| Rede Celular: Link Budget |
Link Budget
O link budget é o cálculo final de potência em todo o percurso entre TX e RX, levando em consideração a potência de transmissão, as diversas perdas em equipamentos (da estação base e do usuário), ganhos de antena, de amplificadores, e efeitos da propagação. Essa análise tem o objetivo de determinar a perda máxima permitida em percurso ou Maximum Allowed Path Loss (MAPL), que permite avaliar o alcance prático de uma célula.
Cálculos separados são feitos para downlink e uplink, dada à distinção dos parâmetros de cada sentido de transmissão. Isso é importante para balancear a potência e minimizar a diferença do alcance entre uplink e downlink. Considerações importantes para o link budget apresentado são: o ambiente tipicamente urbano, a utilização da codificação AMR (Adaptative Multirate) para o serviço de chamadas, e a homogeneidade dos parâmetros ao longo da célula.
De uma forma geral, a perda máxima em percurso pode ser expressa pela equação:
| MAPL = Pot_TX – Perdas_TX – Perdas_RX – Sens_RX – Perdas_Propag + G_Ant_ERB |
Onde:
- Pot_TX: Potência de Transmissão;
- Perdas_TX: Perdas na Transmissão;
- Perdas_RX: Perdas na Recepção;
- Sens_RX: Sensibilidade de Recepção;
- Perdas_Propag: Perdas de Propagação;
- G_Ant_ERB: Ganho da Antena da ERB.
Tanto no padrão GSM quanto no UMTS, o sentido de uplink é limitante no estabelecimento de comunicação entre o aparelho e o equipamento de RF. Por esse motivo o trabalho de análise irá focar estes casos, onde a alcance da cobertura é mais crítico.
GSM 900 Uplink
A tabela 1 apresenta o link budget em uplink no sistema GSM 900 MHz.
| Tabela 1: Link Budget GSM 900 em Uplink. |
| Sentido |
Descrição |
Valor |
Unidade |
| TX |
Potência máxima de transmissão |
30 |
dBm |
| TX |
Atenuações por cabo em TX |
0 |
dB |
| TX |
Atenuações por conectores em TX |
0 |
dB |
| TX |
Ganho da antena em TX |
0 |
dB |
| TX |
Total de perdas e ganhos em TX |
0 |
dB |
| TX |
ERP máximo do aparelho |
30 |
dBm |
| TX |
Temperatura |
290 |
K |
| TX |
Densidade de ruído térmico (background noise) |
-174 |
dBm/Hz |
| TX |
Taxa de informação |
270 |
Kbit/s |
| TX |
Taxa de informação [dB] (10 x log(B)) |
54,4 |
dB |
| RX |
Figura de ruído do receptor |
7 |
dB |
| |
Carga relativa ao tráfego (50% para serviços de voz) |
0,5 |
percentual (%) |
| |
Margem de interferência (ou da carga) |
-3 |
dB |
| RX |
Relação sinal-ruído requerido (Eb/No) |
8 |
dB |
| RX |
Sensibilidade da BTS |
-107,6 |
dBm |
| RX |
Atenuações por cabos e conectores em RX |
-3 |
dB |
| RX |
Ganho da antenna em RX |
15 |
dBi |
| RX |
Total de perdas e ganhos em RX |
12 |
dB |
| RX |
Potência recebida pela BTS |
-119,6 |
dBm |
| RX |
Cell edge probability (ε) |
0,9 |
percentual (%) |
| |
Desvio padrão (σ) |
7 |
dB |
| |
Desvanecimento Log-Normal |
-9 |
dB |
| TX |
Ganho de diversidade |
0 |
dB |
| TX |
Perdas de penetração (edificações/ veicular) |
-10 |
dB |
| TX |
Perda corporal (relativa a cabeça) |
-3 |
dB |
| TX |
Total dos componentes de propagação |
-22 |
dB |
| |
Perda máxima permitida em percurso (MAPL) |
127,6 |
dB |
UMTS 2100 em Uplink
A tabela 2 apresenta o link budget em uplink no padrão UMTS em 2100 MHz.
| Tabela 2: Link Budget UMTS 2100 em Uplink. |
| Sentido |
Descrição |
Valor |
Unidade |
| TX |
Máxima potência de transmissão |
21 |
dBm |
| TX |
Perdas físicas em TX |
0 |
dB |
| TX |
Ganho da antena em TX |
0 |
dBi |
| TX |
ERP máximo do aparelho |
21 |
dBm |
| TX |
Temperatura |
290 |
K |
| TX |
Densidade de ruído térmico |
-174 |
dBm/Hz |
| TX |
Taxa de informação (AMR) |
12,2 |
kbit/s |
| TX |
Taxa de informação [dB] (10 x Log(B)) |
40,9 |
dB |
| TX |
Figura de ruído do receptor |
7 |
dB |
| TX |
Carga relativa ao tráfego (50% para serviço de voz) |
0,5 |
percentual (%) |
| TX |
Margem de interferência (ou da carga) |
-3 |
dB |
| TX |
Relação sinal-ruído requerido (Eb/Nt) |
7,2 |
dB |
| TX |
Sensibilidade do Node B |
-115,9 |
dBm |
| RX |
Ganho da antena em RX |
15 |
dBi |
| RX |
Perdas nos cabos feeder |
-3 |
dBm/100m |
| RX |
Comprimento do cabo feeder |
60 |
m |
| RX |
Perdas nos conectores e Jumper |
-0,6 |
dB |
| RX |
Total das perdas e ganhos em RX |
13,5 |
dB |
| RX |
Cell edge probability (ε) |
0,9 |
percentual (%) |
| |
Desvio padrão (σ) |
8 |
dB |
| |
Desvanecimento Log-Normal |
-10,3 |
dB |
| TX |
Ganho de Handover (softhandover) |
4,1 |
dB |
| TX |
Ganho de diversidade |
0 |
dB |
| TX |
Atenuação por penetração (edificações/ veicular) |
-20 |
dB |
| TX |
Atenuação corporal (nível da cabeça) |
-3 |
dB |
| TX |
Total dos componentes de propagação |
-29,2 |
dB |
| |
Perda máxima permitida em percurso (MAPL) |
120,3 |
dB |
Cálculo da Cobertura
Através da perda máxima permitida, é possível calcular o alcance máximo da cobertura de uma célula, utilizando a fórmula de Okumura-Hata COST 231. A fórmula matemática é apresentada a seguir na tabela 3.
| Tabela 3: Fórmula de Okumura-Hata COST 231. |
| Okumura-Hata COST 231 model |
| L = 46,3+33,9*LOG(f)-13,82*LOG(ht)-Ch+(44,9-6,55*LOG(ht))*LOG(d*0,001)+C |
| Ch = (1,1 log f –0,7) hr – (1,56 log f –0,8) |
O fator C (dado em dB) é considerado 0, relativo ao caso de cidades médias e áreas suburbanas. O alcance máximo da cobertura das células GSM é mostrado na tabelas 4.
| Tabela 4: Parâmetros de entrada e cálculo da distância máxima do link GSM. |
| Freqüência de Transmissão |
900 MHz |
| Altura Efetiva da Estação Base |
50 metros |
| Altura da Antena do Aparelho Celular |
1,6 metros |
| MAPL Mínimo |
127,6 dB |
| Distância de Atuação da BTS para o Mínimo MAPL |
1399,7 metros |
Considerando os mesmos valores da altura da estação base, e altura do aparelho, a tabela 5 mostra o cálculo do alcance máximo da cobertura de uma célula UMTS.
| Tabela 5: Parâmetros de entrada e cálculo da distância máxima do link UMTS. |
| Freqüência de Transmissão |
2100 MHz |
| MAPL Mínimo |
120,3 dB |
| Distância de Atuação do Node B para o Mínimo MAPL |
364,6 metros |
É importante deixar claro que este valor calculado representa apenas a cobertura máxima de uma célula. Porém os sites de uma rede celular em áreas urbanas são geralmente limitados pela capacidade de suportar a demanda de tráfego e também, no caso do WCDMA, pela interferência resultante. Desta forma, os artifícios como o downtilt elétrico e mecânico das antenas, e o controle de potência são utilizados para equilibrar estes parâmetros, e garantir a qualidade de serviço.
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