRH, os testes foram executados em duas fases, limitadas pela indisponibilidade de uma unidade segmentada de EB que incorporasse a banda-base WiMAX e o módulo master da interface CPRI. Essas duas fases incluíram primeiramente a validação da transmissão bidirecional de sinal de referência através da interface óptica e, posteriormente, o estabelecimento da conexão com o módulo de RF (RIBEIRO; PEZZOLO, 2013). A Figura 11 exemplifica a integridade da transmissão de sinal I/Q, padrão 16QAM,



gerado a partir do módulo master, extraído na entrada do módulo de RF da RRH para ser demodulado posteriormente.

Figura 11 Demodulação (constelação) do sinal 16QAM I/Q obtida na interface do módulo digital

com o módulo de RF

4 Desenvolvimento de módulo de RF para terminal WiMAX

A concepção do módulo de RF WiMAX Cliente em faixa destinada à segurança pública baseou-se no desenvolvimento de uma configuração de protótipo de terminal com possibilidade de instalação em veículo motorizado (HEINRICH, 2013). Nesse tipo de instalação, os terminais contam com o sistema de energia do veículo para sua alimentação e com antenas mais eficientes instaladas externamente. O acesso ao sistema e aos serviços é controlado diretamente pelo terminal veicular, através de um notebook ou terminal de despacho específico, enquanto o acesso pessoal externo ao veículo, embora não implementado, pode ser estabelecido em outra faixa de frequência, por meio de um dispositivo portátil comercialmente disponível, utilizando, por exemplo, tecnologias de acesso Wi-Fi. Como foi verificada a indisponibilidade de chipset WiMAX para a faixa de 4,9 GHz, adotou-se a estratégia de utilização de um módulo de RF anteriormente desenvolvido para a faixa de 3,5 GHz, incorporando a banda-base e o RFIC (Radio Frequency Integrated Circuit) em um único chipset, e sua integração a um conversor de frequência para a obtenção da faixa de frequência de operação especificada.

4.1 Arquitetura e integração funcional

Na Figura 12 é apresentado o diagrama em blocos funcionais do terminal veicular (TVM49), no qual é possível verificar a solução baseada

em WiMAX, operando em 3,5 GHz, integrada a um conversor de frequência bidirecional, que converte o sinal na faixa desejada de 4,9 GHz.

Figura 12 Diagrama funcional do terminal veicular (TVM49)

Conforme Figura 12, o módulo-base (placa-base) oferece a interface lógica entre os dois módulos, denominados TVM (conversor) e TWMx, fornecendo as tensões de alimentação necessárias para as placas que compõem o terminal veicular (módulo de banda-base WiMAX e módulo conversor em 4,9 GHz). O bloco Switch Ethernet provê interfaces Ethernet 10/100BaseT de conexão com o notebook (terminal de despacho) fixado no painel do veículo. O microcontrolador tem como principal função a configuração do Switch Ethernet, quando o módulo-base é alimentado. Para isso, é utilizada uma interface SPI com o microcontrolador operando como mestre e o Switch como escravo. O módulo TWMx realiza a modulação do sinal de banda-base para o sinal de radiofrequência na faixa de frequência de 3,5 GHz e, no caminho inverso, a demodulação do sinal de RF em 3,5 GHz para o sinal de banda-base. O módulo TWMx é baseado em um SoC (System on Chip), o qual integra as camadas física, de acesso ao meio (MAC) e de interface de rede (camada 2), em conformidade com o padrão IEEE 802.16e, com a interface RF. O módulo conversor é responsável pela translação do sinal em RF, da faixa de frequência de 4,9 GHz, proveniente de uma EB, para a faixa de frequência de 3,5 GHz, em níveis adequados para o módulo TWMx e vice-versa. O elemento fundamental dessa conversão é o chipset, que contém dois misturadores balanceados para conversões dos sinais de transmissão e recepção. Foram empregados misturadores do tipo Gilbert Cells, que utilizam entrada e saída diferenciais. Esse circuito integrado contém um oscilador controlado por tensão (Voltage Controlled Oscillator – VCO), que opera como Oscilador Local (OL) nos pares de misturadores utilizados



para a conversão de frequência. A frequência de referência externa (Frequency of the OSCillator – FOSC), utilizada para controle do PLL, é proveniente do módulo TWMx. Esse componente basicamente define a frequência de operação do terminal, cujo valor pode ser obtido através da equação:

24( ) /( 2 ) ,step reff f P R LoDiv

(1)

onde fstep é o passo de frequência em Hz, fref é o valor da frequência de referência, R é a taxa de divisão da frequência de referência, P é o valor de divisão do Prescaler e LoDiv é o valor da divisão do oscilador local. O estágio de potência do terminal é composto basicamente pelo amplificador de potência (PA) do módulo conversor. Esse estágio, que apresenta uma rede de casamento interno e controle de polarização dos estágios de amplificação, é fabricado com o emprego da tecnologia InGaP (Indium Gallium Phosphide, ou fosfeto de índio e gálio). As principais características técnicas do módulo conversor são apresentadas na Tabela 4.

Tabela 4 Características funcionais do módulo de conversão

Item Especificação

Função principal Conversão de frequência de 3,5 GHz em 4,9 GHz e vice-

versa

Modulações Downlink: QPSK, 16QAM e

64QAM

Uplink: QPSK e 16QAM

Suporte a MIMO 2x2 e diversidade de transmissão

Downlink

Banda de frequência 4,94 a 4,99 GHz

Larguras de canal (BW) 3, 5; 5; 7 e 10 MHz

Passo de ajuste de frequência

1,5 kHz

Método de duplexação TDD

Tempo de quadro 5 ms

Tempo de guarda mínimo para transmissão (TTG)

50 us

Tempo de guarda mínimo para recepção (RTG)

50 us

Potência máxima de transmissão

23 dBm

Figura de ruído máxima 6 dB

Ganho de recepção 0 dB

Ganho de transmissão 35 dB

Nível de potência máxima de entrada

14 dBm

Nível de potência máxima sem dano na recepção

-17 dBm

A montagem do protótipo integrado do terminal veicular é apresentada na Figura 13 e o empacotamento mecânico na Figura 14, na qual

pode ser vista a proteção (radome) da antena comercial utilizada. A antena apresenta dupla polarização, com 4 dBi de ganho. Uma das polarizações é utilizada para transmissão e recepção e a outra apenas para recepção. O terminal disponibiliza conectores para uma instalação alternativa de dois monopolos de maior ganho. A Figura 15 reproduz os diagramas de radiação desse tipo de antena (8 dBi) nos planos de elevação e azimute, sem considerar os efeitos da instalação e capota do veículo.

Figura 13 Montagem das placas do protótipo do terminal veicular (TVM49)

Figura 14 Empacotamento mecânico e montagem de antenas no protótipo do terminal veicular

(TVM49)

A escolha das características das antenas baseou-se em análises de diferentes configurações para as antenas do terminal, que apontaram a configuração de dipolos cruzados (+/-45º) como a melhor solução entre as consideradas para o ambiente de maior interesse, caracterizado como urbano, denso e rico em multipercursos (BURIS, 2012a). Porém, a solução de diversidade espacial, proporcionada pela utilização de monopolos convenientemente espaçados, também foi considerada uma boa alternativa em virtude de sua simplicidade de instalação, principalmente, sobre estruturas veiculares, nas quais, além do



desempenho, são considerados outros fatores, como rigidez, resistência a vibrações e baixo arrasto aerodinâmico.

Figura 15 Diagramas de radiação da antena do

protótipo do terminal veicular (TVM49)

4.2 Testes de desempenho e de integração

Foram realizados testes para a verificação do funcionamento do módulo de conversão de RF integrado com o módulo WiMAX Cliente em 3,5 GHz, através do módulo-base, com todos os módulos incorporados no empacotamento mecânico que compõe a solução de terminal 4,9 GHz. A integração incluiu, também, a validação dos firmwares de controle da placa que compõe o módulo de conversão e da placa do módulo-base (SANTOS, 2013). Semelhantemente aos testes do módulo de RF desenvolvido para a EB, foram realizados testes complementares, em caráter de pré-certificação, uma vez que foram executados em laboratório não credenciado, mas visam antecipar eventuais problemas que um produto, fabricado com os módulos desenvolvidos, possa vir a apresentar quando submetido a testes em laboratórios de certificação exigidos pela Anatel. A obtenção das medidas de desempenho restringiu-se ao módulo de RF, que incorpora o módulo de conversão, com a avaliação dos seguintes parâmetros:

potência máxima de transmissão para modulação 16QAM, no canal inferior, canal central e canal superior;

tolerância de frequência de transmissão realizada no canal inferior, canal central e canal superior;

sensibilidade de recepção nas modulações QPSK e 64QAM.

A Figura 16 caracteriza o desempenho da solução na transmissão, em curvas de EVM, obtidas na saída do conversor, com sinal padrão WiMAX (16QAM) proveniente de um gerador conectado diretamente ao módulo conversor (TVM).

Figura 16 Curvas de EVM obtidas na saída do módulo conversor

As diferenças de valores de EVM decorrem principalmente do reduzido ruído de fase associado ao sinal do gerador, em comparação ao ruído do sinal fornecido pelo módulo TWMx. No entanto, os resultados apresentados evidenciam a adequação da solução aos critérios de desempenho do sistema WiMAX, que estabelecem os valores de EVM que variam de -20,5 dB a -24 dB (WIMAX FORUM, 2007b). Na Figura 17, são mostradas as curvas de linearidade do PA, obtidas para um sinal WiMAX de 16QAM, que atestam a adequação da implementação do conversor.

Figura 17 Linearidade do amplificador de potência do módulo conversor



A Figura 18 apresenta a conformidade com a máscara espectral especificada no Anexo à Resolução 492 (ANATEL, 2008a), e a Tabela 5 sumariza os principais resultados obtidos nos testes de integração e apresenta também os valores de referência.

Figura 18 Máscara espectral (16QAM) no canal central

Tabela 5 Características funcionais do módulo de conversão

Parâmetro Valor medido Especificação

Potência máxima de transmissão e

EVM

23 dBm com EVM -20 dB

-20,5 dB @16QAM (Especificação

WiMAX)

Limiar de recepção QPSK

1/2

-78 dBm (+/-3 dB)

-82 dBm (Especificação

WiMAX)

Limiar de recepção

64QAM 3/4

-67 dBm (+/-3dB)

-66 dBm (Especificação

WiMAX)

5 Desenvolvimento de antenas para estação-base

Sob a ótica sistêmica, foram empregados dois dos principais parâmetros do projeto das antenas da estação-base: o ganho e a largura de feixe do diagrama de radiação azimutal. O ganho, para operação no modo de transmissão, é limitado pelos aspectos de regulamentação do uso do espectro, conforme Seção 2.1, enquanto a escolha da largura de feixe azimutal deve basear-se no impacto na largura de feixe do diagrama em elevação, assim como na possibilidade de reuso de frequência entre células e nas interferências intrassistema (BURIS, 2012b). Para auxiliar na escolha da largura de feixe do diagrama azimutal, foram realizadas avaliações baseadas principalmente na deterioração

sofrida pelo parâmetro SINR (Signal to Interference plus Noise Ratio), causada pelas interferências sobre o terminal, provenientes de estações-base vizinhas que operam na mesma frequência. Foram obtidas estatísticas expressas através de funções densidade cumulativa de probabilidade (Cumulative Density Function – CDF), com base na variação da posição do terminal em todo o setor. De acordo com os resultados das análises, considerando antenas com coberturas setoriais de 90º e 120º, inseridas em esquemas de reuso de frequência 142 e 144, para o primeiro caso, e 133, para o segundo (BW = 10 MHz em ambos os casos), foram propostas as seguintes recomendações para o projeto dos radiadores da estação-base (BURIS, 2012c):

largura de feixe de -3 dB na faixa de 60º e 80º, com esquema de reuso de frequência 142;

valor de referência de 28 dB para a relação frente-costas (Front-to-Back Ratio – FTBR).

Essas recomendações foram elaboradas segundo os limites máximos de radiação através dos lóbulos secundários condizentes com as normas para certificação de produtos da Anatel. As recomendações anteriores aplicam-se a um cenário com antenas setoriais de feixe estático. Em cenários com antenas de feixe comutado, supostamente sem limitações de ganho decorrentes de regulamentação, ou seja, com a operação da antena preferencialmente no modo de recepção, os estudos realizados, com a possibilidade de seleção de feixe dentro de um setor de 90º, indicaram como adequada a utilização de uma largura de feixe em azimute de 20º (BURIS, 2012c). Nas próximas seções, são apresentadas duas antenas setoriais para estações-base desenvolvidas no escopo do Projeto RFSEGPUB. Essas antenas operam na faixa de 4,9 GHz, uma com feixe estático e outra com feixe comutado.

5.1 Antena setorial de feixe estático

Tendo em vista as recomendações provenientes das análises de desempenho sistêmico elaboradas para o Projeto RFSEGPUB (BURIS, 2013) e segundo a percepção de mercado apresentada pela empresa interveniente (Telecomunicações do Brasil Ltda. – TSM), foram definidas as especificações da antena setorial de feixe estático (um dos resultados do projeto). Essas especificações são sumarizadas na Tabela 6. A antena em questão deve



apresentar dupla polarização +/-45º, como suporte à tecnologia MIMO 2x2, com largura de feixe (-3 dB) em azimute de 90º. Além disso, seus diagramas de radiação, nos planos de azimute e de elevação, devem atender às máscaras que constam no Anexo à Resolução 372 da Anatel (2004), para aplicação em serviço móvel. Cabe mencionar que essa resolução estava vigente na ocasião em que os testes do protótipo da antena foram realizados e que se aplicava à certificação e à homologação de antenas setoriais. A próxima seção descreve a solução adotada no projeto para sintetizar a antena com esses requisitos de desempenho.

Tabela 6 Especificações da antena de feixe estático

Parâmetro Especificação

Faixa de operação 4940 – 4990 MHz

VSWR < 1,5

Isolação > 25 dB

Polarização +/-45º

Ganho 14 dBi ± 1 dB

Largura de feixe em azimute 90º ± 9º

Máscaras dos diagramas Res. n° 372 / Serviço Móvel

5.1.1 Arquitetura e implementação

Com o objetivo de conceber uma solução que fosse economicamente viável e seguisse um processo produtivo simples, optou-se pela tecnologia de microfita na realização da antena setorial de feixe estático do Projeto RFSEGPUB. Especificamente, adotou-se a topologia de antena de microfita com patch parasita suspenso, para garantir um VSWR (Voltage Standing Wave Ratio) menor do que 1,5 em toda a faixa de 4940 a 4990 MHz. Adicionalmente, para introduzir as polarizações +45º e -45º, a entrada para alimentação do patch ativo da antena de microfita foi instalada em um de seus cantos e, com o propósito de garantir que a isolação entre as portas fosse superior a 25 dB e que o ganho de cada polarização fosse de 14 dBi, projetou-se uma rede linear e uniforme, com quatro elementos, como a ilustrada na Figura 19. Duas redes como essa foram dispostas de forma simétrica no refletor da antena, com um espaçamento que satisfizesse o requisito de isolação entre as portas. Na Figura 20, apresenta-se a geometria das duas redes lineares, já com os divisores de potência de alimentação incorporados. Para auxiliar tanto o projeto da antena de microfita com patch parasita suspenso como o da rede de antenas, empregou-se a ferramenta de análise de onda completa CST® (CST, 2012).

Na síntese dos divisores de potência de alimentação, utilizou-se o pacote para análise de circuitos em RF ADS® (AGILENT, 2013). Além disso, para obter a largura de feixe em azimute de 90º, para cada polarização, foram acionados dois parâmetros do radiador: a largura do refletor e a altura da radome. Optou-se por perfil da radome que minimizasse as oscilações que aparecem no lóbulo principal. A Figura 21 ilustra a antena projetada, incluindo sua radome.

Figura 19 Rede linear e uniforme, com quatro elementos

Figura 20 Duas redes – polarizações +45º e -45º



(a) Frente

(b) Traseira

Figura 21 Antena projetada, incluindo a radome

5.1.2 Validação e testes

Um protótipo da antena setorial de feixe estático, conforme Figura 22, foi testado em uma câmara anecoica do CPqD, em que foram medidos os diagramas de radiação em azimute e elevação, bem como a perda de retorno e a isolação entre as portas. Na Figura 23, registram-se as curvas da perda de retorno da polarização +45º e da isolação entre as portas. A perda de retorno é superior a 14 dB em toda a faixa (o que equivale a um VSWR < 1,5), e a isolação é maior do que 25 dB. Particularmente, nota-se que os valores medidos são superiores (> 5 dB) aos limiares especificados, o que indica que a solução concebida pode acomodar desvios inerentes ao processo produtivo. Na Figura 24, visualiza-se o diagrama de radiação da polarização +45º (polarizações principal, CoPol, e cruzada, XPol), no plano de azimute medido em 4965 GHz. Na Figura 25, mostra-se

o diagrama dessa mesma polarização no plano de elevação. Com base nesses diagramas, observa-se que a relação frente-costas em 4965 GHz é maior do que 30 dB, valor consoante à recomendação incluída na análise de desempenho sistêmico.

Figura 22 Protótipo da antena setorial de feixe estático

4,94 4,95 4,96 4,97 4,98 4,9940

35

30

25

20

15

10

dB

Frequência (GHz)

Perda de retorno Isolaçao

Figura 23 Medidas de perda de retorno e isolação

-30

-20

-10

00°

30°

60°

90°

120°

150°

180°

210°

240°

270°

300°

330°

-30

-20

-10

0

CoPol XPol

Dia

gram

a de

rad

iaçã

o no

rmal

izad

o (d

B)

Figura 24 Diagrama de radiação no plano azimutal



-30

-20

-10

00°

30°

60°

90°

120°

150°

180°

210°

240°

270°

300°

330°

-30

-20

-10

0

Dia

gram

a de

rad

iaçã

o no

rmal

izad

o (d

B)

CoPol XPol

Figura 25 Diagrama de radiação no plano de elevação

5.2 Antena setorial de feixe comutado

Outro resultado alcançado no Projeto RFSEGPUB foi o desenvolvimento de uma antena setorial de feixe comutado. Esse tipo de antena foi escolhido uma vez que as regiões de cobertura dos sistemas de comunicação sem fio aplicados à segurança pública podem ser alteradas com frequência, conforme as necessidades e ocorrências correlatas a esse tipo de serviço. As especificações dessa antena também foram definidas com base nos resultados das análises de desempenho sistêmico e na visão de mercado compartilhada pela empresa interveniente do projeto, a TSM. A Tabela 7 apresenta essas especificações. A antena opera no modo de recepção, por isso não houve necessidade de adequar seus diagramas de radiação às máscaras da norma de certificação e homologação de antenas da Anatel.

Tabela 7 Especificações da antena de feixe comutado

Parâmetro Especificação

Faixa de operação 4940 – 4990 MHz

VSWR < 1,5

Modo de operação Recepção

Polarização Linear vertical

Abertura do setor 90º

Ganho nominal (broadside) 20 dBi

Variação angular do ganho > -3 dB

Número de feixes em azimute

> 7

Polarização cruzada nos planos principais

< -25 dB

Rejeição de lóbulos secundários

> 10 dB

Interface de controle RS-232

Na literatura, podem ser encontradas descrições de algumas topologias de circuito de alimentação para comutação do diagrama de radiação de antenas. Uma solução bastante conhecida é a matriz de Butler (HANSEN, 2009). Contudo, o número de posições que o lóbulo principal pode assumir com essa solução é limitado, em geral, a quatro ou oito posições, com o emprego de tecnologia de microfita, em virtude da complexidade apresentada pela matriz. Além disso, em sua concepção original, a matriz de Butler não proporciona o controle do nível dos lóbulos secundários do diagrama de radiação, o que pode ser um fator crítico em certos cenários de aplicação. Por isso, no Projeto RFSEGPUB, em lugar da matriz de Butler, optou-se pelo emprego de um circuito de alimentação ativo composto por phase shifters e amplificadores de ganho variável – VGAs (FERREIRA; PAULA, 2011). Uma das vantagens desse circuito é a acessibilidade no nível dos lóbulos secundários, que é um dos requisitos da antena setorial de feixe comutado (Tabela 7). Adicionalmente, ele não restringe o número de direções de apontamento do lóbulo principal do diagrama de radiação. Na próxima seção, são apresentados o circuito e a estrutura radiante da antena setorial de feixe comutado desenvolvida.

5.2.1 Arquitetura e implementação

A Figura 26 ilustra a topologia do circuito de alimentação proposto para a antena de feixe comutado do Projeto RFSEGPUB. O circuito é composto por N ramos, que incluem, em cascata, um amplificador de baixo ruído (LNA), um phase shifter e um amplificador de ganho variável (VGA). Junto aos conectores para ligação com a antena, foram instalados amplificadores de baixo ruído com a finalidade de minimizar a figura de ruído do circuito de alimentação e, dessa forma, não comprometer a figura de ruído do sistema receptor. Além disso, na saída de cada um desses conectores, colocou-se um indutor ligado ao fio terra, cujo papel é evitar que descargas eletrostáticas (Electrostatic Discharge – ESD) danifiquem os componentes do circuito de alimentação. Na saída dos amplificares de baixo ruído, foram conectados os phase shifters e, na saída dos phase shifters, foram acoplados os amplificadores de ganho variável. Cabe mencionar que na saída de cada um desses componentes são instalados capacitores de desacoplamento DC (não representados na figura). Os sinais amplificados pelos VGAs são inseridos num combiner N:1, cujo sinal de saída é enviado ao receptor do sistema.



Para configurar os phase shifters e os amplificadores de ganho variável do circuito, utiliza-se um microcontrolador que recebe comandos do receptor do sistema através de uma interface RS-232.

CombinerN :1

G1

1

GN

N...

1 N

LNA LNA

Figura 26 Topologia do circuito de alimentação

Uma vez definida a topologia do circuito de alimentação, iniciou-se o projeto da estrutura radiante. Como a antena setorial de feixe estático emprega tecnologia de microfita, que a torna uma solução economicamente viável e de processo produtivo simples, adotou-se essa mesma topologia para a estrutura radiante da antena de feixe comutado. Em conformidade com os requisitos da Tabela 7, projetou-se a estrutura radiante, conforme Figura 27, que não inclui a radome, nem o substrato dielétrico dos patches parasitas, para facilitar a visualização. Nessa fase, também foram utilizados a ferramenta para análise de onda completa CST® e o software para análise de circuitos em RF ADS®. Ainda na Figura 27, nota-se que a estrutura radiante apresenta cinco arranjos lineares de antenas, cada um com quatro elementos. Esses elementos são dispostos e alimentados de forma simétrica em relação ao centro geométrico do arranjo para minimizar o nível de polarização cruzada no plano de azimute (MARZALL; SCHILDBERG; LACAVA, 2009). Os conectores dos cinco arranjos são ligados ao circuito de alimentação, definindo o número N de ramos como cinco.

Figura 27 Estrutura radiante da antena de feixe comutado (sem radome)

5.2.2 Validação e testes

O protótipo da antena de feixe comutado, desenvolvido no Projeto RFSEGPUB, é ilustrado na Figura 28. A Figura 29 mostra o circuito de alimentação fabricado.

Figura 28 Protótipo da antena de feixe comutado

Figura 29 Circuito de alimentação fabricado



A antena em questão foi testada na câmara anecoica do CPqD. Na Figura 30 e na Figura 31, são representados dois dos diagramas de radiação medidos na frequência central da faixa de operação, i.e., 4,965 GHz. Esses diagramas foram medidos no plano de azimute e correspondem à polarização principal, uma vez que os níveis assumidos pela polarização cruzada são inferiores a -30 dB e, por isso, não foram registrados. Verifica-se que a rejeição de lóbulos secundários é superior a 10 dB nos diagramas ilustrados, assim como a relação frente-costas é maior do que 30 dB. Além disso, a largura de feixe (-3 dB) é próxima a 20º, segundo a recomendação da análise de desempenho sistêmico. Essas figuras também incluem os diagramas de radiação estimados na ferramenta CST® durante a fase de desenvolvimento. Como pode ser verificado, há uma excelente correspondência entre os diagramas medidos e os teóricos, validando a estratégia de projeto adotada.

-30

-20

-10

00°

30°

60°

90°

120°

150°

180°

210°

240°

270°

300°

330°

-30

-20

-10

0

Dia

gram

a de

rad

iaçã

o no

rmal

izad

o (d

B)

CST®

Medido

Figura 30 Diagrama de radiação broadside

-30

-20

-10

00°

30°

60°

90°

120°

150°

180°

210°

240°

270°

300°

330°

-30

-20

-10

0

Dia

gram

a de

rad

iaçã

o no

rmal

izad

o (d

B)

CST®

Medido

Figura 31 Diagrama de radiação apontamento -30º

6 Teste de integração sistêmica

Os testes de integração sistêmica foram realizados com o objetivo de validar as antenas e os módulos de RF desenvolvidos e integrados nos protótipos da estação-base (EB) e do terminal veicular (TVM49), considerando o ambiente operacional do sistema WiMAX 4,9 GHz (BW=10 MHz). Os testes se concentraram na interface aérea, com a avaliação dos itens funcionais e de desempenho, com o estabelecimento de conexão entre os protótipos da EB e do terminal TVM49, e com a EB em modo de operação standalone. Os testes em ambiente limitado e controlado foram programados e realizados em três etapas:

em laboratório, utilizando conexões de RF com cabos, para a validação de funcionalidades básicas do sistema, assim como para a obtenção de valores de referência para importantes parâmetros de desempenho, tais como níveis de recepção e respectivas modulações, e vazão de transmissão de dados;

em laboratório, radiado, com antena desenvolvida para a EB (setorial, feixe estático);

complementação em campo, com antenas desenvolvidas para a EB, para a avaliação de ganho sistêmico resultante da utilização da antena setorial de feixe comutado.

Nesses cenários de testes, foi possível avaliar também os seguintes parâmetros:

latência na interface aérea;

vazão máxima;

funcionalidades de modulação adaptativa e configuração de quadro TDD.

Os testes são considerados pré-requisito para a realização de futuro teste-piloto da integração com o restante da infraestrutura de rede, na qual a EB realiza a conexão entre as estações terminais veiculares e a rede corporativa, para o provimento de serviços de dados e voz e a viabilização das funções de autenticação, segurança, registro e autorização de acesso aos serviços, de acordo com perfis de usuários.

6.1 Testes em laboratório

A Figura 32 apresenta o diagrama em blocos do setup para realização de teste em laboratório (SOUZA; CACHONI, 2013) e a Figura 33 exibe o setup montado em laboratório. Os blocos de



transmissão e recepção de dados contêm o aplicativo de geração e análise de pacotes (IPERF). A Tabela 8 sumariza os principais resultados obtidos com esse setup.

Figura 32 Diagrama em blocos do setup de laboratório

Figura 33 Terminal TVM49 e EB em teste no laboratório, conectados por cabo de RF

Tabela 8 Resultados dos testes de integração sistêmica

Item Resultado Referência

RTT (Round Trip Time) 58 ms < 100 ms

Modulação adaptativa no downlink (EVM: -29 dB)

QPSK: SINR < 16 dB

16QAM: 16 dB < SINR < 24 dB

64QAM: SINR > 24 dB

-

Item Resultado Referência

Vazão máxima (UDP):

Segmentação de quadro TDD 60% downlink e 40% uplink

Fluxo de serviço Best Effort

Downlink: 18 Mbps (SINR =

29 dB, EVM=-29dB e PER < 2%)

Uplink: 7,5 Mbps (SINR = 29 dB, EVM=-29dB e PER < 2%)

Taxa máxima bruta teórica em 64QAM (tráfego de usuário):

18,7 Mbps (downlink)

8,4 Mbps (uplink)

Variação máxima da frequência de transmissão (4965 MHz)

1,9 ppm

20 ppm (Anatel)

2 ppm (Especificação

WiMAX)

Esses resultados foram reproduzidos em modo radiado, utilizando a antena desenvolvida para a EB, descrita na Seção 5.1, e em modo de transmissão de diversidade no downlink. No terminal, foram utilizados os monopolos montados conforme Figura 14. A Figura 34 ilustra o setup utilizando essa montagem. A capacidade de transmissão e a latência na interface aérea se mostraram compatíveis com os requisitos de suporte à transmissão de imagens e serviços de voz (latência inferior a 100 ms).

Figura 34 Teste radiado em laboratório utilizando antena de feixe estático na EB e antenas omni no

terminal



6.2 Teste da antena de feixe comutado em campo

A fim de validar o ganho sistêmico da utilização da antena setorial de feixe comutado, descrita na Seção 5.2, foi montado um experimento em campo (SOUZA; HEINRICH, 2013) através do qual foi possível a comparação entre a taxa de transmissão de dados medida no uplink, quando da utilização da antena de feixe estático instalada na EB para transmissão e recepção, e a taxa obtida com a utilização da antena de feixe comutado utilizada na recepção. A Figura 35 mostra a montagem das duas antenas na torre da Fundação CPqD, ambas com cobertura do mesmo setor. O protótipo da antena de feixe comutado foi instalado logo abaixo da antena de feixe estático, de tal forma que a antena em teste (feixe comutado) pudesse ser utilizada apenas na recepção de uma das cadeias de RF da EB, enquanto a antena de feixe estático foi mantida conectada na transmissão das duas cadeias. Assim, o experimento foi conduzido em modo de transmissão SISO no uplink.

Figura 35 Antena de feixe estático na posição superior e de feixe comutado na inferior, instalada

na torre da Fundação CPqD

A posição do veículo foi definida para se obter uma condição de visada com a torre, conforme Figura 36. Com o terminal instalado nessa posição, a aproximadamente 1.800 m da torre, utilizando-se a antena de feixe estático na recepção, mantendo-se a potência de transmissão do terminal fixa, obtiveram-se os resultados apresentados na Tabela 9. Na Tabela 9, o valor de RSSI calculado foi obtido através de predição, com o emprego do modelo Longley-Rice, que, para a região no entorno da torre, apresentou erro médio de 0,12 dB.

Tabela 9 Parâmetros do enlace

Parâmetro Valor

RSSI calculado -69,4 dBm

RSSI medido -69,1 dBm

SINR medido 16,4 dB

Taxa média medida no uplink

2,0 Mbps

Latência medida no uplink

29 ms

Figura 36 Visada da torre da Fundação CPqD na posição de estacionamento do veículo

Com a substituição da antena de feixe estático pela antena de feixe comutado, selecionando-se os feixes, obtiveram-se os valores de taxa média no uplink apresentados na Tabela 10. O azimute relativo corresponde ao desvio do apontamento do feixe selecionado em relação ao azimute da posição do veículo.

Tabela 10 Taxa média no uplink

Azimute relativoTaxa média

(Mbps)

0º 3,79

30º 0,35

45º 0,06

A comparação dos resultados apresentados na Tabela 9 e os apresentados na Tabela 10 evidencia um ganho de 89% na capacidade de transmissão do uplink com a utilização da antena de feixe comutado.

7 Conclusão

O Projeto RFSEGPUB (Antenas Adaptativas e Módulos de Radiofrequência para Redes Sem Fio Banda Larga Aplicadas à Segurança Pública) foi executado com recursos do FUNTTEL, com a gestão da FINEP. Os fatores motivadores do projeto foram a demanda potencial por serviços de dados e voz



através de redes sem fio banda larga e a modernização de infraestrutura no setor de segurança pública no Brasil, impulsionada pela regulamentação da Anatel relativa ao uso da faixa de frequência de 4,9 GHz para essa finalidade. No escopo do projeto, foram desenvolvidos módulos de alta frequência e antenas para um sistema WiMAX (802.16e-2008), com capacidade, segurança e qualidade de serviço na interface aérea compatíveis com os requisitos das potenciais aplicações. Os módulos de radiofrequência desenvolvidos foram integrados aos protótipos dos elementos da rede de acesso, projetados e fabricados para instalação ao relento, a estação-base em mastro e o terminal em veículos motorizados. As antenas para radiobase foram desenvolvidas para gerar diagramas de radiação dos tipos estático e dinâmico, com características de radiação aplicáveis aos sistemas celulares. Os protótipos foram validados por meio de testes sistêmicos, com base em aspectos funcionais, de desempenho e certificação. Os testes foram realizados em laboratório e, de forma limitada, em campo, na Fundação CPqD. Os resultados do projeto materializados em protótipos, incluindo os módulos de RF e as antenas, foram transferidos para a empresa interveniente, parceira no projeto.

Agradecimentos

Os autores agradecem os recursos destinados a este trabalho, desenvolvido no âmbito do Projeto RFSEGPUB, por meio do FUNTTEL (Fundo para o Desenvolvimento Tecnológico das Telecomunicações), do Ministério das Comunicações, no âmbito do convênio 01.09.0634.00 com a FINEP (Financiadora de Estudos e Projetos). Agradecem também à TSM Telecomunicações do Brasil Ltda., que participou como interveniente no projeto e se empenhou na manufatura dos protótipos das antenas desenvolvidas.

Referências

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Onésimo Ferreira, João Paulo C. L. Miranda*

Este artigo apresenta os resultados das simulações de uma rede de acesso banda larga satélite-terrestre. Será apresentada uma avaliação da tecnologia de multiplexação por divisão de frequências ortogonais como uma interface rádio por satélite. O objetivo da utilização dessa interface rádio nos sistemas satelitais é obter maior margem de enlace e maior eficiência espectral. Na análise feita, foram considerados os seguintes cenários: canal com ruído gaussiano branco aditivo, canal não linear, impacto do backoff (recuo da saturação) e erro de frequência da portadora.

Palavras-chave: LTE 450 MHz. OFDM. Satélite geoestacionário. Enlace de descida. Desempenho.

Abstract

This article presents the results of a land satellite broadband access network simulation. An evaluation of orthogonal frequency division multiplexing technology as a radio interface by satellite will be presented. The purpose of using this radio interface in satellite systems is to obtain a larger connection margin and greater spectrum efficiency. The analysis considers the following scenarios: channel with additive white Gaussian noise, non-linear channel, back-off impact (drop in saturation) and carrier frequency error.

Key words: LTE 450 MHz. OFDM. Geostationary satellite. Downlink. Performance.


1 Introdução

Este artigo apresenta um estudo de viabilidade que avalia o uso de uma interface rádio por satélite que, por sua vez, emprega multiplexação por divisão de frequências ortogonais (Orthogonal Frequency Division Multiplexing – OFDM) num enlace de descida (downlink), com resultados das simulações realizadas na camada física. A adoção da interface rádio OFDM resulta em uma maior margem de enlace em condições de propagação fundamentais, como é o caso de propagação sem linha de visada (No Line Of Sight – NLOS), e quando é considerado componente complementar terrestre (Complementary Ground Component – CGC). O artigo de Cioni e autores (2006) considera a aplicação de técnicas OFDM na camada física de um sistema satélite dedicado à prestação de serviços de radiodifusão multimídia digital (Digital Multimedia Broadcasting – DMB), que são o foco de extensos esforços de pesquisa e desenvolvimento. Em particular, o trabalho demonstra que a alta eficiência espectral do OFDM pode ser mantida mesmo em canais de propagação desfavoráveis, afetados pelas

distorções linear e não linear, introduzidas, respectivamente, pela propagação em multipercursos e pelo amplificador de alta potência. Esse desempenho é alcançado através do projeto e da aplicação de técnicas de pré-distorção e de codificação, conforme descrito no artigo. Com base nos resultados apresentados, o documento analisa também a comparação das técnicas OFDM e High Speed Downlink Packet Access (HSDPA). O HSDPA é a interface de rádio padronizada para redes móveis terrestres 3G. Vários sistemas DMB estão sendo desenvolvidos em todo o mundo. O projeto integrado Maestro (CHUBERRE et al., 2004) se concentrou em uma arquitetura baseada em um sistema de transmissão via satélite para interagir com sistemas 3G e 4G e proporcionar serviços de transmissão multimídia digital via satélite (S-DMB) para terminais portáteis e palmtop. A arquitetura híbrida resultante permitiu obter a máxima eficiência tecnológica para o sistema terrestre e para o sistema de transmissão via satélite. A fim de melhorar a cobertura oferecida pelo sistema satélite em ambientes urbanos e suburbanos, Cione e autores (2006) recomendam a utilização de



repetidores terrestres, também conhecidos como repetidores de módulo intermediário (Intermediate Module Repeaters – IMR). Trata-se de repetidores transparentes, simples e de baixo custo, situados sobre os telhados ou colocalizados em estações-base, que cobrem áreas construídas de forma muito eficaz, em detrimento da introdução de um maior espalhamento de retardo. Embora a aplicação inicial do conceito Maestro S-DMB tenha se baseado na utilização do padrão W-CDMA (Wideband Code Division Multiple Access) (HOLMA & TOSKALA, 2004), os autores do presente trabalho, bem como Cioni e colaboradores (2006), trabalharam na análise de uma interface aérea altamente eficiente, que adota a tecnologia OFDM. Notavelmente, OFDM tem sido o foco de interesse também no 3GPP (3GPP, 2004). O OFDM é conhecido por ter maior eficiência espectral em comparação ao WCDMA; no entanto, o OFDM é também caracterizado por uma relação de potência pico-média (PAPR) bastante elevada, que o torna particularmente sensível à distorção não linear introduzida pelo amplificador de alta potência (HPA). Existe, portanto, uma necessidade de provar que OFDM é uma solução adequada para a interface aérea de um sistema satelital. Neste artigo, são empregadas as seguintes definições:

downlink: enlace rádio unidirecional para a transmissão de sinais de um satélite para um equipamento do usuário ou terminal (User Equipment – UE).

uplink: enlace rádio unidirecional para a transmissão de sinais a partir de um UE para um satélite.

forward link – download – outbound: enlace rádio unidirecional para a transmissão de sinais a partir de um GateWay (GW) para um UE via satélite.

return link – upload – inbound (enlace de retorno): enlace rádio unidirecional para a transmissão de sinais de um UE para um gateway através de um satélite.

repetidor: dispositivo, e.g. CGC, que recebe, amplifica e transmite a portadora de radiofrequência (Radio Frequency – RF) irradiada ou conduzida tanto na direção downlink (do satélite para a área do terminal) como na direção uplink (do terminal para o satélite).

célula: área geográfica dentro da cobertura do CGC.

spot: área geográfica que está dentro da cobertura do feixe satelital.

rice factor: a relação de potência entre o componente de linha de visada (Line Of Sight – LOS) e o componente de difusão.

A Seção 2 apresenta as principais características da tecnologia OFDM. Na Seção 3, são discutidos a aplicação do OFDM em sistemas satelitais e os efeitos da não linearidade dos amplificadores. Já na Seção 4, são mostradas as técnicas existentes de compensação das distorções não lineares. Na Seção 5, é feito um detalhamento das técnicas de pré-distorção digital. Na Seção 6, são descritos os cenários de referência para a análise da interface rádio OFDM em sistemas digitais via satélite. Para finalizar, na Seção 7, são apresentados os resultados das simulações realizadas, considerando-se canal com ruído gaussiano branco aditivo, canal não linear, impacto do backoff (recuo da saturação) e erro de frequência da portadora, seguidos das conclusões gerais.

2 Tecnologia OFDM para cenário satélite e terrestre

A tecnologia OFDM tem características intrínsecas que são, geralmente, reconhecidas como bem adequadas para o ambiente de rádio móvel terrestre. No caso do sistema de transmissão digital via satélite, essas características são úteis para o canal CGC. Em particular, as seguintes características são dignas de nota (HARA & PRASAD, 2003):

tempo de dispersão: a utilização de várias subportadoras paralelas no OFDM permite que a duração do símbolo seja maior, o que faz com que o sinal seja inerentemente robusto à dispersão no tempo, ou seja, ao desvanecimento seletivo na frequência. Além disso, um período de guarda pode ser adicionado para combater melhor a interferência intersimbólica (Inter Symbol Interference – ISI).

eficiência espectral: a tecnologia OFDM faz uso de portadoras ortogonais entre si, permitindo a separação estreita entre as frequências e, consequentemente, possibilitando alta eficiência espectral.

recepção: mesmo em cenários de dispersão no tempo relativamente grande, a recepção de um sinal OFDM requer apenas a implementação de uma transformada rápida de Fourier (Fast Fourier Transform – FFT) no UE. Não é necessário um esquema intracelular de cancelamento de interferência. Além disso, por causa da inserção de prefixo cíclico, a tecnologia OFDM é



relativamente insensível aos erros de aquisição de temporização. Por outro lado, o OFDM requer correção dos deslocamentos de frequência.

Na Seção 3, são discutidos a aplicação do OFDM em sistemas satelitais e os efeitos da não linearidade dos amplificadores.

3 OFDM e o ambiente satélite: efeitos da não linearidade

Ao projetar sistemas de comunicação sem fio e, em particular, enlaces satélite, existem algumas deficiências ou dificuldades ligadas à presença do canal rádio, que pode ser seletivo na frequência ou no tempo, causando forte distorção linear. Outra fonte de degradação severa é introduzida pelos amplificadores de alta potência (High Power Amplifiers – HPA), que podem causar distorção não linear no sinal transmitido, degradando o desempenho geral do sistema. Isso ocorre quando o HPA é operado próximo da saturação, de forma a explorar toda a potência de saída disponível e aumentar a eficiência de potência. Isso é particularmente verdadeiro para a interface rádio OFDM, que é caracterizada por uma relação potência pico-média (Peak-to-Average Power Ratio – PAPR) bastante elevada (SESIA, TOUFIK & BAKER, 2009). Além desses fatores, o custo do aparato é outra questão fundamental: para explorar adequadamente o caro equipamento, é necessário conduzi-lo até o limite. Esse é, certamente, o caso do satélite com HPA acoplado, mas também se aplica aos terminais terrestres concebidos para o mercado de massa, em que a redução de pequenos custos por dispositivo pode garantir grandes lucros totais. Os modelos de amplificadores de potência comumente utilizados nos satélites são Travelling Wave Tube Amplifier (TWTA) e o TWTA linearizado (linearized TWTA – LTWTA). Uma consequência desses fatos é que, normalmente, o impacto da distorção não linear sobre o sinal transmitido é muito forte, pois atua diretamente sobre o fluxo de pulsos limitados em banda. A degradação inclui distorção na amplitude e na fase, descritas como características AM/AM e características AM/PM, e geração de frequências intermodulares dentro e fora da banda. Esse fenômeno leva a um aumento da interferência de canal adjacente (Adjacent Channel Interference – ACI), decorrente de um alargamento do espectro do sinal transmitido. Em particular, no receptor, cada ponto da constelação do sinal é distorcido, de modo que é gerada a ISI. Esses efeitos podem ser mais ou menos graves para o sistema dependendo das características do HPA considerado e da distância da saturação.

As técnicas capazes de neutralizar a distorção não linear são numerosas e incluem o uso de forte codificação de canal, de técnicas de equalização no receptor e de técnicas de pré-distorção no transmissor. Todas essas abordagens tentam mitigar a perda da relação sinal-ruído (Signal-to-Noise Ratio – SNR) para uma dada taxa de erro de bit (Bit Error Rate – BER) e permitem aumentar a potência de saída do amplificador. Outra solução é, obviamente, o recuo (backoff) de saturação, mas na maioria dos casos não é desejável, pois envolve restrições rigorosas de potência. O projeto de um compensador da não linearidade (Non Linear – NL) deve considerar uma variedade de fatores, tais como: modelos de modulação e codificação, subsistema estimador de canal, requisitos de serviço do sistema, restrições eficientes na conversão corrente direta – radiofrequência (Direct Current-Radio Frequency – DC-RF), complexidade e custo do sistema, potência de saída e especificações de interferência de canais adjacentes. Na Seção 4, são mostradas as técnicas existentes de compensação das distorções não lineares.

4 Técnicas de compensação

Na literatura científica são propostas várias técnicas, como meios de mitigar a distorção não linear (CHANG & POWERS, 2002):

A possibilidade mais simples é o recuo (backoff) da saturação, conduzindo o HPA para uma região mais linear, à custa de uma diminuição da potência de saída de RF disponível, dificultando o dimensionamento de enlace (link budget) e reduzindo a eficiência da conversão DC-RF. Claramente, essa solução não deve ser aplicada para amplificadores on-board, em virtude do rigor necessário na eficiência e dos requisitos no dimensionamento de enlace. Por outro lado, para os amplificadores do gateway terrestre, esta é uma maneira fácil de evitar os efeitos não lineares indesejados.

Outra solução envolve técnicas de mitigação no lado do receptor. Isso pode ser eficientemente alcançado através da utilização de equalizadores, que tentam compensar a ISI e a distorção do ponto da constelação. Elas representam uma boa opção quando há complexidades pontuais e restrições de custo no transmissor e, ainda, quando a complexidade pode ser concentrada no receptor. A principal desvantagem é que



o sinal é processado após a distorção não linear, o que impede a possibilidade de eliminar a interferência de canal adjacente indesejável (BENEDETTO & BIGLIERI, 1983).

A fim de evitar a geração de interferência de canal adjacente, a compensação pode ser introduzida antes do HPA, de modo que sua saída seja uma versão do sinal original amplificada linearmente. Essa abordagem é comumente referenciada como pré-distorção, uma vez que consiste no processamento do sinal a ser transmitido por meio de uma função não linear, para compensar a distorção introduzida pelo HPA (CAVERS, 1990).

Na Seção 5, é feito um detalhamento das técnicas de pré-distorção digital.

5 Técnicas de pré-distorção digital

Técnicas de pré-distorção propostas na literatura podem ser divididas em duas classes principais: pré-distorsores digitais e pré-distorsores analógicos. Essencialmente, o pré-distorsor (analógico) de forma de onda compensa a não linearidade sem memória do HPA e é colocado após o filtro formatador de pulso em banda RF (ou possivelmente em Frequência Intermediária – IF); o pré-distorsor digital é necessário para compensar a não linearidade com memória gerada pela cascata do filtro linear formatador de pulso, que introduz a memória e o HPA, e pode ser concebido como uma não linearidade sem memória colocada logo após o filtro formatador de pulso na banda-base. O pré-distorsor digital apresenta uma maior flexibilidade na determinação dos seus coeficientes, quando comparado com o analógico, uma vez que o algoritmo de aprendizagem no pré-distorsor digital é programável. Isso sugere que o pré-distorsor digital pode ser mais dinamicamente adaptativo quando as características do sistema mudam, como uma consequência de uma variação das características do sinal (isto é, a função densidade de probabilidade ou Probability Density Function – PDF) ou das características do amplificador de potência (por exemplo, como uma função da temperatura ou em decorrência de flutuações da polarização). Técnicas de pré-distorção digital podem ser subdivididas em duas categorias, denominadas pré-distorção de constelação de dados e pré-distorção fracional, de acordo com a localização do compensador. Os pré-distorsores de constelação de dados são colocados no sistema de banda-base antes do filtro transmissor formatador de pulsos, enquanto os

pré-distorsores fracionais estão localizados depois do filtro transmissor formatador de pulsos. Cada uma dessas técnicas de pré-distorção pode ser implementada de modo a realizar uma compensação estática dos efeitos da não linearidade do HPA ou para realizar uma compensação adaptativa. Na Seção 6, são descritos os cenários de referência para a análise da interface rádio OFDM em sistemas digitais via satélite.

6 Cenários de avaliação da tecnologia

Esta seção descreve os cenários de referência para a análise da interface rádio OFDM no contexto de serviços de dados de alta velocidade para sistemas digitais via satélite. Uma configuração do sistema de referência será proposta para avaliar um downlink OFDM (downlink do LTE). Na configuração proposta, um pacote de serviços de dados de alta velocidade é fornecido através da utilização de uma portadora separada, downlink de 5 MHz, suportando a transmissão OFDM do canal físico compartilhado para transporte de dados do enlace de descida (Physical Downlink Shared Channel – PDSCH). Para os testes em questão, foram considerados os seguintes parâmetros de configuração de referência:

número de blocos de recursos disponibilizados para download: 25;

largura de banda no download: 5 MHz;

modulação no download: 16QAM e QPSK;

frequência central no download do CGC: 464.5 MHz – LTE 450 MHz;

frequência downlink do satélite: 12 GHz – Banda ku;

frequência uplink do satélite: 14 GHz – Banda ku;

potência máxima da enodeB: +30 dBm;

duração do subquadro (subframe): 1 ms = 2 slots = 2 x 0.5 ms;

duração do quadro (frame): 10 ms = 10 subquadros;

1 slot: 7 símbolos OFDM – prefixo cíclico normal;

1 bloco de recurso: 12 subportadoras x 7 símbolos;

FFT size (points): 512;

espaçamento entre as subportadoras: 15 kHz.

A principal diferença em relação à contraparte terrestre deste estudo consiste na introdução do segmento espacial, incluindo fontes de distorção linear e não linear. Isso pode ter um impacto



muito significativo no desempenho, a menos que sejam adotadas técnicas de modulação inteligente, pré-distorção e equalização. Na Seção 7, são apresentados os resultados das simulações realizadas, considerando-se canal com ruído gaussiano branco aditivo, canal não linear, impacto do backoff (recuo da saturação) e erro de frequência da portadora.

7 Resultados de simulação

7.1 Canal com ruído gaussiano branco aditivo (Additive White Gaussian Noise – AWGN)

Primeiramente, a interface OFDM é considerada no canal AWGN. Os resultados das simulações são apresentados nas Figuras 1 e 2, adotando-se os modelos de modulação QPSK e 16QAM. Independentemente do formato da modulação, o modelo OFDM apresentará uma ligeira degradação da BER no que diz respeito ao caso da portadora única. Essa degradação é perfeitamente previsível tendo em conta o fato de que o prefixo cíclico é descartado no lado do receptor. Em outras palavras, do ponto de vista do receptor, o prefixo cíclico representa apenas uma perda de energia e é quantificável como se segue (1):

SNRperda = (N + Np) / N (1)

em que N é o número de pontos – bins ou subportadoras – de IFFT/FFT, e Np

é o número

de amostras do prefixo cíclico.

7.2 Canal não linear

A introdução do satélite com sua não linearidade causada pelo HPA com TWT (TWTA) é considerada no canal não linear. As Figuras 1 e 2 reportam o desempenho caracterizado em termos da BER para vários valores de recuo de entrada (Input Backoff – IBO) sem técnicas de pré-distorção, considerando os modelos de modulação QPSK e 16QAM. Para um IBO = 20 dB, em que a não linearidade do HPA é insignificante, ambos os formatos de modulação confirmariam a degradação da BER discutida no item anterior. Em relação ao modelo de modulação QPSK, para IBO = 15 dB, a perda de desempenho da BER = 10-4 é da ordem de 0,5 dB, ao passo que para IBO = 2 dB, é notável que a BER tenda para 10-3. Por outro lado, o formato de modulação 16QAM é mais sensível aos efeitos da não linearidade. Em particular, para IBO = 15 dB, a perda de desempenho na BER = 10-4 já está na ordem de 2 dB, ao passo que para

IBO = 2 dB, a BER é fixada em 0,06. IBO = 20 ou 15 dB corresponde a HPA trabalhando na região linear, enquanto IBO = 2 dB significa muito perto da região de saturação. A técnica de pré-distorção fracionária também é avaliada nas Figuras 1 e 2. Para ambas as modulações e IBO = 15 dB, pode-se notar que o pré-distorsor desenvolvido compensa completamente os efeitos não lineares do HPA. Na medida em que o modelo de modulação QPSK é considerado, um desempenho melhorado é notado para IBO = 2 dB, pois a BER não tende mais para 10-3, atingindo menores taxas de erro. Por outro lado, o ganho de desempenho do 16QAM com pré-distorsor fracionário é menos apreciável do que no regime QPSK. No entanto, observando o intervalo de Eb/N0 no qual um sistema de

codificação trabalha (de 4 dB a 6 dB), a mesma BER (ou seja 10-1) é obtida com uma melhoria de 2 dB a 3 dB.

Figura 1 Desempenho do OFDM para vários valores de IBO sem e com técnicas de pré-

distorção e em canal AWGN para a modulação QPSK

Figura 2 Desempenho OFDM para vários valores de IBO sem e com pré-distorção fracionária e em

canal AWGN para a modulação 16QAM

7.3 Impacto do backoff

O impacto do IBO sobre o desempenho do OFDM é mostrado na Figura 3 para um canal



com múltiplos percursos de um sistema de transmissão digital via satélite. Como esperado, diminuindo-se o ponto de trabalho, ou seja, aplicando-se o recuo da saturação, através do aumento do backoff (IBO), o desempenho da taxa de erro de pacote (Packet Error Rate – PER) no OFDM melhora. Além disso, é introduzido o modelo LTWTA. Nesse caso, o desempenho entre TWTA IBO = 2 dB e LTWTA IBO = 2 dB é comparável.

Figura 3 Impacto do IBO sobre o desempenho do OFDM

Finalmente, o erro de frequência de portadora é considerado na Figura 4. Pode-se notar que a perda de degradação é quase insignificante para os erros de frequência residual normalizada até 0,1/N (em que N é o número de pontos de IFFT/FFT). Quando um erro igual a 0,2/N é simulado, a perda de desempenho do OFDM é da ordem de 1,5 dB com PER = 10-2.

Figura 4 Impacto do erro de frequência da portadora no desempenho do OFDM

A próxima seção apresenta as conclusões finais.

8 Conclusão

A partir do conjunto de resultados discutido

neste artigo, podem ser extraídas as conclusões e indicações apresentadas a seguir.

Não obstante a alta PAPR, é possível transmitir, eficientemente, sinais OFDM através de enlaces satelitais não lineares com valores muito pequenos de IBO.

Esse resultado é fruto da combinação do cuidadoso projeto de pré-distorção e do aplicativo de codificação de correção de erro (forward error correction coding application).

Em condições de canal com múltiplos percursos (enlaces satélite e CGC), o OFDM mostra a sua robustez e, para os perfis de canais de sistemas de transmissão digital via satélite considerados e com estimação ideal de canal, o OFDM apresenta excelentes resultados.

Estudos mostram que a recepção adequada do serviço pode ser alcançada em satélite com condições LOS. Em satélites com condições de propagação NLOS, um serviço de recepção adequado não poderia ser alcançado com essa interface de rádio quando se considera um terminal portátil em decorrência de uma margem de enlace negativa. No entanto, o uso de CGCs pode ser uma solução viável para restaurar a recepção adequada do serviço em áreas nas quais a recepção por satélite é crítica.

Agradecimentos

Os autores agradecem o apoio dado a este trabalho, desenvolvido no âmbito do Projeto RASFA – Redes de Acesso Sem Fio Avançadas, que conta com recursos do Fundo para o Desenvolvimento Tecnológico das Telecomunicações (FUNTTEL), do Ministério das Comunicações, através do convênio no

01.09.0631.00 com a Financiadora de Estudos e Projetos (FINEP).

Referências

3GPP TR 25.892 Feasibility Study for OFDM for UTRAN enhancement (Release 6), jun. 2004.

BENEDETTO, S.; BIGLIERI, E. Nonlinear equalization of digital satellite channels, IEEE Journal on Selected Areas in Communications, v. 1, p. 57-62, jan. 1983.

CAVERS, J. K. Amplifier Linearization using a digital predistorter with fast adaptation and low memory requirements, IEEE Transactions On Vehicular Technology, v. 39, p. 31-40, nov. 1990.

CHANG, S.; POWERS, E. J. Compensation of nonlinear distortion in RF power amplifiers. In: PROAKIS, J. J. (Ed.). Wiley Encyclopedia of



Telecommunications. New Jersey: John Wiley & Sons, Inc., 2002.

CHUBERRE, N. et al. Satellite Digital Multimedia Broadcasting for 3G and beyond 3G systems, IST Mobile Summit 2004, Lyon France, 28-30, jun. 2004.

CIONI, S. et al. On the Use of OFDM Radio Interface for Satellite Digital Multimedia Broadcasting Systems, International Journal of Satellite Communications and Networking, Wiley InterScience, vol. 24, n. 2, p. 153-167, Feb. 2006.

HARA, S.; PRASAD, R. Multicarrier techniques for 4G mobile communications. Artech House, 2003.

HOLMA, H.; TOSKALA, A. WCDMA for UMTS - Radio Access for Third Generation Mobile Communications, Ed. John Wiley & Sons Ltd., Aug. 2004.

SESIA, S.; TOUFIK, I; BAKER, M. LTE – The UMTS Long Term Evolution. John Wiley & Sons Ltd., 2009.



João Paulo Miranda*, Dick Carrillo Melgarejo, Fabiano Silva Mathilde, Ricardo Seiti Yoshimura, Felipe Augusto de Figueiredo, Juliano João Bazzo

A interferência ocasionada por um transmissor banda estreita em um receptor banda larga é, em geral, um problema conhecido em comunicações sem fio. Entretanto, análises encontradas na literatura sobre o assunto tipicamente modelam o sinal de interesse como um canal de transporte genérico, no qual todas as subportadoras transportam o mesmo tipo de informação, como, por exemplo, dados de plano de usuário. Neste artigo, a análise é feita levando-se em consideração canais físicos, de modo que um melhor entendimento acerca de interferência banda estreita – tanto no plano de usuário como no plano de controle – em sistemas LTE (Long Term Evolution) é obtido. Medições em campo foram realizadas visando caracterizar sistemas banda estreita que operam na recém-padronizada banda 31 (450-470 MHz). Tais inovações serviram de base para estabelecer requisitos para suprimir a interferência banda estreita no LTE downlink. Wavelets dos tipos Biortogonal, Coiflets, Daubechies e Haar foram então avaliadas quanto à sua capacidade de atender tais requisitos. Foi constatado, através de trabalho de simulação que, independentemente do meio de transmissão considerado, a otimização do processo de mitigação de interferência nos canais físicos LTE requer diferentes tipos de wavelet. Wavelets do tipo Daubechies mostraram-se superiores quando se trata de interferência no plano de controle, enquanto Coiflets apresentaram o melhor desempenho no plano de usuário. Por fim, os resultados obtidos neste artigo sugerem que quanto menor o número de mecanismos que atuam concomitantemente à interferência no sinal recebido, melhor o desempenho obtido, ou seja, as perdas em relação ao caso em que não há interferência são menores quando o ruído é apenas aditivo, aumentando progressivamente quando efeitos como desvanecimento e multipercursos passam a ser levados em consideração.

Palavras-chave: Interferência banda estreita. Wavelets. Long Term Evolution.

Abstract

The interference caused by a narrowband system on another system that uses wideband or spectrally spread signals is, in general, a well-known problem in wireless communications. However, analyses found in publications often model the signal of interest as a generic transport channel with all subcarriers conveying information of the same kind, e.g. user plane data. By taking the analysis down to physical channels' level, this paper aims to obtain a deeper understanding of the impact exerted by Narrowband Interference (NBI) on both the user and control planes of Long Term Evolution (LTE) systems. First, field measurements were carried out to characterize the narrowband systems operating in the recently standardized LTE Band 31 (450-470 MHz). Based on these findings, requirements for NBI suppression in the LTE downlink were established. Biorthogonal, Coiflets, Daubechies and Haar wavelets were then evaluated via computer simulations with respect to their ability to fulfill such requirements. It turns out from our simulations that the optimization of the NBI suppression process in the LTE physical channels calls for different wavelet types, regardless of transmission medium. Daubechies are shown to be a superior choice for the control plane, whereas Coiflets were found to be the best performer when it comes to the user plane. The findings presented in this paper also suggest that the smaller the number of mechanisms working alongside with the NBI in the received signal, the better the performance derived, i.e. when compared to the case where no NBI occurs, losses are less significant under additive noise and progressivelly increase as effects like shadowing, fading and multipath are considered.

Key words: Narrowband interference. Wavelets. Long Term Evolution.




1 Introdução

Em setembro de 2012, o 3GPP (Third Generation Partnership Project) iniciou esforços para padronizar a faixa de frequência 450-470 MHz. Essa iniciativa tinha como objetivo explorar as características superiores de propagação em radiofrequência (RF) da referida banda em um novo perfil LTE (Long Term Evolution). Este perfil encontra aplicação em sistemas celulares de quarta geração que visam prover cobertura em áreas esparsamente populadas. O CPqD apoiou o 3GPP nessa tarefa, determinando esquemas de canalização, soluções para coexistência e parâmetros do radiotransceptor apropriados para operação LTE 450 MHz. O processo de padronização dessa nova faixa de operação, concluído em setembro de 2013, culminou na designação pelo 3GPP da banda 31. As especificações técnicas correspondentes dessa banda serão disponibilizadas como parte do próximo release do padrão LTE. Em paralelo às ações do 3GPP, o Ministério das Comunicações já vinha trabalhando em uma forma de introduzir novos serviços de Internet banda larga no Brasil. Nesse sentido, uma quebra de paradigma ocorreu em maio de 2010 quando o Plano Nacional de Banda Larga (PNBL) recomendou o uso da faixa de frequência 225-470 MHz (BRASIL, 2010). Uma das diretrizes do PNBL era alavancar a penetração da Internet banda larga no território brasileiro, especialmente em áreas rurais, onde cerca de 30 milhões de brasileiros ainda não possuem acesso a tal tipo de serviço. Ainda no ano de 2010, a Agência Nacional de Telecomunicações (Anatel) alocou as faixas de frequência 451-458 MHz e 461-468 MHz para servir como downlink e uplink, respectivamente, para serviços de rádio fixo e móvel que operam com duplexação por divisão em frequência (ANATEL, 2010). Dando continuidade às ações descritas anteriormente, a Anatel leiloou as licenças correspondentes em junho de 2012. Como consequência do leilão, a banda 31 ficou dividida em quatro regiões geográficas, cada uma delas atribuída a uma das grandes operadoras de serviços de telecomunicações presentes no mercado brasileiro. As operadoras vencedoras se comprometeram a cumprir metas estipuladas em cronograma predeterminado pela Anatel (2010). Vale observar que, embora a adoção de tecnologia específica associada a essas licenças não seja mandatória, é possível que as operadoras detentoras de licenças adotem a tecnologia LTE, de modo a tirar proveito das características de RF superiores encontradas na banda 31.

A implementação da tecnologia LTE em 450 MHz, todavia, apresenta seus desafios, parte deles em função de limitações sistêmicas associadas às grandes áreas de cobertura especificadas pelo 3GPP. Outro desafio diz respeito à dificuldade de gerenciar interferências, sejam elas geradas pelo próprio sistema LTE ou oriundas de sistemas baseados em tecnologias diferentes da LTE. E é exatamente neste último âmbito que se encaixa a contribuição do presente artigo. Especificamente, são discutidas técnicas para mitigar a interferência causada em sistemas LTE por sinais banda estreita que operam simultaneamente em sua banda de operação. A análise desenvolvida neste artigo é de interesse, uma vez que a presença de componentes banda estreita (indesejadas) no sinal LTE recebido tende a introduzir distorções não lineares no controle automático de ganho e na conversão analógico-digital do receptor LTE. Além da degradação do desempenho causada por essas distorções no sinal, o procedimento de busca de célula pode ser comprometido, impedindo que o receptor LTE se registre no sistema (acampe na célula). Um estudo detalhado dessa condição requer a realização de análises específicas de canais físicos, o que revela um dos aspectos distintivos deste artigo em relação à literatura. Análises sobre mitigação de interferência banda estreita (Narrowband Interference – NBI) na literatura se baseiam, tipicamente, em um canal de transporte genérico em que as subportadoras do sinal de interesse (Signal Of Interest – SOI) transportam informações de mesma natureza, por exemplo, dados de plano de usuário (MEI et al., 2013; ZHANG et al., 2001). Já uma análise a partir de uma perspectiva standard-compliant, como a adotada neste artigo, possibilita um melhor entendimento sobre NBI e seus efeitos indesejáveis tanto no plano de usuário quanto no plano de controle. Este artigo dá continuidade a um trabalho, desenvolvido pelos mesmos autores, em que algumas distribuições tempo-frequência (Time-Frequency Distributions – TFDs) relevantes são avaliadas quanto à sua capacidade de mitigação de interferência banda estreita no contexto do padrão LTE (em fase de publicação). Neste artigo, aprofundamos os resultados mencionados anteriormente em uma análise que considera wavelets dos tipos Biortogonal, Coiflets, Daubechies e Haar, com diferentes valores de vanishing moments (determinam a ordem do filtro), diferentes meios de transmissão (Ruído Aditivo Gaussiano Branco – RAGB, desvanecimento flat e desvanecimento seletivo em frequência com multipercursos) e



configurações específicas do LTE (comprimento do prefixo cíclico, ou Cyclic Prefix – CP, e método para estimação do canal). O restante deste artigo está organizado como segue. Na Seção 2, são reportados resultados de testes de campo utilizados na caracterização de fontes e sinais banda estreita em operação na banda 31. Com base nessas características e em seus respectivos requisitos, é definido um modelo sistêmico na Seção 3. O estado da arte é discutido em linhas gerais na mesma seção, na qual também é feita a fundamentação para o uso de wavelets como técnica de mitigação de NBI. A Seção 4 discute, de modo sucinto, a transformada discreta de wavelet e suas formas eficientes de implementação. Resultados de simulação são oferecidos na Seção 5, com as conclusões resultantes deste trabalho sumarizadas na Seção 6.

2 Caracterização de fontes e sinais

2.1 Setup usado nas medições

Para caracterizar a interferência de banda estreita à qual um sistema LTE pode estar sujeito, foram realizados testes de campo em 450-470 MHz. No Brasil, a banda 31 é predominantemente atribuída a serviços de voz, os quais empregam canais com 12.5 kHz em suas comunicações. Portanto, a resolução do analisador de espectro foi ajustada em 3 kHz, para os segmentos de 5 MHz (SOI), e em 0.3 kHz, para segmentos de 12.5 kHz (NBI). A antena selecionada para as medições foi uma J-pole customizada e feita de tubos de cobre de 15 mm de diâmetro. Um laptop equipado com o software LabView foi empregado para processar e armazenar as amostras coletadas de forma automática. A seguir, serão analisados os resultados de testes de campo obtidos com o setup acima descrito, na cidade de Campinas, Estado de São Paulo. As coordenadas geográficas e altura exatas do site onde foram realizadas as medições são 22º54’S 47º02’W e 667 m, respectivamente.

2.2 Resultados dos testes de campo

Uma análise da função distribuição cumulativa (Cumulative Distribution Function – CDF) da potência recebida por segmento revelou que, na maioria dos segmentos analisados, a potência da NBI ficava abaixo do nível de ruído térmico. Esse resultado é consistente e se deve à alta sensibilidade típica de rádios banda estreita. Por outro lado, sinais banda estreita com potência igual ou superior a -65 dBm foram medidos em f1 = 463.5500 MHz, f2 = 464.6000 MHz, f3 = 457.5375 MHz e f4 = 469.1625 MHz. De acordo

com o STEL (Sistema de Serviços de Telecomunicações), uma ferramenta de consulta disponibilizada publicamente pela Anatel (2014), as primeiras três frequências são atribuídas a sistemas tipo PTT (Push-To-Talk) utilizados para controle de rodovias e em operações do segmento de óleo e gás. A quarta frequência, todavia, se encontra atribuída à Prefeitura da Cidade de Campinas para transmissões de dados sem fio. Outra análise de CDF, desta vez realizada em termos de tempo de conversação, mostrou que as comunicações PTT duram por até 20 segundos em 90% dos casos. A taxa de ocupação dos segmentos também foi analisada e estimada em 30% em média, para sinais PTT, e 100% (todo o tempo), para transmissões de dados. Nossas medições confirmaram a presença de sistemas banda estreita em operação tanto nas frequências designadas para o uplink quanto para o downlink do LTE. Levando em consideração esses resultados, pode-se estabelecer requisitos para a mitigação de interferência, assegurando assim a coexistência entre sistemas LTE e sistemas banda estreita. Embora a necessidade de coexistência tenha sido justificada aqui em termos da banda 31 brasileira, ela também pode ser justificada em outras bandas LTE padronizadas, como, por exemplo, onde sistemas legados e não baseados no padrão LTE estejam em processo de refarming. Antes de prosseguirmos, todavia, observe que f4 está cerca de dez RBs (Resource Blocks) distante da subportadora LTE que ocupa a frequência mais alta do downlink. Esse afastamento é mais que suficiente para que os sinais de dados nela centrados não causem interferência no sistema LTE. Nossos testes de campo também sugerem que o impacto da interferência banda estreita é mais prejudicial no downlink por conta de seu potencial de deteriorar/inibir a comunicação do terminal com a estação-base (conforme explicado na sequência). Assim, a mitigação de interferência banda estreita no uplink LTE está fora do escopo deste artigo, e os sinais PTT centrados em f3 não serão considerados na análise que segue. Como ilustrado na Figura 1, os sinais PTT, x1 e x2, estão sobrepostos a diferentes porções do sinal recebido no downlink do LTE, r. Enquanto x1 afeta predominantemente os dados no plano de usuário, ou seja, transportados pelos canais físicos compartilhados no downlink (Physical Downlink Shared Channels – PDSCH), x2 tem potencial para corromper as sequências Zadoff-Chu que transportam nos canais de sincronismo primários (Primary Synchronization Channels – PSCH) informações referentes ao tempo de



símbolo e aos offsets de frequência do sistema LTE. Caso não seja possível para o receptor se sincronizar com o sistema por conta de um acesso incorreto ou incompleto a essas informações, será difícil para ele extrair as informações sobre temporização do sistema e identidade de célula transmitidas nos canais de sincronismo secundários (Secondary Synchronization Channels – SSCH). A falta dessas informações impede que o receptor obtenha os parâmetros básicos de operação transmitidos nos canais físicos de broadcast (Physical BroadCast Channels – PBCH). Como consequência, o procedimento padrão de busca de célula fica comprometido e o receptor não consegue se registrar com a célula (3GPP, 2012a).

Figura 1 Exemplos de interferência banda estreita no downlink do LTE (Banda 31)

2.3 Mitigação de interferência no downlink do LTE – Alguns requisitos

Com base na discussão acima, é possível concluir que o projeto de soluções visando mitigar a interferência banda estreita no downlink do LTE deve nortear-se nos seguintes requisitos:

a) baixa distorção de sinal: a operação LTE ocorre na maior parte do tempo (até 70% do tempo) na ausência de agentes interferentes com alta potência de transmissão. Nesse contexto, o sinal recebido deve ser reconstruído de modo quase perfeito para evitar degradações no desempenho do sistema;

b) conhecimento a priori: por questões de flexibilidade e praticidade, a quantidade de informações requerida a priori sobre os sinais a serem mitigados deve ser mantida a mais baixa possível, i.e. técnicas “cegas” são preferíveis.

c) baixa complexidade computacional: os sistemas banda estreita encontrados em operação nas bandas LTE podem não ser movidos para outras faixas, tampouco podem passar por modificações de nenhuma natureza tão cedo. Portanto, a interferência oriunda desses sistemas pode ser mitigada no lado do receptor LTE, onde se dá a preferência ao emprego de abordagens de baixa complexidade.

3 Mitigação de interferência banda estreita

Seja SN o número de subportadoras, )(eCf a

constelação complexa de sinais transmitida pela e -ésima subportadora no f -ésimo símbolo,

f o espaçamento entre subportadoras, CPT a

duração do CP, e ST o período de amostragem

usados no LTE. No downlink, o sinal baseado em OFDM (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing) transmitido durante o f -ésimo

símbolo é dado por:

)),(2exp()()(

2/

2/SCP

Ns

Nsef TTtfejeCts

(1)

onde um RB é formado através do agrupamento de F símbolos consecutivos em um bloco de

E subportadoras consecutivas, e 0)0( fC .

Grid de recursos, sinais físicos e canais físicos são então gerados em estrita consonância com o padrão LTE (3GPP, 2012b). A seguir, usando de abuso na notação, iremos nos referir a (1) como sendo o sinal de interesse associado a um canal físico genérico, porém compatível com o padrão. Suponhamos que o sinal de interesse seja agora corrompido por Ii ,,0 sinais banda

estreita. Vimos na Seção 2 que as fontes de NBI estatisticamente relevantes para a operação na banda 31 (em termos de potência transmitida e tempo de conversação) são rádios PTT. Os sinais transmitidos por tais sistemas podem ser considerados, sem perdas em generalidade, como baseados em modulação em frequência (Frequency Modulation – FM). Assim, o sinal FM transmitido pela i -ésima fonte de interferência pode ser escrito como:

,)(22cos)(0

t

iideviii duuaftfAtx

(2)

onde iA , if , e devf são a magnitude, a

frequência central e o desvio em frequência da portadora usada para modular o sinal de áudio



)(tai . A fase i é considerada uniformemente

distribuída no intervalo )2,0( .

Após passar por um canal com desvanecimento seletivo em frequência decorrente de múltiplos percursos, com resposta em frequência h e L taps, o sinal capturado pela antena do receptor LTE corresponde a:

I

ii nwnynrnz

0

],[][][][ (3)

onde ][nr e ][nyi são versões filtradas de (1)

e (2), a saber:

1

0][][][

L

l lnslhnr

1

0][]['][

L

l lii nxlhny ,

l é o máximo atraso de propagação

associado ao l th tap, e ][nw é RAGB

estatisticamente independentemente de tap para tap. Note que, em contraste com o cenário estático (e provavelmente específico da banda 31) discutido na Seção 2, os sinais banda estreita e a NBI modelados usando (2) e (3) podem variar em número, potência e posição. Isso permite exercitar os canais físicos LTE plenamente na ausência ou presença de NBI controlada. A grande maioria das técnicas para mitigação de interferência banda estreita tem como base um processo com três passos, representado de forma genérica na Figura 2. O primeiro passo corresponde à decomposição do sinal recebido

][nz , uma soma de sinal de interesse,

interferência e ruído, em um domínio onde as componentes que correspondem aos sinais

banda estreita ][nyi sejam mais fáceis de

identificar. As saídas (ou canais) desse bloco de

análise, ],[mZk 1,,0 Kk , alimentam o

segundo passo, quando componentes indesejadas são identificadas e removidas.

][ˆ mZk canais, 1,,0 Kk se tornam então

disponíveis para o bloco de síntese, responsável pela obtenção de uma estimativa do sinal recebido, aqui denotada por ][ˆ nz . Para

evitar distorções, o sinal reconstruído ][ˆ nz

deve prover uma boa aproximação de (3) quando I=0, ou seja, quando o sistema LTE estiver operando na ausência de interferência banda estreita. Na sequência, discutimos o estado da arte em técnicas para mitigação de interferência banda estreita que operam no domínio do tempo, da frequência e em ambos os domínios. Dentro do possível, a consistência com a Figura 2 será mantida nessa discussão.

3.1 Técnicas no domínio da frequência

Excisão é um termo que denota a mitigação de interferência banda estreita no domínio da frequência. Técnicas de excisão exploram o fato de que tal tipo de interferência frequentemente se manifesta em decorrência de sinais banda estreita (de alta potência), os quais podem ser facilmente distinguidos dos sinais de interesse (de potência mais baixa) no domínio do tempo. Robustez em face de interferências cujas frequências centrais variam no tempo e do desvanecimento seletivo em frequência constituem algumas das vantagens das técnicas de excisão. Entretanto, um fenômeno conhecido como vazamento espectral ocorrerá sempre que os espectros do sinal banda estreita, ],[mZk

1,,0 Kk , causa da interferência,

estiverem centrados em frequências que não coincidam com as bins da transformada discreta de Fourier (Discrete Fourier Transform – DFT) realizada no demodulador (COULSON, 2006). Quanto maior a potência do sinal interferente, maior o número de subportadoras corrompidas em ][ˆ nz .

Uma forma possível para se mitigar distorções de sinal introduzidas por vazamento espectral consiste em mapear dados apenas àquelas subportadoras cujas potências excedam uma dada relação sinal-interferência. Essa abordagem é exemplificada por Mei e autores (2013), porém uma desvantagem específica dessa contribuição diz respeito ao uso de uma transformada de Fourier fracionária que faz uso de pesos, o que resulta em um sistema que pode não seguir os padrões atuais baseados na DFT.

Figura 2 Diagrama de blocos genérico do processo de mitigação de interferência banda estreita


78 Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 10, n.1, p. 73-84, jan./jun. 2014

3.2 Técnicas no domínio do tempo

A mitigação de interferência banda estreita no domínio do tempo evita o vazamento espectral através de aplicação de filtros diretamente no sinal recebido ][nz , antes do bloco de DFT do

demodulador. Nesse caso, como nenhuma espécie de transformação é requerida, não há necessidade de análise tampouco de síntese de sinais, como ilustrado na Figura 2. Tal cancelamento no domínio do tempo também é interessante, pois, em comparação com o domínio da frequência, requer menos conhecimento a priori sobre o sinal interferente a ser mitigado, por exemplo, apenas estimativas das frequências centrais dos sinais interferentes ou de suas potências por subportadora do sinal de interesse. Quanto às limitações, é sabido que o desempenho dessas técnicas pode ser menor na presença de offsets de frequência. Esse é exatamente o caso da abordagem proposta por Coulson (2006), na qual os circuitos PLL (Phase Locked Loop) utilizados podem deixar de travar em torno da frequência central do sinal interferente. Adicionalmente, o desempenho do sistema pode sofrer uma nova queda quando for feito uso de modulação com chaveamento de fase em quadratura (Quadrature Phase Shift Keying – QPSK). Cuidados adicionais também devem ser tomados com relação ao projeto dos filtros, pois respostas ao impulso cuja duração seja mais longa do que o CP introduzem interferência intersimbólica (InterSymbol Interference – ISI) no sinal de interesse.

3.3 Técnicas bidimensionais

A mitigação de interferência banda estreita em ambos os domínios, tempo e frequência, oferece de modo geral uma resolução superior àquela que pode ser obtida empregando-se técnicas unidimensionais. Distribuições tempo-frequência (Time-Frequency Distributions – TFDs), como, por exemplo, wavelets (DOVIS; MUSUMECI, 2011), bancos de filtros digitais multitaxa (JONES; JONES, 1992), cuja implementação eficiente se dá através de redes polifásicas (Polyphase Networks – PolyNets) e distribuições bilineares (ZHANG et al., 2001), são ferramentas que apresentam complexidade relativamente mais baixa e permitem a reconstrução quase perfeita do sinal ][ˆ nz

exigindo pouco ou nenhum conhecimento a priori sobre os sistemas e sinais que podem vir a causar NBI. Outra vantagem inerente às TFDs é que a representação direta do conteúdo em frequência

do sinal, obtida mantendo-se o parâmetro de descrição no tempo, permite a clara observação da evolução linear da frequência com o tempo (AUGER et al., 2005). Entretanto, apesar de esse potencial prover robustez contra interferência banda estreita, a aplicação de TFDs vem sendo limitada a sistemas espalhados espectralmente (DOVIS; MUSUMECI, 2011; ZHANG et al., 2001). Assim, faz-se necessário um melhor entendimento acerca do desempenho de tais ferramentas no contexto de sistemas banda larga. Entre as TFDs consideradas por Miranda e colaboradores (2014), a Figura 3 sugere que wavelets do tipo Daubechies oferecem melhor compromisso em termos de baixa complexidade e distorções do sinal, independentemente do tipo de canal físico LTE considerado. Naqueles casos em que a frequência central de operação do sistema banda estreita não é conhecida a priori pelo receptor, um cancelador cego, baseado na transformação discreta de Wigner-Ville (Discrete Wigner-Ville Distribution – DWVD), mas atuando no domínio do tempo, é uma opção interessante.

4 A transformada discreta de wavelet

A ideia da transformada discreta de wavelet (Discrete Wavelet Transform – DWT) é projetar um sinal z em uma família de funções de média zero e forma vutvu ,),(, , que são

deduzidas a partir de uma função elementar )(t por meio de translações e dilatações, i.e.

)()( 00, uttat vvu . Em termos da DWT, a

representação completa do sinal recebido

dttzavuT vuv

z*,

2/0 )(;, (4)

requer um número infinito de passos, 0a , e um

número infinito de dilatações no tempo, 0t . Para

contornar essa limitação, algoritmos de DWT práticos (baseados em bancos de filtros) são utilizados em vez de (4). Melhores resultados são obtidos através da otimização do número de canais K , levando-se em consideração as características dos sinais banda estreita, ][nyi

.

Em cada escala obtida na saída do banco de filtros, a interferência causada por um dado sinal banda estreita é suprimida cancelando-se os coeficientes que correspondem àquele sinal banda estreita. O limiar aplicado para tanto é determinado em termos de uma probabilidade de alarme falso, faP , através da expressão

(DOVIS; MUSUMECI, 2011):



)(2 12fas Perf , (5)

onde 2s é a variância do sinal transmitido, ][ns ,

e faP é a probabilidade de uma amostra do

sinal recebido ][nz exceder (5) na ausência de

interferência.

(a) PDSCH

(b) PSCH

(c) SSCH

Figura 3 Desempenho caracterizado em termos da BER no plano de usuário (a) e em termos de uma simples taxa de erros no plano de controle

(b) e (c)

4.1 Mecanização direta

Como visto, bancos de filtros multitaxa também ocupam um papel central na área de wavelets por conta de seu relacionamento com a DWT. Nessa mecanização direta, a implementação do bloco de análise da Figura 2 requer apenas um filtro passa-baixa e um filtro passa-alta cujas saídas são decimadas por dois. Similarmente, o bloco de síntese requer apenas um filtro passa-baixa e um filtro passa-alta cujas saídas são interpoladas por dois. A implementação multinível, visando melhorar a resolução obtida através da mecanização direta da abordagem acima, envolve uma aplicação repetida de bancos de filtros uniformes no canal de baixa frequência, de modo que seja introduzida mais redundância naquele canal do que no canal de alta frequência.

4.2 Implementação eficiente

Uma desvantagem da mecanização direta da DWT multinível é que, embora uma resolução mais fina possa ser obtida, faz-se necessária uma computação recursiva de coeficientes, ou seja, o cálculo dos coeficientes do j -ésimo

nível requer o cálculo e a posterior armazenagem dos coeficientes dos níveis

1,),2(),1( JJ .

Esse aumento na complexidade computacional pode ser evitado através da substituição das cascatas de filtros passa-baixa e decimadores por dois em cada nível do bloco de análise por um filtro equivalente. Tal filtro pode ser definido usando-se a transformada z como proposto por Shukla e Tiwari (2013):

1

0

2 )()(J

jA

JA

j

zHzH (6)

Um filtro equivalente é gerado da mesma forma para substituir as cascatas de filtros passa-alta e interpoladores por dois empregados no bloco de síntese. Em um bloco ou em outro, (6) permite que os coeficientes do j -ésimo nível

sejam calculados sem o conhecimento dos coeficientes do 1j -ésimo nível e assim

sucessivamente.

5 Resultados de simulação

Nesta seção serão discutidos resultados obtidos através de um simulador customizado (MATLAB), o qual implementa a camada física LTE em estrita consonância com as recomendações do padrão 3GPP (2012a, 2012b). O setup de simulação comum a todas



as análises se encontra listado na Tabela 1. Diferentes campanhas de simulação foram conduzidas para os casos ‘sem NBI’ (I=0), ‘com NBI’ (I=1) sem mitigação e ‘Tipo’, que corresponde ao tipo de wavelet empregado na mitigação. Os últimos dois casos introduzem NBI nas frequências f1 e f2, uma por vez, de modo a possibilitar análises independentemente do desempenho para PDSCH e PSCH/SSCH. A relação de potência NBI/SOI foi configurada em 15 dB, o que corresponde à pior condição observada em nossas medições.

Tabela 1 Setup comum a todas as simulações

Parâmetros do SOI

Ns ∆f TCP 1/TS fc BW

512 15kHz 4.69/16.67μs

30.72MS/s

465MHz

5MHz

Parâmetros da NBI

Ai fi fdev I BW

NBI/SOI=15dB

f1, f2 5kHz {0, 1} 12.5kHz

Parâmetros das wavelets

Tipo Simetria N Lsup W

Biortogonal simétrica 9.3 19, 7 20 taps

Coiflets ≈simétrica 5 29 30 taps

Daubechies assimétrica 8 15 16 taps

Haar simétrica 1 1 2 taps

5.1 Canal RAGB

Em uma primeira campanha de simulações, foi verificado o desempenho de diferentes tipos de wavelet na mitigação de NBI quando o canal é RAGB. A escolha desse canal ideal foi motivada pelo fato de este prover um cenário de avaliação onde a NBI é o único mecanismo em ação. Os resultados obtidos em presença de RAGB são exibidos na Figura 4, na qual é possível ver que os diferentes tipos de canais físicos LTE requerem diferentes tipos de wavelet para otimizar a mitigação de NBI. Para PDSCH, conforme Figura 4(a), o uso da wavelet de Haar não é recomendável por conta de seu desempenho ser inferior quando nenhuma espécie de ação é realizada visando mitigar a interferência. Já Coiflets apresentaram o melhor resultado, igualando o caso ideal, onde não há nenhuma componente banda estreita presente no sinal recebido. Por conta da maior robustez das sequências Zadoff-Chu utilizadas no PSCH, tanto wavelets do tipo Daubechies quanto aquelas do tipo Biortogonal apresentaram desempenho igual ao ideal (nenhum erro foi registrado para a faixa de SNRs avaliada). Esse resultado é exibido na Figura 4(b). Conforme ilustrado na Figura 4(c), nenhum erro foi registrado para o caso ideal

quando o canal físico LTE considerado for SSCH. Nesse caso, porém, nenhuma das wavelets avaliadas apresentou desempenho ideal. A aplicação de Coiflets é, de novo, recomendada como melhor opção, tendo em vista os enormes ganhos obtidos em comparação com o caso em que nenhuma ação é realizada visando mitigar a interferência.

(a) PDSCH

(b) PSCH

(c) SSCH

Figura 4 Desempenho em RAGB com CP normal



5.2 Canal com desvanecimento flat

Em uma segunda campanha de simulações, foi verificado o desempenho de diferentes tipos de wavelet na mitigação de NBI quando o sinal recebido está sujeito a desvanecimento flat, ou seja, suas frequências são todas afetadas igualmente pelo canal. Os resultados obtidos em presença de desvanecimento flat são exibidos na Figura 5, onde novamente é possível ver que os diferentes tipos de canais físicos LTE requerem diferentes tipos de wavelet para otimizar a mitigação de NBI. A Figura 5(a) exibe os resultados obtidos para o PDSCH. Nesse caso, as wavelets do tipo Daubechies e Coiflets apresentam resultado similar até aproximadamente 10 dB, sendo que as últimas se tornam mais interessantes desse ponto em diante. Já para o PSCH, como se vê na Figura 5(b), todas as wavelets apresentam desempenho semelhante, exceto as do tipo Daubechies, que, por sua vez, apresentam ganhos de até 20 dB em comparação com o caso em que nenhuma ação é realizada visando mitigar a interferência. Um comportamento parecido pode ser observado na Figura 5(c) para o SSCH, exceto pelo fato de que Coiflets também se mostram uma opção interessante quando a SNR é suficientemente alta.

5.3 Canal com desvanecimento seletivo em frequência

Dando continuidade à análise, foi considerado em uma última campanha de simulações um cenário de operação menos idealizado, onde há desvanecimento seletivo em frequência. Esse cenário possibilita a realização de análises no tocante ao impacto do CP (normal/estendido) e de técnicas para estimação de canal (ideal/não ideal). Foi adotado um modelo de canal com

6L taps, largura de faixa de coerência 47.62 kHz, atraso de propagação máximo de 15 μs e máxima frequência Doppler de 2.5 Hz. Ao passar por esse canal, os sinais PTT e LTE estarão sujeitos a desvanecimento flat e seletivo em frequência, respectivamente. A proteção contra multipercursos provida pelo CP normal é de 1.4 km (4.69 μs), enquanto que para o CP estendido, a proteção alcança cerca de 10 km (16.67 μs). Lembrando que o atraso máximo de propagação do canal usado é de 15 μs, tem-se o sistema LTE operando em presença de ISI quando o CP normal é usado, e em região livre de ISI quando o CP estendido é usado. As Figuras 6 e 7 mostram resultados obtidos para diferentes tipos de canais físicos usando CP normal e estendido, respectivamente, quando a estimação de canal

é “não ideal”. Diferenças substanciais em desempenho ocasionadas pelo emprego do CP estendido não são observadas nessas figuras, independentemente do tipo de wavelet utilizado para mitigar a NBI.

(a) PDSCH

(b) PSCH

(c) SSCH

Figura 5 Desempenho em flat fading com CP normal



(a) PDSCH

(b) PSCH

(c) SSCH

Figura 6 Desempenho em desvanecimento seletivo em frequência com CP normal e

estimação de canal não ideal

(a) PDSCH

(b) PSCH

(c) SSCH

Figura 7 Desempenho em desvanecimento seletivo em frequência com CP estendido e

estimação de canal não ideal



Por outro lado, verificamos ganhos significativos no desempenho do sistema LTE, mesmo em ausência de NBI, sob a premissa de estimação de canal ideal conforme demonstrado na Figura 8. Nesse caso, a mitigação de NBI usando wavelets tem seu valor visualizado de modo mais contundente, sobretudo para o PDSCH. Para esse tipo de canal, a Figura 8(a) mostra que qualquer wavelet, escolhida entre as candidatas ora avaliadas, viabiliza ganhos superiores a 5 dB quando comparadas ao caso em que nenhuma ação é realizada visando mitigar a interferência. Já para PSCH e SSCH, o uso de estimação de canal não aparenta ter tanta importância quanto para o PDSCH. Como mostrado nas Figuras 8(b) e 8(c), os resultados obtidos para esse cenário são semelhantes aos das Figuras 6(b), 6(c), 7(b) e 7(c). A Tabela 2 resume os resultados de todas as campanhas de simulação realizadas dentro do escopo do presente artigo. Fica evidente que, independentemente do canal sem fio considerado, a otimização do processo de mitigação de NBI em canais físicos LTE requer diferentes tipos de wavelets. De modo geral, o uso de Coiflets se mostrou mais adequado ao combate de NBI no plano de usuário, representando pelo PDSCH. Wavelets do tipo Daubechies mostraram-se superiores quando se trata de NBI com perturbações no plano de controle, sobretudo no sincronismo primário representado pelo PSCH. Quanto ao sincronismo secundário, aqui representado pelo SSCH, concluiu-se que wavelets do tipo Coiflets ou Daubechies podem ser empregadas com desempenho similar.

Tabela 2 Resumo dos resultados de simulação

Figura PDSCH PSCH SSCH

7 Coif-5 Daub-8 Coif-5

8 Coif-5 Daub-8 Daub-8

9 Daub-8 Daub-8 Coif-5

10 Coif-5 Daub-8 Coif-5

11 Coif-5 Daub-8 Daub-8

Além de determinar a melhor combinação entre tipo de canal físico e tipo de wavelet visando a mitigação de NBI no downlink do LTE, este artigo ilustra claramente que o benefício trazido pela abordagem adotada depende fortemente do meio considerado. Quanto menor o número de mecanismos atuando concomitantemente à NBI no sinal recebido, melhor o desempenho obtido, ou seja, as perdas em relação ao caso em que não há interferência são menores em um canal ideal (RAGB), aumentando progressivamente quando efeitos como

desvanecimento e multipercursos passam a ser levados em consideração.

(a) PDSCH

(b) PSCH

(c) SSCH

Figura 8 Desempenho em desvanecimento seletivo em frequência com CP estendido e

estimação de canal ideal



6 Conclusão

Neste artigo foi apresentada uma análise sobre mitigação de interferência banda estreita no LTE, que leva em consideração os canais físicos do referido padrão de comunicações sem fio. Com base em medições de campo realizadas para caracterizar sistemas banda estreita operando na recém-padronizada banda 31 (450-470 MHz), foram estabelecidos requisitos para suprimir a interferência banda estreita oriunda desses sistemas no downlink do LTE. Wavelets dos tipos Biortogonal, Coiflets, Daubechies e Haar foram então avaliadas quanto à sua capacidade de atender tais requisitos. Através de trabalho de simulação foi constatado que, independentemente do meio (cenário) considerado, a mitigação de interferência nos canais físicos LTE requer diferentes tipos de wavelet. Wavelets do tipo Daubechies mostraram-se superiores quando se trata de interferência com perturbações no plano de controle, enquanto as wavelets do tipo Coiflets apresentaram o melhor desempenho no plano de usuário. Adicionalmente, análises e resultados contidos no presente artigo sugerem que quanto menor o número de mecanismos atuando no sinal recebido concomitantemente à interferência, melhor o desempenho obtido. Se comparadas com o caso em que não há interferência, as perdas são menores quando o ruído é apenas aditivo, aumentando progressivamente quando efeitos de desvanecimento e multipercursos passam a ser levados em consideração.

Referências

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AGÊNCIA NACIONAL DE TELECOMUNICAÇÕES (ANATEL). Resolução nº 558. Regulamento sobre canalização e condições de uso de radiofrequências na faixa de 450 MHz a 470 MHz. Brasília, 2010.

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AUGER, F. et al. Time Frequency Toolbox for Use with Matlab. CNRS and Rice University, outubro 2005.

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COULSON, A. J. Bit Error Rate Performance of OFDM in Narrowband Interference with Excision Filtering. IEEE Transactions on Wireless Communications, v. 5, n. 9, p. 2484-2492, set. 2006.

DOVIS, F.; MUSUMECI, L. Use of Wavelets for Interference Mitigation. Anais da ICL-GNSS, p. 116-121, jun. 2011.

JONES, W. W.; JONES, K. R. Narrowband Interference Suppression using Filter-bank Analysis/Synthesis Techniques. Anais da IEEE MILCOM, p. 898-902, out. 1992.

MEI, L. et al. WFRT Precoding for Narrow-band Interference Suppression in DFT-based Block Transmission Systems. IEEE Communication Letters, v. 17, n. 10, p. 1916-1919, out. 2013.

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ZHANG, Y. et al. Anti-jamming GPS Receivers based on Bilinear Signal Distributions. Anais da IEEE MILCOM, p. 1070-1074, out. 2001.


Propriedade intelectual do CPqD

Nesta seção, são apresentados os resumos dos pedidos de patente

depositados pelo CPqD no Instituto Nacional da Propriedade Industrial

(INPI), no primeiro semestre de 2014.


86 Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 9, n. 2, p. 85-110, jul./dez. 2013

1 Resumos dos pedidos de patente depositados no INPI no primeiro semestre de 2014 (de 1o janeiro a 30 de junho).

(54) DISPOSITIVO ROTEADOR AD-HOC MESH COGNITIVO.

Dados do pedido: (21) BR 10 2014 00006 2 (22) 02/01/2014 (57) DISPOSITIVO ROTEADOR AD-HOC MESH COGNITIVO (1) CAPAZ DE PROVER ACESSO À INTERNET PARA DISPOSITIVOS BASEADOS NA TECNOLOGIA IEEE 802.11 B/G/N/AC/AH, POR MEIO DO ESPECTRO DE FREQUÊNCIA LICENCIADO. A INVENÇÃO SE DESTACA PELA COMUNICAÇÃO NESTE ESPECTRO NÃO INTERFERIR NOS SINAIS ENVIADOS POR DISPOSITIVOS QUE DETÊM A LICENÇA DO ESPECTRO NEM RECEBER INTERFERÊNCIA DE OUTRAS REDES. ATRAVÉS DO SISTEMA DE RÁDIO COGNITIVO E DO MÉTODO DE GERENCIAMENTO DE NÓS PARA REDES AD HOC COGNITIVAS, GEROU-SE UM PRODUTO CONSTITUÍDO DE UM ROTEADOR MESH COGNITIVO (1) - RMC, CAPAZ DE REPASSAR DADOS (3A)(3B) ORIUNDOS DE DISPOSITIVOS (2) BASEADOS NA TECNOLOGIA WIFI EM 2,4 GHZ (4), ATRAVÉS DE UM CANAL DE COMUNICAÇÃO SEM FIO (3A) LICENCIADO (ATÉ 6 GHZ), SEM INTERFERÊNCIA DE OUTRAS REDES. SEGUNDO ESTES PRECEITOS, A PLATAFORMA DE RDS (1C) É TAMBÉM CAPAZ DE ADAPTAR-SE DE FORMA MULTI-RAT E SERVIR DE MÉDIUM PARA DIVERSOS TIPOS DE SISTEMAS DE COMUNICAÇÃO RÁDIO BASE SEM FIO. (72) Ricardo Seiti Yoshimura / Juliano João Bazzo / Fabrício Lira Figueiredo / Dick Carrillo Melgarejo / Fabiano Silva Mathilde.



(54) SISTEMA DE MONITORAMENTO REMOTO DE EQUIPAMENTOS DE SUBESTAÇÕES DE ENERGIA ELÉTRICA ATRAVÉS DE REDES DE SENSORES SEM FIO.

Dados do pedido: (21) BR 10 2014 001218 4 (em cotitularidade com a Cemig Geração e Transmissão S.A.) (22) 17/01/2014 (57) A PRESENTE PATENTE DE INVENÇÃO REFERE-SE A SISTEMA DE MONITORAMENTO REMOTO DE EQUIPAMENTOS DE SUBESTAÇÕES DE ENERGIA ELÉTRICA ATRAVÉS DE REDES DE SENSORES SEM FIO QUE SÃO SUSTENTÁVEIS DO PONTO DE VISTA OPERACIONAL, OU SEJA, A ENERGIA ELÉTRICA PARA O FUNCIONAMENTO DO SENSOR SEM FIO É CAPTADA PELO PRÓPRIO AMBIENTE, COMO LUZ, CAMPO MAGNÉTICO OU VIBRAÇÕES. OS SENSORES SEM FIO SÃO CAPAZES DE RECEBER SINAIS DE TRANSDUTORES EM UMA AMPLA FAIXA DE TENSÃO E APRESENTAM LEITURA PROVIDA DE CONFIABILIDADE, COMO VALOR EFICAZ VERDADEIRO, DE PICO E MÉDIO, EXTRAÍDOS DO SINAL DO TRANSDUTOR, LEITURA ESSA ISENTA DA INTERFERÊNCIA DAS CONDIÇÕES DO MEIO AMBIENTE VIZINHO. OS SENSORES PODEM SER INSTALADOS NOS LOCAIS ONDE A GRANDEZA MONITORADA ESTÁ DISPONÍVEL, E INDEPENDENTEMENTE DO POTENCIAL ELÉTRICO DESTE LOCAL, OS SENSORES SÃO IMUNES AOS CAMPOS ELETROMAGNÉTICOS PRESENTES NO SEU LOCAL DE INSTALAÇÃO. A INSERÇÃO OU PERDA DE UM SENSOR SEM FIO NA REDE DE SENSORES QUE COMPÕEM O SISTEMA DE MONITORAMENTO DOS EQUIPAMENTOS DA SUBESTAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA APRESENTA FACILIDADE, AGILIDADE E REDUZIDO CUSTO, OCORRENDO PREFERENCIALMENTE DE FORMA AUTOMÁTICA, PERMITINDO SUA IMEDIATA IDENTIFICAÇÃO E A RECONFIGURAÇÃO AUTOMÁTICA DA REDE PELO PROTOCOLO UTILIZADO PELA REDE SEM FIO. (72) Ricardo Seiti Yoshimura / Juliano João Bazzo / Fabrício Lira Figueiredo / Dick Carrillo Melgarejo / Fabiano Silva Mathilde.



(54) DISPOSITIVO E MÉTODO PARA INSPEÇÃO DE CABOS DE ALUMÍNIO COM ALMA DE AÇO (CAA) INSTALADAS EM LINHAS DE ENERGIA ELÉTRICA ENERGIZADAS.

Dados do pedido: (21) BR 10 2014 001821 2 (em cotitularidade com a Light Serviços de Eletricidade S.A.) (22) 24/01/2014 (57) A PRESENTE INVENÇÃO SE REFERE A UM DISPOSITIVO E A UM MÉTODO PARA INSPEÇÃO DE CABOS DE ALUMÍNIO COM ALMA DE AÇO (CAA) INSTALADOS EM LINHAS DE ENERGIA ELÉTRICA ENERGIZADAS, OS QUAIS UTILIZAM A TÉCNICA ECT (EDDY CURRENT TESTING) PARA AVALIAR A ESPESSURA REMANESCENTE DA CAMADA DE ZINCO QUE RECOBRE OS FIOS DE AÇO DOS CABOS INSPECIONADOS, ONDE AS LEITURAS DA TENSÃO DO SOLENOIDE DE DETECÇÃO E DA CORRENTE DO SOLENOIDE DE EXCITAÇÃO SÃO REALIZADAS DURANTE A PASSAGEM POR ZERO DA CORRENTE DO CONDUTOR, OS PARÂMETROS ELÉTRICOS DO CONDUTOR SÃO CORRIGIDOS PARA A SUA TEMPERATURA MEDIDA DURANTE A INSPEÇÃO E O SINAL DO SOLENOIDE DE DETECÇÃO É FILTRADO POR UM CIRCUITO HÍBRIDO QUE VISA AUMENTAR A SENSIBILIDADE DA MEDIÇÃO. (72) Célio Fonseca Barbosa /Flávio Eduardo Nallin / Raphael Nunes de Souza.



(54) ROBÔ PARA INSPEÇÃO DE CABOS DE LINHAS DE TRANSMISSÃO ENERGIZADAS.

Dados do pedido: (21) BR 20 2014 001940 0 (em cotitularidade com a Light Serviços de Eletricidade S.A.) (22) 27/01/2014 (57) A PRESENTE INVENÇÃO SE REFERE A UM ROBÔ PARA INSPEÇÃO DE CABOS DE LINHAS DE TRANSMISSÃO ENERGIZADAS QUE COMPREENDE UM PAR DE ROLETES GUIA SITUADOS EM CADA FACE DO ROBÔ PARA GUIAR O CONDUTOR PARA A SUA POSIÇÃO JUNTO ÀS POLIAS QUE SUSTENTAM O SEU PESO E PROMOVEM O SEU DESLOCAMENTO; UM EIXO DE ROSCA-SEM-FIM E MOLAS QUE COMPRIMEM OS ROLETES-GUIA CONTRA O CONDUTOR; EM QUE O AFASTAMENTO ENTRE OS ROLETES GUIA É PREVIAMENTE AJUSTADO ATRAVÉS DE UM DISCO QUE ACIONA UM MECANISMO DE ROSCA-SEM-FIM, VISANDO COMPATIBILIZAR A SUA ABERTURA EM A BITOLA DO CONDUTOR QUE SERÁ INSPECIONADO; E UM MECANISMO ACOPLADO AO OLHAL DE IÇAMENTO, EM QUE, AO PUXAR ESTE OLHAL, O SENSOR ABRE PARA RECEBER O CONDUTOR E AO APOIAR O ROBÔ SOBRE O CONDUTOR E AFROUXAR O OLHAL, UMA MOLA FORÇA O SENSOR PARA A SUA POSIÇÃO DE FECHADA. (72) Célio Fonseca Barbosa / Flávio Eduardo Nallin / Raphael Nunes de Souza / José Benedito Costa Araújo / Haroldo César Sant'Anna da Silva / Márcio Luiz Lima Penna.



(54) CONVERSOR DE FORMATOS DE MODULAÇÃO NQAM BASEADO EM POLARIZAÇÃO DE LUZ E SEU RESPECTIVO MÉTODO.

Dados do pedido: (21) BR 10 2014 003337 8 (22) 12/02/2014 (57) A PRESENTE INVENÇÃO REFERE-SE A UM CONVERSOR DE FORMATOS DE MODULAÇÃO E SEU RESPECTIVO MÉTODO CAPAZ DE PROVER A PARTIR DE UM SINAL ÓPTICO DE ENTRADA MODULADO EM DP-M/KQAM UM SINAL ÓPTICO DE SAÍDA MODULADO EM SP-NQAM, ONDE N>M E N>K, PARA N, K E M NÚMEROS INTEIROS, PARES, COM RAÍZES INTEIRAS. A DITA INVENÇÃO É BASEADA EM POLARIZAÇÃO DA LUZ E CONSISTE EM UM APARATO CONSTITUÍDO POR UM CONTROLADOR DE POLARIZAÇÃO, UM POLARIZADOR E UM SISTEMA DE CONTROLE REALIMENTADO CAPAZ DE AJUSTAR O ESTADO DE POLARIZAÇÃO DO SINAL ÓPTICO INCIDENTE DE ACORDO COM A MODULAÇÃO QUE SE DESEJA NO SINAL ÓPTICO DE SAÍDA. SEU CAMPO DE APLICAÇÃO É EM COMUNICAÇÕES ÓPTICAS, ESPECIALMENTE EM SISTEMAS ÓPTICOS EM QUE SEJA DESEJÁVEL ATINGIR FORMATOS DE MODULAÇÃO AVANÇADOS SEM NECESSITAR O EMPREGO DE SINAIS ELÉTRICOS MULTINÍVEIS, POR EXEMPLO, GERAR UM SINAL MODULADO EM SP-256QAM UTILIZANDO APENAS UM SINAL DP-16QAM. (72) Carolina Franciscangelis / Luís Henrique Hecker de Carvalho / Neil Guerrero González / Júlio César Rodrigues Fernandes de Oliveira / Edson Porto da Silva.



(54) ARQUITETURA E MÉTODO PARA CÁLCULO DOS VETORES Q EM CÓDIGOS EFEC.

Dados do pedido: (21) BR 10 2014 003615 6 (titularidade da Padtec S/A, empresa do Universo CPqD, com participação de inventores do CPqD) (22) 17/02/2014 (57) ARQUITETURA E MÉTODO PARA CÁLCULO DOS VETORES Q EM CÓDIGOS EFEC PARA REDES OTN SEGUNDO PROPOSTO NO ANEXO 1.9 DO DOCUMENTO ITU-T RECOMMENDATION G.975.1 (2004), MEDIANTE COMBINAÇÃO DOS DADOS DE UMA PRIMEIRA MATRIZ DENOMINADA BBB-LEFT COM OS DADOS DE UMA SEGUNDA MATRIZ DENOMINADA PSUM, A QUAL DEPENDE DE DADOS PROVENIENTES DE ESTÁGIOS ANTERIORES A DITO CÁLCULO, COMPREENDENDO UMA PRIMEIRA E UMA SEGUNDA MEMÓRIAS ARMAZENANDO, RESPECTIVAMENTE, DADOS DE PSUM E DADOS DE BBB-LEFT, CONECTADAS RESPECTIVAMENTE A UMA PRIMEIRA E A UMA SEGUNDA ENTRADAS DE PELO MENOS UM MÓDULO DE CÁLCULO DE VETORES Q (801, 901, 902) ATRAVÉS DE BARRAMENTOS DE 32 BITS, DITO PELO MENOS UM MÓDULO DE CÁLCULO (801, 901, 902) COMPREENDENDO NUVENS COMBINACIONAIS BEM COMO ELEMENTOS ROL DE DESLOCAMENTO DAS 32 POSIÇÕES DOS BITS DE BBB-LEFT. (72) Luiz Juberto Rossi de Jesus / Diego Brito de Carvalho.



(54) SISTEMA DE LACRE ELETRÔNICO SEGURO PARA PLACAS VEICULARES.

Dados do pedido: (21) BR 10 2014 003809 4 (em cotitularidade com Jinkings Representações Ltda. e José Domingos Favoretto Júnior) (22) 18/02/2014 (57) SISTEMA DE LACRE ELETRÔNICO SEGURO PARA PLACAS VEICULARES COMPREENDENDO UM MÓDULO (10) DE LACRE ELETRÔNICO QUE INCORPORA EM SEU INTERIOR UM CHIP DOTADO DE MEMÓRIA, ANTENA E APLICATIVOS DE SEGURANÇA, ENCAPSULADO EM MATERIAL IMPERMEÁVEL E RESISTENTE À INTEMPÉRIE E POSSUINDO MEIOS DE FIXAÇÃO (11, 12, 13) À PLACA DE LICENÇA (14) EXISTENTE NO VEÍCULO, DITOS APLICATIVOS DE SEGURANÇA COMPREENDENDO UM SOFTWARE QUE PERMITE A GRAVAÇÃO DE INFORMAÇÕES UMA ÚNICA VEZ E UM SOFTWARE QUE RESTRINGE O ACESSO A DETERMINADAS INFORMAÇÕES CONTIDAS NA MEMÓRIA, DITO ACESSO SENDO LIBERADO MEDIANTE UMA CHAVE FORNECIDA A UM DISPOSITIVO DE LEITURA NO ATO DE SEU REGISTRO JUNTO AO ÓRGÃO DE CONTROLE DE TRÂNSITO (DETRAN). (72) Clóvis Magri Cabreira / Claudinei Martins / José Domingos Favoretto Júnior / Fred Halen Cruz Jinkings.



(54) ARQUITETURA DE HARDWARE DE UM CONVERSOR DIGITAL DE FREQUÊNCIAS DE USO GERAL.

Dados do pedido: (21) BR 10 2014 006024 3 (22) 14/03/2014 (57) “ARQUITETURA DE HARDWARE DE UM CONVERSOR DIGITAL DE FREQUÊNCIAS DE USO GERAL”, A PRESENTE INVENÇÃO SE APLICA AO CAMPO DAS TELECOMUNICAÇÕES, MAIS ESPECIFICAMENTE À ENGENHARIA DE HARDWARE, NO REFERENTE A TRANSMISSORES DIGITAIS. MAIS ESPECIFICAMENTE, PROPÕE A ARQUITETURA DE HARDWARE DE UM CONVERSOR DIGITAL DE FREQUÊNCIAS DE USO GERAL TOTALMENTE BASEADO EM HARDWARE RECONFIGURÁVEL, PARTICULARMENTE FPGAS, E QUE UTILIZA APENAS RECURSOS LÓGICOS BÁSICOS ENCONTRADOS EM QUALQUER MARCA E MODELO, INCLUINDO ESTA ARQUITETURA UM FILTRO POLIFÁSICO (1B); UM MULTIPLICADOR COMPLEXO (2B), E UM OSCILADOR EM QUADRATURA (3B). A FIG. 2 MOSTRA A ARQUITETURA DO DUC PROPOSTO NESTA PATENTE. COMO PODE SER VISTO, O DUC TEM DOIS CAMINHOS DE ENTRADA IDÊNTICOS, UM PARA A ENTRADA I, CONHECIDA COMO SINAL EM FASE, E OUTRA PARA A ENTRADA Q, CONHECIDA COMO SINAL EM QUADRATURA. POR ESTA RAZÃO, O DUC AQUI PROPOSTO TAMBÉM É REFERIDO COMO UM DUC COMPLEXO. O SINAL DE ENTRADA PASSA INICIALMENTE ATRAVÉS DE UM FILTRO POLIFÁSICO (1B) QUE REALIZA DUAS TAREFAS IMPORTANTES: AUMENTO DA TAXA DE AMOSTRAGEM DO SINAL DE ENTRADA E FILTRAGEM DAS IMAGENS GERADAS PELA INTERPOLAÇÃO DO SINAL. OU SEJA, APÓS A MUDANÇA DA TAXA DE AMOSTRAGEM, O SINAL COMPLEXO É UTILIZADO PARA MODULAR UMA EXPONENCIAL COMPLEXA GERADA PELO OSCILADOR EM QUADRATURA. O PROCESSO DE MODULAÇÃO É EXECUTADO PELO BLOCO CHAMADO DE MULTIPLICADOR COMPLEXO (2B). O RESULTADO DO BLOCO MULTIPLICADOR COMPLEXO (2B) É UM SINAL COM ESPECTRO DE FREQUÊNCIA CENTRADO NA FREQUÊNCIA DESEJADA, ISTO É, A FREQUÊNCIA GERADA PELO OSCILADOR EM QUADRATURA (3B), ƒ0’. (72) Felipe Augusto Pereira de Figueiredo / Fabiano Silva Mathilde / Fabbryccio Akkazzha Chaves Machado Cardoso / Rafael Mendes Vilela.



(54) MÉTODO AUTOMÁTICO DE GERAÇÃO DE CÓDIGO HDL A PARTIR DE DOCUMENTAÇÃO.

Dados do pedido: (21) BR 10 2014 007190 3 (22) 26/03/2014 (57) “MÉTODO AUTOMÁTICO DE GERAÇÃO DE CÓDIGO HDL A PARTIR DE DO-CUMENTAÇÃO” REPRESENTADO POR UMA SOLUÇÃO INVENTIVA NO CAMPO DE APLICAÇÃO DE TELECOMUNICAÇÕES MÓVEIS, ONDE É APRESENTADO UM NOVO MÉTODO PARA CRIAÇÃO DE CÓDIGOS HDL QUE IMPLEMENTAM PROTOCOLOS DE COMUNICAÇÃO ENTRE MÓDULOS DE PROCESSAMENTO DE ALTO DESEMPENHO, ONDE ESSE MÉTODO AUTOMATIZA GRANDE PARTE DA CODIFICAÇÃO HDL ATRAVÉS DO PROCESSAMENTO DA DOCUMENTAÇÃO GERADA NA FASE DE PLANEJAMENTO DO PROJETO, FACILITANDO TANTO A CRIAÇÃO QUANTO A POSTERIOR MANUTENÇÃO DOS CÓDIGOS, SENDO QUE PARA SÃO INTRODUZIDAS AO MÉTODO CONVENCIONAL DUAS ETAPAS DISTINTIVAS, SENDO UMA PRIMEIRA ETAPA (1) DE DEFINIÇÃO DO DOCUMENTO DE ESTILO DE CODIFICAÇÃO HDL, QUE MANTÊM OS CÓDIGOS GERADOS POR SCRIPTS DE AUTOMAÇÃO ESPECIFICANDO REGRAS E DIRETRIZES ADOTADAS DURANTE A SEGUNDA ETAPA, DEFINIDA COMO ETAPA DE CODIFICAÇÃO AUTOMÁTICA HDL (E2) QUE OBEDECE OS PASSOS DE IDENTIFICAR E DEFINIR TAREFAS BÁSICAS E REPETITIVAS; CRIAR FUNÇÕES QUE GERAM CÓDIGOS PARA AS TAREFAS BÁSICAS E REPETITIVAS E CRIAR FUNÇÕES QUE FAÇAM A LEITURA E ANÁLISE DE TABELAS. (72) Felipe Augusto Pereira de Figueiredo / Fabiano Silva Mathilde / Fabbryccio Akkazzha Chaves Machado Cardoso / Rafael Mendes Vilela / José Arnaldo Bianco Filho.



(54) MÉTODO E SISTEMA PARA EXTRAÇÃO E APRESENTAÇÃO DE INFORMAÇÕES DE E-MAILS PARA SUPERVISÃO DE SISTEMAS E PROCESSOS REMOTOS.

Dados do pedido: (21) BR 10 2014 007648 4 (22) 28/03/2014 (57) MÉTODO E SISTEMA PARA EXTRAÇÃO E APRESENTAÇÃO DE INFORMAÇÕES DE E-MAILS PARA SUPERVISÃO DE SISTEMAS E PROCESSOS REMOTOS, QUE SUPERVISIONAM REMOTAMENTE SISTEMAS, APLICATIVOS DE SOFTWARE, EQUIPAMENTOS E PROCESSOS (ELEMENTOS-ALVO) EM EMPRESAS QUE POSSUEM OU NÃO SEVERAS RESTRIÇÕES À SEGURANÇA DA INFORMAÇÃO. A ARQUITETURA DA INVENÇÃO É COMPOSTA, BASICAMENTE, POR UM MONITOR LOCAL (1) E UM MONITOR REMOTO (2). O MONITOR LOCAL (1) FICA INSTALADO NO AMBIENTE DO CLIENTE, SUPERVISIONA LOCALMENTE OS ELEMENTOS-ALVO E ENVIA E-MAILS SOBRE OS EVENTOS COM SUSPEITA DE ANORMALIDADE NESSES ELEMENTOS-ALVO PARA UMA CONTA CORPORATIVA. O MONITOR REMOTO (2) ACESSA CONTINUAMENTE ESSA CONTA DE E-MAILS CORPORATIVA, SELECIONA O CONTEÚDO DESSES E-MAILS DE FORMA INTELIGENTE, E ORGANIZA E APRESENTA OS EVENTOS SIGNIFICATIVOS AOS SUPERVISORES EM TEMPO REAL. O MONITOR REMOTO (2) PODE SER EXECUTADO EM COMPUTADORES DE GRANDE PORTE, DESKTOPS, PCS, E EM DISPOSITIVOS MÓVEIS DE PEQUENO PODER DE PROCESSAMENTO COMO SMART PHONES, TABLETS ETC. A UTILIZAÇÃO DO MONITOR REMOTO (2) EM DISPOSITIVOS MÓVEIS POSSIBILITA O RECEBIMENTO DE INFORMAÇÕES SOBRE ALARMES EM QUALQUER TEMPO E LUGAR, INCLUSIVE EM TELEFONES CELULARES, POR EXEMPLO, AGILIZANDO TOMADAS DE DECISÕES E ELEVANDO O NÍVEL DA QUALIDADE DESSAS SUPERVISÕES REMOTAS. (72) Oclair Gallacini Prado.

ServidorE-mail

Figura 3

2

Monitor Remoto

Organizadorde Resultados

Recuperadorde Alarmes

SeletorInteligente

1

Monitor Local

Supervisor

AtualizadorAutomático

DetectorAutomático

DisparadorAutomático

11

12

13

14

21

22

23



(54) SISTEMA E MÉTODO PARA DETERMINAR TEMPERATURA E DEFORMAÇÃO DE FORMA DISTRIBUÍDA EM UMA ÚNICA FIBRA ÓPTICA.

Dados do pedido: (21) BR 10 20140 10258 2 (22) 29/04/2014 (57) SISTEMA E MÉTODO PARA DETERMINAR TEMPERATURA E DEFORMAÇÃO DE FORMA DISTRIBUÍDA EM UMA ÚNICA FIBRA ÓPTICA UTILIZANDO UMA FONTE DE RADIAÇÃO A LASER (500, 700) OPERANDO EM DIVERSOS COMPRIMENTOS DE ONDA (LI) EM UMA ÚNICA BANDA ÓPTICA, CUJO SINAL É DIVIDIDO EM DUAS PARTES POR UM ACOPLADOR ÓPTICO (505, 710) CONECTADO À SAÍDA DE DITA FONTE DE RADIAÇÃO A LASER REGISTRANDO OS VALORES DOS DESLOCAMENTOS BRILLOUIN, E, DESSE SINAL E RESOLVENDO CONJUNTOS DE EQUAÇÕES RELACIONANDO CADA DESLOCAMENTO BRILLOUIN COM OS COEFICIENTES DE TEMPERATURA E DE DEFORMAÇÃO E VARIAÇÕES DE TEMPERATURA E DEFORMAÇÃO, A PARTIR DOS PARES DE COMPRIMENTOS DE ONDA DE BOMBEIO OU ATRAVÉS DE UM ÚNICO SISTEMA DE EQUAÇÕES A PARTIR DOS COMPRIMENTOS DE ONDA DE BOMBEIO. (72) Cláudio Florídia / Felipe Lima dos Reis Marques / João Paulo Vicentini Fracarolli / Ulysses Rondina Duarte / João Batista Rosolem.



(54) DISPOSITIVO SENSOR E SISTEMA DE FIBRA ÓPTICA DE MEDIÇÃO DE VOLUME DE LÍQUIDO.

Dados do pedido: (21) BR 10 2014 010393 7 (22) 30/04/2014 (57) DISPOSITIVO SENSOR E SISTEMA DE FIBRA ÓPTICA DE MEDIÇÃO DE VOLUME DE LÍQUIDO CONTIDO NUM RESERVATÓRIO (190) COMPREENDENDO UMA FIBRA ÓPTICA (130) MERGULHADA VERTICALMENTE NO LÍQUIDO E TENDO SUA EXTREMIDADE DISTAL, INFERIOR, SUBSTANCIALMENTE COINCIDENTE COM O FUNDO DO RESERVATÓRIO, DITA FIBRA ÓPTICA ATRAVESSANDO UM CANAL SUBSTANCIALMENTE VERTICAL (121, 122, 123) PROVIDO NO INTERIOR DE UM FLUTUADOR (100) SOBRENADANDO NA SUPERFÍCIE DO LÍQUIDO (110), DITA FIBRA TENDO UMA DEFORMAÇÃO LOCALIZADA, PROVIDA PELA PRESSÃO DE MEIOS DEFORMADORES DA FIBRA (141, 142, 143) INSTALADOS DENTRO DE DITO FLUTUADOR EM POSIÇÃO SUBSTANCIALMENTE COINCIDENTE COM A SUPERFÍCIE DO LÍQUIDO. A PROFUNDIDADE DO LÍQUIDO DENTRO DO TANQUE É DETERMINADA POR MEIO DE REFLECTOMETRIA ÓPTICA REALIZADA POR UM OTDR (210) CONECTADO À EXTREMIDADE PROXIMAL DE DITA FIBRA ÓPTICA, SENDO A POSIÇÃO DE DITA DEFORMAÇÃO, COINCIDENTE COM A SUPERFÍCIE DO LÍQUIDO NO TANQUE, INDICADA NA TELA DO EQUIPAMENTO OTDR (210) MEDIANTE UM DEGRAU (220) NO GRÁFICO DE ATENUAÇÃO DO SINAL ÓPTICO PELA DITA FIBRA. (72) Ariovaldo Antônio Leonardi / João Batista Rosolem / João Paulo Vicentini Fracarolli / Cláudio Florídia / Rivael Strobel Penze / Fábio Renato Bassan / Marcos Antônio Brandão Sanches.



(54) SISTEMA E APARATO DE VÍDEO MONITORAMENTO E SENSORIAMENTO POR IMAGENS E DADOS ALIMENTADO POR FIBRA ÓPTICA PARA LONGAS DISTÂNCIAS.

Dados do pedido: (21) BR 10 2014 011106-9 (em cotitularidade com a Cemig Geração e Transmissão S.A.) (22) 08/05/2014 (57) Sistema e Aparato de Vídeo Monitoramento e Sensoriamento por Imagens e Dados Alimentado por Fibra Óptica para Longas Distâncias O sistema (1) proposto na presente invenção compreende uma unidade de controle (3) que transmite via fibra óptica uma energia óptica de alimentação e sinais de telecomando (5) destinada a alimentar um aparato de sensoriamento remoto (9), que capta dados de sensoriamento e os transmite em sinais ópticos (11) via fibra óptica de volta para a unidade de controle (3), onde os ditos sinais ópticos (11) são recebidos e processados. O sistema pode conter uma única fibra óptica (8) ou então duas fibras ópticas distintas (7 e 13), conforme adaptações feitas na unidade de controle (3). O aparato (9) proposto nesta invenção é utilizado pelo sistema (1) e é constituído por componentes de tal modo a prover meios para: receber uma potência óptica de alimentação por meio de uma fibra óptica; converter a potência óptica em tensão elétrica; armazenar a energia elétrica convertida por meio do uso de capacitores e/ou baterias; controlar o tempo de carregamento e descarregamento dos capacitores e/ou baterias; sensoriar e capturar dados, por meio de um ou mais sensores/aparatos em conjunto, preferencialmente câmera de vídeo. (72) Ariovaldo Antonio Leonardi / Fábio Renato Bassan / Fernando Rocha Pereira / João Batista Rosolem (DLIR) / Rivael Strobel Penze.



(54) DISPOSITIVO ENCAPSULADOR MECÂNICO PARA SENSOR ÓPTICO DE MEDIÇÃO DE TEMPERATURA DE CABOS CONDUTORES.

Dados do pedido: (21) BR 20 2014 011118-8 (em cotitularidade com a Cemig Geração e Transmissão S.A.) (22) 08/05/2014 (57) DISPOSITIVO ENCAPSULADOR MECÂNICO PARA SENSOR ÓPTICO DE MEDIÇÃO DE TEMPERATURA DE CABOS CONDUTORES O presente modelo de utilidade refere-se a um dispositivo de encapsulamento mecânico de sensor óptico para medição de temperatura de cabos condutores subterrâneos, observando-se determinados requisitos funcionais e técnicos tais como: facilidade e flexibilidade de instalação, critérios rígidos de vedação, integridade mecânica, baixa atenuação por curvatura, tolerância a variações de temperatura e pressão, garantia de contato entre o sensor óptico e o cabo condutor. (72) Caio César dos Reis / Cláudio Antônio Hortêncio / Eduardo Ferreira da Costa / Flávio Borin / Ricardo Zandonay / Rodrigo Peres.



(54) SISTEMA ÓPTICO DE MONITORAMENTO DE TEMPERATURA DE CABOS CONDUTORES SUBTERRÂNEOS.

Dados do pedido: (21) BR 10 2014 011129-8 (em cotitularidade com a Cemig Geração e Transmissão S.A.) (22) 08/05/2014 (57) SISTEMA ÓPTICO DE MONITORAMENTO DE TEMPERATURA DE CABOS CONDUTORES SUBTERRÂNEOS A presente invenção refere-se a um Sistema para realizar medição da temperatura em cabos condutores subterrâneos, com sensores pontualmente distribuídos estrategicamente ao longo da linha para monitorar a condição térmica de cada fase e do meio físico. Mais especificamente, o referido sistema compreende um conjunto de controle e aquisição de dados (1), um equipamento interrogador de sensores FBG (2), múltiplos divisores ópticos (3) em combinação com múltiplos sensores ópticos FBG (4) para medição da temperatura dos cabos e pelo menos um sensor óptico FBG (5) para medição da temperatura do meio físico (solo) em que se encontra o cabo condutor, ditos sensores FBG (4, 5) localizados próximos às seções de monitoramento. As ditas medidas de temperatura são então utilizadas por um software específico do conjunto de controle e aquisição de dados (1) para o cálculo de ampacidade do cabo condutor subterrâneo. (72) Caio César dos Reis / Claudio Antonio Hortêncio / Eduardo Ferreira da Costa / Gustavo H. Sberze Ribas / Ricardo Zandonay / Rodrigo Peres.



(54) ROTACIONADOR E DIVISOR DE POLARIZAÇÃO INTEGRADO COMPATÍVEL COM FABRICAÇÃO EM FOTÔNICA INTEGRADA.

Dados do pedido: (21) BR 10 2014 011997 3 (22) 19/05/2014 (57) ROTACIONADOR E DIVISOR DE POLARIZAÇÃO INTEGRADO COMPATÍVEL COM FABRICAÇÃO EM FOTÔNICA INTEGRADA, QUAL INICIALMENTE SEPARA AS COMPONENTES ORTOGONAIS DE POLARIZAÇÃO TM E TE NA ENTRADA, E DEPOIS REALIZA A CONVERSÃO DA COMPONENTE TM0 PARA TE0. O DISPOSITIVO PROPOSTO, QUE APRESENTA SIGNIFICATIVAS MELHORAS NAS PERDAS DE INSERÇÃO, É CONSTITUÍDO DE VÁRIOS SUBCOMPONENTES: PRIMEIRO A LUZ PROPAGANTE PASSA POR UM CONVERSOR DE POLARIZAÇÃO QUE É CONECTADO AO DIVISOR DE POLARIZAÇÃO, EM SEGUIDA É INSERIDA EM UM ATRASADOR DE FASE QUE INTRODUZ UMA DIFERENÇA DE FASE DE π/2 ENTRE OS DOIS BRAÇOS PARA QUE DEPOIS SEJA CONECTADA AO ACOPLADOR 2X2 MMI (MULTIMODE INTERFERENCE). UMA CARACTERÍSTICA PRIMORDIAL DA PRESENTE INVENÇÃO COMPREENDE O FATO DA POSSIBILIDADE DE FABRICAÇÃO EM UMA ESTRUTURA MONOLÍTICA CONSTRUÍDA SEGUNDO A PLATAFORMA SILICON-ON-INSULATOR – SOI, OU OUTRA PLATAFORMA COM QUE APRESENTE UM ALTO CONTRASTE DE ÍNDICE DE REFRAÇÃO ENTRE O GUIA DE ONDA E O MATERIAL QUE O ENVOLVE. (72) Alexandre Passos Freitas / Fellipe Grillo Peternella / Bernardo de Barros Correia Kyotoku.



(54) DISPOSITIVO ÓPTICO COM SENSOR DE GRADE DE BRAGG PARA MONITORAMENTO MULTIDIRECIONAL DE DEFORMAÇÕES EM ESTRUTURAS E RESPECTIVAS ARQUITETURAS.

Dados do pedido: (21) BR 10 2014 012821 2 (22) 28/05/2014 (57) DISPOSITIVO ÓPTICO COM SENSOR DE GRADE DE BRAGG PARA MONITORAMENTO MULTIDIRECIONAL DE DEFORMAÇÕES EM ESTRUTURAS E RESPECTIVAS ARQUITETURAS, O SENSOR ÓPTICO COM GRADE DE BRAGG PARA MONITORAMENTO MULTIDIRECIONAL DE DEFORMAÇÕES EM ESTRUTURAS TEM POR OBJETIVO REALIZAR O MONITORAMENTO SIMULTÂNEO E COMBINADO DOS DIFERENTES TIPOS DE DEFORMAÇÕES QUE UMA ESTRUTURA ESTÁ SUJEITA, TAIS COMO TRAÇÃO, COMPRESSÃO, TORÇÃO E FLEXÃO. PARA A REALIZAÇÃO DESTA TAREFA, UM TRANSDUTOR UTILIZA UMA ARQUITETURA DE FIBRAS ÓPTICAS ESPECIALMENTE DESENHADAS PARA O ATINGIMENTO DESTE OBJETIVO. ESTA ARQUITETURA SE BASEIA NA FIXAÇÃO DE FIBRAS ÓPTICAS SOBRE UM TUBO METÁLICO, EM QUE A COMBINAÇÃO DAS MEDIÇÕES DAS FIBRAS AXIAIS COM AS FIBRAS TRANSVERSAIS E CENTRAIS FIXADAS ESTRATEGICAMENTE NO TUBO METÁLICO MOSTRAM A FORMA DE DEFORMAÇÃO DA ESTRUTURA, QUANDO O TRANSDUTOR É FIXADO NA MESMA. COMPREENDE UM SENSOR MULTIDIRECIONAL DE NOVE FIBRAS (1) COMPOSTO DE UM TRANSDUTOR CILÍNDRICO METÁLICO (2) A SER FIXADO EM REGIÃO ESTRATÉGICA DA ESTRUTURA A SER MONITORADA, INCLUINDO ESTE TRANSDUTOR METÁLICO (2) UMA FIBRA ÓPTICA CENTRAL (3), FIBRAS TRANSVERSAIS (5) E FIBRAS AXIAIS LATERAIS (6), ESTAS ÚLTIMAS COM GRADE DE BRAGG (4), PARA A REALIZAÇÃO DAS MEDIÇÕES E MONITORAMENTO SIMULTÂNEO E COMBINADO DA DEFORMAÇÃO EM DIFERENTES SENTIDOS E DIREÇÕES, SEGUNDO LÓGICAS DE ARQUITETURA. (72) Caio César dos Reis / Claudio Antônio Hortêncio / Eduardo Ferreira da Costa / Gustavo Henrique Sberze Ribas / Rodrigo Peres.



(54) MÉTODO PARA SOBREVIVÊNCIA DE REDES ÓPTICAS BASEADO EM ATUAÇÕES NO TRANSPONDER.

Dados do pedido: (21) BR 10 2014 013572 3 (22) 05/06/2014 (57) MÉTODO PARA SOBREVIVÊNCIA DE REDES ÓPTICAS BASEADO EM ATUAÇÕES NO TRANSPONDER, OU SEJA, UM MÉTODO PARA GARANTIR A SOBREVIVÊNCIA DE UMA REDE ÓPTICA POR MEIO DA LEITURA DE PARÂMETROS DO SISTEMA NO RECEPTOR E POR ATUAÇÃO EM CONFIGURAÇÕES AVANÇADAS DO TRANSPONDER. A INVENÇÃO É BASEADA EM UM SISTEMA DE CONTROLE QUE COMPREENDE UM MONITOR, UM ANALISADOR DE PARÂMETROS E UM CONTROLADOR, COM O OBJETIVO DE GARANTIR A SOBREVIVÊNCIA DA REDE ÓPTICA. OS PARÂMETROS DE LEITURA SÃO: RELAÇÃO SINAL-RUÍDO ÓPTICA (OSNR) E TAXA DE ERRO DE BITS (BER), E AS CONFIGURAÇÕES DE ATUAÇÃO SÃO: TAXA DE TRANSMISSÃO NO TRANSMISSOR, A POTÊNCIA DE LANÇAMENTO NO TRANSMISSOR E ALGORITMOS DE DSP (COMPENSAÇÃO DE EFEITOS LINEARES/NÃO LINEARES DA FIBRA ÓPTICA). A CONFIGURAÇÃO DESSES PARÂMETROS PERMITE A ADAPTAÇÃO DO TRANSPONDER PARA A OPERAÇÃO EM UM ENLACE ÓPTICO QUALQUER COM A MÁXIMA TAXA ALCANÇÁVEL PELO MESMO NESSE SISTEMA. (72) Carolina Franciscangelis / Luís Henrique Hecker de Carvalho / Neil Guerrero González.



(54) MÉTODO E ARQUITETURA DE CIRCUITO RECONFIGURÁVEL PARA A GERAÇÃO DE SEQUÊNCIAS ZADOFF-CHU NO DOMÍNIO DA FREQUÊNCIA PARA SISTEMAS LTE E LTE-A.

Dados do pedido: (21) BR 10 2014 013681 9 (22) 05/06/2014 (57) MÉTODO E ARQUITETURA DE CIRCUITO RECONFIGURÁVEL PARA A GERAÇÃO DE SEQUÊNCIAS ZADOFF-CHU NO DOMÍNIO DA FREQUÊNCIA PARA SISTEMAS LTE E LTE-A APLICÁVEIS AO PROCESSO DE DETECÇÃO DE ACESSOS ALEATÓRIOS EM CANAIS FÍSICOS DO ENLACE DE SUBIDA DE REDES LTE E LTE-ADVANCED. MAIS ESPECIFICAMENTE, PROPÕE-SE UM MÉTODO E UMA ARQUITETURA DE CIRCUITO RECONFIGURÁVEL PARA GERAÇÃO DE SEQUÊNCIAS ZADOFF-CHU NO DOMÍNIO DA FREQUÊNCIA. TAIS MÉTODO E ARQUITETURA DESTINAM-SE À IMPLEMENTAÇÃO EM DISPOSITIVOS PROGRAMÁVEIS TAIS COMO FPGAS, CPLDS, ASICS, ASIPS, DSPS E CPUS. A INVENÇÃO UTILIZA APENAS RECURSOS LÓGICOS BÁSICOS, INCLUINDO UMA UNIDADE DE CÁLCULO DE ÂNGULO, UMA UNIDADE DE TRADUÇÃO, LUTS PARA INICIALIZAÇÃO, UMA MÁQUINA DE ESTADOS FINITOS, UMA UNIDADE CORDIC E BLOCOS DE COMPLEMENTO 2. (72) Felipe Augusto Pereira de Figueiredo / Fabiano Silva Mathilde / Fabbryccio Akkazzha Chaves Machado Cardoso / Rafael Mendes Vilela.



(54) ARQUITETURA DE CIRCUITO E MÉTODO PARA GERAÇÃO DE SINAIS DE REFERÊNCIA DE DEMODULAÇÃO DO CANAL FÍSICO COMPARTILHADO DO ENLACE DE SUBIDA DE REDES LTE E LTE-ADVANCED.

Dados do pedido: (21) BR 10 2014 013842 0 (22) 06/06/2014 (57) ARQUITETURA DE CIRCUITO E MÉTODO PARA GERAÇÃO DE SINAIS DE REFERÊNCIA DE DEMODULAÇÃO DO CANAL FÍSICO COMPARTILHADO DO ENLACE DE SUBIDA DE REDES LTE E LTE-ADVANCED COMPREENDENDO SEÇÕES PARALELAS DE PROCESSAMENTO DE SINAIS E DE CONFIGURAÇÃO E CONTROLE, INTEGRADO COM MÓDULO DE DEMAPEAMENTO NA DETECÇÃO DO PUSCH, E CONFIGURÁVEL EM INTERVALOS DE TRANSMISSÃO DE 1MS (1 TTI) PARA CADA USUÁRIO MULTIPLEXADO NO PUSCH. DEPENDENDO DA LARGURA DE BANDA, É POSSÍVEL GERAR SINAIS DE REFERÊNCIA PARA ATÉ 100 USUÁRIOS EM UM ÚNICO TTI. EM LINHAS GERAIS, A CADEIA DE PROCESSAMENTO DO MÓDULO DE GERAÇÃO DE DMRS POSSUI UMA ESTRUTURA EM PIPELINE QUE IMPLEMENTA, EM CIRCUITO DIGITAL DEDICADO, COM REPRESENTAÇÃO EM PONTO FIXO, A EXPRESSÃO ANALÍTICA DEFINIDA PELA NORMA 3GPP TS36.211, SEÇÕES 5.5.1 E 5.5.2.1. (72) Felipe Augusto Pereira de Figueiredo / Fabiano Silva Mathilde / Fabbryccio Akkazzha Chaves Machado Cardoso / Rafael Mendes Vilela.



(54) FILTRO DE RF CONFIGURÁVEL IMPLEMENTADO EM FOTÔNICA INTEGRADA.

Dados do pedido: (21) BR 10 2014 014659 8 (22) 16/06/2014 (57) FILTRO DE RF CONFIGURÁVEL IMPLEMENTADO EM FOTÔNICA INTEGRADA, APLICADO AO TRATAMENTO DE SINAIS RF NA FAIXA DAS MICROONDAS E, MAIS PARTICULARMENTE AO PROVIMENTO DE FILTROS DE RF CONFIGURÁVEIS IMPLEMENTADOS EM FOTÔNICA INTEGRADA. O DISPOSITIVO BASEIA-SE EM COMPONENTES ÓPTICOS INTEGRADOS, A SABER, UM LASER UM FILTRO ÓPTICO E UM FOTODETECTOR. O DISPOSITIVO UTILIZA UMA FONTE ÓPTICA INTEGRADA PARA GERAR UMA PORTADORA, A QUAL É MODULADA COM O SINAL DE RÁDIO FREQUÊNCIA QUE SE DESEJA FILTRAR. ESTE SINAL MODULADO, JÁ NO DOMÍNIO ÓPTICO, É FILTRADO COM UM ANEL RESSONADOR ÓPTICO E FINALMENTE O SINAL RESULTANTE É DETECTADO USANDO UM FOTODETECTOR PARA GERAR UM SINAL DE SAÍDA FILTRADO DE RF. (72) Alexandre Passos Freitas / Fellipe Grillo Peternella.



(54) MÉTODO E DISPOSITIVO PARA ALINHAMENTO DE QUADROS DE PROTOCOLO DE COMUNICAÇÃO PARA REDE DE TRANSPORTE ÓPTICO UTILIZANDO FILTRO CASADO.

Dados do pedido: (21) BR 10 2014 014854 0 (22) 17/06/2014 (57) “MÉTODO E DISPOSITIVO PARA ALINHAMENTO DE QUADROS DE PROTOCOLO DE COMUNICAÇÃO PARA REDE DE TRANSPORTE ÓPTICO UTILIZANDO FILTRO CASADO” REPRESENTADO POR UMA SOLUÇÃO INVENTIVA NO CAMPO DA ENGENHARIA DE TELECOMUNICAÇÕES, PODENDO SER UTILIZADO TANTO EM PROJETOS DE ASIC’S QUANTO DE FPGA’S, SENDO PARTICULARMENTE ÚTIL QUANDO APLICADO À TÉCNICA DE ALINHAMENTO DE QUADROS APLICADO A COMUNICAÇÕES DE 100 GBIT/S POR FIBRA ÓPTICA, OU REDES OTN PODENDO AINDA DE SER EMPREGADO NO ALINHAMENTO DE OUTROS TIPOS DE PROTOCOLOS, COMO POR EXEMPLO 10/100GETH, SDH, FIBRE CHANNEL, ETC, TENDO COMO OBJETIVO PRINCIPAL APRESENTAR UM MÉTODO DE PROCESSAMENTO DIGITAL DE SINAIS PARA IDENTIFICAR O CABEÇALHO DE ALINHAMENTO DE UM QUADRO OTN, MÉTODO ESSE APLICÁVEL À ETAPA 61 DE RECEPÇÃO DE SINAIS ÓPTICOS, QUE PASSA A SER EXEQUÍVEL COM A IMPLEMENTAÇÃO DO MÓDULO ALINHADOR COM FILTRO CASADO ESPECIFICADO COM O USO DE FILTRO PADRÃO DE 6 BYTES QUE SE DESEJA ENCONTRAR NO FLUXO DE DADOS RECEBIDO. (72) Arley Henrique Salvador / Luís Renato Monte.



(54) ARQUITETURA DE CIRCUITO E MÉTODO PARA ESTIMAÇÃO DO AJUSTE TEMPORAL DO CANAL FÍSICO COMPARTILHADO DO ENLACE DE SUBIDA DE REDES LTE E LTE-ADVANCED.

Dados do pedido: (21) BR 10 2014 015835 9 (22) 26/06/2014 (57) ARQUITETURA DE CIRCUITO E MÉTODO PARA A ESTIMAÇÃO DE AJUSTE TEMPORAL DO CANAL FÍSICO COMPARTILHADO DO ENLACE DE SUBIDA DE REDES LTE E LTE-ADVANCED COMPREENDENDO UM OU MAIS MÓDULOS DE ESTIMAÇÃO DE AJUSTE TEMPORAL (204) EM ESTRUTURA DE PROCESSAMENTO DIVIDIDA EM PLANO DE CONTROLE QUE REALIZA AS SINALIZAÇÕES DAS INTERFACES DE ENTRADA E DE SAÍDA DE DADOS, E PLANO DE PROCESSAMENTO QUE REALIZA AS OPERAÇÕES DE ESTIMATIVA DO AJUSTE TEMPORAL, EM TEMPO REAL, NO DOMÍNIO DO TEMPO E DA FREQÜÊNCIA, PARA CADA USUÁRIO MULTIPLEXADO NO ENLACE DE SUBIDA. O MÉTODO DA INVENÇÃO UTILIZA O CONHECIMENTO PRÉVIO DE SINAIS DE REFERÊNCIA, MULTIPLEXADOS COM OS DADOS DE USUÁRIO NA TRANSMISSÃO. (72) Fabbryccio Akkazzha Chaves Machado Cardoso / Felipe Augusto Pereira de Figueiredo / Fabiano Silva Mathilde / Rafael Mendes Vilela.



(54) MÉTODO E ARQUITETURA DE CIRCUITO PARA MINIMIZAÇÃO DO DESBALANCEAMENTO ENTRE COMPONENTES I E Q.

Dados do pedido: (21) BR 10 2014 015892 8 (22) 26/06/2014 (57) MÉTODO E ARQUITETURA DE CIRCUITO PARA MINIMIZAÇÃO DO DESBALANCEAMENTO ENTRE COMPONENTES I E Q NA RECEPÇÃO DE SINAIS DIGITAIS COMPREENDENDO A UTILIZAÇÃO DE ALGORITMO GENÉTICO PARA DETERMINAÇÃO DOS VALORES SUB-ÓTIMOS DO ÂNGULO DE ERRO DE FASE (ψ) E MAGNITUDE DO ERRO (α) ENTRE OS COMPONENTES EM FASE (I) E EM QUADRATURA (Q) FORNECIDOS NA SAÍDA DE CONVERSORES ANALÓGICOS/DIGITAIS EXISTENTES. DITOS VALORES SÃO UTILIZADOS PARA CALCULAR OS PARÂMETROS DE CORREÇÃO (A, C, D) UTILIZADOS NUMA MATRIZ DE CORREÇÃO, A QUAL É IMPLEMENTADA POR UM CONJUNTO DE MULTIPLICADORES CADA UM DOS QUAIS TENDO DUAS ENTRADAS, A PRIMEIRA CONSTITUÍDA PELO COMPONENTE EM FASE OU EM QUADRATURA, E A SEGUNDA, POR UM DOS REFERIDOS PARÂMETROS DE CORREÇÃO. (72) Fabbryccio Akkazzha Chaves Machado Cardoso / Felipe Augusto Pereira de Figueiredo / Fabiano Silva Mathilde / Rafael Mendes Vilela.



2 Códigos do INPI para Identificação de Dados Bibliográficos (INID) contidos nos documentos de patentes.

(21) Número do pedido

(22) Data do depósito

(45) Data da concessão da patente

(51) Classificação internacional

(54) Título

(57) Resumo

(72) Nome do inventor

ISS

N 1

809-1

946

www.cpqd.com.br

R. Dr. Ricardo Benetton Martins, s/n

Parque II do Polo de Alta Tecnologia

CEP 13086-902 – Campinas – SP

Automação avançada de redes de distribuição de energia elétrica: metodologia parareconfiguração automáticaLuana L. Martins, Patrícia L. Cavalcante, John F. Franco, Marcos J. Rider, Ariovaldo V. Garcia,Marcos R. R. Malveira, Alexandre Ozelo, Paulo F. S. Carvalho, Geraldo Tadeu Batista

Testes de segurança em smart metersRafael Cividanes, Celso Saraiva, Bruno Botelho, Rafael de Biasi, Nelson Uto, Jefferson Capovilla,Sergio Ribeiro, Christiane Cuculo, Emílio Nakamura, Danilo Suiama, José Francisco Resende

Desenvolvimento de solução híbrida de rede sem fio para aplicação de telemedição – SmartgridLuís Cláudio Palma Pereira, Rogério Botteon Romano, Fabrício Lira Figueiredo, André Luís deSouza, Antônio Augusto Netto de Faria, Fabrício Poloni dos Santos, Maria Luiza Carmona Braga,Moisés dos Santos, William Lima de Souza

Antenas adaptativas e módulos de radiofrequência para redes sem fio banda larga aplicadasà segurança públicaLuís Cláudio Palma Pereira, Leonardo Pezzolo, Daniel Basso Ferreira, Moisés dos Santos,Cristiano Borges de Paula

Redes de acesso banda larga satélite-terrestreOnésimo Ferreira, João Paulo C. L. Miranda

Sobre a aplicação de wavelets para mitigação de interferência banda estreita no LTE downlink João Paulo C. L. Miranda, Dick Carrillo Melgarejo, Fabiano Silva Mathilde, Ricardo Seiti Yoshimura, Felipe Augusto de Figueiredo, Juliano João Bazzo


Cadernos CPqD Tecnologia - cpqd.com.br · Diretoria de Gestão da Inovação Alberto Paradisi...

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