UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ PRÓ-REITORIA DE … · O modelo Okumura-Hata é empregado em planejamento de redes celulares, foi adquirido por Okumura em várias medições feitas

1

;;

UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ

PRÓ-REITORIA DE PESQUISA E PÓS-GRADUAÇÃO

DIRETORIA DE PESQUISA

PROGRAMA INSTITUCIONAL DE BOLSAS DE INICIAÇÃO CIENTÍFICA

RELATÓRIO TÉCNICO - CIENTÍFICO

Período : ____09_____/___2014_____ a ____08_____/____2015______

( ) PARCIAL

( x) FINAL

IDENTIFICAÇÃO DO PROJETO

Título do Projeto de Pesquisa: Estimativa da radiopropagação para radiodifusão digital

usando um ambiente computacional.

Nome do Orientador: Gervásio Protásio dos Santos Cavalcante.

Titulação do Orientador: Doutorado em Engenharia Elétrica – UNICAMP

Faculdade: Faculdade de Engenharia da Computação

Unidade: Instituto de Tecnologia - ITEC

Laboratório: Laboratório de Computação e Telecomunicações- LCT

Título do Plano de Trabalho:

Nome do Bolsista: Waldiney Joaci da Silva Barros

Tipo de Bolsa : ( x ) PIBIC/CNPq

( ) PIBIC/CNPq-AF

( ) PIBIC/UFPA

( ) PIBIC/UFPA-AF

( ) PIBIC/INTERIOR

( ) PIBIC/FAPESPA

( ) PARD

( ) PARD – renovação

( ) PADRC

( ) Bolsistas PIBIC do edital CNPq 001/2007

2

INTRODUÇÃO: O trabalho busca a adequação e proposição de modelos para a

previsão da área de cobertura de sistemas de radiodifusão com sinalização digital

na região metropolitana de Belém. Para tal, serão utilizados técnicas e modelos já

consolidados na literatura. Através do desenvolvimento de um software que simule

modelos de propagação será realizada uma comparação com dados experimentais

fornecidos pelas operadoras de radiodifusão locais, objetivando a validação dos

modelos usados para determinação da área de cobertura dos sistemas de

radiodifusão.

JUSTIFICATIVA: Os sistemas de radiodifusão tradicionais que empregam a

sinalização analógica vêm perdendo espaço em virtude do desenvolvimento de

tecnologias de compressão de sinais digitais, as quais permitiram a fabricação de

dispositivos de áudio pessoais, de grande portabilidade, que produzem som de

altíssima fidelidade e que podem ser conectados a internet, permitindo assim que

seus usuários possuam uma biblioteca de músicas digitalizadas que podem ser

manipuladas facilmente. Para evitar uma grande perda de mercado, os fabricantes

de equipamentos transmissores estimularam o desenvolvimento de métodos de

sinalização digitais que permitem a geração de sinais de rádio que conduzem vídeo

de alta resolução, bem como áudio da mesma qualidade encontrada no CDs e nos

tocadores de MP3 e MP4. Atualmente existem consórcios que fomentam a pesquisa

para o estudo de padrões de sinalização que permitem o desenvolvimento de

equipamentos de transmissão, antenas e receptores de rádio, com o objetivo de se

produzirem produtos a preços competitivos.

Uma vez em que os padrões de sinalização mencionados acima forem

estabelecidos no Brasil, torna-se crucial revisitar os modelos de propagação de

ondas de rádio empregadas para o dimensionamento das estações transmissoras

de radiodifusão.

3

OBJETIVOS:

Estudar a teoria da difração e os modelos de propagação existentes;

Analisar as diversas técnicas computacionais visando à escolha de uma que

melhor atenda o problema em questão.

MATERIAIS E MÉTODOS: Com a implementação do sistema de radiodifusão digital

no Brasil, faz-se necessário o estudo do comportamento do sinal propagado nos

diversos tipos de regiões existentes visando uma melhor adequação do sinal ao

meio. Este trabalho visa o estudo do sinal transmitido na região metropolitana de

Belém, a qual se caracteriza por possuir tanto áreas urbanas quanto áreas de

vegetação nativa da região Amazônica. Desta maneira o problema a ser Investigado

necessitará de:

- Aquisição de Dados

- Tratamento de dados

E dentro da metodologia estabelecida será feito inicialmente um levantamento

bibliográfico e posteriormente a avaliação dos principais modelos de

radiopropagação existentes na literatura para previsão de área de cobertura no

projeto de radiodifusão com sinalização analógica e sua adequação ao padrão

digital vigente através da utilização de um software.

Descrição das Etapas

1 - Levantamento bibliográfico: será feita uma ampla pesquisa bibliográfica com o

intuito de elaborar o estado da arte e também aprofundar-se no assunto em questão.

2 - Aquisição de dados: Este trabalho visa o estudo do sinal transmitido na região

metropolitana de Belém, a qual se caracteriza por possuir tanto áreas urbanas

quanto áreas de vegetação nativa da região Amazônica onde serão obtidos os

dados experimentais.

3 - Implementação dos modelos clássicos: implementação dos modelos clássicos

para uma avaliação do modelo proposto.

4

4 - Desenvolvimento de um ambiente para simulação de modelos de propagação

existentes.

5 - Elaboração de trabalho para evento. Nesta fase pretende-se submeter trabalho

para eventos.

6 - Elaboração de relatório parcial e final.

Levantamento bibliográfico:

Modelos de Propagação que serão Utilizados no Software.

Os modelos de propagação executam a predição de perdas utilizando vários

parâmetros associados ao ambiente onde o sinal se propaga. Nesse ambiente pode

haver, por exemplo, prédios, árvores e outros obstáculos que podem atenuar o sinal

transmitido. Existem dois grandes grupos de modelos: Modelos teóricos e

Empíricos.

o Modelos Teóricos: são modelos que são fundamentados em formulações

teóricas originadas de dados arrecadados de medições, ou em leis de físicas. Vários

modelos teóricos não se aplicam para o planejamento de redes sem fios porque não

levam em consideração as características especificas do ambiente de estudo.

o Modelos Empíricos: São modelos baseados em diversas medições em

ambientes reais de propagação. Para que esses modelos possam comprovar com

eficiência as perdas de propagação em um ambiente, o modelo deve ter seus

parâmetros oriundos do local estudado

Modelos Outdoor

1- Modelo Okumura – Hata

O modelo Okumura-Hata é empregado em planejamento de redes celulares, foi

adquirido por Okumura em várias medições feitas na cidade de Tóquio, na faixa

entre 150 MHz e 1500 MHz, sendo valido para estações base com altura em 30 e

200 metros e para alturas de cliente entre 1 e 10 metros[2].

5

𝐿𝑢 = 69.55 + 26.66 log(𝑓𝑟) − 13.82 log(ℎ𝑡) − 𝑎1 + (44.9 − 6.55 log( ℎ𝑡)) log(𝑑)

Onde:

fr – frequência de operação, em MHz.

ht – Altura de transmissão, em metros.

Hr – Altura de recepção, em metros.

a1 – fator de correção para altura da antena em função do tipo de área, dB.

Esse modelo pode ser utilizado em áreas em áreas urbanos e rurais de acordo com

a variação do termo a1:

Cidades pequenas e médias: 𝑎1 = (1.1 log(𝑓𝑟) − 0.7)ℎ𝑡 − (1.56 log 𝑓𝑟 − 0.8).

Cidade grandes: 𝑎1 = 8.29(log 1.54𝑎1)2 − 1.1, fr < 300MHz.

𝑎1 = 3.2(log 11.75𝑎1)2 − 4.97, fr ≥ 300MHz.

A perda total para áreas suburbanas: 𝐿 = 𝐿𝑢 − 2 (log (𝑓𝑟

28))

2

− 5.4.

2 - Modelo COST 231 – Hata:

Esse modelo é uma continuação do modelo Okumura-Hata, para as

frequências entre 1500MHz e 2000MHz[2].

𝐿 = 46.3 + 39.9 log(𝑓𝑟) − 13.82 log ℎ𝑡 − 𝑎1 + (44.9 − 6.55 log(ℎ𝑡) log(𝑑) + 𝑐𝑚)

cm = 0 dB para áreas urbanas médias e suburbanas.

cm = 3 dB para centros urbanos.

Modelos Indoor

1 - Modelo One Slope(1SM):

Considera uma dependência linear entre a perda de percurso (dB) e o logaritmo da

distância.

𝐿 = 𝐿0 + 10𝑛 ∙ log(𝑑)

6

𝐿0: Perda de percurso na distância de 1m em dB (com a frequência de 2,4 GHz

das redes wi-fi, o valor de L(d0) será de 40,2 dB.

n: Expoente de perda (neste caso, como é um ambiente indoor pouco obstruído, o

valor de n varia entre 2.2 a 2.7).

d: Distância entre o transmissor e o receptor(em metros).

Esse modelo é fácil de ser usado devido ter como parâmetros de entrada a

distância entre o receptor e transmissor e o receptor e o expoente de perda[6].

TABELA 1: Valores para o índice de desvanecimento

Cenário n Mecanismo de propagação

dominantes

Corredor 1,4 – 1,9 Onda Guiada

Quartos grandes e

vazios

2 Visada direta (LOS – line of sight)

Quartos mobilizados 3 LOS + Multipercuso

Quartos densamente

mobiliados

4 Espalhamento por obstáculos, sem

linha de visada direta.

Multi-andar 5 Atenuação em paredes e pisos.

2 - Modelo de Seidel – Rappaport:

Este modelo inclui os efeitos dos pisos e paredes existentes entre o transmissor e

o receptor[6]:

𝐿(𝑑)[𝑑𝐵] = 𝐿(𝑑0)[𝑑𝑏] + 10𝑛𝑆𝐹𝑙𝑜𝑔 (𝑑

𝑑0) + 𝐹𝐴𝐹[𝑑𝐵] +∑𝑃𝐴𝐹[𝑑𝐵]

𝐿(𝑑0) - Perda apresentada a uma perda na distancia 𝑑0 entre a antena de

transmissão e recepção.

𝑛𝑆𝐹 – Valor do expoente de perda para o mesmo andar (same floor).

7

FAF – Representa o fator atenuação para um número de pisos entre antena de

transmissão e recepção.

PAF – Representa uma atenuação quando o raio encontra uma obstrução.

3 - Modelo ITU-R Recomendação P.1238:

Este modelo é considerado geral quanto ao lugar, já que requer pouca informação

sobre o trajeto ou o lugar de instalação. A perda de trajeto em interiores se

caracteriza por uma perda de trajeto medida e as estáticas associadas de

desvanecimento devido a sombras.

𝐿 = 20 log10 𝑓 + 𝑁 log10 𝑑 + 𝐿𝑓(𝑛) − 28

N - Coeficiente de perda de potência devido à distância (30);

f - frequência (MHz);

d - distância de separação (m) entre a estação base e o terminal portátil

(sendo d > 1 m);

Lf - fator de perda por penetração no piso (dB) [15 + 4 (n-1)];

n - número de pisos entre a estação base e o terminal portátil (n >= 1).

Aquisição de dados:

1 - CAMPANHA DE MEDIÇÃO:

As medições foram feitas em duas etapas, uma para ser utilizadas os modelos

indoor e a outra para modelos outdoor:

1.1 – Medições para modelos Outdoor:

Nessa primeira fase das medições foram traçadas radias e a partir disso

estabelecidos pontos que se concentram no bairro de Batista Campos na cidade de

Belém do Pará, como mostra a figura 1, no total de 33 pontos. As medições foram

executas pela manhã em tempo ensolarado. Em cada ponto foi medido a potência

do sinal de um emissora de tv local.

8

1.2 - Medições para modelos Indoor:

As medições foram realizadas em um dos corredores da Universidade Federal do

Pará (UFPA), do bloco anexo 3 de engenharia elétrica, como mostra a figura 2, o

corredor tem as seguintes dimensões, 2m de largura por 40m de comprimento.

Para obtenção dos dados, foram realizadas campanhas de medições, que

consistiam na transmissão e recepção do sinal eletromagnético em frequências de

2.4Ghz. Sendo medidos 40 pontos ao longo do corredor de 40 m, ou seja, 1 ponto

a cada metro, deixando o transmissor fixo e variando a distância do receptor.

Figura 1 - Pontos usados para receber a potência do sinal

Figura 2 - Cenário de medição para o Ambiente Inddor

9

Desenvolvimento de um ambiente para simulação de modelos de propagação

existentes:

1- A engenharia de software junta processos, métodos e recursos que oferecem

a construção de sistemas complexos baseados em computador dentro de um prazo

e com qualidade [3]. A criação de um software reúne cinco atividades: comunicação,

planejamento, modelagem, construção e emprego.

Comunicação: Fazer o levantamento das necessidades que ajudarão e

definir as funções e caracteristicas do software a ser construidos, no caso em

questão do projeto, o objetivo do software é plotar graficos comparando modelos de

propagação com dados obtidos de TVs digitais da região, gerando o erro RMS

quando existir.

Planejamento: O planejamento é como um mapa que ajuda a guiar a equipe

na jornada de construção do produto. No planejamento define-se o trabalho de

engenharia descrevendo suas tarefas técnicas, riscos, recursos necessários,

produtos a serem construídos e um cronograma de trabalho.

Modelagem: Modelos são esboços de modo que possamos ter uma ideia

melhor do todo. Caso necessários os modelos são mais detalhados a fim de

compreender melhor o problema e como resolvê-lo.

1. Requisitos:

F = Funcional / NF = Não

Funcional

A = Alta / M = Média / B = Baixa

Código F /

NF

DESCRIÇÃO DO REQUISITO Prioridade

1 NF O sistema deve ser baseado em java A

10

2 F O sistema deve abrir as páginas de

forma hierárquica.

A

3 F O sistema mostra botões de todas as

principais funções

4

F

O usuário seleciona os modelos de

propagação que serão utilizados na

simulação.

A

5 F O sistema deve fazer o upload das dados

obtidos através de medições do sinal

digital.

A

6 F O usuario deve informar dados como:

- Altura do receptor.

- Altura do transmissor.

- Permissividade relativas dos meios 2

e/ou 3.

- Condutividade dos meios 2 e/ou 3.

- Frequência da antena Transmissora.

- Potência da antena Transmissora

(usar 1kW como padrão, caso o usuário

não saiba o valor).

A

7 F Mostrar na tela o gráfico e o erro RMS M

8 F O sistema mostra a opção salvar gráfico

e erro RMS

M

11

2 - Descrição do caso de uso:

Nome do caso de uso Software para Simulação de Ondas

Eletromagnéticas

Sumário O usuário usa o programa para realizar

simulações de ondas eletromagnéticas

Ator primário Usuário

Atores secundários ########################

Precondições ########################

Fluxo Principal 1. O usuário seleciona os tipos de modelos de

propagação, indoor ou outdoor

Figura 3 - Diagrama de caso de uso

12

2. O software apresenta o parâmetros que devem

ser informados, como modelos específicos, dados

das antenas, do meio e o campo para anexar os

dados da potência recebida e distância.

3. O aluno informa os parâmetros citados em 2.

4. O software mostra o gráfico da perda de

propagação em relação ao tempo e o RMS.

5. O Usuário salva a imagem do gráfico.

Fluxo Alternativo ###########

Pós-condições ###########

Requisitos não funcionais Não definidos ainda

Autor Waldiney Barros

Data 12/07/2015

Figura 4 - Diagrama de Estados

13

Desenvolvimento de um ambiente para simulação de modelos de propagação

existentes:

O programa realiza cálculos baseados em modelos de propagação empíricos,

apesar de os modelos determinísticos serem muitos úteis para projetar sistemas,

sendo mais eficaz para efeito de cálculos. A seguir será demonstrada a interface

gráfica simples e intuitiva do Software para melhor interatividade com o usuário.

Para a criação do software foi utilizado a ferramenta GUIDE do Matlab GUIs

(também conhecido como interfaces gráficas de usuário ou UIs) fornece point-and-

click de controle de aplicativos de software, eliminando a necessidade de aprender

uma língua ou digitar comandos para executar o aplicativo.

Com isso automatiza uma tarefa ou cálculo. A GUI geralmente contém controles,

como menus, barras de ferramentas, botões e controles deslizantes. Muitos

produtos MATLAB, como ajuste de curva Toolbox, Signal Processing Toolbox, e

Sistema de Controle de caixa de ferramentas, incluem aplicativos com interfaces de

usuário personalizadas.

Figura 5 – Interface gráfica Incial do Software

14

O software pode ser utilizado tanto no windons quanto no Linux, basta ter instalado

o matlab. No geral o usuário devera inserir os dados da antena

transmissora/receptora, como altura e ganho, um arquivo .txt que terá como

conteúdo a distância e potência de cada ponto. Sendo que a primeiro coluna esteja

a distância em quilômetros(Km) e a segunda coluna com a potência recebida, como

mostra a figura 6.

Posteriormente o software irá gerar um gráfico que relaciona perda de propagação

com a distância e o usuário será capaz de salva-lo em um arquivo de extensão .fig

e mostrar o erro RMS de cada modelo em relação aos dados medidos.

1 – Interface Para Modelos Indoor:

O modelo mais simples é o One Slope o qual requisita poucas informações, apenas

com a frequência de trabalho, tipo de ambientes pré-determinados no Software e

distância entre o transmissor e receptor. E por fim, o modelo da ITU-R, setor de

Radiocomunicações da ITU (International Telecommunication Union), esse modelo

é considerado geral quanto ao lugar, pois requer pouca informação sobre seu trajeto

ou o lugar de instalação.

Figura 6 - Modelo de Arquivo .txt

15

1.1- Simulação e Resultados para Modelos Indoor

A simulação através do software teve como resultado a figura 8 e através dela

percebemos que os dados medidos apresentam o mesmo comportamento do

modelo ITU-RP.1238 e o Modelo One Solpe, mas se aproxima mais do modelo Itu-

RP.1238. Na medição a antena transmissora e receptora tinha respectivamente

1,04 e 1,09 metros com uma potência de 15 dBm, já somando os ganhos, por isso

não foi necessário inserir os ganhos da antena transmissora e receptora, e

frequência 2400 MHz, tento o Modelo Itu o erro RMS de 127,901 e o one – Slope o

erro RMS de 15,77.

2 – Interface Para modelos Outdoor

Na Interface para modelos outdoor foram implementados dois modelos, o Okumura

– Hata e Cost 321 – Hata. O usuário informara apenas

Figura 7 - Interfeca para modelos Outdoor

16

2.1 - Simulação e Resultados para Modelos Indoor:

A simulação através do software teve como resultado a figura 8 e através dela

percebemos que os dados medidos apresentam o mesmo comportamento do

modelo Okumura e COST231, mas se aproxima mais do modelo COST231. Na

medição a antena transmissora e receptora tinha respectivamente 114,58 e 1,5

metros com uma potência de 77,17 dBm, já somando os ganhos, por isso não foi

necessário inserir os ganhos da antena transmissora e receptora, e frequência

521,14 Mhz. Os dados medidos tem o mesmo comportamento dos modelos de

Modelo Okumura – Hata e Modelo COST 231 – Hata.

O modelo Okumura teve um erro RMS de 42.11 e o Cost-231 um erro RMS de 19.62

Figura 8 - Interface Para Modelos Outdoor

17

CONCLUSÃO: O trabalho de pesquisa e desenvolvimento constituiu na criação de

um software para ser utilizados por acadêmicos e empresas publicar e privadas com

o intuito de comparar o comportamento de onda eletromagnética com modelos

existentes, sendo eles indoor ou outdoor. Essa aplicação não está totalmente

concluída, ainda é necessário a implantação de outros recursos que possibilitam ao

software a criação de cenário mais completos, como incluir outros modelos, levar

em consideração as perdas tanto das antenas quanto dos cabos, usar outros tipos

de gráficos, como os tridimensionais e de superfície.

Figura 9 - Gráfico que compara dados medidos com modelos Outdoor

18

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

[1] CASTRO, B. S. L. “Modelo de Propagação para Redes Sem Fio Fixas na Banda

de 5,8 GHz em Cidades Típicas da Região Amazônica”, 2010.

[2] Theodore S. Rappaport. Comunicação sem fio. Segunds edição, 2008.

[3] Pressman, Roger S. Engenharia de Software Uma Abordagem Profissional. 7º

Edição, 2011.

[4] CAVALCANTE, Gervasio P. S. “Canal de Rádio Propagação de Ondas

Eletromagnéticas”, 2002.

[5] Pfleege, Shari L. Engenharia de Software: Teoria e Prática, 2º Edição, 2000.

19

DIFICULDADES: A dificuldade principal neste relatório foi a escolha da linguagem

para criar a interface do software, sendo que comecei utilizando a linguagem java,

apesar de ser facial a criação da interface com essa linguagem, tive dificuldades na

implementação dos modelos de propagação.

PARECER DO ORIENTADOR:

O Bolsista apresentou um bom desempenho no desenvolvimento do trabalho.

Encontrou algumas dificuldades que permitiram seu crescimento com aluno de

iniciação científica.

INFORMAÇÕES ADICIONAIS:

DATA : 10/08/2015

_________________________________________

ASSINATURA DO ORIENTADOR

____________________________________________

ASSINATURA DO ALUNO