Universidade Federal Fluminense

Escola de Engenharia

Curso de Graduação em Engenharia de

Telecomunicações

Diego de Souza Bonifácio

Eduardo Montan Souza

Influência da vegetação em enlaces de

radiocomunicação na frequência de 14 GHz

Niterói – RJ

2018

1

Diego de Souza Bonifácio

Eduardo Montan Souza

Influência da vegetação em enlaces de radiocomunicação na frequência de 14 GHz

Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao

Curso de Graduação em Engenharia de Teleco-

municações da Universidade Federal Fluminense,

como requisito parcial para obtenção do Grau de

Engenheiro de Telecomunicações.

Orientador: Prof. Dr. Pedro Vladimir Gonzalez Castellanos

Coorientadora: Profa. Dra. Leni Joaquim de Matos

Niterói – RJ

2018

ii

.

iii

Diego de Souza Bonifácio

Eduardo Montan Souza

Influência da vegetação em enlaces de radiocomunicação na frequência de 14 GHz

Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao

Curso de Graduação em Engenharia de Teleco-

municações da Universidade Federal Fluminense,

como requisito parcial para obtenção do Grau de

Engenheiro de Telecomunicações.

Aprovada em 03 de julho de 2018.

BANCA EXAMINADORA

Prof. Dr. Pedro Vladimir Gonzalez - Orientador

Universidade Federal Fluminese - UFF

Profa. Dra. Leni Joaquim de Matos - Coorientadora

Universidade Federal Fluminese - UFF

Profa. Vanessa Przyblski Ribeiro Magri -

Universidade Federal Fluminense- UFF

Niterói – RJ

2018

iv

Resumo

Este trabalho trata da influência da vegetação em enlaces de radiocomunicação na frequên-

cia de 14 GHz. O espectro da ordem de GHz, em especial o de 14 GHz vem sendo estudado

por ser menos congestionado se comparado aos espectros das faixas inferiores. Esta faixa

permite a possibilidade de uso de uma banda maior para transmissões de alta velocidade e

ampliar a capacidade dos sistemas , o que tornaria viável a implantação de novos serviços

e aplicações, como redes móveis de quinta geração. O objetivo desse trabalho é caracteri-

zar e modelar o comportamento de um sinal de banda estreita na presença de vegetação.

Foram realizadas campanhas de medições em dois ambientes, o primeiro numa situação de

obstrução por vegetação e segundo em linha de visado com o objetivo de avaliar somente

a atenuação com a distância. Foram utilizados os modelos de predição ITU-R, FITU-R,

Weisberger, e COST-235 para verificar o ajuste aos dados experimentais. Os resultados

obtidos mostraram que os modelos mais próximos dos valores medidos foram o COST-

235 para árvores com folhagem menos densa e o FITU-R para árvores com folhagem mais

densa. Dos dados coletados, foram calculados os valores da constante de decaimento com

a disância (d) de acordo com o modelo simplificado de perdas.Foi posśıvel observar que os

resultados obtidos estão de acordo com os resultados de outros trabalhos de pesquisa nessa

área e que seriam necessárias mais medições para confirmação dos parâmetros adequados

da recomendação da ITU para ambientes sem visada direta na frequência de 14 GHz.

Palavras-chave: Propagação em 14 GHz, ondas milimétricas, modelos de predição

v

Abstract

This work deals with the influence of vegetation on radio links in the frequency of 14 GHz.

The spectrum of the order of GHz, especially 14 GHz, has been studied because it is less

congested when compared to lower band spectra. This range allows for the possibility

of using a larger bandwidth for high-speed transmissions and extending systems capa-

city, which would make it possible to deploy new services and applications such as fifth-

generation mobile networks. The objective of this work is to characterize and model the

behavior of a narrowband signal in the presence of vegetation. Measurement campaigns

were carried out in two environments, the first in a situation of obstruction by vegetation

and second in a line of sight with the objective of evaluating only the attenuation with

the distance. The prediction models ITU-R, FITU-R, Weisberger, and COST-235 were

used to verify the fit to the experimental data. The results showed that the models closest

to the measured values were the COST-235 for trees with less dense foliage and FITU-R

for trees with denser foliage. From the data collected, the values of the decay constant

with the decay (d) were calculated according to the simplified loss model. It was verified

that the results found were in agreement with those obtained in others research studies

in this area and further measurements campaigns would be necessary to confirm the pa-

rameters of the ITU model for thenon-line-of-sight environments in the 14 GHz frequency.

Keywords: Propagation at 14 GHz; milimeter-wave frequency wave; propagation

models.

vi

Dedicamos esse trabalho a Deus e aos nossos

familiares e amigos que sempre estiveram ao

nosso lado nos apoiando ao longo de todas as

etapas de nossas vidas.

vii

Agradecimentos

Agradecemos, primeiramente, ao nosso professor Dr. Pedro Castellanos pela ori-

entação e por todo o empenho em nos auxiliar nas dificuldades e dúvidas que surgiram

ao longo do nosso trabalho.

À professora Dra. Leni Joaquim de Matos pela coorientação e aux́ılio nas dúvidas

e sugestões.

Aos professores que tivemos durante a graduação na UFF, que, em diferentes pesos,

nos ajudaram sempre a superar desafios e obstáculos contribuindo para a nossa formação.

Aos amigos que fizemos durante esses anos de graduação e que tornaram amigos

para a vida, sempre fazendo os nossos dias mais leves e engraçados.

viii

Lista de Figuras

1.1 Crescimento do tráfego em dispositivos móveis . . . . . . . . . . . . . . . . 2

2.1 Espectro Eletromagnético . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

2.2 Reflexão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

2.3 Difração . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2.4 Comportamento do sinal recebido em ambientes celulares . . . . . . . . . . 9

2.5 Atenuação vs frequência no ńıvel do mar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

4.1 Imagem de satélite da área externa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

4.2 Posição de Tx e Rx com obstrução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

4.3 Visada a partir da antena de transmissão. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

4.4 Visada a partir da antena de recepção. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

4.5 Posição de Tx e Rx sem obstrução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

4.6 Árvore posicionada entre as antenas de transmissão e recepção. . . . . . . . 23

4.7 Antenas de transmissão e recepção sem obstrução entre elas. . . . . . . . . 24

4.8 Antenas de trasmissão e recepção posicionadas no ponto inicial de medição 25

4.9 Perda causada pela vegetação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

5.1 Perda causada pela vegetação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

5.2 Perda causada pela vegetação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

5.3 Perda no percurso 3o ambiente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

5.4 Curva Ajustada Log-Normal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

5.5 Distribuição Log-Normal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

ix

Lista de Tabelas

2.1 Classificação das ondas de rádio. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

3.1 Tabela de coeficientes n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

5.1 Potência recebida com obstrução X sem obstrução . . . . . . . . . . . . . . 28

5.2 Parâmetros de cada modelo de predição . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

5.3 Erro médio para cada modelo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

5.4 Potência recebida Espaço livre X Obstáculo . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

5.5 Parâmetros de cada modelo de predição . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

5.6 Erro médio para cada modelo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

5.7 Parâmetros Modelo Log-Distance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

Sumário

Resumo iv

Abstract v

Agradecimentos vii

Lista de Figuras viii

Lista de Tabelas ix

1 Introdução 1

2 Caracteŕısticas de propagação 4

2.1 Ondas de Rádio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

2.2 Mecanismos de propagação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

2.2.1 Reflexão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

2.2.2 Difração . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2.2.3 Espalhamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2.3 Caracteŕısticas do canal de radio propagação . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2.3.1 Desvanecimento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.4 Frequência de 14 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

3 Modelos de propagação 12

3.1 Modelo de perda no espaço livre (Free Space Loss) . . . . . . . . . . . . . . 13

3.2 Modelo Log-Distance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

3.3 Modelos de propagação em espaço vegetados . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

3.3.1 Modelos Weissberger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

3.3.2 Modelos ITU-R (Early ITU ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

x

xi

3.3.3 Modelos Fitted ITU-R (FITU-R) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

3.3.4 Modelo COST 235 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

4 Setup e ambientes de medições 18

4.1 Influência da Vegetação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

4.1.1 Cobertura simulando uma pico célula . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

4.1.2 Antena Transmissora e receptora na mesma altura . . . . . . . . . . 23

4.2 Decaimento com a distância . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

4.3 Descrição dos equipamentos utilizados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

4.3.1 Setup de transmissão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

4.3.2 Setup de Recepção . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

5 Resultados 27

5.1 Ambiente pico celular . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

5.2 Antena Transmissora posicionada na mesma altura . . . . . . . . . . . . . 30

5.3 Atenuação com a distância . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

6 Conclusão 38

Caṕıtulo 1

Introdução

Com a capacidade de desenvolvimento tecnológico no mundo a conectividade se

tornou imprescind́ıvel entre as pessoas e as máquinas. Desde a revolução industrial há

mais de dois séculos, os dispositivos eletroeletrônicos evoluem em uma velocidade expo-

nencial. Hoje a maior parte dos dispositivos podem se conectar a uma rede e trocar

informações com outros dispositivos, aumentando a demanda por capacidade das atuais

tecnologias de comunicação. Um exemplo dessa tendência é a ”Internet das coisas”. O

aumento do número de usuários e da demanda de taxa, são os principais incetivos para

o desenvolvimento de novos meios que possibilitem a atualização das atuais redes com a

finalidade de lidar com a necessidade cada vez maior de recursos dispońıveis.

Nas últimas duas décadas, o fator princial aumento do tráfego de dados e da de-

manda por servições de comunicação, se deve aos usuários da telefonia móvel, devido a

popularização de celulares, smartphones e dispositivos de comunicações em geral. Se-

gundo a CISCO[8], a demanda por taxas de transmissão já está superando a quantidade

de links existentes na banda de UHF. É esperado que o tráfego de dados móveis dobre a

cada ano [8].

2

Figura 1.1: Crescimento do tráfego em dispositivos móveis

Fonte: Cisco [8]

Devido ao congestionamento das faixas de frequências destinadas aos serviços de co-

municação móvel, varios pesquisadores vem estudando a possibilidade de utilizar frequên-

cias na faixa do SHF para prover serviços de comunicação pessoal, principalmente pela

chegada da nova geração de comunicação, o chamado 5G.

É comum que a cada 10 anos surja uma nova geração de sistemas celulares, sendo

que a última geração - o 4G, foi introduzida em 2011. Espera-se que a quinta geração de

sistemas celulares seja padronizada e implantada por volta do ano de 2020. Na Conferên-

cia Mundial de Radiocomunicações em 2015, o ITU-R (International Telecommunication

Union - Radiocommunication Sector) definiu os requisitos para o 5G, dos quais o princi-

pal objetivo é permitir que se ofereça uma experiência de Internet móvel comparada à de

fibra-óptica, com taxas de até 10 Gbit/s em condições de baixa mobilidade e de 1 Gbit/s

para usuários em alta mobilidade (com velocidade acima de 300 km/h).

O desempenho das redes 5G será avaliado em termos de capacidade e taxa de dados,

latência, eficiência espectral e sobretudo pela capacidade de conexão com dispositivos para

IoT [12].

O espectro da ordem de GHz, em especial o de 14GHz é consideravelmente menos

congestionado se comparados aos espectros de ordem inferiores, permitindo a possibilidade

de utilizar uma banda maior para transmissões de alta velocidade, o que a torna uma faixa

viável a implantação de novos serviços e aplicações, como redes móveis de quinta geração.

Várias faixas de frequências vêm sendo utilizadas como candidatas para serem

3

utilizadas no 5G. A faixa de 14 GHz, embora utilizada para comunicação via satélite e

respeitando os critérios de interoperabilidade, pode ser utilizada para fornecer cobertura

em sistemas de comunicação ponto a ponto ou ponto multiponto sendo de grande impor-

tância para o uso desta faixa o estudo da cobertura de sinal nessa faixa de frequência.

Sinais nesta faixa de frequências apresentam comprimento de onda na ordem de miĺıme-

tros, apresentando maior atenuação se comparado a faixa de UHF.Nesta faixa a vegetação

apresenta uma atenuação maior cujo valor varia de acordo com o tamanho das folhas e

da densidade destas.

Neste trabalho, foi realizado um estudo, especificamente, sobre a influência da

vegetação no ambiente outdoor para a faixa de frequência em questão. Como objetivo

geral, foi realizado o ajuste de modelos de propagação, propostos na literatura , com os

dados obtidos através das medições realizadas.

Para realização deste trabalho, iniciou-se com uma pesquisa bibliográfica relacio-

nada à propagação, modelos de predição e formas de medições para o ambiente de ve-

getação. Após esse levantamento inicial, foram obtidas medidas de intensidade de sinal

variando o tipo de vegetação e a distância do enlace. O primeiro apresenta os conceitos das

caracteŕısticas de propagação, fazendo um resumo sobre as ondas de rádio, mecanismos de

propagação, além das particularidades da faixa de frequência de 14 GHz. No segundo, é

apresentada a importância dos modelos de propagação para a análise de cobertura de sinal

de radiocomunicação, evidenciando os modelos de propagação que consideramos mais ade-

quados às caracteŕısticas do ambiente de análise. No terceiro caṕıtulo, é apresentada uma

descrição dos ambientes de medições e dos equipamentos utilizados. O quarto caṕıtulo é

reservado para a análise das medidas e comparação dos modelos de predição propostos

com as mesmas. A conclusão do trabalho é apresentada no caṕıtulo seis e, finalmente, o

sétimo e último caṕıtulo é reservado para sugestões de trabalhos futuros.

Caṕıtulo 2

Caracteŕısticas de propagação

Desde a elaboração das leis de Maxwell, por James C. Maxwell, até os dias atuais,

têm ocorrido grandes evoluções no estudo das ondas eletromagnéticas. O espectro eletro-

magnético é o intervalo completo da radiação eletromagnética que contém as ondas de

rádio, as micro-ondas, o infravermelho, raio X, a radiação gama, os raios violeta e a luz

viśıvel ao olho humano. A figura 2.1 apresenta o espectro eletromagnético, com destaque

para a região ocupada pela luz viśıvel.

Figura 2.1: Espectro Eletromagnético

Fonte: Robot Education (2015)

5

2.1 Ondas de Rádio

A radiocomunicação é caracterizada pela transferência de sinal entre dois ou mais

pontos que não estão ligados por um condutor elétrico. A mensagem é transferida através

de ondas eletromagnéticas chamadas de ondas de rádio, que são irradiadas do transmissor

em espaço aberto através da antena.

Nas telecomunicações, os sinais eletromagnéticos são utilizados como meio de trans-

missão da informação, onde a faixa de frequência escolhida depende do comportamento

desta no ambiente de propagação. As ondas de rádio apresentam comprimentos de onda

no espectro eletromagnético maior que a luz infravermelha, operando na faixa de frequên-

cias entre 3 kHz e 300 GHz.

Os primeiros estudos e previsões a respeito das ondas de rádio foram realizados

pela f́ısico matemático escocês James Clerk Maxwell, em seu trabalho feito em 1867.

O desenvolvimento tecnológico e cient́ıfico a respeito das ondas de rádio tornou-se

de crucial importância, tendo em vista que são os tipos de ondas mais utilizados nos sis-

temas de telecomunicações. A classificação dos tipos de ondas de rádio é apresentada na

tabela 2.1[5].:

BANDA FREQUÊNCIA COMPRIMENTO DE ONDA

Frequência extremamente baixa (ELF) < 3 kHz > 100 Km

Frequência muito baixa (VLF) 3 - 30 Hz 10 - 100 Km

Frequência baixa (LF) 30 - 300 kHz 1 - 10 Km

Frequência média (MF) 300 kHz - 3 MHz 100 m - 1 Km

Frequência alta (VF) 3 - 30 MHz 10 - 100 m

Frequência muito alta (VHF) 30 - 300 MHz 1 - 10 m

Frequência ultra alta (UHF) 300 MHz - 3 GHz 10 cm - 1 m

Frequência super alta (SHF) 3 - 30 GHz 1 - 10 cm

Frequência extremamente alta (EHF) 30 - 300 GHz 1 mm - 1 cm

Tabela 2.1: Classificação das ondas de rádio.

6

2.2 Mecanismos de propagação

No caminho entre o transmissor e o receptor, o sinal interage com o ambiente ao

redor experimentando vários fenômenos de propagação, cujos efeitos variam de acordo

com a frequência utilizada. Na faixa de interesse desde trabalho (SHF), em condições sem

visibilidade, as ondas usualmente se propagam por três fenômenos principais: reflexão,

difração e espalhamento [10].

2.2.1 Reflexão

Este mecanismo se dá quando uma onda atinge um objeto com dimensões supe-

riores ao do seu comprimento de onda. Quando a onda atinge o objeto, uma parcela da

onda volta a se propagar no meio de origem, e a outra parcela penetra a superf́ıcie. A

onda refletida manterá a velocidade, frequência e comprimento de onda iguais aos da onda

incidente.

Os conceitos de coeficiente de reflexão e transmissão representam estas parcelas

e dependem das propriedades elétricas dos meios (permissividade e condutividade), da

maneira como os campos estão orientados (polarização), da frequência e do ângulo de

incidência sobre a superf́ıcie de separação dos meios e ainda da ordem de grandeza da

superf́ıcie.

Figura 2.2: Reflexão

Fonte: Alunos Online (2016)

7

2.2.2 Difração

A difração é o fenômeno responsável pela existência de energia em uma região

obstrúıda por uma superf́ıcie que possui irregularidades afiadas. A difração trata da

capacidade das ondas de contornar obstáculos, apresentando um importante mecanismo

de propagação em áreas com relevo acidentado e zonas com construções e prédios, na

medida em que consegue prover energia para áreas que não dispõem de onda direta, como

é ilustrado na figura 2.3 [5].

O prinćıpio de Huygnes (Christian Huygens) estabelece que os pontos da frente de

onda inicial, ao tocarem um obstáculo, se tornam fontes secundárias de ondas esféricas

e a combinação entre elas produz uma nova frente de onda que se estende em todas as

direções com a mesma velocidade, frequência e comprimento de onda, que a frente de

onda que as precede.

Figura 2.3: Difração

2.2.3 Espalhamento

O espalhamento ocorre quando o meio de propagação é constitúıdo de objetos

com dimensões pequenas em relação ao comprimento de onda do sinal e o número desses

obstáculos é grande (em um determinado volume).

Além do espalhamento, a propagação através de vegetação também experimenta o

efeito de difração quando as folhas da árvore têm comprimento próximo ao comprimento

de onda do sinal incidente.

8

2.3 Caracteŕısticas do canal de radio propagação

As caracteŕısticas do canal de radio propagação são responsáveis pela variação de

intensidade e fase com que o sinal chega na recepção. Nesta seção será apresentado, uma

breve descrição sobre as variações espaciais do sinal recebido e o efeito de multipercurso.

A figura 2.4 apresenta o compartamento do sinal recebido em ambientes celulares [4].

9

Figura 2.4: Comportamento do sinal recebido em ambientes celulares

2.3.1 Desvanecimento

O desvanecimento é definido como a variação temporal da intensidade do sinal,

da fase relativa ou ambas no receptor devido a mudanças nas caracteŕısticas do percurso

de propagação. Os desvanecimentos podem ser classificados em termos dos mecanismos

e efeitos de propagação envolvidos: refração, reflexão, difração, multipercurso atmosfé-

rico, dutos troposféricos e atenuação por chuvas. O desvanecimento pode ser causado

pela geometria do terreno e pelas condições metereológicas que não são, necessariamente,

mutuamente exclusivos [5].

Desvanecimento em grande escala

No desvanecimento em grande escala, a amplitude e a mudança de fase impostas

pelo canal podem ser consideradas aproximadamente constantes durante o peŕıodo de uso.

Esse tipo de desvanecimento pode ser causado por eventos como sombreamento, em que

um obstáculo como uma colina ou um prédio, obstruem o caminho do sinal principal entre

o transmissor e o receptor. A mudança de potência recebida causada pelo sombreamento

é modelada, geralmente, usando uma distribuição log-normal com um desvio padrão de

acordo com o modelo de perda de trajetória log-distance [12].

10

Desvanecimento em pequena escala

O desvanecimento em pequena escala ocorre quando o tempo de coerência do canal

é pequeno em relação ao requisito de atraso da aplicação. Neste caso, a amplitude e a

mudança de fase impostas pelo canal variam, consideravelmente, ao longo do peŕıodo

de uso. Neste tipo de desvanecimento, o sinal varia rapidamente com a frequência e se

origina devido a efeitos de padrões de interferência construtiva e destrutiva causados por

multipercurso.

2.4 Frequência de 14 GHz

Devido ao fato das ondas milimétricas terem pequeno comprimento de onda, elas

são fortemente afetadas por chuva, névoa ou qualquer outra part́ıcula de água que es-

teja presente na atmosfera, causando atenuação e espalhamento que aumentam com a

frequência. A Figura 2.5 [6] ilustra a curva de atenuação de acordo com a frequência.

Percebe-se que quanto maior for a frequência, maior será a atenuação de dB/km que o

enlace sofrerá. O pico na faixa de 60 GHz se dá devido à grande absorção das ondas pelo

oxigênio, enquanto os demais estão mais relacionados à absorção devido às part́ıculas de

água. Embora a maior frequência, maior a atenuação, vários estudos vêm sendo realizados

com o objetivo de usar estas faixas para coberturas do tipo pico-células. Uma das vanta-

gens do uso destas faixas nesta configuração, é que o sinal rádio podem ser direcionado

em feixes estreitos por antenas de tamanho conveniente, de modo que não interfiram com

os transmissores próximos na mesma frequência, permitindo a reutilização de frequência.

11

Figura 2.5: Atenuação vs frequência no ńıvel do mar

Caṕıtulo 3

Modelos de propagação

Durante a transmissão algumas perdas ocorrem entre o percurso do transmissor

até o receptor. Essas perdas de percurso podem surgir por diversos efeitos como, reflexão,

refração, difração, dispersão. [11].

Para o planejamento da cobertura de sinal de um determinado sistema de comuni-

cação sem fio por parte dos engenheiros de planejamento, é necessário o desenvolvimento

de modelos de propagação, com a finalidade de analisar o comportamento do sinal em

determinado ambiente e condições climáticas. Com o aux́ılio dos dados obtidos através

destes modelos, é posśıvel determinar a viabilidade do serviço num determinado ambi-

ente ou caso seja necessário a alteração de algum parâmetro do sistema para este operar

satisfatoriamente.

Os modelos de propagação podem ser classificados como emṕıricos ou determińıs-

ticos.

Os modelos emṕıricos são obtidos a partir de uma campanha de medições em uma

ou mais regiões espećıficas. As medidas obtidas são analisadas e representadas através de

expressões que fornecem o valor médio da atenuação no caso de modelos de faixa estreita

como é o caso dos modelos utilizados neste trabalho. Estes modelos apresentam a vanta-

gem de ser facilmente aplicados e necessitam de um tempo de execução (computacional)

relativamente baixo.

Uma desvantagem destes modelos é que não podem ser aplicados em regiões dife-

rentes a aquelas utilizadas para gerar suas equações.

Embora alguns modelos emṕıricos apresentem adaptações para outros ambientes

com caracteŕısticas diferentes do original, eles são melhores adaptados as regiões que pos-

13

suem as mesmas caracteŕısticas da região onde foram realizadas as medições que definiram

o modelo.

Os modelos determińısticos, também conhecido como modelos teóricos utilizam al-

guma formulação baseada na teoria de ondas e óptica geométrica para realizar o cálculo

de cobertura de uma determinada região, como a GTD (Geometrical Theory of Diffrac-

tion - Teoria Geométrica da Difração) e a UTD (Uniform Theory of Diffraction - Teoria

Uniforme da Difração). A técnica utilizada junto a esses modelos é denominada Técnica

de Traçado de Raios, que consiste no rastreamento do campo eletromagnético ao longo de

raios que tem trajetórias diretas ou sofrem interações com o ambiente (reflexão, difrações,

espalhamento).

O uso desta teoria dá mais confiabilidade a modelos deste tipo e faz com que

possa ser aplicado em um número mais variado de regiões, quando as caracteŕısticas des-

tes ambientes sejam carregados na simulação. Porém, estes modelos apresentam maiores

dificuldades na implementação e exigem maiores recursos para gerar as informações ne-

cessárias. [3].

Existem diversos modelos de propagação para predição de sinal, porém a minoria

deles atuam na faixa de frequência acima de 10 GHz. Ao longo de nosso trabalho será

utilizado modelos afim de calcular a perda ao longo do espaço livre e modelos espećıficos

que tratam exclusivamente da perda ocasionada pela obstrução da vegetação.

Após a realização de um extenso estudo bibliográfico, os modelos que mais se

adéquam e que serão utilizados na análise da perda ocasionada por vegetação, utilizaremos

quatro modelos os modelos de predição de atenuação em regiões com vegetação. Sendo

eles o modelo Weissberg, ITU-R e FITU-R e COST-231.

Também será utilizado para fins de comparação e análise da perda ao longa da

distância nesta faixa de frequência o modelo de perda no espaço livre e o modelo Log-

distance.

3.1 Modelo de perda no espaço livre (Free Space

Loss)

O modelo de propagação em espaço livre foi um dos primeiros modelos a ser criado

para o cálculo da atenuação em enlaces de rádio. Este modelo leva em consideração apenas

14

os casos em que o transmissor e o receptor estão localizados no espaço livre, sem qualquer

obstrução em sua visada, não considera nenhum mecanismo de propagação ao longo do

percurso (reflexão, difração, espalhamento).

A perda no percurso neste modelo é calculada da seguinte forma:

PLF SP L = 32, 45 + 20log10(d) + 20log10(f) (3.1)

Onde d é a distância entre o transmissor e receptor, em metros, e f é a frequência utilizada

em MHz

3.2 Modelo Log-Distance

O modelo de perda no percurso log-distance é um modelo genérico, considerado

uma extensão dos modelos de perda no espaço livre de Friis. Ele é usado para prever a

perda de propagação em um número muito grande de ambientes e regiões, sem a limitação

de não houver obstruções entre o transmissor e o receptor como no modelo de perda no

espaço livre.

O valor de atenuaçã pelo percurso é dado pela seguinte equação:

PL(d) = PL(d0)− 10nlog10(d/d0) (3.2)

Onde PL(d0) representa a perda em uma distância de referência d0, n sendo o

coeficiente de perda de um ambiente espećıfico.

Sendo que o valor do coeficiente de perda n varia de acordo com o tipo de ambiente

conforme mostrado na tabela 3.1:

Tipo de ambiente Valor de n

Espaço livre 2

Área urbana 2,7 a 3,5

Área urbana pouco obstrúıda 3 a 5

Indoor com linha de visada 1,6 a 1,8

Indoor com obstrução 4 a 6

Tabela 3.1: Tabela de coeficientes n

Fonte: Teleco

15

3.3 Modelos de propagação em espaço vegetados

A propagação de ondas eletromagnéticas em espaços vegetados é complexa e cons-

titui um problema de propagação de ondas eletromagnéticas para a frequência de análise

desde trabalho. Além dos efeitos usuais relacionados à propagação no espaço livre as-

sociados a fatores como frequência, altura das antenas, condições atmosféricas, existem

efeitos adicionais causados pela densidade da vegetação e sua morfologia [9].

Na literatura existem vários modelos para calcular a perda causada pela vegetação

e, serão mostrados ao longo desta seção.

Em geral, estes modelos são dados da seguinte forma:

Lveg = A ∗ f b ∗ dc (3.3)

Onde, Lveg é a perda causada pela vegetação, e os parâmetros A,b e c sendo constan-

tes calculadas empiricamente, sendo dependentes do tipo de folhagem e densidade da

vegetação.

3.3.1 Modelos Weissberger

Tendo como base o modelo de perda de propagação exponencial, Weissberger desen-

volveu o modelo de perda de propagação conhecido como exponencial modificado (MED),

sendo este válido para ambientes com vegetação com árvores que possuem folhagem seca

em climas temperados [13].

Neste modelo, a perda ocasionada pela vegetação expressa por:

L(dB) = 0, 45f 0,284d, parad ≤ 14metros (3.4)

L(dB) = 0, 45f 0,284d0,588, parad14 ≤ d ≤ 400metros (3.5)

Sendo f a frequência em GHz, e d, a distância entre o ponto transmissor e receptor ao

longo da vegetação.

Este modelo foi desenvolvido para faixa de frequência de 230MHz a 95 GHz, e

teve seus parâmetros emṕıricos determinados em campanhas de medições utilizam a faixa

UHF (400-700 MHz).

16

3.3.2 Modelos ITU-R (Early ITU )

Em 1986, o ITU desenvolveu um modelo a partir de campanhas de medições,

realizadas principalmente na banda UHF. O modelo é adequado para vegetações com

profundidade inferiores a 400,0 metros para frequências entre 200 MHz e 95 GHz.

A configuração de medição envolveu um bosque de árvores separando a antena

transmissora e receptora, de modo que a maioria do sinal se propagou pela folhagem.

Neste modelo, a perda ocasionada pela vegetação expressa por:

L(dB) = 0, 2f 0,3d0,6, parad ≤ 400metros (3.6)

3.3.3 Modelos Fitted ITU-R (FITU-R)

Depois de otimizar os três valores numéricos do modelo ITU-R baseado em me-

dições experimentais, em 11,2 GHz e 20 GHz, para profundidade de até 120,0 metros

com vegetação que possui folhagem e também para vegetação que não possuem folhagem,

Al-Nuaimi e Stephens desenvolveram o Modelo FITU-R.

O modelo é recomendado para uso até 40 GHz. O modelo FITU-R foi comparado

com o modelo ITU-R baseado no ajuste de vários conjuntos de medições usando um ajuste

de erro de mı́nimos quadrados, produzindo um menor erro quadrático médio (RMSE) [1].

O modelo FITU-R é dado pela seguinte expressão:

L(dB) = 0, 37f 0,18d0,59, semfolhagem (3.7)

L(dB) = 0, 39f 0,39d0,25, comfolhagem (3.8)

3.3.4 Modelo COST 235

Modelo desenvolvido pela Cooperação em Ciência e Tecnologia (COST) desenvol-

veu um modelo conhecido como COST 235 em 1996. As medidas utilizadas para o juste

dos dados (os dados de referência) do modelo foram obtidas sob diferentes condições para

a folhagem, como o estado da folha e o tipo de árvore para uma faixa de frequências, entre

9,6 GHz e 57,6 GHz. [7].

Aplicando uma regressão de ajuste de mı́nimos quadrados, o modelo foi expresso

como:

17

L(dB) = 15, 6f−0,009d0,26, comfolhagem (3.9)

L(dB) = 26, 6f−0,02d0,5, semfolhagem (3.10)

Sendo f a frequência em MHz, d a distância entre o ponto transmissor e receptor ao

longo da vegetação. Diferentemente de outros modelos, este apresenta uma dependência

lenta e inversa em relação a frequência. Isso pode afetar a confiabilidade do modelo, já

que a perda de propagação de ondas de rádio em geral, deve aumentar com a frequência.

Caṕıtulo 4

Setup e ambientes de medições

Neste capitulo será apresentado o ambiente de medição escolhido e os equipamentos

utilizados na medição e a metodologia empregada na coleta dos dados. Para cada cenário,

dados referentes ao ńıvel de sinal recebido foi coletado. No cenário com obstrução, as

medições foram realizadas com obstrução e sem obstrução na mesma distância com o

objetivo de se calcular a atenuação adicional causado pela vegetação.

4.1 Influência da Vegetação

O objetivo do trabalho é a caracterização do canal de propagação em vegetação

para a frequência de 14 GHz. Para alcançarmos o objetivo foi necessário um amplo estudo

sobre qual seria o ambiente mais adequado às caracteŕısticas do canal de propagação que

desejávamos sondar. Foram realizadas três campanhas de medições visando caracterizar

o canal em faixa estreita para obter a perda na vegetação na frequência de 14 GHz,

além de caracterizar a atenuação com a distância. A seguir serão descritos as diferentes

configurações de medições e os instrumentos utilizados.

Após o estudo prévio, o ambiente de propagação escolhido para a medição foi a área

externa do prédio do curso de Arquitetura e Urbanismo localizado no Campus da Praia

Vermelha da Universidade Federal Fluminense (UFF) ilustrado na figura 4.1. A escolha

do local se deu devido à possibilidades de instalação dos equipamentos de medição, bem

como as caracteŕısticas f́ısicas relevantes compat́ıveis com o propósito em apresentar a

influência da vegetação na propagação de ondas de radiofrequência em 14GHz.

Com a finalidade de caracterizar de forma eficiente o canal e posterior análise dos

18

19

Figura 4.1: Imagem de satélite da área externa

dados, tornou-se conveniente dividir as medições com a presença de vegetação em dois

cenários que serão a seguir.

4.1.1 Cobertura simulando uma pico célula

A antena transmissora foi posicionada na varanda do segundo andar do prédio

de Arquitetura e Urbanismo a uma altura de sete metros e quarenta cent́ımetros (7,40

m) do chão e direcionada para a área externa do prédio de modo que tivéssemos uma

obstrução causada por um conjunto de árvores e folhagens a fim de pegar a parte mais

densa da árvore escolhida. A figura 4.2 ilustra a posição das antenas na primeira medição,

realizada com a árvore entre as mesmas, a figura 4.3 apresenta a fotografia com a câmera

posicionada a frente da antena de transmissão, ilustrando a visada da mesma.

Na recepção, os equipamentos de medições foram instalados num carrinho para

facilitar o deslocamento. A antena receptora foi posicionada no lado de fora do prédio

de Arquitetura e Urbanismo apontando diretamente para a antena transmissora, sempre

procurando o máximo de sinal recebido, a uma distância de vinte e sete metros e noventa

cent́ımetros (27,9 m) uma da outra. A figura 4.4 apresenta a fotografia com a câmera

20

posicionada a frente da antena de recepção, ilustrando a visada da mesma, RX para TX.

Para realizar as medições nesse primeiro ambiente, primeiro, posicionamos a an-

tena de recepção em direção a antena de transmissão, com a finalidade de encontrarmos

um ponto máximo de recepção. Com a antena direcionada no ponto de recepção máxima,

foram realizadas medidas em quatro pontos distando um metro (1,0 m) um do outro,

formando um quadrado, com o objetivo de se obter a variação especial do campo a uma

distancia de aproximadamente 27,9 metros do transmissor. Esse procedimento foi reali-

zado novamente, com as antenas posicionadas à mesma distaˆncia uma da outra, porém,

sem a obstrução da árvore com objetivo de calcular a atenuação devida à vegetação. Esse

ambiente é ilustrado na figura 4.5 e os detalhes da análise das medidas serão apresentados

no caṕıtulo cinco.

21

Figura 4.2: Posição de Tx e Rx com obstrução

Figura 4.3: Visada a partir da antena de transmissão.

22

Figura 4.4: Visada a partir da antena de recepção.

Figura 4.5: Posição de Tx e Rx sem obstrução

23

4.1.2 Antena Transmissora e receptora na mesma altura

Um Segundo cenário foi utilizando para a caracterização da atenuação por vegeta-

ção. Neste caso a antena transmissora e receptora foram posicionadas a uma distância de

seis metros (6,0 m) de separação uma da outra. Neste cenário, uma árvore de pequeno

porte, porém de maior densidade de folhas, está obstruindo a visada entre as antenas. As

alturas das antenas foram mantidas a um metro e sessenta cent́ımetros (1,6 m) do solo,

a figura 4.6 ilustra todo o sistema descrito. Após a medição com a árvore posicionada

entre as antenas, foram realizadas novas medições sem a obstrução causada pela vegeta-

ção, mantendo a distância de seis metros (6,0 m) entre tx e rx, com o objetivo de calcular

a atenuação adicional causada pela vegetação. Esta configuração sistema e ilustrado na

figura 4.7.

Figura 4.6: Árvore posicionada entre as antenas de transmissão e recepção.

24

Figura 4.7: Antenas de transmissão e recepção sem obstrução entre elas.

4.2 Decaimento com a distância

Uma Terceira campanha de medição foi realizadas com o objetivo de avaliar atenu-

ação do sinal causada pela distância. Para a realização desta caracterização, o ambiente

de propagação escolhido foi a área externa do bloco E do Campus da Praia Vermelha

da Universidade Federal Fluminense (UFF), ilustrado na figura 4.8. Para a realização

das medições, a distancia mińıma de separação entre as antenas foi calculado de acordo

a respeitar o valor de campo próximo calculado em aproximadamente cinco metros (5,0

m)[2]. As medições foram realizadas de duas formas. A primeira de forma discreta, a

cada dois metros (2,0 m) uns dos outros à partir da distância mı́nima de 5 metros. No

total foram realizadas vinte pontos de medição. Uma segunda bateria de medições fo-

ram feitas de forma continua (com mobilidade) mantendo o mesmo percurso e velocidade

aproximadamente constante durante o trajeto. As medidas foram realizadas dessa forma

afim de observar como os efeitos de multipercurso, caudados pelos obstáculos posiciona-

dos nas laterais do nosso ambiente de propagação, influenciavam na intensidade do sinal

de recepção, uma vez que nas medidas discretas, havia a possibilidade de ajustarmos a

25

posição da antena de recepção otimizando as medições, o que não era posśıvel na medição

continua.

Figura 4.8: Antenas de trasmissão e recepção posicionadas no ponto inicial de medição

4.3 Descrição dos equipamentos utilizados

4.3.1 Setup de transmissão

Para realizar as medições, utilizamos na transmissão um oscilador, que gera um

sinal de 13,974 GHz, com potência máxima estabilizada de 13 dBm. Foi utilizado o sistema

original de alimentação do sistema para maior estabilidade do sinal gerado pelo oscilador,

sendo esta alimentação para alimentar o VCO e o Peltier, utilizado para controle de

temperatura do oscilador. A sáıda do VCO foi conectada diretamente à entrada da antena

transmissora, com o aux́ılio de adaptadores, que totalizaram uma perda aproximada de

1dB. A antena utilizada na transmissão foi do tipo corneta com ganho de 11 dBi para a

frequência de operação.

Para o cálculo da perdo no percurso, foi calculado o valor potência efetivamente

irradiada pela antena de transmissão (EIRP), cujo valor é de 23dBm.

26

Este setup de transmissão é mostrado abaixo na figura 4.9.

Figura 4.9: Perda causada pela vegetação

4.3.2 Setup de Recepção

Na recepção, o sinal foi capturado utilizando o analisador de espectro modelo MS2692A,

da marca Anritsu. A antena receptora possui as mesmas caracteŕısticas da transmissora

com ganho de 11 dBi, sendo o sinal recebido transmitido por um cabo coaxial até o ana-

lisador de espectro.

Caṕıtulo 5

Resultados

Após os procedimentos das medições, de acordo com as metodologias já citadas

neste texto, utilizamos o software MATLAB para tratar os dados coletados pelo analisa-

dor. Com o objetivo de comparar com os dados das medições realizada com os modelos

de predição de perda através da vegetação utilizados, foi desenvolvido códigos para veri-

ficar ajuste dos modelos utilizados aos dados obtidos. Os resultados e análises, para cada

um dos três ambientes de medição, se encontram no decorrer deste caṕıtulo, com seus

respectivos gráficos e tabelas.

5.1 Ambiente pico celular

Conforme mencionado no caṕıtulo anterior, nesta etapa da medição a antena trans-

missora esteve posicionada em um ponto elevado, com o objetivo de se aproximar de um

ambiente de transmissão de redes móveis e a antena transmissora no ńıvel do solo. Tendo

entre as duas estações uma árvore com uma densidade de folhagem média e folhas de

tamanho médio.

Para cada medida foi utilizada uma média temporal para os valores de potência

recebida, ou seja, foi captada pelo analisador a potência recebida em um determinado

intervalo de tempo (aproximadamente 60 segundos) para cada ponto utilizado.

Para avaliar a perda ocasionada pela vegetação em questão, foi realizada dois tipo

de medidas. A primeira com a copa da árvore obstruindo a visada entre o transmissor e o

receptor, e a segunda em visada direta, sem qualquer vegetação ou outro tipo de obstrução

na mesma distância de separação.

28

Como se trata da mesma referência de distância, a diferença entre estas duas

potências recebidas se trata de fato da perda adicional que a obstrução da vegetação

causa na propagação deste sinal. Sendo esta perda, aproximadamente, 17,41 dB nesta

vegetaçãao em particular.

A tabela 5.1 apresenta os ńıveis de potência recebida nas condições de obstrução e

linha de visada:

Obstrução da vegetação Potência Média Medida(dB)

Não -48,95

Sim -66,36

Tabela 5.1: Potência recebida com obstrução X sem obstrução

Como se trata da mesma referência de distância, a diferença entre estas duas

potências recebidas se trata de fato da perda adicional que a obstrução da vegetação

causa na propagação deste sinal. Sendo esta perda, aproximadamente, 17,41 dB nesta

vegetação em particular.

Com a perda ocasionada pela vegetação definida, foi realizada a análise para veri-

ficar qual ou quais modelos se adéquam ao nosso ambiente e setup de medições. Apesar

dessa parte da análise ter pontos sob a mesma profundidade de vegetação, os gráficos

foram traçados para uma profundidade de vegetação até cem metros (100,0 m) afim de

avaliar, a aderência da curva ajustada as medições realizadas aos modelos já existentes

utilizados.

O comportamento dos quatro modelos utilizados e a curva ajustada pode ser obser-

vado na figura 5.1. Os parâmetros emṕıricos de cada modelo e os encontrados por nossa

curva ajustada podem ser visualizados na tabela 5.2. Foi utilizado para este gráfico, a

escala logaŕıtmica para o eixo x (profundidade da vegetação (m) e valor absoluto da perda

ocasionada pela vegetação (db).

29

Figura 5.1: Perda causada pela vegetação

Distância(m) Profundidade da vegetação(m) Modelo Parâmetros

27.9 4.9 ITU-R A=0.2 | b=0.3 | c=0.6

27.9 4.9 FITU-R A=0.39 | b=0.39 | c=0.25

27.9 4.9 COST-235 A=15.6 | b=-0.02 | c=0.5

27.9 4.9 Weisberger A=0.45 | b=0.284 | c=0.588

27.9 4.9 Fiting Curve A=0.3993 | b=0.2967 | c=0.73

Tabela 5.2: Parâmetros de cada modelo de predição

É importante ressaltar, que os valores da curva ajustada (Fitting Curve foram en-

contrados a partir do conjunto das medições realizadas nos item 5.1 e 5.2 deste caṕıtulo,

afim de obter o ajuste da curva de forma mais robusta e com maior quantidade de pon-

tos. É importante ressaltar, que esta união foi posśıvel devido ao fato destes modelos

usarem como referência a profundidade da vegetação e não a distância entre as antenas

de transmissão e recepção.

Afim de confirmar nossa análise visual da figura 5.1, a tabela 5.3 nos mostra o

comparativo da perda causada pela vegetação predita por cada modelo, e o desvio absoluto

30

em relação ao valor medido para a profundidade de vegetação de quatro metros e noventa

cent́ımetros (4,90 m).

Modelo Perda Prevista(dB) Perda Média Medido(dB) Erro médio absoluto(dB)

ITU-R 9.1 17.41 8.31

FITU-R 24.02 17.41 6.61

COST-235 21.64 17.41 4.23

Weisberger 7.16 17.41 10.25

Curva Ajustada 19.42 17.41 2.01

Tabela 5.3: Erro médio para cada modelo

Utilizando os dados de acordo com a figura 5.1 e a tabela 5.3, pode ser observado

que os modelos Weissberger e ITU-R, apresentam valores bem abaixo dos dados medidos.

Isto está relacionado ao fato destes modelos apresentarem a faixa de aplicação de frequên-

cias em até 95 GHz, mas ter seus parâmetros emṕıricos definidos através de medições

realizadas na banda UHF, mais particularmente de 400-700 MHz.

O modelo COST-235 foi o que mais se aproximou dos valores medidos, isso se

explica pois as medições utilizados para definição dos parâmetros emṕıricos deste modelo

foram feitas em uma faixa de frequência que se aproxima da utilizada neste trabalho. [7].

A curva de cor preta com marcadores em formato de triângulos na figura 5.1, re-

presenta a curva com os parâmetros ajustados utilizando as medições realizadas neste

trabalho. Da figura 5.1, é posśıvel observar um resultado muito próximo ao valor medido

neste ponto, isto não é uma surpresa por se tratar de um modelo ajustado exatamente

nessas condições de ambiente, porém, mesmo com essas condições, o valor obtido se apro-

ximou bastante do modelo COST-235.

5.2 Antena Transmissora posicionada na mesma al-

tura

Neste tópico, a antena transmissora e receptora estão posicionadas na mesma altura

(ńıvel do solo), com a sua linha de visada obstrúıda pela vegetação.

31

Assim como no ambiente anterior, utilizamos a comparação entre a potência rece-

bida com a obstrução da vegetação e com visada direta, a fim de obter a perda aproximada

ocasionada pela vegetação. Cada medida é uma média temporal na localidade utilizada

assim como no item anterior.

Segue na tabela 5.4 a relação da potência recebida com e sem obstrução da vege-

tação:

Obstrução da vegetação Potência Recebida(dB)

Não -33,52

Sim -54,94

Tabela 5.4: Potência recebida Espaço livre X Obstáculo

A partir da tabela 5.4, temos que a perda obtida foi de 21,42 dB, esta perda

é maior se comparada a encontrada no item anterior, o que é explicado pelo fato da

árvore apresentar uma maior densidade de folhas, diferente da densidade média de folhas

da árvore utilizada no ambiente anterior, bem como as folhas desta árvore possúırem

menores dimensões, aumentando assim a absorção através de múltiplas reflexões.

Assim como realizado no ı́tem anterior, comparamos nossas medidas com os quatro

modelos que foram utilizados ao longo do trabalho além da curva ajustada. Vale ressaltar

que os parâmetros da curva ajustada são os mesmos do item anterior pois o ajuste foi

realizado utilizando o conjunto destas medições como dito anteriormente.

O gráfico que contém essas informações é dado na figura 5.2. Foi utilizado a escala

logaŕıtmica para o eixo x (profundidade da vegetação (m)) e para o eixo y o valor da

atenuação causa pela vegetação em dB.

Na tabela 5.5 é apresentado os valores dos parâmetros de cada modelo e da curva

ajustada:

32

Distância(m) Profundidade da vegetação(m) Modelo Parâmetros

6.0 4.1 ITU-R A=0.2 | b=0.3 | c=0.6

6.0 4.1 FITU-R A=0.39 | b=0.39 | c=0.25

6.0 4.1 COST-235 A=15.6 | b=-0.02 | c=0.5

6.0 4.1 Weisberger A=0.45 | b=0.284 | c=0.588

6.0 4.1 Fiting Curve A=0.3993 | b=0.2967 | c=0.73

Tabela 5.5: Parâmetros de cada modelo de predição

Após isto, assim como na primeira medição, comparamos com as curvas dos mo-

delos existem de predição para perda em espaços vegetados. Estas informações estão

presentes na figura 5.2. Foi utilizada a escala logaŕıtmica para o eixo x (profundidade da

vegetação (m)) e valor atenuação em dB. A tabela 5.6 faz o comparativo entre a perda

prevista por cada modelo e a perda média medida.

Figura 5.2: Perda causada pela vegetação

33

Modelo Perda Prevista(dB) Perda Média medida(dB) Erro médio absoluto(dB)

ITU-R 8.18 22.73 14.33

FITU-R 22.98 22.73 0.25

COST-235 20.67 22.73 2.06

Weisberger 6.45 22.73 16.28

Curva Ajustada 18.53 22.73 4.2

Tabela 5.6: Erro médio para cada modelo

Utilizando os dados de acordo com o gráfico 5.2 e a tabela 5.6, conclui-se que

os modelos Weissberger e ITU-R se mantém distantes dos dados medidos, apresentando

valores subestimados quando comparados aos valores medidos.

Neste cenário, o modelo que mais se aproximou do dados medidos foi o modelo

FITU-R com o menor erro médio absoluto. Da mesma forma, o modelo COST-235 tam-

bém apresentou bom ajuste, porém, para definir o melhor modelo, é necessário a realização

de mais medições.

De maneira geral, os modelos FITU-R e COST-235 se comportam de maneira

similar para esta frequência e ambiente. Sendo o modelo COST-235 o que se adaptou

melhor quando utilizado uma árvore de folhagem com densidade média e o FITU-R com

uma árvore de folhagem com densidade alta.

Os modelos Weisberger e ITU-R se apresentaram bem distantes de nossas medidas,

não sendo adequados para frequências altas como 14 GHz ou árvores com folhagem de

maior densidade, pois estes modelos foram elaborados principalmente em vegetações de

folhagem com baixa densidade.

5.3 Atenuação com a distância

Nesta etapa, o objetivo da análise é verificar o comportamento do sinal em relação

ao deslocamento entre o transmissor e receptor na frequência central de 14 GHz.

Para o ajusto do modelo log-distance foi utilizado o software MATLAB.

A figura 5.3, apresenta o valor da perda no percurso ao longo desta medição. Sendo

o eixo x a distância em metros e o eixo y a perda no percurso em dB.

É posśıvel observar, que apesar de ter sido utilizado um enlace sem qualquer tipo

34

Figura 5.3: Perda no percurso 3o ambiente

de obstrução (visada direta), o gráfico 5.3 apresenta alguns picos e vales acentuados, sendo

estes, componentes de multipercurso ao longo da medição.

Para este ambiente, os valores obtidos serão ajustados utilizando como referência

o log-distance, descrito anteriormente no caṕıtulo 3.

A equação do modelo log-distance, como foi apresentada no capitulo 3 é dada da

forma:

PL(d) = PL(d0)− 10nlog10(d/d0) (5.1)

Onde PL(d0) representa a perda em uma distância de referência d0, n sendo o

coeficiente de perda de um ambiente espećıfico.

Sendo PL(d0) calculado a partir da equação de Friss na distância de referência de

cinco metros (5,0 m).

Utilizamos os dados das medições para realizar o ajuste do modelo e determinar

o valor de n experimental. Os valores encontrados neste ajuste estão descritos na tabela

5.7:

Portanto, a equação com os valores obtidos através dos ajustes é dada da seguinte

maneira:

35

PL(d0) n Desvio Padrão

69 1.87 4.709

Tabela 5.7: Parâmetros Modelo Log-Distance

PL(d) = 69− 10 · 1, 87 · log10(d/d0) (5.2)

A figura 5.4, apresenta a comparação entre o gráfico anterior da perda no percurso

com a curva ajustada do modelos log-distance, de acordo com os parâmetros encontrados.

36

Figura 5.4: Curva Ajustada Log-Normal

Comparando com a tabela 3.1, é posśıvel observar que o valor encontrado está

abaixo do valor utilizado para espaço livre (n=2), com isto, podemos concluir que os

multipercusos presentes ao longo da medição, apresentaram interferências construtivas

em nosso sinal, aumento assim a potência recebida ao longo deste trecho.

Para verificar a distribuição das amplitudes do sinal, realizamos um ajuste da

medição por uma distribuição normal, a fim de identificar se os valores que foram medidos

se adéquam a este tipo de distribuição.

Segue, na figura 5.5, o resultado obtido:

37

Figura 5.5: Distribuição Log-Normal

Na figura 5.5, é posśıvel observar que os componentes medidos se comportam bem

próximo de uma distribuição do tipo normal, comprovando que as componentes que apre-

sentam maior intensidade estão próximas ao centro da distribuição.

Este resultado é esperado para medições em espaço livre, onde as componentes

mais significativas são as componentes dos raios diretos.

Caṕıtulo 6

Conclusão

Este trabalho teve como objetivo, o estudo do comportamento do sinal e juste dos

principais modelos de predição existentes que atuam na frequência de 14GHz, em ambien-

tes outdoor, especialmente ambientes obstrúıdos por vegetação. Essa faixa de frequência

vem sendo intensamente estudada para posśıvel solução na tecnologia 5G, atender a rápida

expansão das redes móveis, principalmente voltada à telefonia celular. Para efetuar esta

análise, foram escolhidos ambientes externos que se adequavam aos estudos existentes

sobre a atenuação do sinal causada por vegetações, e também para a análise do com-

portamento de um sinal de frequência de 14 GHz em diferentes distâncias em ambiente

outdoor.

Os modelos de predição ajustados aos dados (ITU-R, FITU-R, Weisberger, e

COST-231) vêm sendo amplamente usados em estudos acadêmicos relacionados a este

tipo de perda. Da análise, foi observado que os modelos que apresentaram comportamento

próximo dos valores medidos foram os modelos que tiveram seus parâmetros definidos de

acordo com medições em faixas de frequências mais próximas a 14 GHz, entre eles os

modelos o FITU-R e o COST-231. Os modelos Weisberger e ITU-R apresentaram perdas

subestimadas se comparados aos valores medidos para esta frequência, possivelmente pelo

fato de seus parâmetros terem sido definidos em frequências na faixa UHF, na faixa de

MHz.

A curva ajustada para a análise da perda através da vegetação, se mostrou similar

aos demais modelos, principalmente se comparado aos modelos FITU-R e COST-235. A

atenuação ocasionada pela vegetação é considerável, principalmente em 14 Ghz, onde a

morfologia da vegetação, sua densidade de folhagem e tamanho das folhas é importante

39

para o dimensionamento de enlaces de radiocomunicação.

No terceiro ambiente de medição, buscou-se caracterizar a perda devido à distân-

cia. Nesta análise, foi posśıvel observar que as componentes de multipercurso tiveram

impacto relevante no ajuste realizado com o modelo log-distance. O coeficiente de ate-

nuação (n) encontrado, apresentou valor abaixo da referência para o espaço livre, o que

indica que estas componentes seriam interferências construtivas ao longo das medições. A

distribuição normal se comportou próximo ao esperado para este ambiente, uma vez que

as componentes de maior intensidade, são provenientes de raios diretos.

Com estas considerações o objetivo deste trabalho foi alcançado, e as análises foram

realizadas possibilitando transmitir maior conhecimento sobre os efeitos que ambientes

com vegetação podem causar em um canal de radiocomunicação na frequência de 14

GHz.

Recomenda-se para trabalhos futuros, uma análise com um número maior de es-

pécie de vegetações e de amostras de medidas, para que seja posśıvel assim analisar, com

maior precisão, os modelos de predição dispońıveis. É considerado também, a utilização

de outros tipo de antenas (por exemplo, antenas omnidirecionais), a fim de analisar outros

tipo de efeitos como a reflexão no solo.

Bibliografia

[1] MO Al-Nuaimi and RBL Stephens. Measurements and prediction model optimisa-

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ResumoAbstractAgradecimentosLista de FigurasLista de TabelasIntroduçãoCaracterísticas de propagaçãoOndas de RádioMecanismos de propagaçãoReflexãoDifraçãoEspalhamento

Características do canal de radio propagaçãoDesvanecimento

Frequência de 14 GHz

Modelos de propagaçãoModelo de perda no espaço livre (Free Space Loss)Modelo Log-DistanceModelos de propagação em espaço vegetadosModelos Weissberger Modelos ITU-R (Early ITU)Modelos Fitted ITU-R (FITU-R)Modelo COST 235

Setup e ambientes de mediçõesInfluência da VegetaçãoCobertura simulando uma pico célulaAntena Transmissora e receptora na mesma altura

Decaimento com a distânciaDescrição dos equipamentos utilizadosSetup de transmissãoSetup de Recepção

ResultadosAmbiente pico celularAntena Transmissora posicionada na mesma alturaAtenuação com a distância

Conclusão