Seção: Tutoriais

Esta seção consiste em apresentar, resumidamente, alguns modelos de predição de cobertura, com o objetivo de analisar as perdas de propagação dentro da faixa de frequência VHF e UHF.

A predição de uma área é muito importante para um projeto de Radiodifusão.

Com as estimativas de intensidade de sinal recebido é possível concluir sobre a qualidade de um serviço, neste caso, sobre redes de LTE.

Conceitos de Modelagem de Predição

Segundo a modelagem, os modelos de predição podem ser divididos em três tipos: modelos empíricos, teóricos e específicos do local  [6].

Esses modelos de propagação são fórmulas matemáticas usadas para caracterizar a propagação de ondas de rádio. Normalmente, é uma função da frequência, distância, alturas de antenas, terreno e outras condições [7].        

Os modelos empíricos geralmente são conjuntos de equações baseados em testes, geralmente feitos em campo para medições de path loss, atraso de propagação ou outras características do canal. Estas informações são armazenadas em um banco de dados para que se consiga chegar a um modelo matemático capaz de obter resultados com precisão desejada.

Para modelar os projetos de radiodifusão são levados em consideração muitos fatores significativos como, por exemplo, a topografia e grau de urbanização do terreno. Os modelos específicos do local são baseados em métodos numéricos aplicados à geometria do locai estudado, sendo eles, portanto, mais detalhados e exatos. Já os modelos teóricos são derivados dos fenômenos físicos assumindo algumas condições ideais [8].

Os modelos também podem ser caracterizados quanto a suas aplicações como: ponto-multiponto (ou local geral) e ponto-a-ponto [8], [9].

Os modelos ponto-multiponto fornecem uma estimativa geral da propagação de rádio em vez de usar dados de caminho específicos, e podem ser utilizados quando os dados de boa qualidade de terreno e clutter não estão disponíveis. Sendo assim, esses modelos são muito úteis para o dimensionamento de redes de celulares propostas e mais adequados para a análise de percursos longos [9].

Os modelos de ponto-a-ponto, além de fazerem estimativas de rádio enlaces, também possibilitam descrever o comportamento da propagação entre o transmissor e receptor. Também é possível, por meio desse, determinar o comportamento da região analisada e para isso é necessário conhecer a topografia e as características do terreno onde será feita a análise [8].

Em seguida, serão apresentados os modelos empíricos que são utilizados para dimensionar a área de cobertura em sistemas móveis.

Modelo de Okumura

O modelo de Okumura é um modelo empírico baseados em testes feitos no Japão cobrindo vários tipos de ambientes nas freqüências de 150-1920 MHz, ou em casos extremos de 3000 MHz [6]. Este modelo foi publicado em 1968 e desenvolvido para células com raio de 1 a 100 km e para alturas da antena de transmissão e recepção entre 30 – 1000 m. O modelo de Okumura leva em consideração parâmetros como o tipo de ambiente e a irregularidade do terreno.

Este modelo abrange diversos tipos de ambientes: áreas urbanas e suburbanas, áreas rurais e características do terreno, tais como, percurso inclinado, relevo irregular e trajetos mistos (terra-mar) [10].

Esse método de cálculo é obtido através de gráficos e alguns fatores de correção são usados para obter um melhor resultado.

A expressão básica da perda de propagação dada pelo Okumura está representada pela Equação (1) [11]:

Onde L₀ é a perda de propagação em espaço livre, definida como a razão entre a potência recebida W_r e a potência transmitida W_t, como mostram as Equações (2) e (3) [11].

A perda em dB é dada pela Equação (3):

A função A(f,d) corresponde a uma atenuação adicional média, para áreas urbanas. E esse valor é obtido a partir da figura 8.a [12].

O G_area também é um fator de correção em função da frequência para áreas suburbana, quase aberta e aberta (rural) é dada pela figura 8.b[12].

Figura 8: Fatores do método de Okumura: (a) atenuação adicional média para área urbana; (b) correções para outras morfologias

Os G(h_t) e G(h_r) são fatores de correção para antenas com alturas diferentes das de referências, esses fatores podem ser obtidos através das equações (4), (5) e (6) [11]:

Os fatores G(h_t) e G(h_r)  também são função da distância e obtidos da figura 9 e da figura 10 [12].

Figura 9: Ganho de altura da antena da RBS

Figura 10: Ganho da altura da antena da estação móvel

Modelo de Hata

Este modelo também é chamado de modelo de Okumura-Hata.

Hata desenvolveu fórmulas matemáticas que descrevessem o modelo de Okumura, tornando possível o uso computacional para serem feitas as análises e os cálculos necessários para descrever a perda de propagação de uma rede, neste caso, a rede móvel.

Essas fórmulas são limitadas a uma faixa de frequência de 150 MHz a 1500 MHz e para terrenos quase planos. Para se determinar a atenuação para ambiente urbano, temos a Equação (7) [13]:

Onde:

• E é a intensidade de campo elétrico em dB(µV/m);
• f é a frequência em MHz sendo limitada na faixa de 150 MHz a 1500 MHz;
• h₁ é a altura da antena da eNodeB em metros e o seu valor está dentro da faixa de 30 a 200 m;
• h₂ é a altura da antena do móvel dado em metros e sua faixa varia de 1 a 10 m;
• d é a distância do enlace dada em km e pode chegar até 20 km;
• a(h₂) é um fator de correção dado em dB utilizado para corrigir a altura da antena do móvel em ambientes urbanos. Pode-se calcular através das equações (8), (9), (10) e (11):

Este procedimento extraído da recomendação ITU-R P.1546-4 e resulta em valores similares ao método da recomendação para d até 10 km [14].