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UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ

LUCIANA MICHELOTTO IANTORNO

SISTEMAS DE MÚLTIPLAS ANTENAS PARA A COMUNICAÇÃO EFICIENTE

ENTRE AUTOMÓVEIS

CURITIBA

2009

LUCIANA MICHELOTTO IANTORNO

SISTEMAS DE MÚLTIPLAS ANTENAS PARA A COMUNICAÇÃO EFICIENTE

ENTRE AUTOMÓVEIS

Projeto de Final de Curso apresentado à Disciplina de Projeto de Graduação como requisito parcial à conclusão do Curso de Engenharia Elétrica, Setor de Tecnologia, Departamento de Engenharia Elétrica, Universidade Federal do Paraná. Orientador: Prof. Dr. Evelio Martín García Fernández

CURITIBA

2009

RESUMO

Devido ao fato do tráfego ter aumentado ao longo dos últimos anos, a

probabilidade de acidentes também aumentou. Como solução para esse problema,

informações sobre o tráfego e os veículos vizinhos são disponibilizadas ao motorista.

O desenvolvimento da comunicação entre veículos aumenta a cada dia, por isso

vários projetos estão sendo e serão estabelecidos. Na Europa, por exemplo, já há

diferentes projetos em andamento com o objetivo de diminuir os acidentes no

trânsito. O objetivo desse projeto é identificar o melhor sistema de antenas para a

comunicação entre veículos. Isso inclui a escolha do melhor número de antenas, a

melhor posição das antenas no automóvel e a combinação necessária do sinal

recebido pelas antenas. Para alcançar o objetivo, o programa Ray Tracing foi

utilizado para simular a propagação de ondas para que os diferentes parâmetros de

um sinal de rádio fossem analisados. A simulação foi realizada considerando vários

cenários para que fosse possível comparar o comportamento de cada um deles para

as diferentes posições de antenas. Após a análise e comparação dos resultados,

conclui-se que um sistema MIMO com duas antenas transmissoras e duas antenas

receptoras em uma altura de 30 cm é o melhor sistema para esse tipo de

transmissão.

ABSTRACT

Road traffic has been increasing over the last years, due to this fact, the

probability of accidents, as well as the traffic have been raised. As a solution to this

problem, information about the traffic conditions and the neighboring vehicles are

provided to the driver. The development of Car-to-Car communications is increasing

nowadays, therefore several projects are and will be established. In Europe for

example, there are a lot of projects working in different Car-to-Car communications

applications to reduce the number of traffic accidents. The objective of this project is

to identify the best antenna system for Car-to-Car communication. This includes the

choice of the best number of antennas, the best position for the antennas at the car

and the best combination of the antennas. In order to achieve this objective, Ray-

Tracing is used to simulate the wave’s propagation with the purpose of analyzing the

different radio channel parameters. The simulations were done in different scenarios

in order to compare the behavior of the channel in each one for various antenna

positions. After analyzing and comparing the results, it was concluded that a MIMO

system with two transmitters and two receivers 30 cm high is the best system for the

car to car communication.

LISTA DE FIGURAS

Figura 3.1 – Modulação OFDM [2] .............................................................................. 4

Figura 3.2 – Rede AD-HOC na Comunicação entre Veículos [3] ................................ 5

Figura 4.1 – Sistema SISO, SIMO, MISO e MIMO [14] ............................................... 6

Figura 4.2: Método de Diversidade por Seleção ......................................................... 9

Figura 4.3: Método de Combinação de Máxima Proporção ...................................... 10

Figura 4.4: Método de Diversidade de Mesmo GAnho .............................................. 10

Figura 5.1: Reflexão de Onda ................................................................................... 11

Figura 5.2: Difração de Onda [11] ............................................................................. 12

Figura 5.3: Caminhos Percorridos pelas Ondas ........................................................ 12

Figura 5.4: Potência Recebida para uma Antena Transmissora em uma Altura Igual

a 30 cm ..................................................................................................................... 14

Figura 5.5: Potência Recebida para uma Antena Transmissora em uma Altura Igual

a 150 cm.................................................................................................................... 14

Figura 5.6: Caminhos Percorridos pelo Sinal na Teoria das Duas Ondas Modificada

.................................................................................................................................. 15

Figura 5.7: Potência Recebida Combinada Através do Método de Seleção ............. 16

Figura 5.8: Potência Recebida Combinada Através do Método de Mesmo Ganho... 16

Figura 5.9: Potência Recebida Combinada Através do Método de Máxima Proporção

.................................................................................................................................. 17

Figura 6.1: Comparação de um Cenário Urbano com um Cenário Rural .................. 18

Figura 7.1: Ilustração do Cenário Urbano Estacionário ............................................. 21

Figura 7.2: Potência Recebida Calculada Através da Soma Incoerente das Ondas . 22

Figura 7.3: Potência Recebida Calculada Através da Soma Coerente das Ondas ... 22

Figura 7.4: Melhores Pontos Para a Altura de 30 cm ................................................ 24



Figura 7.7: Melhores Pontos Para a Altura de 120 cm .............................................. 25

Figura 7.8: Melhores Pontos Para a Altura de 150 cm .............................................. 26

Figura 7.9: SNR pela Distância para Antenas em uma Altura Igual a 30 cm ............ 27

Figura 7.10: Potência Recebida no Cenário Urbano Estacionário ............................ 28

Figura 7.11: Fading em Curto Prazo ......................................................................... 29

Figura 7.12: Capacidade do Sistema para o Cenário Urbano Estacionário .............. 30

Figura 7.13: Primeiro Instante do Cenário Urbano Variante no Tempo ..................... 31

Figura 7.14: Potência Recebida no Cenário Urbano Variante no Tempo .................. 31

Figura 7.15: Capacidade do Sistema para o Cenário Urbano Variante no Tempo .... 32

Figura 7.16: Comparação entre os Sistemas Variante e Invariante no Tempo para

uma Altura de 30 cm ................................................................................................. 33

Figura 7.17: Comparação entre os Sistemas Variante e Invariante no Tempo para

uma Altura de 60 cm ................................................................................................. 33

Figura 7.18: Comparação entre um Sistema MIMO Invariante no Tempo e um

Sistema MIMO Variante no Tempo ........................................................................... 34

Figura 7.19: Cenário Rural ........................................................................................ 35

Figura 7.20: Potência REcebida no Cenário Rural .................................................... 36

Figura 7.21: Capacidade do Sistema em Cenário Rural ........................................... 37

Figura 7.22: SNR Mínimo .......................................................................................... 38

Figura 7.23: SNR Médio ............................................................................................ 38

Figura 8.1: Melhor Posicionamento das Antenas ...................................................... 39

Figura 9.1: SNR pela Distância de um Sistema MIMO com a Altura das Antenas

Igual a 30 cm ............................................................................................................. 43


Igual a 60 cm ............................................................................................................. 43


Igual a 90 cm ............................................................................................................. 44


Igual a 120 cm ........................................................................................................... 44


Igual a 150 cm ........................................................................................................... 45

Figura 9.6: Altura das Antenas Igual a 30 cm............................................................ 46



Figura 9.9: Altura das Antenas Igual a 120 cm .......................................................... 47

Figura 9.10: Altura das Antenas Igual a 150 cm ........................................................ 47

Figura 9.11: Altura das Antenas Igual a 30 cm.......................................................... 47



Figura 9.14: Altura das Antenas Igual a 120 cm ........................................................ 48

Figura 9.15: altura das Antenas Igual a 150 cm ........................................... 48

LISTA DE TABELAS

TABELA 6.1: Propriedade dos Materiais ................................................................... 19

TABELA 7.1: Análise dos Pontos para a Altura de 30 cm ......................................... 24



TABELA 7.4: Análise dos Pontos para a Altura de 120 cm ....................................... 25

TABELA 7.5: Análise dos Pontos para a Altura de 150 cm ....................................... 26

TABELA 7.6: Análise dos Diferentes Sistemas SIMO ............................................... 26

TABELA 7.7: Avaliação da Potência Recebida para o Cenário Rural ....................... 35

LISTA DE SIGLAS

IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers

ITS Intelligent Transportation Systems

MIMO Multiple Input Multiple Output

MISO Multiple Input Single Output

OFDM Orthogonal frequency-Division Multiplexing

SIMO Single Input Multiple Output

SISO Single Input Single Output

SNR Signal-to-Noise Ratio

SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO ......................................................................................................... 1

2 COMUNICAÇÃO ENTRE VEÍCULOS ..................................................................... 2

2.1 AVISO SOBRE UMA SITUAÇÃO DE PERIGO .............................................. 2

2.2 CÁLCULO DA VELOCIDADE ÓTIMA ............................................................ 2

2.3 NOTIFICAÇÃO DE PONTOS DE INTERESSE ............................................. 3

3 PARÂMETROS TÉCNICOS .................................................................................... 4

4 SISTEMAS DE TRANSMISSÃO .............................................................................. 6

4.1 TÉCNICAS DE DIVERSIDADE ...................................................................... 6

4.1.1 Diversidade de Freqüência ...................................................................... 7

4.1.2 Diversidade Temporal .............................................................................. 7

4.1.3 Diversidade Espacial ............................................................................... 7

4.1.4 Diversidade por Polarização .................................................................... 8

4.2 MÉTODOS DE DIVERSIDADE ...................................................................... 8

4.2.1 Método de Diversidade por Seleção ........................................................ 8

4.2.2 Combinação de máxima proporção ......................................................... 9

4.2.3 Combinação de Mesmo Ganho ............................................................. 10

5 PROPAGAÇÃO DE ONDA .................................................................................... 11

5.1 FENÔMENOS DE ONDA ............................................................................. 11

5.1.1 Reflexão ................................................................................................ 11

5.1.2 Difração ................................................................................................. 11

5.2 TEORIA DAS DUAS ONDAS ....................................................................... 12

5.2.1 Modificação da Teoria das duas Ondas ................................................ 15

5.2.2 Análise dos Métodos de Combinação ................................................... 15

6 FERRAMENTAS DE SIMULAÇÃO ....................................................................... 18

6.1 ROADCOM .................................................................................................. 18

6.2 RAY TRACING ............................................................................................. 19

7 SIMULAÇÃO .......................................................................................................... 20

7.1 Cenário Urbano Estacionário ....................................................................... 20

7.1.1 Análise das Perdas por Propagação ..................................................... 21

7.1.2 Correlação ............................................................................................. 22

7.1.3 Melhores Pontos Receptores ................................................................ 23

7.1.4 Análise do Número de Antenas ............................................................. 26

7.1.5 Sistema MIMO ....................................................................................... 27

7.2 Cenário Urbano Variante no Tempo............................................................. 30

7.3 COMPARAÇÃO ENTRE OS DOIS CENÁRIOS URBANA ........................... 32

7.4 Cenário Rural Estacionário .......................................................................... 34

7.4.1 Sistema SIMO........................................................................................ 35

7.5 Comparação do Cenário Urbano e Rural ..................................................... 37

8 CONCLUSÃO ..................................... FEHLER! TEXTMARKE NICHT DEFINIERT.

9 REFERÊNCIAS ...................................................................................................... 41

1

1 INTRODUÇÃO

O constante aumento de veículos nas ruas e nas estradas torna o trânsito

cada vez mais lento e perigoso. A comunicação entre veículos visa melhorar esses

problemas através do envio de informações sobre condições da pista e do tráfego

aos motoristas, assim como de informações sobre os veículos vizinhos.

Na Europa já existem diversos projetos de aplicações para a comunicação

entre veículos com o objetivo não apenas de tornar o trânsito mais eficiente e

seguro, mas também de disponibilizar informações sobre pontos de interesse aos

motoristas. O Car-2-Car Manifesto [1] descreve nove aplicações da comunicação

entre veículos, três delas serão descritas no capítulo 2.

Este projeto tem como objetivo principal analisar os diferentes tipos de

sistemas de múltiplas antenas, a fim de identificar o melhor sistema, posicionamento

e combinações das antenas. O projeto está dividido em duas partes principais, a

primeira compreende a simulação de sistemas de transmissão, através do programa

Ray Tracing, que calcula a propagação de uma onda em um cenário pré-definido. Já

a segunda consiste na análise dos resultados obtidos na simulação a partir da

construção de gráficos a fim de tornar possível a comparação de parâmetros como a

intensidade do sinal recebido e a capacidade do sistema entre os diversos cenários

e posicionamento de antenas.

2

2 COMUNICAÇÃO ENTRE VEÍCULOS

Na Europa há um projeto em andamento que visa padronizar a comunicação

entre veículos, tendo como objetivo principal aumentar a segurança e a eficiência do

trânsito. Além disso, essa comunicação visa um maior conforto para o motorista e

seus passageiros, disponibilizando a eles informações e métodos de entretenimento.

Vários exemplos de possíveis aplicações para a comunicação entre

automóveis estão descritos em [1]. A seguir serão exemplificados três desses casos.

O primeiro refere-se a uma aplicação voltada à segurança, o segundo visa tornar o

tráfego mais eficiente e o terceiro tem como objetivo disponibilizar informações ao

motorista.

2.1 AVISO SOBRE UMA SITUAÇÃO DE PERIGO

Apesar da maioria das batidas atrás dos automóveis serem provocadas por

distração do motorista ou em alguns casos por uma freada não esperada, essa

forma de colisão representa uma grande porcentagem de acidentes ocorridos ao

redor do mundo. Como forma de evitar esse tipo de colisão, cada automóvel

equipado com a comunicação entre veículos receberá informações sobre os

automóveis vizinhos. Sendo identificado um caso crítico (como por exemplo, uma

freada brusca), o motorista do veículo recebe um aviso, tendo tempo suficiente para

frear e evitar um acidente. Além da comunicação entre veículos, sensores podem

ser utilizados para a identificação de automóveis não equipados com a comunicação

sem fio.

2.2 CÁLCULO DA VELOCIDADE ÓTIMA

O objetivo principal dessa aplicação é evitar com que os automóveis tenham

que parar nos sinais vermelhos, otimizando o fluxo de veículos e melhorando o

trânsito. A partir da aproximação de um veículo a um cruzamento sinalizado,

informações sobre o posicionamento do sinaleiro e o tempo em que ele permanece

3

verde e vermelho são enviados ao veículo. Com essas informações, o veículo

consegue calcular a velocidade ideal para aquela via e através do seu deslocamento

nessa velocidade, a parada desnecessária em sinais vermelhos é evitada.

2.3 NOTIFICAÇÃO DE PONTOS DE INTERESSE

Na realidade a notificação de pontos de interesse não é uma comunicação

entre veículos, mas sim uma comunicação entre um veículo e uma infra-estrutura, a

qual possui informações como posicionamento, horário de funcionamento e preço

dos pontos de interesse (informações turísticas, restaurantes, business, etc.)

localizados em seus arredores. Quando solicitado pelo motorista, essas informações

são enviadas a ele, passando por um filtro no veículo, que irá mostrar na tela apenas

as informações desejadas.

4

3 PARÂMETROS TÉCNICOS

A norma IEEE 802.11p [15] é uma modificação da norma IEEE 802.11a que

adiciona acesso sem fio no ambiente veicular, suportando aplicações de ITS

(Intelligent Transportation Systems). Essa norma, ainda em desenvolvimento,

estabelece os parâmetros técnicos para a troca de dados entre veículos a alta

velocidade e entre veículos e infra-estruturas localizadas paralelamente a pista.

Segundo a norma acima citada, a banda de freqüências para a transmissão

foi definida em 5,9 GHz com uma largura de banda de 30 MHz para o caso da

Europa, resultando assim em uma freqüência entre 5,875 GHz e 5,905 GHz. Para o

caso dos Estados Unidos a largura de banda é de 70 MHz.

A técnica de modulação utilizada é a OFDM [17], que consiste na

transmissão paralela de dados em diversas sub-portadoras, fornecendo assim uma

alta eficiência espectral. A figura 3.1 ilustra esse tipo de modulação.

FIGURA 3.1 – MODULAÇÃO OFDM [2]

Como tipo de rede para a transmissão veicular utiliza-se uma rede Ad-hoc

(especificada através da norma IEEE 802.11s), a qual transmite e retransmite dados

entre os automóveis sem a necessidade de um nó ou terminal especial para o qual

todas as comunicações convergem antes de serem encaminhadas aos seus

destinos. A Figura 3.2 indica um exemplo de uma rede Ad-hoc em uma comunicação

5

entre veículos.

FIGURA 3.2 – REDE AD-HOC NA COMUNICAÇÃO ENTRE VEÍCULOS [3]

6

4 SISTEMAS DE TRANSMISSÃO

Um sistema simples de transmissão, identificado como SISO (Single Input

Single Output) é constituído de uma antena transmissora, uma antena receptora e

um meio de transmissão. A fim de minimizar as perdas devido à propagação do

sinal, assim como aumentar a capacidade do canal, são utilizados sistemas de

múltiplas antenas denominados por: SIMO (Single Input Multiple Output), MISO

(Multiple Input Single Output) e MIMO (Multiple Input Multiple Output). Uma

ilustração para cada um dos sistemas de transmissão é demonstrada na figura 4.1.

FIGURA 4.1 – SISTEMA SISO, SIMO, MISO E MIMO [14]

4.1 TÉCNICAS DE DIVERSIDADE

Várias técnicas de diversidade são utilizadas a fim de otimizar um sistema

de múltiplas antenas. Em cada uma delas um mesmo sinal é transmitido ou recebido

mais de uma vez, com a modificação de ao menos um parâmetro entre os sinais. O

nome das técnicas de diversidade varia conforme o parâmetro diferenciado na

transmissão dos sinais, podendo chamar-se diversidade por: freqüência, tempo,

espaço e polarização. A seguir cada um desses casos de diversidade será

brevemente descrito conforme [4].

7

4.1.1 Diversidade de Freqüência

Neste tipo de técnica de diversidade, duas ou mais ondas são enviadas ao

mesmo tempo em diferentes freqüências. Durante o percurso da onda entre a

antena transmissora e a antena receptora, fenômenos como reflexão, difração e

dispersão de onda (descritos no capítulo 5) podem causar uma interferência nessa

onda. Como a ocorrência de uma interferência destrutiva depende tanto do

comprimento de onda como da distância que a onda percorre, e as duas ondas

percorrem a mesma distância com comprimento de onda diferente, a probabilidade

de as duas ondas sofrerem uma interferência destrutiva ao mesmo tempo diminui.

4.1.2 Diversidade Temporal

Na técnica de diversidade temporal, um mesmo sinal é enviado duas ou

mais vezes com um determinado intervalo de tempo entre os envios. Nesse caso é

necessário gravar a informação para que o transmissor consiga reenviá-la, e para

que o receptor possa comparar e analisar as informações recebidas. Através dessa

comparação entre os sinais feita pelo receptor, é possível separar o sinal enviado do

ruído.

4.1.3 Diversidade Espacial

Nesse caso, as antenas são separadas espacialmente e enviam o mesmo

sinal, que percorre distâncias distintas de acordo com o posicionamento das

antenas. Como já mencionado na seção 4.1.1, a interferência destrutiva depende

tanto da distância percorrida pela onda como da freqüência da onda. Como os

sinais, com mesma freqüência, percorrem trajetos e distâncias distintas, espera-se

que a interferência sofrida por cada um dos sinais também seja distinta, aumentando

assim a probabilidade de que ao menos um dos sinais recebidos possua uma alta

SNR (Signal-to-Noise Ratio).

8

4.1.4 Diversidade por Polarização

Na Diversidade por Polarização, dois sinais são transmitidos e recebidos

com duas polarizações ortogonais (por exemplo, vertical e horizontal). Quando um

dos sinais é altamente influenciado pela atenuação, espera-se que o segundo sinal

seja menos afetado, resultando na recepção de pelo menos um bom sinal.

As várias técnicas de diversidade também podem ser combinadas [9] para

que a qualidade do sinal recebido melhore ainda mais. A recepção de rádio em um

automóvel é um exemplo disso, nela são utilizados métodos de diversidade por

freqüência juntamente com diversidade espacial. Outro exemplo muito utilizado é a

união da diversidade temporal com a diversidade espacial, resultando por exemplo,

na codificação de Alamouti [6], que envia a mesma informação codificada de

maneiras diferentes por duas antenas distintas e repete esse envio após certo

intervalo de tempo, com outra codificação. O código de Alamouti é muito utilizado

por apresentar uma fácil implementação e uma grande melhora no sinal recebido.

Dentro deste projeto a diversidade especial terá uma importância maior, já

que ela será utilizada nas simulações e em suas análises.

4.2 MÉTODOS DE DIVERSIDADE

Em um sistema com múltiplas antenas receptoras, alguns métodos de

diversidade são utilizados a fim de combinar os sinais recebidos nas diversas

antenas. Três desses métodos serão descritos nas próximas seções. Esses métodos

são: a diversidade por seleção, a combinação de máxima proporção e a combinação

de mesmo ganho.

4.2.1 Método de Diversidade por Seleção

Na diversidade por seleção, a cada instante de tempo a qualidade dos sinais

recebidos é analisada e o melhor sinal é escolhido. Para o sinal resultante será

utilizado apenas um dos sinais, independentemente do número de antenas

receptoras. A qualidade do sinal é determinada através de um sintonizador e o

9

melhor sinal é selecionado através de um Diodo [9]. Como vantagem do método de

seleção há a simplicidade de sua implementação.

A figura 4.2 ilustra a técnica de diversidade por seleção.

FIGURA 4.2: MÉTODO DE DIVERSIDADE POR SELEÇÃO

4.2.2 Combinação de máxima proporção

Para um sistema de combinação de máxima proporção, todos os sinais são

importantes dentro do sinal combinado, resultando em um maior ganho em relação

ao método da seleção para sistemas com um maior número de antenas receptoras.

Nesse caso todos os sinais passam por um ajuste de fase, são multiplicados por um

coeficiente e em seguida são somados. Os coeficientes possuem uma relação com

a amplitude dos sinais, sendo assim, dependendo da amplitude do sinal, ele

apresentará um ganho ou uma atenuação. Esse fato faz com que o peso dos

melhores sinais seja maior na soma do que o dos piores sinais. A fórmula 4.1 [10]

representa o cálculo dos coeficientes.

�� = �∙��∑ |��|��

(4.1)

Onde,

�� - coeficiente do sinal i

N - número de antenas receptoras

�� - potência recebida na antena i

A figura 4.3 indica um caso de diversidade de máxima proporção.

10

FIGURA 4.3: MÉTODO DE COMBINAÇÃO DE MÁXIMA PROPORÇÃO

4.2.3 Combinação de Mesmo Ganho

Na combinação de mesmo ganho, assim como na combinação de máxima

proporção, todos os sinais são importantes para o sinal combinado. Nela todos os

sinais são adicionados em fase, com um coeficiente igual a um. Devido à adição em

fase, a implementação de um sistema de combinação de mesmo ganho é mais

complexa do que um sistema de diversidade por seleção. Já em relação à

diversidade de máxima proporção, a implementação de um sistema de combinação

de mesmo ganho é mais simples, já que nela não é necessário o conhecimento do

canal. Na realidade a combinação de mesmo ganho é um caso específico da

combinação de máxima proporção, para a qual todos os coeficientes são iguais e

possuem o valor um.

A figura 4.4 indica um sistema de diversidade de mesmo ganho.

FIGURA 4.4: MÉTODO DE DIVERSIDADE DE MESMO GANHO

A fim de determinar o melhor método de combinação, realizou-se uma

análise com auxílio da teoria das duas ondas, a qual será explicada no capítulo 5.

11

5 PROPAGAÇÃO DE ONDA

Na propagação de onda é possível observar a ocorrência de vários

fenômenos que causam o Fading (diminuição da intensidade do sinal recebido por

influência do meio de propagação) a longo e em curto prazo.

5.1 FENÔMENOS DE ONDA

5.1.1 Reflexão

Quando uma onda em propagação encontra um meio, o qual apresenta

propriedades de propagação distintas do primeiro meio, uma parte dessa onda

atravessa esse meio e a outra parte é refletida com o mesmo ângulo da onda

incidente. A figura 5.1 ilustra esse fenômeno.

FIGURA 5.1: REFLEXÃO DE ONDA

5.1.2 Difração

Um obstáculo no caminho da onda causa um desvio no seu percurso, esse

desvio é chamado de difração. A aparição desse obstáculo no caminho da onda,

fará com que a onda propague-se contornando esse obstáculo, que no caso da

comunicação entre veículos será uma árvore, uma construção, um outro automóvel,

dentre outros. O princípio de Huygens [16] descreve a nova fonte de onda.

A figura 5.2 ilustra um caso da Difração de onda.

12

FIGURA 5.2: DIFRAÇÃO DE ONDA [11]

5.2 TEORIA DAS DUAS ONDAS

A propagação de onda em um sistema SISO é descrita pela teoria das duas

ondas [5], a qual considera que um sinal percorre dois caminhos distintos entre a

antena transmissora e a antena receptora, sendo eles um caminho direto e um

caminho devido a uma reflexão no chão. A figura 5.3 indica os dois caminhos

percorridos pelo sinal.

FIGURA 5.3: CAMINHOS PERCORRIDOS PELAS ONDAS

O calculo da potência recebida na antena receptora (��) é realizado através

da equação 5.1 [5].

�� = � ��4 ∙ �� ∙ �� ∙ �� ∙ �� ∙ � !"∙#$%& + (�(), +, ,) ∙ !"∙#$%�

&� ��

(5.1)

Onde,

�� – comprimento de onda no vácuo

�� – potência transmitida

�� – ganho da antena transmissora

�� – ganho da antena receptora

d – distância direta entre a antena transmissora e receptora

&� – distância percorrida pela onda através da reflexão

.� – número de onda no vácuo =

(� – fator de reflexão de Fresnel

Sendo que (� é calculado através da equação 5.2.

(/ = +� ∙ cos+� ∙ cos

Onde,

µ – permeabilidade do meio

ε – permissividade do meio

θ – ângulo incidente da onda

Calculou-se a potência recebida para diferentes alturas da antena

transmissora e analisaram-

gráficos, fixou-se uma altura para a antena transmissora e variou

antena receptora quanto a

m até 2 m e a variação da distância foi de 0 m até 200 m

ilustram essa análise para a antena transmissora nas alturas de 30 cm e 150 cm,

respectivamente.

comprimento de onda no vácuo

potência transmitida

ganho da antena transmissora

ganho da antena receptora

distância direta entre a antena transmissora e receptora

distância percorrida pela onda através da reflexão

número de onda no vácuo =

lexão de Fresnel para uma polarização vertical

é calculado através da equação 5.2.

cos()) 3 4+5 ∙ (+� 3 +5) ∙ sin�())cos()) + 84+5 ∙ (+� 3 +5) ∙ sin�()) ∙ , (5.2)

permeabilidade do meio

permissividade do meio

ângulo incidente da onda

se a potência recebida para diferentes alturas da antena

-se os resultados através de gráficos. Para cada um dos

a altura para a antena transmissora e variou-se tanto a altura da

antena receptora quanto a distância entre as antenas. A variação da altura foi de 0,

m até 2 m e a variação da distância foi de 0 m até 200 m. As figuras 5.4 e 5.5

a a antena transmissora nas alturas de 30 cm e 150 cm,

13

para uma polarização vertical

se a potência recebida para diferentes alturas da antena

se os resultados através de gráficos. Para cada um dos

se tanto a altura da

A variação da altura foi de 0,2

. As figuras 5.4 e 5.5

a a antena transmissora nas alturas de 30 cm e 150 cm,

14

FIGURA 5.4: POTÊNCIA RECEBIDA PARA UMA ANTENA TRANSMISSORA EM UMA ALTURA

IGUAL A 30 CM

FIGURA 5.5: POTÊNCIA RECEBIDA PARA UMA ANTENA TRANSMISSORA EM UMA ALTURA

IGUAL A 150 CM

Na figura 5.4, observa-se uma grande atenuação do sinal para uma antena

receptora numa altura de 30 cm para uma distância maior que 50 m entre a antena

transmissora e a antena receptora. A adição de uma segunda antena transmissora,

em uma altura de 150 cm poderia melhorar o sinal para esse caso, o que pode ser

observado na figura 5.5.

Realizando o mesmo procedimento na figura 5.5, observa-se que para uma

antena receptora a uma altura de 150 cm, há grandes perdas no sinal para uma

distância entre as antenas de 45 m a 50 m, assim como de 90 m a 100 m. Na figura

15

5.4, é possível observar que a adição de uma antena transmissora em uma altura de

30 cm diminui as perdas do sinal para essas distâncias.

Como a combinação de dois sinais enviados por antenas em alturas

diferentes resulta em uma melhora do sinal recebido, realizou-se uma modificação

na teoria das duas ondas para que através dessa fosse possível analisar os diversos

métodos de diversidade.

5.2.1 Modificação da Teoria das duas Ondas

Através da modificação da teoria das duas ondas foi possível analisar a

propagação de ondas em um sistema MIMO como duas antenas transmissoras e

duas antenas receptoras. Neste caso leva-se em consideração não apenas uma

onda que percorre um caminho direto e uma onda que percorre um caminho com

reflexão no solo, mas quatro ondas com percurso direto e quatro ondas refletidas,

conforme mostrado na figura 5.6.

FIGURA 5.6: CAMINHOS PERCORRIDOS PELO SINAL NA TEORIA DAS DUAS ONDAS

MODIFICADA

A potência recebida (��) para esse caso será calculada de acordo com a

Equação 5.3 [5].

�� = :$;∙<

� ∙ �� ∙ �� ∙ �� ∙ ∑ =>?@∙A$B�%� + (�(), +, ,) ∙ >?@∙A$B��

%�� =;�C5 (5.3)

5.2.2 Análise dos Métodos de Combinação

Para analisar cada um dos métodos de combinação e identificar o melhor

deles, considerou-se um sistema MIMO com dois conjuntos de antenas, cada um

deles formado por uma antena transmissora e uma antena receptora localizadas na

mesma altura. Nesse sistema, a distância entre a antena transmissora e a receptora

varia de 5 a 200 m com um intervalo λ entre cada um dos pontos. Já a altura de

cada um dos conjuntos de antenas varia de 0,2 a 2 m a cada λ/2. Calculou-se a

16

potência recebida para várias combinações de altura de antenas e distância entre

antenas receptoras e transmissoras.

Como forma de analisar a relação entre a potência recebida na antena

receptora e a altura de cada um dos conjuntos de antenas, calculou-se para cada

combinação de altura de antenas, a média da potência recebida para todas as

distâncias compreendidas entre 5 e 200 m. Como há duas antenas receptoras, para

esse cálculo combinaram-se os dois sinais recebidos através dos métodos de

diversidade por seleção, método de combinação de mesmo ganho e método de

combinação de máxima proporção. As figuras 5.7, 5.8 e 5.9 indicam os três casos,

respectivamente.

FIGURA 5.7: POTÊNCIA RECEBIDA COMBINADA ATRAVÉS DO MÉTODO DE SELEÇÃO

FIGURA 5.8: POTÊNCIA RECEBIDA COMBINADA ATRAVÉS DO MÉTODO DE MESMO GANHO

17

FIGURA 5.9: POTÊNCIA RECEBIDA COMBINADA ATRAVÉS DO MÉTODO DE MÁXIMA

PROPORÇÃO

Analisando os três gráficos observa-se que para os três casos os melhores

pontos de recepção estão localizados no mesmo intervalo de altura das antenas,

compreendido entre 20 e 40 cm para os dois conjuntos de antenas. A diferença

entre os três métodos está na intensidade do sinal recebido, a qual é mais baixa

para a diversidade por seleção e mais alta para a combinação de máxima

proporção. O ganho médio do gráfico de mesmo ganho em relação ao gráfico de

seleção é de aproximadamente 3 dB, já o ganho médio do método de máxima

proporção em relação ao gráfico de mesmo ganho é aproximadamente 1.5 dB.

Como a diversidade de máximo ganho é a que apresenta um melhor

resultado, esse método foi o escolhido para a realização da análise das simulações.

18

6 FERRAMENTAS DE SIMULAÇÃO

Todas as simulações foram realizadas com auxílio dos programas Roadcom

e Ray Tracing. O primeiro cria o cenário para a simulação e o segundo calcula a

propagação de onda nesse cenário. As seções 6.1 e 6.2 descrevem as duas

ferramentas.

6.1 ROADCOM

O Roadcom é um programa que cria diferentes cenários de acordo com o

objetivo da simulação. Nele é possível especificar quantos intervalos de tempo serão

simulados e qual será o período entre esses intervalos de tempo. Além disso, define-

se o número de reflexões que uma mesma onda poderá sofrer e o número de

difrações.

A diferença de cada um dos cenários está na densidade de automóveis,

construções e árvores. Ao comparar um cenário urbano com um rural, observa-se

que o primeiro possui uma densidade muito maior de automóveis e de construções,

enquanto o segundo, pelo fato de referir-se a estradas e rodovias, possui uma

densidade muito maior de árvores. Carros estacionados também são considerados

como objetos no cenário urbano. A Figura 6.1 indica a visão superior de um cenário

urbano, à direita, com um cenário rural, à esquerda.

FIGURA 6.1: COMPARAÇÃO DE UM CENÁRIO URBANO COM UM CENÁRIO RURAL

Cada objeto do cenário é representado como uma composição de retângulos

tridimensionais. Como forma de diferenciar um objeto do outro, definem-se

parâmetros para cada um dos materiais. Para os seguintes materiais: vegetação,

19

construções, vidro, asfalto e metal, serão definidas suas permissividades,

permeabilidades e rugosidades.

A tabela 6.1 indica a permissividade e a permeabilidade de cada um desses

materiais.

Material ε µ Vegetação 10-6j 1 Construção 5-0,1j 1 Vidro 6+0,01j 1 Asfalto 5-0,1j 1 Metal 10-1000000j 1

TABELA 6.1: PROPRIEDADE DOS MATERIAIS

Para finalizar a criação do cenário, define-se tanto para o ponto transmissor

quanto para o ponto receptor sua posição e velocidade, o tipo e orientação de

antena, a freqüência de transmissão e quantidade de veículos que há entre o

transmissor e o receptor.

6.2 RAY TRACING

O Ray Tracing é um programa baseado em linhas de comando para cálculo

da propagação de onda entre pontos transmissores e receptores pré-definidos. Ele

foi desenvolvido para um cenário urbano envolvendo micro e macro células, porém

também pode ser utilizado para outros ambientes, como, por exemplo, ambientes

internos.

Nesse programa, considera-se que uma onda pode sofrer reflexão, difração

e dispersão, dependendo dos obstáculos que ela encontre em seu percurso. Para

um resultado preciso, é necessário que o comprimento de onda seja pequeno, se

comparado com os objetos do cenário. Nesse programa há a limitação de que uma

mesma onde poderá refletir até no máximo cinco vezes e difratar até três vezes.

Os parâmetros resultantes da simulação são: módulo de fase da onda,

freqüência Doppler, ângulo de elevação em que a onda saiu do transmissor e

chegou ao receptor, azimute da onda enviada e recebida e atraso, para cada

instante para cada uma das ondas que são recebidas no ponto definido como

receptor.

20

7 SIMULAÇÃO

A simulação visa analisar a propagação de onda em diversos cenários a fim

de localizar o melhor ponto receptor no automóvel. Nas simulações as antenas

utilizadas foram antenas omni-direcionais, já que um dos resultados obtidos na

simulação é o ângulo em que a onda sai do transmissor e chega ao receptor, sendo

possível analisar posteriormente se uma antena direcional é mais adequada para a

transmissão.

Para todas as simulações, a freqüência de transmissão utilizada foi a de

5.9GHz, valor selecionado de acordo com a norma IEEE 802.11p.

A simulação foi realizada para três cenários diferentes, cenário urbano

estacionário, cenário urbano variante no tempo e cenário rural estacionário. A seguir

explica-se cada um dos cenários, seus resultados e uma análise dos resultados.

7.1 CENÁRIO URBANO ESTACIONÁRIO

Definiu-se para a simulação um cenário urbano com quatro pistas de carros

em movimento, sendo duas em um sentido e as outras duas no sentido oposto às

duas primeiras. Nesse cenário, os automóveis que trafegam nas duas pistas

externas possuem uma velocidade aproximada de 40 km/h e os automóveis das

duas pistas centrais trafegam a uma velocidade de 60 km/h. Além das quatro pistas

de carros em movimento, há duas com carros estacionados e ao lado dessas pistas

construções e algumas árvores.

A simulação foi realizada apenas para o primeiro intervalo de tempo, sendo

assim considerado um cenário estacionário, para o qual um ponto transmissor e

diversos pontos receptores, espalhados pelas quatro pistas do cenário foram

escolhidos. Os pontos receptores distanciam-se do transmissor de 5 a 200 m e o

espaçamento entre dois pontos receptores é de 5λ. A ilustração tanto do cenário,

como dos pontos transmissor e receptores está indicada na Figura 7.1.

21

FIGURA 7.1: ILUSTRAÇÃO DO CENÁRIO URBANO ESTACIONÁRIO

Essa simulação foi realizada para antenas localizadas em cinco alturas

diferentes, sendo essas alturas iguais a 30 cm, 60 cm, 90 cm, 120 cm e 150 cm. Em

cada uma das simulações, todas as antenas possuem a mesma altura.

Realizada a simulação, analisaram-se as perdas devido à propagação do

sinal. Em seguida escolheram-se os melhores pontos receptores em relação ao

automóvel para cada uma das alturas e por fim sumulou-se o envio do sinal através

de uma segunda antena transmissora a fim de analisar a SNR e a capacidade de um

sistema MIMO.

7.1.1 Análise das Perdas por Propagação

Para a análise das perdas por propagação, em cada um dos pontos

receptores, somaram-se todas as ondas recebidas por esse ponto de duas maneiras

diferentes, uma coerente e outra incoerente. As fórmulas 7.1 e 7.2 demonstram o

cálculo para a potência calculada de forma coerente e incoerente, respectivamente.

� = |�5 + �� + �E + … + ��|� (7.1)

� = |�5|� + |�;|� + |�E|� + … + |��|� (7.2)

Onde,

P – amplitude do sinal resultante

�� – ondas que compõem o sinal (formada por ângulo e fase)

Através da potência recebida calculada pela soma incoerente dos sinais,

analisou-se o percurso de cada uma das ondas, assim com seus pontos de reflexão,

já que para esse caso, a interferência sofrida pelo sinal é menor, tornando a

visualização do percurso da onda mais clara.

22

A soma coerente de todas as ondas recebidas em cada um dos pontos

indicou a potência real em cada um dos pontos receptores. Nela é possível observar

qual a interferência real que as varias ondas causam no sinal resultante.

As figuras 7.2 e 7.3 indicam a potência recebida em cada um dos pontos

receptores localizados a uma distância de 5 a 105 m da antena transmissora,

espalhados pelas quatro pistas do cenário para as antenas em uma altura de 120

cm para o caso de adição coerente e incoerente dos sinais recebidos (cálculo

realizado conforme equações 7.1 e 7.2), respectivamente.

FIGURA 7.2: POTÊNCIA RECEBIDA CALCULADA ATRAVÉS DA SOMA INCOERENTE DAS

ONDAS

FIGURA 7.3: POTÊNCIA RECEBIDA CALCULADA ATRAVÉS DA SOMA COERENTE DAS ONDAS

O anexo A ilustra a potência recebida para uma distância de 5 a 205 m da

antena receptora para as cinco alturas tanto para o caso coerente, o caso real.

7.1.2 Correlação

Ao contrário da maioria dos métodos de combinação de sinais, na

combinação de máxima proporção não é apenas a amplitude dos sinais combinados

que é importante, mas também a correlação entre os sinais. Para dois sinais pouco

correlacionados, a probabilidade de que para cada ponto ao menos um dos sinais

possua uma boa SNR é maior. Por esse fator, analisou-se a correlação entre cada

dois pontos receptores.

23

O coeficiente de correlação (k), o qual descreve a relação linear entre dois

ou mais sinais, está definido segundo Bravais-Pearson [7] na equação 7.3.

. = ∑ (H� 3 HI)��C5 ∙ (J� 3 JK)L∑ (H� 3 HI)� ∙ ∑ (J� 3 JK)��C��C5

(7.3)

Na qual,

HI é o valor médio da x

JK é o valor médio da y

H� é o valor de x no ponto i

J� é o valor de y no ponto i

O coeficiente de correlação pode variar entre 0 e 1, sendo que o valor 0

indica que os sinais não possuem nenhuma correlação e o valor 1 indica que os

sinais são totalmente correlacionados.

7.1.3 Melhores Pontos Receptores

Para avaliar o sinal recebido em cada ponto do automóvel, calculou-se a

curva SNR pela distância para cada um desses pontos para as quatro pistas. Para

isso supõe-se que um automóvel trafega pela pista do ponto 0 m até o ponto 200 m.

Para a análise dos melhores pontos receptores, comparou-se a SNR em oito

conjuntos de pontos distintos, cada um deles formado por dois pontos. Os oito

conjuntos de pontos foram escolhidos da seguinte forma: primeiramente calculou-se

a correlação do sinal de cada dois pontos do automóvel para cada uma das pistas.

Os pontos com menor correlação de cada uma delas foram os primeiros quatro

conjuntos de pontos escolhidos. Em seguida calculou-se a correlação média das

quatro pistas para cada dois pontos, sendo que os dois pontos que apresentaram a

menos correlação foram escolhidos como o 5º conjunto de pontos.

Os últimos três conjuntos de pontos foram escolhidos através de sua

amplitude. Supondo o deslocamento virtual de um veículo através de cada uma das

pistas do cenário, para cada ponto deslocado, computou-se o posicionamento em

relação ao veículo dos cinco pontos com melhor sinal recebido. Ao final do

deslocamento, analisou-se quantas vezes cada um dos pontos apareceu entre os

cinco melhores sinais, encontrando assim os três pontos de melhor amplitude.

24

Combinando esses três pontos dois a dois, foram obtidos os últimos três conjuntos

de pontos a serem analisados.

Para comparar a SNR entre os pontos, calculou-se a média do sinal para

uma distância de 200 m, o seu valor máximo e seu valor mínimo. Como melhor

ponto para cada uma das alturas, escolheu-se o conjunto de pontos que apresentou

o maior valor mínimo da SNR, já que o importante é que o sinal seja suficientemente

maior do que o ruído para que seja possível separá-los.

Abaixo há, para cada uma das alturas analisadas, uma figura com todos os

pontos utilizados na primeira análise (em azul) e o conjunto de pontos escolhidos

(círculo preto), assim como uma tabela com os oito conjuntos de pontos

selecionados e suas respectivas SNR máxima, mínima e média.

FIGURA 7.4: MELHORES PONTOS PARA A ALTURA DE 30 CM

Altura Pontos

30 cm 8,1 – 8,18 8,1 – 8,17 8,2 – 8,17 8,17 – 1,1 3,2 – 1,11 1,10 – 6,7 5,14 – 3,6 3,5 – 2,17

SNR máxima em dB 70,83 70,58 70,71 70,86 68,67 70,19 70,27 70,77

SNR mínima em dB 36,91 36,08 38,21 35,92 37,91 36,65 38,05 36,61

SNR média em dB 54,34 54,1 54,32 54,36 53,98 54,25 54,23 54,33

TABELA 7.1: ANÁLISE DOS PONTOS PARA A ALTURA DE 30 CM


25

Altura Pontos

60 cm 2,1 – 3,1 2,1 - 3,18 1,15 – 5,1 1,6 – 1,1 1,1 – 1,18 4,1 – 1,4 7,1 – 1,7 4,1 – 8,1

SNR máxima em dB 69,64 71,21 70,26 68,6 68,93 70,59 69,28 69,65

SNR mínima em dB 19,78 26,35 27,14 26,73 27,52 26,12 25,74 23,45

SNR média em dB 46,84 47,69 47,86 47,48 47,43 47,94 47,62 47,53



Altura Pontos

90 cm 2,15 – 2,14 1,6 – 2,15 10,6 – 4,15 1,6 -2,14 8,15 – 2,9 6,6 – 4,6 7,15 – 6,6 3,15 – 9,7

SNR máxima em dB 68,47 68,72 68,72 68,65 68,9 68,1 69,26 68,59

SNR mínima em dB 14,38 19,22 19,22 19,27 18,25 8,27 15,7 16,45

SNR média em dB 43,97 44,42 44,42 44,39 44,69 43,43 44,31 44,92



Altura Pontos

120 cm 1,15 – 1,6 1,15 – 1,14 1,6 – 1,14 3,6 – 2,6 3,15 – 8,6 1,6 – 1,15 1,10 – 1,6 4,6 – 5,15

SNR máxima em dB 68,17 68,19 68,08 68,04 67,77 68,17 67,61 68,29

SNR mínima em dB 18,77 9,69 16,94 8,3 18,51 18,82 13,86 13,47

SNR média em dB 43,99 43,65 43,87 42,57 44,93 43,99 43,64 43,5


26


Altura Pontos

150 cm 1,7 – 1,6 1,7 – 1,14 8.6 – 2.15 1,6 – 1,14 1,13 – 8,7 5,6 – 3,10 4,6 -1,9 8,11 – 4,8

SNR máxima em dB 64,89 65,44 53,95 65,39 65,63 65,45 64,96 65,52

SNR mínima em dB 17,53 23,46 22,44 20,09 21,27 20,27 20,48 21,73

SNR média em dB 44,33 44,85 45,62 44,86 45,87 44,3 44,62 45,29


7.1.4 Análise do Número de Antenas

Para analisar o número de antenas necessárias para a recepção,

comparam-se alguns sistemas SIMO com diferentes números de antenas

receptoras. Sabendo-se que o máximo ganho através de uma combinação de

máxima proporção ocorre quando os dois sinais são iguais, calculou-se o ganho

máximo de um sistema SIMO com 2, 3, 4 e 5 antenas receptoras em relação a um

sistema SISO.

Número de Receptores

Ganho em relação ao

SISO


SIMO – 2 Rx


SIMO – 3 Rx


SIMO – 4 Rx 2 3.01 dB - - - 3 4.77 dB 1.77 dB - - 4 6.02 dB 3.01 dB 1.25 dB - 5 6.99 dB 3.98 dB 2.22 dB 0.97 dB

TABELA 7.6: ANÁLISE DOS DIFERENTES SISTEMAS SIMO

Como com a adição de antenas receptoras ao sistema SIMO, o ganho

trazido por essa antena é cada vez menor, e os custos do sistema são cada vez

maiores, optou-se por realizar análises com sistemas com apenas duas antenas

transmissoras e duas antenas receptoras.

27

7.1.5 Sistema MIMO

Após a realização da simulação para a segunda antena transmissora, foi

possível analisar os ganhos que um sistema MIMO proporciona. Primeiramente,

traçou-se a curva do valor médio da SNR nas quatro pistas pela distância, ilustrada

na figura 7.9 para a antena em uma altura de 30 cm.

SNR – Combinação de Máxima Proporção

Distância em Relação a Antena Transmissora em m

SNR em dB

FIGURA 7.9: SNR PELA DISTÂNCIA PARA ANTENAS EM UMA ALTURA IGUAL A 30 CM

Os gráficos da SNR para as outras quatro alturas de antena estão ilustrados

no Anexo B.

Para o cálculo da SNR, utilizou-se como potência transmitida pelo sistema

23 dBm, valor estipulado segundo a norma IEEE 802.11p. O valor de potência do

ruído térmico utilizado foi de aproximadamente -104 dBm, valor resultante do cálculo

através da equação: P = kBT, na qual k = constante de Bolzmann, B = largura de

banda e T = temperatura ambiente (293 K).

Observando os gráficos, nota-se que a altura de 30 cm apresenta um

resultado mais satisfatório. Para possibilitar uma comparação mais precisa entre

todas as alturas, traçou-se o gráfico da função distribuição acumulada da potência

recebida para cada uma das alturas, conforme demonstrado na figura 7.10.

28

CDF

Potência Recebida em dB

Função Distribuição Acumulada

FIGURA 7.10: POTÊNCIA RECEBIDA NO CENÁRIO URBANO ESTACIONÁRIO

Através do gráfico da figura 7.10, observa-se claramente que a altura de 30

cm resulta em uma potência recebida mais alta do que as outras antenas, possuindo

um valor médio de aproximadamente 5 dB maior do que a altura de 60 cm, a qual

apresenta o segundo melhor sinal. Observa-se também que quanto mais altas as

antenas, pior é o sinal recebido.

O melhor resultado na altura de 30 cm pode ser explicado pelo fato de que

para essa altura não há problema quando um automóvel está entre a antena

transmissora e a antena receptora, já que o sinal propaga-se por baixo dos veículos.

Além disso, o número de reflexões nessa altura é maior, chegando ao ponto

receptor um número maior de ondas, e quanto maior o número de ondas recebidas,

melhor é o sinal e menor é a interferência, já que o peso de cada uma das ondas

individualmente é menor.

Já o fato do aumento da altura da antena piorar a intensidade do sinal

recebido, é explicado com a observação dos gráficos da perda do sinal devido à

propagação, localizados no anexo A. Observa-se que quanto mais altas as antenas,

maior é a perda do sinal devido a um obstáculo entre o ponto transmissor e o ponto

receptor e maior o tempo que o sinal leva para recuperar parte de sua potência.

Além disso, observa-se ainda que na altura de 30 cm o Fading em curto

prazo é menor, já que o intervalo entre a potência mais baixa e a potência mais alta

é menor do que nos outros casos. A figura 7.11 ilustra o pico negativo e pico positivo

do Fading em curto prazo para cada altura de antenas.

29

FIGURA 7.11: FADING EM CURTO PRAZO

Além da potência recebida pelo sistema, a capacidade do sistema também

foi analisada. O cálculo da capacidade (C) [14] é realizado através da equação 7.4

para um sistema SISO, da equação 7.5 para um sistema MISO, da equação 7.6 para

um sistema SIMO e a equação 7.7 para um sistema MIMO. Para isso utilizou-se a

equação 7.3. Na figura 7.12 observa-se que apesar da equação para o cálculo da

capacidade ser altamente relacionada com a SNR, o gráfico da capacidade

apresenta algumas diferenças em relação ao gráfico da potência recebida. Isso

ocorre porque diferentemente do cálculo da potência recebida, o cálculo da

capacidade do sistema não utiliza nenhum tipo de combinação de sinal. Sendo

assim, cada um dos sinais que formam o sinal resultante possui o mesmo peso

sobre este.

M = NOP2 (1 + QR( ∙ |ℎ|�) (7.4)

M = NOP2 �1 + QR(T ∙ ℎ ∙ ℎ∗� (7.5)

M = NOP2 V& W �XY + QR(T ∙ ℎℎ∗�Z (7.6)

M = NOP2 V& W �XY + QR(T ∙ \\∗�Z (7.7)

Onde,

SNR – relação sinal-ruído

h – coeficiente de transmissão

H – coeficiente de transmissão complexo

M – número de antenas transmissoras

I – matriz identidade

-9

-17

-20

-16-14

46 6 7 6

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

30 cm 60 cm 90 cm 120 cm 150 cmA

mp

litu

de

em

dB

Alturas

Fading em Curto Prazo

Valor Mínimo

Valor Máximo

30

FIGURA 7.12: CAPACIDADE DO SISTEMA PARA O CENÁRIO URBANO ESTACIONÁRIO

7.2 CENÁRIO URBANO VARIANTE NO TEMPO

O objetivo principal dessa simulação é comparar o cenário que varia tanto no

tempo como na distância como cenário analisado anteriormente, o qual varia apenas

na distância. Com isso será possível concluir se o canal analisado até agora pode

ser considerado um canal real (variante no tempo) ou não.

Para essa simulação, criou-se um novo cenário urbano, com as mesmas

características do anterior, como ilustrado na figura 7.13. A diferença entre os

cenários é que aqui ao invés de apenas um intervalo de tempo, serão considerados

diversos intervalos. Além disso, as duas antenas transmissoras foram posicionadas

em um veículo e as antenas receptoras em outro. Esses dois veículos estão em

movimento e trafegam em sentido oposto, cada um com uma velocidade de 60 km/h.

A distância inicial entre eles é de 200 m, em seguida eles aproximam-se até que a

distância entre eles seja de 0 m e afastam-se novamente até que uma distância de

200 m seja novamente atingida.

31

FIGURA 7.13: PRIMEIRO INSTANTE DO CENÁRIO URBANO VARIANTE NO TEMPO

Nesse cenário uma antena transmissora e uma antena receptora foram

posicionadas em uma altura de 30 cm e as outras duas em 60 cm. Essa diferença

entre as alturas foi escolhida, já que a análise para duas antenas na mesma altura já

foi realizada no cenário anterior. Como forma de análise, traçou-se o gráfico da

função distribuição acumulada da potência recebida para um sistema SISO, SIMO,

MISO e MIMO, ilustradas na figura 7.14.


FIGURA 7.14: POTÊNCIA RECEBIDA NO CENÁRIO URBANO VARIANTE NO TEMPO

O fato dos sistemas SIMO e MISO possuírem o mesmo número de antenas

e o sistema SIMO apresentar um resultado mais satisfatório explica-se por o primeiro

caso combinar seus sinais recebidos e o segundo caso não apresentar nenhum tipo

de codificação de sinal. Ele apenas envia sinais através de uma segunda antena

transmissora; esses sinais podem em alguns casos interferir de forma destrutiva no

primeiro sinal e em outros casos interferir de forma construtiva. Podendo em alguns

pontos apresentar um sinal pior do que o sistema SISO.

32

A codificação, como por exemplo, espaço-temporal de Alamouti pode

melhorar o sinal recebido no caso MISO, melhorando também o sinal MIMO.

A figura 7.15 ilustra a capacidade do sistema em cada um dos sistemas, que

demonstra a não linearidade da relação da capacidade de um sistema MIMO com

um sistema SISO. À medida que a capacidade aumenta a diferença entre as duas

capacidades também aumenta.

Capacidade em bps/Hz


FIGURA 7.15: CAPACIDADE DO SISTEMA PARA O CENÁRIO URBANO VARIANTE NO TEMPO

7.3 COMPARAÇÃO ENTRE OS DOIS CENÁRIOS URBANO

A fim de comparar os dois cenários, traçou-se a curva da função distribuição

acumulada da potência recebida em um sistema SISO, primeiramente para uma

altura de 30 cm e a seguir para uma altura de 60 cm, conforme ilustrado nas figuras

7.16 e 7.17, respectivamente.

33

Função Distribuição de Acumulada

FIGURA 7.16: COMPARAÇÃO ENTRE OS SISTEMAS VARIANTE E INVARIANTE NO

TEMPO PARA UMA ALTURA DE 30 CM

Função Distribuição de Acumulada

FIGURA 7.17: COMPARAÇÃO ENTRE OS SISTEMAS VARIANTE E INVARIANTE NO TEMPO

PARA UMA ALTURA DE 60 CM

Como resultado, nota-se que as duas curvas apresentam grande

semelhança. As diferenças ocorrem pelo fato de que as simulações foram feitas no

mesmo tipo de cenário, mas não no mesmo cenário e, além disso, pela quantidade

de automóveis entre o ponto transmissor e o ponto receptor não ser a mesma para

os dois casos.

Analisando agora o sistema MIMO com duas alturas de antenas distintas,

observa-se através da figura 7.18 que essa curva está localizada exatamente entre

34

as curvas do sistema MIMO com todas as antenas em 30 cm e a curva com todas as

antenas em 60 cm, que são exatamente as duas alturas que formam o sistema

MIMO analisado com duas alturas distintas.

Tempo



FIGURA 7.18: COMPARAÇÃO ENTRE UM SISTEMA MIMO INVARIANTE NO TEMPO E UM

SISTEMA MIMO VARIANTE NO TEMPO

Esses resultando comprovam que as análises realizadas para o sistema

variante apenas na distância também são válidas para um sistema real, o qual varia

no tempo e na distância.

7.4 CENÁRIO RURAL ESTACIONÁRIO

Definiu-se para a simulação um cenário rural com seis pistas de carros em

movimento, sendo que em três delas os veículos trafegam em um sentido e nas

outras três no sentido oposto ao das três primeiras. Nesse cenário, os automóveis

que trafegam nas duas pistas externas possuem uma velocidade aproximada de 100

km/h, os automóveis das duas pistas centrais trafegam a uma velocidade de 180

km/h e os que trafegam nas outras duas pistas possuem uma velocidade de 140

km/h. Nesse cenário não há veículos estacionados e no lugar das construções há

arvores.

Assim como no cenário urbano estacionário, a simulação foi realizada

apenas para o primeiro intervalo de tempo. Escolheu-se um ponto transmissor e

35

diversos pontos receptores, espalhados por duas pistas do cenário, numa distância

entre 50 e 150 m do ponto transmissor, espaçados 5λ entre si. A ilustração tanto do

cenário, como dos pontos transmissor e receptores está indicada na Figura 7.19.

FIGURA 7.19: CENÁRIO RURAL

Essa simulação foi realizada para antenas localizadas em cinco alturas

diferentes, sendo essas alturas iguais a 30 cm, 60 cm, 90 cm, 120 cm e 150 cm. Em

cada uma das simulações, todas as antenas possuem a mesma altura.

7.4.1 Sistema SIMO

Como o objetivo principal dessa simulação é a análise do sinal nos pontos

selecionados no cenário urbano, assim como a comparação entre os dois cenários,

não foi necessária a simulação de duas antenas transmissoras. A análise foi

realizada através do sistema SIMO.

A tabela 7.7 indica uma análise comparativa da potência recebida no cenário

rural para dois conjuntos diferentes de pontos, um já selecionado no cenário urbano

e o outro analisado através do próprio cenário rural.

30 cm 60 cm 90 cm 120 cm 150 cm

(em dB) Urbano Rural Urbano Rural Urbano Rural Urbano Rural Urbano Rural valor máximo -47,63 -46,98 -47,83 -47,88 -46,1 -46,04 -51,17 -50,23 -51,07 -50,61

valor mínimo -77,86 -72,8 -80,59 -78,88 -74,98 -73,34 -87,36 -84,13 -85,34 -80,3

valor médio -57,99 -56,43 -59,59 -59,42 -59,01 -58,58 -63,24 -65,01 -62,54 -61,97

TABELA 7.7: AVALIAÇÃO DA POTÊNCIA RECEBIDA PARA O CENÁRIO RURAL

Na tabela é possível observar que a diferença entre os valores mínimos da

potência recebida encontrada no cenário urbano através dos dois conjuntos de

36

pontos pode chegar a 5 dB para a altura de 30 cm e 150 cm. Já os valores médios

da potência recebida durante os 100 m percorridos chegam no máximo a 2 dB, o

que indica que os pontos escolhidos no cenário urbano também podem ser

utilizados no cenário rural.

A fim de comparar as diversas alturas também para o cenário rural, traçou-

se a curva função distribuição acumulada da potência recebida também para esse

cenário. O resultado está indicado na figura 7.20.



FIGURA 7.20: POTÊNCIA RECEBIDA NO CENÁRIO RURAL

Na figura observa-se que a curva de 30 cm é novamente a melhor, a

diferença aqui é que diferentemente do cenário urbano, a altura de 90 cm também

apresenta bons resultados. Uma comparação entre os resultando do cenário urbano

e do cenário rural será realizada na próxima sessão a fim de identificar os melhores

pontos.

Abaixo segue a figura da capacidade do sistema para o cenário rural.

37

FIGURA 7.21: CAPACIDADE DO SISTEMA EM CENÁRIO RURAL

Nesse gráfico ficam claras as diferenças que uma combinação entre dois

sinais pode causar no sinal resultante.

7.5 COMPARAÇÃO DO CENÁRIO URBANO E RURAL

As duas figuras a seguir (7.22 e 7.23) comparam para cada uma das alturas

os resultados obtidos no cenário SIMO urbano e rural para uma distância entre a

antena transmissora e receptora entre 50 e 150 m. A primeira figura indica os

valores mínimos da SNR para cada altura em cada um dois cenários e a segunda

indica os valores médios da SNR também para as cinco alturas e os dois cenários.

38

FIGURA 7.22: SNR MÍNIMA

FIGURA 7.23: SNR MÉDIA

Observa-se que a altura de 30 cm é melhor em todos os quesitos, com

exceção do valor mínimo da SNR no cenário rural, no qual a altura de 30 cm

apresenta um valor de 26 dB e a altura de 90 cm um valor de 29 dB. Porém,

comparando todos os sinais mínimos da SNR, tanto a altura de 30 cm quanto a

altura de 90 cm apresentam o valor mínimo igual a 26 dB e comparando todos os

outros quesitos, a altura de 30 cm apresenta valores muito superiores a de 90 cm.

38

2826

1923

2623

29

1719

0

10

20

30

40

50

h = 30 cm h = 60 cm h = 90 cm h = 120 cm h = 150 cm

Va

loo

r m

ínim

o d

o S

NR

em

dB

Altura das Antenas em m

SNR mínima

Urbano Rural

53

46 4542 43

46 44 4541 41

0

10

20

30

40

50

60

h = 30 cm h = 60 cm h = 90 cm h = 120 cm h = 150 cm

Va

lor

mé

dio

do

SN

R e

m d

B

Altura das Antenas em m

SNR média

Urban Autobahn

39

8 RESULTADOS

A partir da análise dos diversos cenários e combinações de antenas, conclui-

se que a altura de 30 cm é a melhor delas, tanto para a transmissão quanto para a

recepção de sinal em um sistema de comunicação entre veículos. Além de

apresentar uma melhor SNR, essa altura também apresenta menor interferência.

O aumento no número de antenas transmissoras e receptoras melhora a

recepção do sinal, porém, também aumenta o custo do sistema. Como um sistema

MIMO com duas antenas transmissoras e duas antenas receptoras apresentou um

resultado satisfatório, tendo como valor mínimo da SNR para uma distância de até

205 m da antena transmissora 40 dB, esse sistema foi o escolhido. Como valores de

SNR satisfatórios, são considerados valores acima de 20 dB.

A figura 8.1 indica o melhor posicionamento das antenas em relação ao

automóvel para a altura de 30 cm.

FIGURA 8.1: MELHOR POSICIONAMENTO DAS ANTENAS

Análises posteriores podem ser realizadas a fim de observar o ganho

provocado pela codificação espaço-temporal de Alamouti, que é um método simples

e eficiente para a otimização de um sistema MIMO.

40

9 CONCLUSÃO

Constatou-se durante o trabalho a importância da comunicação entre

automóveis para que o trânsito torne-se cada vez mais seguro e eficiente. Além

disso, foi possível alcançar todos os objetivos principais do projeto. Primeiramente

constatou-se o melhor método para a combinação dos sinais recebidos através das

antenas receptoras, em seguida foi possível observar a influência do posicionamento

das antenas sobre a propagação de onda nos cenários urbano e rural, encontrando

o melhor posicionamento para elas. Para finalizar escolheu-se o número ideal de

antenas para o sistema, levando em consideração tanto seu sinal recebido quanto

seus custos.

41

10 REFERÊNCIAS

[1] CAR 2 CAR Communication Consortium Manifesto – Overview of the C2C-CC

System – Disponível em http://www.car-2-car.org

[2] http://telephonyonline.com/wireless/technology/How_OFDM_works.jpg -

Acessado em 15/06/2009

[3] http://www.adhoc-netzwerk.de/adhoc-netzwerk_14_0.jpg - Acessado em

15/06/2009

[4] GESSLER, R.; KRAUSE, T.: “Wireless-Netzwerke für den Nahbereich” –

Vieweg + Teubner, 2009.

[5] GENG, N.; WIESBECK, W.: “Plannungsmethoden für die

Mobillkommunikation”, Springer, 1998.

[6] JANKIRAMAN, M.: “Space-time codes and MIMO Systems”, Artech House,

2004.

[7] SCHARNBACHER, K.: “Statistik im Betrieb: Lehrbuch mit praktischen

Beispielen”, Gabler Verlag, 2004.

[8] BRENNAN, D.: “Linear Diversity Combining Techniques”, Proceeding of the

IEEE, Vol.91, 2003

[9] SCHULTEIS, S.: “Integration von Mehrantennensystemen in kleine mobile

Gerãte für multimediale Anwendung”, Institut für Hochfrequenztechnik und

Elektronik, 2006

[10] KAMMEYER, K.: “Nachrichtenübertragung”, Vieweg+Teubner Verlag, 2008

[11] www.wikipedia.org – Acessado em 20/06/2009

42

[12] MAURER, J.: “Strahlenoptisches Kanalmodell für die Fahrzeug-Fahrzeug-

Funkkommunikation”, Institut für Hochfrequenztechnik und Elektronik, 2005

[13] JASOS, M.: “Anleitung für die Straßenverkehrssymulation Roadcom”,

Institut für Hochfrequenztechnik und Elektronik, 2005

[14] WIESBECK, W.; WALDSCHMIDT, C.; KUHNERT, C.: “MIMO Introduction”

[15] IEEE P802.11pTM/D5.0: Draft Standard for Information Technology —

Telecommunications and information exchange between systems — Local and

metropolitan area networks — Specific requirements, 2008

[16] BAKER, B.; COPSTON E. T.; American Mathematical Society: “The

Mathematical Theory of Huygens Principle”, AMS Bookstore, 2003

[17] LIMA, G.; AQUINO, F.; MACHADO, R.; UCHOA FILHO, B.; DE NORONHA

NETO, M.; SOUZA, R.; MENDES L.: “Projeto MI-SBTVD: STC-OFDM e Estimação

de Canal”, Revista Científica Periódica – Telecomunicações, Vol. 9, 2006

43

ANEXO A

FIGURA 10.1: SNR PELA DISTÂNCIA DE UM SISTEMA MIMO COM A ALTURA DAS ANTENAS

IGUAL A 30 CM




IGUAL A 60 CM

44




IGUAL A 90 CM




IGUAL A 120 CM

45




IGUAL A 150 CM

46

ANEXO B

Potência calculada através da soma coerente de todas as ondas recebidas

para uma distância de 5 a 105 m entre a antena transmissora e a antena receptora

FIGURA 10.6: ALTURA DAS ANTENAS IGUAL A 30 CM



47



Potência calculada através da soma coerente de todas as ondas recebidas

para uma distância de 105 a 205 m entre a antena transmissora e a antena

receptora



48




sistemas de mÚltiplas antenas para a …sistemas de múltiplas antenas, a fim de identificar o...

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