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Instituto Nacional de Telecomunicações – INATEL Exercícios sobre comunicações móveis – Prof. Dayani Adionel Guimarães
- Canal de rádio móvel - Faça uma dissertação discorrendo sobre o canal de rádio móvel, não deixando de abordar: desvanecimento por multipercursos, espalhamento temporal, largura de faixa de coerência, espalhamento Doppler, tempo de coerência e os tipos de desvanecimento.
- Desvanecimento por multipercursos e sombreamento - Suponha que você tenha em mãos um gráfico que mostra, a uma dada distância entre um transmissor e um receptor móvel, a variação da potência instantânea ao longo do tempo. Suponha que esse gráfico tenha sido obtido através de medidas em campo, com o receptor em movimento e à uma mesma distância do transmissor. Pede-se:
a ) Faça um esboço do referido gráfico.
b ) Estabeleça a relação (se existir) entre os valores instantâneos de potência obtidos e o sombreamento log-normal (ou logonormal).
c ) Faça um esboço, no mesmo gráfico que você desenhou, desse sombreamento log-normal.
- Interpretação dos modelos probabilísticos - Em que situações podem ser aplicadas as funções densidade de probabilidade de Rayleigh e Rice como ferramentas para o modelamento matemático do desvanecimento? Faça uma interpretação física dessas funções, associando-a ao desvanecimento de um sinal recebido em um sistema de comunicação.
- Interleaving - Nos sistemas de comunicação móvel os chamados blocos de interleaving (ou entrelaçamento temporal) são comumente implementados para “driblar” um fenômeno que freqüentemente ocorre nesse tipo de comunicação e assim melhorar o desempenho dos esquemas de codificação de canal. Pergunta-se:
a ) Que fenômeno é esse e qual a sua relação com essa implementação?
b ) Suponha que o bloco de interleaving desenhado a seguir seja implementado no transmissor de um sistema de comunicação móvel e que o correspondente bloco de de-interleaving seja implementado no receptor. Seguindo a regra de escrita/leitura mostrada na figura, de quantos bits vão estar afastados os bits anteriormente consecutivos, no canal de comunicação (após o processo de interleaving )? Nota: no desenho está mostrado o carregamento já completado dos primeiros 25 bits.
c ) Ainda tendo como referência o desenho anterior, supondo que a taxa de bits fornecida ao bloco de interleaving seja de 1000bps, qual será o atraso total do processo de interleaving / de - interleaving? Comente sobre esse atraso (não sobre o seu valor absoluto).
- Relação sinal-interferência co-canal - Calcule a relação sinal-interferência co- canal no terminal móvel localizado no ponto X ilustrado abaixo (caso crítico), num sistema celular com 7 células por cluster e expoente de perdas no percurso igual a 4. Suponha que a relação sinal-interferência mínima aceitável seja de 18dB e comente o resultado obtido, propondo alguma solução para o problema (se ele existir).
x
A
A
A
A
A
A
A
D D+R
D-R
D+R
R
D-R
D
Escrita
Leitura
- Modelo de Durkin - Faça um algoritmo ou um fluxograma que represente o modelo de Durkin & Edwards para predição de cobertura outdoor. Apresente ainda vantagens e desvantagens desse modelo, no seu ponto de vista. Nota: onde julgar necessário, faça comentários objetivando detalhar e/ou esclarecer algum passo do algoritmo ou fluxograma apresentado. Utilize o texto do Apêndice da apostila como referência e/ou, se preferir, o artigo: R. Edwards and J. Durkin, “ Coputer prefiction of service areas for v.h.f. mobile radio networks ”, Proceedings of the IEE, vol. 116, No. 9, p.1493-1500, September 1969.
- Predição em áreas internas - Estudo dirigido: tendo como fonte de consulta o item 3.11 da referência [14] da apostila, pede-se:
a) Faça alguns comentários sobre os aspectos de propagação em ambientes internos.
b) Escolha um modelo para servir como base para o desenvolvimento de um software de predição de cobertura para ambientes internos e justifique sua escolha.
- Interferência de canal adjacente - Suponha a situação de interferência a seguir a seguir ( near-far problem ): o terminal móvel 1 dista da ERB servidora de 10Km e o terminal móvel 2 dista da mesma de 250m. Ambos os terminais estão transmitindo a uma mesma potência (não há controle de potência), porém em canais distintos. Dadas as características de resposta em freqüência dos filtros de canal, pede-se:
a) Determine qual o espaçamento mínimo entre os canais alocados à célula em questão para que a relação sinal interferência de canal adjacente na ERB seja maior ou igual a 0dB (o valor calculado corresponderá à isolação proporcionada pelos filtros de canal entre os canais adjacentes dentro da célula).
Solução a):
,onde éabandade canal.
Separaçãomínimade3,
isolação/(slope)dofiltro 64 / 24 2 , 67
Para 0 dBde aisolaçãodeveráserde64dB
64 , 08 dB 0 , 25
G- 1
4 4 0
4
4 0
4
B
B
G
S/I
P d
P d I
S
− − −
− −
b) Calcule a nova relação sinal-interferência de canal adjacente supondo que o controle de potência esteja sendo utilizado (os terminais móveis 1 e 2 estão transmitindo com potências tais que a potência recebida na ERB oriunda de cada terminal, na freqüência central dos canais utilizados, seja a mesma).
c) Determine qual o espaçamento mínimo entre os canais alocados à célula em questão para que a relação sinal interferência de canal adjacente na ERB seja maior ou igual a 25dB, com controle de potência dos terminais móveis.
- Eficiência de entroncamento - Calcule o número de usuários que poderia ser suportado por cada um dos dois sistemas celulares em uma determinada área, para uma probabilidade de bloqueio de 1% e tráfego médio gerado por usuário de 0, Erlangs. O primeiro sistema possui uma única célula com 100 canais e o segundo
10Km
0,25Km
0dB
-70dB
6dB/oitava
24dB/oitava
Nº de bandas portadora 1/2 1 ...4 de canal
Rz
- Viabilização da comunicação móvel - O sistema celular dual-mode CDMA/AMPS, regulado pelo padrão TIA/EIA-95-B (março de 1999) possui, dentre suas especificações gerais, as características a seguir. Estabeleça a relação desses parâmetros com algumas das medidas tomadas de forma a viabilizar a comunicação em um canal de rádio móvel.
modulação OQPSK no link reverso; modulação QPSK no link direto; transmissão de sinal piloto apenas no link direto; demodulação coerente no terminal móvel. codificação convolucional de taxa 1/2 no link direto; codificação convolucional de taxa 1/3 no link reverso; receptor RAKE de 3 taps ;
Resposta:
A modulação OQPSK apresenta menores variações na envoltória do sinal transmitido que a modulação QPSK, possibilitando a utilização de amplificação não linear. Essa possibilidade é muito importante já que estamos falando do terminal
móvel, onde é essencial um baixo consumo de energia da fonte de alimentação o que promoverá maior tempo de conversação daqueles terminais alimentados a bateria.
No link direto, a modulação QPSK é implementada por não haver esse requisito de utilização de amplificação não linear. Aliás, a utilização de amplificação não linear na estação base poderia acarretar sérios problemas de geração de produtos de intermodulação, pois um mesmo amplificador é utilizado para amplificar os sinais de vários canais (várias freqüências).
O hardware do terminal móvel deve, de preferência, ser simples, de forma que o custo de fabricação (e consequentemente de venda) seja baixo. Contudo, a implementação de demodulação coerente pode trazer uma melhoria no desempenho (menor taxa de erro de bit a uma dada relação sinal-ruído) que seja mais desejada que a diminuição da complexidade. Nesse sentido a transmissão de sinal piloto pela estação base permite que o terminal móvel estime a fase da portadora do sinal recebido e implemente de modo eficaz a demodulação coerente.
No link reverso a transmissão de sinal piloto é inviável do ponto de vista prático, pois cada estação base teria que separar os vários sinais piloto de cada terminal móvel, tarefa que poderia ser tão complexa quanto estimar a fase da portadora a partir do próprio sinal recebido. A redução no desempenho da demodulação no link reverso, devido à demodulação não coerente, é compensada pela implementação de um esquema de correção de erros mais eficaz no link reverso, fato claramente observado pela diferença nas taxas dos códigos de canal dos links direto e reverso.
Uma característica importante de um sinal com espalhamento espectral é a possibilidade de separação das colaborações de alguns multipercursos no sinal recebido. A combinação desses percursos discriminados no receptor caracteriza um tipo de diversidade denominada path diversity (diversidade em percurso) e o grande responsável pela implementação dessa diversidade é o receptor RAKE. No sistema em questão três percursos são combinados nos receptores, pois o RAKE possui três taps.
- Modelo de Okumura - Uma estação de rádio base localizada dentro do perímetro urbano de uma cidade, com uma antena ominidirecional, irradia uma potência EIRP de 1KW em uma freqüência de 900MHz. A altura da antena transmissora é de 100m e da antena de prova ( receptora ) é de 10m. Pede-se:
a) Utilizando o modelo de Okumura, encontre a perda média no percurso a uma distância de 50Km do transmissor.
b) Calcule também a potência recebida à distância dada, assumindo ganho unitário da antena receptora utilizada.
- Modulação OQPSK – Descreva a modulação OQPSK e cite o seu propósito quando utilizada em sistemas de comunicação móvel.
- Modelo simplificado – Um transmissor fornece 15W a uma antena com 12dB de ganho. A antena do receptor possui ganho de 3dB e a largura de faixa do filtro de entrada do receptor é de 30KHz. Se a figura de ruído do sistema receptor é de 8dB e a freqüência de portadora é 1800MHz, encontre a máxima separação entre transmissor e receptor de modo a assegurar uma relação sinal-ruído de 20dB em 95% do tempo. Assuma o expoente de perdas igual a 4, o desvio padrão da potência recebida igual a 8dB e uma distância de referência ( d 0 ) de 1Km.
- Estatísticas do desvanecimento – Um veículo equipado com um receptor recebe uma transmissão a 900MHz enquanto viaja a uma velocidade constante por 10s. A duração média do desvanecimento para um limiar de análise 10dB abaixo do nível rms é 1ms. Que distância do veículo viajará no intervalo de 10s? Quantos desvanecimentos abaixo do valor rms o sinal sofre durante 10s? Assuma que a potência média local não varie no intervalo considerado ( não há sombreamento ).
- Desvanecimento por multipercursos – Baseado nos conceitos abordados em classe, proponha um método que poderia ser utilizado por uma estação rádio base de um sistema celular para determinar a velocidade de movimento de um usuário com um terminal móvel. Como veremos nas aulas seguintes, essa determinação pode ser útil à elaboração dos algoritmos de handoff e ajuste dos limiares de handoff.
- Seqüências PN – Discorra sobre as propriedades de autocorrelação e de correlação cruzada de seqüências pseudo aleatórias no que se refere a imunidade a interferências e possibilidade de sincronismo.
- Revisão sobre propagação - Grupos interativos 1:
Divisão da turma em três grupos Estudo do Capítulo 3 de [Yac93] até o item 3.3.5.2, inclusive - 1 hora;
Um grupo elaborará questões sobre o assunto estudado - 30 minutos Outro responderá às questões e o terceiro fará comentários no intuito de gerar discussões entre todos os grupos e complementar os trabalhos - 30 minutos
- Modelo simplificado - Durante a etapa de planejamento de um sistema de telefonia móvel celular foram feitas algumas medidas em campo a distâncias de 50m, 200m, 1500m, 2500m e 4000m de um transmissor. Os valores de potência medidos foram:
Distância [m] Potência [dBm] 50 0 200 - 1500 - 2500 - 4000 -
Através da equação de perdas no percurso dada [Rap96]:
d X^ σ
d PL d PLd n +
0
( ) ( 0 ) 10 log
a) Estime o valor de n de tal sorte que os valores medidos e estimados das potências em função da distância sejam tão próximos quanto possível. Dica: utilize o Mínimo Erro Médio Quadrático para estimar o valor de n.
b) Qual o significado de n?
c) Calcule o valor do desvio padrão da variável aleatória X σ.
d) Qual o significado dessa variável X σ e do correspondente valor de σ?
e) Suponha que os receptores dos telefones celulares que você pretende utilizar no sistema possuam sensibilidade tal que não funcionam corretamente com níveis de potência recebidos menores que - 80,4 dBm. Se um receptor estiver a 3Km do transmissor, girando em torno dele, durante que porcentagem do caminho percorrido o receptor não funcionará corretamente?
f) Se agora o receptor puder ser deslocado para qualquer ponto dentro de uma área circular de raio igual a 3Km, em que porcentagem de toda essa área o receptor não funcionará corretamente?
- Modelo de Okumura – Encontre a perda no percurso utilizando o modelo de Okumura para uma distância de 10Km , altura da antena transmissora na ERB de 100m e altura da antena receptora de 10m em um ambiente suburbano de uma
b) Calcule a Largura de Faixa de Coerência.
c) Tendo o sistema AMPS canais de largura de faixa de 30KHz e o sistema IS- 95 (CDMA) uma largura de faixa de aproximadamente 1.23MHz, responda: o canal em questão poderá ser utilizado para o AMPS ou para o IS-95 sem o uso de um equalizador? Justifique sua resposta.
T
P
P
T
P
P
T T T B
T
l l l
L
l l
L
l l l
L
l l
L rms c
2
2 1
1
1
1
=
=
=
- Tempo de coerência – Pretende-se analisar um canal de rádio móvel através de medidas em campo. Para isto utiliza-se um veículo de prova a uma velocidade constante de 25m/s e uma portadora senoidal de 1900MHz. Determine o intervalo espacial de amostragem adequado para as medidas de propagação de pequena escala ( small-scale multipath fading ) de tal forma que as amostras consecutivas sejam altamente correlatas no tempo (o que permitirá uma boa estimativa do comportamento do canal). Quantas amostras serão necessárias em um percurso de 10m? Nesse mesmo percurso, assumindo que as medidas sejam feitas pelo veículo em tempo real, em quanto tempo tais medidas serão efetuadas? Qual o espalhamento Doppler do canal? Nota: Para uma boa correlação entre as amostras, assuma o intervalo entre elas igual à metade do Tempo de Coerência do canal, utilizando a expressão a seguir para o cálculo desse parâmetro.
T
c (^) fm
- Scattering plot - Em um canal de rádio móvel, um importante parâmetro nos fornece uma medida conjunta da potência média recebida na “saída” do canal em função do Espalhamento Temporal e do Espalhamento em Freqüência em cada
multipercurso. Esse parâmetro é denominado FUNÇÃO DE ESPALHAMENTO DO CANAL ( Scattering Function ) e é ilustrado abaixo para um canal hipotético.
Pede-se então:
a) Para o canal em questão dê valores numéricos para: a1) Espalhamento Multipercursos médio. a2) Espalhamento Doppler. a3) Tempo de Coerência. a4) Largura de Faixa de Coerência. a5) Fator de Espalhamento.
b) Baseado nas respostas anteriores, comente: é possível, para o canal em voga, termos a ocorrência simultânea de Fading Plano e Fading Lento? Porque e como?
- Simulação de canal – Grupos interativos 2:
Divisão da turma em três grupos. Estudo do item 4.11 e 4.12, páginas 155 a 162 do livro [Yac93] - 1 hora. Um grupo fará a apresentação (explicação) do assunto estudado para a turma, enfocando a solução do item 4.11.1.2 - 30 minutos. Outro fará questões aos apresentadores e o terceiro fará comentários no intuito de gerar discussões entre todos os grupos e complementar o trabalho do grupo apresentador - 30 minutos.
Descreva a importância dos filtros Tx / Rx no desempenho de sistemas de comunicação digital. Descreva também o papel do equalizador no receptor. Dica: faça desenhos para ilustrar.
- Margem de interferência - Suponha que um sistema de comunicação móvel digital tenha que apresentar uma Probabilidade de Erro de Bit menor ou igual a 10-4^ sob interferência de faixa estreita. Para satisfazer a essa exigência, um sistema sem espalhamento espectral com uma técnica de modulação π/4QPSK necessita uma relação E b/ J 0 maior ou igual a 18dB. Suponha agora que antes do processo de modulação π/4QPSK a seqüência bipolar (±1) de bits de informação fosse multiplicada por uma seqüência pseudo aleatória também bipolar com taxa 1000 vezes maior que a taxa de bits de informação, formando um sistema DS-Spread Spectrum. Pede-se calcular a Margem de Interferência do sistema DS-SS e comentar sobre o resultado obtido, relacionando-o com a potência de interferência agora suportada pelo sistema.
- Desempenho da comunicação com spread spectrum - Com base nas explicações do instrutor e/ou em pesquisas em referências sobre o assunto, explicar: por que um sinal Spread Spectrum pode ser mais imune aos efeitos dos multipercursos que um sinal de faixa estreita em um sistema de comunicação móve?
- Técnicas de múltiplo acesso - Elaborar uma pequena dissertação comparando as técnicas de múltiplo acesso. Utilize sua experiência profissional e as informações contidas em alguma referência bibliográfica, bem como as informações fornecidas pelo instrutor. Objetiva-se compor um quadro-síntese das informações obtidas por cada grupo e posterior análise do resultado.
- Dimensionamento de canais - Seja Q = 28000 o número médio de chamadas por célula por hora, B = 2% a probabilidade de bloqueio esperada e T = 1.76 minutos a duração média das chamadas. Quantos canais rádio são necessários para atender a esses requisitos?
