Qual é o nome do fenômeno que ocorre quando as ondas mudam de meio de propagação?

Serviços SMS I: Modelos de Propagação

A transmissão de ondas eletromagnéticas obedece a fenômenos físicos. Estes foram estudados pelo cientista James Clerk Maxwell, o qual descreveu as quatro equações clássicas do eletromagnetismo (HAYT, 2003).

Definições e conceitos sobre ondas eletromagnéticas ajudam a compreender melhor como funcionam os modelos de propagação. Os mecanismos por trás das propagações são vários, porém destacam-se a absorção, reflexão e difração de ondas. O estudo desses fatores, ambientes que são percorridos pelas ondas e fenômenos aleatórios serão apresentados neste capítulo.

Empíricos ou híbridos existem vários tipos de modelos de propagação desenvolvidos, entretanto para esta pesquisa serão detalhados os modelos Log–distância e o COST-231. Uma vez que o teste prático, relatado no Capítulo 5, utiliza ambos na busca dos resultados e apresenta as vantagens e desvantagens na aplicação do serviço de localização sugerido no trabalho.

Ondas eletromagnéticas

As ondas eletromagnéticas são ondas transversais que consistem da oscilação de campos elétricos e magnéticos. Elas têm uma escala larga de freqüência e podem trafegar em qualquer tipo de meio, incluindo o vácuo (ERICSSON, 2000).

Fatores que afetam a propagação

Teoricamente, as ondas eletromagnéticas podem trafegar indefinidamente pelo espaço se desimpedidas, mas alguns fatores podem afetar a propagação (SMIT, 1987), conforme descrito a seguir.

Absorção

É o Processo pelo qual as ondas se chocam com obstáculos, prédios e grandes construções, por exemplo, resultando em absorção e conversão das ondas em calor ou em outra forma de energia. O grau médio de absorção pode determinar o quanto a onda será absorvida ou refletida.

Refração e Reflexão

Dependendo do meio onde se propaga a onda eletromagnética, esta pode ser refratada ou refletida. Ondas refletidas ou refratadas mudam a velocidade de propagação quando passam por meios diferentes. Por exemplo, as ondas que se movem do espaço livre para o vidro mudam a direção de propagação, isto é, refratam dependendo do valor do índice de refração do material. Além disso, uma porção das ondas pode ser refletida. Também ocorrem mudanças no índice de refração atmosférico quando há diferenças de temperatura, pressão e umidade no meio. Um efeito adverso da refração atmosférica é a probabilidade de uma onda ser transmitida além da área que foi projetada, isso irá causar interferências.  Quando as ondas mudam seu percurso, a área de cobertura é alterada. Como as ondas vão de um ponto a outro é fácil encontrar regiões que facilitam o acontecimento deste fenômeno.

A figura 5 ilustra o que foi explicado anteriormente. Nela são evidenciadas duas regiões: A como menos densa e B mais densa. Uma onda incide num ponto, a qual é refratada quando muda de A para B e também pode ser refletida formando ângulo igual ao da onda incidente.

Figura 5: Refração e Reflexão de Ondas (ERICSSON, 2000)

Difração

Quando uma onda passa ao redor de um obstáculo e muda sua trajetória ocorre o fenômeno da difração. A figura 6 ilustra como isto ocorre. Na ilustração, a linha de visada do sinal é interrompida por um prédio. A BTS ficaria inacessível neste momento, entretanto, pelo princípio de Huygens (1629-1695), cada ponto de obstáculo que a onda contorna pode ser considerado uma nova fonte de onda secundária (ERICSSON, 2000). Além disso, como o sinal alcançou o objetivo, uma nova onda é formada, a qual busca a EM para completar a transmissão do sinal.

Figura 6: Difração e Reflexão de Ondas (ERICSSON, 2000)

Ambientes de propagação

Os ambientes de propagação podem ser classificados como:

• Urbanos: Quando se encontram em grandes cidades, regiões metropolitanas com predomínio de altas edificações;
• Suburbano: Ambientes residências com predomino de baixos edifícios;
• Rural: Caracterizados por regiões com baixas densidades demográficas, onde a população fica dispersa em grandes áreas como sítios, chácaras e fazendas;
• Interior de casas e edifícios (indoor): Tratados de maneira diferentes dos ambientes descritos anteriormente, pois são externos e as ondas têm maior facilidade de percorrê-los. Estes locais são alvo de muito estudo atualmente, pois é o local onde os aparelhos celulares são mais utilizados, entretanto a grande quantidade de obstáculos, como paredes e lajes atenuam o sinal fortemente e o serviço funciona de maneira ineficaz em muitas ocasiões.

Fenômenos aleatórios

Durante a transmissão de sinal de um ponto a outro a onda varia sua potência com o tempo, mesmo que a potência do sinal emitido se mantenha constante. Este fenômeno recebe o nome de desvanecimento (NETO, 2005). Este fenômeno refere-se à perda de energia do sinal em função de obstáculos e da mobilidade do usuário. No ambiente de propagação da rede celular há obstáculos móveis, como veículos, que mudam de posição aleatoriamente (PORTELA, 2009).

Ele pode ser:

• Lento: Quando ocorre em longo prazo e é causado por edifícios no ambiente; ou
• Rápido: Devido à propagação por multipercursos, o sinal varia rapidamente em relação a pequenos deslocamentos do móvel.

A figura 7: mostra graficamente o comportamento deste fenômeno.

Figura 7: Variação aleatória da envoltória do sinal (PORTELA, 2009)

Modelo Log–Distância

Modelo imprescindível para este projeto de pesquisa, pois calcula a distância que o móvel se encontra através do logaritmo da potência que chega a ele. Trata-se de um modelo empírico em que os resultados são obtidos por testes em campo. A Equação base desse modelo está descrita a seguir:

Onde:

• Pr(d) – Potência recebida em um determinado ponto;
• Pr(d0) – Potência recebida no ponto de referência;
• n – Expoente de perda de caminho;
• d – Distância do ponto desconhecido até uma estação; e
• d0 – Distância do ponto desconhecido até uma referência.

No caso desta pesquisa, a Equação é ajustada para o cálculo do ponto onde a EM se encontra, portanto ela será usada conforme abaixo:

Primeiro é escolhido um ponto de referência d0. A potência recebida nele é medida. Em seguida é analisado o meio onde o sinal está se propagando e o n é definido, este é caracterizado pelo ambiente de propagação (A tabela 1 apresenta os valores para vários ambientes). Finalmente, foi medida a potência no ponto onde a EM precisa ser encontrada, isto é avaliado com o Método de Trilateração de Potência discutido no Capítulo 4.

Tabela 1: Expoente de perda de caminho

Modelo Cost-Walfisch-Ikegami

Como parte do objetivo desta pesquisa, este modelo será utilizado para confrontar os resultados encontrados no modelo de Log–distância. No teste prático, que será descrito no tutorial parte II, serão feitos todos os comentários das vantagens e desvantagens de cada modelo estudado.

O modelo COST-Walfisch-Ikegami é o resultado da combinação dos modelos de Walfisch-Bertoni e Ikegami. Esta combinação foi realizada pela COST e descreve o ambiente de propagação por meio dos seguintes parâmetros (PORTELA, 2006):

• Altura média dos edifícios (em metros);
• Largura média das ruas (em metros);
• Separação média entre edifícios (em metros);
• Orientação da rua em relação à onda incidente;
• Distância (em km);
• Freqüência (em MHz);
• Altura das antenas da ERB e do móvel (em metros).

A perda de propagação, em dB, é calculada em três partes:

Onde L0 é a perda por espaço livre dada por:

Sendo d é distância, f é a freqüência e Lrst é a perda por difração no topo do edifício para a rua calculada por meio da Equação (HAR; WATSON; CHADNEY, 1999):

Onde Ws é a largura média das ruas e Δhé a diferença entre a altura do último edifício e a altura da EM. A perda por multidifração, Lmsd, é calculada por:

em que bs é a separação média entre edifícios, ka e kd são os coeficientes médios de alturas entre edificações e corpo dos usuários, kf é o coeficiente de ambiente de propagação,

Lbshé a perda por espalhamento do sinal de radiofreqüência, hr é a altura média dos edifícios, hm é a altura média das residências, hb é a altura do corpo de uma pessoa adulta,

Agora que se sabe como usar o modelo para calcular a perda que o sinal sofre ao longo do percurso, se faz necessário adequar as fórmulas as nossas necessidades, pois o teste prático trará como resultados os valores das potência nos pontos que onde se deseja calcular a localização da EM.

A potência recebida (Pr) é igual à subtração entre a potência transmitida (Pt) e a perda no percurso (L). Logo, o cálculo da distância pode ser formulado de acordo com a Equação abaixo:

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