métodos computacionais para geração de sinais aleatórios aplicados a sistemas de

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ResumoCom a revolução nas tecnologias de distribuição de sinais e o desenvolvimento dos processos de digitalização, um dos desafios da Transmissão Digital é garantir a segurança e o desempenho adequado das redes de comunicação sem fio, que, passaram a exigir o aumento da capacidade dos equipamentos. Dentro do contexto das engenharias, considerando o custo destes equipamentos, um ambiente de simulação adequado é de essencial importância. Na fase de simulação, sabe-se que, confiabilidade, precisão e “aleatoriedade” são características primordiais para a análise de desempenho de qualquer produto. É objeto de estudo deste trabalho, compreender os vários métodos computacionais para a geração de sinais aleatórios, de acordo com os diversos tipos de distribuições estatísticas existentes e, desenvolver softwares que possam ser efetivamente utilizados na simulação e análise dos problemas envolvidos na engenharia de telecomunicações, visando assim, propor soluções para alcançar maior aproveitamento na transmissão dos sinais nas redes de comunicação sem fio. Palavras chaveTransmissão digital, sinais aleatórios, distribuições estatísticas e métodos computacionais. AbstractDue to the revolution in signal distribution technologies and the development of digitization process, one of the challenges of digital transmission is to ensure the safety and proper performance of wireless communication networks, which required an increase of the equipment capacity. Within the context of engineering, considering the high cost of such equipment, an appropriate simulation environment is of paramount importance. In the simulation phase, we know that reliability, accuracy and "randomness" are crucial features for the performance analysis of any product. Therefore it is the subject of this work, understanding the several computational methods for generating random signals, according to the several types of statistical distributions that exists and developing software that can be effectively used in the simulation and analysis of the problems involved in telecommunications engineering thus aiming at proposing solutions to achieve the greater utilization in the transmission of signals in wireless communication networks. Laís A. Moreira ([email protected]) e Rausley A. A. de Souza ([email protected]) pertencem ao Instituto Nacional de Telecomunicações - Inatel. Av. João de Camargo, 510, Santa Rita do Sapucaí, MG, Brasil, 37540- 000. Parte deste artigo foi apresentado no 32º CILAMCE Iberian Latin- American Congress on Computational Methods in Engineering. Ouro Preto. Este projeto conta com o apoio financeiro da FAPEMIG. KeywordsDigital Transmission, Random signals, Statistical Distributions and Computational Methods. I. INTRODUÇÃO A importância da geração dos chamados números aleatórios vem da multiplicidade das suas aplicações, pois, utilizando a aleatoriedade foi possível desenvolver técnicas mais simples para resolver problemas numéricos complexos. Dentre as principais aplicações onde se encontram a utilidade dos números aleatórios (ou sinais aleatórios) destacam-se: simulação, amostragem, análise numérica, programação, criptografia, tomada de decisão entre outras. Os números aleatórios, na prática, são muito difíceis de obter. Como técnica alternativa utiliza-se os chamados números pseudo-aleatórios (gerados por algoritmos) para simular os eventos aleatórios utilizados, por exemplo, na segurança das redes de comunicações sem fio. Um exemplo de aplicação desta técnica é utilizado nos sistemas CDMA (Code Division Multiple Access). Na fase de simulação, sabe-se que confiabilidade, precisão e “aleatoriedade” são características primordiais para os eventos aleatórios. Assim, um ambiente de simulação adequado é de essencial importância. Dentro do contexto apresentado, serão objetos de estudo deste trabalho os métodos de geração de números aleatórios considerando-se os chamados ambientes não homogêneos. Nos modelos matemáticos aplicáveis nestes ambientes, destacam-se as distribuições α-μ, η-μ e κ-μ, bem como uma análise prática destas distribuições através dos resultados numéricos obtidos. II. MÉTODOS COMPUTACIONAIS DE GERAÇÃO DE SINAIS ALEATÓRIOS A palavra aleatoriedade é utilizada para exprimir quebra de ordem ou imprevisibilidade, ou ainda um conjunto de eventos que não descreve um padrão determinístico, mas segue uma distribuição de probabilidade. As muitas aplicações da aleatoriedade levaram ao desenvolvimento de diferentes métodos para a geração aleatória de dados. A escolha de qualquer método depende de Métodos Computacionais para Geração de Sinais Aleatórios Aplicados a Sistemas de Transmissão Digital Laís Aparecida Moreira Instituto Nacional de Telecomunicações - Inatel [email protected] Rausley A. A. de Souza Instituto Nacional de Telecomunicações - Inatel [email protected] ANAIS DO CONGRESSO DE INICIAÇÃO CIENTÍFICA DO INATEL - INCITEL 2012 188

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Métodos Computacionais Para Geração de Sinais Aleatórios Aplicados a Sistemas De

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  • ResumoCom a revoluo nas tecnologias de distribuio de sinais e o desenvolvimento dos processos de digitalizao, um dos

    desafios da Transmisso Digital garantir a segurana e o

    desempenho adequado das redes de comunicao sem fio, que,

    passaram a exigir o aumento da capacidade dos equipamentos.

    Dentro do contexto das engenharias, considerando o custo destes

    equipamentos, um ambiente de simulao adequado de

    essencial importncia. Na fase de simulao, sabe-se que,

    confiabilidade, preciso e aleatoriedade so caractersticas

    primordiais para a anlise de desempenho de qualquer produto.

    objeto de estudo deste trabalho, compreender os vrios

    mtodos computacionais para a gerao de sinais aleatrios, de

    acordo com os diversos tipos de distribuies estatsticas

    existentes e, desenvolver softwares que possam ser efetivamente

    utilizados na simulao e anlise dos problemas envolvidos na

    engenharia de telecomunicaes, visando assim, propor solues

    para alcanar maior aproveitamento na transmisso dos sinais

    nas redes de comunicao sem fio.

    Palavras chaveTransmisso digital, sinais aleatrios, distribuies estatsticas e mtodos computacionais.

    AbstractDue to the revolution in signal distribution technologies and the development of digitization process, one of

    the challenges of digital transmission is to ensure the safety and

    proper performance of wireless communication networks, which

    required an increase of the equipment capacity. Within the

    context of engineering, considering the high cost of such

    equipment, an appropriate simulation environment is of

    paramount importance. In the simulation phase, we know that

    reliability, accuracy and "randomness" are crucial features for

    the performance analysis of any product. Therefore it is the

    subject of this work, understanding the several computational

    methods for generating random signals, according to the several

    types of statistical distributions that exists and developing

    software that can be effectively used in the simulation and

    analysis of the problems involved in telecommunications

    engineering thus aiming at proposing solutions to achieve the

    greater utilization in the transmission of signals in wireless

    communication networks.

    Las A. Moreira ([email protected]) e Rausley A. A. de Souza

    ([email protected]) pertencem ao Instituto Nacional de Telecomunicaes -

    Inatel. Av. Joo de Camargo, 510, Santa Rita do Sapuca, MG, Brasil, 37540-

    000. Parte deste artigo foi apresentado no 32 CILAMCE Iberian Latin-American Congress on Computational Methods in Engineering. Ouro Preto.

    Este projeto conta com o apoio financeiro da FAPEMIG.

    KeywordsDigital Transmission, Random signals, Statistical Distributions and Computational Methods.

    I. INTRODUO

    A importncia da gerao dos chamados nmeros aleatrios

    vem da multiplicidade das suas aplicaes, pois, utilizando a

    aleatoriedade foi possvel desenvolver tcnicas mais simples

    para resolver problemas numricos complexos.

    Dentre as principais aplicaes onde se encontram a

    utilidade dos nmeros aleatrios (ou sinais aleatrios)

    destacam-se: simulao, amostragem, anlise numrica,

    programao, criptografia, tomada de deciso entre outras.

    Os nmeros aleatrios, na prtica, so muito difceis de

    obter. Como tcnica alternativa utiliza-se os chamados

    nmeros pseudo-aleatrios (gerados por algoritmos) para

    simular os eventos aleatrios utilizados, por exemplo, na

    segurana das redes de comunicaes sem fio. Um exemplo de

    aplicao desta tcnica utilizado nos sistemas CDMA (Code

    Division Multiple Access).

    Na fase de simulao, sabe-se que confiabilidade, preciso e

    aleatoriedade so caractersticas primordiais para os eventos aleatrios. Assim, um ambiente de simulao adequado de

    essencial importncia.

    Dentro do contexto apresentado, sero objetos de estudo

    deste trabalho os mtodos de gerao de nmeros aleatrios

    considerando-se os chamados ambientes no homogneos.

    Nos modelos matemticos aplicveis nestes ambientes,

    destacam-se as distribuies -, - e -, bem como uma anlise prtica destas distribuies atravs dos resultados

    numricos obtidos.

    II. MTODOS COMPUTACIONAIS DE GERAO DE SINAIS ALEATRIOS

    A palavra aleatoriedade utilizada para exprimir quebra de

    ordem ou imprevisibilidade, ou ainda um conjunto de eventos

    que no descreve um padro determinstico, mas segue uma

    distribuio de probabilidade.

    As muitas aplicaes da aleatoriedade levaram ao

    desenvolvimento de diferentes mtodos para a gerao

    aleatria de dados. A escolha de qualquer mtodo depende de

    Mtodos Computacionais para Gerao de

    Sinais Aleatrios Aplicados a Sistemas de

    Transmisso Digital

    Las Aparecida Moreira

    Instituto Nacional de Telecomunicaes - Inatel

    [email protected]

    Rausley A. A. de Souza

    Instituto Nacional de Telecomunicaes - Inatel

    [email protected]

    ANAIS DO CONGRESSO DE INICIAO CIENTFICA DO INATEL - INCITEL 2012188

  • sua eficincia e aplicabilidade para uma determinada

    distribuio.

    A seguir sero apresentados alguns dos mtodos e tcnicas

    utilizados no processo de gerao de nmeros aleatrios.

    A. Mtodo Box & Muller

    O mtodo da transformao de Box & Muller proposto

    inicialmente por [2] consiste da gerao de pares de amostras

    aleatrias independentes com distribuio normal com mdia

    zero e varincia unitria, a partir de uma fonte de nmeros

    aleatrios distribudos uniformemente.

    Considerando que U1 e U2 so variveis aleatrias

    uniformemente distribudas no intervalo unitrio, e sero variveis aleatrias gaussianas de mdia e varincia , conforme descrito por

    (1)

    (2)

    Dada a anlise acima, percebemos que o mtodo de Box &

    Muller um mtodo estatstico muito simples, porm,

    considerado ruim devido lentido de processamento, fato

    que ocorre porque o mtodo requer a estimativa de uma raiz

    quadrada e de duas funes trigonomtricas a cada par de

    amostras gerado.

    Embora atualmente existam recursos computacionais

    disponveis para auxiliar em um processamento rpido, a

    transformao de Box & Muller pode ser realizada com mais

    eficincia utilizando um algoritmo de aceitao/rejeio

    conforme segue:

    1. Gere e independentemente conforme . 2. Faa . 3. Se ento, volte ao passo 1. 4. Caso contrrio, faa e

    .

    A validade deste mtodo, bem como exemplos de aplicao,

    pode ser encontrada em [4].

    B. Mtodo da Convoluo

    Para vrias distribuies estatsticas importantes [6], uma

    varivel aleatria desejada pode ser expressa como uma soma de outras variveis aleatrias que so IID (independente

    e identicamente distribudas) e podem ser geradas mais

    rapidamente do que a gerao direta de , ou seja,

    (3)

    importante ficar atento para no confundir o mtodo da

    convoluo com o mtodo da composio [6]. Aqui

    assumimos que a varivel aleatria pode ser representada como um somatrio de outras variveis aleatrias, o que difere

    bastante da situao abordada pelo mtodo da composio. O

    algoritmo geral para o mtodo da convoluo pode ser descrito

    pelos seguintes passos:

    1. Gerar IID cada um com funo de distribuio .

    2. Retornar . O mtodo da convoluo, quando ele pode ser utilizado,

    muito simples, pois, podemos gerar a sequncia de

    facilmente.

    C. Mtodo Congruencial Multiplicativo

    O mtodo congruencial, tambm conhecido como mtodo

    do Resduo da Potncia, tem este nome devido ao conceito de

    congruncia, da teoria dos nmeros. A expresso matemtica

    do mtodo dada por [4]

    (4)

    onde um inteiro entre 0 e M, e M um nmero primo ou uma potncia inteira de um nmero primo .

    Exemplos e aplicaes deste mtodo podem ser encontrados

    em podem ser encontradas em [6].

    D. Mtodo da Transformada Inversa

    Para a varivel aleatria X a funo distribuio cumulativa

    (FDC) a funo definida por [4]

    (5)

    onde e representa a probabilidade do evento . Logo, se uma varivel aleatria com uma FDC contnua temos que

    (6)

    onde uniformemente distribuda no intervalo . Assim, podemos perceber uma relao simples entre a

    varivel aleatria e a varivel aleatria com funo distribuio

    (7)

    O uso desta simples transformao denominado tcnica da

    FDC inversa. Uma grande desvantagem deste mtodo o fato

    de sua aplicao estar limitada a variveis que possuem FDC

    inversvel. A validade do mtodo pode ser encontrada em [4].

    E. Mtodo de Monte Carlo

    O mtodo de Monte Carlo (MMC) um mtodo estatstico

    simples e direto, utilizado como forma de obter aproximaes

    numricas de funes complexas.

    O mtodo tipicamente envolve a gerao de observaes

    atravs de vrios experimentos de alguma distribuio de

    probabilidade e o uso da amostra obtida para aproximar a

    funo de interesse.

    Para entender o mtodo, suponha que se deseja avaliar a

    integral [6]

    (8)

    onde uma funo real que no analiticamente integrvel.

    Seja Y a varivel aleatria onde uma varivel aleatria contnua distribuda uniformente no

    intervalo , ento o valor esperado de

    (9)

    Atravs da anlise encontrada em [6] obtemos que

    ANAIS DO CONGRESSO DE INICIAO CIENTFICA DO INATEL - INCITEL 2012 189

  • . (10)

    Em particular, estimando pela mdia das amostras obtemos que

    (11)

    onde so variveis aleatrias IID . Alm disso, de acordo com [6] podemos mostrar que

    , ou seja, que um estimador de I. A validade do mtodo, bem como exemplos de aplicao,

    pode ser encontrada em [5].

    F. Mtodo da Aceitao-Rejeio

    O mtodo da Aceitao-Rejeio [6] necessita que

    especifiquemos uma funo , comumente chamada de hat function, que seja majoritria em relao funo densidade

    de probabilidade (FDP) que se deseja gerar, ou seja, para todo . A funo no ser uma FDP j que

    (12)

    Mas a funo

    (13)

    claramente uma FDP. Este mtodo capaz de gerar uma

    varivel aleatria com FDP . O algoritmo geral o seguinte:

    1. Gerar tendo uma distribuio qualquer (Uniforme, gaussiana, exponencial ou outra).

    2. Gerar uma distribuio uniforme , independente de .

    3. Se retornar . Caso contrrio, retornar para o passo 1 e tentar novamente.

    O algoritmo continua realizando o processamento at gerar

    N nmeros aleatrios X distribudos de acordo com a

    distribuio desejada. Como demonstrado em [6], a probabilidade de aceitao no passo 3 do algoritmo . A validade deste mtodo, bem como exemplos de aplicao,

    pode ser encontrada em [6].

    III. AMBIENTES NO HOMOGNEOS

    Em sistemas de comunicaes mveis pequenos

    deslocamentos espaciais podem resultar em grandes variaes

    no nvel do sinal recebido [9]. Como alternativa para avaliar

    os efeitos desses pequenos deslocamentos so utilizados

    modelos estatsticos.

    Trs fatores bsicos so considerados em um modelo

    estatstico de um sinal se propagando [3]: perdas de percurso,

    efeitos de sombreamento e efeitos de mltiplo percurso.

    Estes trs fatores influenciam diretamente nas variaes

    sofridas pelo canal. Logo, um ambiente de propagao pode

    ser descrito como a combinao desses trs fatores,

    dependendo das caractersticas e finalidades de cada ambiente.

    Por sua vez, cada ambiente de propagao est associado a

    um mtodo estatstico. devido a este fato que os diversos

    tipos de ambientes de propagao so descritos por

    distribuies estatsticas de mesmo nome.

    As distribuies mais conhecidas, tais como Rayleigh [7],

    Rice [10] e Nakagami-m [8], consideram um ambiente de

    propagao onde os mltiplos percursos refletem-se nas

    superfcies de forma homognea. Esta certamente uma

    aproximao, pois para que seja caracterizado um campo de

    espalhamento homogneo fazem-se necessrias algumas

    caractersticas conforme descrito por [3].

    Com o objetivo de modelar o fenmeno de desvanecimento

    em pequena escala em um ambiente no homogneo, foram

    propostas recentemente as distribuies -, - e - que so brevemente demonstradas neste artigo seguidas de um

    comparativo com as demais distribuies.

    A. Distribuio -

    A distribuio - [13] uma distribuio de desvanecimento geral que foi proposta com o objetivo de

    explorar a no linearidade de um meio de propagao. Esta

    distribuio , na verdade, uma verso reescrita da distribuio

    Gama generalizada, a qual foi proposta pela primeira vez por

    Stacy [12]. A densidade - dada por [13]

    (14)

    onde o parmetro de no linearidade, o valor eficaz de R, o nmero real de clusters (conjuntos de ondas

    espalhadas) e a funo Gamma. Sendo , e o parmetro dado por

    (15)

    onde denota o operador esperana matemtica, representa a varincia e o parmetro correspondente ao

    nmero real de clusters de mltiplos percursos.

    A FDC da envoltria pode ser obtida como

    (16)

    sendo a funo Gamma incompleta. A distribuio - uma distribuio que inclui outras

    distribuies conhecidas, tais como Gamma (e suas verses

    discreta Erlang e central Chi-Quadrado), Nakagami- (e sua verso discreta Chi), Exponencial, Weibull, Semi Gaussiana e

    Rayleigh. A Figura 1 mostra a relao entre as principais distribuies derivadas a partir da distribuio -.

    Fig. 1. Sumrio Matemtico Distribuio -

    ANAIS DO CONGRESSO DE INICIAO CIENTFICA DO INATEL - INCITEL 2012190

  • B. Distribuio -

    A distribuio - [14] uma distribuio de desvanecimento geral que pode ser usada para representar as

    variaes em pequena escala do sinal em desvanecimento em

    uma condio de linha de visada direta (LOS, do ingls Line

    of Sight).

    A distribuio considera um sinal composto de vrios

    clusters com ondas provenientes dos mltiplos percursos.

    Dentro de cada cluster, as fases das ondas so aleatrias e tem

    atrasos temporais semelhantes e, entre os vrios clusters, os

    atrasos das ondas so relativamente grandes. Por hiptese,

    considera-se que as ondas dos mltiplos percursos dos vrios

    clusters possuem potncias idnticas, mas dentro de cada

    cluster existe uma componente dominante de potncia

    arbitrria [9]. A distribuio dada por

    (17)

    onde a razo entre a potncia total da componente dominante e a potncia total das componentes espalhadas, e

    a funo de Bessel modificada de primeiro tipo de ordem arbitrria [1]. Sendo

    (18)

    A FDC da envoltria pode ser obtida como

    (19)

    onde a funo Marcum-Q generalizada [1]. Assim como a distribuio -, a distribuio - tambm

    inclui outras distribuies conhecidas, tais como Nakagami-m,

    Rayleigh, Rice e Semi Gaussiana. A Figura 2 mostra a relao

    entre as distribuies citadas.

    Fig. 2. Sumrio Matemtico Distribuio -.

    C. Distribuio -

    A distribuio - [14] uma distribuio de desvanecimento geral que pode ser usada para representar as

    variaes em pequena escala do sinal em desvanecimento em

    uma condio NLOS (Non Line-of-Sight).

    Assim como nos ambientes - e k-, a modelagem a partir

    da distribuio - considerada em um ambiente no homogneo, sendo o sinal tambm composto de vrios

    clusters com ondas provenientes dos mltiplos percursos.

    De forma geral, a Figura 3 mostra o mecanismo de

    propagao em um ambiente no homogneo onde possvel

    verificar vrios conjuntos de ondas espalhadas (ou clusters)

    Fig. 3. Mecanismo de Propagao

    De acordo com [9] dentro de cada cluster, as fases das

    ondas so aleatrias e tem atrasos temporais semelhantes e,

    entre os vrios clusters, os atrasos das ondas so relativamente

    grandes.

    A distribuio - pode aparecer em dois formatos diferentes. No Formato 1, as componentes em fase e em

    quadratura do sinal em desvanecimento dentro de cada cluster

    so consideradas gaussianas independentes de mdia nula e

    possuem potncias diferentes (varincias distintas). No

    Formato 2, as componente em fase e em quadratura do sinal

    em desvanecimento dentro de cada cluster so consideradas

    gaussianas correlacionadas de mdia nula e possuem potncias

    idnticas (varincias idnticas). Sendo assim o parmetro a relao entre as varincias das componentes em fase e em

    quadratura.

    Em ambos os formatos, o parmetro uma extenso real do nmero de clusters e dado por

    (20)

    onde e so funes do parmetro e variam de um formato para outro.

    A partir das concluses acima, a FDP da distribuio - para os dois formatos, dada por

    (21)

    onde a potncia mdia do sinal.

    Assim, a FDC da distribuio - pode ser expressa como

    (22)

    onde

    (23)

    ANAIS DO CONGRESSO DE INICIAO CIENTFICA DO INATEL - INCITEL 2012 191

  • Como casos especiais da distribuio - so consideradas as distribuies Semi Gaussiana Positiva, Rayleigh, Hoyt e

    Nakagami- . A Figura 4 descreve a relao entre as distribuies relacionadas com a densidade -.

    Fig. 4. Sumrio Matemtico Distribuio -.

    D. Mtodo da Convoluo aplicado s Distribuies em Estudo

    Como descrito na Seo II.B deste trabalho o mtodo da

    convoluo muito simples nos casos em que ele pode ser

    aplicado, ou seja, nos casos em que a varivel aleatria

    desejada pode ser expressa como uma soma de outras variveis aleatrias que so IID

    Esta seo tem por objetivo demonstrar como algumas das

    distribuies em estudo podem ser geradas a partir do

    somatrio de variveis aleatrias gaussianas, dependendo das

    caractersticas particulares e dos parmetros aplicados a cada

    distribuio.

    A distribuio - considerando o mtodo, pode ser descrita como

    (24)

    considerando mdia nula e varincia para cada varivel aleatria.

    A distribuio - pode ser descrita como

    (25)

    onde e so processos gaussianos independentes com mdia nula e varincia ; e representam respectivamente os valores mdios das componentes em fase e

    em quadratura do sinal composto de clusters com ondas provenientes dos mltiplos percursos; e o nmero de clusters de mltiplo percurso.

    A distribuio - pode ser descrita como

    (26)

    onde e so processos gaussianos independentes com mdia nula e varincias distintas.

    A distribuio Nakagami-m pode ser descrita como

    (27)

    onde , , so variveis com mdia nula e

    varincia . A distribuio Rayleigh pode ser descrita como

    . (28)

    A distribuio Hoyt pode ser descrita como

    (29)

    considerando mdia nula e varincias e

    distintas para as

    variveis Y1 e Y2.

    A distribuio Gaussiana unilateral pode ser descrita como

    (30)

    considerando mdia nula e varincia para a varivel aleatria Y1.

    IV. RESULTADOS NUMRICOS Para facilitar o entendimento deste trabalho e ainda, como

    forma de avaliar o comportamento dos ambientes de

    propagao mencionados, a seguir so apresentados alguns

    grficos gerados com o auxlio dos softwares de simulao

    Matlab e Mathematica.

    A. Ambiente Nakami-m

    A Figura 5 ilustra o comportamento do ambiente de

    propagao Nakagami-m. Nesta simulao fixou-se o fator de

    desvanecimento m dado na Equao (15) para , e tornamos varivel o parmetro , que refere-se potncia mdia do sinal.

    Fig. 5: Comportamento do ambiente de propagao Nakagami-m.

    A Figura 6 tambm ilustra o comportamento do ambiente

    de propagao Nakagami-m. Neste caso, foi alterado o fator de

    desvanecimento.

    Fig. 6: Comportamento do ambiente de propagao Nakagami-m.

    B. Ambiente Hoyt

    A Figura 7 ilustra o comportamento do ambiente de

    ANAIS DO CONGRESSO DE INICIAO CIENTFICA DO INATEL - INCITEL 2012192

  • propagao Hoyt (Nakagami-q). Na figura possvel perceber

    as variaes sofridas pela envoltria da distribuio atravs da

    alterao dos valores de (relao entre as varincias das componentes em fase e em quadratura) e da potncia mdia do

    sinal, denotada por .

    Fig. 7: Comportamento do ambiente de propagao Hoyt.

    C. Ambiente -

    O comportamento do ambiente de propagao - ilustrado na Figura. 8. Quando considera-se o nmero real de

    clusters igual a 2 e, tornam-se variveis os valores do

    parmetro de no linearidade e do valor eficaz de R ( ).

    Fig. 8: Comportamento do ambiente de propagao -.

    A Figura 9 tambm ilustra o comportamento do ambiente de

    propagao -, contudo, neste caso, consideramos o valor

    eficaz de R, aqui denotado por , igual a 1. O nmero real de clusters () se mantm igual a 2 e, tornamos varivel apenas

    os valores do parmetro de no linearidade ().

    Fig. 9: Comportamento do ambiente de propagao -.

    D. Ambiente -

    O comportamento do ambiente de propagao - ilustrado na Figura 10, onde possvel perceber as variaes

    sofridas pela envoltria da distribuio atravs da alterao

    dos valores de e de .

    Fig. 10: Comportamento do ambiente de propagao -.

    Para a gerao destas amostras foi utilizado o mtodo da

    aceitao-rejeio, conforme descrito na Seo II.F. Como

    pode ser observado, a aplicao do mtodo da Aceitao-

    Rejeio mostrou-se eficiente no objetivo de gerar amostras

    com amplitudes distribudas de acordo com a distribuio -. importante ressaltar que foi utilizada uma funo t(x)

    constante o que produz uma FDP r(x) uniformemente

    distribuda. A Tabela I mostra os dados considerados na

    simulao e a porcentagem das amostras aceitas usando o

    mtodo da aceitao-rejeio. Para aumentar a porcentagem

    das amostras aceitas, possvel utilizar vrias funes

    uniformemente distribudas, ou mesmo outro tipo de FDP,

    com o objetivo de diminuir a rea abaixo de t(x). Aumentando

    assim a probabilidade de aceitao de amostras e, portanto,

    aumentando a eficincia do mtodo em termos de aceitao

    das amostras.

    TABELA I

    RESULTADOS MTODO ACEITAO-REJEIO

    Amostras geradas

    Amostras

    aceitas

    Aproveitamento

    %

    0 2 2 100000 9553 9,55 1 1,5 2 100000 10018 10,02

    2,41 1 2 100000 10067 10,07

    V. TESTES DE ADERNCIA A fim de se verificar se os nmeros aleatrios gerados esto

    distribudos conforme a distribuio de interesse, pode-se

    fazer uso de algum teste estatstico de aderncia, cuja

    finalidade averiguar se uma amostra pode ser considerada

    como proveniente de uma populao com uma determinada

    distribuio.

    Os testes de aderncia mais utilizados so o teste de

    Kolmogorov-Smirnov e o teste do Qui-Quadrado. Ambos

    medem o grau de aderncia entre a distribuio de uma

    amostra de nmeros aleatrios gerados e a correspondente

    distribuio terica, e ambos tambm so baseados na hiptese

    nula de que nenhuma diferena significante existe entre a

    amostra e a distribuio terica. No presente artigo, dar-se-

    maior ateno ao teste de Kolmogorov-Smirnov. Para maiores

    informaes sobre este e outros testes para diferentes

    propsitos, consultar [4].

    O teste de Kolmogorov-Smirnov compara a FDC da

    distribuio de interesse com a FDC da amostra, e pode ser

    aplicado a qualquer distribuio contnua. Sendo SN(x) a FDC

    ANAIS DO CONGRESSO DE INICIAO CIENTFICA DO INATEL - INCITEL 2012 193

  • emprica do conjunto de dados gerado, e F(x) a FDC da

    distribuio de interesse, o teste Kolmogorov-Smirnov baseia-

    se no maior desvio absoluto entre F(x) e SN(x) expresso por

    (31)

    (32)

    Essas estatsticas medem as distncias (vertical) entre os

    grficos das duas funes, terica e emprica, nos pontos

    e . Com isso, utiliza-se como estatstica de teste

    (33)

    Como se trata de um teste de hipteses, estipula-se um

    limiar de probabilidade a partir do qual possvel aceitar ou

    rejeitar a hiptese nula, ou seja, aceitar ou no a sequncia de

    dados gerada como aderente quela distribuio. Esse limiar

    de probabilidade chamado de nvel de significncia, e

    estipulado de acordo com o pesquisador. Em geral, estipula-se

    um nvel de 5%. Este valor ser adotado neste artigo.

    O valor da probabilidade de se obter o efeito observado,

    dado que a hiptese nula verdadeira, chamado de p-valor.

    Se o p-valor for menor que o nvel de significncia estipulado,

    rejeita-se a hiptese nula, ou seja, o conjunto de dados no

    aderente quela distribuio. Caso contrrio, se o p-valor for

    maior, aceita-se a hiptese nula e os dados so considerados

    aderentes quela distribuio. A Tabela II mostra o resultado

    dos testes de aderncia para cada um dos conjuntos de dados

    gerados nas sees anteriores. Pode-se concluir que todos os

    conjuntos de dados gerados possuem p-valor maiores do que o

    nvel de significncia adotado, 5%, e, portanto, todos so

    considerados aderentes s suas respectivas distribuies.

    TABELA II TESTE DE ADERNCIA.

    Ambiente

    (Distribuio)

    Parmetros p-

    Valor

    Nakagami-m

    =1 , m=2 0,5094

    =2 , m=2 0,2023

    =3 , m=2 0,0696

    =1, m=0,5 0,6927

    =1, m=1 0,4707

    =1, m=2,5 0,9183

    =1, m=3 0,3284

    Hoyt

    =2, =1 0,4806

    =3, =2 0,6132

    =4,5, =3,5 0,4222

    -

    =1, =2, =4 0,7657 =2, =2, =2 0,6462

    =3, =2, =

    0,7641

    =1, =2, =1 0,1830 =2, =2, =1 0,3615 =3, =2, =1 0,0741

    -

    =0, =2 0,4207

    =1, =1,5 0,8929

    =2,4, =1 0,9621

    VI. CONCLUSES Este trabalho foi elaborado a partir do estudo e

    compreenso da gerao de sinais aleatrios dada a sua

    importncia para a anlise e simulao de sistemas reais de

    transmisso digital.

    Foram abordados alguns dos principais mtodos

    computacionais de gerao de nmeros aleatrios e, descritas

    as distribuies -, - e - que consideram um ambiente de propagao no homogneo. Estas distribuies surgiram

    como uma alternativa para avaliar os efeitos do

    desvanecimento em pequena escala e, por isso vm se

    tornando uma importante ferramenta aplicvel na modelagem

    de sistemas de comunicaes mveis.

    Por fim, foram demonstrados os resultados numricos

    obtidos a partir da simulao das distribuies estudadas, onde

    o comportamento de cada ambiente de propagao foi

    ilustrado por grficos comparativos assim como os principais

    testes de aderncia.

    REFERNCIAS

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    [2] Box, G.E.P., and Muller, Mervin E. Muller, A Note on the Generation of Random Normal Deviates, The Annals of Mathematical Statistics, Vol.

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    ANAIS DO CONGRESSO DE INICIAO CIENTFICA DO INATEL - INCITEL 2012194