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BACHARELADO EM ENGENHARIA ELÉTRICA CLEIBER NICHIDA DANNYLO MARQUES GUERRA RODRIGO FERREIRA GONÇALVES SISTEMAS DE RADIOENLACE GOIÂNIA - PIRACANJUBA GOIÂNIA 2018 PROJETO DE RADIOENLACE 1 – INTRODUÇÃO Este projeto tem como objetivo calcular e traçar o enlace entre as cidades de Goiânia e Piracanjuba, roteando pela cidade de Bela Vista de Goiás (todas as cidades pertencentes ao estado de Goiás). Os resultados obtidos serão explanados neste projeto na forma memorial de cálculos, planilhas de resultados e gráficos que descreverão os relevos e a elipsoide de Fresnel, com as coordenadas de cada antena e suas respectivas alturas de torre e altitudes relativas e ainda o mapa com sua localização geográfica e coordenadas exatas bem como sua poligonal de rotas. Os resultados contemplarão critérios de desempenho estipulados pela International Radio Consultative Committee (CCIR). 2 – ESPECIFICAÇÕES O projeto deverá ter como valores para cálculo os seguintes parâmetros: A) Ganho da antena 35,4 dBi; B) Comprimento do cabo coaxial da antena: 52m; C) Atenuação do cabo dB/100m: 6,82dB; D) Perda do sistema de derivação: 3,5dB; E) Frequência central: 2,8GHz; F) Diversidade de frequência (Espaçamento entre portadoras): 60MHz; G) Tolerância: 1dB; H) Taxa de transmissão: 34,368Mb/s; I) Coeficiente climático: 0,8; J) Coeficiente de rugosidade: 0,6; K) Potência de transmissão: 30dBm; L) Potência de recepção: -45,81 dBm; M) Potência recebida para BER<10−3: - 82dBm; N) Potência recebida para BER<10−6: - 79dBm; O) Capacidade do rádio digital: 480 canais; P) Figura de ruído do Receptor: 5dB; Q) Modulação: 8QAM; R) Fator roll-off dos filtros: 0,5; *Obs.: No presente estudo, foi considerado BER<103 3 – METODOLOGIA Definiu-se inicialmente os pontos de instalação de antenas segundo viabilidade de visada direta entre elas, respeitando-se os limites municipais e levando-se em conta o perfil do terreno estudado. Utilizou-se o software Google Earth para traçar as rotas e definir o número de antenas necessárias, obtendo-se os seguintes como resultado dois enlaces e quatro antenas, distribuídas em três torres de transmissão. A partir do traçado das rotas e análise do perfil do terreno, foram calculados os parâmetros utilizados no enlace. Todos os cálculos foram levando-se em conta critérios como altura das antenas, tipo do terreno, guias de ondas, refração do ar e perdas inerentes aos materiais e meios empregados, visando atender aos padrões e normas estabelecidos. 4 – CRITÉRIOS E CÁLCULOS Os critérios adotados foram os de menor altura das antenas possível, visando a economia de materiais, respeitando-se os critérios de qualidade adotados pela recomendação 634 da CCIR. A desobstrução da Elipsoide de Fresnel foi calculada com 100% de desobstrução da primeira zona. Os cálculos utilizados foram os seguintes: 4.1 – Correção da curvatura da Terra Figura 1- Raio equivalente da Terra Para cálculos de enlaces de antenas a distâncias consideráveis, calcula-se a correção da curvatura da terra seguindo a fórmula: ℎ𝐶 = 0,078478 ∗ (𝑑1 ∗ 𝑑2) 𝐾 Onde: hc = fator de correção da curvatura da terra [m] d1 = distância entre o ponto crítico e a antena A [Km] d2 = distância entre o ponto crítico e a antena B [Km] K = constante dielétrica (neste trabalho considerado 4/3 = 100% de desobstrução da 1ª zona de Fresnel) 4.2 – Traçado da Elipsoide de Fresnel Figura 2 - Cálculo da primeira zona de Fresnel O traçado da Elipsoide de Fresnel foi calculado a partir da seguinte equação: ℎ = √[ (𝑑1 ∗ 𝑑2) ∗ 𝜆 𝑑 ] Onde: h = raio da Elipsoide de Fresnel d1 = distância do ponto crítico a antena A [m] d2 = distância do ponto crítico a antena B [m] λ = comprimento da onda (λ=(3x108)/frequência) [m] d = distância entre as antenas [m] 4.3 – Altura das antenas Para se calcular as alturas das antenas, foi utilizada a fórmula: ℎ𝐵 = [𝑑(𝐻𝑃𝐶 + ℎ + ℎ𝐶 − 𝐻𝐵) − 𝑑2(𝐻𝐴 + ℎ𝐴 − 𝐻𝐵)] 𝑑1 Onde: hB = altura da antena B [m] d = distância total entre as duas antenas [Km] HPC = altitude do local do ponto crítico [m] h = distância do ponto crítico à linha de visada [m] hC = correção da curvatura da terra no ponto crítico [m] hA = altura da antena A [m] HB = altitude do local da antena B [m] d2 = Distância entre o ponto crítico e a antena B [Km] HA = altitude do local da antena A [m] d1 = distância entre o ponto crítico e a antena A [Km] As alturas das antenas transmissoras foram arbitradas de acordo com a diferença de altitude entre os locais de instalação e do ponto crítico da rota. Calculou-se a altura da antena receptora de cada trecho e ajustou-se a altura da transmissora para que fosse observado a liberação de 100% da primeira zona de Fresnel. 4.4 – Cálculos de desempenho Os cálculos de desempenho seguiram os seguintes critérios. 4.4.1 – Atenuação no espaço livre 𝐴0 = [32,44 + 20 log 𝑓 + 20 log 𝑑] Onde: A0 = Atenuação de espaço livre [Db] f = frequência da onda [MHz] d = distância entre as antenas de recepção e transmissão [Km] 4.4.2 – Potência de recepção 𝑃𝑅 = 𝑃𝑡+𝐺𝐴 + 𝐺𝐵 − 𝐴𝑏𝑟 − 𝐴𝑐𝑎 − 𝐴𝑐𝑏 − 𝐴0 Onde: PR = potência recebida pela receptora [dB] Pt = potência de transmissão [dB] GA = ganho da antena A [dBi] GB = ganho da antena B [dBi] Abr = at enuação do circuito de derivação (Tx+Rx) [dBi] Aca = atenuação dos cabos coaxiais da estação A [dB] Acb = atenuação dos cabos coaxiais da estação B [dB] A0 = atenuação do espaço livre [dB] 4.4.3 – Margem de Limiar 𝑀𝑳 = 𝑃𝑅 − 𝑅 Onde: ML = Margem de limiar (BER < 10 -3) [dB] Pr = Potência de recepção [dB] V = Limiar para BER < 10-3 [dB] 4.4.4 – Probabilidade de Rayleigh 𝑃𝟎 = 0,3 ∗ 𝑎 ∗ 𝑏 ∗ 𝑓 4 ∗ ( 𝑑 50 )3 Onde: P0 = Probabilidade de Rayleigh a = coeficiente de rugosidade do terreno entre as estações b = coeficiente climático escolhido de acordo com as características da região f = frequência [GHz] d = distância em [Km] 4.4.5 – Probabilidade de desvanecimento plano 𝑃𝑭 = 𝑃𝟎 ∗ 10 ( −𝑀𝐿 10⁄ ) Onde: PF = Probabilidade de desvanecimento P0 = Probabilidade de Rayleigh 4.4.6 – Período durante o qual o desvanecimento seletivo está ocorrendo – “ETA” 𝜼 = 𝑃0 ln [2 ∗ √(1 + 10( 9 5 ) ∗ (𝑃0)0,6 + 100,318 ∗ 𝑃0) Onde: η = eta P0 = Probabilidade de Rayleigh 4.4.7 – Probabilidade de ocorrência de desvanecimento seletivo 𝑃𝑠 = 𝜂 ∗ 4,3 ∗ 𝐾𝑛 ∗ ( 𝐸(𝐸𝑇) 𝑇𝑆 )2 Onde: η = eta Kn = 1,7 para BER < 10 -3 E(T) = retardo devido ao eco Ts = tempo de símbolo 4.4.8 – Tempo de símbolo 𝑇𝑺 = 𝑙𝑜𝑔2𝑁( 1 𝐵𝑟(1 + 𝛼) ) Onde: Ts = tempo de símbolo [µs] Br = taxa de bit [Mbits/s] N = nível de modulação α = fator de Roll-off do filtro de recepção 4.4.9 – Retardo devido ao eco 𝐸𝑅 = 0,7 ∗ ( 𝑑 50 )1,5 Onde: ER = retardo devido ao eco [ns] d = distância entre as antenas 4.4.10 – Probabilidade total de cada enlace: 𝑃𝑻 = 𝑃𝑓 + 𝑃𝑆 Onde: PT = probabilidade total de cada enlace PF = probabilidade de desvanecimento plano PS = probabilidade de desvanecimento seletivo 4.4.11 – Probabilidade da rota 𝑃𝒕𝒓 = 𝑃𝐴𝐵 + 𝑃𝐵𝐶 Onde: Ptr = probabilidade total de todos os trechos PAB = probabilidade do trecho AB PBC = probabilidade do trecho BC 4.4.12 – Melhoria da diversidade de frequência na probabilidade total 𝐾𝒇 𝟐 = 𝑒 − 2,5𝛥𝑓 𝑓 Mf = η (1 - 𝐾𝑓 2) 𝑃𝑇𝐷 = (𝑃𝑇) 2∗𝑃𝑖 𝑚𝑓 + 𝑃𝑆 2 𝑚𝑓 , para BER<10-3 Onde: Δf = espaçamento entre portadoras em MHz f = frequência central de operação em MHz Pi = atrito do comutador, neste trabalho considerado como 1,26 5 – Cálculo de desempenho Seguiu-se neste projeto os seguintes conceitos, de acordo com o recomendado pela CCIR, para rotas menores que 280 Km. 5.1 – Segundos severamente afetados (SES) Taxa de bits errados>10-3 medida com o tempo de integração de 1 segundo, que não deve ser superada, em um mês qualquer, em percentual para o circuito hipotético de referência, maior que os valores estabelecidos, de acordo com a fórmula abaixo. 𝑆𝐸𝑆 = 280 𝐿 𝑥 𝑑 2500 0,054% Onde: L = comprimento da rota em Km. 5.2 – Minutos degradados (DM) Taxa de erro >10-6 medida com o tempo de integração de 1 minuto que não deve ser ultrapassada em um mês qualquer, em percentual para o circuito hipotético de referência, maior que os valores estabelecidos, de acordo com a fórmula abaixo. 𝐷𝑀 = 280 𝐿 𝑥 𝑑 2500 𝑥0,4% 5.3 – Segundos com pelo menos um bit errado (ES) Não deve superar em porcentagem o cálculo do tempo em cada mês. 𝐸𝑆 = 280 𝐿 𝑥 𝑑 2500 𝑋0,32% 5.4 – Taxa de erro residual (R) Taxa de erro sem desvanecimento, medida com tempo de integração de 15 minutos que não deve ser maior que o valor calculado em função do comprimento da rota. 𝑅 = 280 𝐿 𝑥 𝑑 2500 𝑥5𝑥10−9 6 – PLANO DE OCUPAÇÃO DAS TORRES Figura 3 - Ocupação das torres 7 – BIBLIOGRAFIA COELHO, André A.S. Projeto de Radioenlace – Rádio analógico Rádio Digital 6 GHz. Universidade Federal de Goiás (UFG), 1995. GOOGLE EARTH PRO. Disponível em: www.google.com/earth/download/gep/agree.html. Acesso em 28 de Novembro de 2018. LINKCALC LIGOWAVE. Disponível em: linkcalc.ligowave.com/. Acesso em 07 de Dezembro de 2018. SILVA, Fábio N. Cálculo de desempenho, disponibilidade e interferências para radioenlaces. Universidade de Brasília (UNB), 2003. ANEXO 1 – TABELAS COM VALORES CALCULADOS Tabela 1 - Valores calculados DESCRIÇÃO ENLACE AB* ENLACE BC** TOTAL 1 Distância entre as antenas (Km) 40,60000 39,30000 79,90000 2 Distância entre a antena transmissora e o ponto crítico (Km) 21,40000 24,70000 3 Distância entre a antena receptora e o ponto crítico (Km) 18,00000 14,60000 4 Raio equivalente (m) 22,67229 21,22555 5 Raio da elipsoide no ponto crítico (m) 32,36509 31,35527 6 λ (m) 0,10714 0,10714 7 Altitude do ponto crítico (m) 846,00000 802,00000 8 Altura da antena transmissora (m) 55,00000 45,00000 9 Altura da antena receptora (m) 50,00000 50,00000 10 Atenuação no espaço livre (dB) 133,55368 133,27101 11 Ganhos das antenas (dBi) 70,8 70,8 12 Atenuação do circuito de derivação (dB) 3,5 3,5 13 Atenuação dos cabos (dB) 7,16100 6,47900 14 Potência de recepção (dBm) -43,13101 -43,37010 15 Margem de limiar (dB) 38,24632 38,52899 16 Probabilidade de Rayleigh 0,05397 0,04894 17 Probabilidade de desvanecimento plano 8,08161e-6 6,86711e-6 18 Período de desvanecimento – eta η 0,02791 0,02567 19 Tempo de símbolo (ns) 58,19367e- 9 58,19367e-9 20 Retardo devido ao eco (ns) 0,51219 0,48779 21 Probabilidade do desvanecimento seletivo (%) 1,58047e-5 1,31843e-5 22 Probabilidade de interrupção BER < 10-3 (%) 2,38863e-5 2,00514e-5 4,393771e-5 23 Probabilidade de Melhoria da diversidade BER<10-3 (%) 2,28112e- 5% 5,42223e-5% OBJETIVOS CCIR PARA CADA ROTA 24 Segundos severamente afetados (SES) (%) 8,76960e-4 8,48888e-4 25 Minutos degradados (MD) (%) 6,49600e-4 6,28800e-4 26 Segundos com pelo menos 1 bit errado (ES) (%) 5,19680e-3 5,03040e-3 27 Taxa de erro residual 0,0812e-9 0,0786e-9 *Enlace AB refere-se ao enlace entre Goiânia-GO e Bela Vista de Goiás. **Enlace BC refere-se ao enlace entre Bela Vista de Goiás e Piracanjuba-GO. ANEXO 2 - DESCRIÇÃO DOS ENLACES Mapa dos enlaces, com distâncias e localizações das antenas e perfil de elevação. Enlace total: Goiânia - Bela Vista de Goiás – Piracanjuba Figura 4 - Enlace total entre Goiânia – Bela Vista – Piracanjuba Fonte: Google Earth Pro ANEXO 3 – ENLACE: GOIÂNIA – BELA VISTA DE GOIÁS Figura 5 - Enlace 1 - Transmissor no município de Goiânia – GO e retransmissora no município de Bela Vista – GO (Fonte: Google Earth Pro) Localização da antena transmissora (Município de Goiânia-GO): Latitude: -16.723246° Longitude: -49.263623° Altitude: 885 m Ponto crítico da rota 1: Latitude: -16,980480° Longitude: -49,205131° Altitude: 846 m Distâncias relativas às antenas: (d1= 18,0 km; d2= 21,4 km) Localização da antena retransmissora (Município de Bela Vista - GO): Latitude: -16.952821° Longitude: -48.968093° Altitude: 823 m Distância total entre as antenas: 40,6 km Figura 6 - Elipsoide de Fresnel do enlace entre Goiânia e Bela Vista de Goiás (Fonte: LinkCalc) ANEXO 4 – ENLACE: BELA VISTA DE GOIÁS - PIRACANJUBA Figura 7 - Retransmissora no Município de Bela Vista - Go e Receptora no município de Piracanjuba – GO (Fonte: Google Earth Pro) Localização da antena retransmissora (Município de Bela Vista de Goiás): Latitude: -16.952821° Longitude: -48.968093° Altitude: 823 m Ponto crítico do segundo enlace: Latitude: -17,170052° Longitude: -49,011661° Altitude: 802 m Distâncias relativas às antenas: (d1= 24,7 km; d2= 14,6 km) Localização da antena receptora (Município de Piracanjuba): Latitude: -17.298729° Longitude: -49.037517° Altitude: 813 m Distância total entre as antenas: 39,3 km Figura 8 - Elipsoide de Fresnel do enlace entre Bela Vista de Goiás e Piracanjuba Fonte: LinkCalc ANEXO 5 - POLIGONAL DE ROTAS Figura 9 - POLIGONAL DE ROTAS ESCALA: 1:300 000
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