WirelessBR

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Definições inicias:

WLL  (Wireless Local Loop) é um sistema utilizado para conectar usuários ao sistema público de telefonia , utilizando sistema  de rádio acesso, substituindo assim a parte final do sistema fixo (última milha) de par trançado por  rádio. Esse sistema é de vital importância para operadoras que almejam disputar o mercado de  telefonia fixa concorrendo com empresas já situadas e implantadas no mercado há algum tempo.

LMDS  (Local Multipoint Distribution Service) é um sistema de banda larga do tipo ponto multiponto operando na faixa SHF acima de 20 GHz, permitindo assim uma comunicação  bidirecional de alta capacidade. Este sistema faz-se necessário quando se requer uma capacidade de tráfego muito intensa, sendo investimento para esse tráfego utilizando-se esse tipo de tecnologia bem inferior a um sistema óptico (com fio), analogamente ao sistema WLL o LMDS permite uma conexão com o usuário final mais otimizada.  

Capítulo 1

Introdução aos Sistemas de Comunicação Rádio Celulares e de Rádio Acesso

I.I  - Introdução

  Na década de 60 foi idealizado um tipo especial de comunicação utilizando rádio acesso que tinha o objetivo de cobrir uma extensa área utilizando uma parte do espectro eletromagnético, a solução proposta foi a idealização de um sistema onde se associaria um grupo de freqüências a uma determinada área geográfica (mais tarde conhecida como cell cluster), onde esse grupo de freqüências era repetido constantemente há uma distância segura que minimizasse as interferências. Esse sistema pela sua configuração ficou conhecido como Celular este somente foi implantado na prática com advento de computadores  rápidos o suficiente.

Basicamente o projeto de um sistema sem fio do tipo celular (wireless system) consiste em duas grandes etapas, que são o dimensionamento da cobertura do sistema, envolvendo problemas relacionados com propagação, e o dimensionamento do tráfego. Essas duas etapas não são independentes estando fortemente correlacionadas.

O compromisso básico de um sistema sem fio se resume à: Garantir o acesso de todos os usuários com uma taxa de serviço pré-determinada (GOES, grade of service), através de um arranjo de células as quais tem um maior C/I possível (um espécie de relação sinal ruído), este parâmetro tem um valor mínimo para que o sistema possa operar (essa valor é determinado pela sensibilidade do sistema). Antes de analisarmos os passos fundamentais de dimensionamento e nas possíveis soluções definiremos uma série de conceitos amplamente usados, que englobam tanto a parte de propagação quanto a de tráfego, sendo elas respectivamente: Cobertura, Antenas, Tecnologia de Acesso, Cluster/Cell, C/I, Tráfego, GOES.  

  I.I.1 - Cobertura

  A energia irradiada por uma antena sofre várias efeitos que influenciam na área onde se tem um sinal com níveis aceitáveis de recepção, essa área é denominada de área coberta pela antena ou área de cobertura. Em geral essa área depende de vários parâmetros do meio em que o sinal é propagado, como por exemplo: Altura da antena, altura do receptor, curvatura da terra, clima e grau de urbanização do terreno. Isto tudo esta englobado em um coeficiente de atenuação gama (g), onde sua forma analítica depende do modelo a ser considerado.   

I.I.2 - Antenas

O parâmetro de fundamental interesse para nós é como a antena irradia sua energia para o espaço. Existem dois tipos básicos de antenas: OMNI e Setorizada (ou diretiva). A OMNI irradia sua energia “uniformemente” para todo o espaço, enquanto a setorizada irradia só para uma determinada região do espaço. Isso é de fundamental utilização dependendo do local a ser implantado o serviço, conforme veremos adiante. Vejamos agora uma figura que nos mostra os diagramas de radiação[1] das diferentes antenas:

Figura 1: Diagrama de Radiação

I.I.3  - Tecnologia de Acesso

  As Tecnologias de acesso tem um objetivo comum, que é de garantir o múltiplo acesso ao sistema tornando possível, que vários usuários utilizem simultaneamente o mesmo sistema. Dependendo da tecnologia de acesso usada pode-se maximizar a utilização do espectro, aumentando assim o número de canais disponíveis para uma mesma faixa de freqüência, basicamente é nisso que esses vários modelos se diferem um tentando aumentar o número de canais disponíveis. Abaixo segue uma breve lista das tecnologias mais utilizadas:

FDMA – Frequency Division Multiplex- Esta se baseia em separar a banda em vários canais defasados em freqüência, com isso cada usuário ocupa uma determinada faixa da banda total. Obviamente o número de canais disponíveis com essa técnica depende da banda utilizada e da largura de cada canal, sendo que esta última está intimamente ligada com a qualidade do sinal transmitido (quanto maior a faixa melhor a reprodução do sinal).

TDMA – Time Division Multiplex- Utiliza também uma multiplexação através da freqüência, contudo cada faixa(canal) pode abrigar mais de um usuário ao mesmo tempo, devido ao fato da transmissão de dados não ser continua, pode-se em um frame intercalar a transmissão de vários usuários, com isso eles passam a ser diferidos não pela freqüência que estão utilizando, mas diferidos temporalmente.

CDMA[2]-  Code Division Multiplex – Essa tecnologia de acesso baseia-se em todos usuários compartilharem a mesma banda, contudo cada sinal e codificado por uma fonte pseudo-aleatória de alta freqüência ortogonais (isso faz com que o espectro do sinal ocupe toda a banda, ou seja, o sinal tem seu espectro espalhado), de modo que somente o receptor que utilizar o mesmo código tem a capacidade de demodular o sinal, sendo assim os outros sinais serão vistos por esse receptor como um ruído com uma densidade espectral de energia baixo (pois este foi espalhado na banda inteira). Denota-se que a limitação do número de usuários no sistema nesse caso é dado pelo aumento do ruído a cada usuário novo que entra no sistema, que conseqüentemente vai degradando a relação sinal ruído. 

I.I.4- Grupos e Células:

  A célula (cell) é a unidade básica de um sistema sem fio, cada célula recebe um número de canais para utilizar, formando um grupo de canais. O conjunto de células com grupos de canais diferentes formam um cluster (esses podem ser de três, quatro, sete, doze, etc., células), onde então esse cluster é repetido ao longo da região em que quer ser implantado o serviço. Os canais das células são escolhidos com muito cuidado para que se minimize efeitos de interferência de canais adjacentes (em uma mesma célula nunca se tem dois canais de freqüências adjacentes).

Quando se repete o cluster os grupos de canais são repetidos o que da origem as interferências co-canal (co-channel interference), estas também devem ser sempre minimizadas. Vejamos uma figura que nos mostra os dois  clusters (N=7) e as interferências de canal adjacente (representadas por barras entre as células) e de co-canal:

             Figura 2: Interferências

        I.I 5 -   C/I

  Esse parâmetro mede o quanto o ruído causado por interferências de co-canal[3] esta degradando o sinal, quanto menor essa relação pior é a qualidade do sistema podendo ocorrer até falhas e quedas na comunicação. Essa interferência vem do fato de ser reusar as mesmas freqüências em cada cluster e de não se ter filtros perfeitos que impeçam a interferência de canal adjacente. Existem contudo vários métodos para que se maximize a relação C/I, sendo esse um dos principais compromissos do projetista.  

I.I.6 - Tráfego

Em um determinado ambiente existe um número de usuários que utilizam o sistema, e ocupam a  “linha” por um determinado tempo, esse tempo tem uma duração média, e a média horária do produto desses dois parâmetros (número de usuários e duração media da ligação) nos fornece a intensidade de tráfego em ERLANGS, esse tráfego é diretamente proporcional ao número de usuários. Esse parâmetro é fundamental no dimensionamento do sistema.  

I.I.7- GOS

  GOS significa  grade of service este mede  a probabilidade de ser uma falha (queda) na comunicação, nota-se claramente que esse é função do tráfego e do número de canais disponíveis em uma determinada célula, sendo então o componente básico para o dimensionamento do plano de freqüências (que é o número de células em cada cluster). O que se faz então é: Tendo-se o tráfego em uma certa região dimensiona-se o número de canais para atender essa demanda com uma determinada taxa de serviço admissível (GOES), com isso pode-se determinar o melhor plano de freqüência (com relação ao parâmetro tráfego, a ser implantado). Neste momento há uma forte correlação entre o dimensionamento do tráfego e da propagação (mais propriamente dita do C/I), pois dependendo do ambiente e do plano de freqüência usado, pode-se ter níveis de C/I não aceitáveis para o sistema, é aí que o dimensionamento do sistema se torna quase uma arte, pois o projetista tem que encontrar uma solução que contemple ambos os quesitos básicos (tráfego e C/I).

A modelagem do grau de serviço e feito utilizando-se teoria de filas modela-se o sistema celular como um sistema de N servidores (N canais) onde não existe fila, ou seja, dado que os N servidores estão atendendo os usuários que chegam a fila são automaticamente descartados (bloqueados), assumindo que a o tempo de chegada assim como o tempo de serviço assumem uma distribuição exponencial, tem-se a seguinte expressão para a probabilidade de bloqueio (essa função se encontra tabelada e tem o nome de ERLANG-B que no caso o GOS é obtido desta tabela) 

É importante ressaltar que a existência do handoff afeta de uma certa forma a probabilidade de bloqueio pois os “novos usuários” que chegam a célula através de um  handoff podem ser encarados como um aumento na taxa efetiva de chegadas de ligações (l).

 I.II - Planejamento Inicial

I.II.I- Dimensionamento Inicial

   
Esta é a etapa de campo inicial, uma vez estabelecido o local onde as antenas devem ser instaladas deve-se saber se elas realmente podem ou não ser implantadas nos locais pré-estabelecidos, pois em muitos casos existem imprevistos que impossibilitam a alocação da antena no lugar específico. O fato das antenas não serem colocadas nos locais iniciais provocam uma alteração no C/I (onde quase sempre é uma alteração prejudicial, diminuindo o valor C/I), percebemos então que a relocação tem um valor máximo que depende basicamente do parâmetro de atenuação gama (g). Tem-se então:

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

                               Onde h_b= altura da antena. Note que g tem  essa dependência funcional no modelo de Hata.

Em um projeto wireless temos uma série de considerações a serem feitas, sendo estas:

        A-     C/I relacionado com Capacidade.

 B-      Escolha do plano de freqüências.

 C-      Escolha da antena.

A - C/I x  Capacidade:

   O fato dos grupos de freqüências serem reusados gera interferência que degrada a relação C/I (isso pode ser visto na figura 2), essa interferência é função do tamanho da célula (R) e da distância de reuso (D) que por sua vez depende do plano de freqüência que se trabalha (N=3,4,7,9,12,etc...). A capacidade do canal também depende do plano de freqüência, pois distribui-se todos os canais possíveis através das células existentes no cluster, onde logicamente quanto mais células estiverem no cluster menor vai ser o número de canais alocados para cada célula e menor será o tráfego que esta poderá atender (para um determinado GOES).

Percebemos então uma forte relação entre a capacidade e o C/I, quando tenta-se ganhar em um perde-se no outro, um bom projeto leva ambos em consideração para maximizar os resultados. Para reduzir a demanda por cada célula diminui-se o seu tamanho (raio), fazendo com que a demanda neste local seja reduzida, contudo isso também degrada o C/I. Existem então diversos técnicas para maximizar o C/I, onde principalmente altera-se o plano de freqüência e o diagrama de radiação da antena (ver figura 2). 

  B- Escolha do Plano de Freqüências:

   Nesta etapa é escolhido o tamanho do  cluster a ser usado (N=3,4,7,9,12,etc...), essa escolha depende em princípio do ambiente de propagação a ser implantado. Escolhido o sistema (N) divide-se o número de canais disponível  para cada célula do cluster de modo que freqüências adjacentes não fiquem na mesma célula (reduzindo assim a interferência de canal adjacente), forma-se assim o cluster que é repetido ao longo do local onde quer se implantar o serviço. Tem-se então para cada região um plano de freqüência adequado:

                   N³ 7 (antena OMNI) – Área urbana ou urbana densa.

                  N³ 7 (antena Setorizada)- Área urbana, urbana densa ou sub-urbana.

                  N£ 7 (antena Setorizada)- Área urbana densa

  C - Escolha da Antena

A escolha do tipo da antena (OMNI ou Setorizada) tem fundamental importância no C/I, com uma antena setorizada o número de interferências co-canal diminui fazendo com que a relação C/I aumente. O problema da setorização encontra-se no isolamento entre os setores e no aumento do número de  handoffs[4] que passam de nível “celular” para setor.

Ao se setorizar uma célula esta deixa de ser a “unidade do sistema” passando a ser o setor essa unidade, cada unidade nova recebe um grupo de freqüências, e o número de canais por setor é calculado dividindo-se o número de canais disponíveis pelo produto do número de células do cluster e o número de setores por célula (esse número em geral é igual à três). Vejamos agora a figura de uma célula setorizada, nessa figura mostra-se os dois tipos de setorização o primeiro a própria célula é dividida em três setores, no outro tem-se três células (que passam a ser chamadas de setores) sendo alimentadas por uma antena em sua extremidade.

           Figura 3: Setorização.

I.II.II-  Aumento da Capacidade do Sistema

  Inicialmente o sistema todo sistema de comunicação e dimensionado para suportar um tráfego requerido com um certo grau de serviço (GOES), contudo deve-se ter em mente que  com o passar do tempo a demanda pelo serviço prestado irá aumentar, esse aumento e caracterizado pelo aumento no tráfego no sistema. Tem-se duas formas principais de se adequar o sistema a sua nova demanda. Em um primeiro momento deve-se analisar se as células já tem o número máximo de canais sendo utilizados (lembre-se que o número de canais por célula é dado de acordo com o plano de reuso utilizado), caso ainda existam canais disponíveis pode-se tornar esses canais utilizáveis para que se mantenha um mesmo grau de serviço. No caso se o sistema já estiver utilizando praticamente todos os canais disponíveis[5], pode-se utilizar duas técnicas distintas chamadas: Dualização e Segmentação, em geral essas técnicas são utilizadas em conjunto. Estas técnicas consistem em subdividir as células existentes em sub-células, fazendo com que o tráfego seja distribuído nestas novas células .
A realocação de canais é feita de acordo com a nova demanda de tráfego em cada sub-célula nova criada. 

      I.III - Exemplo de Plano de Freqüência

  Será utilizado como exemplo o plano de freqüência N=7 com antena OMNI, como foi dito em II.B este é recomendado para áreas urbanas (cujo valor do parâmetro gama é:  g=4). Tem-se 21 grupos de freqüências no total onde cada célula recebe três grupos de freqüências, n = 21/7 (pode-se também distribuir diretamente os canais sendo então que cada célula recebe aproximadamente 44 canais/célula). A distribuição de canais por célula do  cluster é da seguinte forma: (N,N+7,N+14), dessa modo garantimos que nenhum grupo de freqüência se repita dentro do cluster e minimiza-se também a interferência de canal adjacente (representados por barras no cluster, ver fig 2). Com essa distribuição de canais (44/célula) cada célula pode atender um tráfego de ligações (onde este logicamente depende do GOES escolhido). Tem-se então: 

  Número de                                       Capacidade da Célula
        canais por
        célula 

Com relação a C/I tem-se (em área urbana g=4) D/R = 4,58 com isso: C/I = 18,6 dB o que é aceitável para o funcionamento do sistema.

Outros padrões de freqüência como foi falado visam maximizar C/I porém perdem em capacidade. Novamente percebemos a correlação entre o tráfego e C/I.

  I.IV - Características de Sistemas

Os sistemas de telecomunicação de um modo geral tem suas características variadas de acordo com o local onde se esta implantando o sistema, isso também ocorre com os sistemas celulares, abaixo mostra-se as características dos sistemas sem fio utilizados no mundo:

Tabela contendo as características do sistema sem fio de primeira geração:

  Tabela contendo as características e os dados técnicos dos sistemas de comunicação celulares móveis de segunda geração.

      I.V - Conclusões

Como foi visto existem dois parâmetros fundamentais que são levados em consideração no dimensionamento de sistemas sem fio (tráfego e C/I). Foi abordado também a questão da análise de aumento de capacidade do sistema devido ao acréscimo de usuários neste, essas técnicas consistem basicamente na dualização e segmentação das células, contudo o dimensionamento e implantação destes projetos requer mais que apenas o conhecimentos dos métodos, sendo então fundamental a experiência do engenheiro de RF em escolher as melhores opções que se melhor ajustem ao local a ser implementado o sistema.