artigo malcon santos internet via radio

Provedor de Internet Via Rádio

Santos, M. R. U. ˡ , Cavarsan, F. A. 2ˡ Graduando em Engenharia Elétrica – Telecomunicações – Unisal - [email protected],

2Mestre em Engenharia Elétrica – Unisal - [email protected]

Resumo – O objetivo deste artigo é verificar a viabilidade técnica para implementação de um provedor de internet via wireless na cidade de Maracaju – MS, utilizando os softwares Radio Mobile e Google Earth, seguindo as normas da ANATEL e utilizando estruturas já existentes na cidade. O artigo teve como fundamentação teórica as informações necessárias para desenvolver um rádio enlace micro-ondas e broadcast, utilizando o modelo de predição de propagação Longley-Rice, assim como os cálculos envolvidos no mesmo e análise dos resultados.

Palavras-chave: Internet via rádio, enlace micro-ondas, Radio Mobile, Longley-Rice, wireless.

I. INTRODUÇÃO

Atualmente, a demanda por serviços de comunicação via internet tem crescido substancialmente, porém, as grandes operadoras de telecomunicações do país não atendem todas as cidades satisfatoriamente.

De modo que as pequenas cidades acabam por possuir apenas uma opção de operadora, com um número limitado de pares metálico por região, capacidade de banda e ainda baixa qualidade de serviço.

Paralelamente, ainda existem os clientes que não querem a obrigatoriedade de assinar uma linha telefônica ou planos de televisão a cabo para terem acesso a internet, além do que o atendimento em áreas rurais por meio físico é dificultado.

Nessas cidades o serviço de internet via rádio vem crescendo e suprindo a demanda, por possuir planos mais flexíveis, facilidade de instalação e baixo custo de manutenção.

A cidade escolhida para estudo de viabilidade do projeto foi Maracaju –MS, por possuir apenas duas operadoras de telecomunicações, OI e GVT, e por ainda possuir uma grande área rural e inúmeros locais com moradores sem acesso à internet banda larga.

O presente artigo tem a finalidade de desenvolver um projeto de um provedor de internet via rádio para atender toda a cidade, utilizando torres e prédios já existentes e faixas de frequência livre.

Para o dimensionamento e análise de viabilidade do sistema foram utilizados softwares livres, como o Rádio Mobile e Google Earth, respeitando as recomendações e normas da ANATEL.

II. REFERENCIAL TEÓRICO

Todo sistema de transmissão que utiliza o espaço livre para comunicação é denominado como wireless, sendo que o rádio enlace foi o primeiro meio de transmissão de alta capacidade. (BARRADAS, 1978)

Hoje, com a evolução do sistema de comunicação, os backbones de alta capacidade via rádio enlace estão sendo substituídos pelo sistema de fibra ótica. (HAYKIN, 2008)

Porém, para os sistemas de baixa e média capacidade, o rádio enlace é muito utilizado, devido ao seu baixo custo de instalação e fácil manutenção.

Sistema RádioEm um sistema de rádio enlace, Figura 1, a

informação é transportada entre duas estações através do espaço. A distância máxima para essa transmissão depende das condições topográficas, faixas de frequências e potência de transmissão e recepção dos rádios.

Para que ocorra a comunicação via rádio ponto-a-ponto, é necessário existir visibilidade entre as duas estações, uma antena deve ser dirigida para a outra, para que o sinal tenha uma boa qualidade e intensidade. Basicamente o sistema de cada estação possui um elemento rádio (transmissor e receptor), uma antena (elemento irradiante) e linha de transmissão (espaço).

Figura 1 – Sistema de rádio enlace

Fonte: Radio Dados, 2016

Projeto de Fim de Curso – Engenharia Elétrica-Telecomunicações, 2016-1

mailto:[email protected]

mailto:[email protected]

A função principal do rádio é processar o sinal digital em frequência, fase e amplitude para sua transmissão. Essa transformação é realizada através da modulação do sinal e variação da amplitude em uma determinada frequência que o rádio opera.

A linha de transmissão tem a função de levar o sinal até a antena, nesse caso, através de cabos coaxiais ou do transceptor até a estação de trabalho, nesse caso, feito através de cabos de rede.

Os rádios atuais seguem a tendência all-in-one, sendo acoplados na própria antena, levando o sinal através de cabos de rede, isso por que os cabos coaxiais utilizados para interligação dos elementos, apresentam uma alta atenuação no sinal elétrico, diferentemente dos cabos de rede que conseguem transportar o sinal por até 100 metros, sem perdas significativas. (HAYKIN, 2008)Topologias

Em um provedor de internet via rádio são utilizadas duas topologias, uma para interligação de suas estações rádio base (ERBs) empregando a topologia ponto-a-ponto e os clientes através da topologia ponto multiponto.

Na topologia ponto-a-ponto, Figura 2, são utilizados rádios com antenas altamente diretivas, visando a interligação de dois pontos. Essa configuração tem a aplicação de conectar as ERBs e alguns clientes com necessidade de alta disponibilidade e capacidade.

Figura 2 – Topologia ponto-a-ponto

Fonte: https://www.ubnt.com/

Já a configuração ponto multiponto, Figura 3, o conceito é atender diversos usuários simultaneamente, a partir de uma ERB, planejada estrategicamente para atender uma determinada área.

Figura 3 – Topologia ponto multiponto


Nessa arquitetura são formadas células, que pode utilizar antena omnidirecional, que irradia o sinal em 360º ou diretivas setoriais, que podem abranger um ângulo determinado formando uma área de 360º ou não. Essas células setoriais podem ser projetadas para trabalhar com inúmeras antenas, posicionadas sequencialmente atendendo uma grande área. Contudo, dependendo da demanda, cada antena setorial pode trabalhar com um rádio, aumentando a capacidade de banda da célula.

Unidades de TransmissãoA taxa de transmissão é a quantidade de

informações que um equipamento é capaz de transmitir por um determinado tempo, medido em mega bits por segundo (Mbps).

A potência de transmissão é mensurada em decibel milliwatt (dBm) e corresponde a quantas vezes o sinal será ampliado para propagação. (BARRADAS, 1978)

Em telecomunicações o parâmetro de referência dBm é 1 milliwatt, sendo que o mesmo corresponde a 0 dBm, e cada vez que esse sinal é dobrado lhe são acrescentados 3 dBm e da mesma forma, quando é dividido, subtraímos 3 dBm. (BARRADAS, 1978)

AntenasAs principais características de uma

antena são: faixa de operação, ganho, padrão de irradiação, polarização e nível de sensibilidade.

O nível de sensibilidade é correspondente com o mínimo de sinal que o rádio é capaz de receber, ampliar e processar, com um volume aceitável de erros.

A faixa de operação é o intervalo de frequência que a antena trabalha, mantendo as características elétricas dentro do esperado. Fora dessa faixa de frequência pré-determinada em seu projeto, ela atenua ou rejeita o sinal.

O ganho de uma antena é medido em decibel isotrópico (dBi), e como o dBm onde é o resultado de uma comparação. Porém, o dBi é medido comparando-se a um radiador isotrópico, ou seja, uma antena teórica que


https://www.ubnt.com/


irradia o mesmo sinal em 360º com 0 dB de ganho. Toda antena real concentra o sinal em alguma direção e quanto mais concentrado for o sinal, maior o seu ganho. (BARRADAS, 1978)

O elemento irradiante ou antena tem a função de transformar o sinal modulado em eletromagnético e irradiar ou receber o mesmo, ela simplificadamente guia o sinal eletromagnético através do espaço livre.

Já o padrão de irradiação, Figura 4, está associado a intensidade de irradiação em uma determinada direção do espaço. O gráfico deste elemento chama-se diagrama de irradiação, que mostra o esquema da distribuição no espaço tridimensional.

Figura 4 – Diagrama irradiação


A polarização é a maneira como os campos de uma onda eletromagnética se orientam no espaço e está diretamente conexa com a direção do campo elétrico demonstrada na Figura 5, ou seja, a onda é horizontalmente polarizada quando o campo elétrico é paralelo à superfície da terra e verticalmente polarizada quando o campo elétrico é perpendicular a esta. (PEDRINI, 2011)

Figura 5 – Polarização onda eletromagnética

Fonte: Pedrini, 2011

A definição da polarização se dá pelas características mecânicas da antena e posicionamento do alimentador, sendo, essa uma maneira de se transmitir em uma direção, horizontal ou vertical.

A polarização vertical geralmente é utilizada nas comunicações terrestres, pois

produz uma maior intensidade de campo próximo ao solo.

Faixa de Frequência As faixas de frequência são classificadas

de acordo com o seu comprimento de onda, são formadas pela oscilação de um campo elétrico e um magnético, perpendiculares entre si. As ondas são representadas por senóides, e o comprimento de onda, Figura 6, é a distância entre dois picos dessa onda. Cada faixa de frequência tem sua forma de propagação e capacidade de transmissão.

Figura 6 – Comprimento de onda

Fonte: Pedrini, 2011

Para controlar e regulamentar o uso dessas faixas de frequência que é limitada, existem alguns órgãos, tais como: International Telecommunication Union (ITU); Federal Communicatios Commission (FCC); Agência Nacional de Telecomunicações (ANATEL) e Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE).

Em 1985 o FCC liberou uma banda para uso livre, conhecida como Industrial, Scientific and Medical (ISM) para o desenvolvimento industrial, científico e médico, não precisando ser licenciada. Para seu uso existe limites de potência e modulação, impostos pelo FCC e pelas agências nacionais de cada país, no Brasil a ANATEL.

A banda ISM compreende três segmentos do espectro: 902 MHz a 928 MHz, 2.400 MHz a 2.483,5 MHz e 5.725 MHz a 5.850 MHz; e a banda Unlicensed National Information Infrastructure (U-NII), que contém as faixas de frequências entre 5.150 MHz e 5.825 MHz. (FCC, 1947)

A frequência de 2.4 GHz é mais utilizada e suscetível a interferências causadas por equipamentos eletrônicos, e possui uma menor quantidade de canais, porém ela tem um maior alcance e capacidade de contornar obstáculos, devido ao fenômeno da difração, sendo a melhor opção para distribuição setorial.

A faixa de 5.8 GHz é mais estável e menos utilizada, apesar de possuir uma faixa maior e



consequentemente maior número de canais possíveis, porém quanto maior a frequência, menor é sua capacidade de transpor obstáculos, sendo uma ótima opção dentre as frequências ISM para links com visada direta.

Zona de Fresnel A zona de Fresnel é um dos fatores mais

relevantes de um rádio enlace. A energia do sinal irradiado é distribuída em seções elipsoides no espaço em torno da linha de visada direta, chamada zonas de Fresnel, onde a primeira dessas zonas concentra 50 % de toda energia irradiada. Para existir uma visada direta, não basta apenas ter a visibilidade entre os pontos A e B, a primeira elipse de Fresnel deve estar desobstruída, conforme Figura 7.

Figura 7 – Zona de Fresnel

Fonte: Battisti, 2016

O cálculo do primeiro raio da elipsoide pode ser realizado através da (1).

Rf =(λ ∙ d 1∙ d 2d 1+d2

)1/ 2

(1)

Onde:Rf –Distância entre a linha de visada e a

primeira zona de Fresnel.λ –Comprimento de ondas em metros.d1-Distância entre a estação A até o ponto

a ser calculado da zona de Fresnel.d2 –Distância entre a estação B até o

ponto a ser calculado da zona de Fresnel. Inclinação da crosta terrestre

Ao se projetar um rádio enlace deve-se levar em consideração a curvatura da Terra, onde são aplicados dois fatores K, um para atmosfera padrão, que é considerado K=4/3 e o Kmínimo que varia de acordo com a distância do enlace, podendo ser obtido através da Figura 8, informado pela ITU-R P530-10.

Para enlaces menores que 10 Km é recomendado utilizar o fator de 0,3 para o Kmínimo.

Após aplicar essa correção é possível determinar a altura da antena, baseado na percentagem do raio de Fresnel que precisa estar livre, variando de acordo com a frequência utilizada.

Para a frequência de 2.4 GHz é necessário um Kmínimo de 30% do enlace desobstruído e Kmédio de 60%. Já para a frequência de 5.8 GHz é necessário que 60% para o Kmínimo desobstruído e 100% para o Kmédio, de acordo com Miyoshi (2002).

Figura 8 – Valor de Kmínimo (Clima Continental Temperado)

Fonte: Radio Dados, 2016

Perda no espaço livreNa propagação do sinal entre as antenas,

existe uma atenuação natural no meio em que o sinal é propagado. A perda no espaço livre pode ser calculada, variando de acordo com a frequência em operação e a distância entre as estações, através da (2):

Aₒ=32,40+20 log ( f )+20 log (d ) (2)

Onde: Aₒ -Atenuação no espaço livre em dB.f -Frequência em MHz.d -Distancia em Km.

Perdas devido à chuvaA atenuação da onda provocada pela

chuva pode ser calculada, usando o método da ITUR.

Nas frequências de 2.4 e 5.8 GHz a interferência é mínima, devido ao comprimento de onda ser maior que as gotas da chuva.

Sendo considerado atenuação somente para chuvas torrenciais, para as frequências de 2.4 GHz podendo sofrer atenuação de 0.05dB/Km e a frequência de 5.8 GHz atenuação de 0.5dB/Km. (BATTISTI, 2016)


Para se ter uma alta disponibilidade do sistema é necessária uma margem de segurança de 10 dBm acima do limar de recepção para as frequências de 2.4 GHz e de 15 dBm para enlaces de 5.8 GHz.

Perdas devido a atmosfera A atenuação atmosférica é causada por

dois componentes, o oxigênio e o vapor d’água. Eles são responsáveis pela curvatura das ondas e impõem perdas, que são mínimas, não afetando significantemente o enlace.

As frequências de 2.4 e 5.8 GHz não sofrem atenuação por vapor d’água e as perdas pelo ar seco são de 0,005 dB e 0,009 dB/Km respectivamente, ou seja, em um enlace de 50 Km utilizando a frequência de 5.8 GHz a atenuação máxima por gases pode chegar é 0,54 dB. (BATTISTI, 2016)

DesvanecimentoO ar é o meio de comunicação utilizado

pelos sistemas de rádio. Ao atravessar o meio o sinal está sujeito a reflexões, sejam pelo solo, atmosfera, obstáculos fixos ou móveis, sofrendo alterações de amplitude, percurso e distorções em sua amplitude e fase. Essas variações no tempo são chamadas de desvanecimento. Existem dois tipos de desvanecimento, o plano e o seletivo.

Desvanecimento planoO desvanecimento plano tem todas

características do sinal atenuadas simultaneamente, permitindo que as características espectrais do sinal se mantenham inalteradas, chegando ao receptor com apenas um decréscimo no sinal ruído. Ele pode ser causado pela difração, dutos troposféricos e atenuação por chuvas. Desse modo a variação nas faixas ISM é muito baixa podendo ser desprezadas. (MIYOSHI, 2002)

Desvanecimento seletivoO seletivo por sua vez, causa alterações

desiguais nos componentes do espectro, causando interferências intersimbólicas, chegando ao receptor diversos sinais emitidos em tempos diferentes, tornando o indecifrável. O desvanecimento é gerado devido a uma parte da energia irradiada se dispersar, refletindo no solo e na atmosfera produzindo caminhos alternativos para o sinal, Figura 9. Assim, o sinal no receptor estará distorcido em relação ao sinal enviado (MEDEIROS, 2009).

Para uma análise do ambiente, geralmente é utilizado o modelo de dois raios, o cálculo é realizado levando em consideração dois raios, o principal e o refletido, e o sinal recebido será a somatória (interferência) (MIYOSHI, 2002).

H (ω)=A+B∙e− j(ωτ+θ ) (3)

Onde: A – Intensidade do raio principalB – Intensidade do raio defasadoτ - Retardo do raio indiretoϴ - Diferença de fase entre os sinas (0 até

2ᴨ)

Referenciando essa equação ao raio direto A, temos:

H (ω)=1+ ρ∙ e− j(ωτ+θ ) (4)

Onde: ρ – B/A (intensidade do raio refletido

divido intensidade do raio direto)

Figura 9 – Perfil com sinal multipercurso

Fonte: Battisti, 2016

Relação sinal/ruídoEm qualquer sistema de comunicação é de

suma importância a relação sinal/ruído (SNR). Quantificada em dB e obtida através do logaritmo da relação entre a potência do sinal e a potência do ruído, quanto maior for a relação, menor o efeito do ruído sobre o sinal, (MEDEIROS, 2009).

O ruído é formado pela agitação dos elétrons presentes na matéria, sendo captado pela antena e amplificado. Existem ruídos atmosférico, cósmico e provocados pelo homem, esse sendo o mais comum. O ruído provocado pelo homem é gerado por aparelhos, maquinas ou dispositivos. Comparativamente ao sinal, elevado, o ruído pode tornar a informação indecifrável, inviabilizando a comunicação.

Como o ruído sempre está presente, a potência do sinal deve superar sua intensidade, a Figura 10 demonstra um sinal com e sem ruído.

Figura 10 – Diferença sinal sem e com ruído


Fonte: Pinto, 2016

Taxa de erro na comunicação digitalOs sistemas de comunicação digital

seguem o mesmo modelo do sistema analógico, porém as informações são digitalizadas através de um conversor analógico/digital, transformando as informações em bits, ou seja 0 e 1.

O erro em comunicação digital se dá quando é transmitido 1 e o receptor entende 0. Esse erro ocorre quando o sinal é mascarado pelo ruído, pois os bits são recuperados da portadora chaveada.

As taxas de erro nas comunicações digitais são previstas em função da relação Eb/N0 (energia do bit/densidade espectral de ruído). (HAYKIN, 2008)

ModulaçãoA modulação é a forma que as

características de um sinal são modificadas com a finalidade de transportar informações, essas alterações podem ser em relação a amplitude, fase e frequência ou a combinação delas.

Tipos de modulação: Amplitude shift keying (ASK); Frequency shift keying (FSK); Phase shift keying (PSK); Quadrature Amplitude Modulation (QAM) e Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM).

Na Figura 11 pode ser observada uma transmissão em diferentes tipos de modulação, sendo possível observar a alteração de uma característica, fase, amplitude ou frequência em cada tipo de modulação.

Figura 11 – Tipos de modulação

Fonte: Pinto, 2016

A técnica de modulação QAM mapeia os símbolos em um diagrama, sobrepondo duas portadoras em quadratura, alterando duas características simultaneamente, transmitindo de 2 a 8 bits em cada símbolo, como pode ser visualizado na Figura 12.

A técnica OFDM, basicamente, transmite em paralelo dados em diversas subportadoras, o espaçamento entre elas é criteriosamente selecionado para que cada uma seja alocada em pontos com cruzamento de zero, como pode ser visualizado na Figura 13. Cada subportadora é ortogonal entre si e pode ser modulada de maneira diferente, evitando interferências e otimizando a banda total ocupada por um sinal. Por utilizar diversas subportadoras ela possui maior resistência a interferências intersimbólicas e interferências causadas por múltiplos percursos. A Figura 14 demonstra uma transmissão OFDM sendo divido em diversas subportadoras. (PINTO, 2016)Figura 12 – Constelação do sinal modulado em

16QAM

Fonte: Artigo_MEEC_7 OFDM

Figura 13 – Espaçamento entre portadoras OFDM



Figura 14 – Transmissão OFDM


O tipo de modulação e demodulação utilizado por cada sistema é um dos fatores mais importantes em um projeto, pois ele define o nível de desempenho e disponibilidade de um enlace.

Para sistemas ponto multiponto, devido o espectro ser limitado, ele deve suportar diversos acessos simultaneamente. As técnicas de acesso múltiplo ao sistema são: Frequency-Division Multiple Access (FDMA); Time-Division Multiple Access (TDMA); Code-Division Multiple Access (CDMA); Space-Division Multiple Access (SDMA) e; Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA).

O objetivo dessas estratégias é maximizar a utilização do espectro de frequência, ou seja, fornecer serviços a muitos usuários utilizando o mesmo espectro, pois em um sistema wireless é necessário acomodar o maior número possível de usuários em um único canal. Na prática, a maioria dos sistemas wireless combinam uma ou mais estratégias de múltiplo acesso, possibilitando que os dados de cada um, apesar

de serem transmitido e recebidos juntos, sejam entregues até seus respectivos destinos (HAYKIN, 2008).

Padrão IEEE 802.11A criação de um padrão para as

comunicações wireless foi necessário para garantir a compatibilidade e inter-operabilidade entre equipamentos de fabricantes e tipos diferentes.

Hoje todos os sistemas wireless são baseados nos padrões 802 da IEEE que definem técnicas de transmissão e codificação de cada variação. As variações são indicadas pelo número e letra que sucedem esse código. (IEEE XPLORE, 2016)

O padrão 802.11g opera na frequência de 2.4 GHz e permite taxas de transferência de até 54 Mbps, utiliza a técnica de modulação OFDM e trabalha com um canal de 20 MHZ, oferecendo compatibilidade com o padrão 802.11b.

No padrão 802.11n é possível operar nas frequências de 2.4 ou 5 GHz. A principal alteração nesse padrão em relação ao 802.11g foi a introdução do Multiple-Input Multiple-Output (MIMO), permitindo que sejam utilizados diversos fluxos de transmissão e recepção, transmitindo os dados de forma paralela, juntamente com a redução do intervalo de transmissões que permite alcançar a velocidade de até 600 Mbps. As principais características desse padrão é a utilização racional e econômica do espectro que é limitado, elevando a eficiência espectral. (IEEE XPLORE, 2016)

Modelo de propagaçãoAo se projetar uma rede para cobertura de

um determinado local, deve se levar em consideração fatores como: Efeitos de propagação, nível máximo de potência transmitida pela ERB e nos terminais, altura típica dos terminais e ERB, clima e obstruções por ambiente.

Em um sistema ponto-a-ponto, se conhece com precisão o ponto de recepção e transmissão, sendo possível projetar um sistema otimizado, levando em consideração todos os fatores de atenuação, obstrução e interferência nesse meio.

Porém, em um projeto de cobertura, a dificuldade é maior, pois apesar de ser conhecido o ambiente de propagação, não se consegue prever com precisão a conexão em todos os pontos de uma cidade, as interferências ou obstruções físicas, moveis e atenuações diversas nesse meio.


Para propagação de cobertura foram desenvolvidos modelos empíricos, determinísticos e semi- determinísticos.

Os modelos empíricos são desenvolvidos através de medições realizadas em determinados ambientes e faixas de frequência, que levam em consideração o clima e tipos de construções, gerando equações, gráficos ou valores médios de parâmetros. Alguns modelos são adaptados para predição em ambientes globais.

Os modelos determinísticos utilizam fórmulas de teorias eletromagnéticas para se realizarem cálculos de cobertura de uma região, que consiste no rastreamento do campo eletromagnético ao longo das diversas frentes de ondas e as interações possíveis com o ambiente.

Os modelos semi-deterministico mesclam teorias e dados estáticos obtidos através das medições. A modelagem computacional utiliza vários métodos existentes para predizer e determinar áreas de cobertura, reduzindo custos de implantação do sistema, podendo se explorar situações em diferentes trajetos, alturas e potência de antenas. (MIYOSHI, 2002)

Os modelos mais conhecidos e utilizados são: Okumura-Hata e Longley-Rice. Nesse artigo será abordado apenas o Longley-Rice.

Modelo Longley-RiceO modelo semi-empírico Longley-Rice

tem sua melhor aplicação nas frequências entre 20 MHZ a 20 GHZ, utiliza recursos estáticos e equações variáveis para compensar a caracterização do canal, levando em consideração: clima, terreno, curvatura da terra, altura e posição das antenas, disposição da rede, atenuações de espaço livre, refração, condutividade, permissividade e obstruções por ambiente urbano ou rural.

Por levar em consideração muitos fatores, é um procedimento complexo e extenso, exigindo implementação computacional.

Sua função é caracterizada pela distribuição estatística que pode ser mais ou menos significativa, dependendo do desvio das variáveis aleatórias relativa as condições do tempo, localização e situação em que a estação de recepção está sujeita. O sinal recebido pela estação é obtido pela diferença do sinal atenuado pelo espaço livre e o somatório das atenuações gerado pelas variáveis aleatórias, descriminados na (7) juntamente com as irregularidades do terreno. (Longley, 1968)

Wref =Wo+δs ∙Ys+δt ∙ Yt+δl ∙Yl (7)

Onde:Wref – Atenuação de referência

Wo – Atenuação no espaço livreδs – Desvio situação receptor está sujeitoYs – Situação receptor está sujeitoδt – Desvio condições do tempoYt – Condições do tempoδl – Desvio localizaçãoYl – Localização

A variação de irregularidade do terreno (Δh) é obtida através da Tabela 1, que foi desenvolvida através de inúmeras medições realizadas em campo com antenas receptoras entre 3 e 9 metros do solo, em diferentes tipos de relevo, pelos desenvolvedores desse método.

(LONGLEY, 1968)

Tabela 1 – Irregularidade do terreno ΔhTipos de terreno Parâmetro de irregularidade do terreno

Liso (ou sobre a agua)PlanícieColinasSerras

Montanhas

03090

200500

Fonte: Longley, 1968.

Para se obter o parâmetro de rugosidade do terreno em função da distância, foi desenvolvido a (8), cujo resultado é mais expressivo em distâncias superiores a 2 km, pois a distância de referência utilizada no estudo é de 50 km.

∆ h ( d )=∆ h(1−0,8 exp(−d50 ))

(8)

Onde:d – Distância entre a antena transmissora e

receptora

Segundo Longley-Rice, a linha de visada é uma região onde a Terra ou nenhum outro objeto possa interromper a propagação das ondas eletromagnéticas. A distância onde inicia as interrupções e atenuações são definidas pelas equações: de atenuação entre as estações Yl (9), atenuação por difração Ys (10) e atenuação por espalhamento em variação do clima Yt obtida através da figura 15.

Yl= 10 k ∆ h (d )k ∆ h (d )+13

(9)Onde:

k- É uma variável no domínio da frequência k=2ᴨf

Δh(d) – Obtido através da (8)


Ys=5+3exp (−de100

)

(10)

Onde: de – Distância efetiva

Para determinar a atenuação por espalhamento relativo ao clima é necessário avaliar a Figura 15, considerando a distância de acordo com o valor correspondente para a atenuação em cada tipo de clima, é possível observar que independente do clima, a atenuação nessa variável é zero até cerca de 60 km.

Figura 15 – Variabilidade de clima

Fonte: Longley, 1968.

A atenuação no espaço livre Wo é definida pela (11), maneira proposta pelos autores como:

Wo=20 log( λ4 πd

)

(11)

Onde:λ – Comprimento de onda em metrosd – Distancia em Km

Em seguida, no modelo, deve se calcular a distância onde devem ocorrem os três tipos de fenômenos relativos a propagação de ondas eletromagnéticas e suas atenuações: Linha de visada (Alos), Difração (Adif) e Espelhamento (Aes), todas sujeitas aos efeitos das atenuações aleatórias de situação Ys, localização Yl e clima Yt.

Para se definir a linha de visada é preciso analisar a geometria do enlace, montando uma projeção de acordo com a Figura 16, onde são

consideras: altura da antena transmissora (hg1), receptora (hg2), altura efetiva (estrutura + elevação do perfil) da antena transmissora (hg1e), antena receptora (hg2e), a distância entre as estações (d), o horizonte da antena transmissora (dl1), o horizonte da antena receptora (dl2), os ângulos da elevação do horizonte da antena transmissora (ϴe1), elevação da antena receptora (ϴe2) e elevação do cruzamento dos horizontes (ϴ).

Figura 16– Modelo de geometria de enlace

Fonte: Longley, 1968.Através das (12) e (13) é possível obter as

distâncias dl1 (12) e dl2 (12) em Km, estimando estatisticamente através da irregularidade do terreno (Δh) e a altura efetiva das antenas (hg1e) e (hg2e).

dl 1=√17 hg 1 e ∙ exp(−0,07√( Δhhg 1e ))

(12)

dl 2=√17 hg 2 e ∙ exp(−0,07√( Δhhg 2e ))

(13)

Os ângulos de elevação em radianos podem ser obtidos através da (14), (15) e (16).

ϴe 1= 0,0005√17 hg 1 e (1,3(√17 hg 1 e

dl 1 )∆ h−4 hg1e)

(14)

ϴe 2= 0,0005√17 hg 2e (1,3(√17 hg 2e

dl 2 )∆ h−4 hg 2 e) (15)

ϴ=max(ϴe 1+ϴe2(−dl1+dl 28495 ))

(16)


Esses dados são necessários para calcular os coeficientes de atenuação Alos com a (17), Adif com a (18) e Aes com a (19) todos em dB, estimando a distância de sua ocorrência.

Alos=20 log(1+ (dl 1+dl2 ) ∆ hhg 1 e ∙ hg 2 e )

(17)

Adif=(1+0,045(∆ hλ )

1/2( aϴ+ (dl1+dl2 )d )

1 /2)−1

(18)

Onde:

a= 6370(1−0,04664 exp (0,005577 Ns ))

(19)

Aes=Ho+10 log ( f ϴ∈4 )−0,1 ( Ns−301 )exp (−ϴd

40 )(20)

Onde:

Ho=(hg 1 e−1hg 2 e−1 )

ϴf‖0,007−0,058 ϴ‖

A refração do solo Ns necessária para o cálculo de Aes é obtida através da análise das condições atmosféricas e o parâmetro mais importante para calcular a propagação eletromagnética atmosférica. Os dados de referência foram tabelados e resumidos em função do clima e podem ser avaliados na Tabela 2.

Utilizado para determinar quanto sinal será refratado (21).

Ns=No ∙ exp( −Zs9460 )

(21)Onde:

No – Refração de referência obtida através da Tabela 2.

Zs – Elevação da superfície em relação ao nível do mar.

Tabela 2 – Refração da superfície em relação ao clima

Clima Refração da Superfície (No)Deserto

Continental TemperadoContinental Sub-tropical

Marítimo TemperadoMarítimo temperado sobre o mar

EquatorialMarítimo Sub-tropical

280301320320350360370

Fonte: HUFFORD – 1982

Condutividade e Refratividade Os dados de condutividade e refratividade,

foram tabelados com relação ao tipo de solo e são considerados nos cálculos de atenuação e variabilidade. Eles podem ser observados na Tabela 3.

Tabela 3 – Permissividade e condutividade de referência do solo

Tipos de solo Condutividade Relativa S/m (σ )

Permissividade Relativa F/m (

φ ¿PobreMédioBom

Úmido (agua doce)Úmido (agua salgada)

0,0010,005

0,00200,00105,000

0415258181

Fonte: LONGLEY, 1968.

Com esses dados é possível obter a permissividade relativa complexa ϵ.

ϵ=φ+ 376,6∙ σ2 πf

Com as informações citadas anteriormente é possível calcular a atenuação de referência Wref em dB para um enlace ponto-a-ponto, com as variáveis a seguir:

Wref =Wo+Alos+(Yl+Ys+Yt) para d ˂ dl1 (22)

Wref =Wo+Adif +(Yl+Ys+Yt ) para dl1 ≤ d ≤dl2 (23)

Wref =Wo+Aes+(Yl+Ys+Yt ) para dl2 ˂ d (24)

III. DIMENSIONAMENTO DO PROJETO

O dimensionamento do projeto para implantação do provedor de internet na cidade de Maracaju MS foi realizado empregando os programas livres Google Earth e Radio Mobile.

A cidade de Maracaju fica no interior do Mato Grosso do Sul. Possui uma área de 5298,840 km² representando 1,4837 % do estado, 0,3311 % da Região Centro-oeste e 0,0624 % do território brasileiro. Localiza-se a uma latitude de 21º36’52” Sul e longitude de 55°10’06” Oeste, estando a uma altitude de 384 metros acima do nível do mar.

A cidade é plana, como pode ser visualizada na imagem aérea da Figura 17, poucos relevos formados pela ação fluvial, possui dois prédios, sendo o central com 13


andares, sem nenhum obstáculo natural, com visada para todo o município. Sua população estimada em 2013 era de 41099 habitantes. (Prefeitura Municipal de Maracaju MS, 2016)

Figura 17– Imagem aérea cidade Maracaju

Fonte: Prefeitura Municipal de Maracaju MS, 2016

Inicialmente através do Google Earth, foi realizado um levantamento do relevo, localização de prédios e torres existentes para alocação das ERBs, além de um mapeamento geral da cidade analisando sua distribuição demográfica, visto na Figura 18.

Posteriormente utilizado para demonstrar e visualizar enlaces de forma virtual.

O Radio Mobile é baseado no modelo de propagação Longley-Rice, utilizando as mesmas variáveis para dimensionamento dos enlaces, sejam eles ponto-a-ponto ou ponto-multiponto, que visa a cobertura de uma determinada região. O software possibilita a inserção dos dados relativos a potência de transmissão; limiar de recepção; perdas estimadas em cabos, cavidades e conectores; diagrama de irradiação e ganho da antena; frequência de operação; polarização; refração da superfície; condutividade do solo; permissividade do solo; latitude e longitude das estações e; topologia da rede.

Figura 18 – Distribuição geográfica da cidade de Maracaju

Fonte: Google Earth Os dados de topografia utilizados foram o

Shuttle Radar Topography Mission (SRTM), que foram gerados pela National Aeronautics and Space Administration (NASA) em parceria com a Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), utilizando dois radares interferométricos, gerando um modelo global de elevação em resolução espacial de 30 metros. (NASA, 2016)

Após incluir os dados de topografia no Radio Mobile é possível efetuar o download de imagens via satélite do próprio Google Earth e sobrepor a imagem SRTM, ficando com uma interface mais agradável, Figura 20 ou mesmo uma imagem do Google Maps, Figura 21.

A interface do programa apresenta o relevo de uma determinada área com uma escala, sendo do azul a mais baixa em relação ao nível do mar, para o vermelho, sendo o ponto mais alto da área, demonstrado na Figura 19.

Utilizando a elevação do terreno o programa possibilita a visualização do diagrama de radiação de cobertura com uma escala de potência em vários pontos, sendo possível a adequação de potência, ganho e tipo de antena para cobrir uma determinada aérea.

Assim foi possível determinar cada equipamento otimizando o projeto, levando em consideração fatores, tais como: taxa e potência de transmissão, nível de sensibilidade, ganho e padrão de abertura da antena.

Figura 19 – Tela inicial Radio Mobile interface SRTM

Fonte: Radio Mobile

Figura 20 – Tela inicial Radio Mobile Google Earth


Fonte: Radio MobileFigura 21 – Tela inicial Radio Mobile Google

Maps

Fonte: Radio Mobile

Sistemas de RádioForam determinados 4 sistemas, sendo 3

de micro-ondas e 1 de transmissão celular, todos do fabricante Ubiquiti Networks®.

O sistema 1 trata-se de um kit NanoBridge M5, ele faz parte dos sistemas all-in-one, agregando um access-point a uma antena direcional de alto ganho, o que garante maior desempenho ao evitar as atenuações causadas pelos cabos e conexões. Opera entre as frequências de 5170 a 5875 MHz, seu rádio M5 tem uma potência de transmissão de 23 dBm e sensibilidade de recepção de até -96 dBm, sua antena possui um ganho de 23 dBi. A taxa de transferência desse equipamento é de 150 Mbps e foi escolhido para a interligação das ERBs.

O sistema 2 é constituído por uma antena AirMax setorial e um rádio Rocket M2 Titânio, que apresenta uma frequência de operação de 2402 a 2462 MHz, com potência de operação de 28 dBm e uma sensibilidade de recepção de – 96 dBm.

A antena escolhida é ajustável para três tipos de propagação, 60º, 90º e 120º com um ganho de 17, 16 e 15 dBi respectivamente.

Utilizou-se 4 antenas com a configuração de 90º, cada uma com o seu rádio, obtendo assim um maior alcance e capacidade, para atender o maior número de usuários, com qualidade.

Para os usuários foram definidos dois tipos equipamentos, determinados pela distância entre ele e a ERB. Os clientes urbanos receberão o sinal através do sistema 3 e os clientes rurais sistema 4.

O sistema 3, é constituído por um kit NanoStation locoM2. Operando entre as frequências de 2412 a 2462 MHz, seu rádio possui uma potência de 23 dBm de transmissão e -96 dBm de recepção. Sua antena possui um ganho de 8.5 dBi devido a sua antena direcional de 60º.

O sistema 4 é o AirGrid M, modelo AG-HP-2G16, opera entre as frequências de 2412 a 2462 MHz, seu rádio tem uma potência de 28 dBm e -96 de recepção, sua antena tem um ganho de 16 dBi, possibilitando conexões de até 20 Km.

Foram utilizados duas faixas de frequência no projeto, uma para o entroncamento e outra para acesso dos clientes.

A frequência do entroncamento está na faixa Super High Frequency (SHF), mais conhecida por faixa de micro-ondas, compreendendo as frequências de 3 GHz a 30 GHz. A frequência para a interligação dos clientes está na faixa alta do Ultra High Frequency (UHF), com ela é possível trabalhar com enlaces parcialmente obstruídos e obter um ótimo sinal. Ela compreende as frequências de 300 MHz a 3 GHz.

As bandas selecionadas são de 5.725-5.875 MHz para os entroncamentos e de 2400 a 2483 MHz para difusão, ambas fazem parte da banda ISM não necessitando ser licenciadas junto a ANATEL de acordo com a resolução 506/2008, garantindo agilidade na implantação dos enlaces.

A banda de 83 MHz existentes na faixa de 2.4 GHZ, é dividido em 11 canais de 22 MHz sobrepostos.

Os 150 MHz utilizáveis da faixa de entroncamento foi dividido em 2 canais de 40 MHz sem sobreposição, com um espaço de 10 MHz entre cada, evitando interferências e garantido uma alta taxa de transferência da ERB central para a secundária.

RedesPara realizar a cobertura da cidade foi

verificada a necessidade de duas ERBs, uma central que vai receber o backbone de internet e uma secundária somente para distribuição, possibilitando assim uma cobertura total da cidade e duas possibilidades de conexão, caso


uma esteja obstruída, (por exemplo, árvores ou construções).

Tabela 4 – Localização ERBsEstação ERB 1 PRINCIPAL ERB 2 Latitude

LongitudeAltitude (Chão)

Estrutura

21˚37’42,0”S55˚09’39,8”O

384 mPrédio 50 m

21˚36’34,9”S55˚10’02,6”O

374,1 mTorre 50 m

Fonte: Acervo do autor

Após o levantamento das coordenadas geográfica dos pontos, foi verificado o perfil topográfico entre as estações, assim como a distância, utilizando o Google Earth, demonstrado na Figura 22, no percurso de 2.2 Km entre as estações existe um pico de 10 metros e uma depressão de 20 metros em relação à altura das estações.

Figura 22 – Perfil topográfico

Fonte: Google EarthConforme dito anteriormente, a principal

preocupação em um projeto de rádio enlace, ponto-a-ponto é a desobstrução da primeira zona de Fresnel.

A verificação, foi realizada através de cálculos matemáticos utilizando a (1) e no Radio Mobile.

Para a simulação no software é necessário inserir os dados de latitude e longitude das estações, selecionar o clima da região, refratividade da superfície Tabela 2, condutividade e permissividade do solo Tabela 3, frequência de operação, potência de transmissão e recepção informados pelo Datasheet do equipamento, ganho e diagrama de irradiação da antena, para que fosse executado os cálculos do enlace. A Figura 23 demonstra a tela de configuração dos parâmetros.

Figura 23 – Tela parâmetros enlace

Fonte: Radio Mobile

Na Figura 24 é demonstrado a tela para configuração dos parâmetros de rádio.

Figura 24 – Parâmetros sistema

Fonte: Radio MobileSeguindo a recomendação da ANATEL, a

potência total irradiada ao utilizar a frequência de 5.725 a 5.850 GHz deve ser limitada em 36 dBm (4 Watts). (ANATEL, 2008)

Na Figura 25, pode-se visualizar o perfil de rádio gerado pelo programa. De acordo com os cálculos matemáticos e pelo software o enlace está totalmente desobstruído.

Figura 25 – Perfil do enlace entre a ERB 1 e 2


Fonte: Radio Mobile

Para realizar a transmissão do sinal aos usuários, foi feita uma distribuição celular, dividindo a cidade em 8 setores, a Figura 26 demostra a posição das ERBs e a divisão por cores de cada setor radialmente e em distância.

Figura 26 – Localização ERBs e divisão setorial

Fonte: Radio Mobile

A borda da circunferência do raio é de 2 Km, cobrindo toda a cidade e algumas áreas rurais.

O diagrama de irradiação de uma antena não é linear, conforme a demonstração de posicionamento da Figura 26, existindo transposição de áreas, porém como foram utilizadas frequências diferentes em cada um dos setores não haverá interferências entre os mesmos.

As configurações de posicionamento das antenas setoriais foram realizadas tomando como partida o ponto de 45 graus do azimute e adicionando uma antena a cada 90 graus. Foi criado uma rede para cada antena setorial, num total de 8 redes, cada cliente será conectado à rede que ficar melhor posicionada.

Para o projeto foram selecionados os pontos mais distantes da cidade em relação a cada ERB, para verificar além do projeto de cobertura polar da cidade a previsão de conexão dos clientes. A rede apesar de ser de distribuição, cada conexão a ERB é um enlace ponto-a-ponto. Na Figura 27 é demonstrado o posicionamento dos clientes e seus respectivos enlaces.

Figura 27 – Rede clientes

Fonte: Radio Mobile

As linhas verdes são a demonstração dos enlaces viáveis no Radio Mobile, ou seja, com limiares de recepção acima do mínimo necessário. Respeitando a Resolução nº 506, de 1º de julho de 2008, que define que a potência irradiada equivalente isotrópica (E.I.R.P) de saída de um terminal deve ser limitado a 400 mW, ou seja, 26 dBm, nas faixas de 2.4 GHz em localidades com uma população inferior a 500.000 habitantes.

Nas Figuras 28 e 29 é possível visualizar os diagramas de propagação de cada ERB e na


Figura 30 o diagrama de ambas, sobre a cidade com um sinal variando de -37 a -70 dBm. Nas ERBS utilizando o Sistema 2 e clientes utilizando o Sistema 3, gerando assim os gráficos de potência.

Figura 28 – Diagrama de irradiação ERB 1

Fonte: Radio Mobile

Figura 29 – Diagrama de irradiação ERB 2

Fonte: Radio MobileFigura 30 – Diagrama de irradiação ERB 1 e 2

Fonte: Radio Mobile

Foi utilizado no projeto uma altura de 3,5 metros para os clientes, considerando a altura média de uma casa 2,80 metros e acrescentado uma haste de 70 centímetros. Apesar da ERB 2 estar alocada em uma torre de 50 m, foi considerado uma altitude de 15 metros para o sistema, diferente da ERB 1 que foi alocada no topo de um prédio, ficando com uma altura de 51 metros.

Para se prover internet a terceiros é necessária uma licença de Serviço de Comunicação Multimídia (SCM), de acordo com a Resolução nº 614, de 28 de maio de 2013 da ANATEL.

O tronco de internet para distribuição através desse projeto pode chegar via satélite, via rádio ou através de um link dedicado das operadoras que atendem a região.

Na Figura 31 é demonstrado um diagrama de blocos da ligação do provedor a ser montado.

O link tronco de internet chega geralmente em fibra ótica, devendo ser convertido em sinal elétrico através do conversor de mídia, posteriormente o sinal passa pelo servidor de gerencia de cliente, que tem a função de controlar o acesso, taxa de transmissão e bloqueio por falta de pagamento, logo é conectado no servidor NAT que gera um range de IP dentro da rede para cada cliente. Após passar pelos servidores o sinal é conectado no switch que distribui aos rádios e é emitido pelas antenas setoriais. Ao chegar nos clientes o link pode ser conectado em um roteador WiFi ou


diretamente em um computador, através do cabo ethernet.

Caso a demanda aumente é possível regular as antenas de 90º para 60º e posteriormente implantar sistemas idênticos sobrepostos, respeitando uma distância mínima de 3 metros de altura em relação ao outro, para diminuir interferência.

Figura 31 – Diagrama de bloco sistema ERB1

Fonte: Acervo do autor

Todo o projeto realizado no Radio Mobile foi migrado ao Google Earth, com a finalidade de visualizar os enlaces e verificar se alguma construção ou arvore poderia estar obstruindo os enlaces. Com o Google Street View é possível analisar a desobstrução de cada enlace, na Figura 32 é demostrado a ERB1 e na Figura 33 a ERB 2.

Figura 32 – Visualização ERB1

Fonte: Google Earth em modo Street View

As linhas amarelas representam o feixe da 1ª zona de Fresnel, ou seja 50% do sinal irradiado está contido entre essas linhas, as linhas verdes representam a zona que contem 30% do sinal irradiado e a linha azul, representa o feixe de visada direta do emissor até o receptor, dessa maneira é possível analisar o enlace em pontos críticos através dessa fermenta, verificando se o sinal está sendo total ou parcialmente obstruído.

Figura 33 – Visualização ERB2


Fonte: Google Earth em modo Street View

IV. CONCLUSÃO

Baseado nas análises e demonstrações feitas ao longo deste artigo, pode-se afirmar que é viável, do ponto de vista técnico, a implementação do projeto. Através de um provedor via rádio na cidade a população terá uma opção econômica para conexão à internet com qualidade, gerando uma nova perspectiva na região. As tecnologias sem fio para transmissão e distribuição de internet tem ganhado muito espaço devido aos custos reduzidos de implantação e manutenção.

A utilização de softwares para planejamento e elaboração de projetos de rádio tem facilitado e minimizado custos em análises prévias e dimensionamento adequado dos equipamentos.

Nesse artigo foram demonstradas as principais características e variáveis de um rádio enlace, assim como os cálculos envolvidos, além de apresentar o modelo de predição Longley-Rice como um recurso importante de previsão de cobertura, utilizado no Brasil e no mundo para projetos de emissoras de rádio, televisão e internet, com resultados satisfatórios em relação aos números práticos.

REFERÊNCIAS

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