WirelessBR

Parte da Dissertação de Mestrado apresentada ao Departamento de Engenharia Elétrica da PUC-Rio 
Abril de 2000.
Autor: Marcio Eduardo da Costa Rodrigues. 
Orientadores: Luiz Alencar Reis da Silva Mello e Flávio José Vieira Hasselmann.

1.        Introdução

 Este capítulo apresenta a conceituação básica da rádio-propagação, iniciando-se pela descrição de mecanismos e características pertinentes a cada região do espectro de rádio-freqüências. Por serem de maior interesse neste trabalho, as características de propagação em ambientes celulares serão exploradas com um maior grau de profundidade, onde será dada especial atenção aos novos sistemas micro e picocelulares, tanto interiores (indoor) quanto exteriores (outdoor).

 O canal de rádio-propagação, pela sua natureza aleatória e dependente da faixa de freqüências utilizada, não é de fácil compreensão, exigindo estudos teóricos e dados estatísticos para sua caracterização. Há três formas (modos) básicas de propagação, a partir das quais podem ocorrer subdivisões. Os modos podem ser compreendidos através do diagrama da ^[1].

 Figura 3-1  -  Modos básicos de rádio-propagação

O modo de maior importância no estudo da propagação em comunicações celulares é o modo das ondas terrestres. Em especial, as ondas espaciais são predominantes na faixa de freqüências e distâncias envolvidas nesse tipo de sistema. No diagrama da , a onda direta e a onda refletida no solo representam mecanismos básicos de propagação. Nas situações práticas o que se encontra é, somada a esses dois mecanismos, a ocorrência de ondas espalhadas, difratadas e, dependendo do ambiente, ondas transmitidas através de obstáculos.

 Dependendo da faixa de freqüências utilizada, do ambiente e das distâncias envolvidas, haverá predomínio de um ou alguns mecanismos sobre os demais. A ^[2] a seguir, apresenta um sumário das faixas de freqüência rádio, suas características (mecanismos de propagação envolvidos) e aplicações.

Tabela 3-1  -  Aspectos gerais de rádio-propagação

 A faixa de freqüências escolhida para os primeiros sistemas celulares, e que ainda é predominante, está situada na faixa entre 800 MHz e 900 MHz. Essa escolha não é casual, estando vinculada a uma série de fatores, entre eles: ^[1]

-        para o uso de antenas omnidirecionais eficientes, mantendo um tamanho adequado para sua instalação nos terminais móveis, a freqüência utilizada não pode ser muito baixa – antenas mais eficientes têm comprimento entre l/8 e l/4, onde l é o comprimento de onda, que aumenta com o decréscimo da freqüência. Logo, freqüências muito baixas acarretariam em antenas grandes. Assim, é imposto um limite inferior à faixa de freqüências;

-        pela característica de alta mobilidade dos sistemas celulares e por, na maioria das vezes, o usuário estar imerso no ambiente urbano, situações de visibilidade entre móvel e base são pouco prováveis, inviabilizando faixas de freqüência mais altas, que se fundamentam nesse mecanismo de propagação. A comunicação deve ser estabelecida primordialmente pelos mecanismos de reflexão, difração e espalhamento, e ainda, a onda propagante deve ser capaz de penetrar edificações. Esses fatores impõem um limite superior à faixa de freqüências.

 Pelo exposto, conclui-se que as faixas adequadas seriam as de VHF (30 MHz– 300 MHz) e especialmente UHF (300 MHz – 3000 MHz). Fatores como interferência com outros sistemas na mesma faixa (televisão e sistemas militares e aéreos, entre outros) e desenvolvimento tecnológico incipiente na época, levaram à delimitação de um subgrupo dentro das faixas adequadas, que resultou na faixa hoje utilizada.

2.        Mecanismos e efeitos de propagação

 Os mecanismos de propagação predominantes na faixa de freqüências usada em sistemas celulares são: visibilidade, reflexão (incluindo múltiplas reflexões e espalhamento) e  difração (incluindo múltiplas difrações). É usual se denominar a reflexão especular de reflexão apenas,  e a reflexão difusa de espalhamento.

 O efeito de propagação que se pronuncia é o multipercurso, pois o sinal resultante recebido é devido à composição de inúmeras versões do sinal original transmitido, que percorreram diferentes percursos determinados, em grande parte, pelas reflexões e difrações que sofreram. Outro efeito de propagação é o que se manifesta através da flutuação do nível de sinal devido a obstruções geradas pelo relevo ou criadas pelo homem. Esse efeito é conhecido por sombreamento.

 Quando do projeto de um sistema, a determinação exata das características de mecanismos e efeitos é muito importante. Os mecanismos de propagação determinam a atenuação de propagação no enlace e, consequentemente, o valor médio do sinal no receptor. A compreensão dos mecanismos envolvidos é básica para o cálculo do raio máximo de uma célula. Por outro lado, os efeitos de propagação determinam as flutuações rápidas e lentas do sinal em torno de seu valor médio. As flutuações que reduzem o valor do sinal abaixo da média são o que se denomina desvanecimento (em pequena escala ou, usualmente, desvanecimento rápido; e em larga escala ou, usualmente, desvanecimento lento). O correto entendimento das características dos efeitos de propagação é básico para a estimativa do desempenho do sistema e cálculo de cobertura das células.

2.1.      Mecanismos básicos

 Serão descritos a seguir alguns mecanismos importantes para a compreensão da rádio-propagação, especialmente em comunicações móveis. Antes, porém, serão apresentados alguns conceitos básicos.

 Ganho máximo de uma antena

                                                                                                                (3-1)

O termo “isotropicamente” é utilizado para definir a irradiação uniforme de energia em todas as direções. Conhecendo-se P_T e G_T (ganho máximo da antena transmissora), é possível se determinar a densidade de potência a qualquer distância do transmissor.

 Área efetiva de recepção

Outro conceito importante é o de área efetiva de recepção de uma antena, definido por :

                                                                             (3-2)

onde :

l = 3x10⁸ [m/s] / f [Hz]  -  comprimento de onda

com :

f - freqüência

G_R  -  ganho máximo da antena receptora

Conhecendo-se a densidade de potência na recepção, a potência recebida é encontrada através do produto entre a densidade de potência e a área efetiva de recepção da antena.

 A relação entre densidade de potência e o campo elétrico recebido é estabelecida, em campo distante, por :

                                                                            (3-3)

onde :

s  -  densidade de potência [W/m²]

E  -  módulo do campo elétrico [V/m]

h  -  impedância intrínseca do meio [W]; no espaço livre : h = h₀ = 120p @ 377 W

 A densidade de potência a uma distância d, para uma antena isotrópica é dada por  , onde P_T é a

 potência transmitida. Para uma antena de ganho G_T , o ganho multiplica a expressão de densidade de potência, gerando :

                                                                                 (3-4)

 Igualando as expressões (3-3) e (3-4) chega-se, no espaço livre, a :

                                              (3-5)

 A potência recebida será :

                               (3-6)

  Serão agora apresentados os mecanismos de propagação envolvidos nas comunicações celulares.

(*) O autor, MÁRCIO EDUARDO DA COSTA RODRIGUES  (marcior@centroin.com.br) graduou-se em engenharia de telecom pela UFF em dezembro de 1997, concluiu o mestrado em "Ciências em Engenharia Elétrica (Telecomunicações)" com ênfase em "Rádio-propagação - Comunicações Móveis e Rádio Acesso" pelo CETUC / PUC-Rio - RJ em abril de 2000 e obteve certificação em PMP (Project Management Professional) pelo PMI (Project Management Institute) em 2004.
Atuou profissionalmente na NEC do Brasil S.A. como estagiário, na DSC Tecnologia Ltda como engenheiro responsável pela área de Engenharia de Telecomunicações da unidade DSC Telecom e na WiNGS Telecom Ltda onde é Gerente de Engenharia até a presente data; nesta empresa coordena e executa projetos de:
- cobertura de rádio-freqüência (projeto pioneiro de celular no Metrô Rio, cobertura em plataformas de petróleo, coberturas em ambientes indoor, entre outros), 
- projetos de software para cálculo de rádio-enlaces, 
- projetos de emissão de relatórios de conformidade (exposição da população a irradiação eletromagnética), segundo critérios Anatel, para operadoras de telefonia celular e rádio, 
- projetos de WLAN/WiFi (redes locais sem fio), 
- projetos de enlaces ponto-a-ponto para backbone de operadoras celulares/SMP, envolvendo planejamento de freqüências e uso do software de cálculo PathLoss e 
- suporte à equipe de desenvolvimento de software, especificando algoritmos, entre outros.