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 CAP IV - PLANEJAMENTO DE SISTEMAS

 I – Introdução:

 Os sistemas WLL e LMDS são baseados em acesso sem fio,  e suas características permitem que seja usado como base de planejamento critérios similares aos sistemas celulares. De fato somente algumas diferenças existem entre estes sistemas e os celulares em sua grande parte atuam simplificando a análise.

Essas diferenças ficam por conta destes novos sistemas serem fixos, eliminando assim as características de tráfego dinâmico[1] e alguns efeitos de propagação (que estão associados ao movimento do receptor), também chama-se a atenção pelo fato deste sistemas ser fixo no processo de implantação deste pode-se buscar localmente uma região de melhor nível de recepção (podendo até se ter uma condição de visibilidade direta) acentuando assim o desempenho com relação ao sistema celular, pois este não possui esta facilidade, pelo contrário a mobilidade do receptor só acarreta complicações devido a variação constante da condição de propagação deste. 

II – Etapas do Projeto:

 O projeto em si consiste em duas grandes etapas que estão intimamente interligadas e que por sua vez possuem uma série de sub-rotinas, as etapas são respectivamente: o Link Budget e o Planejamento de Freqüências. O primeiro visa determinar a área de cobertura máxima de uma célula levando em conta todos os efeitos de propagação e condições que devem ser atendidas para um bom desempenho (em ambos os “lados” uplink e downlink). O segundo grande bloco determina qual é a configuração de reuso de freqüências que será implementado, este tem o caráter básico de obedecer a dois critérios de desempenho: C/I max[2] e tráfego atendido.

Descreve-se agora as rotinas ligadas a esses procedimentos: 

A – Levantamento de Informação:

Antes de se iniciar as etapas de dimensionamento propriamente ditas deve-se levantar parâmetros e especificações iniciais que o projeto deverá atender. Estas especificações são levantadas por diversas áreas da empresa e cabe ao engenheiro de RF utiliza-las. Abaixo lista-se as especificações básicas do projeto: 

·         Área de cobertura   ---> Deve-se saber a área total em que o sistema deve ser implementado.

·         Número de usuários   ---> Defini-se com isso um tráfego inicial a ser atendido

·         Parâmetros de qualidade   ---> GOES, BER₀ (sendo o primeiro um parâmetro de desempenho de tráfego e o segundo de nível de sinal recebido)

·         Tipo de Cobertura a ser Atendido   ---> Mais usuado em caso de projetos celular onde se deseja garantir cobertura: indoor e incar  

B – Link Budget e Cálculo do Raio Máximo

 Levantados os parâmetros iniciais pode-se começar as etapas de projeto começando com o link budget. Como foi falado existem diversas subrortnas a serem feitas: 

B-I- Determinação do Limiar de Recepção e Degradação por Interferências: 

I) Determinação do Limiar: 

Devido a existência do ruído branco (ruído térmico) tem-se um limiar no sinal de recebido tal que a taxa de erro de bits (BER ou TEB)[3] atinja um nível considerado inaceitável (tem-se no capítulo 3 um gráfico que relaciona o C/N com BER). Tendo em mãos a relação sinal ruído máxima pode-se determinar o valor mínimo da potência recebida (partindo-se do princípio que se conhece os parâmetros do equipamento que são necessários para o cálculo do ruído térmico), esse valor de recepção encontrado é o valor do limiar de recepção. O conhecimento deste limiar é vital pois limita o raio de cobertura que tem uma determinada qualidade de serviço.

Denote que este limiar aqui só leva em consideração a existência de uma fonte de ruído originado no próprio sistema de recepção, de fato existem outras fontes de ruído que irão degradar ainda mais este limiar, estes serão vistos adiante no ítem degradação do limiar

Cálculo do Ruído: 

Utilizando-se as equações do capítulo três tem-se: 

N = KT_eB  

Onde respectivamente:

K   ---> Constante de Boltzman

T_{e  ---->} Temperatura equivalente do Receptor

B   ---> Banda (MHz) 

Sendo: 

RPRT = C/N = P_rnom/N 

Tem-se: 

RPRT (dB) = P_Rnom – F – 10Log B(MHz) -114 

                                     Ou

RPRT (dB)  = E_b/N₀+10Log(log₂M) 

Pode-se obter da equação acima o valor da nível nominal de recepção em funcão do RPRT desejado tem-se: 

P_Rnom = RPRT (dB) + F + 10Log B(MHz) +114   

Para melhorar o desempenho do sistema com relação ao ruído térmico utiliza-se um equipamento especial de alto ganho e figura de ruído baixa, este equipamento chama-se: LNA (Low Noise Amplyfier). Com isso consegue-se um ganho que pode ser calculado como: 

G_LNA = F_{s/LNA –} F_c/LNA 

O cálculo da figura de ruído (F) com LNA é simples.                                

Denota-se que a redução da figura de ruído acarreta em um ganho para o limiar pois reduz o ruído gerado no receptor, melhorando assim sua sensibilidade. 

II) Degradação do Limiar: 

Após determinado o limiar de recepção inferior tem-se correções deste que incluem componentes interferentes e atenuações adicionais devido ao tipo de cobertura requerida (sendo este último só necessário em sistemas celulares, aqui este será apresentado em caráter informativo). Tem-se: 

·         Degradação por Interferências:

Onde:

a= DD/D sendo D a distância entre os grupos canais repetidos e DD a variação da distância provocada pela relocação da célula.

                               Onde h_b= altura da antena.

 Note que g tem  essa dependência funcional no modelo de Hata tem-se que:

No caso de se utilizar o modelo geral proposto (para freqüências de WLL) define-se gama como sendo: 

Onde K₅ é uma constante que pode ser determinada experimentalmente com medidas de campo (como será descrito além).

A relação C/I tem uma forte dependência do meio e da geometria do enlace abaixo tem-se um gráfico que mostra  a dependência com a altura da antena: 

Essa degradação no limiar acarreta em uma redução da área de cobertura de cada célula, com isso tem-se um aumento do número de estações necessárias para atender a área total de cobertura.

Denota-se ainda o efeito da setorização no degradação do limiar, com a utilização da setorização o número de células co-canais interferentes se reduz fazendo com que esta degradação seja reduzida, em geral o ganho conseguido com a utilização de setorizações de 120° e 60° esta entre 5 dB e 8dB. 

·         Degradação do Limiar devido ao Tipo de Cobertura: 

Existem locais que causam uma atenuação adicional do sinal devido a necessidade da penetração deste em meios físicos. Tais lugares são carros e prédios. Abaixo tem-se as atenuações médias para cada caso como estes valores são aleatórios, quando sua utilização é necessária, deve-se levar em consideração suas variâncias no cálculo da margem do sistema. 

 OBS: Em geral o desvio padrão para cobertura outdoor é de 8 dB 

B-II-  Determinação da Margem do Sistema: 

A determinação da margem do sistema é de fundamental importância para se garantir o desempenho desejado quanto a requisitos de qualidade e indisponibilidade, este é necessário devido ao fato do comportamento aleatório do meio físico de propagação, sendo assim o bom levantamento destas fontes é fundamental.

Dependendo do tipo de enlace e serviço a ser tratado tem-se fenômenos que são mais relevantes e outros que podem ser desprezados, estes já foram descritos no capítulo 3 e sendo tratados: 

I- Sistema WLL: 

Neste sistema como foi dito predomina os efeitos da variação do fator K (alterando assim o grau de atenuação por difração) e efeitos de IIS, mesmo sendo este sistema um sistema de baixa freqüência o local de sua implementação (cidades) determina um efeito de multipercurso muito acentuado (retardo médio alto).  Note também que o fenômeno e efeitos da interferência intersimbólica não são função da margem, contudo a sua presença afeta  o valor da margem que o sistema deve ter, uma vez que esta também é fonte de degradação tem-se então que: 

 Pelo fato do sistema ser fixo e a liberdade de utilização de antenas diretivas associados a equalização fazem com que os efeitos da interferência intersimbólica neste sistema sejam bem inferiores ao sistema celular contudo, a sua consideração pode ser levada em consideração quando deseja-se obter um dimensionamento mais seguro.

Como este sistema é novo ainda não foram definidos os valores para predição do desempenho deste sistema

II- Sistema LMDS:

 O cálculo da margem mínima do sistema LMDS é tratado diretamente no cálculo de obtenção do raio máximo uma vez que a única fonte relevante (vide capítulo três) de desvanecimento do sinal é a atenuação por chuva.

Como foi visto existência da interferência intersimbólica independe do valor da margem contudo,  a sua existência forçará a margem a ser aumentada, para haver uma compensação, de tal modo que o desempenho final do sistema (que é avaliado sob ambos efeitos) se mantenha dentro dos padrões. Com isso tem-se: 

Claramente nota-se que deve existir um aumento na margem para compensar o efeito da interferência intersimbólica, com isso a parcela da taxa de erro devido a margem é reduzida para que o desempenho final se mantenha dentro dos padrões

Pode-se desprezar os efeitos da IIS se forem tomadas algumas medidas de melhoria desempenho tais como:

·  Uso da equalização e diversidade

·  Uso de antenas diretivas na recepção (reduz o número de possibilidades de multipercursos, reduzindo assim o retardo médio).

·  Pode-se também avaliar o efeito de IIS através da banda de coerência descrito no capítulo 3 

Sendo assim o cálculo do raio máximo pode ser feito só levando-se em conta os efeitos da atenuação por chuva. Obviamente a análise da interferência intersimbólica deixa o sistema menos sensível 

III- Coberturas Especiais: 

No caso do sistema necessitar coberturas especiais (indoor e incar) deve-se levar isso em conta no cálculo da margem. 

 O parâmetro CAP determina a área de cobertura que atenderá as especificações dado que existe uma margem M_f. Pode-se então determinar uma margem para atender a um CAP pré-determinado.

 B-III- Link Budget:

O balanceamento do enlace consiste na determinação da perda máxima de propagação que o sistema pode ter de modo que atenda os requisitos do projeto em ambas as direções de comunicação

Denote que o link budget  trata apenas do caráter físico do meio, ou seja, apenas se modela perdas na propagação. A capacidade de tráfego é tratado na parte de planejamento de freqüências.

Todo o tratamento de cobertura é majorado, ou seja, faz-se a análise para o raio máximo e parte-se do princípio que para R £ R_max atende os critérios de desempenho. Já com o desenvolvimento de softwares especializados tornou-se viável o cálculo numérico de toda a área de cobertura, otimizando-se assim a análise dos sistemas, exemplos de softwares serão descritos no capítulo 5

Abaixo tem-se exemplos (cedidos pela ATL) de balanceamentos de enlaces celulares[4], sendo o primeiro sem o ganho do LNA e o segundo com o ganho: 

    Exemplo 1 – Balanceamento sem LNA

Exemplo 2 – Balanceamento com LNA

B.IV- Cálculo do Raio Máximo:

 Uma vez tendo-se o valor da perda máxima de propagação que se pode ter para isso deve-se utilizar o modelo apropriado para cada sistema, aqui se encontra a diferença fundamental entre os sistemas pois cada um possui peculiaridades com relação a perdas e efeitos de propagação.  

I- Sistema WLL:

 Como este sistema é relativamente novo não existe ainda um modelo próprio para este, sendo então utilizado um modelo de propagação genérico para esta faixa de freqüência, contudo deve-se ressaltar que ao se utilizar este modelo está se fazendo uma análise pessimista devido ao fato deste sistema ser fixo tem-se a liberdade de ajustar a antena receptora em um local com melhores condições de recepção (podendo até se forçar uma condição de visibilidade direta, mudando drasticamente o modelo excluindo a parte de perdas por difração), essa escolha do local ótimo de implantação vem da experiência do engenheiro que está implantando o sistema Esse tipo de liberdade não existe no sistema celular. Ressalta-se novamente a intensa redução dos efeitos de multipercurso neste sistema devido ao fato de ser fixo (vide capítulo 3).

Irá ser proposto dois modos de calcular o nível de potência nominal do enlace. O primeiro consiste em se utilizar um modelo ponto área e o segundo basicamente utiliza-se método de cálculos ponto-a-ponto. Logo após a apresentação destes dois métodos descreve-se um protocolo para obter-se o percentual de cobertura da célula (que está estreitamente correlacionado com o grau de indisponibilidade de cobertura), para este sistema é ideal que a cobertura radielétrica esteja próximo dos 100%

Abaixo tem-se o modelo utilizado no cálculo com seus diversos parâmetros, note que estes podem ser ajustados, para isso devem ser feitos testes de campo para a obtenção de valores experimentais que devem ser comparados com os resultados dos obtidos pelo modelo, fazendo assim os ajustes necessários neste. 

Modelo Geral:

 Este modelo pode ser visto como um modelo de Hata modificado, tendo-se maior liberdade para se modelar as constantes de acordo com as necessidades do projetista.

Onde:

K_{1   --->} Constante de interceptação do slope (padrão = 12,1)

K_{2  --->} Inclinação (padrão 44,9)

K_{3  --->} Compensação de ganho da altura da antena (padrão 5,83)

K_{4  --->} Compensação por perda na difração (padrão –0,4)

K_{5  --->} Fator de correção de Okumura Hata para distância e altura da antena (padrão 6,55)

K_{6  --->} Compensação da altura da antena (padrão 0)

Dif  ---> Perda na difração ao longo de um caminho obstruído 

Abaixo tem-se um gráfico que mostra a variação da inclinação (slope) da perda de propagação com a variação do parâmetro K₅:

 Protocolo para Obtenção da Cobertura Radioelétrica (COB): 

·         Após determinar o nível nominal de recepção determina-se a margem bruta do enlace

·         Através da análise de degradação por interferências obtém-se a margem líquida

·         Determina-se a variância do nível de recepção através da relação entre o valor de K_MAX e K_MIN

·         Determina-se então a COB com a equação descrita nas variações lentas com a seguinte correção:

COB = 100 – P[D³M_L] 

           Modelo Walfish- Ikegami:

 Caso tenha-se uma descrição detalhada do terreno e de sua morfologia, pode-se utilizar o modelo de Walfish- Ikegami, que se encontra descrito no capítulo 3.  

II- Sistema LMDS: 

Este sistema pelo fato de operar em altíssimas freqüências tem em suas análises que ser levado em consideração efeitos dos gases atmosféricos e da atenuação por chuvas, que por sua vez provocam grande atenuação nos níveis de recepção do sinal (consistindo em uma fonte de desvanecimento) este efeito de chuvas nesta freqüência é o principal fator limitante no raio da célula e na sua indisponibilidade. Sendo assim o procedimento padrão é:

 ·         Dado um grau de indisponibilidade[5] máximo que o sistema pode suportar determina-se a margem necessária (o processo se encontra descrito detalhadamente no capítulo 3, em desvanecimentos por  chuvas).

·         Com base no limiar (previamente calculado), pode-se então chegar ao nível de recepção mínimo que atenda o requisito referente a disponibilidade.

·         Utiliza-se então a equação de perda por propagação para determinar o raio máximo da célula. 

Descreve-se abaixo os métodos utilizados para o cálculo da margem do sistema e do raio máximo

Denote que este cálculo apenas se analisa o efeito das chuvas, tem-se contudo que analisar o efeito das interferências intersimbólicas no desempenho do sistema, este fará com que o raio da célula reduza ainda mais, uma vez que deverá de ser aumentada a margem calculada para compensar a presença desta outra fonte de degradação.

 Repare que o IIS independe da margem contudo sua existência afeta o valor desta pelo fato de também degradar o desempenho do enlace.

Como foi falado na seção B-II-B o aumento necessário na margem é: 

Contudo como foi falado também a utilização das tecnicas descritas torna o efeito do IIS desprezível fazendo então DM   --->0

A- Cálculo da Margem: 

Como foi dito no capítulo 3 basicamente a única fonte de desvanecimento da potência do sinal recebido vem da atenuação por chuvas sendo assim deve ser encontrada uma margem que garanta o desempenho requerido 

Caso I: Sistema sem hierarquização: 

Neste caso como não existe hierarquização a única fonte de indisponibilidade é o link da célula com o receptor final, com isso tem-se:

Onde: 

A_{0,01  --->}Atenuação por chuva excedida em 0,01% do ano

M_{L  --->}Margem líquida (em dB).

R_{0,01  --->} É a taxa de precipitação excedida em apenas 0,01% do ano 

    onde:      

Caso II: Sistema com hierarquização: 

Alguns sistemas LMDS utilizam o processo de Hierarquização, este processo consiste em ter algumas estações radio base recebendo sinal não do satélite e sim de outras estações, caracterizando uma hierarquia. Sendo assim pode-se dizer que uma célula filha é aquela que recebe sinal de uma célula vinculada ao satélite, sendo assim sua indisponibilidade passa a estar condicionada também a indisponibilidade do link da célula mãe com a filha. Isso causará então uma redução no raio da célula filha pois o critério de indisponibilidade para a célula é avaliado em cima da probabilidade total de indisponibilidade sendo assim: 

Tendo-se o valor da probabilidade total máxima de indisponibilidade da célula filha  e a probabilidade de indisponibilidade da célula mãe, pode-se determinar a margem mínima e conseqüentemente o raio máximo da célula filha. Olhando a equação acima detalhadamente  obtém-se algumas importantes conclusões: 

·         A medida que a distância entre a célula mãe e filha cresce maior a probabilidade de indisponibilidade, isso faz com que a Segunda parcela (indisp. Filha) seja reduzida conseqüentemente reduzindo o raio máximo da célula filha.

·         Existe um raio máximo entre a célula mãe e filha sendo a partir desse o raio da célula filha tende a zero. Isso se dá quando a probabilidade de indisponibilidade do link mãe-filha já é igual ou superior a probabilidade de indisponibilidade total, isso acarretará no fato de que o link filha receptor nunca poderá estar indisponível, contudo isso só é possível quando a margem do sistema vai a infinito, ou seja, na prática tem-se raio de cobertura zero. 

Tem-se abaixo o procedimento de cálculo do raio máximo da célula filha: 

O procedimento de cálculo para a Segunda parcela da equação é análogo ao primeiro caso, tem-se contudo que obter a probabilidade de indisponibilidade do link mãe filha para isso segue-se o seguinte protocolo: 

·         Tendo-se o raio entre a célula mãe e filha pode-se calcular a perda por propagação e a referente margem do link mãe-filha.

·         Com a margem pode-se então calcular a probabilidade de indisponibilidade do  enlace, para isso deve-se utilizar a equação de perda por propagação que será descrita a seguir

·         Para tais cálculos utiliza-se também as equações descritas  no primeiro caso.  

A- Cálculo da perda por propagação: 

Nestas freqüências os gases atmosféricos tem um papel relevante e são fonte de atenuação do sinal propagado, abaixo tem-se o modelo utilizado: 

Tem-se a atenuação específica dos gases predominantes atmosféricos multiplicado pela distância do enlace

   [dB]

 Tem-se a equação por perda de propagação: 

P_R0 (dBm) = P_T(dBm) + G_T + G_R – 20 Log d (Km) –20 Log f (GHz) – 92,4 -A_GAS

 Tendo-se determinado o nível mínimo de P_R pode-se determinar o raio máximo do enlace com isso

 Tem-se abaixo os gráficos das atenuações específicas dos gases atmosféricos:

D- Plano de Freqüência: 

Tendo-se determinado o raio máximo que cada célula pode ter  atendendo os requisitos de desempenho, pode-se partir para a Segunda grande etapa no projeto do sistema que é a escolha do plano de freqüência.

Como foi dito o padrão de reuso é escolhido  com base no compromisso entre a capacidade e o nível de interferências, este é  de fundamental importância uma vez que este influi na limiar de recepção e conseqüentemente na área de cobertura. 

C/I x Capacidade de Tráfego: 

O primeiro passo é obter o dimensionamento do número de canais que cada célula deverá possuir pois dado um tráfego a ser atendido e o número de canais disponíveis tem-se uma taxa de bloqueio ou grau de serviço (GOS), este é um parâmetro de desempenho de tráfego, sendo que este deve Ttr um valor inferior ao estipulado no projeto. Este elemento de dimensionamento foi amplamente discutido no primeiro capítulo.

Tem-se então: 

Os cálculos da relação C/I foram mostrados no capítulo IV-II denote que o número de canais disponível é função da freqüência de reuso, sendo que este tem um valor limite, que fornece um patamar superior a capacidade do sistema. Abaixo tem-se um gráfico que mostra a relação e a capacidade de tráfego

Note também que o valor de C/I tem uma forte dependência com a configuração de reuso e ao meio, com isso em áreas urbanas com um fator de atenuação maior obtém-se valores menores de interferências fazendo-se com que possa se utilizar um menor fator de reuso oferecendo assim maior capacidade de tráfego

Tem-se abaixo um gráfico que mostra o valor de C/I com diferentes fatores de reuso e meios de propagação 

Também mostra-se as melhores configurações de reuso utilizadas em cada ambiente:

 III- Conclusão:

Neste capítulo foi mostrado os elementos de análise de predição do nível de recepção nominal do sistema e indisponibilidade, sendo ressaltado que toda a análise está vinculada ao fator de interferência que por sua vez depende do plano de freqüência utilizado, onde cada plano tem capacidade de atender uma determinada demanda de tráfego inicial, logicamente a medida que há uma necessidade de tráfego em certas regiões utilizam-se as técnicas descritas no capítulo I para subdividir as células e redistribuir o tráfego