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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
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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.
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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.
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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].
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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)
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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).
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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.
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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.
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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
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ASSINATURA DO ORIENTADOR
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ASSINATURA DO ALUNO