parte 1 professor leonardo maia

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TL004 – Sistemas Radioenlaces Digitais - Terrestre

Capítulo IV – Projetos de Radioenlaces Digitais Terrestres utilizando a Recomendação ITU-R P530.

Parte 1

Professor Leonardo Maia

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Análise e Dimensionamento de Enlaces Rádio Digital

Agenda

• Equacionamento Básico do Enlace• Relação entre Eb/N0 e C/N• Análise de Desempenho de Serviço para Enlaces

Rádio Digital (ITU-R)• Técnicas de Melhoria de Desempenho

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Equacionamento Básico do Enlace Desobstruído na Ausência de Desvanecimento

TX

RX

TX

RX

Pt Ad

Ac

Gt Gr

Ac

Ad

PrNi

F

Ae

Análise e Dimensionamento de Enlaces Rádio Digitalw

ww

.inat

el.b

r

Potência do Sinal na Entrada do Receptor

Onde:

Pt Potência disponível na saída do transmissor em dBmAd Atenuação nos derivadores em dBAc Atenuação nos alimentadores em dBGt Ganho da Antena de transmissão em dBiAe Atenuação no espaço livre em dBGr Ganho da antena de recepção em dBiPr Potência na entrada do receptor em dBm

retcdtr GAGAAPP (1)


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Representação da Potência na Entrada do Receptor

Gr

Pt

Ad+Ac

Pr

Ad+Ac

Gt

Ae

Distância

Nível dePotência

retcdtr GAGAAPP (1)


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.inat

el.b

r

Perda por Propagação no Espaço Livre (Ae)


d

f

A = 92.4 + 20 log d + 20 log f

Onde d = distância em Kmf = frequência em GHz

(referente a antena isotrópica)

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Potência de Ruído na Entrada do Receptor

(W) k.T.BNi (2)

Onde:

Ni Potência de ruídok Constante de Boltzman (1,38.10-23 J/K)T Temperatura de ruído (300 K)B Largura de faixa do canal de rádio (Hz na eq. 2 e MHz na eq. 3)

(dBm) 10logB113,83Ni (3)

Particularizando para a largura de faixa em MHz na equação 3:


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r

Potência de Ruído Total

Considera-se também a contribuição de ruído do receptor representada pela sua figura de ruído F em dB

(dBm) F10logB-113,83N (4)

Onde:

N Potência de ruído Total (dBm)B Largura de faixa do sinal modulado (MHz)F Figura de ruído do receptor (dB)


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Definição da Relação Portadora/Ruído (C/N)

dBm N

CNPr (5)

Onde:

C/N Relação portadora ruído (dB)Pr Potência do sinal na entrada do receptor (dBm)N Potência de ruído total (dBm)


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r

Diagrama de Níveis do Sistema

tP

rG

tG

rG

tG

tP

eA

cA

dA

eA

cA

dA

rG

tG

tP

rP

NrPNC

Fi

NN

iNF


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Agenda






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r

Relação Entre Eb/N0 e C/N

A probabilidade de erro de bit (BER) em um sistema de transmissão digital com modulação, depende basicamente da relação entre a energia de bit e a densidade espectral de ruído

(Eb/N0), e do tipo de modulação utilizado.

(Eb/N0) pode ser relacionada com (C/N) da seguinte forma:

00 N

tC

N

E bb . (6)

00 NR

C

N

Eb

. (7)

Rtb1

tb Tempo de duração de um bit (s)R Taxa de transmissão (bit/s)


7

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R

Bx

N

C

N

Eb 0

(8)

Relação Entre Eb/N0 e C/N

Multiplicando o numerador e o denominador da equação (7) pela largura de faixa do sistema de recepção (B), tem-se:

B

Bx

NR

C

N

Eb

00 .

R

Bx

BN

C

N

Eb

.00

BN .0

BNN .0


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r

Largura de Faixa do Sistema de Recepção

= 0,75 = 0,50 = 0,25

= 0Amplitude

B’f

Filtro de FI e fatores de roll-off assintóticos

1'BB (9)'B

)(log

' 12 M

RB

12 M

RB

log(10)

M número de símbolos do esquema de modulação


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Agenda

• Equacionamento Básico do Enlace• Análise de Desempenho de Serviço para Enlaces

Rádio Digital (ITU-R)• Técnicas de Melhoria de Desempenho• Estudo de Caso

• Equacionamento Básico do Enlace• Análise de Desempenho de Serviço para Enlaces

Rádio Digital (ITU-R)• Técnicas de Melhoria de Desempenho• Estudo de Caso


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r

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• Fator Geoclimático (K)• Fator de Ocorrência Multipercurso (p0)

Análise de Desempenho de Serviço para Enlaces Rádio Digital

• Probabilidade Fora de Serviço• Devido a desvanecimento não seletivo (Pns)• Devido a desvanecimento seletivo (Ps)• Devido desvanecimento não seletivo e seletivo (Ptot)

• Fator de Propagação por Multipercurso (P0)


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Estimando o Fator Geoclimático K

42,01003,09,310 adN sK

Se o fator geoclimático para a região de interesse não estiver disponível,pode-se estimá-lo a partir da expressão apresentada a seguir:

Onde:

dN1 é o gradiente de refratividade que não excede 1% da média de um ano,na região do enlace (N/km).

Sa é a rugosidade do terreno (m), definida como sendo o desvio padrão daaltitude do terreno com 30 s de resolução na latitude e na longitude, com oenlace centralizado em uma área de 110 km x 110 km.

(11)


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r

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Estimando o Fator Geoclimático K (determinando dN1)ALTITUDE

(m)

REGIÃO NORTE

Incluindo

MA, PI, CE

REGIÃO

CENTRO

OESTE

REGIÃO

NORDESTE

Exceto

MA, PI, CE

REGIÃO

SUDESTE

REGIÃO

SUL

100 -715 -610 -565 -480 -445

200 -670 -570 -530 -450 -415

300 -625 -535 -495 -420 -395

400 -585 -505 -465 -395 -370

500 -550 -475 -435 -375 -350

600 -520 -445 -410 -355 -335

700 -490 -420 -385 -335 -315

800 -460 -395 -365 -315 -300

900 -430 -375 -345 -300 -285

1000 -405 -355 -325 -285 -275

1100 -270 -260

1200 -255 -250

1300 -245 -240

1400 -235 -230

1500 -225 -220

Valo

res de dN

1(em

un

idad

es N/km

)


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Como a determinação de dN1 não é direta, apresentamos na tabela anterior os valores de dN1 para regiões do Brasil, obtidos de acordo com o procedimento e mapas apresentados na Rec. ITU-R P.453-8 e com auxílio do programa MathCad.

Estimando o Fator Geoclimático K (determinando dN1)


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r

20

n

hhS

n

i

i

a

1

2)(

Pode-se determinar a rugosidade (Sa) como sendo o desvio padrão

das altitudes (hi) a cada 500 m do percurso, excluindo-se as altitudes próximas das estações.

Onde:

hi é a altitude no ponto ih é a média aritmética das altitudes

n é o número de altitudes obtidas ao longo do percurso

Estimando o Fator Geoclimático K (determinando Sa)

(12)


11

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10029,02,410 dNK

Para fins de planejamento, quando a rugosidade do terreno não é conhecida, pode-se calcular o valor de K, de forma razoavelmente

precisa, a partir da equação abaixo

Como vimos:

dN1 é o gradiente de refratividade que não excede 1% da média de um ano,região do enlace (N/km).

Estimando o Fator Geoclimático K (desconsiderando Sa)

(13)


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r

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• Fator Geoclimático (K)




12

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% 101 00085,0032,097,02,3

0Lhf

pKdp

Depende das condições geoclimáticas, da geometria e da frequência do enlace. Para um dimensionamento preciso, quando o valor de K for

obtido por medições ou determinado pela equação (11), po deve ser determinado de acordo com a seguinte expressão:

Onde:

d é a extensão do enlace (km)/p/ é a inclinação da linha de visada em relação ao nível do mar (mrad)

f é a frequência da portadora para o enlace (Ghz)

hL é a menor das alturas das antenas, ht e hr, em relação ao nível do mar

Determinação do Fator de Ocorrência Multipercurso (p0)

(14)


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el.b

r

24

Determinação do Fator de Ocorrência Multipercurso (p0) ( determinando p )

mhr

mht

kmd

p

Calculando a inclinação da linha de visada direta em relação ao nível do mar (mrad)


13

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/p/ é a inclinação da linha de visada em relação ao nível do mar (mrad)

ht é a altura da antena da estação t, em relação ao nível do mar (m)

hr é a altura da antena da estação r, em relação ao nível do mar (m)

d é a extensão do enlace

Determinação do Fator de Ocorrência Multipercurso (p0) ( determinando p )

d

hh rt

p

(15)


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r

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Determinação do Fator de Ocorrência Multipercurso (p0)

Para propósito de planejamento rápido, quando o K for obtido a partir da equação (13) – onde desconsidera-se a rugosidade do terreno

(Sa) – o fator de propagação por multipercurso deve ser calculado através da equação (16)

% 101 001,0033,02,10,3

0Lhf

pKdp (16)


14

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el.b

r

28

Determinação do Fator de Propagação por Multipercurso (P0)

1000

0p

P (17)


15

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el.b

r

30

Determinação da Probabilidade do Desvanecimento Não Seletivo Exceder a Margem (Pns)

10010

M

ns PP

(18)

A probabilidade do desvanecimento não seletivo exceder a margem (Pns) para a média do pior mês do ano, é dada por:

M é a margem para desvanecimento não seletivo (desvanecimento plano) (dB)


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31

Determinação da Probabilidade do Desvanecimento Não Seletivo Exceder a Margem (Pns) (determinando M)

MPns

Amplitude

t

Pr

Pmin

M

1 h


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r

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Desvanecimentos podem ocorrer em função de vários fatores relacionadoscom as alterações das condições de propagação do meio de transmissão. Onível de recepção ao longo do tempo pode ser monitorado durante umperíodo de referência, a partir do qual podem ser estabelecidas expressõesempíricas que determinam a probabilidade do desvanecimento exceder umdeterminado valor Pns M.

Como vimos, através da equação 18, o ITU-R P.530-10 estabelece umprocedimento para o cálculo do efeito do ruído térmico (desvanecimentoplano ou desvanecimento não seletivo).

Vemos no gráfico anterior o registro de um nível de recepção hipotéticopor um período de tempo.



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33


Através do gráfico anterior podemos ver que:

Lr PPM (19)

Lretcdt PGAGAAPM

retcdtr GAGAAPP Como: Equação 1

tP LPdA


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r

34

Determinação da Probabilidade do Desvanecimento Não Seletivo Exceder a Margem (Pns) (determinando M através de Vs)

Podemos então determinar o valor do sistema (Vs):

dLts APPV (20)

Calculando a margem através do valor do sistema, que normalmente é fornecido pelo fabricante do equipamento, tem-se:

ecrts AAGGVM (21)


18

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Diagrama de Níveis do Sistema (Incluindo a margem)

tP

rG

tG r

Gt

Gt

P

eA

cA

dA

eA

cA

dA

rG

tG

tP

rP

NrPNC

Fi

NN

iNF

LP

M


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r

36

Determinação da Probabilidade Fora de Serviço Devido ao Desvanecimento Seletivo (Ps)

A probabilidade do enlace ficar fora de serviço devido aos efeitos do desvanecimento seletivo depende de um parâmetro de

atividade multipercurso, da área de assinatura e do tempo médio de retardo (entre sinais de dois percursos) e é determinada da

seguinte forma:

232,4 ms SP (22)

é o parâmetro de atividade multipercurso

S é a área de assinatura do equipamento (ns-2)

m2 é o tempo médio de retardo (ns)


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37

Determinação da Probabilidade Fora de Serviço Devido ao Desvanecimento Seletivo (Ps) – ( determinando )

))P(2,0exp(1 4/30 (23)

O parâmetro de atividade multipercurso é determinado por:


ww

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el.b

r

38

(24)

Determinação da Probabilidade Fora de Serviço Devido ao Desvanecimento Seletivo (Ps) – ( determinando S )

A área de assinatura, quando não fornecida diretamente pelo fabricante, pode ser determinada (Rec. ITU-R F.1093-1) , por aproximação

retangular, pela expressão

2

20

10

nsW

Sr

B

W é a largura da curva de assinatura (GHz).

r é o retardo de referência (ns)

B é a profundidade do desvanecimento seletivo que determina a curva deassinatura para um dado valor de atraso de referência e taxa de erro.


20

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39

Determinação da Probabilidade Fora de Serviço Devido ao Desvanecimento Seletivo (Ps) – ( determinando S )

310

3,6

BER

nsr

Aproximação retangular

GHzW

dBB

Área de assinatura do equipamento


ww

.inat

el.b

r

40

(25)

Determinação da Probabilidade Fora de Serviço Devido ao Desvanecimento Seletivo (Ps) – ( determinando m )

nsd

m

3,1

507,0

O tempo médio de retardo é determinado por:


21

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Determinação da Probabilidade Fora de Serviço Devido ao Desvanecimento Seletivo (Ps) – ( outra forma de determinar S !!! )

(26)

Outra forma de apresentar a área de assinatura é através da área de assinatura normalizada, definida como:

2

2

nsT

KS

s

n

Kn é a área de assinatura normalizada

Ts é o período de símbolo (ns)

M é o número de símbolos da modulação (ou numero de símbolos da constelação)

Rb é a taxa de transmissão de bit (Mbit/s)

(27) nsR

MT

b

s

32 10log


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el.b

r

42

Esquema de Modulação

Kn

64-QAM 15,4

16-QAM 5,5

8-PSK 7,0

4-PSK 1,0

Determinação da Probabilidade Fora de Serviço Devido ao Desvanecimento Seletivo (Ps) – ( outra forma de determinar S !!! )


22

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Determinação da Probabilidade Fora de Serviço Total Devido aos Desvanecimentos Não Seletivo e Seletivo (Ptot)

(28)

Sem uso de diversidade, a probabilidade de tempo fora de serviço é a soma da probabilidade de tempo em que o desvanecimento plano excede

a margem com a probabilidade de tempo fora de serviço por efeito do desvanecimento seletivo.

snstot PPP


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r

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Observação !!!

Em enlaces que operam com taxas de transmissão de até aproximadamente 8 Mbit/s os efeitos do desvanecimento plano, na

probabilidade de tempo fora de serviço, predominam sobre os efeitos do desvanecimento seletivo, ou seja, Pns >> Ps . Consequentemente,

(29)nstot PP


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