Telefonia Celular: Modelo Empírico de Perda de … ·  · 2013-09-02HATA, M. Empirical formula...

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Telefonia Celular: Modelo Empírico de Perda de Propagação 2JKMT O conteúdo deste tutorial foi obtido do artigo de autoria da Josiane do Couto Rodrigues, do Jurandir Auad Beltrão Júnior, do Kenny Roger Auad Beltrão Pacheco, da Micheli Almeida e do Thyago O. B. Guimarães para a etapa de classificação do III Concurso Teleco de Trabalhos de Conclusão de Curso (TCC) 2007 . Este tutorial apresenta um modelo empírico de perda de propagação derivado de uma campanha de medição realizada em uma área com alta densidade de árvores da região Amazônica. O objetivo do projeto é elaborar um modelo que se adapte com a região suburbana de um determinado bairro da cidade de Belém-Pa e fazer comparações com outros modelos existentes na literatura. Josiane do Couto Rodrigues Jurandir Auad Beltrão Júnior É Engenheiro de Telecomunicações pelo Instituto de Estudos Superiores da Amazônia (IESAM, 2007). Atuou como Estagiário de TI na Superintendência Regional da Polícia Federal do Pará (SRDPF/PA), executando atividades de elaboração de projetos, implantação e suporte de hardware e software para rede de computadores. Atualmente trabalha como Engenheiro de Telecomunicações na Huawei, exercendo atividades de supervisão de instalação e configuração de SOFTX3000 e UMG8600 no projeto Oi NGN na região de Salvador, BA. Email: [email protected] Kenny Roger Auad Beltrão Pacheco 1

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Telefonia Celular: Modelo Empírico de Perda de Propagação 2JKMT

O conteúdo deste tutorial foi obtido do artigo de autoria da Josiane do Couto Rodrigues, do Jurandir AuadBeltrão Júnior, do Kenny Roger Auad Beltrão Pacheco, da Micheli Almeida e do Thyago O. B. Guimarãespara a etapa de classificação do III Concurso Teleco de Trabalhos de Conclusão de Curso (TCC) 2007. Este tutorial apresenta um modelo empírico de perda de propagação derivado de uma campanha de mediçãorealizada em uma área com alta densidade de árvores da região Amazônica. O objetivo do projeto é elaborarum modelo que se adapte com a região suburbana de um determinado bairro da cidade de Belém-Pa e fazercomparações com outros modelos existentes na literatura. Josiane do Couto Rodrigues

Jurandir Auad Beltrão Júnior É Engenheiro de Telecomunicações pelo Instituto de Estudos Superiores da Amazônia (IESAM, 2007). Atuou como Estagiário de TI na Superintendência Regional da Polícia Federal do Pará (SRDPF/PA),executando atividades de elaboração de projetos, implantação e suporte de hardware e software para rede decomputadores. Atualmente trabalha como Engenheiro de Telecomunicações na Huawei, exercendo atividades de supervisãode instalação e configuração de SOFTX3000 e UMG8600 no projeto Oi NGN na região de Salvador, BA. Email: [email protected]

Kenny Roger Auad Beltrão Pacheco

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Engenheiro de Telecomunicações pelo Instituto de Estudos Superiores da Amazônia (IESAM). Participoutambém como Aluno Especial de Mestrado em Redes Móveis, no Programa de Pós-Graduação emEngenharia Elétrica (PPGEE) da Universidade Federal do Pará (UFPA, 2007). Atuou como Estagiário na Amazônia Celular, exercendo atividades na Área de Engenharia de RF eOtimização. Atualmente trabalha como Engenheiro de Telecomunicações na Nokia Siemens Networks, realizandoatividades de Coordenação de Engenharia de Rede de RF e Otimização do AM / RR, como parte do Projetode Implantação da Rede Claro Norte Brasil 2G e 3G. Email: [email protected] Micheli Almeida Thyago O. B. Guimarães

Categoria: Telefonia Celular

Nível: Introdutório Enfoque: Técnico

Duração: 15 minutos Publicado em: 30/06/2008

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Perda de Propagação: Introdução

O Sistema de Telefonia Móvel Celular é uma modalidade de comunicação telefônica destinada a permitirque assinantes móveis possam se comunicar com outros assinantes móveis e com a rede telefônica fixa evice-versa. Ao longo do tempo, foram desenvolvidos muitos experimentos em determinados tipos de áreas, para calculara perda de propagação nas mesmas, e a partir desses experimentos surgiram os modelos empíricos [2]. Osmodelos empíricos são derivados, portanto, de medições cujos resultados são reduzidos a fórmulas ougráficos de perda de propagação. Ao fazer a análise da área de cobertura de um determinado bairro da cidade de Belém - PA, será elaboradoum modelo para calcular a perda de propagação e o resultado obtido será comparado com o resultado dealguns dos modelos empíricos já existentes na literatura. Espera-se que, os resultados obtidos através dos cálculos e gráficos de perda de propagação gerados pelosmodelos, possam ser comparados com o modelo 2JKMT e utilizados como base para indicação de problemase melhorias para o Sistema de Telefonia Móvel dessa tal área. Para modelar nesse ambiente foi utilizada a componente de sombreamento S, a equação da perda no espaçolivre [6], porém, com o expoente de perda de propagação (γ) sendo uma variável aleatória com funçãodistribuição de probabilidade (pdf) Log-logística. Nas seções a seguir estão descritos o ambiente de medição, a campanha de medição, o modelo deOkumura-Hata, o modelo de Walfisch-Ikegame, o modelo 2JKMT, os resultados, a conclusão e asreferências bibliográficas.

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Perda de Propagação: Campanha de Medição

Ambiente de Medição Uma campanha de medição foi realizada na área suburbana de um determinado bairro da cidade de Belém,PA. Esse ambiente apresenta prédios baixos, ruas estreitas e áreas densamente arborizadas, como pode serobservado na figura 1.

Figura 1: Vista do ambiente de medição.

Campanha de Medição A antena transmissora utilizada na medição é do tipo painel com ganho de 16,44 dBi, que opera com umafreqüência de 955 MHz. A antena receptora móvel é do tipo omnidirecional de ganho 2.4 dBi, foi fixada sobre um carro quepercorreu as ruas da região suburbana da área em estudo. O sistema receptor (antena e aparelho receptor, GPS e notebook com programa de aquisição earmazenamento de dados) percorria as rotas de medição apresentadas na figura 2.

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Figura 2: Mapa com as rotas de medição.

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Perda de Propagação: Modelos Empíricos

Modelo de Okumura-Hata O modelo de Okumura (1968) apresenta os resultados das medições na forma de curvas baseado em medidasfeitas na cidade de Tóquio. Foi Hata, em 1980, que estabeleceu as expressões que aproximam algumasdessas curvas. Baseado nas medições de Okumura, Hata encontrou as equações que compõem um dos modelos maisusados para previsão do sinal em áreas urbanas, por ser considerado um dos mais simplistas e melhores emtermos da exatidão na previsão das perdas na rede celular e de sistemas de rádio móvel nas áreas urbanas. Como já foi dito, este modelo é muito bom nas áreas urbanas e suburbanas, mas não é tão bom nas áreasrurais [5]. A equação para Perda Média de Propagação para Área Urbana encontrada foi:

(1) A equação para Perda Média de Propagação para Área Suburbana encontrada foi:

(2) Neste caso o Fator de Correção da altura da antena móvel é:

(3)

Modelo de Walfisch-Ikegame O modelo de COST 231 [6] foi desenvolvido conjugando os modelos de Ikegami e de Walfisch-Bertoni comos resultados de medidas realizadas na cidade de Estocolmo. O modelo assume os pressupostos dos modelosem que se baseia no que diz respeito à estrutura urbana, mas pode ser usado também em ambientessuburbanos. A grande inovação do modelo do COST 231 está relacionada com a consideração de fenômenos depropagação existentes quando há linha de visada entre a estação-base e a móvel na direção de uma ruacercada por edifícios. A propagação, desta forma, é diferente da propagação em espaço livre. Na situação de linha de visada, tem-se:

(4)

(5) Em casos onde não há linha de visada entre o transmissor e o receptor, o modelo COST 231 Walfisch-Ikegami é composto por três termos e restringido pela atenuação do espaço livre:

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(6)

A perda no espaço livre em dB é dada por:

(7) Neste estudo foi considerada linha de visada direta.

Modelo 2JKMT Em sistemas reais de rádio comunicação, o modelo de perdas do espaço livre, não é o mais apropriado. Essemodelo usa o parâmetro γ (expoente de perda de propagação) para definir a lei de potência que relaciona apotência recebida e a distância rádio percorrida pelo receptor. Uma formulação mais geral para calcular essaperda de propagação (2JKMT) pode ser expressa (em dB), como em [4], por:

(8) Onde:

Ao = perda no espaço livre (em dB) na distância de referência do;S o sombreamento [4].

No espaço livre γ = 2. Contudo, para meios com características não homogêneas, γ é geralmente consideradocomo uma variável aleatória. O parâmetro Ao, na distância do é dado por:

(9) Onde:

f = freqüência da portadora dada em MHz;do = distancia de referência dada em km;GT o ganho da antena transmissora;GR o ganho da antena receptora.

Para o ambiente suburbano estudado, o expoente γ apresenta grande dependência da altura da antenatransmissora H e a partir dessa verificação, obteve-se uma expressão para representar esta dependência. O γfoi então calculado a partir dos dados medidos. Os valores de γ obtidos apresentam um comportamentoaleatório, podendo ser expressos por:

(10) Onde:

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γdet. = parte determinística de γ;γalea. = parte aleatória de γ.

O valor médio de γ foi ajustado por uma função quadrática dada por:

(11) Onde aγ, bγ e cγ são os coeficientes do polinômio. A componente aleatória do expoente γ, de acordo com [4], pode ser expressa pela equação:

(12) Combinando (11) e (12), obtém-se:

(13) O comportamento aleatório da variável γ foi caracterizado por uma função densidade de probabilidadeLog-logística, pois, pelo critério do chi-quadrado foi a distribuição que apresentou o melhor ajuste [3].Portanto, x é uma variável aleatória Log-logística padronizada, e σγ é o desvio padrão de γ. A função densidade de probabilidade Log-logística é dada por:

(14)

Onde:

pγ = parâmetro de localização;pβ > 0 = parâmetro de escala;pα > 0 = parâmetro de forma.

A média µ desta distribuição é dada pela seguinte equação:

(15)

A componente de sombreamento S pode ser dada de acordo com:

(16)

8

Onde:

H é determinado como altura da antena transmissora;h é determinado como a altura média da antena receptora.

Combinando (8), (13) e (16) obtém-se a perda de propagação (2JKMT) dada por:

(17)

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Perda de Propagação: Resultados

A verificação da validade do modelo proposto foi possível a partir da comparação entre a perda depropagação simulada e a perda obtida através das medidas realizadas. Para a simulação da perda depropagação utilizou-se uma função densidade de probabilidade log-logística com parâmetro pγ em torno dezero; pβ proporcional ao desvio padrão instantâneo da perda das medidas e pα em torno de 4 de acordo comos dados medidos. Através da comparação com outros modelos empíricos como Okumura-Hata e Walfisch Ikegame, pode-seobservar através da figura 3 que o modelo 2JKMT é o mais apropriado para essa região.A tabela a seguir apresenta o erro médio entre a perda de propagação medida e a perda de propagaçãoobtida pelos modelos analisados.

Tabela 1: Erro médio entre perda medida e predita pelos modelos.

Modelos Erro Médio (dB)

2JKMT 9,3665

Okumura-Hata 11,5106

Walfisch-Ikegame 19,8703

A figura 2 apresenta um gráfico que compara os dados obtidos da medição realizada com os dados preditivosdos modelos 2JKMT, Okumura-Hata e Walfisch-Ikegame.

Figura3: Gráfico comparativo dos resultados e dos modelos analisados.

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Perda de Propagação: Considerações Finais

Este trabalho propôs um modelo empírico derivado de uma campanha de medição realizada em uma áreasuburbana com alta densidade de árvores da região Amazônica. Com o modelo empírico de perda de propagação apresentado obteve-se uma predição com erro médio de9,3665 dB em relação a perda de propagação medida. Desta forma, conclui-se que o modelo 2JKMT proposto é o melhor modelo para se utilizar na área em estudo(região suburbana de Belém, PA), pois foi o que obteve o menor erro médio, quando comparados com osmodelos de Okumura-Hata e Walfish-Ikegame.

Referências

Sanches, C. A. “Projetando Redes WLAN: conceitos e práticas”, São Paulo, SP: Érica, 2005. Edição1, pp. 105-121.

1.

Bogéa, D. M., Gomes, R. S., Lima, A. F., “Análise de Cobertura da Cidade de Santarém”, IESAM,Belém, 2006.

2.

A concise Summary of @RISK Probability Distribution Functions. Copyright 2002 ParadiseCorporation.

3.

www.cetuc.puc-rio.br/amanda.cunha/projeto.doc4.HATA, M. Empirical formula for propagation loss in land mobile radio services. IEEE Transactions onVehicular Technology, v. VT-29, n. 3, p. 317-325, Aug. 1980.

5.

VIEIRA, Pedro. Propagação II: modelos de Propagação comunicações móveis. Disponível em:Acesso em: 17 out. 2006.

6.

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Perda de Propagação: Teste seu Entendimento

1. O que são os modelos empíricos de perda de propagação?

São modelos teóricos comprovados através de medições efetuadas em campo.

São modelos teóricos aplicados de forma direta para a avaliação de perdas.

São modelos derivados de medições efetuadas em campo cujos resultados são reduzidos a fórmulas ougráficos de perda de propagação.

São modelos derivados de medições efetuadas em campo cujos resultados são aplicados de formadireta para a avaliação de perdas.

2. No contexto do projeto, quais foram os modelos empíricos existentes utilizados para a comparaçãocom o modelo proposto 2JKMT?

Modelo Hiroshi-Ioko e Modelo Svenson-Iuke.

Modelo de Okumura-Ikegame e Modelo de Walfisch-Hata.

Modelo Hiroshi-Iuke e Modelo Svenson- Ioko.

Modelo de Okumura-Hata e Modelo de Walfisch-Ikegame. 3. Como resultado da comparação efetuada, quais foram os modelos que apresentaram o menor e omaior erro médio?

Modelo 2JKMT e Modelo Walfisch-Ikegame.

Modelo Okumura-Hata e Modelo Walfisch-Ikegame.

Modelo Okumura-Hata e Modelo 2JKMT.

Modelo Walfisch-Ikegame e Modelo Okumura-Hata.

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