ASPECTOS DE RÁDIO - PROPAGAÇÃO (5)

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ASPECTOS DE RÁDIO - PROPAGAÇÃO (5)
Autor: Marcio Eduardo da Costa Rodrigues

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Por ser de maior interesse para esse trabalho, serão apresentadas algumas das características relevantes a respeito do comportamento do sinal de rádio em micro e picocélulas. Como já comentado no Capítulo 2, uma idéia que tem conquistado espaço ao longo dos anos, para resolver (ou minimizar) o problema do aumento de tráfego, é a das microcélulas. Basicamente, a idéia consiste em diminuir-se o tamanho das células como uma tentativa de aumentar o reuso de freqüências, gerando maior capacidade no sistema. Microcélulas apresentam distâncias de cobertura de ordem de algumas centenas de metros (distâncias máximas estão na ordem de 1 km), enquanto que picocélulas servem regiões a distâncias de até algumas dezenas de metros da antena transmissora, com interesse cada vez maior para o uso em ambientes indoor. Arquiteturas de sistemas microcelulares, contudo, têm problemas principalmente quanto a complexidade do sistema (maior número de estações base), maior número de handoffs durante uma conversação em movimento, e maiores problemas de interferência cocanal. Por esses motivos, só é justificável o uso de microcélulas em situações realmente necessárias. Dessa forma, podemos visualizar sistemas futuros compostos por microcélulas no interior de células de tamanho médio e grande. As características geográficas e de tráfego potencial ou real determinarão o tamanho de célula a ser utilizado.

No caso de PCS, um outro motivador para o uso de micro e também picocélulas é que, através do uso desse tipo de célula, pode-se fazer uma melhor diferenciação de tipos de serviços e tarifas a serem cobradas. Além disso, em picocélulas, especialmente no interior de construções, pode-se explorar melhor serviços que requerem altas taxas de transmissão, como transmissão de vídeo.

Medições e estudos já foram realizados na tentativa de se caracterizar o ambiente de propagação em microcélulas. Já foi demonstrado que o nível do sinal na rua em que o transmissor está localizado é bem caracterizado pela distribuição de Rice. Também já se verificou que, em geral, o nível médio local na rua onde o transmissor está localizado segue uma lei com duas potências distintas de atenuação com a distância, n₁ e n₂ , com um ponto de quebra entre elas. A forma das curvas de atenuação, bem como os pontos de quebra, variam de acordo com a localidade, e a determinação desses parâmetros é feita através de medições. Um exemplo típico é apresentado na Figura 3-19 a seguir ^[5].

Na Figura 3-19 é interessante observar que o expoente de atenuação com a distância anterior ao ponto de quebra é menor do que 2 (n₁ = 1,43), que é o expoente para a propagação em espaço livre. Esse fato caracteriza o guiamento (ou canalização) da onda eletromagnética, que é uma característica comum a micro e picocélulas urbanas e também indoor, nas proximidades da antena transmissora.

Neste texto será feita a descrição de características de propagação em ambientes outdoor (que envolvem micro e picocélulas) e ambientes indoor (que, dadas as dimensões reduzidas, são mais propícios à instalação de picocélulas). Não é raro, inclusive, se encontrar na literatura a denominação microcélula aplicada a ambientes outdoor e a denominação picocélula referindo-se a ambientes indoor.

As características de propagação em microcélulas são muito diferentes das encontradas nas grandes áreas de cobertura, típicas de macrocélulas. Os modelos de predição de atenuação usados não apresentam uma única reta de atenuação, mas sim duas seções com inclinações diferentes, unidas por um ponto de quebra (breakpoint). Nos modelos de duas inclinações (dual slope), em geral a atenuação cresce lentamente com a distância (com expoente de atenuação em torno de 2, correspondendo a propagação em espaço livre, portanto) até o ponto de quebra. Após esse ponto, o expoente aumenta para valores comumente situados entre 3 e 9 ^[9]. A propagação é usualmente descrita através de modelos de dois raios e de quatro raios, embora alguns autores proponham modelos alternativos, como o de seis raios por exemplo. O modelo de dois raios consiste em um raio direto e um raio refletido no solo, e a distância em que ocorre o ponto de quebra é a distância para a qual o primeiro elipsóide de Fresnel é obstruído pelo solo. A localização do ponto de quebra é dependente, para um mesmo ambiente, das alturas das antenas e freqüência de operação através, aproximadamente, da seguinte expressão : ^[7],
[12]

Para a criação do modelo de quatro raios, são acrescentados dois raios ao modelo anterior, devidos à reflexão nas paredes externas das construções às margens das ruas (duas margens, portanto são acrescidos dois raios). Nesse modelo, o cálculo do ponto de quebra será influenciado pela largura da rua, pois agora passa a ser considerada também a obstrução do primeiro elipsóide de Fresnel pelas construções às margens da rua onde está instalada a antena transmissora. O modelo de seis raios é obtido ao acrescentar-se ao modelo de quatro raios, um raio refletido no solo e mais dois raios gerados, cada um, por uma reflexão dupla nos edifícios das margens opostas da rua considerada. Observa-se que modelos que consideram um número maior do que dois raios refletidos resultam em variações rápidas em torno do modelo simples de 2 raios, não modificando o comportamento geral da queda do nível do sinal recebido ^[12]. A referência [13] confirma esta observação através de medições.

O modelo de dois raios descreve melhor ambientes com menor povoamento, como áreas rurais e até suburbanas. Em contrapartida, um modelo de quatro ou mais raios é melhor adaptado à cidades onde é grande a presença e influência de construções que margeiam as vias de tráfego de veículos. Como exemplo de localização do ponto de quebra, a referência [9] apresenta valores de 200 e 300 metros, para antenas na altura máxima de 5 metros e freqüência de aproximadamente 900 MHz.

Uma característica importante, não observada em macrocélulas, é a alta importância do raio direto, especialmente para estações base localizadas em postes de iluminação ou estruturas similares ao longo de ruas. Resultados apresentados em [11] mostram que, em áreas construídas, a altura da estação base não tende a gerar grande impacto nas estatísticas da propagação. Porém, quando as alturas dos edifícios são da mesma ordem da altura da antena da base, as estatísticas passam a depender da altura exata da antena, ou seja, a sensibilidade da propagação é aumentada a partir do momento em que as alturas da base e de prédios vizinhos se aproximam. Em percursos obstruídos, o sinal pode atingir o usuário principalmente devido à propagação por ruas transversais (“dobrando” esquinas) através de múltiplas reflexões, difração nas construções localizadas nas esquinas e também sobre telhados em regiões residenciais ou comerciais (difração em topo de prédios) com construções de baixa altura, pois é preciso que a antena da base esteja acima do nível das construções para que esse mecanismo se pronuncie. Para bases situadas a alturas significativamente abaixo do nível das construções (especialmente nos grandes centros urbanos), é esperado que o nível de sinal em localidades obstruídas seja em grande parte devido à difração nas esquinas apenas, e é verificado que, nessa situação, variações na altura da antena causam alterações pequenas na propagação. ^[14],
[15]

Ao contrário de macrocélulas, com distâncias de cobertura da ordem de alguns quilômetros e onde as predições levam em conta apenas as características globais da localidade - como altura média de edifícios (em modelos mais sofisticados), tipo de região (rural, urbana e suburbana, é a classificação típica), em microcélulas, dadas as pequenas distâncias envolvidas, com antenas da base localizadas muitas vezes na altura de postes, são os detalhes do ambiente que determinarão a variabilidade do sinal. Em macrocélulas, as características em larga escala do canal podem ser consideradas constantes em intervalos que variam de 20l a 40l, enquanto que em microcélulas o desvanecimento em larga escala pode ser perceptível a distâncias significativamente menores. A distâncias tão curtas como as envolvidas, é importante se fazer a distinção entre percursos em visada direta, como ao longo de uma rua, e percursos onde há sombreamento por obstruções, como edifícios. Além disso, em áreas onde o sombreamento é importante, é necessário se fazer distinções entre os diferentes tipos de construções como, por exemplo, edifícios altos na região central de grandes cidades e casas baixas em áreas residenciais. Ambientes com predomínio de visada direta (LOS - line of sight) devem ser tratados de forma diferente de ambientes que apresentam muitas obstruções (NLOS - non line of sight) para que se minimize o erro nas predições. Todas essas particularidades requerem que vários diferentes modelos de predição sejam desenvolvidos para que se estime corretamente a propagação nas mais diferentes áreas.

Conforme a distribuição de edificações da região e localização das antenas da base, é típico se observar, em centros urbanos, um formato elipsóide de microcélulas, com o eixo maior localizado ao longo da rua em que há visada direta (rua onde se situa a antena transmissora, naturalmente).

No que diz respeito à propagação no interior de construções, pode-se destacar duas situações distintas :

O conhecimento das perdas entre um transmissor localizado em ambiente outdoor e um receptor indoor vem tornando-se cada vez mais importante. Essa importância fica clara quando se analisa a interferência entre sistemas outdoor e indoor que operam nas mesmas faixas de freqüência. Nesses casos, espera-se que as perdas de penetração promovam o máximo isolamento de RF possível. O mesmo isolamento é desejado entre sistemas indoor operando em edifícios vizinhos, por exemplo. Enfim, é importante que se modele as características de propagação desses sistemas de forma a também considerar a energia que entra e sai de edificações.

Para a predição de propagação em situações desse tipo, modelos de propagação empíricos urbanos não são mais válidos, já esses modelos foram obtidos em grande parte baseados em dados de medições realizadas em ambientes outdoor. Agora, haverá perdas associadas à penetração do sinal no interior do prédio. Essa perda adicional depende de uma série de fatores, entre eles a freqüência de transmissão, a distância entre transmissor e receptor, o material de construção do prédio e a natureza dos prédios vizinhos. Dois pesquisadores, Rice e Durante, propuseram duas definições distintas para a perda de penetração em prédios ^[5]. Segundo Rice, a perda de propagação é definida como sendo a diferença entre o nível de sinal na rua, em torno do prédio e o nível de sinal no interior do prédio; enquanto que para Durante, deve ser feita a comparação dos níveis de sinal dentro e fora do prédio, a uma mesma altura (altura do receptor).

A disponibilidade de modelos de predição de propagação ao nível das ruas faz com que a metodologia de Rice seja mais prática, pois pode-se extrapolar os métodos de fora para dentro de prédios. Porém, o método de Rice, embora mais prático, é menos realista.

A penetração em prédios é dependente de uma série de fatores, como andar considerado, freqüência de operação, tipo de parede exterior e o ambiente que circunda o edifício em questão. Será feito em seguida um comentário a respeito de cada fator. ^[9]

Materiais diferentes apresentam diferentes coeficientes de transmissão e reflexão, de forma que uma onda que atinge uma parede metálica sofrerá maior atenuação do que sofreria se atingisse uma parede de tijolos, por exemplo.

O nível de sinal recebido indoor a partir de um transmissor outdoor aumenta com a altura do andar. Isso é devido principalmente ao fato de que o ambiente outdoor circundante (especialmente em cidades grandes) apresenta muita concentração de construções, e os efeitos de sombreamento causados por essa concentração são muito mais pronunciados a baixas alturas, situação em que o receptor, embora indoor, está imerso no ambiente. Em [16] foram feitas medições em quatorze diferentes edifícios. Os resultados mostram que, quando comparada ao nível médio do sinal no nível da rua, a perda de penetração cai numa taxa de 1,9 dB/andar até o 15⁰ andar, quando então começa a subir. Com o aumento da altura, a propagação começa a se liberar do ambiente urbano, ou seja, deixa de ficar imersa na cidade, tendendo a sofrer menores atenuações (em andares mais elevados pode, inclusive, haver visada direta). Já o aumento da perda para andares mais elevados pode ser atribuído ao sombreamento por prédios altos vizinhos. Resultados semelhantes foram obtidos em [17], onde observou-se um decréscimo das perdas de penetração até o 9⁰ andar a uma taxa de 2 dB/andar, quando então as perdas também voltaram a aumentar. É interessante observar que, em todas as campanhas de medição realizadas, a altura da estação base transmissora era menor que as alturas atingidas pelo receptor indoor nos andares mais elevados. Esse detalhe permite que se especule que o aumento da perda de penetração (em relação ao nível medido na rua) para os andares superiores possa ser devido também à inclinação do enlace, que não permitia irradiação significativa em direção a esses andares, devido às características dos diagramas de irradiação das antenas transmissora e receptora.

Embora o conhecimento teórico evidencie o aumento da atenuação de um sinal propagante por um meio com o aumento da freqüência, os resultados de medições apresentados em [7] mostram o oposto, o que pode ser atribuido a características muito especiais dos materiais penetrados pela energia eletromagnética. Os seguintes valores foram obtidos: 18 dB em 441 MHz; 14,5 dB em 900 MHz; 13,4 dB em 1800 MHz e 12,8 dB em 2300 MHz. ^[7]

O trabalho realizado em [16] mostra que a atenuação devida à travessia de áreas envidraçadas é cerca de 6 dB menor do que a atenuação pela travessia de áreas não envidraçadas.

Não é complicado perceber que a concentração de edificações em volta do edifício analisado influirá no nível de sinal recebido no seu interior. Em [16], a atenuação medida em um edifício analisado em uma área urbana foi de cerca de 18 dB, enquanto que em um edifício similar, mas em região suburbana, foi da ordem de 13 dB.

Além dos fatores citados, a perda de penetração é ainda dependente da orientação do prédio em relação ao transmissor e da arrumação (layout) interna do ambiente indoor. ^[9]

Outras conclusões a respeito da propagação no sentido outdoor - indoor são : ^[7]

- a variação em pequena escala do sinal recebido segue uma função de densidade de probabilidade Rayleigh;

- a variação em larga escala do sinal é distribuída log-normalmente com desvio padrão relacionado às condições de transmissão e à área do andar;

- para transmissões sem visada direta, o desvio padrão é de aproximadamente 4 dB. Para visada parcial ou completa, o desvio padrão aumenta para 6 a 9 dB.

Essa situação é a que se denomina usualmente de propagação indoor. A propagação em ambientes indoor é governada basicamente pelos seguintes fatores : ^[10]

- reflexão em objetos, pisos, tetos e paredes, e difração especialmente nas junções (“esquinas”) entre corredores;

- canalização da energia, especialmente em corredores e para freqüências mais altas (devido a múltiplas reflexões);

- dinâmica do ambiente (movimentação de pessoas e abrir e fechar de portas e janelas) e disposição de objetos.

A atenuação no interior de edifícios pode ser classificada em dois grandes grupos : ^[7]

· hard , que é a atenuação devida a componentes da estrutura do edifício (paredes e pisos)

Em geral, a atenuação entre andares é considerada através do Fator de Atenuação de Andares (FAF - Floor Atenuation Factor), com valores tabelados obtidos através de medições. ^[7]

A referência [10] apresenta algumas conclusões gerais a respeito da propagação indoor, válidas especialmente para a faixa de freqüências entre 900 MHz e 2 GHz, que é a faixa na qual há o maior número de campanhas de medição realizadas. As conclusões são as seguintes :

- percursos com uma componente direta apresentam atenuação com a distância através de um expoente de perda em torno de 2 (próximo ao espaço livre, portanto);

- grandes áreas abertas (salão de esportes, fábricas e grandes lojas são alguns exemplos) também tendem a apresentar uma atenuação com a distância segundo um expoente da ordem de 2. Esse fato pode ser devido à forte componente direta existente na maior parte da área;

- corredores exibem atenuação com a distância menor que a atenuação de distância que ocorre no espaço livre, caracterizando o guiamento da onda eletromagnética. O expoente de atenuação com a distância típico é de cerca de 1,8;

- a propagação através de obstáculos pode aumentar a atenuação com a distância para um expoente de cerca de 4 em um ambiente típico, como por exemplo, a propagação entre salas de um escritório;

- para grandes percursos desobstruídos, pode ocorrer a obstrução do primeiro elipsóide de Fresnel, gerando um ponto de quebra. A partir da distância de quebra, o expoente de atenuação com a distância pode chegar a até cerca de 4.

Em [7] são descritas algumas conclusões a respeito da estatística de variação do sinal obtidas após medidas em ambientes indoor. As conclusões são as seguintes :

- as variações em larga escala são razoavelmente descritas por uma log-normal com desvio padrão em torno de 16 dB;

- a taxa de decréscimo do nível médio de sinal, na freqüência de 1800 MHz é de aproximadamente 8,3 dB/andar : 6,1 dB/andar para andares abaixo do transmissor, e 10,4 dB/andar para andares acima do transmissor.

Observa-se que a variabilidade do sinal no ambiente indoor é maior que a do outdoor, o que pode ser explicado em parte pela dinâmica do ambiente (movimentação de pessoas e alterações causadas no ambiente pela abertura de portas e janelas).

Quanto à atenuação com a distância, observa-se que o sinal indoor apresenta duas regiões distintas. A primeira região está situada a cerca de 5-20 metros da antena transmissora e a propagação é similar à propagação em espaço livre ^[18]. Isso é devido ao fato de que, a distâncias muito próximas da antena transmissora, obstruções como paredes, piso e teto não interagem de forma significativa com a onda propagante. Essa interação passa a ser significativa com o aumento da distância em relação à antena transmissora. Assim como definido para as microcélulas dos ambientes outdoor, o ponto que marca a transição entre os dois comportamentos da atenuação com a distância é denominado ponto de quebra (breakpoint). Na propagação ao longo de corredores, medidas indicam valores para o expoente da atenuação com a distância menores que 2, evidenciando um efeito de guiamento da onda (devido ao mecanismo de reflexão), tal qual observado em ambientes outdoor.

Em um andar de um edifício, ou mesmo dentro de uma sala, as características que determinam o comportamento em larga escala do sinal propagante, conhecidas por geometria em larga escala, são analisadas através de dois elementos independentes, válidos para a caracterização da propagação quando transmissor e receptor estão no mesmo andar.^[19] O primeiro elemento é denominado “espaço aberto (clear space) vertical”, compreendendo a região entre o piso e o teto. O segundo elemento consiste nas paredes, que determinarão a existência de reflexões e transmissões. E ainda, dependendo da geometria das paredes e corredores e do nível de campo de componentes refletidas e transmitidas, é possível haver uma contribuição significativa de raios difratados. A região vertical de propagação depende, naturalmente, do ambiente. Por exemplo, salas comerciais têm cadeiras, mesas, arquivos e partições, que definirão a fronteira inferior do espaço livre vertical através do qual ocorre a propagação, como ilustra a Figura 3-20 ^[19]. A fronteira superior é determinada por dutos de ventilação, suportes metálicos, dutos de passagem de fiação e iluminação, entre outros componentes. O espaço de propagação definido entre os componentes do piso e do teto é tipicamente entre 1,5-2,5 metros.

As estruturas que definem as fronteiras superior e inferior são muitas vezes irregulares e funcionam como espalhadores da energia incidente. O espalhamento desvia a energia da propagação (que poderia ser guiada pelo ambiente, caso houvesse apenas reflexão especular) e influi na dependência do nível do sinal com a distância.

Em salas ou áreas com menor ocupação do piso, como halls por exemplo, o espaço livre vertical é diferente. Para esses ambientes, em geral, só existirá a fronteira superior, sendo o limite inferior determinado pelo próprio piso. Especialmente para incidência rasante, o piso poderá funcionar (dependendo também do material que o compõe) como um refletor. Em [19] é feita uma análise da obstrução do primeiro elipsóide de Fresnel pelos limites do espaço aberto vertical, bem como a influência das paredes (que definem o espaço aberto horizontal) na propagação. A interação da onda propagante com paredes dará origem a reflexões especulares e espalhamento, sendo este último mais importante nas proximidades das paredes. A referência [20] apresenta uma comparação entre as freqüências de 900 MHz e 1800 MHz no que diz respeito aos pontos de quebra, explicitando a influência do primeiro elipsóide de Fresnel.

A referência [21] apresenta medições realizadas em um ambiente indoor onde se pode perceber os mecanismos de propagação presentes (Figura 3-21). Na figura, níveis negativos referem-se a valores de atenuação acima da atenuação de espaço livre. Os resultados para o corredor principal (onde está o transmissor) são os únicos que apresentam níveis de atenuação abaixo de espaço livre, devido ao efeito de canalização gerado pelas reflexões ao longo do corredor. O mecanismo de transmissão pode ser observado nos corredores A, B e C e nas salas 1 e 2. Observa-se que as perdas nos corredores E e F não são tão altas como se poderia esperar fazendo uma análise através do mecanismo de transmissão, já que o número de obstáculos atravessados é grande. Os níveis medidos nesses locais são, em grande parte, devidos à difração do campo propagante ao longo do corredor principal nas “junções” com os corredores secundários.

Figura 3-21 - Exemplo de medição indoor, ressaltando mecanismos (níveis em dB relativos ao espaço livre)

A compreensão dos mecanismos de propagação entre andares de um edifício também é de bastante interesse, especialmente quando da implementação de um sistema celular, onde se faz necessária a análise de parâmetros como fator de reuso e interferências. A referência [20] subdivide a propagação entre andares em duas categorias : propagação interna, através de pisos e tetos; e propagação externa, através de difrações principalmente nas janelas de cada andar. A Figura 3-22 ilustra os mecanismos e a

Figura 3-23 apresenta um gráfico mostrando a influência de cada categoria na propagação.

A Figura 3-23 ilustra a influência relativa entre os dois mecanismos principais de propagação entre andares. A medida em que o número de andares atravessados aumenta, naturalmente a atenuação do raio transmitido internamente tende a crescer. Então, os percursos difratados passam a superar em importância o percurso interno. Outro mecanismo de relativa importância, dependendo das construções vizinhas à analisada, é o gerado por raios que refletem em edificações circundantes e retornam ao edifício analisado.

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