Universidade Federal Fluminense Escola de Engenharia Curso de … e... · 2020. 5. 27. · 1 Diego...
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Universidade Federal Fluminense
Escola de Engenharia
Curso de Graduação em Engenharia de
Telecomunicações
Diego de Souza Bonifácio
Eduardo Montan Souza
Influência da vegetação em enlaces de
radiocomunicação na frequência de 14 GHz
Niterói – RJ
2018
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Diego de Souza Bonifácio
Eduardo Montan Souza
Influência da vegetação em enlaces de radiocomunicação na frequência de 14 GHz
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao
Curso de Graduação em Engenharia de Teleco-
municações da Universidade Federal Fluminense,
como requisito parcial para obtenção do Grau de
Engenheiro de Telecomunicações.
Orientador: Prof. Dr. Pedro Vladimir Gonzalez Castellanos
Coorientadora: Profa. Dra. Leni Joaquim de Matos
Niterói – RJ
2018
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Diego de Souza Bonifácio
Eduardo Montan Souza
Influência da vegetação em enlaces de radiocomunicação na frequência de 14 GHz
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao
Curso de Graduação em Engenharia de Teleco-
municações da Universidade Federal Fluminense,
como requisito parcial para obtenção do Grau de
Engenheiro de Telecomunicações.
Aprovada em 03 de julho de 2018.
BANCA EXAMINADORA
Prof. Dr. Pedro Vladimir Gonzalez - Orientador
Universidade Federal Fluminese - UFF
Profa. Dra. Leni Joaquim de Matos - Coorientadora
Universidade Federal Fluminese - UFF
Profa. Vanessa Przyblski Ribeiro Magri -
Universidade Federal Fluminense- UFF
Niterói – RJ
2018
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Resumo
Este trabalho trata da influência da vegetação em enlaces de radiocomunicação na frequên-
cia de 14 GHz. O espectro da ordem de GHz, em especial o de 14 GHz vem sendo estudado
por ser menos congestionado se comparado aos espectros das faixas inferiores. Esta faixa
permite a possibilidade de uso de uma banda maior para transmissões de alta velocidade e
ampliar a capacidade dos sistemas , o que tornaria viável a implantação de novos serviços
e aplicações, como redes móveis de quinta geração. O objetivo desse trabalho é caracteri-
zar e modelar o comportamento de um sinal de banda estreita na presença de vegetação.
Foram realizadas campanhas de medições em dois ambientes, o primeiro numa situação de
obstrução por vegetação e segundo em linha de visado com o objetivo de avaliar somente
a atenuação com a distância. Foram utilizados os modelos de predição ITU-R, FITU-R,
Weisberger, e COST-235 para verificar o ajuste aos dados experimentais. Os resultados
obtidos mostraram que os modelos mais próximos dos valores medidos foram o COST-
235 para árvores com folhagem menos densa e o FITU-R para árvores com folhagem mais
densa. Dos dados coletados, foram calculados os valores da constante de decaimento com
a disância (d) de acordo com o modelo simplificado de perdas.Foi posśıvel observar que os
resultados obtidos estão de acordo com os resultados de outros trabalhos de pesquisa nessa
área e que seriam necessárias mais medições para confirmação dos parâmetros adequados
da recomendação da ITU para ambientes sem visada direta na frequência de 14 GHz.
Palavras-chave: Propagação em 14 GHz, ondas milimétricas, modelos de predição
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Abstract
This work deals with the influence of vegetation on radio links in the frequency of 14 GHz.
The spectrum of the order of GHz, especially 14 GHz, has been studied because it is less
congested when compared to lower band spectra. This range allows for the possibility
of using a larger bandwidth for high-speed transmissions and extending systems capa-
city, which would make it possible to deploy new services and applications such as fifth-
generation mobile networks. The objective of this work is to characterize and model the
behavior of a narrowband signal in the presence of vegetation. Measurement campaigns
were carried out in two environments, the first in a situation of obstruction by vegetation
and second in a line of sight with the objective of evaluating only the attenuation with
the distance. The prediction models ITU-R, FITU-R, Weisberger, and COST-235 were
used to verify the fit to the experimental data. The results showed that the models closest
to the measured values were the COST-235 for trees with less dense foliage and FITU-R
for trees with denser foliage. From the data collected, the values of the decay constant
with the decay (d) were calculated according to the simplified loss model. It was verified
that the results found were in agreement with those obtained in others research studies
in this area and further measurements campaigns would be necessary to confirm the pa-
rameters of the ITU model for thenon-line-of-sight environments in the 14 GHz frequency.
Keywords: Propagation at 14 GHz; milimeter-wave frequency wave; propagation
models.
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vi
Dedicamos esse trabalho a Deus e aos nossos
familiares e amigos que sempre estiveram ao
nosso lado nos apoiando ao longo de todas as
etapas de nossas vidas.
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Agradecimentos
Agradecemos, primeiramente, ao nosso professor Dr. Pedro Castellanos pela ori-
entação e por todo o empenho em nos auxiliar nas dificuldades e dúvidas que surgiram
ao longo do nosso trabalho.
À professora Dra. Leni Joaquim de Matos pela coorientação e aux́ılio nas dúvidas
e sugestões.
Aos professores que tivemos durante a graduação na UFF, que, em diferentes pesos,
nos ajudaram sempre a superar desafios e obstáculos contribuindo para a nossa formação.
Aos amigos que fizemos durante esses anos de graduação e que tornaram amigos
para a vida, sempre fazendo os nossos dias mais leves e engraçados.
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viii
Lista de Figuras
1.1 Crescimento do tráfego em dispositivos móveis . . . . . . . . . . . . . . . . 2
2.1 Espectro Eletromagnético . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.2 Reflexão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.3 Difração . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.4 Comportamento do sinal recebido em ambientes celulares . . . . . . . . . . 9
2.5 Atenuação vs frequência no ńıvel do mar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
4.1 Imagem de satélite da área externa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
4.2 Posição de Tx e Rx com obstrução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
4.3 Visada a partir da antena de transmissão. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
4.4 Visada a partir da antena de recepção. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
4.5 Posição de Tx e Rx sem obstrução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
4.6 Árvore posicionada entre as antenas de transmissão e recepção. . . . . . . . 23
4.7 Antenas de transmissão e recepção sem obstrução entre elas. . . . . . . . . 24
4.8 Antenas de trasmissão e recepção posicionadas no ponto inicial de medição 25
4.9 Perda causada pela vegetação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
5.1 Perda causada pela vegetação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
5.2 Perda causada pela vegetação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
5.3 Perda no percurso 3o ambiente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
5.4 Curva Ajustada Log-Normal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
5.5 Distribuição Log-Normal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
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Lista de Tabelas
2.1 Classificação das ondas de rádio. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
3.1 Tabela de coeficientes n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
5.1 Potência recebida com obstrução X sem obstrução . . . . . . . . . . . . . . 28
5.2 Parâmetros de cada modelo de predição . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
5.3 Erro médio para cada modelo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
5.4 Potência recebida Espaço livre X Obstáculo . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
5.5 Parâmetros de cada modelo de predição . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
5.6 Erro médio para cada modelo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
5.7 Parâmetros Modelo Log-Distance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
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Sumário
Resumo iv
Abstract v
Agradecimentos vii
Lista de Figuras viii
Lista de Tabelas ix
1 Introdução 1
2 Caracteŕısticas de propagação 4
2.1 Ondas de Rádio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2 Mecanismos de propagação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.2.1 Reflexão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.2.2 Difração . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2.3 Espalhamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.3 Caracteŕısticas do canal de radio propagação . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.3.1 Desvanecimento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.4 Frequência de 14 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
3 Modelos de propagação 12
3.1 Modelo de perda no espaço livre (Free Space Loss) . . . . . . . . . . . . . . 13
3.2 Modelo Log-Distance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3.3 Modelos de propagação em espaço vegetados . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3.3.1 Modelos Weissberger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3.3.2 Modelos ITU-R (Early ITU ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
x
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xi
3.3.3 Modelos Fitted ITU-R (FITU-R) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3.3.4 Modelo COST 235 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
4 Setup e ambientes de medições 18
4.1 Influência da Vegetação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
4.1.1 Cobertura simulando uma pico célula . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
4.1.2 Antena Transmissora e receptora na mesma altura . . . . . . . . . . 23
4.2 Decaimento com a distância . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
4.3 Descrição dos equipamentos utilizados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
4.3.1 Setup de transmissão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
4.3.2 Setup de Recepção . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
5 Resultados 27
5.1 Ambiente pico celular . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
5.2 Antena Transmissora posicionada na mesma altura . . . . . . . . . . . . . 30
5.3 Atenuação com a distância . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
6 Conclusão 38
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Caṕıtulo 1
Introdução
Com a capacidade de desenvolvimento tecnológico no mundo a conectividade se
tornou imprescind́ıvel entre as pessoas e as máquinas. Desde a revolução industrial há
mais de dois séculos, os dispositivos eletroeletrônicos evoluem em uma velocidade expo-
nencial. Hoje a maior parte dos dispositivos podem se conectar a uma rede e trocar
informações com outros dispositivos, aumentando a demanda por capacidade das atuais
tecnologias de comunicação. Um exemplo dessa tendência é a ”Internet das coisas”. O
aumento do número de usuários e da demanda de taxa, são os principais incetivos para
o desenvolvimento de novos meios que possibilitem a atualização das atuais redes com a
finalidade de lidar com a necessidade cada vez maior de recursos dispońıveis.
Nas últimas duas décadas, o fator princial aumento do tráfego de dados e da de-
manda por servições de comunicação, se deve aos usuários da telefonia móvel, devido a
popularização de celulares, smartphones e dispositivos de comunicações em geral. Se-
gundo a CISCO[8], a demanda por taxas de transmissão já está superando a quantidade
de links existentes na banda de UHF. É esperado que o tráfego de dados móveis dobre a
cada ano [8].
-
2
Figura 1.1: Crescimento do tráfego em dispositivos móveis
Fonte: Cisco [8]
Devido ao congestionamento das faixas de frequências destinadas aos serviços de co-
municação móvel, varios pesquisadores vem estudando a possibilidade de utilizar frequên-
cias na faixa do SHF para prover serviços de comunicação pessoal, principalmente pela
chegada da nova geração de comunicação, o chamado 5G.
É comum que a cada 10 anos surja uma nova geração de sistemas celulares, sendo
que a última geração - o 4G, foi introduzida em 2011. Espera-se que a quinta geração de
sistemas celulares seja padronizada e implantada por volta do ano de 2020. Na Conferên-
cia Mundial de Radiocomunicações em 2015, o ITU-R (International Telecommunication
Union - Radiocommunication Sector) definiu os requisitos para o 5G, dos quais o princi-
pal objetivo é permitir que se ofereça uma experiência de Internet móvel comparada à de
fibra-óptica, com taxas de até 10 Gbit/s em condições de baixa mobilidade e de 1 Gbit/s
para usuários em alta mobilidade (com velocidade acima de 300 km/h).
O desempenho das redes 5G será avaliado em termos de capacidade e taxa de dados,
latência, eficiência espectral e sobretudo pela capacidade de conexão com dispositivos para
IoT [12].
O espectro da ordem de GHz, em especial o de 14GHz é consideravelmente menos
congestionado se comparados aos espectros de ordem inferiores, permitindo a possibilidade
de utilizar uma banda maior para transmissões de alta velocidade, o que a torna uma faixa
viável a implantação de novos serviços e aplicações, como redes móveis de quinta geração.
Várias faixas de frequências vêm sendo utilizadas como candidatas para serem
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3
utilizadas no 5G. A faixa de 14 GHz, embora utilizada para comunicação via satélite e
respeitando os critérios de interoperabilidade, pode ser utilizada para fornecer cobertura
em sistemas de comunicação ponto a ponto ou ponto multiponto sendo de grande impor-
tância para o uso desta faixa o estudo da cobertura de sinal nessa faixa de frequência.
Sinais nesta faixa de frequências apresentam comprimento de onda na ordem de miĺıme-
tros, apresentando maior atenuação se comparado a faixa de UHF.Nesta faixa a vegetação
apresenta uma atenuação maior cujo valor varia de acordo com o tamanho das folhas e
da densidade destas.
Neste trabalho, foi realizado um estudo, especificamente, sobre a influência da
vegetação no ambiente outdoor para a faixa de frequência em questão. Como objetivo
geral, foi realizado o ajuste de modelos de propagação, propostos na literatura , com os
dados obtidos através das medições realizadas.
Para realização deste trabalho, iniciou-se com uma pesquisa bibliográfica relacio-
nada à propagação, modelos de predição e formas de medições para o ambiente de ve-
getação. Após esse levantamento inicial, foram obtidas medidas de intensidade de sinal
variando o tipo de vegetação e a distância do enlace. O primeiro apresenta os conceitos das
caracteŕısticas de propagação, fazendo um resumo sobre as ondas de rádio, mecanismos de
propagação, além das particularidades da faixa de frequência de 14 GHz. No segundo, é
apresentada a importância dos modelos de propagação para a análise de cobertura de sinal
de radiocomunicação, evidenciando os modelos de propagação que consideramos mais ade-
quados às caracteŕısticas do ambiente de análise. No terceiro caṕıtulo, é apresentada uma
descrição dos ambientes de medições e dos equipamentos utilizados. O quarto caṕıtulo é
reservado para a análise das medidas e comparação dos modelos de predição propostos
com as mesmas. A conclusão do trabalho é apresentada no caṕıtulo seis e, finalmente, o
sétimo e último caṕıtulo é reservado para sugestões de trabalhos futuros.
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Caṕıtulo 2
Caracteŕısticas de propagação
Desde a elaboração das leis de Maxwell, por James C. Maxwell, até os dias atuais,
têm ocorrido grandes evoluções no estudo das ondas eletromagnéticas. O espectro eletro-
magnético é o intervalo completo da radiação eletromagnética que contém as ondas de
rádio, as micro-ondas, o infravermelho, raio X, a radiação gama, os raios violeta e a luz
viśıvel ao olho humano. A figura 2.1 apresenta o espectro eletromagnético, com destaque
para a região ocupada pela luz viśıvel.
Figura 2.1: Espectro Eletromagnético
Fonte: Robot Education (2015)
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5
2.1 Ondas de Rádio
A radiocomunicação é caracterizada pela transferência de sinal entre dois ou mais
pontos que não estão ligados por um condutor elétrico. A mensagem é transferida através
de ondas eletromagnéticas chamadas de ondas de rádio, que são irradiadas do transmissor
em espaço aberto através da antena.
Nas telecomunicações, os sinais eletromagnéticos são utilizados como meio de trans-
missão da informação, onde a faixa de frequência escolhida depende do comportamento
desta no ambiente de propagação. As ondas de rádio apresentam comprimentos de onda
no espectro eletromagnético maior que a luz infravermelha, operando na faixa de frequên-
cias entre 3 kHz e 300 GHz.
Os primeiros estudos e previsões a respeito das ondas de rádio foram realizados
pela f́ısico matemático escocês James Clerk Maxwell, em seu trabalho feito em 1867.
O desenvolvimento tecnológico e cient́ıfico a respeito das ondas de rádio tornou-se
de crucial importância, tendo em vista que são os tipos de ondas mais utilizados nos sis-
temas de telecomunicações. A classificação dos tipos de ondas de rádio é apresentada na
tabela 2.1[5].:
BANDA FREQUÊNCIA COMPRIMENTO DE ONDA
Frequência extremamente baixa (ELF) < 3 kHz > 100 Km
Frequência muito baixa (VLF) 3 - 30 Hz 10 - 100 Km
Frequência baixa (LF) 30 - 300 kHz 1 - 10 Km
Frequência média (MF) 300 kHz - 3 MHz 100 m - 1 Km
Frequência alta (VF) 3 - 30 MHz 10 - 100 m
Frequência muito alta (VHF) 30 - 300 MHz 1 - 10 m
Frequência ultra alta (UHF) 300 MHz - 3 GHz 10 cm - 1 m
Frequência super alta (SHF) 3 - 30 GHz 1 - 10 cm
Frequência extremamente alta (EHF) 30 - 300 GHz 1 mm - 1 cm
Tabela 2.1: Classificação das ondas de rádio.
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6
2.2 Mecanismos de propagação
No caminho entre o transmissor e o receptor, o sinal interage com o ambiente ao
redor experimentando vários fenômenos de propagação, cujos efeitos variam de acordo
com a frequência utilizada. Na faixa de interesse desde trabalho (SHF), em condições sem
visibilidade, as ondas usualmente se propagam por três fenômenos principais: reflexão,
difração e espalhamento [10].
2.2.1 Reflexão
Este mecanismo se dá quando uma onda atinge um objeto com dimensões supe-
riores ao do seu comprimento de onda. Quando a onda atinge o objeto, uma parcela da
onda volta a se propagar no meio de origem, e a outra parcela penetra a superf́ıcie. A
onda refletida manterá a velocidade, frequência e comprimento de onda iguais aos da onda
incidente.
Os conceitos de coeficiente de reflexão e transmissão representam estas parcelas
e dependem das propriedades elétricas dos meios (permissividade e condutividade), da
maneira como os campos estão orientados (polarização), da frequência e do ângulo de
incidência sobre a superf́ıcie de separação dos meios e ainda da ordem de grandeza da
superf́ıcie.
Figura 2.2: Reflexão
Fonte: Alunos Online (2016)
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7
2.2.2 Difração
A difração é o fenômeno responsável pela existência de energia em uma região
obstrúıda por uma superf́ıcie que possui irregularidades afiadas. A difração trata da
capacidade das ondas de contornar obstáculos, apresentando um importante mecanismo
de propagação em áreas com relevo acidentado e zonas com construções e prédios, na
medida em que consegue prover energia para áreas que não dispõem de onda direta, como
é ilustrado na figura 2.3 [5].
O prinćıpio de Huygnes (Christian Huygens) estabelece que os pontos da frente de
onda inicial, ao tocarem um obstáculo, se tornam fontes secundárias de ondas esféricas
e a combinação entre elas produz uma nova frente de onda que se estende em todas as
direções com a mesma velocidade, frequência e comprimento de onda, que a frente de
onda que as precede.
Figura 2.3: Difração
2.2.3 Espalhamento
O espalhamento ocorre quando o meio de propagação é constitúıdo de objetos
com dimensões pequenas em relação ao comprimento de onda do sinal e o número desses
obstáculos é grande (em um determinado volume).
Além do espalhamento, a propagação através de vegetação também experimenta o
efeito de difração quando as folhas da árvore têm comprimento próximo ao comprimento
de onda do sinal incidente.
-
8
2.3 Caracteŕısticas do canal de radio propagação
As caracteŕısticas do canal de radio propagação são responsáveis pela variação de
intensidade e fase com que o sinal chega na recepção. Nesta seção será apresentado, uma
breve descrição sobre as variações espaciais do sinal recebido e o efeito de multipercurso.
A figura 2.4 apresenta o compartamento do sinal recebido em ambientes celulares [4].
-
9
Figura 2.4: Comportamento do sinal recebido em ambientes celulares
2.3.1 Desvanecimento
O desvanecimento é definido como a variação temporal da intensidade do sinal,
da fase relativa ou ambas no receptor devido a mudanças nas caracteŕısticas do percurso
de propagação. Os desvanecimentos podem ser classificados em termos dos mecanismos
e efeitos de propagação envolvidos: refração, reflexão, difração, multipercurso atmosfé-
rico, dutos troposféricos e atenuação por chuvas. O desvanecimento pode ser causado
pela geometria do terreno e pelas condições metereológicas que não são, necessariamente,
mutuamente exclusivos [5].
Desvanecimento em grande escala
No desvanecimento em grande escala, a amplitude e a mudança de fase impostas
pelo canal podem ser consideradas aproximadamente constantes durante o peŕıodo de uso.
Esse tipo de desvanecimento pode ser causado por eventos como sombreamento, em que
um obstáculo como uma colina ou um prédio, obstruem o caminho do sinal principal entre
o transmissor e o receptor. A mudança de potência recebida causada pelo sombreamento
é modelada, geralmente, usando uma distribuição log-normal com um desvio padrão de
acordo com o modelo de perda de trajetória log-distance [12].
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10
Desvanecimento em pequena escala
O desvanecimento em pequena escala ocorre quando o tempo de coerência do canal
é pequeno em relação ao requisito de atraso da aplicação. Neste caso, a amplitude e a
mudança de fase impostas pelo canal variam, consideravelmente, ao longo do peŕıodo
de uso. Neste tipo de desvanecimento, o sinal varia rapidamente com a frequência e se
origina devido a efeitos de padrões de interferência construtiva e destrutiva causados por
multipercurso.
2.4 Frequência de 14 GHz
Devido ao fato das ondas milimétricas terem pequeno comprimento de onda, elas
são fortemente afetadas por chuva, névoa ou qualquer outra part́ıcula de água que es-
teja presente na atmosfera, causando atenuação e espalhamento que aumentam com a
frequência. A Figura 2.5 [6] ilustra a curva de atenuação de acordo com a frequência.
Percebe-se que quanto maior for a frequência, maior será a atenuação de dB/km que o
enlace sofrerá. O pico na faixa de 60 GHz se dá devido à grande absorção das ondas pelo
oxigênio, enquanto os demais estão mais relacionados à absorção devido às part́ıculas de
água. Embora a maior frequência, maior a atenuação, vários estudos vêm sendo realizados
com o objetivo de usar estas faixas para coberturas do tipo pico-células. Uma das vanta-
gens do uso destas faixas nesta configuração, é que o sinal rádio podem ser direcionado
em feixes estreitos por antenas de tamanho conveniente, de modo que não interfiram com
os transmissores próximos na mesma frequência, permitindo a reutilização de frequência.
-
11
Figura 2.5: Atenuação vs frequência no ńıvel do mar
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Caṕıtulo 3
Modelos de propagação
Durante a transmissão algumas perdas ocorrem entre o percurso do transmissor
até o receptor. Essas perdas de percurso podem surgir por diversos efeitos como, reflexão,
refração, difração, dispersão. [11].
Para o planejamento da cobertura de sinal de um determinado sistema de comuni-
cação sem fio por parte dos engenheiros de planejamento, é necessário o desenvolvimento
de modelos de propagação, com a finalidade de analisar o comportamento do sinal em
determinado ambiente e condições climáticas. Com o aux́ılio dos dados obtidos através
destes modelos, é posśıvel determinar a viabilidade do serviço num determinado ambi-
ente ou caso seja necessário a alteração de algum parâmetro do sistema para este operar
satisfatoriamente.
Os modelos de propagação podem ser classificados como emṕıricos ou determińıs-
ticos.
Os modelos emṕıricos são obtidos a partir de uma campanha de medições em uma
ou mais regiões espećıficas. As medidas obtidas são analisadas e representadas através de
expressões que fornecem o valor médio da atenuação no caso de modelos de faixa estreita
como é o caso dos modelos utilizados neste trabalho. Estes modelos apresentam a vanta-
gem de ser facilmente aplicados e necessitam de um tempo de execução (computacional)
relativamente baixo.
Uma desvantagem destes modelos é que não podem ser aplicados em regiões dife-
rentes a aquelas utilizadas para gerar suas equações.
Embora alguns modelos emṕıricos apresentem adaptações para outros ambientes
com caracteŕısticas diferentes do original, eles são melhores adaptados as regiões que pos-
-
13
suem as mesmas caracteŕısticas da região onde foram realizadas as medições que definiram
o modelo.
Os modelos determińısticos, também conhecido como modelos teóricos utilizam al-
guma formulação baseada na teoria de ondas e óptica geométrica para realizar o cálculo
de cobertura de uma determinada região, como a GTD (Geometrical Theory of Diffrac-
tion - Teoria Geométrica da Difração) e a UTD (Uniform Theory of Diffraction - Teoria
Uniforme da Difração). A técnica utilizada junto a esses modelos é denominada Técnica
de Traçado de Raios, que consiste no rastreamento do campo eletromagnético ao longo de
raios que tem trajetórias diretas ou sofrem interações com o ambiente (reflexão, difrações,
espalhamento).
O uso desta teoria dá mais confiabilidade a modelos deste tipo e faz com que
possa ser aplicado em um número mais variado de regiões, quando as caracteŕısticas des-
tes ambientes sejam carregados na simulação. Porém, estes modelos apresentam maiores
dificuldades na implementação e exigem maiores recursos para gerar as informações ne-
cessárias. [3].
Existem diversos modelos de propagação para predição de sinal, porém a minoria
deles atuam na faixa de frequência acima de 10 GHz. Ao longo de nosso trabalho será
utilizado modelos afim de calcular a perda ao longo do espaço livre e modelos espećıficos
que tratam exclusivamente da perda ocasionada pela obstrução da vegetação.
Após a realização de um extenso estudo bibliográfico, os modelos que mais se
adéquam e que serão utilizados na análise da perda ocasionada por vegetação, utilizaremos
quatro modelos os modelos de predição de atenuação em regiões com vegetação. Sendo
eles o modelo Weissberg, ITU-R e FITU-R e COST-231.
Também será utilizado para fins de comparação e análise da perda ao longa da
distância nesta faixa de frequência o modelo de perda no espaço livre e o modelo Log-
distance.
3.1 Modelo de perda no espaço livre (Free Space
Loss)
O modelo de propagação em espaço livre foi um dos primeiros modelos a ser criado
para o cálculo da atenuação em enlaces de rádio. Este modelo leva em consideração apenas
-
14
os casos em que o transmissor e o receptor estão localizados no espaço livre, sem qualquer
obstrução em sua visada, não considera nenhum mecanismo de propagação ao longo do
percurso (reflexão, difração, espalhamento).
A perda no percurso neste modelo é calculada da seguinte forma:
PLF SP L = 32, 45 + 20log10(d) + 20log10(f) (3.1)
Onde d é a distância entre o transmissor e receptor, em metros, e f é a frequência utilizada
em MHz
3.2 Modelo Log-Distance
O modelo de perda no percurso log-distance é um modelo genérico, considerado
uma extensão dos modelos de perda no espaço livre de Friis. Ele é usado para prever a
perda de propagação em um número muito grande de ambientes e regiões, sem a limitação
de não houver obstruções entre o transmissor e o receptor como no modelo de perda no
espaço livre.
O valor de atenuaçã pelo percurso é dado pela seguinte equação:
PL(d) = PL(d0)− 10nlog10(d/d0) (3.2)
Onde PL(d0) representa a perda em uma distância de referência d0, n sendo o
coeficiente de perda de um ambiente espećıfico.
Sendo que o valor do coeficiente de perda n varia de acordo com o tipo de ambiente
conforme mostrado na tabela 3.1:
Tipo de ambiente Valor de n
Espaço livre 2
Área urbana 2,7 a 3,5
Área urbana pouco obstrúıda 3 a 5
Indoor com linha de visada 1,6 a 1,8
Indoor com obstrução 4 a 6
Tabela 3.1: Tabela de coeficientes n
Fonte: Teleco
-
15
3.3 Modelos de propagação em espaço vegetados
A propagação de ondas eletromagnéticas em espaços vegetados é complexa e cons-
titui um problema de propagação de ondas eletromagnéticas para a frequência de análise
desde trabalho. Além dos efeitos usuais relacionados à propagação no espaço livre as-
sociados a fatores como frequência, altura das antenas, condições atmosféricas, existem
efeitos adicionais causados pela densidade da vegetação e sua morfologia [9].
Na literatura existem vários modelos para calcular a perda causada pela vegetação
e, serão mostrados ao longo desta seção.
Em geral, estes modelos são dados da seguinte forma:
Lveg = A ∗ f b ∗ dc (3.3)
Onde, Lveg é a perda causada pela vegetação, e os parâmetros A,b e c sendo constan-
tes calculadas empiricamente, sendo dependentes do tipo de folhagem e densidade da
vegetação.
3.3.1 Modelos Weissberger
Tendo como base o modelo de perda de propagação exponencial, Weissberger desen-
volveu o modelo de perda de propagação conhecido como exponencial modificado (MED),
sendo este válido para ambientes com vegetação com árvores que possuem folhagem seca
em climas temperados [13].
Neste modelo, a perda ocasionada pela vegetação expressa por:
L(dB) = 0, 45f 0,284d, parad ≤ 14metros (3.4)
L(dB) = 0, 45f 0,284d0,588, parad14 ≤ d ≤ 400metros (3.5)
Sendo f a frequência em GHz, e d, a distância entre o ponto transmissor e receptor ao
longo da vegetação.
Este modelo foi desenvolvido para faixa de frequência de 230MHz a 95 GHz, e
teve seus parâmetros emṕıricos determinados em campanhas de medições utilizam a faixa
UHF (400-700 MHz).
-
16
3.3.2 Modelos ITU-R (Early ITU )
Em 1986, o ITU desenvolveu um modelo a partir de campanhas de medições,
realizadas principalmente na banda UHF. O modelo é adequado para vegetações com
profundidade inferiores a 400,0 metros para frequências entre 200 MHz e 95 GHz.
A configuração de medição envolveu um bosque de árvores separando a antena
transmissora e receptora, de modo que a maioria do sinal se propagou pela folhagem.
Neste modelo, a perda ocasionada pela vegetação expressa por:
L(dB) = 0, 2f 0,3d0,6, parad ≤ 400metros (3.6)
3.3.3 Modelos Fitted ITU-R (FITU-R)
Depois de otimizar os três valores numéricos do modelo ITU-R baseado em me-
dições experimentais, em 11,2 GHz e 20 GHz, para profundidade de até 120,0 metros
com vegetação que possui folhagem e também para vegetação que não possuem folhagem,
Al-Nuaimi e Stephens desenvolveram o Modelo FITU-R.
O modelo é recomendado para uso até 40 GHz. O modelo FITU-R foi comparado
com o modelo ITU-R baseado no ajuste de vários conjuntos de medições usando um ajuste
de erro de mı́nimos quadrados, produzindo um menor erro quadrático médio (RMSE) [1].
O modelo FITU-R é dado pela seguinte expressão:
L(dB) = 0, 37f 0,18d0,59, semfolhagem (3.7)
L(dB) = 0, 39f 0,39d0,25, comfolhagem (3.8)
3.3.4 Modelo COST 235
Modelo desenvolvido pela Cooperação em Ciência e Tecnologia (COST) desenvol-
veu um modelo conhecido como COST 235 em 1996. As medidas utilizadas para o juste
dos dados (os dados de referência) do modelo foram obtidas sob diferentes condições para
a folhagem, como o estado da folha e o tipo de árvore para uma faixa de frequências, entre
9,6 GHz e 57,6 GHz. [7].
Aplicando uma regressão de ajuste de mı́nimos quadrados, o modelo foi expresso
como:
-
17
L(dB) = 15, 6f−0,009d0,26, comfolhagem (3.9)
L(dB) = 26, 6f−0,02d0,5, semfolhagem (3.10)
Sendo f a frequência em MHz, d a distância entre o ponto transmissor e receptor ao
longo da vegetação. Diferentemente de outros modelos, este apresenta uma dependência
lenta e inversa em relação a frequência. Isso pode afetar a confiabilidade do modelo, já
que a perda de propagação de ondas de rádio em geral, deve aumentar com a frequência.
-
Caṕıtulo 4
Setup e ambientes de medições
Neste capitulo será apresentado o ambiente de medição escolhido e os equipamentos
utilizados na medição e a metodologia empregada na coleta dos dados. Para cada cenário,
dados referentes ao ńıvel de sinal recebido foi coletado. No cenário com obstrução, as
medições foram realizadas com obstrução e sem obstrução na mesma distância com o
objetivo de se calcular a atenuação adicional causado pela vegetação.
4.1 Influência da Vegetação
O objetivo do trabalho é a caracterização do canal de propagação em vegetação
para a frequência de 14 GHz. Para alcançarmos o objetivo foi necessário um amplo estudo
sobre qual seria o ambiente mais adequado às caracteŕısticas do canal de propagação que
desejávamos sondar. Foram realizadas três campanhas de medições visando caracterizar
o canal em faixa estreita para obter a perda na vegetação na frequência de 14 GHz,
além de caracterizar a atenuação com a distância. A seguir serão descritos as diferentes
configurações de medições e os instrumentos utilizados.
Após o estudo prévio, o ambiente de propagação escolhido para a medição foi a área
externa do prédio do curso de Arquitetura e Urbanismo localizado no Campus da Praia
Vermelha da Universidade Federal Fluminense (UFF) ilustrado na figura 4.1. A escolha
do local se deu devido à possibilidades de instalação dos equipamentos de medição, bem
como as caracteŕısticas f́ısicas relevantes compat́ıveis com o propósito em apresentar a
influência da vegetação na propagação de ondas de radiofrequência em 14GHz.
Com a finalidade de caracterizar de forma eficiente o canal e posterior análise dos
18
-
19
Figura 4.1: Imagem de satélite da área externa
dados, tornou-se conveniente dividir as medições com a presença de vegetação em dois
cenários que serão a seguir.
4.1.1 Cobertura simulando uma pico célula
A antena transmissora foi posicionada na varanda do segundo andar do prédio
de Arquitetura e Urbanismo a uma altura de sete metros e quarenta cent́ımetros (7,40
m) do chão e direcionada para a área externa do prédio de modo que tivéssemos uma
obstrução causada por um conjunto de árvores e folhagens a fim de pegar a parte mais
densa da árvore escolhida. A figura 4.2 ilustra a posição das antenas na primeira medição,
realizada com a árvore entre as mesmas, a figura 4.3 apresenta a fotografia com a câmera
posicionada a frente da antena de transmissão, ilustrando a visada da mesma.
Na recepção, os equipamentos de medições foram instalados num carrinho para
facilitar o deslocamento. A antena receptora foi posicionada no lado de fora do prédio
de Arquitetura e Urbanismo apontando diretamente para a antena transmissora, sempre
procurando o máximo de sinal recebido, a uma distância de vinte e sete metros e noventa
cent́ımetros (27,9 m) uma da outra. A figura 4.4 apresenta a fotografia com a câmera
-
20
posicionada a frente da antena de recepção, ilustrando a visada da mesma, RX para TX.
Para realizar as medições nesse primeiro ambiente, primeiro, posicionamos a an-
tena de recepção em direção a antena de transmissão, com a finalidade de encontrarmos
um ponto máximo de recepção. Com a antena direcionada no ponto de recepção máxima,
foram realizadas medidas em quatro pontos distando um metro (1,0 m) um do outro,
formando um quadrado, com o objetivo de se obter a variação especial do campo a uma
distancia de aproximadamente 27,9 metros do transmissor. Esse procedimento foi reali-
zado novamente, com as antenas posicionadas à mesma distaˆncia uma da outra, porém,
sem a obstrução da árvore com objetivo de calcular a atenuação devida à vegetação. Esse
ambiente é ilustrado na figura 4.5 e os detalhes da análise das medidas serão apresentados
no caṕıtulo cinco.
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21
Figura 4.2: Posição de Tx e Rx com obstrução
Figura 4.3: Visada a partir da antena de transmissão.
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22
Figura 4.4: Visada a partir da antena de recepção.
Figura 4.5: Posição de Tx e Rx sem obstrução
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4.1.2 Antena Transmissora e receptora na mesma altura
Um Segundo cenário foi utilizando para a caracterização da atenuação por vegeta-
ção. Neste caso a antena transmissora e receptora foram posicionadas a uma distância de
seis metros (6,0 m) de separação uma da outra. Neste cenário, uma árvore de pequeno
porte, porém de maior densidade de folhas, está obstruindo a visada entre as antenas. As
alturas das antenas foram mantidas a um metro e sessenta cent́ımetros (1,6 m) do solo,
a figura 4.6 ilustra todo o sistema descrito. Após a medição com a árvore posicionada
entre as antenas, foram realizadas novas medições sem a obstrução causada pela vegeta-
ção, mantendo a distância de seis metros (6,0 m) entre tx e rx, com o objetivo de calcular
a atenuação adicional causada pela vegetação. Esta configuração sistema e ilustrado na
figura 4.7.
Figura 4.6: Árvore posicionada entre as antenas de transmissão e recepção.
-
24
Figura 4.7: Antenas de transmissão e recepção sem obstrução entre elas.
4.2 Decaimento com a distância
Uma Terceira campanha de medição foi realizadas com o objetivo de avaliar atenu-
ação do sinal causada pela distância. Para a realização desta caracterização, o ambiente
de propagação escolhido foi a área externa do bloco E do Campus da Praia Vermelha
da Universidade Federal Fluminense (UFF), ilustrado na figura 4.8. Para a realização
das medições, a distancia mińıma de separação entre as antenas foi calculado de acordo
a respeitar o valor de campo próximo calculado em aproximadamente cinco metros (5,0
m)[2]. As medições foram realizadas de duas formas. A primeira de forma discreta, a
cada dois metros (2,0 m) uns dos outros à partir da distância mı́nima de 5 metros. No
total foram realizadas vinte pontos de medição. Uma segunda bateria de medições fo-
ram feitas de forma continua (com mobilidade) mantendo o mesmo percurso e velocidade
aproximadamente constante durante o trajeto. As medidas foram realizadas dessa forma
afim de observar como os efeitos de multipercurso, caudados pelos obstáculos posiciona-
dos nas laterais do nosso ambiente de propagação, influenciavam na intensidade do sinal
de recepção, uma vez que nas medidas discretas, havia a possibilidade de ajustarmos a
-
25
posição da antena de recepção otimizando as medições, o que não era posśıvel na medição
continua.
Figura 4.8: Antenas de trasmissão e recepção posicionadas no ponto inicial de medição
4.3 Descrição dos equipamentos utilizados
4.3.1 Setup de transmissão
Para realizar as medições, utilizamos na transmissão um oscilador, que gera um
sinal de 13,974 GHz, com potência máxima estabilizada de 13 dBm. Foi utilizado o sistema
original de alimentação do sistema para maior estabilidade do sinal gerado pelo oscilador,
sendo esta alimentação para alimentar o VCO e o Peltier, utilizado para controle de
temperatura do oscilador. A sáıda do VCO foi conectada diretamente à entrada da antena
transmissora, com o aux́ılio de adaptadores, que totalizaram uma perda aproximada de
1dB. A antena utilizada na transmissão foi do tipo corneta com ganho de 11 dBi para a
frequência de operação.
Para o cálculo da perdo no percurso, foi calculado o valor potência efetivamente
irradiada pela antena de transmissão (EIRP), cujo valor é de 23dBm.
-
26
Este setup de transmissão é mostrado abaixo na figura 4.9.
Figura 4.9: Perda causada pela vegetação
4.3.2 Setup de Recepção
Na recepção, o sinal foi capturado utilizando o analisador de espectro modelo MS2692A,
da marca Anritsu. A antena receptora possui as mesmas caracteŕısticas da transmissora
com ganho de 11 dBi, sendo o sinal recebido transmitido por um cabo coaxial até o ana-
lisador de espectro.
-
Caṕıtulo 5
Resultados
Após os procedimentos das medições, de acordo com as metodologias já citadas
neste texto, utilizamos o software MATLAB para tratar os dados coletados pelo analisa-
dor. Com o objetivo de comparar com os dados das medições realizada com os modelos
de predição de perda através da vegetação utilizados, foi desenvolvido códigos para veri-
ficar ajuste dos modelos utilizados aos dados obtidos. Os resultados e análises, para cada
um dos três ambientes de medição, se encontram no decorrer deste caṕıtulo, com seus
respectivos gráficos e tabelas.
5.1 Ambiente pico celular
Conforme mencionado no caṕıtulo anterior, nesta etapa da medição a antena trans-
missora esteve posicionada em um ponto elevado, com o objetivo de se aproximar de um
ambiente de transmissão de redes móveis e a antena transmissora no ńıvel do solo. Tendo
entre as duas estações uma árvore com uma densidade de folhagem média e folhas de
tamanho médio.
Para cada medida foi utilizada uma média temporal para os valores de potência
recebida, ou seja, foi captada pelo analisador a potência recebida em um determinado
intervalo de tempo (aproximadamente 60 segundos) para cada ponto utilizado.
Para avaliar a perda ocasionada pela vegetação em questão, foi realizada dois tipo
de medidas. A primeira com a copa da árvore obstruindo a visada entre o transmissor e o
receptor, e a segunda em visada direta, sem qualquer vegetação ou outro tipo de obstrução
na mesma distância de separação.
-
28
Como se trata da mesma referência de distância, a diferença entre estas duas
potências recebidas se trata de fato da perda adicional que a obstrução da vegetação
causa na propagação deste sinal. Sendo esta perda, aproximadamente, 17,41 dB nesta
vegetaçãao em particular.
A tabela 5.1 apresenta os ńıveis de potência recebida nas condições de obstrução e
linha de visada:
Obstrução da vegetação Potência Média Medida(dB)
Não -48,95
Sim -66,36
Tabela 5.1: Potência recebida com obstrução X sem obstrução
Como se trata da mesma referência de distância, a diferença entre estas duas
potências recebidas se trata de fato da perda adicional que a obstrução da vegetação
causa na propagação deste sinal. Sendo esta perda, aproximadamente, 17,41 dB nesta
vegetação em particular.
Com a perda ocasionada pela vegetação definida, foi realizada a análise para veri-
ficar qual ou quais modelos se adéquam ao nosso ambiente e setup de medições. Apesar
dessa parte da análise ter pontos sob a mesma profundidade de vegetação, os gráficos
foram traçados para uma profundidade de vegetação até cem metros (100,0 m) afim de
avaliar, a aderência da curva ajustada as medições realizadas aos modelos já existentes
utilizados.
O comportamento dos quatro modelos utilizados e a curva ajustada pode ser obser-
vado na figura 5.1. Os parâmetros emṕıricos de cada modelo e os encontrados por nossa
curva ajustada podem ser visualizados na tabela 5.2. Foi utilizado para este gráfico, a
escala logaŕıtmica para o eixo x (profundidade da vegetação (m) e valor absoluto da perda
ocasionada pela vegetação (db).
-
29
Figura 5.1: Perda causada pela vegetação
Distância(m) Profundidade da vegetação(m) Modelo Parâmetros
27.9 4.9 ITU-R A=0.2 | b=0.3 | c=0.6
27.9 4.9 FITU-R A=0.39 | b=0.39 | c=0.25
27.9 4.9 COST-235 A=15.6 | b=-0.02 | c=0.5
27.9 4.9 Weisberger A=0.45 | b=0.284 | c=0.588
27.9 4.9 Fiting Curve A=0.3993 | b=0.2967 | c=0.73
Tabela 5.2: Parâmetros de cada modelo de predição
É importante ressaltar, que os valores da curva ajustada (Fitting Curve foram en-
contrados a partir do conjunto das medições realizadas nos item 5.1 e 5.2 deste caṕıtulo,
afim de obter o ajuste da curva de forma mais robusta e com maior quantidade de pon-
tos. É importante ressaltar, que esta união foi posśıvel devido ao fato destes modelos
usarem como referência a profundidade da vegetação e não a distância entre as antenas
de transmissão e recepção.
Afim de confirmar nossa análise visual da figura 5.1, a tabela 5.3 nos mostra o
comparativo da perda causada pela vegetação predita por cada modelo, e o desvio absoluto
-
30
em relação ao valor medido para a profundidade de vegetação de quatro metros e noventa
cent́ımetros (4,90 m).
Modelo Perda Prevista(dB) Perda Média Medido(dB) Erro médio absoluto(dB)
ITU-R 9.1 17.41 8.31
FITU-R 24.02 17.41 6.61
COST-235 21.64 17.41 4.23
Weisberger 7.16 17.41 10.25
Curva Ajustada 19.42 17.41 2.01
Tabela 5.3: Erro médio para cada modelo
Utilizando os dados de acordo com a figura 5.1 e a tabela 5.3, pode ser observado
que os modelos Weissberger e ITU-R, apresentam valores bem abaixo dos dados medidos.
Isto está relacionado ao fato destes modelos apresentarem a faixa de aplicação de frequên-
cias em até 95 GHz, mas ter seus parâmetros emṕıricos definidos através de medições
realizadas na banda UHF, mais particularmente de 400-700 MHz.
O modelo COST-235 foi o que mais se aproximou dos valores medidos, isso se
explica pois as medições utilizados para definição dos parâmetros emṕıricos deste modelo
foram feitas em uma faixa de frequência que se aproxima da utilizada neste trabalho. [7].
A curva de cor preta com marcadores em formato de triângulos na figura 5.1, re-
presenta a curva com os parâmetros ajustados utilizando as medições realizadas neste
trabalho. Da figura 5.1, é posśıvel observar um resultado muito próximo ao valor medido
neste ponto, isto não é uma surpresa por se tratar de um modelo ajustado exatamente
nessas condições de ambiente, porém, mesmo com essas condições, o valor obtido se apro-
ximou bastante do modelo COST-235.
5.2 Antena Transmissora posicionada na mesma al-
tura
Neste tópico, a antena transmissora e receptora estão posicionadas na mesma altura
(ńıvel do solo), com a sua linha de visada obstrúıda pela vegetação.
-
31
Assim como no ambiente anterior, utilizamos a comparação entre a potência rece-
bida com a obstrução da vegetação e com visada direta, a fim de obter a perda aproximada
ocasionada pela vegetação. Cada medida é uma média temporal na localidade utilizada
assim como no item anterior.
Segue na tabela 5.4 a relação da potência recebida com e sem obstrução da vege-
tação:
Obstrução da vegetação Potência Recebida(dB)
Não -33,52
Sim -54,94
Tabela 5.4: Potência recebida Espaço livre X Obstáculo
A partir da tabela 5.4, temos que a perda obtida foi de 21,42 dB, esta perda
é maior se comparada a encontrada no item anterior, o que é explicado pelo fato da
árvore apresentar uma maior densidade de folhas, diferente da densidade média de folhas
da árvore utilizada no ambiente anterior, bem como as folhas desta árvore possúırem
menores dimensões, aumentando assim a absorção através de múltiplas reflexões.
Assim como realizado no ı́tem anterior, comparamos nossas medidas com os quatro
modelos que foram utilizados ao longo do trabalho além da curva ajustada. Vale ressaltar
que os parâmetros da curva ajustada são os mesmos do item anterior pois o ajuste foi
realizado utilizando o conjunto destas medições como dito anteriormente.
O gráfico que contém essas informações é dado na figura 5.2. Foi utilizado a escala
logaŕıtmica para o eixo x (profundidade da vegetação (m)) e para o eixo y o valor da
atenuação causa pela vegetação em dB.
Na tabela 5.5 é apresentado os valores dos parâmetros de cada modelo e da curva
ajustada:
-
32
Distância(m) Profundidade da vegetação(m) Modelo Parâmetros
6.0 4.1 ITU-R A=0.2 | b=0.3 | c=0.6
6.0 4.1 FITU-R A=0.39 | b=0.39 | c=0.25
6.0 4.1 COST-235 A=15.6 | b=-0.02 | c=0.5
6.0 4.1 Weisberger A=0.45 | b=0.284 | c=0.588
6.0 4.1 Fiting Curve A=0.3993 | b=0.2967 | c=0.73
Tabela 5.5: Parâmetros de cada modelo de predição
Após isto, assim como na primeira medição, comparamos com as curvas dos mo-
delos existem de predição para perda em espaços vegetados. Estas informações estão
presentes na figura 5.2. Foi utilizada a escala logaŕıtmica para o eixo x (profundidade da
vegetação (m)) e valor atenuação em dB. A tabela 5.6 faz o comparativo entre a perda
prevista por cada modelo e a perda média medida.
Figura 5.2: Perda causada pela vegetação
-
33
Modelo Perda Prevista(dB) Perda Média medida(dB) Erro médio absoluto(dB)
ITU-R 8.18 22.73 14.33
FITU-R 22.98 22.73 0.25
COST-235 20.67 22.73 2.06
Weisberger 6.45 22.73 16.28
Curva Ajustada 18.53 22.73 4.2
Tabela 5.6: Erro médio para cada modelo
Utilizando os dados de acordo com o gráfico 5.2 e a tabela 5.6, conclui-se que
os modelos Weissberger e ITU-R se mantém distantes dos dados medidos, apresentando
valores subestimados quando comparados aos valores medidos.
Neste cenário, o modelo que mais se aproximou do dados medidos foi o modelo
FITU-R com o menor erro médio absoluto. Da mesma forma, o modelo COST-235 tam-
bém apresentou bom ajuste, porém, para definir o melhor modelo, é necessário a realização
de mais medições.
De maneira geral, os modelos FITU-R e COST-235 se comportam de maneira
similar para esta frequência e ambiente. Sendo o modelo COST-235 o que se adaptou
melhor quando utilizado uma árvore de folhagem com densidade média e o FITU-R com
uma árvore de folhagem com densidade alta.
Os modelos Weisberger e ITU-R se apresentaram bem distantes de nossas medidas,
não sendo adequados para frequências altas como 14 GHz ou árvores com folhagem de
maior densidade, pois estes modelos foram elaborados principalmente em vegetações de
folhagem com baixa densidade.
5.3 Atenuação com a distância
Nesta etapa, o objetivo da análise é verificar o comportamento do sinal em relação
ao deslocamento entre o transmissor e receptor na frequência central de 14 GHz.
Para o ajusto do modelo log-distance foi utilizado o software MATLAB.
A figura 5.3, apresenta o valor da perda no percurso ao longo desta medição. Sendo
o eixo x a distância em metros e o eixo y a perda no percurso em dB.
É posśıvel observar, que apesar de ter sido utilizado um enlace sem qualquer tipo
-
34
Figura 5.3: Perda no percurso 3o ambiente
de obstrução (visada direta), o gráfico 5.3 apresenta alguns picos e vales acentuados, sendo
estes, componentes de multipercurso ao longo da medição.
Para este ambiente, os valores obtidos serão ajustados utilizando como referência
o log-distance, descrito anteriormente no caṕıtulo 3.
A equação do modelo log-distance, como foi apresentada no capitulo 3 é dada da
forma:
PL(d) = PL(d0)− 10nlog10(d/d0) (5.1)
Onde PL(d0) representa a perda em uma distância de referência d0, n sendo o
coeficiente de perda de um ambiente espećıfico.
Sendo PL(d0) calculado a partir da equação de Friss na distância de referência de
cinco metros (5,0 m).
Utilizamos os dados das medições para realizar o ajuste do modelo e determinar
o valor de n experimental. Os valores encontrados neste ajuste estão descritos na tabela
5.7:
Portanto, a equação com os valores obtidos através dos ajustes é dada da seguinte
maneira:
-
35
PL(d0) n Desvio Padrão
69 1.87 4.709
Tabela 5.7: Parâmetros Modelo Log-Distance
PL(d) = 69− 10 · 1, 87 · log10(d/d0) (5.2)
A figura 5.4, apresenta a comparação entre o gráfico anterior da perda no percurso
com a curva ajustada do modelos log-distance, de acordo com os parâmetros encontrados.
-
36
Figura 5.4: Curva Ajustada Log-Normal
Comparando com a tabela 3.1, é posśıvel observar que o valor encontrado está
abaixo do valor utilizado para espaço livre (n=2), com isto, podemos concluir que os
multipercusos presentes ao longo da medição, apresentaram interferências construtivas
em nosso sinal, aumento assim a potência recebida ao longo deste trecho.
Para verificar a distribuição das amplitudes do sinal, realizamos um ajuste da
medição por uma distribuição normal, a fim de identificar se os valores que foram medidos
se adéquam a este tipo de distribuição.
Segue, na figura 5.5, o resultado obtido:
-
37
Figura 5.5: Distribuição Log-Normal
Na figura 5.5, é posśıvel observar que os componentes medidos se comportam bem
próximo de uma distribuição do tipo normal, comprovando que as componentes que apre-
sentam maior intensidade estão próximas ao centro da distribuição.
Este resultado é esperado para medições em espaço livre, onde as componentes
mais significativas são as componentes dos raios diretos.
-
Caṕıtulo 6
Conclusão
Este trabalho teve como objetivo, o estudo do comportamento do sinal e juste dos
principais modelos de predição existentes que atuam na frequência de 14GHz, em ambien-
tes outdoor, especialmente ambientes obstrúıdos por vegetação. Essa faixa de frequência
vem sendo intensamente estudada para posśıvel solução na tecnologia 5G, atender a rápida
expansão das redes móveis, principalmente voltada à telefonia celular. Para efetuar esta
análise, foram escolhidos ambientes externos que se adequavam aos estudos existentes
sobre a atenuação do sinal causada por vegetações, e também para a análise do com-
portamento de um sinal de frequência de 14 GHz em diferentes distâncias em ambiente
outdoor.
Os modelos de predição ajustados aos dados (ITU-R, FITU-R, Weisberger, e
COST-231) vêm sendo amplamente usados em estudos acadêmicos relacionados a este
tipo de perda. Da análise, foi observado que os modelos que apresentaram comportamento
próximo dos valores medidos foram os modelos que tiveram seus parâmetros definidos de
acordo com medições em faixas de frequências mais próximas a 14 GHz, entre eles os
modelos o FITU-R e o COST-231. Os modelos Weisberger e ITU-R apresentaram perdas
subestimadas se comparados aos valores medidos para esta frequência, possivelmente pelo
fato de seus parâmetros terem sido definidos em frequências na faixa UHF, na faixa de
MHz.
A curva ajustada para a análise da perda através da vegetação, se mostrou similar
aos demais modelos, principalmente se comparado aos modelos FITU-R e COST-235. A
atenuação ocasionada pela vegetação é considerável, principalmente em 14 Ghz, onde a
morfologia da vegetação, sua densidade de folhagem e tamanho das folhas é importante
-
39
para o dimensionamento de enlaces de radiocomunicação.
No terceiro ambiente de medição, buscou-se caracterizar a perda devido à distân-
cia. Nesta análise, foi posśıvel observar que as componentes de multipercurso tiveram
impacto relevante no ajuste realizado com o modelo log-distance. O coeficiente de ate-
nuação (n) encontrado, apresentou valor abaixo da referência para o espaço livre, o que
indica que estas componentes seriam interferências construtivas ao longo das medições. A
distribuição normal se comportou próximo ao esperado para este ambiente, uma vez que
as componentes de maior intensidade, são provenientes de raios diretos.
Com estas considerações o objetivo deste trabalho foi alcançado, e as análises foram
realizadas possibilitando transmitir maior conhecimento sobre os efeitos que ambientes
com vegetação podem causar em um canal de radiocomunicação na frequência de 14
GHz.
Recomenda-se para trabalhos futuros, uma análise com um número maior de es-
pécie de vegetações e de amostras de medidas, para que seja posśıvel assim analisar, com
maior precisão, os modelos de predição dispońıveis. É considerado também, a utilização
de outros tipo de antenas (por exemplo, antenas omnidirecionais), a fim de analisar outros
tipo de efeitos como a reflexão no solo.
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ResumoAbstractAgradecimentosLista de FigurasLista de TabelasIntroduçãoCaracterísticas de propagaçãoOndas de RádioMecanismos de propagaçãoReflexãoDifraçãoEspalhamento
Características do canal de radio propagaçãoDesvanecimento
Frequência de 14 GHz
Modelos de propagaçãoModelo de perda no espaço livre (Free Space Loss)Modelo Log-DistanceModelos de propagação em espaço vegetadosModelos Weissberger Modelos ITU-R (Early ITU)Modelos Fitted ITU-R (FITU-R)Modelo COST 235
Setup e ambientes de mediçõesInfluência da VegetaçãoCobertura simulando uma pico célulaAntena Transmissora e receptora na mesma altura
Decaimento com a distânciaDescrição dos equipamentos utilizadosSetup de transmissãoSetup de Recepção
ResultadosAmbiente pico celularAntena Transmissora posicionada na mesma alturaAtenuação com a distância
Conclusão