8 Estimação do canal espacial com uso de arranjo linear uniforme A segunda abordagem adotada para o problema da estimação do canal espacial foi a utilização de um arranjo de antenas “real”, com comutação temporal dos sensores. Em particular, como no capítulo anterior, a configuração ULA foi mantida aqui. O aparato de sondagem em ambientes internos de [8] foi mais uma vez a base para a configuração de sondagem. A adaptação daquela sonda temporal para agregar a sondagem de AOA foi alvo de outro trabalho deste grupo de pesquisa; uma dissertação de mestrado recém concluída [11], que correu em paralelo com a presente tese. Embora outra configuração de arranjo tenha sido utilizada para gerar os dados analisados em [11] (UCA – Uniform Circular Array – arranjo uniforme circular, com 8 elementos), a sonda estava preparada para operar com qualquer outra configuração de até 16 elementos, como foi o caso do arranjo ULA-16 montado para aquisição dos dados aqui tratados. Dois cenários semelhantes foram escolhidos para as sondagens: dois corredores longos, ambos apresentando condição de visada direta entre os elementos transmissor e receptor da sonda. Como na técnica por abertura sintética, as medidas eram tomadas com a sonda imóvel. Entretanto, as sondagens foram realizadas em vários pontos ao longo de cada corredor, permitindo uma análise do comportamento de variação do espectro espacial-temporal com a distância, ainda que a grosso modo. O processamento dos dados deste capítulo foi facilitado pela estrutura adotada para os algoritmos. Basicamente, apenas o processamento inicial dos dados gerados pela sonda foi diferente do apresentado no capítulo anterior. Gerados os arquivos que continham os vetores 3D pré-processados, aplicava-se os mesmos algoritmos de estimação do espectro espacial desenvolvidos para os dados sondados por abertura sintética, sem nenhuma alteração significativa dos mesmos. Ainda com relação ao primeiro bloco de processamento, a supressão de
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8 Estimação do canal espacial com uso de arranjo linear uniforme
A segunda abordagem adotada para o problema da estimação do canal
espacial foi a utilização de um arranjo de antenas “real”, com comutação temporal
dos sensores. Em particular, como no capítulo anterior, a configuração ULA foi
mantida aqui.
O aparato de sondagem em ambientes internos de [8] foi mais uma vez a
base para a configuração de sondagem. A adaptação daquela sonda temporal para
agregar a sondagem de AOA foi alvo de outro trabalho deste grupo de pesquisa;
uma dissertação de mestrado recém concluída [11], que correu em paralelo com a
presente tese. Embora outra configuração de arranjo tenha sido utilizada para
gerar os dados analisados em [11] (UCA – Uniform Circular Array – arranjo
uniforme circular, com 8 elementos), a sonda estava preparada para operar com
qualquer outra configuração de até 16 elementos, como foi o caso do arranjo
ULA-16 montado para aquisição dos dados aqui tratados.
Dois cenários semelhantes foram escolhidos para as sondagens: dois
corredores longos, ambos apresentando condição de visada direta entre os
elementos transmissor e receptor da sonda. Como na técnica por abertura sintética,
as medidas eram tomadas com a sonda imóvel. Entretanto, as sondagens foram
realizadas em vários pontos ao longo de cada corredor, permitindo uma análise do
comportamento de variação do espectro espacial-temporal com a distância, ainda
que a grosso modo.
O processamento dos dados deste capítulo foi facilitado pela estrutura
adotada para os algoritmos. Basicamente, apenas o processamento inicial dos
dados gerados pela sonda foi diferente do apresentado no capítulo anterior.
Gerados os arquivos que continham os vetores 3D pré-processados, aplicava-se os
mesmos algoritmos de estimação do espectro espacial desenvolvidos para os
dados sondados por abertura sintética, sem nenhuma alteração significativa dos
mesmos. Ainda com relação ao primeiro bloco de processamento, a supressão de
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ruído também foi testada, mas desta vez apenas a 2D, e somente alguns pontos
foram processados. Esta menor atenção à técnica de supressão de ruído explica-se
em função dos resultados esperados, que indicavam a ausência de efeitos
significativos na região de interesse do espectro espacial-temporal, para fins de
análise comparativa com estimativas teóricas.
Os dados processados foram analisados de modo análogo ao apresentado no
capítulo 7. Aqui, entretanto, as estimativas teóricas ficaram restritas às reflexões
singulares ao longo do corredor de cada cenário, além da componente de
propagação direta. Esta simplificação se justifica pela condição de visada direta
sempre presente, e pelo volume de dados bem maior que precisou ser tratado neste
capítulo. Em compensação, aqui foi possível verificar a variação do espectro com
a distância, como previamente mencionado.
Complementando a análise básica, os resultados deste capítulo foram
comparados qualitativamente com os do anterior, para tentar estabelecer alguma
relação entre as diferenças observadas e as distinções de desempenho associadas a
cada técnica.
8.1. Descrição dos experimentos realizados
8.1.1. Técnica de sondagem
Seguindo a mesma filosofia de agregar funcionalidades adicionais à sonda
de canal faixa-larga montada e testada em [8], foi elaborado um esquema para
permitir a estimação de AOA utilizando arranjos de antenas “reais”. Como o
hardware de RF disponível era único, o esquema adotado foi o de comutação
temporal das antenas do arranjo, como em [7, 58]. A idéia então proposta foi
implementada como parte de outro trabalho deste grupo de pesquisa [11],
desenvolvido em paralelo com a presente tese.
Para incorporar a sondagem espacial à sonda disponível, basicamente seria
necessário montar um arranjo de antenas combinado com comutadores temporais
(switches) para a faixa de freqüência desejada, controláveis por computador. Além
disso, rotinas de controle para seleção dos comutadores deveriam ser
desenvolvidas para rodar em conjunto com as rotinas pré-existentes de controle do
analisador de rede utilizado (HP1614ET). Todo este trabalho foi desenvolvido em
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[11], onde um arranjo UCA-8 foi o escolhido para realizar a análise lá
apresentada. Para a análise aqui apresentada, um arranjo ULA-16 foi montado, e
novas sondagens foram realizadas.
A montagem dos arranjos em [11] foi inspirada no aparato mostrado em
[58], com antenas monopolo de quarto de onda sobre uma das faces de uma base
metálica, que servia como plano terra para as antenas, e comutadores temporais
sobre a face oposta, além de um LNA. Em [11], optou-se por montar os
comutadores em uma placa adicional, posicionada poucos centímetro abaixo da
placa com as antenas, como no esboço ilustrado na Figura 155. Desta forma, a
sonda ganhou maior modularidade, facilitando a troca de configurações de
arranjo, pois apenas a placa com as antenas precisava ser trocada. Em [58], a troca
envolveria também os comutadores.
Figura 155 Esboço do esquema de montagem da base para o arranjo de antenas e para
os comutadores temporais.
A mesma faixa de freqüências tratada em [8] foi utilizada nas sondagens, ou
seja, 1,8 GHz, com 200 MHz de largura de banda. As antenas monopolo foram
montadas no próprio CETUC, com base em um projeto previamente utilizado
neste mesmo grupo de pesquisa [59]. Foram adquiridos comutadores temporais do
tipo SP4T (quatro-para-um), controláveis por lógica TTL, modelo ZSDR-425 da
Mini-circuits. Como se desejava trabalhar com arranjos de até 16 elementos,
foram necessários cinco comutadores para controlar a seleção das antenas. O
espaçamento entre os elementos foi o mesmo das sondagens por abertura sintética
(5 cm), assim como o número de pontos de aquisição por varredura no domínio da
freqüência (801 pontos para os 200 MHz de faixa).
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O enlace de sincronização entre as portas do analisador de rede foi
simplificado em [11], em comparação com o utilizado na sonda original faixa-
larga em [8]. Como a mobilidade desejada não era um parâmetro tão crítico como
em [8], um enlace por cabo coaxial de 50 m foi utilizado ao invés do enlace ótico
de [8]. O arranjo foi usado na recepção, enquanto que a transmissão era realizada
por uma antena discônica (a mesma dos demais experimentos relatados nesta
tese). Com esta configuração, lembrando que na transmissão apenas um
amplificador convencional precisava ser utilizado, a ponta móvel da sonda pôde
ficar restrita à antena discônica e um mastro de suporte. Desta forma, o aparato de
alimentação auxiliar usado na sonda original em [8], com bateria DC e
conversores, deixou de ser necessário.
A idéia original quanto ao número de varreduras (snapshots) era a de se
trabalhar com um valor alto o suficiente para dar uma maior confiabilidade às
estimativas das matrizes de covariância dos dados. Optou-se então por 30 como
valor a ser praticado. No primeiro ponto de sondagem, este valor foi aplicado.
Entretanto, como este procedimento deveria ser repetido ainda para as demais 15
antenas do arranjo, em cada ponto, o experimento iria se alongar excessivamente.
Com isso, para manter a executabilidade da sondagem, apenas 3 snapshots por
ponto foram armazenadas.
A calibração para as sondagens com o arranjo ULA-16 ficou restrita aos
elementos do hardware. Não foi realizada nenhuma calibração adicional para
compensar os efeitos de acoplamento mútuo entre as antenas do arranjo.
8.1.2. Locais de teste
As sondagens foram realizadas em dois locais de teste: o corredor principal
do CETUC; e o corredor do 4º andar do edifício Leme, também na PUC. Ou seja,
dois ambientes semelhantes, ambos apresentando condição de visibilidade entre a
antena transmissora e o arranjo de antenas na recepção.
No CETUC foram escolhidos 5 pontos ao longo do corredor. O bloco de
recepção ficou postado a 2 m do acesso de entrada ao corredor, como indicado na
Figura 156. Ao longo do corredor, o afastamento entre o receptor e o transmissor
foi de: 3 m; 8,9 m; 19 m; 24,9 m; e 36 m. No edifício Leme, 10 pontos foram
escolhidos, com espaçamento entre os pontos de medida uniforme e igual a 5 m.
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O receptor estava a cerca de 10 m do blindex à entrada da secretaria do
departamento de Engenharia Elétrica, como indicado na Figura 157
Figura 156 Planta do CETUC, indicando a rota e a localização do receptor na sondagem
com arranjo ULA-16.
Figura 157 Planta do edifício Leme, indicando a rota e a localização do receptor na
sondagem com arranjo ULA-16.
Em cada ponto de medida, duas orientações relativas do arranjo eram
adotadas. Ou o arranjo era posicionado em paralelo com as paredes do corredor,
ou perpendicular a elas. Os dados gerados com a primeira orientação são referidos
a partir daqui pela letra ‘N’; os demais pela letra ‘Z’. A Figura 157 exemplifica a
notação adotada.
8.2. Processamento dos dados coletados
Conforme adiantado no capítulo anterior, o processamento dos dados
coletados pela sonda com arranjo ULA-16 foi análogo ao apresentado no capítulo
anterior. A maior diferença entre os conjuntos de dados das duas sondas era o
formato de armazenamento das medidas ao serem coletadas. Na sondagem por
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abertura sintética, as respostas de canal no domínio da freqüência eram gravadas
separadamente para cada posição do arranjo sintetizado, ou seja, cada arquivo era
composto essencialmente por uma matriz de 801 colunas, com o número de linhas
igual ao número de snapshots tomadas. A sondagem com ULA-16 modificou
ligeiramente este processo, trocando o parâmetro que definia o número de linhas
de cada arquivo, que passou a ser 16, o número de elementos do arranjo. Com
isso, para cada posição, 3 arquivos eram gravados, cada um correspondendo a
uma snapshot distinta. Vale lembrar, entretanto, que na primeira posição medida
no CETUC (cetuc1n e cetuc1z), foram realizadas 30 varreduras.
A diferença supracitada no formato de armazenamento das medidas impôs a
modificação do bloco de algoritmos responsável pela preparação dos vetores 3D,
conforme explicado no capítulo anterior. O segundo bloco de algoritmos, que
executava a estimação dos espectros espaciais e gravava as informações úteis para
posterior análise, ficou praticamente inalterado. Ou seja, estimações por
conformação de feixe, Capon, MUSIC e ESPRIT foram realizadas para todos os
dados disponíveis.
O baixo número de varreduras por ponto (3) inviabilizou a estimação pelo
método de Capon. Apenas as medidas “privilegiadas” do ponto inicial do CETUC
puderam ser avaliadas por este método. Tal comportamento era de certo modo
esperado, já que no conjunto de dados obtido pela outra técnica de sondagem, o
método também havia falhado para um número até mais alto de snapshots (11
para AOALH). Com isso, o método de Capon não pôde ser devidamente incluído
na análise que se segue.
Com relação à supressão de ruído, apenas a configuração 2D foi testada,
com re-escalonamento MLN, wavelet Symlet8, 5 níveis de decomposição e
conformação de limiar suave. Esperava-se que os resultados não viessem a afetar
a região principal dos espectros, o que veio a se confirmar. Com isso, apenas dois
pontos em cada corredor foram tomados na geração de espectros com ruído
suprimido, para posterior análise.
8.3. Análise dos resultados
Um dos objetivos da análise foi verificar o funcionamento dos métodos de
estimação espacial sob as condições específicas que envolviam a sondagem com
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ULA-16. Em particular, esperava-se uma limitação natural de desempenho
associada ao efeito das interferências por acoplamento mútuo entre as antenas,
que não foi compensado por qualquer esquema de calibração adicional. A perda
de retorno das antenas monopolo foi medida em [11], e ficou em torno de 15 dB
quando cada antena era avaliada separadamente. Ao medir aquele parâmetro
quando as antenas estavam devidamente dispostas sobre a base de montagem, na
configuração UCA-8, as perdas diminuíram para valores entre 9 e 13 dB,
indicando a relevância do efeito em questão.
A metodologia adotada foi análoga à aplicada no capítulo anterior, ou seja,
uma comparação com estimativas teóricas. Como todos os pontos se encontravam
em condição de visada direta, apenas as estimativas teóricas da componente direta
e das reflexões singulares nas paredes de cada corredor foram calculadas para
cada ponto. Adicionalmente, como pontos consecutivos ao longo de cada rota
foram escolhidos para realização das sondagens, a variação do espectro espacial
com a distância também pôde ser verificada.
Tendo à disposição conjuntos de dados gerados por duas técnicas de
sondagem distintas (arranjo por abertura sintética e arranjo “real”), procurou-se
ainda, dentro do possível, realizar uma comparação qualitativa entre os resultados
dos conjuntos em questão. A comparação foi naturalmente limitada, pois apenas
dois pontos de medidas em visada direta foram tomados com a primeira técnica
(AOALH e AOALV), e o número de sensores também era diferente (11 e 12
contra 16 do arranjo “real”). O foco adotado nesta análise foi a observação crítica
dos picos “secundários” do espectro espacial, em particular suas variações de
amplitude e o número de picos detectados.
8.3.1. Comparação com estimativas teóricas
Antes de apresentar as comparações propriamente ditas, é conveniente
indicar a resolução angular esperada para o arranjo utilizado. Dadas as mesmas
considerações apontadas no capítulo 7, ou seja, que a resolução mínima esperada
ocorre para a estimação por conformação de feixe, para um arranjo ULA-16, a
solução da eq. (7.5) na direção de broadside indica a capacidade de distinguir
AOAs separados de no mínimo 12,84º. Ainda com referência à eq. (7.5), a direção
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limite para a qual a solução é real é de aproximadamente 51º. Neste AOA, a
resolução piora para 36,3º.
Como no capítulo anterior, os dados também foram agrupados em dois
blocos. Aqui, o primeiro corresponde às medidas no CETUC, e o segundo, às
medidas no edifício Leme.
8.3.1.1. Medidas no CETUC
Conforme apresentado na seção 8.1, no corredor do CETUC foram
realizadas sondagens em 5 posições distintas, representadas pelos conjuntos de
dados “cetucip”, onde o sufixo ip indica o ponto (i = 1, ..., 5) e a disposição
relativa do arranjo (n ou z). As figuras a seguir (Figura 158 a Figura 160)
apresentam alguns dos espectros espaciais-temporais estimados para os 10
conjuntos em questão. A Tabela 12 e a Tabela 13 apresentam as estimativas
teóricas para os conjuntos medidos no CETUC, para as orientações relativas ‘Z’ e
‘N’ respectivamente.
Figura 158 Espectros espaciais-temporais por conformação de feixe para o ponto 1 do
CETUC.
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Figura 159 Espectros espaciais-temporais por MUSIC para o ponto 3 do CETUC.
Figura 160 Espectros espaciais-temporais por ESPRIT para o ponto 5 do CETUC.
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