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INTRODUÇÃO ÀS COMUNICAÇÕES MÓVEIS (2) |
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Autor: Dayani Adionel Guimarães |
A resposta ao impulso de um canal de rádio móvel terrestre pode ser descrita pela expressão (2) e visualizada através da Figura 1.
Figura 1
– Ilustração da resposta ao impulso de um canal de rádio móvel terrestre
para vários instantes de observação
Em (2) L é o número de percursos causados pelo canal, tl(t)
é o atraso de propagação do l-ésimo
percurso, no instante t e gl
é uma variável aleatória complexa de média nula, cuja envoltória segue uma
distribuição de Rayleigh [13]. A função densidade de probabilidade de
Rayleigh tem o aspecto ilustrado pela Figura 2 e normalmente caracteriza o
desvaneimento percebido em uma comunicação móvel onde não há predominância
de visada direta entre a antena transmissora e a receptora.. Esse desvanecimento
indica que existe uma maior probabilidade da amplitude da envoltória do sinal
recebido estar abaixo de um valor médio, de acordo com a interpretação da
função densidade de probabilidade de Rayleigh da Figura 2.
Figura 2
– Ilustração da função densidade de probabilidade Rayleigh (de Feher,
1995, p. 448)
Para se avaliar um
sistema de comunicação digital em um canal de rádio móvel terrestre, ou
mesmo para que seja projetado um outro sistema, faz-se necessária a
utilização de parâmetros que forneçam o maior número de informações
acerca das características e do comportamento do canal. Uma breve síntese
desses parâmetros é abordada a seguir [5].
Quando um sinal é
transmitido em um canal de rádio móvel terrestre, no receptor tem-se réplicas
desse sinal oriundas de vários multipercursos. O resultado é um espalhamento
temporal do sinal, espalhamento este que pode ser quantificado (valor médio, rms
ou máximo) através do Perfil de Intensidade de Potência, mais conhecido como
MIP (Multipath Intensity Profile) e de onde se obtém o Espalhamento por
Atraso entre Multipercursos (Multipath
Delay Spread) ou simplesmente Espalhamento Temporal. O MIP fornece o
comportamento da energia recebida durante um intervalo de tempo correspondente
ao máximo espalhamento do sinal recebido causado pelos multipercursos do sinal
transmitido.
Sempre que existe
espalhamento temporal pode haver a alteração de amplitude das várias
componentes do espectro do sinal transmitido. Esta alteração poderá ocorrer
de maneira uniforme em toda faixa de freqüências do sinal, configurando o
chamado Desvanecimento Plano, ou poderá afetar somente uma determinada faixa de
freqüências, configurando o que é conhecido como Desvanecimento Seletivo ou
Canal Seletivo em Freqüência. A possibilidade de ocorrência de desvanecimento
plano ou seletivo pode ser determinada pela Largura de Faixa de Coerência do
canal. Este parâmetro fornece uma medida estatística da faixa de freqüências
em que o canal pode ser considerado plano ou, de forma análoga, é a faixa de
freqüências dentro da qual as componentes espectrais do sinal recebido possuem
grande correlação de amplitude. A Largura de Faixa de Coerência é
inversamente proporcional ao Espalhamento Temporal do canal e o seu valor exato
depende da definição de um valor para a correlação entre as amplitudes das
componentes espectrais, não existindo, portanto, uma fronteira nítida que
separe um canal seletivo daquele que possa ser considerado plano.
O espalhamento temporal leva à possibilidade de ocorrência de desvanecimento seletivo e, nessa situação, em sistemas digitais, pode ocorrer o que é conhecido como Interferência Intersimbólica. Essa interferência é a sobreposição temporal de símbolos vizinhos recebidos na “saída” do canal no momento de decisão dos bits e leva à necessidade de redução da taxa de transmissão através desse canal ou à implementação de técnicas que minimizem os seus efeitos.
Em um canal de
rádio móvel pode ocorrer o movimento relativo entre transmissor e receptor
e/ou os objetos que circundam o transmissor e o receptor estão em movimento. Em
qualquer dos dois casos há variação nos caminhos tomados pelo sinal que
trafega do transmissor ao receptor. Essa variação faz com que o sinal recebido
apresente uma correspondente variação de fase cuja taxa pode ser vista como
uma variação de freqüência do sinal recebido em cada multipercurso, formando
o já citado Espalhamento Doppler ou Espectro Doppler. Dessa característica
pode-se retirar um parâmetro que informe a variabilidade temporal do canal. Tal
parâmetro é denominado Tempo de Coerência é uma medida estatística do
intervalo de tempo durante o qual a resposta ao impulso do canal pode ser
considerada como invariante ou, de maneira análoga, é o intervalo de tempo
dentro do qual os sinais recebidos possuem grande correlação de amplitude. O
Tempo de Coerência é inversamente proporcional ao Espalhamento Doppler e, de
maneira análoga à anterior, não fornece uma fronteira nítida entre um canal
que varia rapidamente, configurando um Desvanecimento Rápido, e aquele que
varia lentamente, configurando um Desvanecimento Lento. Na prática assume-se
que um canal pode ser considerado lento se suas características não se alteram
entre dois intervalos de sinalização consecutivos do sinal transmitido
[13].
É importante citar
que os parâmetros do canal podem ser separados em parâmetros de dispersão
temporal e parâmetros de variação temporal. São efeitos independentes,
ligados a comportamentos distintos do canal.
Outra
característica importante do canal de rádio móvel terrestre está relacionada
à atenuação média do sinal em função da distância entre transmissor e
receptor. Uma propagação no espaço livre segue a conhecida lei quadrática de
variação da potência recebida com a distância, ou seja
onde n = 2, Prm(d)
é a potência média recebida a uma distância d
qualquer da antena transmissora e Prm(d0)
é a potência média recebida a uma distância de referência d0,
distância essa igual ou superior à distância de Fraunhoffer – ponto fora da
região de campo próximo da antena transmissora [14].
No canal de rádio
móvel terrestre o expoente de perdas no percurso, n,
é diferente de 2 (entre 2.5 e 6, tipicamente), e seu valor depende das
características estruturais da região onde a comunicação se estabelecerá.
Rappaport em [14] apresenta um simples método para estimação desse expoente a
partir de algumas medidas em campo na área sob análise.
Existem vários métodos de predição de perdas no percurso para canais de rádio móvel terrestres, métodos esses comumente utilizados durante o planejamento de sistemas celulares, onde alguns são a base dos softwares de planejamento utilizados e encontrados no mercado. Entre tais modelos pode-se citar o Modelo de Durkin, o Modelo de Okumura, o Modelo de Hata e o Modelo de Lee [9], [14].
Devido à grande
variabilidade das estruturas tipicamente encontradas em canais de rádio móvel
terrestres, a uma mesma distância de um transmissor a potência recebida é
variável. Quando grandes obstáculos, como edifícios, morros e similares se
situam entre transmissor e receptor de um sistema de comunicação móvel
aparece o efeito denominado sombreamento (shadowing),
efeito esse que pode provocar consideráveis “vales” na potência recebida e
interromper instantaneamente a comunicação. Medidas comprovam que a
variabilidade do sombreamento segue uma distribuição gaussiana em escala
logarítmica, ou seja, segue uma distribuição logonormal. Assim, pode-se
rescrever a equação de perdas no percurso de forma a considerar esse novo
efeito:
onde Pr(d) é a potência média recebida em um ponto qualquer a uma
distância
d da antena transmissora e Xs
é uma variável aleatória com distribuição logonormal (em dB). O desvio
padrão dessa variável se situa normalmente na casa dos 7 a 15 dB [14]. Vale
observar que o valor da potência Pr(d)
não considera as variações causadas pelos multipercursos.
II.2.
Viabilização da Comunicação no Canal de Rádio Móvel
Em
qualquer sistema de comunicação é desejada a transmissão da maior quantidade
de informação possível no menor intervalo de tempo. Cada tipo de informação
(voz, dados, vídeo) necessita, para uma qualidade esperada na recepção, uma
determinada largura de faixa e uma potência de transmissão. Por outro lado, se
esta informação está sendo transmitida na forma analógica ou digital, os
requisitos para o sistema são diferentes. Em uma comunicação móvel
analógica, para um determinado tipo de informação qualquer, o aumento na
qualidade da transmissão é alcançado às custas de um “proporcional”
aumento da potência de transmissão, recurso este normalmente limitado nesses
sistemas. Com relação à largura de faixa ocupada, modulações do tipo FM
Faixa Estreita e AM-SSB são as que melhor utilizam o espectro disponível [19].
Contudo, é sabido que uma transmissão analógica tem como grandes desvantagens
a pequena imunidade a ruídos e o reduzido número de possibilidades de
serviços a serem oferecidos, além do pequeno grau de segurança na
comunicação. A atratividade da comunicação digital frente à analógica é
há muito tempo notável e hoje é certa a substituição da maioria dos
sistemas de comunicação analógicos pelos seus equivalentes digitais.