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Planeamento do backhaul de redes móveis utilizando feixes

hertzianos e FSO

Miguel Fernando Fé Rodrigues

Dissertação para obtenção o grau de Mestre em

Engenharia Electrotécnica e de Computadores

Orientadores

Prof. António José Castelo Branco Rodrigues

Prof. Pedro Joaquim Amaro Sebastião

Júri

Presidente: Prof. José Eduardo Charters Ribeiro da Cunha Sanguino

Orientador: Prof. António José Castelo Branco Rodrigues

Vogais: Prof. Francisco António Bucho Cercas

Doutor Ivo Luís de la Cerda Garcia e Sousa

Abril 2015

iii

Dedicado aos meus pais,

pela ajuda e apoio incondicional

v

Agradecimentos

Em primeiro lugar quero agradecer aos Professores António Rodrigues e Pedro Sebastião pela opor-

tunidade que me proporcionaram em escrever esta dissertação, bem como o apoio, a ajuda e motivação

que me deram durante a desenvolvimento da mesma. Foi uma grande experiência da qual levo muitos

conhecimentos para o meu futuro profissional.

Em segundo lugar gostaria de agradecer aos meus colegas de dissertação de mestrado, nomeadamente

ao João Sande Lemos, Manuel Faria, João Diogo Crisóstomo, João António Pereira e Francisco Rosário.

Pelo ambiente construtivo que sempre proporcionaram, aprendizagem colectiva e espírito de entre ajuda

que tiveram durante vários meses.

Não poderia terminar o meu Mestrado sem agradecer a duas instituições para as quais tive o pra-

zer de contribuir: Núcleo de Estudantes de Electrotécnica e de Computadores do IST e as Jornadas de

Engenharia Electrotécnica e de Computadores. Nelas apreendi lições que levo muito para alem da Uni-

versidade e vivi experiências das quais nunca me vou esquecer. Desta forma, gostaria de agradecer a

todos os colegas com os quais tive o privilégio de privar em ambas as organizações e a todos os amigos

que fiz em ambas as etapas.

Penso que é impossível construir um percurso académico sem um bom grupo de amigos com os quais

se possa conta nos bons e maus momentos. Neste sentido quero agradecer ao meu grande amigo Nuno

Deus, ao meu padrinho de praxe Marco Castanho, ao Pedro Gomes, João Pires, Tiago Carreira, Pedro

Ganço, bem como aos meus colegas da "bukkatuna"e "Casa do Povo"pela amizade e companheirismo.

À minha namorada, Clara Matos, pelo ombro amigo, paciência e compreensão em todas as alturas

do meu trajecto.

Por fim mas não menos importante, quero agradecer aos meus pais e à minha irmã, pelo apoio e

suporte que me fizeram chegar até aqui. Sem eles tudo o resto seria completamente impossível.

A todos vós, por isto e muito mais, obrigado.

vi AGRADECIMENTOS

vii

Resumo

A evolução dos serviços de comunicações móveis tem vindo a possibilitar débitos binários cada vez

maiores aos utilizadores. Tecnologias como LTE possibilitam downlink de 300 Mbps a cada utilizador, o

que proporciona uma excelente experiência de serviço. Em contrapartida, isto exige uma compromisso

acrescido por parte do Backhaul que suporta estes serviços. Esta dissertação pretende dar resposta a este

problema, fazendo um estudo comparativo entre duas tecnologias de comunicação ponto-a-ponto: Feixes

Hertzianos (Mini-links), e Free Space Optical (FSO).

Inicialmente é feito um levantamento dos requisitos de uma ligação Backhaul que suporta simul-

taneamente 2G, 3G e 4G, seguido do projecto aprofundado de Mini-links e FSO. Posteriormente são

analisados critérios de qualidade a assumir para uma e outra tecnologia.

De forma a conceber um planeamento rigoroso, é desenvolvido um algoritmo implementado em

Matlab que mediante inúmeros equipamentos de diferentes fabricantes, analisa-os em função da ligação

a ser projectada calculando a margem, relação sinal-ruído e Bit Error Rate que cada um permite alcançar.

Recorrendo ao CAPEX e OPEX de cada solução tecnológica, bem como a diversos cenários de particular

interesse em Backhaul, conclui-se sobre qual o melhor equipamento para ambientes rurais ou urbanos,

assim como as vantagens de adaptar o débito binário em função da densidade de tráfego móvel.

Palavras Chave: FSO, Backhaul, Feixes Hertzianos, CAPEX, OPEX

viii RESUMO

ix

Abstract

The evolution of mobile communication services has allowed increasingly larger binary outputs. Te-

chnologies such as LTE allow a downlink of 300 Mbps per user, which provides good service experience,

however, it requires greater capacity by the Backhaul supporting these services. This dissertation aims to

solve this problem, through the comparison of two point-to-point communication technics: microwave

Mini-Links and Free Space Optics.

Initially, it is described the Backhaul features for links which support at the same time 2G, 3G and

4G, then, microwaves and free space optics are deeply explored. After this approach, Quality criteria are

addressed for both technologies.

To achieve a strait planning, an algorithm is developed and implemented in Matlab which, for diffe-

rent links, computes the margin, signal-noise relationship and bit error rate for each equipment available

from several manufactures. Analysing CAPEX and OPEX for each solution, in different case studies, it

is established which is the best equipment for rural and urban environments, as well as the advantages in

adjusting the bit rate to the mobile traffic density.

Keywords: FSO, Backhaul, Microwaves Radio Links, CAPEX, OPEX

x ABSTRACT

xi

Índice

xii ÍNDICE

xiii

Lista de Figuras

xiv LISTA DE FIGURAS

xv

Lista de Tabelas

xvi LISTA DE TABELAS

xvii

Lista de Acrónimos

Acrónimo Descrição

1G Primeira Geração2G Segunda Geração3G Terceira Geração4G Quarta GeraçãoATT American Telephone and TelegraphAPD Avalanche Photo DetectorBBER Background Block Error RatioBER Bit Error RatioBS Estação BaseBSC Base Station ControlerCAPEX Capital ExpenditureEDGE Enhanced Data for GSM EvolutionERSE Entidade Reguladora de Serviços de EnergiaESR Errored Second RatioFDMA Frequence Division Multiple AccessFDPC Função Densidade de Probabilidade CumulativaFH Feixes HertzianosFO Fibras ÓpticasFSO Free Space OpticsGSM Global System for Mobile CommunicationsGPRS General Packet Radio ServiceHSPA+ High Speed Packet Access (plus)ICNIRP International Comission on Non-Ionizing Radiation ProtectionIDU InDoor UnitIPMA Instituto Português do Mar e da AtmosferaLASER Light Amplification by Stimulated Emission of RadiationLED Light Emitting DiodeLoS Line of SightLTE Long Term EvolutionLTE-A Long Term Evolution AdvancedMPE Maximum Permissible ExposureMTBF Mean Time Between FailuresMTTR Mean Time To RepairODU OutDoor UnitOMS Organização Mundial de SaúdeOOK On-Off KeyingOOK-NRZ On-Off Keying No Return to ZeroOOK-RZ On-Off Keying Return to ZeroOPEX Operational Expenditure

xviii LISTA DE ACRÓNIMOS

PAM Pulse Amplitude ModulationPDF Função Densidade de ProbabilidadePPM Pulse Position ModulationQAM Quadrature Amlitude ModulationRBER Residual Bit Error RateRH Relative HumiditySESR Severely Errored Second RatioSNR Relação Sinal RuídoTDMA Time Division Multiple AccessTM Terminais MóveisUMTS Universal Mobile Telecommunications System

xix

Lista de Símbolos

Símbolo Designação

∆ f Diferença de frequências entre portadorasΘ Ângulo de abertura do emissor FSOα1 Numero de erros por rajada para 10−3 > ber > bersesr, entre 10 e 30α2 Numero de erros por rajada para bersesr > ber > rber, entre 1 e 10α3 Numero de erros por rajada para ber < rber sempre 1.αs Coeficiente de atenuação devida à neveαw Coeficiente de atenuação devida à chuvaβi Constante para o modelo de propagação FSOγabs Atenuação especifica devido à absorção atmosféricaγo0 Coeficientes de atenuação do oxigénioγr Coeficiente de atenuação da chuvaγsnow Atenuação especifica devido à Neveγw0 Coeficientes de atenuação do vapor de águaηa Rendimento da antenaηPIN Rendimento do receptor ópticoθ Ângulo entre a direcção do vento, e raio ópticoλ Comprimento de Ondaνo Frequência Ópticaν Porção de obstáculo penetrante no elipsoide de Fresnelρ Humidade Absolutaσ2

χ Variância da cintilaçãoτrain Dispersão atmosférica em FSO devido à presença de chuvaτs Dispersão atmosférica em FSOυ0 Frequência ÓpticaAabs Atenuação causada pela absorção atmosféricaAi Constante para o modelo de propagação FSOA f og Atenuação causada pelo NevoeiroAgl Atenuação Geométrica em FSOAo Atenuação de espaço livre em Feixes HertzianosAol Atenuação devida a ObstáculoAr Atenuação causada pela chuvaAsis Atenuação no sistemaAsnow Atenuação causada pela NeveATurb Atenuação causada pela TurbulênciaC1 Dispersão de MieC2 Dispersão de RayleighCa Custo energético anualCN

Bh Capacidade de Backhaul para N estações baseCkw.h Custo por kw.h

xx LISTA DE SÍMBOLOS

C2n Coeficiente do índice de refracção

COp_tot Custo operacional total em 10 anosD Diâmetro de Abertura do Emissor ÓpticoDb

b Débito Binário de uma célula com muitos TMDp

b Débito Binário de uma célula com apenas um TMEca Energia consumida anualmenteGRx Ganho no receptorGT x Ganho no emissorI Indisponibilidade TotalIch Indisponibilidade devida à chuvaIe Indisponibilidade devida ao equipamentoI f og Indisponibilidade devida ao nevoeiroIr Indisponibilidade devida a outros causasKn Factor de proporcionalidadeM Margem de PotênciaNb Numero de Bits por BlocoN f Factor de RuídoNo Densidade espectral de potência do ruídoP Pressão AtmosféricaPc Potência consumidaPRx Potência no receptorPT x Potência emitidaR Resistência de entrada do receptor ópticoRb Ritmo Binário de transmissãoRi Intensidade de precipitaçãoS Intensidade de queda de neveSRx Sensibilidade do receptorSNRCIP Relação Sinal-Ruído em Condições Ideais de PropagaçãoSNRmin Relação Sinal-Ruído mínimaT TemperaturaTin f l Taxa de inflaçãoTN Temperatura de RuídoV VisibilidadeWi Constante para o modelo de propagação FSOb Expoente para a atenuação devido à neveb0 Largura de Bandabersesr Quociente entre número de bits errados e numero de bits transmitidosbr f Largura de Banda do Filtro do Receptorc Velocidade da Luz no vácuod Comprimento de Ligaçãoda Diâmetro da antena parabólicadc Distância espacial entre antenas primárias e secundariasde f Distância Eficaz de Percursoe Carga do electrãof Frequênciagp Ganho da antena primáriags Ganho da antena secundáriah Constante de Planckha Altura em relação ao solok Número de OndakB Constante de Boltzman

Lista de Símbolos xxi

ki Constante para o modelo de propagação FSOkw Coeficiente para a atenuação devida à chuva em Feixes Hertzianosmu Margem Uniformemr Margem Realms Margem SelectivapB Ruído de fundops Potência recebida instantânea〈ps〉 Valor médio da potência no receptorr1e Raio do Primeiro Elipsoide de Fresnelslbber Inclinação da distribuição de BER para bersesr > ber > rber〈snr〉 Valor médio da relação sinal-ruídosnro Relação sinal-ruído na ausência de turbulência fortev Velocidade do ventow Quantidade de água existente na atmosfera terrestre num percurso d

xxii LISTA DE SÍMBOLOS

1

Capítulo 1

Introdução

1.1 Motivação

A história das comunicações móveis começa mesmo antes dos sistemas celulares da década de 80.

Foi na segunda guerra mundial que os primeiros sistemas de telefone móvel foram implementados. Desde

o início dos anos 40 que as forças militares dispunham de equipamento capaz de fazer chamadas e passí-

vel de ser transportado a pé no campo de batalha, bem como de ser operado em carros. Estas tecnologias

eram baseadas em ondas curtas, o que fazia com que a largura de banda fosse mínima e a qualidade da

chamada reduzida. Além disso, estes sistemas consumiam muita energia e eram extremamente pesados.

Depois da guerra, a American Telephone and Telegraph (ATT) produziu as primeiras tecnologias de uso

comercial. Estes telefones eram aplicados a carros e permitiam ao utilizador fazer chamadas a partir

do mesmo. Contudo, apenas algumas zonas urbanas nos Estados Unidos tinham cobertura para estes

sistemas e havia muito poucos canais disponíveis. Mais tarde, na década de 60, a ATT melhora o serviço

disponibilizado, aumentando as áreas urbanas abrangidas por este sistema e aumentado a capacidade nas

diversas cidades onde este estava implementado.

Em 1973, a Motorola consegue conceber o primeiro telemóvel, abrindo assim as portas para o de-

senvolvimento e planeamento da primeira geração de sistemas de comunicações móveis celulares. Nos

anos 80 surge então a primeira geração (1G) de comunicações móveis celulares. Os sistemas analógicos,

com tecnologia de acesso Frequence Division Multiple Access (FDMA), foram implementada em grande

parte do globo. Em Portugal viria a surgir em 1989, através do Serviço Móvel Terrestre (que mais tarde

viria dar origem à TMN), estando a funcionar até 1999, ano em que foi desactivada.

No início dos anos 90 surge a segunda geração (2G). Este sistema é digital e traz um novo sistema

de acesso Time Division Multiple Access (TDMA) e inicialmente foi concebido para funcionar nos 900

MHz com um débito binário de 50 kbits/s. O Global System for Mobile Communications (GSM) foi

provavelmente uma das tecnologias mais bem sucedidas, e cuja penetração no mercado superou todas

2 INTRODUÇÃO

as estimativas, mesmo as mais optimistas. Com o tempo surgiu a necessidade de estabelecer uma nova

versão desta geração, o Enhanced Data for GSM Evolution (EDGE). Normalmente designado por 2.5G,

esta versão melhorada permitiu alcançar os 200 kbit/s, contudo não foi suficiente para satisfazer as ne-

cessidades do mercado.

Figura 1.1: No de assinantes de serviço móvel terrestre [1].

Em resposta ao crescente aumento de tráfego, a terceira geração (3G) surge na viragem do século

(2002), permitindo débitos na ordem dos 384 kbits/s. Tal como aconteceu com o 2G, foram lançadas

posteriormente versões com maior débito, que chegam aos 14.4 Mbits/s ou até mesmo 42.3 Mbits/s

(HSPA+).

Com a massificação de serviços de vídeo, streaming, bem como diversas aplicações móveis que

necessitam de elevados débitos de transmissão, surge a necessidade de uma nova tecnologia que dê

resposta a estas exigências. É neste contexto que o Long Term Evolution (LTE) surge. Implementado em

2012, com capacidade máxima de 100 Mbits/s em downlink, é a primeira tecnologia de quarta geração

(4G) de comunicações móveis terrestres. Actualmente, os débitos de transmissão disponibilizados em

4G, através do Long Term Evolution Advanced (LTE-A), chegam aos 300 Mbit/s.

Devido ao aumento de utilizadores móveis (Figura 1.1) e à implementação das sucessivas tecnologias

móveis, foi imperativo assegurar capacidade suficiente nas redes que suportam as Base Station (BS), isto

é, as redes de Backhaul. A elevada capacidade das fibras ópticas (FO) faz com que este tipo de tecno-

logia seja preferencial para suportar estas redes. Contudo, nem sempre é fisicamente possível colocar

FO, ou por vezes é extremamente dispendioso. Como alternativa existem Feixes Hertzianos (FH), que

Definição do Problema 3

permitem estabelecer a ligação entre as BS e a rede Core. No entanto, mesmo sendo uma tecnologia

economicamente acessível, não suporta os débitos e largura de banda da fibra óptica. Neste contexto,

surgem como alternativa os Free Space Optics (FSO). Com características idênticas aos FH, possuem

um débito binário algumas ordens de grandeza superiores, apesar de alcances mais reduzidos.

Pretende-se desta forma fazer uma análise a este tipo de ligações, para determinar qual destas tec-

nologias, FSO ou FH, é a mais indicada para uma ligação Backhaul em função da localização, e dos

requisitos para cada cenário de utilização. São considerados diversos factores, como temperatura, dis-

ponibilidade, distância de ligação, débitos de transmissão, características físicas da atmosfera e outros

factores relevantes para a caracterização de cada uma das ligações. Com base nesses dados, espera-se

poder fazer uma caracterização de cenários típicos para ligações de Backhaul, e determinar para cada um

deles qual a melhor tecnologia a ser utilizada.

1.2 Definição do Problema

Na sequência do que foi referido na secção anterior, o objectivo desta dissertação de mestrado é uma

análise comparativa entre a implementação de Mini-Links de FH ou FSO para estabelecer uma ligação

de Backhaul. Pretende-se determinar qual das duas soluções é a mais atractiva de ponto de vista técnico

e económico, salientando as vantagens e inconvenientes de cada uma delas para cada cenário.

Esta análise propõe determinar qual a melhor opção em função da localização geográfica com as

condições atmosféricas, da distância, disponibilidade, capacidade da ligação e de aspectos económicos,

nomeadamente do Capital Expenditure (CAPEX) e do Operational Expenditure (OPEX).

Para fazer a análise comparativa para decisão da melhor opção de backhaul foi desenvolvida uma

aplicação em MATLAB que avalia os seguintes parâmetros:

• Potência de emissão

• Sensibilidade

• Ganho do emissor

• Ganho do receptor

• Frequência ou comprimento de onda

• Rendimento do emissor

• Factor de ruído

• Modulação

4 INTRODUÇÃO

• Ritmo de transmissão

Respondendo como output de cada uma das soluções:

• Margem de potência

• Relação Sinal-Ruído (SNR)

• Bit Error Ratio (BER)

Entre um conjunto de equipamentos a serem testados, esta ferramenta indica ao projectista quais

aqueles que cumprem os requisitos da ligação. Seguidamente é apresentado o custo por Mbit/s de cada

uma destas soluções, concluindo-se no final qual é a melhor opção para os diversos cenários típicos de

backhaul.

1.3 Estrutura do Trabalho

O trabalho é constituído por um primeiro capítulo onde é introduzido o tema e explicado o seu

enquadramento. No segundo capitulo faz-se um breve levantamento dos princípios teóricos de ambas

as tecnologias, bem como da arquitectura de rede de telecomunicações, descrevendo quais os requisitos

para uma ligação de Backhaul num ambiente de redes móveis heterogéneas (2G, 3G e 4G).

O terceiro e quarto capítulos tratam dos apectos técnicos relacionados com o projecto de FSO e Mini-

links de FH respectivamente. São apresentados todos os modelos que descrevem os vários fenómenos

de absorção e dispersão em ambas as tecnologias. No quinto capítulo descreveram-se os critérios de

qualidade a considerar num e noutro caso. Entre outros aspectos, são elaboradas recomendações para

a visibilidade mínima a considerar no projecto de FSO, considerando diversos valores em função da

indisponibilidade.

O sexto capítulo descreve a ferramenta desenvolvida em Matlab, apresentando a respectivo fluxo-

grama do algoritmo utilizado para o cálculo da margem de ligação, relação sinal-ruído e Bit Error Ratio.

É feita ainda a análise de custo (CAPEX e OPEX) para um dado conjunto de equipamentos.

O sétimo capítulo apresenta resultados para diversos cenários de particular interesse no Backhaul de

redes móveis celulares. O oitavo capítulo apresenta as conclusões e proposta de trabalho futuro. No final

encontram-se as referências que dão suporte à dissertação em conjunto com os anexos.

5

Capítulo 2

Fundamentos Teóricos

O presente capítulo apresenta os fundamentos teóricos necessários para o desenvolvimento da disser-

tação e também para fazer um enquadramento com os assuntos apresentados nos capítulos procedentes.

Apresenta-se a classificação do espectro electromagnético, bem como as tecnologias que são foco do

presente trabalho: Mini-Links de Feixes Hertzianos, e Free Space Optics. Para estas é feita uma análise

sistemática com o suporte de diversos diagramas que explicam o seu funcionamento.

Também é apresentada e analisada a arquitectura de Backhaul de redes móveis, em referência às suas

principais características, por exemplo débito de transmissão, comprimentos típicos das ligações, entre

outras.

2.1 Espectro Electromagnético

O espectro electromagnético são todas as frequências que uma radiação electromagnética pode ter

[2]. Em função da frequência, existem dois tipos de radiação: ionizante e não ionizante (figura 2.1).

Uma radiação é considerada ionizante se tiver um comprimento de onda inferior a 300 nm, o que

corresponde à zona ultra-violeta do espectro. Radiações desta natureza têm um efeito nefasto para a

saúde e para os organismos vivos. Estas radiações conseguem ionizar átomos e moléculas de tecidos

biológicos, alterando a sua composição [3].

De modo oposto, a radiação não ionizante não tem qualquer efeito perverso para a saúde pública,

desde que a sua utilização respeite os limites da Organização Mundial de Saúde (OMS).

Por sua vez, a radiação não-ionizante pode ser subdividida em 3 categorias: óptica, térmica e não

térmica.

O intervalo de radiações que se enquadram na radiação não térmica é aquele que vai aproximada-

mente até aos 100 kHz. Esta radiação não tem qualquer efeito secundário para o meio circundante. A

radiação térmica tem uma frequência compreendida entre os 100 kHz e os 1 THz. É nesta zona do es-

6 FUNDAMENTOS TEÓRICOS

Figura 2.1: Utilização do espectro electromagnético [4].

pectro electromagnético que se situam as microondas (de 1 GHz a 100 GHz) utilizadas em Mini-Links

de FH.

Uma vez respeitados os limites de potência impostos pelas normas da OMS bem como da Interna-

tional Commission on Non-Ionizing Radiation Protection (ICNIRP) [5] para as ondas electromagnéticas

nesta zona do espectro, não existe nenhum efeito prejudicial para a saúde resultante da exposição a este

tipo de radiação. Se as potências forem muito elevadas (muito superiores aquelas que são permitidas

por lei), pode ser induzido um aumento da temperatura junto dos objectos a ela expostos. Contudo, os

limites de potência em causa estão muito bem definidos, e podem ser consultados em [6].

A radiação óptica é aquela cuja frequência se situa aproximadamente entre os 1 THz e os 1 PHz

(contendo a parte visível ao olho humano do espectro electromagnético, normalmente designado por

luz). A radiação utilizada nos FSO situa-se nas gamas dos infravermelhos, ou seja, entre os 100 THz

e os 200 THz. Para frequências ( f ) tão elevadas, é normal caracterizar-se as respectivas radiações pelo

comprimento de onda (λ). A relação entre ambas as grandezas é apresentada em (2.1).

λ =cf

(2.1)

Onde c é a velocidade da luz no vácuo. Os comprimentos de onda utilizados em aplicações de FSO

são os mesmos que já são utilizados em fibras ópticas, entre os 860 nm e os 1550 nm. Desta forma, as

ondas electromagnéticas utilizadas enquadram-se na baixa gama da radiação óptica.

Tecnologias 7

2.2 Tecnologias

2.2.1 Free Space Optics

Nas últimas duas décadas os FSO tornaram-se uma alternativa aos Mini-Links de FH cada vez mais

atractiva. Este tipo de tecnologia utiliza radiação infravermelha e possibilita débitos de transmissão

binária consideravelmente maiores (chegando a alcançar os 10 Gbits/s). Contudo, apresenta outros pro-

blemas, como por exemplo: atenuação elevada na presença de nevoeiro, alcance limitado em poucos

quilómetros, necessidade de existência de uma linha de vista (LoS) entre terminais, turbulência e limita-

ções relativamente ao posicionamento do ângulo do Sol.

O conceito desta tecnologia consiste em utilizar os emissores ópticos, moduladores e outros compo-

nentes já existentes e utilizados em comunicações por fibras ópticas, em propagação na atmosfera. Tal

como os Feixes Hertzianos, trata-se de uma ligação fixa ponto-a-ponto.

Historicamente, esta tecnologia tem início em comunicações entre satélites [7], bem como em meios

militares, uma vez que a instalação deste equipamento é extremamente rápida e permitir uma largura

de banda apreciável. A segurança na transmissão de dados é outra das características que tornam esta

solução tecnológica tão atrativa. Ao contrario do rádio, a difracção geométrica de um light amplification

by stimulated emission of radiation (LASER) é muito diminuta [8]. A interseção do sinal é praticamente

impossível se o interceptor não estiver precisamente alinhado com o emissor.

Actualmente existem diversas soluções comerciais disponíveis no mercado, sendo que os países que

se apresentam na vanguarda da implementação destes equipamentos são os Estados Unidos da Amé-

rica, a Rússia e a Coreia do Sul. Em Portugal, após terem sido contactadas duas das operadoras de

telecomunicações nacionais, não foi possível apurar nenhuma implementação nas respectivas redes de

telecomunicações.

Figura 2.2: Diagrama de blocos de um sistema de comunicação óptica FSO [7].


As soluções FSO comerciais que existem no mercado (Apêndice A) utilizam modulação On-Off Key

(OOK). Apesar de ser extremamente simples, este esquema de modulação permite elevado desempe-

nho em termos de BER para relações sinal-ruído baixas. Além disso, permite utilizar moduladores e

desmoduladores de baixa complexidade e económicos.

Dado que o meio de propagação neste tipo de comunicação é a atmosfera, a utilização de light-

emitting diode (LED) como emissor não é sequer considerada [8]. A emissão óptica é feita através de

LASER, e estes devem cumprir a condição de Safety Eye [9]. Esta cláusula implica que os LASER sejam

classificados consoante a fracção de feixe a que se consegue ter acesso, no estado normal ou no estado

de manutenção, a uma dada distância. O rótulo de cada equipamento deve ter uma indicação de qual o

tipo de LASER que se classificam em:

Classe 1

LASERs que não ultrapassam o Maximum Permissible Exposure (MPE). Como tal, são LASERs

onde não são ultrapassados os limites de potência para os quais se acredita que existem danos oculares. A

excepção a esta regra é o caso de existirem amplificadores ópticos na saída do LASER (pré-amplificação).

Classe 1M

Esta classe prevê LASER‘s com um diâmetro superior à classe 1. O raio fica mais disperso, pelo que

a densidade espectral de potência é menor. Caso um observador se coloque no percurso do feixe óptico,

apenas uma pequena parte deste é intersectada pelo sistema visual, mas ainda assim pode causar danos

se houver amplificação óptica.

Classe 2

Estes LASERs encontram-se entre os 400 nm e os 700 nm e são limitados a uma potência radiada

máxima de 1mW. Um olho que seja incidido por um LASER deste tipo está protegido porque fecha

instintivamente (piscar de olhos). Nestas circunstâncias, o tempo de exposição não é superior a 0.25

segundos, e não é suficiente para causar danos.

Classe 2M

Equipamento idêntico aos LASERs de classe 2, igualmente limitados a uma potência de emissão de

1mW, mas que apresentam um grande diâmetro no feixe. Exposições prolongadas no tempo a este tipo

de LASERs podem provocar lesões oculares.

Classe 3R

Estes LASERs ultrapassam a MPE, e como tal a exposição aos mesmos pode causar danos oculares.

Na região da radiação visível, o limite máximo de potência aplicado é de 5mW. Contudo, se as devidas

precauções de segurança forem tomadas, não existem problemas no manuseamento deste equipamento.

Classe 3B

Possuem uma potência emitida até 500mW, muito para além do MPE. Podem causar danos oculares,

Tecnologias 9

quer por observação directa, quer por raio reflectido. Quanto maior for a potência do LASER, maior é a

probabilidade de lesão. Podem ser utilizados na gravação de CD/DVD por exemplo.

Classe 4

Tratam-se de LASERs com uma potência mínima de 500mW, e sem limite superior. Podem causar

danos tanto nos olhos como na pele, e dependendo da potência, podem mesmo queimar e destruir por

completo tecidos biológicos. LASERs deste tipo são utilizados na indústria, para cortar metais por

exemplo.

Do ponto de vista do receptor, a deteção do sinal é feita através de um conversor opto-electrónico

PIN, ou Avalanche Photo Detector (APD). Existem equipamentos que além do receptor, contemplam um

pré-amplificador que melhora a relação sinal-ruído. Este módulo, apesar de agravar o peso orçamental

do equipamento, permite uma melhor desempenho do sistema.

2.2.2 Feixes Hertzianos

Feixes Hertzianos são ligações bidirecionais ponto a ponto onde são utilizadas frequências na banda

das microndas (1 a 100 GHz). Este tipo de ligações, em geral, têm débitos inferiores àqueles que existem

em FSO (até 1 Gbit/s) e distâncias que chegam aos 50 km. Mini-Links de Feixes Hertzianos são casos

particulares destes sistemas, onde as distâncias em jogo não superam a dezena de quilómetros, e onde é

possível chegar até 1 Gbit/s. Na grande maioria das soluções fornecidas pelos fabricantes, os emissores

ou receptores de FH são constituído por duas partes: a InDoor Unit (IDU) e a OutDoor Unit (ODU).

A primeira é responsável pelas funções de tráfego, modem e switch, modelando a informação para uma

frequência intermédia a ser enviada por cabo coaxial para o ODU. Este, por sua vez, é responsável por

receber e transmitir sinais de rádio, além de transportar a informação oriunda do cabo coaxial para a

frequência de emissão e recepção. Esta configuração de Unidade Interior e Unidade Exterior também

existe em FSO, contudo é tipicamente uma arquitectura utilizada em Feixes Hertzianos.

Figura 2.3: Diagrama de Blocos de um emissor de Feixes Hertzianos

Durante quase toda a segunda metade do século XX, os FH clássicos suportaram serviços como a

Televisão analógica, Telefone e mesmo emissor Rádio. A partir da década de 80, esta tecnologia caiu


em desuso devido à massificação da fibra óptica, que permite débitos binários mais elevados, sendo

actualmente este o meio de transporte mais utilizado pela industria de telecomunicações. Contudo, os

FH permanecem ainda como uma solução muito atractiva para casos onde é impossível, ou dispendioso,

colocar cabo. Exemplo disso são as soluções Last-Mile, onde se recorre a Mini-Links de FH (Figura 2.4)

para fazer a cobertura de um dado troço de uma rede de telecomunicações.

Figura 2.4: Feixe Hertziano Simplificado [10]

No âmbito das redes móveis grande parte das ligações de Backhaul que dispomos hoje utilizam Mini-

Links de Feixes Hertzianos. A sua fácil instalação, e reduzido custo face às Fibras Ópticas, fazem deles

uma alternativa atractiva principalmente em zonas onde não existe FO. Mesmo em localizações onde já

existe cobertura, são utilizados muitas vezes para aumentar a redundância das redes de telecomunicações.

Cenários de catástrofe e locais de difícil acesso são outras das situações típicas onde é preferível recorrer

a Feixes Hertzianos.

A tabela 2.1 resume as características de ambas as soluções tecnológicas: FSO e Mini-Links Feixes

Hertzianos.

Mini-Links de Feixes Hertzianos Free Space OpticsDébito binário 1 Gbit/s 1 10 Gbit/s

Dispersão do raio Existência de Elipsóide de Fresnell [11] Raio directoNecessidade de Linha de Vista Não Sim

Principais Fenómenos de Precipitação Nevoeiro, TurbulênciaAtenuação (3 dB/Km) 2 (10 dB/Km)3

Turbulência Não SimDistância 10 Km 4 3 Km 5

Tabela 2.1: Características Mini-Links de FH versus FSO

1Valor Máximo

2Depende da banda a usar, pode chegar aos 10 dB/km no caso da banda dos 60 GHz.

3Atenuação típica para uma atmosfera com nevoeiro pouco intenso

4Distâncias máximas típicas

5Considerando uma visibilidade superior a 2 km.

Backhaul e Arquitectura de Rede 11

2.3 Backhaul e Arquitectura de Rede

Na hierarquia de uma rede de telecomunicações, Backhaul é a ligação estabelecida entre a parte

central (designada normalmente por rede core, ou Backbone) e as pequenas sub-redes que permitem o

acesso aos utilizadores. No caso particular de redes móveis, o Backhaul destas é o troço responsável

pela ligação entre as BS e o seu respectivo Base Station Controler (BSC). Normalmente, uma ligação de

Backhaul é constituída por uma parte designada Last-Mile, que assegura a comunicação a um conjunto

reduzido de BS (entre 1 a 6 estações base) [12] e uma outra parte designada Agregação, que pode chegar

a transportar tráfego de 60 BS [12]. Esta pode ter vários níveis, agrega o tráfego oriundo das sub-redes

mais pequenas de Agregação ou de Last-Mile, e entrega à rede Core.

A figura 2.5 ilustra a arquitectura normal para o Backhaul de redes móveis. Nela estão representadas

diversas BS (eNodeB é o que hardware faz a interface entre a rede móvel e o transporte no caso particular

do LTE) onde cada uma delas está ligada a um troço de last-mile. Numa zona intermédia do transporte,

existe um ponto onde é feita a agregação de tráfego oriundo de diversos troços last-mile. É aqui que

nasce um troço de agregação, que pode terminar noutros pontos agregadores da rede, ou no core.

Figura 2.5: Estrutura típica de uma Rede de Backhaul [12].

O tráfego transportado numa rede de Backhaul é de diversos tipos, contudo na sua maioria são dados.

Ao contrário das portadoras de voz, que constituíam a grande maioria do tráfego das redes das primeiras

gerações de comunicações móveis, o transporte de dados não é constante dentro de uma dada sessão e

varia muito ao longo do tempo. Inicialmente, o tráfego a ser transportado estava directamente relacionado

com o número de chamadas possíveis em simultâneo. Actualmente, com a maioria dos serviços a serem

constituídos por dados, o objectivo é maximizar o débito de transmissão de cada utilizador, para que este

possa usufruir de uma boa qualidade de experiência.

O fluxo de tráfego num dado instante numa rede Backhaul está dependente da quantidade de termi-

nais móveis (TM) que estiverem ligados às BS. Existem dois cenários típicos a este respeito: a situação

de pico quando existem muito poucos TM numa célula (no limite, apenas um), e a situação de busy time

quando existem muitos utilizadores.


No primeiro cenário, o único utilizador vai usufruir de uma boa ligação com a BS e com uma mo-

dulação que permite utilizar todos os recursos da célula. No caso do LTE, poderá usar toda a largura de

banda e terá disponível uma capacidade que pode chegar aos 300 Mbits/s. Na rede de Backhaul que su-

porta esta BS, isto traduz-se num pico de tráfego a ser transportado, apesar de haver apenas um utilizador

a recebê-lo.

No segundo cenário, os recursos da BS são distribuídos pelos vários utilizadores, e cada um dos

terminais móveis têm ligações que, no máximo, chegam aos 40 Mbits/s em downlink [12]. Num período

deste em que existem muitos terminais activos, alguns deles têm ligações de má qualidade, seja por

interferência, por estarem no limite da célula ou por qualquer outra razão, e vão existir ligações com

melhor relação Sinal-Ruído do que outras. Isto faz com que algumas utilizem uma modulação de baixa

eficiência espectral. Assim, a largura de banda alocada a estes utilizadores com pior qualidade da ligação

exige menor tráfego do que aquele que seria expectável à partida. Deste modo, pode verificar-se que,

apesar de ser contra-intuitivo, num sistema de 4G, os períodos de tempo onde existem menos utilizadores

activos são aqueles onde é requerido maior tráfego à rede Backhaul, em detrimento dos períodos onde

existem muitos utilizadores ligados.

Num dado troço que suporta N células, a situação mais pessimista é aquela em que todas as BS estão

no primeiro cenário. Neste caso, a capacidade requerida seria (2.2):

CNBh = N×Dp

b (2.2)

Onde:

• Dpb: Débito Binário de uma célula com apenas um TM (situação de pico)

Esta projecção é muito conservadora, na prática verifica-se que é muito pouco provável que num

conjunto de muitas células, todas elas encontrem numa situação de pico onde cada uma tem apenas

um TM [12]. Delinear um troço para este cenário poderia comportar custos e utilizar recursos que

dificilmente seriam rentabilizados. Deste modo, assume-se um modelo um pouco menos exigente. Para

o caso de termos apenas uma célula, é necessário assegurar o débito correspondente à situação de pico

do primeiro cenário. Se o troço em particular agregar o tráfego de diversas BS, o planeamento é feito de

modo a suportar N vezes o débito da situação mais comum, que é quando existem muitos utilizadores

em cada célula (busy time).

Em suma, a capacidade requerida a uma rede Backhaul, segundo esta projecção, é traduzida em (2.3).

CNBh = max(N×Db

b,Dpb) (2.3)

Considerações a tomar na Dissertação 13

Onde:

• CNBh: Capacidade de Backhaul para N estações base

• Dbb: Débito Binário de uma célula com muitos TM (busy time)

Nesta situação se acontecer o improvável, ou seja, todas as BS ficarem apenas com um TM, é auto-

maticamente reduzido o débito atribuído a cada terminal..

2.4 Considerações a tomar na Dissertação

De forma a determinar qual o débito necessário para um dado troço de Backhaul tem-se em conside-

ração ao longo deste trabalho o modelo menos conservador descrito em (2.3). Vão ser estudados vários

cenários diferentes, enquadrados em duas situações típicas: Um troço de Last-Mile onde é feita a ligação

entre a BS e um nó intermédio, e um troço de agregação onde é realizada a ligação entre o nó intermédio

e a BSC.

Neste trabalho, assume-se que o Backhaul é projectado para uma rede heterogénea, em que cada

célula tem 2G, 3G e 4G. As tecnologias de segunda geração implementadas em Portugal são o General

Packet Radio Service (GPRS) e o Enhanced Data for GSM Evolution EDGE que repectivamente pos-

sibilitam 114 e 473.6 kbits/s respectivamente. Dado o reduzido volume de tráfego comparativamente à

tecnologias posteriores, o peso do 2G no projecto pode ser desprezável.

Para a rede 3G, é admitida a utilização de High Speed Packet Access (plus) (HSPA+) uma vez que é

a última release do UMTS disponível em Portugal, e por isso a mais exigente em débito de transmissão.

Como tal, assume-se que do ponto de vista do Backhaul é necessário assegurar 43.2 Mbits/s, a cada

utilizador em situação de pico [13][14].

No caso da quarta geração, compreende-se uma rede LTE de categoria 5, com uma largura de banda

de 40 MHz e um débito binário de 300 Mbit/s. Contudo, deve-se acrescentar tráfego da interface X2,

do plano de controlo, de sinalização e sincronização, os cabeçalhos do protocolo de transporte e o en-

capsulamento de segurança (IPSec)[12]. Tudo isto resulta num acréscimo de 25 % no débito binário do

sistema.

Na prática, isto implica que em vez de 300 Mbit/s, seja necessário suportar aproximadamente 375

Mbit/s na situação de pico. Adicionando a parcela do 3G, perfaz um total aproximado de 420 Mbits/s

por célula. Este é o débito de pico Dpb necessário fornecer a cada BS por parte do Backhaul, que serve

de referência para o resto da dissertação. Em [12], é possível verificar que Dpb varia entre 4 a 6 Db

b, desta

forma, assume-se que numa situação em que existem muitos utilizadores numa célula, o débito máximo

que cada um destes recebe Dbb é de 70 Mbit/s

15

Capítulo 3

Free Space Optics

No presente capítulo descrevem-se os parâmetros e efeitos principais relacionados com projecto de

FSO, nomeadamente o Link Budget (orçamento de ligação) e relação sinal-ruído, necessários nos Capí-

tulo 6 e no Capítulo 7 para a construção da aplicação (Link_Desing_App) e análise comparativa com os

FH, respectivamente.

Em condições ideais de propagação, a potência detectada pelo receptor PRx pode ser descrita em dB

por (3.1) [15]:

PRx = PT x +GT x +GRx−Asis−Agl (3.1)

Onde PT x traduz a potência transmitida pelo emissor, GRx e GT x são respetivamente o ganho do

emissor e do receptor. Asis representa as perdas existentes em equipamento como: Fibras ópticas, cabos

coaxiais, emissores, receptores, moduladores entre outros, tipicamente não ultrapassa os 3dB, sendo este

o valor a considerar no projecto. Agl representa as perdas geométricas do raio.

O ganho de um emissor FSO pode ser descrito em dB por [15]:

GT x = 15.05−20log(Θ) (3.2)

Onde Θ [rad] é o ângulo de abertura do emissor. O ganho no receptor GRx e as perdas geométricas

Agl são expressas em função de λ, do diâmetro de abertura do receptor D e do comprimento da ligação d

em (3.3) e (3.4) [15]:

GRx = 4.97+20log(D)−20log(λ[µm]) (3.3)

Agl = 20log(4πd[km])−20log(λ[µm]) (3.4)

De forma a caracterizar com rigor uma ligação de FSO é necessário considerar a atmosfera terrestre.

16 FREE SPACE OPTICS

A próxima secção é dedicada estabelecer modelos que descrevem o canal atmosférico. Nas subsecções

seguintes descrevem-se rigorosamente as expressões que permitem planear a ligação a ligação conside-

rando estes efeitos.

3.1 Modelo da Atmosfera

Para os FSO os efeitos principais que entrevem para a degradação deste tipo de ligações são a atenu-

ação e a turbulência.

A primeira diz respeito à redução da potência óptica detectada no receptor, a segunda a variações,

flutuações e deformações na direcção do raio recebido.

3.1.1 Atenuação Atmosférica

A atenuação atmosférica resulta da interação do raio infravermelho com as moléculas de ar e ae-

rossóis ao longo da propagação. Estes agentes, por sua vez, são responsáveis por quatro processos

individuais [16]: Absorção Molecular, Dispersão Molecular, Absorção por aerossóis e Dispersão por ae-

rossóis. A Absorção Molecular inclui a absorção da água, CO2, ozono e outras moléculas. A Absorção

por aerossóis resulta de partículas sólidas ou líquidas existentes na atmosfera, cujo raio máximo é de 20

µm. Um mecanismo simples de calcular a absorção é assumindo w como sendo a quantidade de água

existente na atmosfera ao longo do percurso d. Sendo w dado por [16]:

w = 10−3.ρ.d (3.5)

Onde ρ é a humidade absoluta em g/m3 estabelecida por [16]:

ρ = RH.

−0.74+90.96.e

( T13.67

)−85.4.e

( T13.52

) (3.6)

Sendo RH a humidade relativa em percentagem, e T a Temperatura em graus Celsius. Desta forma,

é possível determinar o coeficiente de atenuação devida à absorção atmosférica γabs em dB/km [6]:

γabs = exp(−Aiw1/2).[1−u(w−Wi)]+Ki

(Wi

w

)βi

.u(w−Wi) (3.7)

Onde u é o escalão unitário, e os parâmetros Ai,Wi,ki e βi são constantes de cada janela óptica [17] e

[16].

Modelo da Atmosfera 17

Janela [nm] Ai Wi[mm] ki βi

720 - 940 0.0305 54 0.800 0.112940 - 1130 0.0363 54 0.765 0.134

1130 - 1380 0.1303 2 0.830 0.0931380 - 1900 0.211 1.1 0.802 0.1111900 - 2700 0.350 0.25 0.814 0.1042700 - 4300 0.373 0.26 0.827 0.0954300 - 6000 0.913 0.18 0.679 0.194

Tabela 3.1: Valor de cada constante, consoante a respectiva janela [17]

Finalmente, com o γabs é possível calcular a atenuação Aabs devida à absorção molecular e aerossólica

Aabs = γabs×d (3.8)

A atenuação causada pela dispersão, o raio sofre perturbações na sua direcção. Pode-se resumir

o fenómeno a dois tipos principais de dispersão [16]: Dispersão de Rayleigh, onde o comprimento

de onda do raio é superior às dimensões das partículas, e Dispersão de Mie, onde as partículas tem

dimensões comparáveis com o comprimento de onda do raio infravermelho. A expressão empírica de

(3.9) caracteriza a atenuação devido à dispersão.

τs = e(−(C1+C2×λ−4)×d (3.9)

A mesma grandeza pode ser expressa em [dB/km] por:

A f og =−10log10

(e(−(C1+C2×λ−4)×d)

)(3.10)

Que se traduz em:

A f og = d×(C1 +C2×λ

−4)×10log10(e) (3.11)

O parâmetro C1 de (3.9) [16] diz respeito à dispersão de Mie. Na prática, o fenómeno atmosférico que

mais contribui para este tipo de dispersão é o nevoeiro. Em algumas referências bibliográficas [6], [15] e

[18], este factor surge mesmo como sendo o coeficiente específico de atenuação do nevoeiro. Do ponto

de vista físico, o nevoeiro é responsável pelo surgimento de partículas cujas dimensões são da ordem de

grandeza do comprimento de onda do raio óptico. Este é o principal factor que limita a disponibilidade

de um sistema FSO (secção 5.1). Para nevoeiro muito denso, a atenuação derivada da dispersão pode

mesmo chegar a 350 dB/km. C1 pode ser determinado por (3.12) e C2 assume o valor de constante de


0.00258 m3.

C1 =3.91V[km]

(550λ[nm]

)q

(3.12)

Em que a Visibilidade é dada por V em km e o expoente q pode assumir:

q =

1.6, Se V > 50 km

1.3, Se 6≤V ≤ 50 km

0.585×V13 , Se V < 6 km

Apesar de o nevoeiro ser o factor mais limitativo para a propagação óptica atmosférica, a chuva

também perturba a propagação da radiação infravermelha. Tal como o nevoeiro, a existência de hi-

drometeoritos na atmosfera provoca a existência de dispersão. A atenuação resultante desta pode ser

modelada por (3.13) [16].

τrain = e−(0.05556+0.00848×Ri(0.01)−3.66×10−5×R2i(0.01))×d (3.13)

A mesma pode ser escrita em [dB/km] através de:

Ar =−10log10

(e−(0.05556+0.00848×Ri(0.01)−3.66×10−5×R2

i(0.01))×d)

(3.14)

Que pode ser simplificado para:

Ar = 0.05556+0.00848×Ri(0.01)−3.66×10−5×R2i(0.01)×d×10log10(e) (3.15)

Onde Ri(0.01) representa a intensidade de precipitação em mm/h que não é excedida em 0.01% do

ano. Os valores a assumir para esta variável dependem da localização geográfica, e estão indicados na

Recomendação P.837-1 da ITU-R [19].

A existência de neve é outro dos fenómenos que incrementa a dispersão atmosférica. Para quantificar

a atenuação causada pela neve, é necessário caracterizar dois casos distintos [18]: neve molhada e neve

seca. A primeira é parcialmente sólida, por vezes ocorre simultaneamente com chuva e é mais densa. A

segunda é mais sólida, menos densa e pode ser facilmente desviada pelo vento. Ambas proporcionam

uma atenuação que é descrita por [6] [18]:

γsnow = αs×Sb (3.16)

Modelo da Atmosfera 19

Onde:

• γsnow: Atenuação específica devido à neve em dB/km.

• S: Queda de neve em mm/h.

• αs e b: Variáveis que dependem do λ (nm) e do tipo de neve.

- αs bNeve molhada 0.000102λ+3.79 0.72

Neve Seca 0.0000542λ+5.50 1.38

Tabela 3.2: Parâmetros para a atenuação específica devido à neve [6].

Conhecendo estes parâmetros é possível determinar a atenuação causada pela neve Asnow em dB

através de:

Asnow = γsnow×d (3.17)

3.1.2 Turbulência

O segundo maior processo atmosférico que afecta o desempenho de um equipamento FSO é a turbu-

lência. Esta caracteriza-se por uma alteração do índice de refracção da atmosfera no meio do percurso

do raio que faz alterar ligeiramente a sua trajetória. Para o caso em que as células de turbulência, ou seja

as zonas onde o índice de refracção atmosférico é diferente do normal, são menores do que o diâmetro

do raio infravermelho (caso mais comum), a variância da cintilação σ2χ [dB2] é expressa por:

σ2χ = 23.17× k7/6×C2

n×d11/6 (3.18)

Em que k é o numero de onda k =2π

λ(m−1) e d o comprimento da ligação. C2

n representa o coeficiente

de variação do índice de refracção. Este parâmetro mede as flutuações do índice de refracção atmosférico,

e varia ao longo do dia assumindo o máximo no meio do dia (quando a temperatura é mais elevada).

Além do período diurno, esta grandeza depende fortemente da altura em relação ao solo ha. Existem

três modelos para parametrizar o coeficiente de variação do índice de refracção C2n : Hufnagel-Vally,

Majumdar [15] e Strohbehn [16].

O primeiro, Hufnagel-Vally (H −V5/7) é um modelo que descreve a dependência C2n(ha) em áreas


rurais.

C2n(ha) = 0.00594×

(2127

)2

×(

ha

105

)exp(− ha

1000

)+2.7×10−16× exp

(− ha

1500

)+1.7×10−14× exp

(− ha

100

) (3.19)

O segundo modelo, Majumdar, descreve a variação do coeficiente em zonas marítimas. Devido à

grande capacidade térmica da água, é necessária uma maior quantidade de energia para subir a tempera-

tura sobre estas áreas do que em terreno sólido. É de esperar então que a variação do índice de refracção

seja menor tal como C2n(ha). Assim, para estas condições:

C2n(ha) = 9.8583×10−18 +4.9877×10−16.exp

(− ha

300

)+2.9228×10−14.exp

(− ha

1200

)(3.20)

Como é possível ver na Fig.3.2, para altitudes superiores a 500 m os modelos têm comportamentos

idênticos. Uma vez que a água apenas exerce um efeito de compensação na sua vizinhança. Ambos os

modelos são válidos para uma altura inferior a 6000m.

Figura 3.1: Comparação entre o modelo Hunfnagel-Valley (H−V5/7) e o modelo marítimo de Majumar para afunção C2

n de acordo com ha [15].

O modelo de Strohbehn é válido para todos os outros ambientes, urbanos e suburbanos, onde C2n pode

ser estimado por [16]:

C2n =

h

−43

a

3000−43

×(

79×10−6P(T +273.15)2

)5.49×10−13 ×

((2.2×10−53×300010

(vsin(θ)

27

)2)× e−3 +10−16× e−2

) (3.21)

Margem e Relação Sinal-Ruído 21

Em que T , P representam respectivamente a temperatura em graus celsius e a pressão atmosférica

em milibars. Neste modelo em particular é preciso ter em consideração o vento, assim v representa a sua

velocidade em m/s e θ o ângulo entre este e o receptor óptico.

Uma vez calculado a variância σ2χ, a recomendação P.1814 da ITU-R [6] indica que se deve considerar

uma atenuação de 2×σχ, sendo este o valor que se considera no projecto. Assim, a atenuação devida à

turbulência é dada por (3.22)

Aturb = 2×σχ (3.22)

3.2 Margem e Relação Sinal-Ruído

Uma vez determinadas as atenuações provocadas pelos diversos fenómenos que condicionam a pro-

pagação óptica atmosférica, a potência no receptor pode ser determinada por:

PRx = PT x +GT x +GRx−Asis−Agl−Aabs−A f og−Ar−Asnow−Aturb (3.23)

A sensibilidade SRx é definida como sendo a potência mínima necessária à entrada do receptor para

que este detecte o respectivo sinal transmitido. Assim sendo, é natural que, para haver comunicação

PRx > SRx, a diferença entre estas duas grandezas é denominada Margem de potência M.

M = PRx−SRx (3.24)

Do ponto de vista de projecto, quando maior for a margem, maior a robustez da ligação a perturbações

a atenuações extraordinárias. Por este motivo, é razoável exigir uma margem mínima de 3 dB. Além da

Margem, um importante parâmetro que mede a qualidade da ligação é a relação Sinal-Ruído (SNR). O

cálculo exacto desta grandeza pode ser feito segundo a (3.25), que considera a contribuição de todos os

tipos de ruído: Ruído de Disparo, Ruído de Corrente Negra, Ruído Térmico (no fotodetector) e Ruído

de Ambiente (ou de fundo) [20]. Assume-se uma distribuição gaussiana para o ruído, e que o feixe não

é exposto a turbulência forte:

snro =pRx√(

2hνobo

ηPIN

)(pRx + pB)+

(hνo

ηPIN .e

)2(4kBTNbo

R

) (3.25)

Onde pRx é a potência do sinal recebido, pB é a potência do ruído fundo (ambos em W), η é a efici-

ência do receptor, e representa a carga do electrão em Coulomb, h a constante de Planck, ν a frequência

óptica (em Hz), kB a constante de Boltzmann, bo a largura de banda e R a resistência de entrada do


amplificador eléctrico do receptor. TN é a temperatura de ruído em graus kelvin, e dada por:

TN = 290(n f −1) (3.26)

Onde n f representa o factor de ruído do receptor. Para sistemas de FSO podemos assumir a situação

de shot limited operation, assim, o Ruído de Fundo, bem como o Ruído Térmico, podem ser desprezados

[20] uma vez que o ruído de disparo é bastante superior. Além disso, para o cálculo da relação sinal-

ruído é preciso considerar a presença de turbulência. Este fenómeno, além de provocar uma atenuação

adicional no Link Budget, como foi verificado anteriormente, tem particular incidência na relação sinal-

ruído (3.26) determina a SNR média, levando em linha de conta as considerações anteriores [20].

〈snr〉= snro√ps

〈ps〉+σ2

χ.snr20

(3.27)

Onde ps é a potência recebida na ausência de turbulência, 〈ps〉 a potência média recebida no receptor

e snro a relação sinal-ruído na ausência de turbulência.

A largura de banda bo (Hz), está relacionada com ritmo binário através de:

b0 =Rb

log2 m(3.28)

Através da SNR, é possível estabelecer uma relação com o bit error rate (BER). A variação deste com

a relação sinal ruído depende naturalmente da modulação utilizada A mais vulgar em sistemas de FSO

é a On-Off Key (OOK), contudo Pulse Position Modulation (m-PPM) e Pulse Amplitude Modulation

(m-PAM) também são possíveis de serem utilizadas em comunicações ópticas sem fios (no caso de

modulação OOK, m=2, ou seja, a largura de banda necessária é igual ao ritmo de transmissão). O

equipamento actualmente disponível no mercado apenas apresenta soluções que utilizam OOK, como tal

o calculo do BER em função do SNR assume esta modulação.

As equações (3.28) e (3.29) determinam o andamento do BER para modulações On Off Key No

Return to Zero (OOK-NRZ) e On Off Key Return to Zero (OOK-RZ) respetivamente [21]:

BERNRZ−OOK =12

er f c(

12√

2

√snr)

(3.29)

BERRZ−OOK =12

er f c(

1√2

√snr)

(3.30)

Que estão representadas na figura 3.3.

Como critério de qualidade, é exigido um BER mínimo de 10−6. Este é o valor utilizado na ferra-

Margem e Relação Sinal-Ruído 23

Figura 3.2: BER em função do SNR para as modelações NRZ-OOK e RZ-OOK

menta do Capítulo 6 para determinar se uma ligação cumpre o requisito mínimo de SNR.


3.3 Outros Efeitos

Além dos efeitos já descritos nas secções anteriores, que perturbam FSO, existem mais alguns as-

pectos que, apesar de não poderem ser quantificados no link budget, devem ser tidos em conta pelo

projectista.

3.3.1 Ângulo de Incidência Solar

Uma das limitações dos receptores é a sensibilidade à luz solar. O espectro radiado pelo Sol é bastante

intenso nas janelas de utilizadas em FSO (Tabela 3.1). Assim, se a instalação do equipamento estiver

alinhado com o pôr ou nascer do Sol, a ligação fica indisponível durante este período.

Figura 3.3: Relação entre a órbita do Sol e a instalação de um sistema FSO [6].

Se para idênticos ângulos Az e Azs, os ângulos Els e E1 forem semelhantes, o receptor vai encandear-

se e a comunicação fica interrompida durante alguns períodos onde se verifique o encadeamento. É

função do projectista estar particularmente atento a esta situação durante a instalação do equipamento,

nem que para isso seja necessário recorrer a distâncias de ligação um pouco maiores.

3.3.2 Localizações com Elevada Probabilidade de Nevoeiro

O principal fenómeno atmosférico que condiciona o uso de FSO é o nevoeiro. Ao contrário da

chuva, o nevoeiro depende de inúmeros factores, e o seu aparecimento é difícil de prever. Muitas vezes

está associado a microclimas pontuais, ou a zonas específicas com condições muito particulares, cuja

área compreendida não ultrapassa 1 km2. Por estas razões, é praticamente impossível definir uma norma

em larga escala para a sua formação. Contudo, são conhecidos quais os factores que são propícios ao seu

aparecimento. Sumariamente, existem 3 tipos de nevoeiro [22]:

• Nevoeiro de Radiação

Outros Efeitos 25

• Nevoeiro de Advecção

• Nevoeiro de Massa de Ar ou Mistura

O primeiro é formado em zonas húmidas, marítimas, vales e permanece no local onde é criado

durante algumas horas (durante a madrugada e até ao início da manhã, por exemplo). Exige que o vento

seja fraco, ou seja, que a atmosfera não esteja misturada, e geralmente é acompanhado de céu limpo.

Tem poucos metros de altitude e usualmente desaparece se a atmosfera aquecer o suficiente (diminuição

da humidade relativa) durante o dia.

O segundo tem características idênticas ao primeiro, contudo está associado a ventos moderados, o

que permite o seu transporte para zonas vizinhas àquela onde foi criado. Desde modo, o nevoeiro de

advecção caracteriza-se por ser um nevoeiro de radiação que pode ser transportado para outros locais,

dependendo naturalmente da geografia local destes.

Por ultimo, o nevoeiro de mistura aparece quando duas massas de ar de temperaturas muito diferentes

se misturam. Aliada a condições de pressão e humidade propícias, a mistura de uma frente quente e uma

fria, à mesma altitude, provoca nevoeiro. Ao contrário do primeiro e segundo tipo de nevoeiros, que

apenas surgem em camadas baixas da troposfera, este terceiro género não obedece a esse critério.

A tabela 3.3 mostra algumas localizações típicas dos diferentes tipos de nevoeiro.

Nevoeiro de Radiação Nevoeiro de Advecção Nevoeiro de MisturaRegião Porto Lisboa MadeiraOutras Junto ao Nevoeiro formado no Mistura de Ar quente

Informações Rio Rio Tejo e transportado para a oriundo de África,Douro cidade de Lisboa e ar frio oceânico

Tabela 3.3: Localizações típicas de diferentes tipos de nevoeiro

Uma vez descritas as circunstâncias que são favoráveis à ocorrência de nevoeiro, é aconselhado ao

projectista que faça um estudo prévio das condições atmosféricas locais. Se a localização do feixe se

enquadrar num dos ambientes acima descritos, o projecto de FSO deve tomar uma abordagem mais

conservadora, através de uma margem superior ao normal.

É importante frisar ainda que o nevoeiro não tem a mesma distribuição ao longo do dia, e ao longo

do ano. É mais frequente nos meses de Inverno (Outubro, Novembro, Dezembro, Janeiro, Fevereiro e

Março) e tem maior incidência nos períodos nocturnos.

3.3.3 Condições Favoráveis à Turbulência de um Feixe Óptico

Tal como referenciado na secção 3.1.2, a turbulência traduz-se numa mudança local do índice de

refração da atmosfera. O principal factor para esta alteração é a subida de temperatura. Desta forma, é

fácil concluir-se que a turbulência surge maioritariamente durante os períodos mais quentes do dia (entre


as 12h00 e as 15h00). Compreensivelmente, a ocorrência deste fenómeno também varia ao longo do ano,

sendo mais frequente nos meses de Verão (Maio, Junho, Julho, Agosto e Setembro).

De ponto de vista de projecto, é desaconselhável o planeamento de ligações onde, em dado ponto do

percurso, o feixe óptico seja tangente a superfícies metálicas, ou de qualquer outro material susceptível

de criar turbulência, por exemplo, alcatrão.

Dadas as considerações anteriores relativamente ao nevoeiro e à turbulência, verifica-se que os pe-

ríodos e características favoráveis à ocorrência de um e outro fenómenos são díspares, ou seja, quando

ocorre nevoeiro é improvável a ocorrência de turbulência, e vice-versa. Por esta razão, no link budget de

uma ligação FSO pode-se considerar apenas a pior destas atenuações.

27

Capítulo 4

Mini-Links de Feixes Hertzianos

Após a descrição do projecto de FSO no capítulo 3, pretende-se agora fazer o estudo do projecto de

Feixes Hertzianos, mais concretamente, Mini-Links de Feixes Hertzianos. Algumas das expressões são

comuns com os FSO, contudo alguns dos fenómenos que afectam uma tecnologia e outra são diferentes,

e mesmo aqueles que afectam ambas fazem-no de forma diferente em cada uma delas.

As principais perturbações aos FH são [11]:

• Absorção por gases da atmosfera

• Hidrometeoritos

É importante salientar que no âmbito do Backhaul, seja num troço de Last-Mile ou de Agregação, as

distâncias em consideração não ultrapassam os 2 ou 3 km. Nestas circunstâncias, a curvatura da terra

pode ser desprezada [11]. Como tal, assume-se neste trabalho que estamos numa situação de terra plana.

De forma a calcular o link Budget de um sistema de Feixes Hertzianos, parte-se da equação de

propagação em espaço livre (4.1) cujas grandezas nela consideradas estão em dB.

PRx = PT x +GT x +GRx−Asis−Ao (4.1)

Onde Ao representa a atenuação de espaço livre, que no caso dos FH é consideravelmente superior do

que nos FSO. Como é natural, depende do comprimento de onda da portadora e da distância da ligação

d [11]:

Ao = 92.4+20log10(d[km])+20log10( f[GHz]) (4.2)

Neste tipo de ligações utilizam-se normalmente antenas parabólicas, tanto no receptor como no emis-

28 MINI-LINKS DE FEIXES HERTZIANOS

sor. Em ambos os casos o ganho pode ser expresso por:

GTx = GRx = 20log10

(π.da

λ

)+10log(ηa) (4.3)

Onde:

• ηa: Rendimento da antena (Nunca superior a 0.6 [11])

• da: Diâmetro da antena parabólica

Para alem da atenuação em espaço livre existem atenuações suplementares que contribuem para o

link budget. Assim a secção seguinte descreve algumas destas atenuações que têm mais relevância.

4.1 Atmosfera Terrestre

As camadas baixas da atmosfera (Até 17 km) são compostas principalmente por 2 gases: Oxigénio

(O2) e Azoto (N2). O Azoto é completamente transparente às microondas, contudo o oxigénio tem uma

atenuação que pode ser considerável dependendo da banda de frequências. O Vapor de Água (H2O),

apesar de existir em menos proporção, também tem elevada absorção de microondas.

Assim a atenuação suplementar causada pela atmosfera pode ser descrita por:

Aabs = (γo0 + γw0)×d (4.4)

Em que γo0 e γw0 são respetivamente os coeficientes de atenuação, por unidade de comprimento,

devido ao oxigénio e ao vapor de água. A variação destes termos com a frequência estão representadas

na Figura 4.1. As expressões analíticas podem ser encontradas em [11].

4.1.1 Hidrometeoritos

A precipitação, especialmente a chuva, causa absorção de microondas, em particular em frequências

iguais ou superiores a 10 GHz, onde se enquadra os Mini-Links de Feixes Hertzianos.

Do ponto de vista de projecto de Mini-links, o coeficiente de atenuação da chuva γr, expresso em

dB/km, é calculado através de:

γr = kw×Rαwi(0.01) (4.5)

Em kw e αw são funções da frequência, da temperatura, forma das gotas de água e da sua dimensão.

Estas componentes tem valores diferentes para a polarização vertical e horizontal, e os seus valores

Atmosfera Terrestre 29

Figura 4.1: Atenuação específica devida aos gases atmosféricos para uma pressão atmosférica de 1013 hPa, umatemperatura 15oC e uma concentração de vapor de água de 7.5 g/m3 [11]

em função da frequência e da polarização estão descritos no Apêndice B, bem como o cálculo para

polarizações lineares.

Numa ligação de FH, as condições atmosféricas raramente são as mesmas durante todo o percurso.

Este facto tem especial importância no cálculo da atenuação da chuva. Como tal, é necessário calcular o

comprimento eficaz de percurso de f .

def =d

1+ dd0

(4.6)

Sendo que d0 assume:

d0 =

35e−0.015Ri , Ri(0.01) ≤ 100 mm/h

100, Ri > 100 mm/h

Posto isto, é possível calcular a atenuação causada pela chuva, não excedida em 0.01% do ano, em

dB, pela seguinte expressão:

A(0.01)r = γr.de f (4.7)

Para calcular a mesma grandeza, para percentagem do tempo p (com 0.001<p<1) diferente de 0.01,

é necessário recorrer a (4.8)1.

Apr = A(0.01)

r 0.12p−(0.546+0.043log(p)) (4.8)

O valor p a assumir no projecto está intimamente ligado à indisponibilidade que pode ser tolerada no

1Para latitudes inferiores a 30o (Norte ou sul) a expressão 4.6 deve ser substituída por Apr = A(0.01)

r 0.07p−(0.855+0.139log(p))


sistema. Esta temática é abordada em maior rigor no Capítulo 5.

4.1.2 Atenuação de Obstáculo

Ao contrário das ligações com FSO, Feixes Hertzianos permitem estabelecer comunicações com

obstáculos no meio do percurso. Contudo, nestas situações é necessário contabilizar uma atenuação

adicional. Esta por sua vez é dada por (4.9)2, em dB:

Aol = 6.9+20log10(√

(υ−0.1)2 +1+υ−0.1) (4.9)

O parâmetro υ é uma variável normalizada que representa a quantidade do elipsoide de Fresnel que

está obstruída pelo obstáculo. Esta por sua vez pode ser calculada por:

υ =±h√

2r1e

(4.10)

Em que r1e representa o raio do Elipsoide de Fresnel, e h a diferença de altura entre o raio directo e

o obstáculo (representada na figura 4.2). Para υ < −0.7, ou seja h ≤ −0.6r1e, a atenuação é aproxima-

damente zero, pelo que nestas condições pode ser desprezada no calculo do Link Budget. Isto significa

que, no caso de FH, um obstáculo pode obstruir até 40% do elipsoide sem perturbar a ligação.

Figura 4.2: Obstáculo abaixo da linha de vista

4.2 Relação Sinal-Ruído

Uma vez determinadas todas as atenuações a ter em conta no projecto de Feixes Hertzianos, há que

subtrair estas a 3.1, de forma a calcular a potência detectada no receptor. Dado isto, ficamos com a

expressão:

PRx = PTx +GTx +GRx−Asis−Ao−Aabs−Ar−Aol (4.11)

Tal como no caso de FSO, a margem de potência M pode ser definida como a diferença entre a

2(4.9) apenas é válida o caso de termos apenas um obstáculo no percurso, que é o mais comum para mini-links de poucosQuilómetros. Se houver mais do que um obstáculo, é necessário recorrer ao método de Deygout [11]

Relação Sinal-Ruído 31

potência recebida e a sensibilidade SRx do receptor:

M = PRx−SRx (4.12)

Uma vez calculado o link budget, é necessário determinar a relação Sinal-Ruído SNRCIP em condi-

ções ideais de propagação. Para tal, é preciso levar em linha de conta a temperatura do receptor T e a

largura de banda do filtro no receptor bo, de forma a calcular o ruído térmico.

No[dBW ] =−204+10log(bo) (4.13)

Em que br f se relaciona com a largura de banda do feixe b0 através de:

br f = (1+β)×b0 (4.14)

Onde β representa aqui a diferença entre a largura de banda do filtro ideal e do filtro real [11].

Tipicamente assume valores ente 1.2 e 1.5. Por sua vez, a largura de banda relaciona-se com o ritmo

binário Rb segundo (3.28).

Assim, SNRCIP pode ser então determinado por:

SNRCIP = PRx−N f −No (4.15)

Onde N f representa o factor de ruído introduzido pelo receptor, e No a densidade espectral de potência

do ruído.

A figura 4.3 representa o BER em função do SNR, evidenciando valores para várias modelações

m-QAM.

Em Mini-Links de FH, a modulação utilizada na maioria dos casos é 1024-QAM, devido à grande

capacidade que é necessário suportar. Normalmente considera-se um BER de 10−6 como o valor mínimo

aceitável para este tipo de ligações, o que se traduz numa SNRCIP aproximadamente de 45 dB.

Além desta restrição, é necessário verificar o cumprimento de algumas normas, nomeadamente a

severely errored second ratio (SESR), background block error ratio (BBER) e a errored second ratio

(ESR). A secção seguinte é dedicada ao cálculo da margem necessária ao cumprimentos destas cláusulas.


Figura 4.3: Variação da probabilidade de erros binários em função de SNRCIP para modulação m-QAM, com mentre 4 e 1024.

4.3 Clausulas SESR, BBER e ESR

A recomendação G.826 da ITU-T [23] indica quais os valores mínimos para as cláusulas SESR,

BBER, ESR para diferentes débitos de transmissão (tabela 4.1).

Débito 1.5 - 5 5 - 15 15 - 55 55 - 160 160 - 3500Binário (MBit/s) (MBit/s) (MBit/s) (MBit/s) (MBit/s)

Bits/Bloco 800-5000 2000-8000 4000-20 000 6000-20 000 15 000-30 000ESR 0.04 0.05 0.075 0.16 -

SESR 0.002 0.002 0.002 0.002 0.002BBER 2×10−4 2×10−4 2×10−4 2×10−4 10−4

Tabela 4.1: Cláusulas SESR, BBER, ESR e Bits/Bloco para diferentes débitos binários

No âmbito do Backhaul, os débitos utilizados encontram-se entre os 160 e os 3500 Mbits/s. Para

velocidades de transmissão superiores a 160 Mbits/s, não faz sentido determinar o número de segundos

com erros (ESR) [23]. A duração de cada bit é muito pequena, e por isso a recomendação G.826 indica

que a cláusula ESR é dispensável para débitos nesta ordem de grandeza. Como tal, esta secção incide

apenas nas clausulas SESR e BBER.

Para o cálculo da margem associada ao SESR e ao BBER, é necessário clarificar o conceito de

Desvanecimento. Como é natural em qualquer propagação não guiada, a potência do sinal no receptor

vai variar no tempo. Estas flutuações existentes nos sinais propagados na atmosfera colocam a potência

ligeiramente acima ou abaixo do seu valor mediano para o qual foi projectada a ligação. A este fenómeno

é genericamente designado por Desvanecimento.

Em comunicações ponto-a-ponto, existem dois tipos de desvanecimento relevantes: Desvanecimento

Clausulas SESR, BBER e ESR 33

Uniforme e Desvanecimento Selectivo. Estes efeitos traduzem-se respectivamente numa margem uni-

forme mu e numa margem selectiva ms. Adicionalmente, cada uma das cláusulas tem associada e si uma

margem real mr. Estas grandezas relacionam-se através da seguinte forma [11]:

1mr

=1

mu+

1ms

(4.16)

As respectivas grandezas, em dB, são Mr, Mu e Ms, e relacionam-se com as lineares através de:

Mr = 10log(mr) (4.17)

Mu = 10log(mu) (4.18)

Ms = 10log(ms) (4.19)

A margem selectiva ms pode ser determinada através de [11]:

ms =8000s[MHz]

(4.20)

Em que s assume diferentes valores conforme a modulação:

Modulação s (Sem igualação adptativa)16 - QAM 25 a 30 MHz64 - QAM 35 a 40 MHz245 - QAM 45 a 50 MHZ1024 - QAM 55 a 65 MHz

Tabela 4.2: Valores de s para várias modulações

4.3.1 SESR

A expressão (4.21) indica a relação entre o SESR e a respectiva margem real:

sesr =Kn

msesrr

(4.21)

Onde Kn pode ser calculado através de:

Kn = 1.4×10−8× f[GHz]×d3.5[km] (4.22)

Sendo f a frequência de trabalho, e d a distância da ligação. Caso estejamos a trabalhar com um


sistema com diversidade espacial ou na frequência, a (4.21) é substituída por:

sesr =1.157×10−5

(msesrr )2

d4.5km

d2c[m]

gp

gs(4.23)

Onde dc representa a distância espacial entre ambas a antenas, e gp, gs são os ganhos da antena principal

e secundária. No caso de haver diversidade na frequência:

sesr =1.4×10−8

(msesrr )2 .80.5

f 3[GHz]

∆ f[GHz]

gp

gsd4.5

km (4.24)

Com ∆ f a traduzir a diferença entre as duas portadoras em GHz.

4.3.2 BBER

Para calcular a margem real da clausula BBER é também necessário considerar o valor de SESR

[11].

bber = sesrα1

2.8α2(slbber−1)+

Nb× rberα3

(4.25)

Em que:

• rber: Residual Bit Error Rate e tem como valor típico 1×10−12.

• Nb: Numero de bits por bloco

• α1: Numero de erros por rajada para 10−3 > ber > bersesr, entre 10 e 30

• α2: Numero de erros por rajada para bersesr > ber > rber, entre 1 e 10

• α3: Numero de erros por rajada para ber < rber. Assume-se α3 = 1 [11].

• slbber: Inclinação da distribuição de BER para bersesr > ber > rber

• bersesr: Quociente entre número de bits errados e número de bits transmitidos.

slbber =log10(rber)− log10(bersesr)

log10(P(rber))− log10(sesr)(4.26)

Onde:

P(rber) =Kn

mrberr

(4.27)

Resolvendo (4.25) em ordem a SESR e substituindo este novo valor em (4.21), podemos determinar

a margem real mr da cláusula BBER.

Tendo calculado a margem mr de ambas a cláusulas, vamos utilizar a menor delas (ou seja o pior

caso) para determinar qual a Mu necessária para que as cláusulas sejam cumpridas.

Clausulas SESR, BBER e ESR 35

Sabendo mr e ms (4.20), é possível extrair mu através de (4.16). Chegando a Mu através de (4.18),

podemos determinar a relação Sinal-Ruído mínima do Feixe Hertziano com:

SNRmin = SNRCIP−Mu (4.28)

37

Capítulo 5

Critérios de Qualidade

Os parâmetros e normas descritas anteriormente, têm como premissa que a ligação está disponí-

vel. É necessário então assegurar um critério mínimo para a Indisponibilidade (I) destas ligações. A

indisponibilidade de um equipamento pode ter diversas causas, contudo algumas são mais prováveis do

que outras, e por isso é necessário ter em consideração diversas porções da indisponibilidade para os

diferentes fenómenos que a originam.

No caso particular de Feixes Hertzianos, a referência [11] aconselha a distribuir a indisponibilidade

total da seguinte forma:

• Indisponibilidade devido à precipitação Ich

0.2I ≥ Ich ≥ 0.1I (5.1)

• Indisponibilidade devido ao Equipamento Ie

0.4I ≥ Ie ≥ 0.3I (5.2)

• Indisponibilidade devido a outras causas Ir

Ir ≥ 0.5I (5.3)

No caso de FSO, o principal fenómeno atmosférico que limita a indisponibilidade é o nevoeiro.

Desta forma, no caso de feixes infravermelhos, as funções anteriormente consideradas para Ich deverão

ser substituídas por I f og. A chuva por sua vez tem uma perturbação mínima comparada com o nevoeiro,

razão pela qual não entra em consideração na indisponibilidade.

De forma a caracterizar a fiabilidade do equipamento, é habitual considerar que as falhas obedecem a

38 CRITÉRIOS DE QUALIDADE

uma distribuição exponencial negativa [11], caracterizada por um tempo médio entre avarias, designado

Mean Time Between Failures (MTBF). Por sua vez, o Mean Time To Repair MTTR é definido como o

tempo médio para reparar a avaria. É possível definir Ie através de:

Ie =MT T RMT BF

(5.4)

Assim, a indisponibilidade causada pelo equipamento, depende não apenas da sua fiabilidade (tradu-

zida no MTBF), mas também do desempenho das equipas de manutenção.

5.1 Indisponibilidade devida ao Nevoeiro em FSO

Ambas as normas P.1814 e P.1817 da ITU-T ([6] e [24] respectivamente), não determinam qualquer

métrica para o calculo da indisponibilidade I f og para equipamento FSO. Como já foi referido anterior-

mente, o fenómeno atmosférico que contribui de forma decisiva para a disponibilidade de ligação é o

nevoeiro. Ao contrario dos Mini-links de Feixes Hertzianos para os quais a ITU-R apresenta normas para

os valores de Ri a considerar em todo o globo, o nevoeiro por sua vez é um fenómeno local para o qual é

difícil extrapolar um modelo estatístico que seja válido para uma larga região.

Para conseguir uma previsão satisfatória do nevoeiro em Portugal, recorreu-se às medições de ne-

voeiro e visibilidade realizadas pelo Instituto Português do Mar e da Atmosfera (IPMA), ao longo de

um período de 10 anos (Janeiro de 1991 a Dezembro de 2000), nas capitais de distrito de Portugal Con-

tinental e ilhas. Com estes dados, é possível inferir uma relação estatística que revela a probabilidade

da visibilidade não ser excedida numa dada percentagem do tempo. Sabendo isto, é possível determinar

valores da visibilidade mínima a considerar no projecto de FSO em função da indisponibilidade admitida

e da localização geográfica.

O nevoeiro tem uma maior incidência nos meses de Inverno do que meses de Verão. Por este motivo

foram feitas três projecções para a visibilidade mínima:

• Optimista: Leva em consideração as medições dos meses de Agosto (melhor mês de Verão) entre

1991 e 2000.

• Pessimista: Leva em consideração as medições dos meses de Fevereiro (pior mês de Inverno) entre

1991 e 2000.

• Média: Leva em consideração todas as medições entre Janeiro 1991 e Dezembro 2000.

Através das medições adquiridas ao IPMA, foram realizados diversos histogramas (Apêndice C)

que mostram a distribuição da visibilidade nos três cenários acima descritos. O número de barras de

cada histograma depende da cidade considerada e varia consoante o número de amostras (medições)

Indisponibilidade devida ao Nevoeiro em FSO 39

Figura 5.1: Localização das estações meteorológicas onde foram efectuadas medições da visibilidade

disponíveis em cada uma das respectivas localizações. Com estas representações gráficas consegue-se

ter uma aproximação da densidade de probabilidade, e por essa razão é possível obter a função densidade

probabilidade cumulativa aproximada:

F(xi) =N

∑i=1

f (x = xi) (5.5)

Onde N é o número de barras que o histograma apresenta, e xi é a i-ésima barra a considerar.

Desta forma, é possível indicar qual a probabilidade de, num dado local, ocorrer uma visibilidade in-

ferior a um determinado valor. Em algumas localizações, é possível ainda averiguar que, para visibilidade

inferiores a um determinado threshold, a probabilidade destas obedece a uma distribuição estatística. O

cálculo apropriado destas distribuições foi feito recorrendo à ferramenta Distribution Fitting Tool do

Matlab, e o seu resultado encontra-se sumarisado na tabela 5.1

A distribuição normal tem uma função densidade de probabilidade e função densidade de probabili-

dade cumulativa (FDPC) dadas por (5.6) e (5.7) respectivamente.

f (x,µ,σ) =1

σ√

2πe−(x−µ)2

2σ2 (5.6)


Cidade Época Melhor Distribuição Parâmetros Validade [km]Horta Fevereiro Normal µ = 22.08 σ = 39.42 V <15

Angara do Heroísmo Fevereiro Normal µ = 12.93 σ = 12.54 V< 10Angara do Heroísmo Agosto Normal µ = 14.12 σ = 6.1 V<10Angara do Heroísmo Anual Normal µ = 13.13 σ = 11.6 V<10

Ponta Delgada Fevereiro Normal µ = 15.16 σ = 30.07 V<10Ponta Delgada Agosto Normal µ = 17.76 σ = 34 V<10Ponta Delgada Anual Normal µ = 15.11 σ = 32.07 V<10

Funchal Fevereiro Normal µ = 15.83 σ = 7 V< 15Funchal Agosto Normal µ = 16.22 σ = 3.6 V<15Funchal Anual Normal µ = 16.08 σ = 5.13 V<12.5

Viana do Castelo Fevereiro Normal µ = 11.3 σ = 33.19 V<14Viana do Castelo Anual Valor Extremo µ = 5.94 σ = 10.03 V<6

Porto Fevereiro Normal µ = 7.22 σ = 9.11 V<5Porto Anual Normal µ = 4.89 σ = 5.95 V<7Faro Fevereiro Normal µ = 12.57 σ = 12.57 V<9Faro Anual Normal µ = 9.68 σ = 4.82 V<9

Évora Agosto Valor Extremo µ = 13.04 σ = 7.03 V<10Viseu Agosto Valor Extremo µ = 16.26 σ = 46.55 V<15

Vila Real Fevereiro Normal µ = 15.06 σ = 40.46 V<10Vila Real Agosto Normal µ = 13.73 σ = 31..19 V<10Vila Real Anual Logística µ = 11.11 σ = 27.9 V<9

Castelo Branco Fevereiro Normal µ = 15.06 σ = 40.07 V<15Castelo Branco Agosto Normal µ = 13.35 σ = 27.3 V<10Castelo Branco Anual Normal µ = 13.45 σ = 36.13 V<10

Bragança Agosto Valor Extremo µ = 13.12 σ = 6.68 V<10Lisboa Agosto Normal µ = 13.36 σ = 22.46 V<15Lisboa Anual Normal µ = 10.8 σ = 16.51 V<8

Tabela 5.1: Distribuições aproximadas e respetivo domínio das aproximações

F(x,µ,σ) =+∞∫−∞

1σ√

2πe−(x−µ)2

2σ2 dx (5.7)

A distribuição do valor extremo (Extreme Value), ou distribuição de Gumbel, tem como função den-

sidade de probabilidade (5.8) [25], estando representada na figura 5.2.

f (x,a,b) =1b

e

(x−a)

b−e

x−ab

(5.8)


A função densidade de probabilidade cumulativa (FDPC) pode ser determinada com:

F(x,a,b) =+∞∫−∞

1b

e

(x−a)

b−e

x−ab

dx (5.9)

(a) PDF da distribução de valor extremo (b) FDPC da distribução de valor extremo

Figura 5.2: Distribuição de Valor Extremo, ou de Gumbel

Por último, a distribuição logística, também designada por distribuição de secante hiperbólica, apre-

senta como função de densidade de probabilidade e função cumulativa de probabilidade [25], estando

ambas representadas na figura 5.3:

f (x,a,b) =14b

sech2(

x−a2b

)(5.10)

F(x,a,b) =12+

12

tanh(

x−b2b

)(5.11)

(a) PDF da distribução Logística (b) FDPC da distribução Logística

Figura 5.3: Distribuição Logística

Nas expressões anteriores, µ e σ representam respectivamente a média e o desvio padrão da distri-

buição normal. No caso da distribuição de Gumbel, a representa a moda. A variância σ2 e a média µ


podem ser dadas através (5.12) e (5.13) respectivamente [25]:

σ2 =

bπ√6

(5.12)

µ = a−b log(log(2)) (5.13)

A distribuição Logística recebe como parâmetros µ que, tal como no caso da distribuição normal,

representa a média, e s que está relacionada com a variância σ2 através de:

σ2 =

s2.π2

3(5.14)

Um bom exemplo das aproximações efectuadas anteriormente é o caso de Vila Real na abordagem

que considera as medições do pior mês de Inverno. A figura 5.4 mostra o histograma construido a partir

das amostras de visibilidade, e a respectiva aproximação.

(a) PDF

(b) FDPC

Figura 5.4: Histogramas com visibilidade [km] da cidade de Vila Real e respectivas aproximações para V<10

Para visibilidade inferiores a 10 km, a distribuição Normal concretiza uma boa aproximação para a

função densidade de probabilidade. De igual forma, o diagrama representativo da FDPC mostra que a

aproximação é valida também para esta função. Assim, é possível relacionar a indisponibilidade devida

ao nevoeiro I f og (eixo vertical) com um valor de visibilidade correspondente (eixo horizontal).


Informações mais detalhadas sobre o número de amostras, e outras considerações das aproximações

podem ser encontradas no apêndice C.

Através da análise das medições da visibilidade, além das aproximações aos modelos acima descri-

tos, é possível concluir que existem um conjunto de localizações onde é possível aproximar a função de

densidade de probabilidade de nevoeiro nos três cenários (optimistas, pessimista e médio) pela distribui-

ção normal. Existem também outras localizações onde a visibilidade apenas é possível de ser modelada

estatisticamente na abordagem pessimista (mês típico de inverno) e na abordagem média (Considerando

o 12 meses do ano). Estas são situações onde no mês típico de Verão (situação optimista) não existe

praticamente nevoeiro, e por isso a visibilidade é praticamente máxima durante todo o mês.

Em algumas cidades apenas é possível conseguir aproximações nos meses de Verão. Nestes casos, a

visibilidade é compreendida pela distribuição de Gumbel.

Noutros locais, apesar de não poder ser parametrizada nenhuma distribuição que descreva o compor-

tamento da visibilidade, através da função densidade de probabilidade cumulativa (F(xi)) do respectivo

histograma, é possível indicar um valor no qual se garantam critérios de indisponibilidade devida ao

nevoeiro I f og. Com base nesta abordagem, a tabela 5.2 indica valores de visibilidade a considerar para

diversas localizações no mês típico de Verão.

Localização I f og = 0.1 I f og = 0.01 I f og = 0.001Horta 20 6 -

Angra do Heroísmo 15 8 0.55Ponta Delgada 15 4.1 0.8

Funchal 15 12 10Viana do Castelo 3 0.2 0.1

Porto 2.1 0.2 0.1Coimbra 3 0.2 -

Faro 9 3 0.3Évora 10 3.1 0.4Viseu 8.1 0.2 -Beja 8 3 0.3

Vila Real 6 2 0.1Castelo Banco 7 4 1

Portalegre 6 0.2 -Bragança 12 3 0.9

Lisboa 8 3.1 2.1

Tabela 5.2: Valores da visibilidade (V ) [km] em função da indisponibilidade para o melhor mês de Verão

A tabela 5.3 indica valores de visibilidade a considerar na abordagem mais pessimista, isto é, no pior

mês de Inverno.

Por sua vez, a tabela 5.4 considera todas as medições de visibilidade ao longo do ano. Inclui meses

de Verão e de Inverno, razão pela qual se considera ser a projecção média.

De ponto de vista de projecto, para desenhar uma determinada ligação FSO com uma indisponibili-


Localização I f og = 0.1 I f og = 0.01 I f og = 0.001Horta 15 6 0.5

Angra do Heroísmo 10 2 0.5Ponta Delgada 8 2 0.2

Funchal 15 10 5Viana do Castelo 4.1 0.8 0.1

Porto 4 0.8 -Coimbra 4 - -

Faro 9 3 0.2Évora 5 0.2 0.1Viseu 4 0.2 0.1Beja 5 0.2 0.1

Vila Real 6 0.5 0.1Castelo Banco 6 0.2 0.1

Portalegre - - -Bragança 5 0.1 -

Lisboa 4 - -

Tabela 5.3: Valores da Visibilidade (V ) [km] em função da indisponibilidade para o pior mês de Inverno

Localização I f og = 0.1 I f og = 0.01 I f og = 0.001Horta 15 4 -

Angra do Heroísmo 12 3 0.4Ponta Delgada 8 1.6 0.1

Funchal 15 12 3Viana do Castelo 3 0.5 0.1

Porto 3 0.3 0.1Coimbra 4 0.2 -

Faro 9 3 0.3Évora 8 0.5 0.1Viseu 6 0.2 0.1Beja 6 0.2 0.1

Vila Real 5 0.2 -Castelo Banco 6 0.5 -

Portalegre 2 - -Bragança 5 0.1 -

Lisboa 6 0.5 -

Tabela 5.4: Valores da Visibilidade (V ) [km] em função da indisponibilidade para o caso médio

dade máxima de I, deve-se assumir I f og segundo a equação 5.1. Mediante a indisponibilidade devido ao

nevoeiro, a época do ano, e a respectiva localização geográfica, o valor de V a tomar em consideração

para a Eq. 3.12 é dado segundo as recomendações das tabelas acima descritas.

5.2 Indisponibilidade devida à chuva para ligações por Feixes Hertzianos

A recomendação F.697-2 da ITU-R [26] não estabelece ainda objectivos de indisponibilidade para

links em frequências superiores a 17 GHz, contudo, refere que neste tipo de aplicações a chuva tem um

Indisponibilidade devida à chuva para ligações por Feixes Hertzianos 45

papel particularmente importante no seu cálculo. A título de exemplo, são apresentados os seguintes

valores para a indisponibilidade devio à chuva Ich:

• 0.0004% a 0.004%, por ano, no Japão, nas bandas de 21 e 26 GHz

• 0.001% a 0.01%, por ano, no Reino Unido, na banda dos 18 GHz

Independentemente do critério de indisponibilidade I a assumir, Ich deve ser determinado segundo

a (5.1), e esta, por sua vez, deve entrar na (4.8) como sendo p. O valor de Ri a considerar para (4.6)

também varia consoante a localização geográfica e a indisponibilidade devido à chuva para a qual o feixe

é projectado.

De forma a determinar Ri, a recomendação P.837-1 da ITU-R [19] apresenta valores padrão para esta

variável em diversas latitudes e longitudes. No caso específico de Portugal, o território pode dividir-se

em duas zonas: H e K. A primeira corresponde sensivelmente ao Minho, Trás-dos-Montes e Beira Alta,

a segunda diz respeito ao restante território [11]. A tabela seguinte indica os principais valores de Ri para

vários p em ambas as zonas.

Intensidade de Precipitação [mm/h] Percentagem do tempo, no ano, em que o valorZona H Zona K da intensidade de precipitação é excedido

2 1.5 14 4.2 0.310 12 0.118 23 0.0332 42 0.0155 70 0.00383 100 0.001

Tabela 5.5: Distribuição acumulada da intensidade de precipitação (em mm/h) nas zonas H e K [11]

Sabendo à partida que é impossível assegurar o funcionamento de um sistema de telecomunicações

em 100% do tempo, o presente capítulo determinou quais os valores de V a adoptar no projecto de FSO

para diversas indisponibilidades. De igual forma, no caso dos Feixes Hertzianos, estabelece grandezas

de Ri e p para o dimensionamento de Ar.

Desta maneira ficam estabelecidos de forma quantitativa critérios para assegurar disponibilidade em

1− I por cento do tempo.

47

Capítulo 6

Planeamento de Ligações

Para ser possível realizar o projecto de Feixes Hertzianos e Free Space Optics descrito nos capítulos

anteriores foi desenvolvida uma ferramenta (Link_Design_App) que determina o link Budget, Margem,

SNR e BER para os diversos equipamentos de ambas as tecnologias. Esta ferramenta consiste num

algoritmo que recebe como input dados relativos ao canal atmosférico, débito da ligação, e informação

sobre o equipamento em análise. No final, é determinado qual a melhor solução e as características desta.

O funcionamento da ferramenta está descrito sumariamente na figura 6.1.

Figura 6.1: Blocos principais da ferramenta

Em que cada um dos blocos representa as seguintes funcionalidades:

• Equip(N).txt: Ficheiros de entrada da ferramenta. Cada equipamento, seja ele FH ou FSO, neces-

sita de um ficheiro .txt onde constam as suas características. Estas, por sua vez, obedecem a um

formato específico.

– 1a Linha: Indica se o equipamento é de Feixes Hertzianos ou Free Space Optics, sendo que

no primeiro caso deve constar "FH"e no segundo "FSO"

– 2a Linha: Potência do Emissor (em W)

– 3a Linha: Sensibilidade do Receptor (em W)

48 PLANEAMENTO DE LIGAÇÕES

– 4a Linha: Ganho do Emissor (em dB)

– 5a Linha: Ganho do Receptor (em dB)

– 6a Linha: Frequência máxima de trabalho (em GHz, no caso de FH) ou Comprimento de

Onda (em nm, no caso de FSO)

– 7a Linha: Rendimento do Emissor

– 8a Linha: Factor de Ruído (dB)

– 9a Linha: Modulação

– 10a Linha: Ritmo transmissão binária máximo suportado pelo equipamento

• Input do Utilizador: Durante o decorrer da aplicação, existem alguns passos nos quais é ne-

cessário o utilizador inserir dados sobre determinadas características do meio, como por exemplo

Temperatura, Precipitação, Visibilidade, Comprimento da Ligação, entre outros. Este bloco diz

respeito a duas janelas para este efeito, uma para dados relacionados com a Propagação na Atmos-

fera, e outra sobre caraterísticas do troço a ser projectado.

• Ferramenta: Algoritmo que calcula os parâmetros de saída que determinam o desempenho dos

diversos equipamentos nas condições atmosféricas indicadas anteriormente.

• Output.txt: Este ficheiro contém a Margem, SNR e BER de todos os equipamentos testados para

a ligação a ser projectada. Com estes dados é possível dizer qual a melhor solução para concretizar

o troço de Backhaul.

• Gráfico de barras com Margem de Potência: Gráfico de barras com as Margens de Potência dos

diversos equipamentos na ligação simulada.

• Gráfico de barras com SNR: Gráfico de barras com SNR dos diversos equipamentos analisados

na ligação simulada.

Um vez descrito o funcionamento da ferramenta, a secção seguinte trata o algoritmo que suporta

todos os cálculos. Estas funcionalidades foram implementadas em MatLab, o que permite computar

expressões matemáticas de grande dimensão de forma eficiente. De forma a simplificar computacional-

mente os cálculos a realizar pelo algoritmo, este efectua praticamente todas as operações em unidades

logarítmicas.

6.1 Algoritmo e implementação da ferramenta

Em relação ao número de equipamentos a testar, o algoritmo desenvolvido é perfeitamente escalável.

Isto significa que o número de equipamentos que o programa suporta está apenas limitado pela memória

Algoritmo e implementação da ferramenta 49

disponível no computador. O fluxograma da figura 6.2 representa o funcionamento do algoritmo.

Após uma janela introdutória, onde é apresentada a aplicação e o formato dos ficheiros de input, é

aberta uma nova janela onde o utilizador introduz o directório dos ficheiros Equip(N).txt. Cada um destes

ficheiros diz respeito a uma solução de Feixes Hertzianos ou Free Space Optics, e uma vez selecionada a

pasta onde estes estão localizados o algoritmo vai lê-los e retirar de cada um deles diversas informações

(Potências, Ganhos, Rendimentos, Modulações, Ritmos de transmissão binária, entre outras).

Uma vez processada a informação dos equipamentos a testar, surge uma janela (figura 6.3) na qual

o utilizador insere dados relativos às condições de propagação. Aqui é introduzido o comprimento da

ligação d, a temperatura ambiente em graus Celsius T , a Humidade Relativa do Ar em percentagem

HR e a altura em relação ao solo do ponto mais baixo do feixe infravermelho ha. Além destes dados,

é necessário indicar qual a visibilidade V em km a considerar no projecto. É obrigatório ainda indicar

a existência de precipitação e neve. Em caso afirmativo, é requerida a intensidade de precipitação Ri

(mm/h), o tipo de neve presente (Húmida ou Seca) e a sua intensidade S (mm/h).

O valores a considerar para V e Ri estão intimamente relacionados com a percentagem de indisponibi-

lidade que admitimos no nosso projecto. A secção 3.3 indica quais os valores de visibilidade a considerar

em diversos pontos do país para diferentes indisponibilidades. Esses são os valores de referência a ser

considerados no projecto e a serem inseridos na janela da figura 6.3 da aplicação. De forma análoga, no

caso do projecto de feixes hertzianos a chuva é a principal responsável pela indisponibilidade do sistema.

A recomendação 837-1 da ITU-R [19] normaliza valores de Ri a considerar em diversos pontos do globo

para diferentes disponibilidades. No caso particular de Portugal, a zona H assume Ri = 32 mm/h e a zona

K, Ri = 42 mm/h para uma disponibilidade de 99.999%.

Uma vez introduzidos os parâmetros acima descritos, o algoritmo começa por calcular a atenuação

geométrica Ao. Para tal são utilizadas em (3.4) e (4.2) no caso de FSO e FH respectivamente. De seguida

é determinada a atenuação causada pela absorção atmosférica Aabs, onde são utilizadas (3.8) e (4.4).

Cada uma destas variáveis de atenuação são guardadas num vector de dimensão N. Cada posição i destes

vectores diz respeito à atenuação do i-ésimo equipamento a ser testado.

Depois de determinadas as atenuações que influenciam a propagação em condições atmosféricas

normais, o algoritmo procede com o cálculo da atenuação de alguns fenómenos atmosféricos, que apesar

de esporádicos, afectam o desempenho de um ou outro sistemas: Precipitação, Nevoeiro e Neve.

A precipitação afecta as comunicações por FH e por FSO, contudo a atenuação no primeiro é maior

do que no segundo. As expressões (3.15) e (4.5) exprimem ambos os casos e são aquelas que foram

utilizas pelo algoritmo para quantificar a Atenuação devida a hidrometeoritos. No caso da Nevoeiro

e da Neve, estes fenómenos apenas têm influência significativa nos FSO. As equações (3.11) e (3.16)

modelam a atenuação resultante da dispersão que estes fenómenos causam no raio infravermelho, e o


Figura 6.2: Fluxograma do algoritmo desenvolvido

Algoritmo e implementação da ferramenta 51

Figura 6.3: Janela das características de propagação

algoritmo utiliza-as para calcular a atenuação A f og e Asnow. Todas estas variáveis são implementadas de

forma vectorial, tal como foi descrito anteriormente no caso das Atenuações geométricas e atmosféricas.

Calculadas as grandezas anteriores, é apresentada uma nova janela (figura 6.4) onde o utilizador

insere características relacionadas com o troço a ser projectado.

Figura 6.4: Janela das características da Ligação

Neste ponto, é calculada a potência no receptor segundo (3.22) ou (4.11) (para FSO e FH respectiva-

mente), e o algoritmo recebe informações sobre o ritmo binário exigido pelo troço a ser projectado, bem

como o BER mínimo que é necessário satisfazer para assegurar a qualidade de serviço. Com tudo isto, é

possível determinar a margem de cada um dos sistemas a serem testados com (3.23) ou (4.12), e a SNR

por (3.24) ou (4.15), respectivamente para FSO ou FH. Estas últimas duas grandezas, depois de calcula-


das, são expostas em gráficos de barras. Desta forma é mais fácil verificar qual o melhor equipamento

para as condições simuladas. No final, é criado um ficheiro de output denominado output.txt, onde são

escritas todas as informações sobre a performance dos diversos equipamentos testados.

Figura 6.5: Ficheiro de Output do algoritmo

A aplicação anteriormente descrita permite determinar quais os equipamentos que permitem estabe-

lecer uma ligação de Backhaul com as características impostas pelo utilizador. O cumprimento ou não do

requisito de BER é feito através da comparação deste com o valor introduzido pelo utilizador na janela

da figura 6.4. Havendo mais do que um equipamento disponível que cumpre os critérios de qualidade

necessários, a escolha será de acordo com o preço de cada uma das soluções. A secção seguinte aborda

os custos de exploração e modelo de negócio de ambas as tecnologias.

6.2 Análise Económica

Tanto o projecto de Mini-links de Feixes Hertzianos como de FSO têm diversos encargos a ter em

conta, que vão muito para além do preço do equipamento. Existem dois tipos de custos associados

a projectos desta natureza: os custos iniciais para construir e colocar as infraestruturas operacionais

(CAPEX), e os custos operacionais (OPEX).

No CAPEX, além do preço do equipamento, é necessário ter em consideração os custos de infraestru-

turas (estradas, energia, terreno), os gastos com pessoal para instalação e manuseamento dos equipamen-

tos, o custo com peças sobresselentes e as despesas em estudos prévios ao projecto (impacto ambiental,

entre outros).

O OPEX compreende gastos associados à exploração ao longo do tempo, nomeadamente: manu-

tenção, equipamento substituto, energia, impostos (municipais e nacionais) e encargos de financiamento

(juros e amortizações de eventuais empréstimos).

É importante ainda salientar que a construção de uma infraestrutura tanto de Feixes Hertzianos como

Análise Económica 53

de FSO não é um acto isolado. Geralmente, a implementação (reforço ou renovação) de uma ligação

de Backhaul está enquadrada em planos de investimento maiores, que englobam uma grande diversi-

dade de projectos mais pequenos e muitos fornecedores. Nestas condições, os montantes envolvidos na

compra de equipamento são muito elevados, o que permite aos fabricantes de equipamento proporcionar

descontos nos seus produtos. Desta forma, é possível em algumas circunstâncias negociar preços, manu-

tenção, e peças ou outras condicionantes, de forma a tornar uma tecnologia preferível em relação à outra.

Dado estas condicionantes do projecto, apesar de importantes, são difíceis de quantificar em abstrato,

assume-se neste trabalho que o preço em catálogo do equipamento não se altera mediante a quantidade

comprada.

Para haver uma avaliação correcta do projecto, é necessário determinar o ciclo de vida deste, isto é,

quanto tempo é que a ligação vai estar activa. No contexto de Backhaul de redes móveis heterogéneas, o

tempo de vida útil é da ordem dos 10 anos.

6.2.1 CAPEX

No desenvolvimento do trabalho foram contactadas diversas empresas fornecedoras de tecnologia

FSO e Feixes Hertzianos. Através desses contactos, foi possível registar o preço das diversas soluções

existentes no mercado. Todas as informações fornecidas para este trabalho pelos vários fabricantes

encontram-se no apêndice A.

A tabela 6.1 indica o preço das diversas soluções consideradas:

Equipamento Preço Equipamento Cablagem, Módulos Total(e)(e) e suportes(e)Artolink M1-FE-L (FSO) 2 × 7900 2 × 6240 28280Artolink M1-GE (FSO) 2 × 9200 2 × 6300 31000

Artolink M1-GE-L (FSO) 2 × 14100 2 × 9087 46374Artolink M1-10GE (FSO) 2 × 29700 2 × 38718 136836

Ericsson PT 2020 (FH) 2 × 35200 2 × 7030 84460Ericsson LH (FH) 2 × 22700 2 × 4030 98860

Ericsson TN-R5 (FH) 2 × 38900 2 × 7480 92760Ericsson PT 6020 (FH) 2 × 50400 2 × 8480 117760Ericsson PT 3060 (FH) 2 × 36000 2 × 7730 87460

Tabela 6.1: CAPEX de equipamento FSO e Feixes Hertzianos

A coluna relativa a Cablagem, Módulos e Suportes, inclui ainda o custo dos IDU e ODU. No caso dos

FSO, inclui também o módulo auto-tracker, que permite ao receptor alinhar-se com o raio recebido face

a flutuações lentas que este possa sofrer devido à turbulência. Para flutuações rápidas, deve considerar-se

a abordagem descrita em 3.1.2.

O acesso a energia e a necessidade de terreno para instalar o equipamento podem ser factores com

um custo particularmente elevado em ambiente rural. Regra geral, em cenários urbanos ou semiurbanos,


a energia existe ou está muito perto do local de instalação. Muitas vezes aproveita-se a coexistência

de outras infraestruturas de telecomunicações para instalar equipamento. Desta forma, além do forneci-

mento de energia eléctrica estar garantido, o custo do aluguer de espaço e instalação do equipamento é

repartido por vários projectos.

6.2.2 OPEX

Dos vários factores que podem contribuir para o OPEX, a energia, impostos e manutenção são aque-

les que tem maior peso. Em relação ao primeiro, é do interesse do projectista que o equipamento tenha

um consumo reduzido. Tanto FH como FSO têm consumos energéticos idênticos, pelo que, apesar de

contribuir de forma decisiva para o OPEX, não é um parâmetro importante para a escolha do equipamento

a instalar. De forma a calcular o custo anual da electricidade necessária para o funcionamento de cada

um dos equipamentos, é necessário considerar a potência consumida Pc por cada um destes, e preço por

kw×h (Ckw×h) praticado pelo fornecedor. Os preços praticados são regulados pela Entidade Reguladora

de Serviços de Energia (ERSE), e os valores típicos podem ser encontrados em [27]. Com base nestas

referências, é considerado um custo de 0.1367 [e/kw×h]. Assim, a energia consumida anualmente Eca

[kw×h] é de:

Eca =Pc×24×365

1000(6.1)

Chegando ao custo energético anual Ca [e] pode ser calculado com:

Ca = Eca×Ckw.h (6.2)

Sendo considerado o tempo de vida útil do projecto de 10 anos e assumindo uma taxa de inflação

Tin f l de 0.7%, os custos operacionais totais são determinados por:

COp_tot =N=10

∑i=1

(1+Tin f l

)i×Ca (6.3)

Por sua vez, os impostos em Portugal são regulador pela Autoridade Nacional para as Comunicações

Móveis (ANACOM). Este órgão é responsável pelos leilões de espectro electromagnético. Ao contrário

das frequências utilizadas em comunicações móveis (entre os 800 MHz e os 3 GHz), as gamas utilizadas

tanto em Mini-Links de Feixes Hertzianos como em FSO não são taxadas. Há excepção das bandas

reservadas para fins militares, ou para comunicações por satélite [28], frequências superiores a 20 GHz

podem ser utilizadas para ligações desta natureza, desde que seja tomado conhecimento por parte do

órgão regulador acima mencionado.

A manutenção de equipamento sem fios como é o caso de Mini-links de Feixes Hertzianos e FSO é

bastante mais simples do que no caso de comunicações com fios. A grande maioria das empresas que

Conclusões 55

possuem redes de telecomunicações, onde está incluído o Backahaul, fazem actualmente outsourcing de

manutenção a outras empresas especializadas neste tipo de equipamento. Apesar de ser mais caro, liberta

a empresa que contrata estes serviços de encargos com pessoal e com a sua formação. O custo associado

a este tipo de serviços é muito irregular, grande parte dos contratos são celebrados a médio prazo (2 ou

3 anos) e são adjudicados depois de concurso prévio. Dado ser impossível determinar uma aproximação

para estas despesas, e sabendo que a manutenção necessária em FH e FSO é semelhante, esta parcela é

retirada do balanço do OPEX. Uma vez que influência de igual forma uma e outra tecnologia, não é por

isso um factor preponderante na escolha de equipamento.

Equipamento Potência [w] Gasto energético anual (e) OPEX para 10 anos (e)Artolink M1-FE-L (FSO) 2 × 60 1051.2 10925Artolink M1-GE (FSO) 2 × 50 876 9104

Artolink M1-GE-L (FSO) 2 × 67 1173.8 12200Artolink M1-10GE (FSO) 2 × 87 1524.2 15841

Ericsson PT 2020 (FH) 2 × 32 560.6 5826.4Ericsson LH (FH ) 2 × 90 2 1576.8 16388

Ericsson TN-R5 (FH) 2 × 110 1927.2 20028Ericsson PT 6020 (FH) 2 × 45 788.4 8194Ericsson PT 3060 (FH) 2 × 30 525.6 5462.7

Tabela 6.2: OPEX de equipamento FSO e Feixes Hertzianos

Uma vez determinados os valores de CAPEX e OPEX para os equipamentos analisados, a secção

seguinte determina qual o mais atrativo do ponto de vista económico.

6.3 Conclusões

Uma vez determinados quais os equipamentos adequados para as condições físicas do canal atmos-

férico (secção 6.1), é necessário averiguar qual o equipamento mais atrativo de ponto de vista de CAPEX

e OPEX. A figura 6.6 resume o procedimento a adoptar nesta selecção

A tabela 6.3 apresenta o custo total das diversas soluções consideradas neste trabalho.

Numero Equipamento Ritmo Binário [Mbps] CAPEX(e) OPEX(e) Total(e)1 Artolink M1-FE-L (FSO) 100 28280 10925 392052 Artolink M1-GE (FSO) 1000 31000 9104 401043 Artolink M1-GE-L (FSO) 1000 46374 12200 585744 Artolink M1-10GE (FSO) 10000 136836 15841 1526775 Ericsson PT 2020 (FH) 570 84460 5826.4 90286.46 Ericsson LH (FH) 380 98860 16388 1152487 Ericsson TN-R5 (FH) 1100 92760 20028 1127888 Ericsson PT 6020 (FH) 1000 117760 8194 1259549 Ericsson PT 3060 (FH) 400 87460 5462.7 92922.7

Tabela 6.3: CAPEX e OPEX de equipamento FSO e Feixes Hertzianos


Figura 6.6: Selecção de equipamento a utilizar

De forma a comparar melhor a relação entre o peso do CAPEX e do OPEX em cada um das soluções

anteriores, a figura 6.7 mostra um gráfico de barras com o peso destas duas componentes.

Figura 6.7: Relação entre custo iniciais e operacionais

Dado que os diversos equipamentos de Feixes Hertzianos e FSO suportam ritmos de transmissão bi-

nária variados, é importante ainda saber qual o custo por Mbit/s instalado que cada solução proporciona.

A figura 6.8 apresenta um gráfico de barras onde é estabelecido o custo por Mbit/s [e/Mbit/s] de cada

modelo.

Conclusões 57

Figura 6.8: Preço de Mbit/s instalado

A figura 6.7 apresenta o critério de seleção representado no segundo losango do fluxograma da figura

6.6: o preço mais baixo. Com estes dados é possível escolher, de entre os equipamentos que suportam

a ligação a projectar, aquele que é mais atrativo economicamente. Através da leitura da figura 6.8 é

possível concluir que o equipamento 4 é a melhor opção, desde que tenha débito suficiente para o que

se pretende. Com isto, o próximo capítulo procura determinar qual a melhor opção de projecto para

diferentes cenários de Backhaul.

59

Capítulo 7

Casos de Estudo e Cenários

O presente capítulo aplica os conceitos anteriormente analisados em diversos cenários no contexto

de Backhaul de redes móveis heterogéneas. Tal como referido na secção 2.5, a arquitectura deste tipo de

redes consiste numa primeira parte que transporta tráfego entre a BS e um ponto intermédio de agregação,

e numa segunda que estabelece a ligação entre este mesmo ponto e o core. Como é compreensível,

o débito num troço de Last-Mile é substancialmente inferior em relação à situação de agregação. O

primeiro suporta entre 6 a 7 células, o segundo por sua vez pode chegar a 60 [12].

Num ambiente de redes móveis heterogéneas, onde na mesma BS existe tecnologia 2G, 3G e 4G, o

débito de pico (secção 2.3) a assegurar por cada estação é de aproximadamente 420 Mbit/s. Considerando

estas condicionantes, as secções seguintes dedicam-se ao projecto de um troço de Backhaul com base na

ferramenta desenvolvida no capítulo 6. As características do equipamento utilizado no planeamento de

cada um dos seguintes cenários estão descritas no apêndice A.

7.1 Cenário 1: Last-Mile Rural

Num cenário rural, um Backhaul de Last-Mile geralmente não suporta mais do que uma ou duas

estações base. Nestas circunstâncias, o projecto não é exigente do ponto de vista do débito de transmissão

que é necessário assegurar, mas sim pela distância da ligação. A tabela 7.1 sumariza o valor assumido

para as diversas variáveis a ter em consideração no projecto.

No de Tempe- HR Altura em Modelo de Indisponibilidade Zona de DistânciaEstações ratura (%) relação ao Turbulência Assumida Precipitação [km]

Base (oC) Solo [m] [%] [mm/h]1 25 50 30 Rural 2 K 4.5

Tabela 7.1: Caraterísticas do primeiro cenário

Num ambiente rural, a grande maioria das estações base representa macrocélulas. Como tal, tem

grandes dimensões e pouca interferência. As BS são muitas vezes colocadas em mastros com dezenas

60 CASOS DE ESTUDO E CENÁRIOS

de metros de altura e em zonas altas, de forma a maximizar o alcance, sendo esta a razão pela qual se

assume ha = 30m neste cenário. Dado que este cenário suporta apenas uma Estação Base, o ritmo binário

máximo é determinado por Dpb (2.3), ou seja 420 Mbit/s. Com uma indisponibilidade de 2% podemos

assumir uma I f og ou Ich de 0.4%, considerando em (7.1) com:

Ich = 0.2I (7.1)

Com este valor associado à indisponibilidade devido à chuva e assumindo que a ligação é na zona K,

através da tabela 5.5 podemos considerar Ri = 4 mm/h.

A figura 7.1 exemplifica a ligação projectada. O local mais próximo da região onde o projecto está a

ser planeado, para o qual existem recomendações de visibilidade (secção 5.2), é Lisboa. Não estando este

valor de indisponibilidade devido ao nevoeiro (0.4%) disponível na tabela 5.4, o cálculo da visibilidade

que lhe é subjacente pode ser feito recorrendo à FDPC da distribuição que modela a probabilidade de

visibilidade para esta localização. Trata-se de uma normal com µ = 10.8 e σ = 16.51, que apresenta

V = 0.1 km para uma indisponibilidade de 0.004 devido ao nevoeiro. Este é o valor de V que (3.12)

assume neste cenário. Tal como enunciado nas secções 3.2 e 4.2, o valor máximo de BER admissível

para o projecto é de 10−6.

Figura 7.1: Ligação do primeiro cenário: Backhaul em contexto Last-mile em ambiente rural

A figura 7.2 representa a margem da ligação e a relação sinal-ruído de cada um dos equipamentos

considerados.

Os gráficos mostram que os primeiros quatro equipamentos (FSO) têm uma Relação Sinal-Ruído

completamente incomportável. Como é previsível, quando projectados para ligações com comprimentos

elevados (> 3 km) e com um critério de visibilidade tão exigente (V = 0.1 km), a propagação infraver-

Cenário 2: Last-Mile Urbano 61

(a) Margem (b) SNR

Figura 7.2: Gráficos de barras com Margem e Relação Sinal-Ruído do primeiro cenário

melha não vai além de alguns metros. Desta forma, para longas distâncias e ambientes tão austeros em

relação ao nevoeiro, é preferível utilizar Feixes Hertzianos.

Por sua vez, os equipamentos 5, 6 e 7 (FH) apresentam uma Margem e uma SNR suficientemente

robusta para este cenário. De forma a escolher aquele que mais se adequa a este ambiente, o ficheiro de

Output.txt apresenta mais informações que estão reproduzidas na tabela 7.2.

Equip 5 Equip 6 Equip 7Modelo Ericsson PT 2020 Ericsson LH Ericsson TN-R5

Ritmo Binário Cumpre Não Cumpre CumpreMargem de Potência [dBW] 44.97 40.68 44.97

SNR[db] 46.74 53.86 46.74BER 10−6.9 10−29 10−6.9

Tabela 7.2: Resultados de simulação do primeiro cenário

Pela análise do output do programa, é possível dizer que o equipamento 6 (FH) não cumpre o requi-

sito mínimo de ritmo binário, motivo pelo qual fica excluído. Tendo em conta a informação da figura 6.8,

a solução 7 apresenta um preço por Mbbit/s mais reduzido. Contudo, a figura 6.7 mostra que o equipa-

mento 5 é mais económico. Tendo em conta que o 5 e 7 suportam respectivamente 570 e 1100 Mbit/s e

que neste cenário apenas são necessário 420 Mbit/s, faz sentido escolher na solução 5 em detrimento da

7. Conclui-se desta forma que a melhor escolha para o Backhaul Last-Mile em ambiente rural descrito

neste cenário é o Ericsson PT 2020.

7.2 Cenário 2: Last-Mile Urbano

O segundo cenário a ser projectado consiste num troço Last-Mile em ambiente urbano. Ao contrário

do caso anterior, o número de estações base é superior, e a distância da ligação é mais reduzida. Desta

forma, o projecto é mais exigente do ponto de vista do débito de transmissão que do comprimento da

ligação. A tabela 7.3 apresenta os valores considerados neste ambiente.


No de Tempe- HR Altura em Modelo de Indisponibilidade Zona de DistânciaEstações ratura [%] relação ao Turbulência Assumida Precipitação [km]

Base [oC] Solo [m] [%] [mm/h]7 25 50 1 Urbano 5 K 3.5

Tabela 7.3: Caraterísticas do segundo cenário

Em ambiente urbano, uma boa parte das estações base estão colocadas no topo de edifícios. Consi-

derando esta hipótese, a altura ha não vai além de 1 m. Por outro lado, do ponto de vista do projecto, não

é necessário um mastro de grande envergadura como no caso rural, o que traz consigo um investimento

inicial mais reduzido. Tendo I = 0.05, por (7.1) I f og = 0.01. Sabendo que a ligação é realizada no centro

de Ponta Delgada, pela tabela, 5.4 V = 1.6 km. Para a chuva Ri toma 4 mm/h, uma vez que se trata da

zona K e Ich = 0.01. O facto de ser um troço que suporta 7 estações base, implica que em (2.3) o termo

N×Dbb se sobreponha a Dp

b . Assim, Dbb o valor de 70 Mbit/s, débito binário total a transportar é de 490

Mbit/s.

A figura 7.3 exemplifica a ligação a ser projectada. A figura 7.4 e a tabela 7.4 mostram a Margem,

Relação Sinal-Ruído, e dados de output do algoritmo para as considerações anteriormente anunciadas no

segundo cenário.

Figura 7.3: Ligação do segundo cenário: Backhaul em contexto Last-mile em ambiente urbano

(a) Margem (b) SNR

Figura 7.4: Gráficos de barras com Margem e Relação Sinal-Ruído do cenário 2

A análise dos dos gráficos permite afirmar que:

Cenário 3: Agregação 63

• Os equipamentos 1, 2 e 9 não podem ser utilizados no projecto uma vez que apresentam SNR < 0.

• Apesar de terem SNR positivo, o equipamentos 6 não pode ser utilizado uma vez que tem como

ritmo binário máximo 370 Mbps

• O equipamento 8 apresenta um SNR positivo mas demasiado baixo.

Excluindo os casos anteriores, as grandezas subjacentes às soluções com interesse prático para este

cenário estão resumidas na tabela 7.4.

Equip 3 Equip 4 Equip 5 Equip 7Modelo Artolink M1-GE-L Artolink M1-10GE Ericsson PT 2020 Ericsson TN-R5

Ritmo Binário Cumpre Cumpre Cumpre CumpreMargem [dBW] 27.32 15.32 47.63 47.63

SNR [dB] 16.59 16.59 48.73 48.73BER 10−3.4 10−3.4 10−10 10−10

Tabela 7.4: Resultados de simulação do segundo cenário

Todos os equipamento descritos na tabela 7.4 cumpre o requisito mínimo de débito binário da ligação.

Através da figura 6.7, verifica-se que a solução mais económica é a Artolink M1-GE-L (FSO), apesar

desta apresentar um BER muito elevado. Em virtude de garantir uma ligação mais robusta, o Ericsson

PT 2020 apresenta um BER mais reduzido (10−10) o que torna o canal mais resistente a atenuações ou

desvanecimentos extraordinários. Por outro lado, o seu custo é quase o triplo em relação ao Artolink

M1-GE-L.

Conclui-se que ambos dos fornecedores de equipamento, Artolink e Ericsson, disponibilizarem ins-

trumentação indicada para este cenário. A escolha pode cair sobre FSO se o critério primordial for o

custo, ou pode cair sobre os Feixes Hertzianos se for preferível reduzir os erros de canal.

7.3 Cenário 3: Agregação

O terceiro cenário trata de um troço de agregação em ambiente urbano. Uma ligação deste tipo pode

suportar um grande número de estações base (até 60 segundo [12]) e o seu comprimento é variável. Deste

modo, além de ser uma situação onde o projecto é exigente do ponto de vista do débito binário, também

o pode ser devido à distância do feixe. A conjunção destes dois factores faz com que este seja o cenário

mais difícil de entre os quatro testados neste trabalho

A tabela 7.5 resume os valores considerados nas diversas variáveis do projecto.

Considerando que estamos a transportar tráfego de 60 estações base, o débito total a ser transmitido

num troço desta natureza atinge os 4.2 Gbit/s. Há semelhança do segundo cenário, considera-se ha igual

a 1 m e a indisponibilidade devido à chuva ou ao nevoeiro de 0.01. Sabendo que a ligação a projectar

tem lugar na zona da grande Lisboa, assume-se por isso Ri = 4.2 mm/h e V = 0.5 km



Base [oC] Solo [m] [%] [mm/h]60 20 50 1 Urbano 5 K 1

Tabela 7.5: Caraterísticas do terceiro cenário

Figura 7.5: Ligação do terceiro cenário: Backhaul de agregação em ambiente urbano

A figura 7.6 mostra a margem e a Relação Sinal-Ruído de cada equipamento testado para a situação

de agregação descrita anteriormente.

(a) Margem (b) SNR

Figura 7.6: Gráficos de barras com Margem e Relação Sinal-Ruído do cenário 3

Pela análise da figura anterior, é possível afirmar que os equipamentos 1 e 2 apresentam SNR quase

nulos, o que faz com que sejam excluídos do leque de opções a considerar. O único equipamento que

suporta o ritmo binário exigido é o Artolink M1-10GE (FSO). Contudo sabendo que o Artolink M1-GE-

L comporta 1Gbit/s e apresenta um custo muito atractivo (tabela 6.4), justifica-se averiguar se é preferível

ou não adquirir 4 destes equipamentos em detrimento do primeiro. Sabendo isto, a tabela 7.6 apresenta

os diversos parâmetros relevantes para a escolha do melhor equipamento no presente cenário.

De todos os equipamentos disponíveis, o Artolink M1-10GE alem de ser o único que suporta o débito

Cenário 4: Agregação em Período Noturno 65

Equip 3 Equip 4Modelo Artolink M1-GE-L Artolink M1-10GE

Ritmo Binário Não Cumpre CumpreMargem[dB] 35.65 23.65

SNR[dB] 23.37 20.25BER 10−13 10−6.9

Custo 4×58574 152677

Tabela 7.6: Resultados de simulação do terceiro cenário

exigido pelo troço de Backhaul de agregação, é também a opção mais rentável. Numa cenário de elevado

débito binário e comprimentos de ligação na ordem dos 1000 m, esta solução de FSO é a escolha óptima.

7.4 Cenário 4: Agregação em Período Noturno

O quarto cenário tem como premissa que a tanto a rede móvel como o tráfego oriundo desta não são

constantes ao longo do dia. Como é possível verificar na figura 7.7 [29], a variação diária do tráfego

móvel num dia útil em ambiente urbano chega a ser 4 vezes inferior entre as 00h00 e as 08h00 do

que na restante janela temporal. Por esta razão, considera-se neste cenário que o número de estações

base activas durante a noite é quatro vezes inferior do que durante o dia. Numa situação de agregação,

podemos assumir desta maneira que o débito de transmissão nocturno é um quarto do diurno.

Figura 7.7: Perfil diário de tráfego móvel [40]

Definimos então dois períodos de trabalho disjuntos:

• Período 1: das 00.00 às 08.00

• Período 2: das 08.00 às 24.00

De forma idêntica ao cenário 3, no segundo período podemos assumir que o débito a ser transportado

é de 4.2 Gbit/s. Como visto anteriormente, o Artolink M1-10GE-L é o equipamento FSO indicado para

este tipo de troços. Assumindo agora que o local de construção da ligação é em Faro, as características

da ligação em causa podem ser sumarisadas na tabela 7.7.


Figura 7.8: Ligação do quarto cenário: Backhaul de agregação em ambiente urbano


Base [oC] Solo [m] [%] [mm/h]60 30 50 1 Marítimo 2 K 3

Tabela 7.7: Características do quarto cenário

Sendo o critério de indisponibilidade mais exigente, com I = 0.02, I f og assume 0.004 através de

(7.1). Considerando a localização geografica e recorrendo aos valores tabelados em 5.4 para a visibili-

dade requerida em função da indisponibilidade devido ao nevoeiro, V2 = 2 km. Com uma percentagem

de indisponibilidade devido à chuva de 0.4%, segundo a tabela 5.5, Ri é igual a 4 mm/h. Utilizando

a aplicação de Matlab desenvolvida no âmbito deste trabalho, verifica-se que o Artolink M1-10GE-L

concretiza a ligação anterior com os seguintes parâmetros de output.

Equi 4Modelo Artolink M1-GE-L

Ritmo Binário 4.22 GbpsMargem[dBW] 23.93

SNR[dB] 20.53BER 10−7.3

Tabela 7.8: Métricas de desempenho do Artolink M1-GE-L no período diurno do quarto cenário

Assumindo agora que, no período 1 (das 00h00 às 08h00), devido ao facto de apenas um quarto das

estações base estarem activas em comparação com o período 2, temos um débito binário de 1.05 Gbps.

Sabendo que a modulação utilizada é OOK, e por isso m = 2, através de (3.27) concluímos que a largura

de banda do sistema é igual ao ritmo binário. Por (3.24), é possível verificar que a redução de metade na

primeira permite um ganho de aproximadamente 3 dB na Relação Sinal-Ruído.

Com esta margem adicional no link budget, A f og no período nocturno pode sofrer um agravamento

da mesma dimensão. Utilizando (3.10), podemos determinar qual a visibilidade V1 durante a noite para

a qual a Relação Sinal-Ruído permanece inalterada em relação ao período 2.

3+A f og2 =−d×(C1 +C2λ

−4)×10log10(e) (7.2)

Cenário 4: Agregação em Período Noturno 67

Onde A f og2 é a atenuação devida ao nevoeiro no período 2.

C1 =3.91V1

(550λ[nm]

)0.585V

13

1

(7.3)

Considerando que o equipamento de trabalho utiliza comprimentos de onda de 1550 nm e que C2 tem

o valor constante de 0.00258, substituindo este valores nas equações anteriores chegamos a V1 = 1.25

km. Se dividirmos (V2/V1) verificamos que, para a mesma SNR, tem-se uma razão entre as visibilidades

de período diurno e noturno de 1.6.

Paralelamente a este comportamento do tráfego móvel, o nevoeiro é um fenómeno cuja incidência é

maior no período nocturno. A figura 7.9 apresenta a distribuição de nevoeiro ao longo do dia.

Figura 7.9: Distribuição diária de nevoeiro

Ao olharmos para o andamento do gráfico da figura anterior, verificamos que a incidência de nevoeiro

é muito mais acentuada no horário circunscrito ao período 1. A razão entre os picos de densidade de

nevoeiro dos dois períodos é aproximadamente 2, o que não difere muito do valor de 1.6 conseguido à

custa de reduzir o débito do sistema no período 1 em um quarto do ritmo binário do período 2.

Desta forma, conclui-se ainda que a adaptação de capacidade de um troço em função da carga que a

rede móvel apresenta ao longo do tempo permite reduzir o valor da indisponibilidade global do sistema.

Itf og =

13

I1f og +

23

I2f og (7.4)

Sendo V1 = 1.25 km e V2 = 2 km através da aproximação descrita na secção 5.1, chegamos a I1f og =

0.004 e I2f og = 0.003. Desta forma, a indisponibilidade total devido ao nevoeiro It

f og e a indisponibilidade

total do sistema I são respectivamente 0.0033(3) e 0.016(6).

69

Capítulo 8

Conclusões

O presente capítulo apresenta os principais resultados alcançados na dissertação, e são propostos

alguns temas para trabalhos futuros sobre o tema.

8.1 Discussão de Resultados

Esta dissertação pretende fazer um estudo comparativo entre duas tecnologias de comunicação sem

fios ponto-a-ponto no contexto do Backhaul de redes móveis heterogéneas. Tendo por base os requisi-

tos de ritmo de transmissão binária exigido nestas últimas, Feixes Hertzianos e Free Space Optics são

comparados os aspectos físicos, económicos e os respectivos critérios de qualidade. Por fim é feita

uma análise a situações típicas da arquitectura de Backhaul sendo feitas recomendações sobre quais as

melhores soluções para cada uma delas.

O capítulo 2 faz um enquadramento sobre os conceitos associados a ambas as tecnologias. É definida

a configuração típica de uma estrutura de Backhaul como tendo dois troços distintos: O Last-Mile e a

Agregação. O primeiro consiste na ligação entre as Estações Base e nós intermédios agregadores da

rede, o segundo trata da ligação entre estes e o core. Considera-se a co-existência das três gerações de

comunicações móveis, 2G, 3G e 4G nas estações base, e que os débitos associados às últimas duas são

respetivamente 43.2 Mbit/s e 300 Mbit/s. O tráfego do plano de controlo, de sinalização, sincronismo e

encapsulamento de segurança trazem consigo um acréscimo de 25% da capacidade necessária para cada

célula. No total, o ritmo de transmissão binária em situação de pico que é necessário assegurar por cada

estação é de 420 Mbit/s. Um troço de Last-Mile transporta informação subjacente até 7 estações base, o

que permite determinar um limite máximo para a sua capacidade de 490 Mbit/s. A agregação, por sua

vez, pode chegar às 60 células, o que faz enquadrar os débitos binários deste tipo de troços entre os 560

e 4200 Mbit/s.

O terceiro e quarto capítulos abordam em profundidade Free Space Optics e Feixes Hertzianos.

70 CONCLUSÕES

Começando pela propagação em espaço livre, até à Relação Sinal-Ruído, são apresentados todos os mo-

delos teóricos que quantificam os diversos fenómenos atmosféricos que prejudicam a comunicação numa

e noutra tecnologia. No caso de FSO, os principais efeitos perturbadores da comunicação é o nevoeiro e

a turbulência. O primeiro causa dispersão através do surgimento de partículas no ar de tamanho compa-

rável ao comprimento de onda. Através da visibilidade é possível caracterizar a atenuação causada por

este efeito atmosférico. Para nevoeiro forte, onde V < 0.5 km a atenuação é critica, sendo este o principal

factor limitativo da disponibilidade e qualidade de serviço de um sistema FSO. O segundo fenómeno,

a turbulência, é causada pela variação local do índice de refracção da atmosfera terrestre. Com tempe-

raturas muito elevadas e em meios com grande absorção térmica, o índice de refracção pode alterar-se

localmente, provocando pequenos desalinhamentos dos feixes ópticos.

No caso dos Feixes Hertzianos, o principal elemento que limita o seu desempenho é a chuva, mas

em algumas bandas de frequências, a absorção molecular atmosférica pode ter um efeito igualmente

perturbador. É o caso da banda dos 60 GHz, onde existe um pico de absorção do Oxigénio, que resulta

numa atenuação superior a 10 dB/km. Contudo, de um modo geral, esta tecnologia consegue ter uma

fiabilidade superior em relação aos FSO, para ligações com comprimentos superiores a 2 ou 3 km, não

tendo no entanto a elevada largura de banda que estes últimos apresentam.

O quinto capítulo apresenta diversas recomendações para o cumprimento de diversos critérios de

qualidade. A inexistência de normas da ITU-R para a visibilidade, de forma a assegurar qualidade de

serviço de FSO, levou à aquisição de medições desta grandeza junto do Instituto Português do Mar e da

Atmosfera. Com estes dados foi possível efectuar um estudo estatístico da visibilidade em 18 localiza-

ções diferentes em Portugal. É possível dizer, para cada um destes pontos de medição, valores máximos

de visibilidade a considerar no projecto de FSO, de forma a cumprir diversos critérios de indisponibili-

dade. Para algumas das estações meteorológicas, foram ainda delineadas distribuições estatísticas que

aproximam a probabilidade de visibilidade. Estas aproximações apenas são válidas para intervalos de

visibilidade de interesse prático, em média V < 5 km.

Os Feixes Hertzianos, por sua vez, possuem recomendações normalizadas pela ITU-R (P.871-1)

que determinam quais os valores de Ri a assumir para diversas latitudes e longitudes em função da

disponibilidade desejada.

De forma a poder determinar qual a melhor das duas tecnologias para diferentes situações de Backhaul,

foi desenvolvida uma aplicação em Matlab de forma a proceder a todos os cálculos de forma rápida. Esta

ferramenta é apresentada no sexto capítulo. Todos os inputs, outputs, janelas de utilizador e configura-

ções adicionais são detalhadamente explicadas através de fluxogramas que esquematizam sucintamente

o algoritmo que procede aos cálculos nesta aplicação. Através de ficheiros .txt com informação sobre os

diversos equipamentos de FSO e Feixes Hertzianos, e de comandos introduzidos pelo utilizador nas ja-

Trabalhos Futuros 71

nelas gráficas do programa, a aplicação apresenta, no final, a Margem de Potência, Relação Sinal-Ruído

e BER de cada um dos equipamentos testados para a ligação a ser projectada. Seguidamente, é feita uma

avaliação económica com o CAPEX e o OPEX de cada solução tecnológica, onde é determinado o preço

por Mbit/s que cada uma oferece.

No septimo capítulo são realizados 4 casos de estudo para o Backhaul de redes móveis:

• Backhaul de Last-Mile em ambiente rural: Em ambiente rural, onde tipicamente o comprimento

das ligações é longo e os débitos de transmissão binária geralmente estão associados a apenas uma

ou duas estações base, os Feixes Hertzianos revelaram ser a solução mais apropriada, devido à sua

estabilidade em longo alcance.

• Backhaul de Last-Mile em ambiente urbano: Trata-se de uma situação na qual um troço de Last-

Mile já suporta algumas estações base. Foi projectada uma ligação no centro de Lisboa, que

transportava tráfego de 7 células e com um comprimento de quase 3.5 km. Ambas as vertentes

tecnológicas, Feixes Hertzianos e Free Space Optics, mostraram suportar o tráfego exigido. Con-

tudo, além de possuir uma relação e/Mbit/s mais baixa, os FH conseguem resultados com um

BER menor face aos FSO.

• Backhaul de agregação em ambiente urbano: Este cenário compreende uma ligação de 1km, onde

é assegurado o transporte de tráfego associado a 60 estações base. Num contexto em que o com-

primento é relativamente reduzido e o ritmo binário da ligação é elevado, os FSO surgem como a

solução mais rentável.

• Backhaul de agregação em ambiente urbano com débito variável: Nesta situação foi testada uma

ligação idêntica à anterior. Contudo desta vez foi tido em consideração que a disparidade entre o

tráfego nocturno nas horas de vazio da rede, e o tráfego diurno. Reduzindo o débito binário do

sistema em um quarto no período das 00.00 às 08.00, foi possível melhorar a indisponibilidade

total do sistema.

Em suma, a dissertação compara a viabilidade de duas tecnologias sem fios, concorrentes no contexto de

Backhaul de redes móveis, concluindo com recomendações sobre qual a melhor em diferentes cenários.

8.2 Trabalhos Futuros

Como referência para trabalhos relacionados com esta temática a desenvolver no futuro, propõem-se

os seguintes tópicos

• Utilização de Free Space Optics com modulações mais eficientes: Os actuais equipamentos de

FSO existentes no mercado utilizam esquemas de modulação baseados em On Off Key. Apesar de

72 CONCLUSÕES

ser simples, e de possibilitar o uso de moduladores e desmoduladores bastante económicos, esta

modulação é muito pouco eficiente. O uso de m-PPM e m-PAM pode vir a trazer mais ritmo de

transmissão para a mesma largura de banda.

• Bachkaul em 5G: A próxima tecnologia de comunicações móveis traz consigo novos desafios,

incluindo um aumento exponencial de tráfego móvel. Um Backhaul mais robusto, redundante e

inteligente, é importante para dar resposta ao enorme aumento de informação que a Internet of

Things pode trazer num futuro próximo.

• Recomendações para visibilidade máxima em FSO: À semelhança do que foi feito no capítulo 5

desta dissertação, produzir regulamentação para as visibilidades a utilizar no projecto de FSO em

outras localizações geográficas diferentes.

73

Referências

[1] http://www.pordata.pt/Portugal/Assinantes+++equipamentos+de+utilizadores+do+servico+movel-1180,acedido a Junho 2014.

[2] Imagine the Universe! Dictionary, http://imagine.gsfc.nasa.gov/resources/dictionary.html#E,NASA

[3] United Nations Scientfic Committe on the Effects of Atomic Radiation, Effects of ionizing radiai-ton, VolumeII, UNSCEAR Report, 2006

[4] Correia,L.M., Mobile Communications Systems – Lecture Notes, Instituto Superior Técnico, Lis-boa, Portugal, Feb. 2012.

[5] Kwan-Hoong Ng, Non-Ionizing Radiations–Sources, Biological Effects, Emissions and Exposures,Proceedings of the International Conference on Non-Ionizing Radiation at UNITEN, Oct, 2003

[6] ITU-R Recommendation P.1814, Predition methods required for the design os terrestrial free-spaceoptical links, 2007

[7] B. Sakamoto, W. Fegadolli, E. Barbosa, Emprego Militar de Comunicação Óptica em Espaço Livre– FSO, IX Simpósio de Aplicações Operacionais - IX SIGE, p.1-6, 2008

[8] S. R. Z. Ghassemlooy, W. Popoola, Optical Wireless Communications System and Channel Model-ling with MATLAB, pp 57, CRCPres, 2013.

[9] Laser Institute of America, American National Standard for Safe Use of Lasers ANSIZ136.1—2014, Orlando, 2014

[10] P. Queluz, F. Pereira, Sistemas de Comunicações - Slides de Aulas, Institutp Superior Técnico,Lisboa, Portugal,

[11] C. Salema, Feixes Hertzianos, IST Press, Lisboa, PT, 2a Edição,2002.

[12] NGMN Alliance, Guidelines for LTE Backhaul Traffic Estimation,Cambridge , UK, 2011.

[13] http://www.vodafone.pt/main/ajuda/cobertura/, acedido a Abril de 2015

[14] https://www.meo.pt/suporte/ajuda-e-suporte/internet/internet-movel/velocidades-de-internet-movel, acedido em Abril de 2015

[15] H.Henniger, O.Wilfert, An Introduction to Free-space Optical Communications , Radioengineering,CZ, 2010

[16] Davide M. Forin, G. Incerti, G.M. Tosi Beleffi, A.L.J. Teixeira, L.N. Costa, P.S. De Brito Andre, B.Geiger, E. Leitgeb and F. Nadeem, Free Space Optical Technologies, Trends in TelecommunicationsTechnologies, Christos J Bouras (Ed.), InTech, 2010

74 REFERÊNCIAS

[17] F. Gonçalves, Optimização da escolha de sistemas de comunicação sem fios Ponto-a-Ponto de curtadistância, Tese de Mestrado, Instituto Superior de Ciência do Trabalho e da Empresa , Lisboa, PT,2011.

[18] A. Vavoulas, H. Sandalidis, and D. Varoutas, “Weather effects on FSO network connectivity,”IEEE/OSA J. Optical Commun. Netw., vol. 4, no. 10, pp. 734–740, Oct. 2012.

[19] ITU-R Recommendation P.837-1, Characteristics of precipitation for propagation modelling, 1994

[20] A. K. Majumdar, Advanced Free Space Optics (FSO): A Systems Approach, Springer, Sep 10, 2014

[21] T. Elganimi, Performance Comparison between OOK, PPM and PAM Modulation Schemes for FreeSpace Optical (FSO) Communication Systems: Analytical Study, Citeseer, 2013

[22] V. Cabrinha, Estudo de situações sinópticas favoráveis à ocorrência de nevoeiro em aeroportos,Relatório do estágio curricular em Ciências Geofísicas, programa PRODEP, FCUL, 1998

[23] ITU-T Recommendation G.826, End-to-end error performance parameters and objectives for in-ternational, constant bit-rate digital paths and connections, 2002

[24] ITU-R Recommendation P.1817-1, Propagation data required for design of terrestrial free-spaceoptical links, 2012

[25] C. Forbes, M. Evans, N. Hastings, B. Peacock, Statistical Distribution, Fourth Edition, Wiley, 2011

[26] ITU-R Recommendation F.697-2, Error performance and availability ovjectives for the local-gradeportion at each and of an integrated services digital network connection at a bit rate below theprimary rate utilizing digital radio-relay systems, 1997

[27] Entidade Reguladora dos Serviços Energéticos, Tarifas de Venda a Clientes Finais dos comerciali-zadores de último recurso em BTN em Portugal continental, acedido em Março de 2015

[28] D. Silva, Energy efficient solutions in GSM/UMTS based on traffic profiling models, Master Thesis,Instituto Superior Técnico, 2012

[29] Autoridade Nacional para as Comunicações Móveis, Quadro Nacional de Atribuição de Frequên-cias 2010/2011, 2a Versão, maio 2012

[30] Molisch,A. F, Wireless Communications, John Wiley & Sons, Chichester, UK, Second Edition,2011

[31] Ericsson, Technical specifications mini-linkTM PT 2020

[32] Ericsson, Technical specifications mini-linkTM LH

[33] Ericsson, Technical specifications mini-linkTM TN-R5

[34] Ericsson, Technical specifications mini-linkTM PT6020

[35] Ericsson, Technical specifications mini-linkTM PT3060

[36] Artolink, Artolink Price-List: Basic Models, May, 2014

[37] EARTH, Energy efficiency analysis of the reference systems, areas of impro-vements and target breakdown, Deliverable D2.3 Dec. 2010. (https://bscw.ict-earth.eu/pub/bscw.cgi/d71252/EARTH_WP2_D2.3_v2.pdf)

[38] California Institute of Technology, California Institute of Technology Laser Safety, Caltech SafetyOffice, Vol.91125, p.1-12, 1999

REFERÊNCIAS 75

[39] G. Ziegelberger, Guidelines for limiting exposure to time-varying electric, magnetic, and electro-magnetic fields (up to 300 Ghz), Health Physics, 2009

[40] R. KVÍCALA, V. KVICERA, M. Grabner, O. FIŠER, BER and availability measured on FSO link,Radioengineering, CZ, 2007

[41] D. K. Borah, A. C. Boucouvalas, C. C. Davis, S. Hranilovic, and K. Yiannopoulos, “A review ofcommunication-oriented optical wireless systems,” EURASIP J. Wireless Commun. Netw., vol. 91,pp. 1–28, Apr. 2012

[42] S. Muhammad, E. Leitgeb, O. Koudelkat, Multilevel Modulation and Channel Codes for TerrestrialFSO links, 2005 2nd International Symposium on Wireless Communication Systems, 2005

[43] C. Cartaxo, Chapter 2: Technologies and Techniques of Optical Fibre Telecommunication Systems– Lecture Notes, Instituto Superior Técnico, Lisboa, Portugal, 2013.

[44] P. Sebastião, P. Silva, Atenuação Atmosférica para um Feixe de Infravermelho, ANAIS No5, Lisboa,1997

[45] R.Mohr, Mohr on Receiver Noise: Caracterization, Insights & Surprises, Microwave Theory &Techniques Society, IEEE Long Island Section, 2010

[46] J. Gombak, Analysis of Rain Effects on Terrestrial Free Space Optics Based on Data Measured in,Engineering Vol 12, p45-51, 2011

76 REFERÊNCIAS

77

Apêndice A

Descrição de Equipamento de FH e FSO

Este anexo apresenta os equipamentos de Mini-links de FH e FSO que vão ser tidos em conta neste

trabalho. Se ao longo do desenvolvimento da dissertação forem lançados novos dispositivos em tempo

útil para a concretização deste trabalho, serão adicionados a esta lista

A.1 Equipamento Mini-link de FH: Ericsson

Modelo PT 2020 LH TN-R5 PT 6020 PT 3060

Frequência [Ghz] 42 13 42 86 63

Débito Binário [Mbps] 570 380 1100 1000 400

Modulação 1024-QAM 1024-QAM 1024-QAM 64-QAM 256-QAM

Ligação Full Duplex Full Duplex Full Duplex Full Duplex Full Duplex

Potência de Emissão [dBW] 0 2 0 -14 -22

Ganho de Emissão [dBi] 34 28 34 30 32

Ganho de Recepção [dBi] 34 28 34 30 32

Sensibilidade [dBW] -122 -111 -122 -101 -108

Factor de Ruído [dB] 4 4 4 4 4

Preço de emissor e receptor (e) 35200 22700 38900 50400 36000

Cabos (e) 500 350 500 500 350

Outdoor Unit (TRM)(e) 4600 2000 4600 5700 5700

Indoor Unit (EID)(e) 1550 1300 2000 1900 1300

Mounting Sets (e) 380 380 380 380 380

78 DESCRIÇÃO DE EQUIPAMENTO DE FH E FSO

A.2 Equipamento FSO: ARTOLINK

Modelo M1-FE-L M1-GE M1-GE-L M1-10GE

Comprimento de Onda [nm] 785 1550 1550 1550

Débito Binário [Mbps] 100 1000 1000 10000

Modulação OOK OOK OOK OOK

Ligação Full Duplex Full Duplex Full Duplex Full Duplex

Potência de Emissão 60 mW 2 mW 200 mW 200 mW

Ganho de Emissão 30dB 30dB 30dB 30dB

Ganho de Recepção 0dB 0dB 0dB 0dB

Sensibilidade -30dBm -30dBm -30dBm -18dBm

Factor de Ruído 4.5dB 4.5dB 4.5dB 4.5dB

Preço de emissor e receptor (e) 7900 9200 29700 14100

Cabos (e) 350 500 500 500

Outdoor Unit (TRM)(e) 3700 2600 7470 5387

Indoor Unit (EID)(e) 890 8368 1900 1900

Measuring teste Module (e) 920 920 920 22000

Mounting Sets (e) 380 380 380 380

79

Apêndice B

Parâmetros α e k para a chuva

A tabela seguinte, apresenta os valores das componentes horizontais e verticais dos parâmetros α e k

segundo a Recomendação P.833 da ITU-R.

Frequência [GHz] kH kV αH αV

1 0.0000387 0.0000352 0.912 0.8802 0.000154 0.000138 0.963 0.9234 0.00065 0.000591 1.121 1.0756 0.00175 0.00155 1.308 1.2657 0.00301 0.00265 1.332 1.3128 0.00454 0.00395 1.327 1.31010 0.0101 0.00887 1.276 1.26412 0.0188 0.0168 1.217 1.20015 0.0367 0.0335 1.154 1.12820 0.0751 0.0691 1.099 1.06525 0.124 0.113 1.061 1.03030 0.187 0.167 1.021 1.00035 0.263 0.233 0.979 0.96340 0.350 0.310 0.903 0.92945 0.442 0.393 0.903 0.89750 0.536 0.479 0.873 0.86860 0.707 0.642 0.826 0.82470 0.851 0.784 0.793 0.79380 0.975 0.906 0.769 0.76990 1.06 0.999 0.753 0.753100 1.12 1.06 0.743 0.744

No caso de uma polarização linear com um ângulo τ em relação à horizontal, um ângulo de Fogo θ,

estes parâmetros são determinados através das seguintes expressões:

k = kH+kV+(kH−kV ).cos2 θ.cos2τ

2

80 PARÂMETROS α E K PARA A CHUVA

α = kH αH+kV αV+(kH αH−kV αV )cos2 θcos2τ

2k

81

Apêndice C

Modelos Estatísticos para Disponibilidade

de FSO devido ao Nevoeiro em Portugal

Os dados adquiridos pelo Instituto de Telecomunicações (IT) ao IPMA consistem em medições da

visibilidade, de Janeiro de 1991 a Dezembro de 2000 nas seguintes localizações geográficas: Horta (Aço-

res), Angra do Heroísmo (Açores), Ponta Delgada (Açores), Funchal (Madeira), Viana do Castelo, Porto,

Coimbra, Faro, Évora, Viseu, Beja, Castelo Branco, Portalegre, Bragança e Lisboa. A periodicidade das

medições não é constante no tempo, e vão desde 1 a 12 horas conforme a estação meteorológica e o mês

do ano.

Desta forma recorrendo à ferramenta Distribution Fitting Tool do Matlab é possível delinear histo-

gramas onde é visível o andamento da função densidade de probabilidade (PDF) e da função densidade

de probabilidade cumulativa de probabilidade (FDPC). Em alguns casos é possível ainda verificar o ali-

nhamento entre as medições e algumas distribuições de probabilidade conhecidas. Contudo, nestes casos

o alinhamento e validade da respectiva lei estatística induzida a partir dos histogramas apenas é verdade

numa domínio limitado. Estas e outras características de cada distribuição estão descritas na seguinte

tabela:

82MODELOS ESTATÍSTICOS PARA DISPONIBILIDADE DE FSO DEVIDO AO NEVOEIRO

EM PORTUGAL

C.1 Caracteristicas dos Modelos Estatísticos da Visibilidade

Cidade

Época No de Melhor Parâmetros Erro dos Domínio de

Considerada Amostras Distribui- da parâmetros Validade

ção Distribuição da Distribuição [km]

Horta Fevereiro 618 Normalµ = 22.08 µ =±0.25

V < 15σ = 39.42 σ =±0.179

Angra doFevereiro 1031 Normal

µ = 12.93 µ =±0.17V < 10

Heroísmo σ = 12.54 σ =±0.063

Angra doAgosto 1138 Normal

µ = 14.12 µ =±0.156V < 10

Heroísmo σ = 6.1 σ =±0.11

Angra doAnual 13663 Normal

µ = 13.13 µ =±0.0486V < 10

Heroísmo σ = 11.6 σ =±0.034

PontaFevereiro 6527 Normal

µ = 15.16 µ =±0.088V < 10

Delgada σ = 30.07 σ =±0.063

PontaAgosto 7132 Normal

µ = 17.76 µ =±0.1V < 10

Delgada σ = 34 σ =±0.074

PontaAnual 84382 Normal

µ = 15.11 µ =±0.0263V < 10

Delgada σ = 32.07 σ =±0.0186

Funchal Fevereiro 1207 Normalµ = 15.83 µ =±0.12

V < 15σ = 7 σ = 0.085

Funchal Agosto 1299 Normalµ = 16.22 µ =±0.087

V < 15σ = 3.6 σ =±0.063

Funchal Anual 15395 Normalµ = 16.08 µ =±0.0292

V < 12.5σ = 5.13 σ =±0.02

Viana doFevereiro 1245 Normal

µ = 11.3 µ =±0.16V < 14

Castelo σ = 33.19 σ =±0.116

Viana doAnual 15826

Valor µ = 5.94 µ =±0.029V < 6

Castelo Extremo σ = 10.03 σ =±0.022

Caracteristicas dos Modelos Estatísticos da Visibilidade 83

Cidade

Época No de Melhor Parâmetros Erro dos Domínio de

Considerada Amostras Distribui- da parâmetros Validade

ção Distribuição da Distribuição [km]

Porto Fevereiro 7873 Normalµ = 7.22 µ =±0.045

V < 5σ = 9.11 σ =±0.032

Porto Anual 107410 Normalµ = 4.89 µ =±0.012

V < 7σ = 5.95 σ =±0.0085

Faro Fevereiro 5910 Normalµ = 12.57 µ =±0.046

V < 9σ = 12.57 σ =±0.033

Faro Anual 77626 Normalµ = 9.68 µ =±0.012

V < 9σ = 4.82 σ =±0.0084

Évora Agosto 1606Valor µ = 13.04 µ =±0.083

V < 10Extremo σ = 7.03 σ =±0.074

Viseu Agosto 1195Valor µ = 16.26 µ =±0.2

V < 15Extremo σ = 46.55 σ =±0.15

VilaFevereiro 1399 Normal

µ = 15.06 µ =±0.18V < 10

Real σ = 40.46 σ =±0.13

VilaAgosto 1294 Normal

µ = 13.73 µ =±0.17V < 10

Real σ = 31.19 σ =±0.12

VilaAnual 16613 Logística

µ = 11.11 µ =±0.052V < 9

Real σ = 27.9 σ =±0.024

CasteloFevereiro 1399 Normal

µ = 15.06 µ =±0.2V < 15

Branco σ = 40.07 σ =±0.14

CasteloAgosto 1543 Normal

µ = 13.35 µ =±0.15V < 10

Branco σ = 27.3 σ =±0.108

CasteloAnual 18623 Normal

µ = 13.45 µ =±0.05V < 10

Branco σ = 36.13 σ =±0.036

Bragança Agosto 1656Valor µ = 13.12 µ =±0.095

V < 10Extremo σ = 6.68 σ =±0.079

Lisboa Agosto 1549 Normalµ = 13.36 µ =±0.13

V < 15σ = 22.46 σ =±0.093

Lisboa Anual 18601 Normalµ = 10.8 µ =±0.035

V < 8σ = 16.51 σ =±0.025


EM PORTUGAL

C.2 Histogramas da Visibilidade

C.2.1 Pior mês de Inverno

(a) PDF

(b) CDF

Figura C.1: Histogramas com visibilidade da cidade da Horta no pior mês de Inverno e respectivas aproximaçõespara V < 15 km

Histogramas da Visibilidade 85

(a) PDF

(b) CDF

Figura C.2: Histogramas com visibilidade da cidade de Angra do Heroísmo no pior mês de Inverno e respectivasaproximações para V < 10 km

(a) PDF

(b) CDF

Figura C.3: Histogramas com visibilidade da cidade de Ponta Delgada no pior mês de Inverno e respectivasaproximações para V < 10 km


EM PORTUGAL

(a) PDF

(b) CDF

Figura C.4: Histogramas com visibilidade da cidade do Funchal no pior mês de Inverno e respectivas aproxima-ções para V < 15 km

(a) PDF

(b) CDF

Figura C.5: Histogramas com visibilidade da cidade de Viana do Castelo no pior mês de Inverno e respectivasaproximações para V < 12 km


(a) PDF

(b) CDF

Figura C.6: Histogramas com visibilidade da cidade do Porto no pior mês de Inverno e respectivas aproximaçõespara V < 5 km

(a) PDF (b) CDF

Figura C.7: Histogramas com visibilidade da cidade de Coimbra no pior mês de Inverno


EM PORTUGAL

(a) PDF (b) CDF

Figura C.8: Histogramas com visibilidade da cidade do Faro no pior mês de Inverno e respectivas aproximaçõespara V < 9 km

(a) PDF (b) CDF

Figura C.9: Histogramas com visibilidade da cidade de Évora no pior mês de Inverno

(a) PDF (b) CDF

Figura C.10: Histogramas com visibilidade da cidade de Viseu no pior mês de Inverno


(a) PDF (b) CDF

Figura C.11: Histogramas com visibilidade da cidade de Beja no pior mês de Inverno

(a) PDF

(b) CDF

Figura C.12: Histogramas com visibilidade da cidade de Vila Real no pior mês de Inverno e respectivas aproxi-mações para V < 10 km


EM PORTUGAL

(a) PDF

(b) CDF

Figura C.13: Histogramas com visibilidade da cidade de Castelo Branco no pior mês de Inverno e respectivasaproximações para V < 15 km

(a) PDF (b) CDF

Figura C.14: Histogramas com visibilidade da cidade de Portalegre no pior mês de Inverno


(a) PDF (b) CDF

Figura C.15: Histogramas com visibilidade da cidade de Bragança no pior mês de Inverno

(a) PDF (b) CDF

Figura C.16: Histogramas com visibilidade da cidade de Lisboa no pior mês de Inverno


EM PORTUGAL

C.2.2 Melhor mês de Verão

(a) PDF (b) CDF

Figura C.17: Histogramas com visibilidade da cidade da Horta no melhor mês de Verão

(a) PDF

(b) CDF

Figura C.18: Histogramas com visibilidade da cidade de Angra do Heroísmo no melhor mês de Verão e respectivasaproximações para V < 10 km


(a) PDF

(b) CDF

Figura C.19: Histogramas com visibilidade da cidade de Ponta Delgada no melhor mês de Verão e respectivasaproximações para V < 10 km

(a) PDF

(b) CDF

Figura C.20: Histogramas com visibilidade da cidade do Funchal no melhor mês de Verão e respectivas aproxi-mações para V < 15 km


EM PORTUGAL

(a) PDF (b) CDF

Figura C.21: Histogramas com visibilidade da cidade de Viana Do Castelo no melhor mês de Verão

(a) PDF (b) CDF

Figura C.22: Histogramas com visibilidade da cidade do Porto no melhor mês de Verão

(a) PDF (b) CDF

Figura C.23: Histogramas com visibilidade da cidade de Coimbra no melhor mês de Verão


(a) PDF (b) CDF

Figura C.24: Histogramas com visibilidade da cidade de Faro no melhor mês de Verão

(a) PDF

(b) CDF

Figura C.25: Histogramas com visibilidade da cidade de Évora no melhor mês de Verão e respectivas aproxima-ções para V < 10 km


EM PORTUGAL

(a) PDF

(b) CDF

Figura C.26: Histogramas com visibilidade da cidade de Viseu no melhor mês de Verão e respectivas aproxima-ções para V < 15 km

(a) PDF (b) CDF

Figura C.27: Histogramas com visibilidade da cidade de Beja no melhor mês de Verão


(a) PDF

(b) CDF

Figura C.28: Histogramas com visibilidade da cidade de Vila Real no melhor mês de Verão e respectivas aproxi-mações para V < 10 km

(a) PDF

(b) CDF

Figura C.29: Histogramas com visibilidade da cidade de Castelo Branco no melhor mês de Verão e respectivasaproximações para V < 10 km


EM PORTUGAL

(a) PDF (b) CDF

Figura C.30: Histogramas com visibilidade da cidade de Portalegre no melhor mês de Verão

(a) PDF

(b) CDF

Figura C.31: Histogramas com visibilidade da cidade de Bragança no melhor mês de Verão e respectivas aproxi-mações para V < 10 km


(a) PDF

(b) CDF

Figura C.32: Histogramas com visibilidade da cidade de Lisboa no melhor mês de Verão e respectivas aproxima-ções para V < 10 km


EM PORTUGAL

C.2.3 Média Anual

(a) PDF (b) CDF

Figura C.33: Histogramas com visibilidade anual na cidade da Horta

(a) PDF

(b) CDF

Figura C.34: Histogramas com visibilidade da cidade anual na Angra do Heroísmo e respectivas aproximaçõespara V < 10 km


(a) PDF (b) CDF

Figura C.35: Histogramas com visibilidade da cidade anual em Ponta Delgada e respectivas aproximações paraV < 10 km

(a) PDF (b) CDF

Figura C.36: Histogramas com visibilidade da cidade anual no Funchal e respectivas aproximações para V < 12.5km

(a) PDF (b) CDF

Figura C.37: Histogramas com visibilidade da cidade anual em Viana do Castelo e respectivas aproximações paraV < 6 km


EM PORTUGAL

(a) PDF (b) CDF

Figura C.38: Histogramas com visibilidade da cidade anual no Porto e respectivas aproximações para V < 9 km

(a) PDF (b) CDF

Figura C.39: Histogramas com visibilidade anual na cidade de Coimbra

(a) PDF (b) CDF

Figura C.40: Histogramas com visibilidade da cidade anual em Faro e respectivas aproximações para V < 9 km


(a) PDF (b) CDF

Figura C.41: Histogramas com visibilidade anual na cidade de Évora

(a) PDF (b) CDF

Figura C.42: Histogramas com visibilidade anual na cidade de Viseu

(a) PDF (b) CDF

Figura C.43: Histogramas com visibilidade anual na cidade de Beja


EM PORTUGAL

(a) PDF (b) CDF

Figura C.44: Histogramas com visibilidade da cidade anual em Vila Real e respectivas aproximações para V < 9km

(a) PDF (b) CDF

Figura C.45: Histogramas com visibilidade da cidade anual em Castelo Branco e respectivas aproximações paraV < 10 km

(a) PDF (b) CDF

Figura C.46: Histogramas com visibilidade anual na cidade de Portalegre


(a) PDF (b) CDF

Figura C.47: Histogramas com visibilidade anual na cidade de Bragança

(a) PDF (b) CDF

Figura C.48: Histogramas com visibilidade da cidade anual em Lisboa e respectivas aproximações para V < 8 km

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