Analise e Desempenho de Sistema de Microondas (1)

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ENGENHARIA ELECTRÓNICA E DE TELECOMUNICAÇÕES
LABORATÓRIO DE TELECOMUNICAÇÕES II
 ESTUDO DE VIABILIDADE DE UMA RÁDIO ENLANCE : CASO DE ESTUDO (A CENTRAL DA OPERADORA TMCEL-BEIRA –DISTRITO DE BÚZI
Autor:
3116 – Naftal Ucucho
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INTRODUÇÃO
Os radio enlaces digitais ponto-a-ponto em micro-ondas que operam com visada direta, existem, fundamentalmente, duas causas para a elevação da taxa de erro devido a fenômenos relacionados com mudanças no meio de propagação: diminuição da relação sinal/ruído, por efeito de desvanecimentos não-seletivos e interferência intersimbólica provocada por desvanecimentos seletivos. 
Enquanto os efeitos dos desvanecimentos não seletivos são independentes da taxa de transmissão, os efeitos dos desvanecimentos seletivos são mais pronunciados na medida em que a taxa de transmissão aumenta.
Cont. 
A principal causa do desvanecimento seletivo é a propagação por múltiplos percursos, cuja ocorrência depende das condições geoclimáticas da região e da geometria do enlace.
A confiabilidade de um sistema radioenlace digital ponto-a-ponto é determinada por diversos parâmetros e significa, basicamente, a porcentagem média de tempo que um sistema permanece em operação sob determinadas condições funcionais.
OBJECTIVOS
Objectivo Geral:
Realizar uma análise abrangente do desempenho do sistema de comunicação por microondas entre a Universidade Jean Piaget e a central da operadora TMCEL.
Objectivos Especificos:
Avaliar a Atenuação e Interferência do Sinal.
Utilizar o software Rádio Mobile para simular o dimensionamento do sistema de micro-ondas para comunicação nesses pontos, considerando variáveis como distância, altura das antenas e potência do transmissor.
Implementar técnicas de mitigação, como diversificação de espaço, de frequência e de angulo para minimizar os impactos negativos.
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CONCEITOS IMPORTANTES 
COMUNICAÇÃO SEM FIO:
A comunicação “wireless” refere-se à transferência de informações via ondas eletromagnéticas sem o uso de cabo, (CRANE 2009). Aplicações incluem transmissão de voz, dados e vídeos. As ondas eletromagnéticas são classificadas por faixas de frequência:
ELF (Extremely Low Frequency)
VLF (Very Low Frequency)
LF (Low Frequency)
MF (Medium Frequency)
HF (High Frequency)
VHF (Very High Frequency)
CONCEITOS IMPORTANTES 
MICRONDAS:
Microondas é um tipo de onda eletromagnetica, com faixa de frequências via rádio de (30- 300 GHz), considerada onda plana. O sistema de comunicação por microondas é utilizado para transferir dados de um nó para outro, utilizando frequências que vão de (2 a 60 GHz). (BEZERRA, 1980)
Este sistema opera dentro da atmosfera terrestre, sendo influenciado por fenômenos que podem afetar seu desempenho, como:
Atenuação por chuva, gases atmosféricos e absorção 
Desvanecimento (fading) 
 Variação do nível de ruído espectral.
Figura 1 Enlace de radio FONTE: (TELECO 2019).
RÁDIO PROPAGAÇÃO
Alcance e Ganho de Antenas 
A capacidade de alcance de uma antena depende de dois fatores, uma é o fator técnico (tipo de antena e sua potência), e o fator externo (fatores ambientais e climáticos). 
Atualmente existe dois tipos de antenas mais usados no meio de comunicação sem fio, que é a omnidirecional (não direcional) e a direcional, se utiliza a direcional para comunicações de longa distâncias ou curtas, com um proposito maior de transmissão e recepção de dados, estabelecendo assim um enlace mais eficaz, a omnidirecional utiliza-se com finalidade maior para os clientes conectarem, e também tem-se como exemplo de não direcional os roteadores de internet.
A principal informação de uma antena é o seu ganho, na qual é especificado pelo fabricante em dBi, quanto maior é o ganho, maior será o alcance do sinal, a antena direcional possui um alcance maior do que as não direcionais, pois se tem uma concentração maior de sinal em um ponto (Bersot, 2017).
MECANISMOS DE PROPAGAÇÃO
Reflexão:
Reflexão acontece quando uma onda atinge uma determinada região que separa dois meios e retorna com a mesma velocidade de propagação e frequência da origem de onda incidente. O ângulo de incidência é o mesmo ângulo da onda refletida, na figura a seguir pode-se ver como acontece a reflexão (JOSE CARLOS, 2013).
MECANISMOS DE PROPAGAÇÃO
Refração:
A refração acontece quando uma onda atinge uma determinada região que separa dois meios e consegue atravessar, se propagando em outro meio, existindo alteração na sua velocidade de propagação, que consequentemente altera o comprimento de onda comparado a onda incidente.
MECANISMOS DE PROPAGAÇÃO
Difração:
Chama-se frente de onda o conjunto de infinitos pontos de forma circular que separa a região que ainda não foi atingida pela onda da região já atingida. O raio de onda é uma direção de propagação das ondas em um determinado ponto, observa-se melhor na Figura 5 abaixo (JOSE CARLOS, 2013).
Critérios de visibilidade 
Aplicar-se a correção equivalente da curvatura da Terra – fator K ao perfil do enlace que é correção equivalente da curvatura da Terra para o valor de K médio para 50 % do tempo. Não havendo possibilidade de obtenção deste valor, adota-se K=4/3. A recomendação ITU-R 530-09, aplica a determinação do K mínimo para 99,9% do tempo no pior mês do ano em função da distância, otimizando assim o sistema. Após a correção do perfil através da aplicação do fator K, determina-se a altura da antena baseando-se na percentagem do raio de Fresnel que deverá estar desobstruída, (CRANE 2009).
ZONA DE FRESNEL
Zona de Fresnel é a área elíptica em torno da linha de visada, podendo ter interferências, caso exista algum bloqueio, observa-se sua forma na Figura a seguir. Para que o receptor tenha uma boa comunicação via rádio, é preciso minimizar possíveis perdas por obstrução removendo obstáculos da linha de visada. As ondas eletromagnéticas mais fortes estão localizadas na linha direta entre o transmissor e o receptor, e também na primeira zona de Fresnel, (JOSE CARLOS, 2013).
Figura 6 Primeira zona de fresnel FONTE: (JOSE CARLOS 2013)
RÁDIO HORIZONTE 
Define-se como radio horizonte, a linha de horizonte com radio visibilidade para um transmissor ou receptor. Leva-se em conta a curvatura terrestre e a refração atmosférica. A equação abaixo, indica a máxima distância entre um TX e um Rx, em função da altura das antenas para que haja radio visibilidade. 
d = 4,12 × (√h1 + √h2)
Figura 7 radio horizonte FONTE: (WIKIPEDIA 2016 ) 
ANALISE DO DESEMPENHO DO SISTEMA
Tem-se o receptor com as seguintes coordenadas: 19º42’15.42”S(latitude) e 34º46’04.36”O(longitude), e na outra Figura tem-se o transmissor com as coordenadas: 19º50’0.31”S(latitude) e 34º50’11.29”O(longitude).
Figura 8 ilustracao da localizacao da inipiaget FONTE: AUTOR (GOOGLE EARTH)
ANALISE DO DESEMPENHO DO SISTEMA
Tem-se o transmissor com as coordenadas: 19º50’0.31”S(latitude) e 34º50’11.29”O(longitude).
Figura 9 ilustracao da localizacao da TMCEL FONTE: AUTOR ( GOOGLE EARTH)
ANALISE DO DESEMPENHO DO SISTEMA
A partir desses dois pontos começa-se o estudo de viabilidade técnica para implantar um enlace ponto a ponto com a ajuda do aplicativo Rádio Mobile, que dará as noções fundamentais, como altura das torres, frequência, tipo de rádio e antenas, para a execução do projeto.
Figura 10 ligacao entre os dois pontos FONTE: AUTOR
ANALISE DO DESEMPENHO DO SISTEMA
Figura 11 LINK ENTRE A TMCEL E A UNIPIAGET COM O USO DE RADIO MOBILE FONTE: AUTOR
SIMULAÇÃO DO ENLACE
Para o enlace entre a central da TMCEL e a UNIPIAGET. A simulação foi configurada com uma potência de transmissão de 40 dBm (10W) e uma perda devido a atenuações nos cabos, conectores e guias de 1dB. O nível de sinal de receção estimado é de aproximadamente –100.5dBm, viabilizando o link de comunicação com uma atenuação total de 143,1dB.
SIMULAÇÃO DO ENLACE
Figura 12 simulação do enlace FONTE: AUTOR (RADIO MOBILE)
ANALISE DO ENLACE
Zona de Fresnel
A pior zona de Fresnel obtida corresponde a 2,9F1, ficando livre a primeira e segunda, entretanto como não existe nenhuma obstruçãona principal (primeira) Zona de Fresnel, pode-se afirmar que não existirá risco de comunicação dos transceptores pelo canal.
Fatores de Atenuação e Interferência
A atenuação do sinal devido a fatores como chuva, gases atmosféricos e absorção é um desafio constante. Fenômenos atmosféricos podem degradar significativamente a qualidade do sinal, exigindo a implementação de estratégias de mitigação, como a utilização de técnicas de diversidade de espaço e modulação robusta.
ANALISE DO ENLACE
Disponibilidade do Enlace
Em certos casos, principalmente em frequências mais altas onde a atenuação devida a chuvas é maior, procura-se especificar uma margem que garanta uma alta disponibilidade para o enlace, admitindo-se, no entanto, que ele fique indisponível por um certo período de tempo. Por exemplo, um enlace com uma indisponibilidade anual 99,995% ficará indisponível no ano 26,28 minutos.
Em frequências acima de 10 GHz e em regiões de clima tropical como Moçambique a atenuação por chuva é um fator relevante no dimensionamento de enlaces de rádio.
A especificação de desempenho do enlace é normalmente definida tendo por base a ITU-T G.821 ou G.826, (TELECO 2019).
DESVANECIMENTO
Probabilidade de desvanecimento plano e seletivo
O desvanecimento plano é aquele que possui todas as componentes espectrais do sinal atenuadas por igual. Este tipo de desvanecimento provoca um decréscimo na relação sinal ruído. Entretanto o desvanecimento seletivo causa uma atenuação de maneira desigual nas componentes do espectro do sinal. Este tipo de desvanecimento é causado por propagação em multipercurso (GOMES E BALDINI, 2000).
DESVANECIMENTO
Probabilidade de interrupção devido ao desvanecimento seletivo
Esta probabilidade depende do atraso médio do sinal refletido e da curva de assinatura, que de acordo com o datasheet do fabricante é 0,025. O desvanecimento seletivo é resultado de reflexões, portanto, quanto maior for o atraso do sinal refletido, maior será seu impacto, (MIYOSHI e SANCHES, 2008).
DESVANECIMENTO
Probabilidade de interrupção devido ao desvanecimento plano
Para que ocorra a interrupção do enlace SES (segundos severamente errados) é necessário que o desvanecimento tenha profundidade suficiente para que o nível de recepção caia abaixo do limiar SES (MIYOSHI e SANCHES, 2008).
PLANEJAMENTO E IMPLEMETAÇÃO
A análise do terreno e o alinhamento preciso das antenas são etapas críticas no planejamento e implementação de um enlace de micro-ondas. Ferramentas de modelagem de propagação de rádio, como o Radio Mobile, proporcionam uma base sólida para a tomada de decisões informadas sobre a altura das torres, frequências utilizadas e tipos de antenas. Essas ferramentas ajudam a otimizar o desempenho do enlace, garantindo uma linha de visada clara e minimizando obstruções.
TÉCNICAS DE DIVERSIDADE 
A técnica de diversidade em espaço, cuja geometria está apresentada na figura acima, é a mais popular por produzir bons resultados em termos de fator de melhoria. Entretanto o uso da diversidade em espaço depende das seguintes condições: 
Necessidade de visada direta pela antena mais baixa; 
Necessidade de espaçamento entre antenas que produza um adequado fator de melhoria; 
Necessidade de posicionamento das antenas de modo que nenhuma das duas produza percursos com reflexão na superfície.
A diversidade em freqüência consiste na transmissão simultânea da mesma informação através de duas portadoras com freqüências diferentes. Ela deve ser evitada quando é necessário otimizar a utilização do espectro. 
CONSIDERAÇÕES FINAIS
A comunicação por micro-ondas continua a ser uma solução viável e eficiente para a interligação de pontos distantes, especialmente em regiões onde a instalação de cabos de fibra ótica é impraticável. A análise detalhada apresentada neste trabalho fornece uma visão abrangente dos desafios e soluções associados à implementação de um enlace de micro-ondas, destacando a importância de uma abordagem holística que considere todos os fatores técnicos e ambientais.
A aplicação de tecnologias avançadas, combinada com um planejamento cuidadoso e a implementação de medidas de segurança robustas, garante que os sistemas de comunicação por micro-ondas possam atender às demandas crescentes por conectividade confiável e de alta qualidade.
CONSIDERAÇÕES FINAIS
A análise de desempenho do sistema de comunicação por micro-ondas entre a Universidade Jean Piaget e a central da operadora TMCEL é uma tarefa complexa e multifacetada, que envolve a consideração de diversos fatores técnicos e ambientais. Ao longo deste trabalho, foram abordados vários aspectos críticos que influenciam a eficácia de um enlace de micro-ondas, destacando a importância de cada elemento na construção de uma infraestrutura de comunicação robusta e eficiente.
CONSIDERAÇÕES FINAIS
Conclui-se que a comunicação por micro-ondas é uma solução eficaz e viável para a interligação de pontos distantes, proporcionando uma infraestrutura de telecomunicações robusta e eficiente. A aplicação de técnicas avançadas de simulação e planejamento é essencial para otimizar o desempenho do sistema e garantir a qualidade da comunicação, mesmo em condições ambientais adversas.
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