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UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ
LUCIANA MICHELOTTO IANTORNO
SISTEMAS DE MÚLTIPLAS ANTENAS PARA A COMUNICAÇÃO EFICIENTE
ENTRE AUTOMÓVEIS
CURITIBA
2009
LUCIANA MICHELOTTO IANTORNO
SISTEMAS DE MÚLTIPLAS ANTENAS PARA A COMUNICAÇÃO EFICIENTE
ENTRE AUTOMÓVEIS
Projeto de Final de Curso apresentado à Disciplina de Projeto de Graduação como requisito parcial à conclusão do Curso de Engenharia Elétrica, Setor de Tecnologia, Departamento de Engenharia Elétrica, Universidade Federal do Paraná. Orientador: Prof. Dr. Evelio Martín García Fernández
CURITIBA
2009
RESUMO
Devido ao fato do tráfego ter aumentado ao longo dos últimos anos, a
probabilidade de acidentes também aumentou. Como solução para esse problema,
informações sobre o tráfego e os veículos vizinhos são disponibilizadas ao motorista.
O desenvolvimento da comunicação entre veículos aumenta a cada dia, por isso
vários projetos estão sendo e serão estabelecidos. Na Europa, por exemplo, já há
diferentes projetos em andamento com o objetivo de diminuir os acidentes no
trânsito. O objetivo desse projeto é identificar o melhor sistema de antenas para a
comunicação entre veículos. Isso inclui a escolha do melhor número de antenas, a
melhor posição das antenas no automóvel e a combinação necessária do sinal
recebido pelas antenas. Para alcançar o objetivo, o programa Ray Tracing foi
utilizado para simular a propagação de ondas para que os diferentes parâmetros de
um sinal de rádio fossem analisados. A simulação foi realizada considerando vários
cenários para que fosse possível comparar o comportamento de cada um deles para
as diferentes posições de antenas. Após a análise e comparação dos resultados,
conclui-se que um sistema MIMO com duas antenas transmissoras e duas antenas
receptoras em uma altura de 30 cm é o melhor sistema para esse tipo de
transmissão.
ABSTRACT
Road traffic has been increasing over the last years, due to this fact, the
probability of accidents, as well as the traffic have been raised. As a solution to this
problem, information about the traffic conditions and the neighboring vehicles are
provided to the driver. The development of Car-to-Car communications is increasing
nowadays, therefore several projects are and will be established. In Europe for
example, there are a lot of projects working in different Car-to-Car communications
applications to reduce the number of traffic accidents. The objective of this project is
to identify the best antenna system for Car-to-Car communication. This includes the
choice of the best number of antennas, the best position for the antennas at the car
and the best combination of the antennas. In order to achieve this objective, Ray-
Tracing is used to simulate the wave’s propagation with the purpose of analyzing the
different radio channel parameters. The simulations were done in different scenarios
in order to compare the behavior of the channel in each one for various antenna
positions. After analyzing and comparing the results, it was concluded that a MIMO
system with two transmitters and two receivers 30 cm high is the best system for the
car to car communication.
LISTA DE FIGURAS
Figura 3.1 – Modulação OFDM [2] .............................................................................. 4
Figura 3.2 – Rede AD-HOC na Comunicação entre Veículos [3] ................................ 5
Figura 4.1 – Sistema SISO, SIMO, MISO e MIMO [14] ............................................... 6
Figura 4.2: Método de Diversidade por Seleção ......................................................... 9
Figura 4.3: Método de Combinação de Máxima Proporção ...................................... 10
Figura 4.4: Método de Diversidade de Mesmo GAnho .............................................. 10
Figura 5.1: Reflexão de Onda ................................................................................... 11
Figura 5.2: Difração de Onda [11] ............................................................................. 12
Figura 5.3: Caminhos Percorridos pelas Ondas ........................................................ 12
Figura 5.4: Potência Recebida para uma Antena Transmissora em uma Altura Igual
a 30 cm ..................................................................................................................... 14
Figura 5.5: Potência Recebida para uma Antena Transmissora em uma Altura Igual
a 150 cm.................................................................................................................... 14
Figura 5.6: Caminhos Percorridos pelo Sinal na Teoria das Duas Ondas Modificada
.................................................................................................................................. 15
Figura 5.7: Potência Recebida Combinada Através do Método de Seleção ............. 16
Figura 5.8: Potência Recebida Combinada Através do Método de Mesmo Ganho... 16
Figura 5.9: Potência Recebida Combinada Através do Método de Máxima Proporção
.................................................................................................................................. 17
Figura 6.1: Comparação de um Cenário Urbano com um Cenário Rural .................. 18
Figura 7.1: Ilustração do Cenário Urbano Estacionário ............................................. 21
Figura 7.2: Potência Recebida Calculada Através da Soma Incoerente das Ondas . 22
Figura 7.3: Potência Recebida Calculada Através da Soma Coerente das Ondas ... 22
Figura 7.4: Melhores Pontos Para a Altura de 30 cm ................................................ 24
Figura 7.5: Melhores Pontos Para a Altura de 60 cm ................................................ 24
Figura 7.6: Melhores Pontos Para a Altura de 90 cm ................................................ 25
Figura 7.7: Melhores Pontos Para a Altura de 120 cm .............................................. 25
Figura 7.8: Melhores Pontos Para a Altura de 150 cm .............................................. 26
Figura 7.9: SNR pela Distância para Antenas em uma Altura Igual a 30 cm ............ 27
Figura 7.10: Potência Recebida no Cenário Urbano Estacionário ............................ 28
Figura 7.11: Fading em Curto Prazo ......................................................................... 29
Figura 7.12: Capacidade do Sistema para o Cenário Urbano Estacionário .............. 30
Figura 7.13: Primeiro Instante do Cenário Urbano Variante no Tempo ..................... 31
Figura 7.14: Potência Recebida no Cenário Urbano Variante no Tempo .................. 31
Figura 7.15: Capacidade do Sistema para o Cenário Urbano Variante no Tempo .... 32
Figura 7.16: Comparação entre os Sistemas Variante e Invariante no Tempo para
uma Altura de 30 cm ................................................................................................. 33
Figura 7.17: Comparação entre os Sistemas Variante e Invariante no Tempo para
uma Altura de 60 cm ................................................................................................. 33
Figura 7.18: Comparação entre um Sistema MIMO Invariante no Tempo e um
Sistema MIMO Variante no Tempo ........................................................................... 34
Figura 7.19: Cenário Rural ........................................................................................ 35
Figura 7.20: Potência REcebida no Cenário Rural .................................................... 36
Figura 7.21: Capacidade do Sistema em Cenário Rural ........................................... 37
Figura 7.22: SNR Mínimo .......................................................................................... 38
Figura 7.23: SNR Médio ............................................................................................ 38
Figura 8.1: Melhor Posicionamento das Antenas ...................................................... 39
Figura 9.1: SNR pela Distância de um Sistema MIMO com a Altura das Antenas
Igual a 30 cm ............................................................................................................. 43
Figura 9.2: SNR pela Distância de um Sistema MIMO com a Altura das Antenas
Igual a 60 cm ............................................................................................................. 43
Figura 9.3: SNR pela Distância de um Sistema MIMO com a Altura das Antenas
Igual a 90 cm ............................................................................................................. 44
Figura 9.4: SNR pela Distância de um Sistema MIMO com a Altura das Antenas
Igual a 120 cm ........................................................................................................... 44
Figura 9.5: SNR pela Distância de um Sistema MIMO com a Altura das Antenas
Igual a 150 cm ........................................................................................................... 45
Figura 9.6: Altura das Antenas Igual a 30 cm............................................................ 46
Figura 9.7: Altura das Antenas Igual a 60 cm............................................................ 46
Figura 9.8: Altura das Antenas Igual a 90 cm............................................................ 46
Figura 9.9: Altura das Antenas Igual a 120 cm .......................................................... 47
Figura 9.10: Altura das Antenas Igual a 150 cm ........................................................ 47
Figura 9.11: Altura das Antenas Igual a 30 cm.......................................................... 47
Figura 9.12: Altura das Antenas Igual a 60 cm.......................................................... 47
Figura 9.13: Altura das Antenas Igual a 90 cm.......................................................... 48
Figura 9.14: Altura das Antenas Igual a 120 cm ........................................................ 48
Figura 9.15: altura das Antenas Igual a 150 cm ........................................... 48
LISTA DE TABELAS
TABELA 6.1: Propriedade dos Materiais ................................................................... 19
TABELA 7.1: Análise dos Pontos para a Altura de 30 cm ......................................... 24
TABELA 7.2: Análise dos Pontos para a Altura de 60 cm ......................................... 25
TABELA 7.3: Análise dos Pontos para a Altura de 90 cm ......................................... 25
TABELA 7.4: Análise dos Pontos para a Altura de 120 cm ....................................... 25
TABELA 7.5: Análise dos Pontos para a Altura de 150 cm ....................................... 26
TABELA 7.6: Análise dos Diferentes Sistemas SIMO ............................................... 26
TABELA 7.7: Avaliação da Potência Recebida para o Cenário Rural ....................... 35
LISTA DE SIGLAS
IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers
ITS Intelligent Transportation Systems
MIMO Multiple Input Multiple Output
MISO Multiple Input Single Output
OFDM Orthogonal frequency-Division Multiplexing
SIMO Single Input Multiple Output
SISO Single Input Single Output
SNR Signal-to-Noise Ratio
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ......................................................................................................... 1
2 COMUNICAÇÃO ENTRE VEÍCULOS ..................................................................... 2
2.1 AVISO SOBRE UMA SITUAÇÃO DE PERIGO .............................................. 2
2.2 CÁLCULO DA VELOCIDADE ÓTIMA ............................................................ 2
2.3 NOTIFICAÇÃO DE PONTOS DE INTERESSE ............................................. 3
3 PARÂMETROS TÉCNICOS .................................................................................... 4
4 SISTEMAS DE TRANSMISSÃO .............................................................................. 6
4.1 TÉCNICAS DE DIVERSIDADE ...................................................................... 6
4.1.1 Diversidade de Freqüência ...................................................................... 7
4.1.2 Diversidade Temporal .............................................................................. 7
4.1.3 Diversidade Espacial ............................................................................... 7
4.1.4 Diversidade por Polarização .................................................................... 8
4.2 MÉTODOS DE DIVERSIDADE ...................................................................... 8
4.2.1 Método de Diversidade por Seleção ........................................................ 8
4.2.2 Combinação de máxima proporção ......................................................... 9
4.2.3 Combinação de Mesmo Ganho ............................................................. 10
5 PROPAGAÇÃO DE ONDA .................................................................................... 11
5.1 FENÔMENOS DE ONDA ............................................................................. 11
5.1.1 Reflexão ................................................................................................ 11
5.1.2 Difração ................................................................................................. 11
5.2 TEORIA DAS DUAS ONDAS ....................................................................... 12
5.2.1 Modificação da Teoria das duas Ondas ................................................ 15
5.2.2 Análise dos Métodos de Combinação ................................................... 15
6 FERRAMENTAS DE SIMULAÇÃO ....................................................................... 18
6.1 ROADCOM .................................................................................................. 18
6.2 RAY TRACING ............................................................................................. 19
7 SIMULAÇÃO .......................................................................................................... 20
7.1 Cenário Urbano Estacionário ....................................................................... 20
7.1.1 Análise das Perdas por Propagação ..................................................... 21
7.1.2 Correlação ............................................................................................. 22
7.1.3 Melhores Pontos Receptores ................................................................ 23
7.1.4 Análise do Número de Antenas ............................................................. 26
7.1.5 Sistema MIMO ....................................................................................... 27
7.2 Cenário Urbano Variante no Tempo............................................................. 30
7.3 COMPARAÇÃO ENTRE OS DOIS CENÁRIOS URBANA ........................... 32
7.4 Cenário Rural Estacionário .......................................................................... 34
7.4.1 Sistema SIMO........................................................................................ 35
7.5 Comparação do Cenário Urbano e Rural ..................................................... 37
8 CONCLUSÃO ..................................... FEHLER! TEXTMARKE NICHT DEFINIERT.
9 REFERÊNCIAS ...................................................................................................... 41
1
1 INTRODUÇÃO
O constante aumento de veículos nas ruas e nas estradas torna o trânsito
cada vez mais lento e perigoso. A comunicação entre veículos visa melhorar esses
problemas através do envio de informações sobre condições da pista e do tráfego
aos motoristas, assim como de informações sobre os veículos vizinhos.
Na Europa já existem diversos projetos de aplicações para a comunicação
entre veículos com o objetivo não apenas de tornar o trânsito mais eficiente e
seguro, mas também de disponibilizar informações sobre pontos de interesse aos
motoristas. O Car-2-Car Manifesto [1] descreve nove aplicações da comunicação
entre veículos, três delas serão descritas no capítulo 2.
Este projeto tem como objetivo principal analisar os diferentes tipos de
sistemas de múltiplas antenas, a fim de identificar o melhor sistema, posicionamento
e combinações das antenas. O projeto está dividido em duas partes principais, a
primeira compreende a simulação de sistemas de transmissão, através do programa
Ray Tracing, que calcula a propagação de uma onda em um cenário pré-definido. Já
a segunda consiste na análise dos resultados obtidos na simulação a partir da
construção de gráficos a fim de tornar possível a comparação de parâmetros como a
intensidade do sinal recebido e a capacidade do sistema entre os diversos cenários
e posicionamento de antenas.
2
2 COMUNICAÇÃO ENTRE VEÍCULOS
Na Europa há um projeto em andamento que visa padronizar a comunicação
entre veículos, tendo como objetivo principal aumentar a segurança e a eficiência do
trânsito. Além disso, essa comunicação visa um maior conforto para o motorista e
seus passageiros, disponibilizando a eles informações e métodos de entretenimento.
Vários exemplos de possíveis aplicações para a comunicação entre
automóveis estão descritos em [1]. A seguir serão exemplificados três desses casos.
O primeiro refere-se a uma aplicação voltada à segurança, o segundo visa tornar o
tráfego mais eficiente e o terceiro tem como objetivo disponibilizar informações ao
motorista.
2.1 AVISO SOBRE UMA SITUAÇÃO DE PERIGO
Apesar da maioria das batidas atrás dos automóveis serem provocadas por
distração do motorista ou em alguns casos por uma freada não esperada, essa
forma de colisão representa uma grande porcentagem de acidentes ocorridos ao
redor do mundo. Como forma de evitar esse tipo de colisão, cada automóvel
equipado com a comunicação entre veículos receberá informações sobre os
automóveis vizinhos. Sendo identificado um caso crítico (como por exemplo, uma
freada brusca), o motorista do veículo recebe um aviso, tendo tempo suficiente para
frear e evitar um acidente. Além da comunicação entre veículos, sensores podem
ser utilizados para a identificação de automóveis não equipados com a comunicação
sem fio.
2.2 CÁLCULO DA VELOCIDADE ÓTIMA
O objetivo principal dessa aplicação é evitar com que os automóveis tenham
que parar nos sinais vermelhos, otimizando o fluxo de veículos e melhorando o
trânsito. A partir da aproximação de um veículo a um cruzamento sinalizado,
informações sobre o posicionamento do sinaleiro e o tempo em que ele permanece
3
verde e vermelho são enviados ao veículo. Com essas informações, o veículo
consegue calcular a velocidade ideal para aquela via e através do seu deslocamento
nessa velocidade, a parada desnecessária em sinais vermelhos é evitada.
2.3 NOTIFICAÇÃO DE PONTOS DE INTERESSE
Na realidade a notificação de pontos de interesse não é uma comunicação
entre veículos, mas sim uma comunicação entre um veículo e uma infra-estrutura, a
qual possui informações como posicionamento, horário de funcionamento e preço
dos pontos de interesse (informações turísticas, restaurantes, business, etc.)
localizados em seus arredores. Quando solicitado pelo motorista, essas informações
são enviadas a ele, passando por um filtro no veículo, que irá mostrar na tela apenas
as informações desejadas.
4
3 PARÂMETROS TÉCNICOS
A norma IEEE 802.11p [15] é uma modificação da norma IEEE 802.11a que
adiciona acesso sem fio no ambiente veicular, suportando aplicações de ITS
(Intelligent Transportation Systems). Essa norma, ainda em desenvolvimento,
estabelece os parâmetros técnicos para a troca de dados entre veículos a alta
velocidade e entre veículos e infra-estruturas localizadas paralelamente a pista.
Segundo a norma acima citada, a banda de freqüências para a transmissão
foi definida em 5,9 GHz com uma largura de banda de 30 MHz para o caso da
Europa, resultando assim em uma freqüência entre 5,875 GHz e 5,905 GHz. Para o
caso dos Estados Unidos a largura de banda é de 70 MHz.
A técnica de modulação utilizada é a OFDM [17], que consiste na
transmissão paralela de dados em diversas sub-portadoras, fornecendo assim uma
alta eficiência espectral. A figura 3.1 ilustra esse tipo de modulação.
FIGURA 3.1 – MODULAÇÃO OFDM [2]
Como tipo de rede para a transmissão veicular utiliza-se uma rede Ad-hoc
(especificada através da norma IEEE 802.11s), a qual transmite e retransmite dados
entre os automóveis sem a necessidade de um nó ou terminal especial para o qual
todas as comunicações convergem antes de serem encaminhadas aos seus
destinos. A Figura 3.2 indica um exemplo de uma rede Ad-hoc em uma comunicação
5
entre veículos.
FIGURA 3.2 – REDE AD-HOC NA COMUNICAÇÃO ENTRE VEÍCULOS [3]
6
4 SISTEMAS DE TRANSMISSÃO
Um sistema simples de transmissão, identificado como SISO (Single Input
Single Output) é constituído de uma antena transmissora, uma antena receptora e
um meio de transmissão. A fim de minimizar as perdas devido à propagação do
sinal, assim como aumentar a capacidade do canal, são utilizados sistemas de
múltiplas antenas denominados por: SIMO (Single Input Multiple Output), MISO
(Multiple Input Single Output) e MIMO (Multiple Input Multiple Output). Uma
ilustração para cada um dos sistemas de transmissão é demonstrada na figura 4.1.
FIGURA 4.1 – SISTEMA SISO, SIMO, MISO E MIMO [14]
4.1 TÉCNICAS DE DIVERSIDADE
Várias técnicas de diversidade são utilizadas a fim de otimizar um sistema
de múltiplas antenas. Em cada uma delas um mesmo sinal é transmitido ou recebido
mais de uma vez, com a modificação de ao menos um parâmetro entre os sinais. O
nome das técnicas de diversidade varia conforme o parâmetro diferenciado na
transmissão dos sinais, podendo chamar-se diversidade por: freqüência, tempo,
espaço e polarização. A seguir cada um desses casos de diversidade será
brevemente descrito conforme [4].
7
4.1.1 Diversidade de Freqüência
Neste tipo de técnica de diversidade, duas ou mais ondas são enviadas ao
mesmo tempo em diferentes freqüências. Durante o percurso da onda entre a
antena transmissora e a antena receptora, fenômenos como reflexão, difração e
dispersão de onda (descritos no capítulo 5) podem causar uma interferência nessa
onda. Como a ocorrência de uma interferência destrutiva depende tanto do
comprimento de onda como da distância que a onda percorre, e as duas ondas
percorrem a mesma distância com comprimento de onda diferente, a probabilidade
de as duas ondas sofrerem uma interferência destrutiva ao mesmo tempo diminui.
4.1.2 Diversidade Temporal
Na técnica de diversidade temporal, um mesmo sinal é enviado duas ou
mais vezes com um determinado intervalo de tempo entre os envios. Nesse caso é
necessário gravar a informação para que o transmissor consiga reenviá-la, e para
que o receptor possa comparar e analisar as informações recebidas. Através dessa
comparação entre os sinais feita pelo receptor, é possível separar o sinal enviado do
ruído.
4.1.3 Diversidade Espacial
Nesse caso, as antenas são separadas espacialmente e enviam o mesmo
sinal, que percorre distâncias distintas de acordo com o posicionamento das
antenas. Como já mencionado na seção 4.1.1, a interferência destrutiva depende
tanto da distância percorrida pela onda como da freqüência da onda. Como os
sinais, com mesma freqüência, percorrem trajetos e distâncias distintas, espera-se
que a interferência sofrida por cada um dos sinais também seja distinta, aumentando
assim a probabilidade de que ao menos um dos sinais recebidos possua uma alta
SNR (Signal-to-Noise Ratio).
8
4.1.4 Diversidade por Polarização
Na Diversidade por Polarização, dois sinais são transmitidos e recebidos
com duas polarizações ortogonais (por exemplo, vertical e horizontal). Quando um
dos sinais é altamente influenciado pela atenuação, espera-se que o segundo sinal
seja menos afetado, resultando na recepção de pelo menos um bom sinal.
As várias técnicas de diversidade também podem ser combinadas [9] para
que a qualidade do sinal recebido melhore ainda mais. A recepção de rádio em um
automóvel é um exemplo disso, nela são utilizados métodos de diversidade por
freqüência juntamente com diversidade espacial. Outro exemplo muito utilizado é a
união da diversidade temporal com a diversidade espacial, resultando por exemplo,
na codificação de Alamouti [6], que envia a mesma informação codificada de
maneiras diferentes por duas antenas distintas e repete esse envio após certo
intervalo de tempo, com outra codificação. O código de Alamouti é muito utilizado
por apresentar uma fácil implementação e uma grande melhora no sinal recebido.
Dentro deste projeto a diversidade especial terá uma importância maior, já
que ela será utilizada nas simulações e em suas análises.
4.2 MÉTODOS DE DIVERSIDADE
Em um sistema com múltiplas antenas receptoras, alguns métodos de
diversidade são utilizados a fim de combinar os sinais recebidos nas diversas
antenas. Três desses métodos serão descritos nas próximas seções. Esses métodos
são: a diversidade por seleção, a combinação de máxima proporção e a combinação
de mesmo ganho.
4.2.1 Método de Diversidade por Seleção
Na diversidade por seleção, a cada instante de tempo a qualidade dos sinais
recebidos é analisada e o melhor sinal é escolhido. Para o sinal resultante será
utilizado apenas um dos sinais, independentemente do número de antenas
receptoras. A qualidade do sinal é determinada através de um sintonizador e o
9
melhor sinal é selecionado através de um Diodo [9]. Como vantagem do método de
seleção há a simplicidade de sua implementação.
A figura 4.2 ilustra a técnica de diversidade por seleção.
FIGURA 4.2: MÉTODO DE DIVERSIDADE POR SELEÇÃO
4.2.2 Combinação de máxima proporção
Para um sistema de combinação de máxima proporção, todos os sinais são
importantes dentro do sinal combinado, resultando em um maior ganho em relação
ao método da seleção para sistemas com um maior número de antenas receptoras.
Nesse caso todos os sinais passam por um ajuste de fase, são multiplicados por um
coeficiente e em seguida são somados. Os coeficientes possuem uma relação com
a amplitude dos sinais, sendo assim, dependendo da amplitude do sinal, ele
apresentará um ganho ou uma atenuação. Esse fato faz com que o peso dos
melhores sinais seja maior na soma do que o dos piores sinais. A fórmula 4.1 [10]
representa o cálculo dos coeficientes.
�� = �∙���∑ |���|�� �
(4.1)
Onde,
�� - coeficiente do sinal i
N - número de antenas receptoras
�� - potência recebida na antena i
A figura 4.3 indica um caso de diversidade de máxima proporção.
10
FIGURA 4.3: MÉTODO DE COMBINAÇÃO DE MÁXIMA PROPORÇÃO
4.2.3 Combinação de Mesmo Ganho
Na combinação de mesmo ganho, assim como na combinação de máxima
proporção, todos os sinais são importantes para o sinal combinado. Nela todos os
sinais são adicionados em fase, com um coeficiente igual a um. Devido à adição em
fase, a implementação de um sistema de combinação de mesmo ganho é mais
complexa do que um sistema de diversidade por seleção. Já em relação à
diversidade de máxima proporção, a implementação de um sistema de combinação
de mesmo ganho é mais simples, já que nela não é necessário o conhecimento do
canal. Na realidade a combinação de mesmo ganho é um caso específico da
combinação de máxima proporção, para a qual todos os coeficientes são iguais e
possuem o valor um.
A figura 4.4 indica um sistema de diversidade de mesmo ganho.
FIGURA 4.4: MÉTODO DE DIVERSIDADE DE MESMO GANHO
A fim de determinar o melhor método de combinação, realizou-se uma
análise com auxílio da teoria das duas ondas, a qual será explicada no capítulo 5.
11
5 PROPAGAÇÃO DE ONDA
Na propagação de onda é possível observar a ocorrência de vários
fenômenos que causam o Fading (diminuição da intensidade do sinal recebido por
influência do meio de propagação) a longo e em curto prazo.
5.1 FENÔMENOS DE ONDA
5.1.1 Reflexão
Quando uma onda em propagação encontra um meio, o qual apresenta
propriedades de propagação distintas do primeiro meio, uma parte dessa onda
atravessa esse meio e a outra parte é refletida com o mesmo ângulo da onda
incidente. A figura 5.1 ilustra esse fenômeno.
FIGURA 5.1: REFLEXÃO DE ONDA
5.1.2 Difração
Um obstáculo no caminho da onda causa um desvio no seu percurso, esse
desvio é chamado de difração. A aparição desse obstáculo no caminho da onda,
fará com que a onda propague-se contornando esse obstáculo, que no caso da
comunicação entre veículos será uma árvore, uma construção, um outro automóvel,
dentre outros. O princípio de Huygens [16] descreve a nova fonte de onda.
A figura 5.2 ilustra um caso da Difração de onda.
12
FIGURA 5.2: DIFRAÇÃO DE ONDA [11]
5.2 TEORIA DAS DUAS ONDAS
A propagação de onda em um sistema SISO é descrita pela teoria das duas
ondas [5], a qual considera que um sinal percorre dois caminhos distintos entre a
antena transmissora e a antena receptora, sendo eles um caminho direto e um
caminho devido a uma reflexão no chão. A figura 5.3 indica os dois caminhos
percorridos pelo sinal.
FIGURA 5.3: CAMINHOS PERCORRIDOS PELAS ONDAS
O calculo da potência recebida na antena receptora (��) é realizado através
da equação 5.1 [5].
�� = � ��4 ∙ ��� ∙ �� ∙ �� ∙ �� ∙ � !"∙#$%& + (�(), +, ,) ∙ !"∙#$%�
&� ��
(5.1)
Onde,
�� – comprimento de onda no vácuo
�� – potência transmitida
�� – ganho da antena transmissora
�� – ganho da antena receptora
d – distância direta entre a antena transmissora e receptora
&� – distância percorrida pela onda através da reflexão
.� – número de onda no vácuo =
(� – fator de reflexão de Fresnel
Sendo que (� é calculado através da equação 5.2.
(/ = +� ∙ cos+� ∙ cos
Onde,
µ – permeabilidade do meio
ε – permissividade do meio
θ – ângulo incidente da onda
Calculou-se a potência recebida para diferentes alturas da antena
transmissora e analisaram-
gráficos, fixou-se uma altura para a antena transmissora e variou
antena receptora quanto a
m até 2 m e a variação da distância foi de 0 m até 200 m
ilustram essa análise para a antena transmissora nas alturas de 30 cm e 150 cm,
respectivamente.
comprimento de onda no vácuo
potência transmitida
ganho da antena transmissora
ganho da antena receptora
distância direta entre a antena transmissora e receptora
distância percorrida pela onda através da reflexão
número de onda no vácuo =
lexão de Fresnel para uma polarização vertical
é calculado através da equação 5.2.
cos()) 3 4+5 ∙ (+� 3 +5) ∙ sin�())cos()) + 84+5 ∙ (+� 3 +5) ∙ sin�()) ∙ , (5.2)
permeabilidade do meio
permissividade do meio
ângulo incidente da onda
se a potência recebida para diferentes alturas da antena
-se os resultados através de gráficos. Para cada um dos
a altura para a antena transmissora e variou-se tanto a altura da
antena receptora quanto a distância entre as antenas. A variação da altura foi de 0,
m até 2 m e a variação da distância foi de 0 m até 200 m. As figuras 5.4 e 5.5
a a antena transmissora nas alturas de 30 cm e 150 cm,
13
para uma polarização vertical
se a potência recebida para diferentes alturas da antena
se os resultados através de gráficos. Para cada um dos
se tanto a altura da
A variação da altura foi de 0,2
. As figuras 5.4 e 5.5
a a antena transmissora nas alturas de 30 cm e 150 cm,
14
FIGURA 5.4: POTÊNCIA RECEBIDA PARA UMA ANTENA TRANSMISSORA EM UMA ALTURA
IGUAL A 30 CM
FIGURA 5.5: POTÊNCIA RECEBIDA PARA UMA ANTENA TRANSMISSORA EM UMA ALTURA
IGUAL A 150 CM
Na figura 5.4, observa-se uma grande atenuação do sinal para uma antena
receptora numa altura de 30 cm para uma distância maior que 50 m entre a antena
transmissora e a antena receptora. A adição de uma segunda antena transmissora,
em uma altura de 150 cm poderia melhorar o sinal para esse caso, o que pode ser
observado na figura 5.5.
Realizando o mesmo procedimento na figura 5.5, observa-se que para uma
antena receptora a uma altura de 150 cm, há grandes perdas no sinal para uma
distância entre as antenas de 45 m a 50 m, assim como de 90 m a 100 m. Na figura
15
5.4, é possível observar que a adição de uma antena transmissora em uma altura de
30 cm diminui as perdas do sinal para essas distâncias.
Como a combinação de dois sinais enviados por antenas em alturas
diferentes resulta em uma melhora do sinal recebido, realizou-se uma modificação
na teoria das duas ondas para que através dessa fosse possível analisar os diversos
métodos de diversidade.
5.2.1 Modificação da Teoria das duas Ondas
Através da modificação da teoria das duas ondas foi possível analisar a
propagação de ondas em um sistema MIMO como duas antenas transmissoras e
duas antenas receptoras. Neste caso leva-se em consideração não apenas uma
onda que percorre um caminho direto e uma onda que percorre um caminho com
reflexão no solo, mas quatro ondas com percurso direto e quatro ondas refletidas,
conforme mostrado na figura 5.6.
FIGURA 5.6: CAMINHOS PERCORRIDOS PELO SINAL NA TEORIA DAS DUAS ONDAS
MODIFICADA
A potência recebida (��) para esse caso será calculada de acordo com a
Equação 5.3 [5].
�� = :$;∙<
� ∙ �� ∙ �� ∙ �� ∙ ∑ =>?@∙A$B�%� + (�(), +, ,) ∙ >?@∙A$B��
%�� =;�C5 (5.3)
5.2.2 Análise dos Métodos de Combinação
Para analisar cada um dos métodos de combinação e identificar o melhor
deles, considerou-se um sistema MIMO com dois conjuntos de antenas, cada um
deles formado por uma antena transmissora e uma antena receptora localizadas na
mesma altura. Nesse sistema, a distância entre a antena transmissora e a receptora
varia de 5 a 200 m com um intervalo λ entre cada um dos pontos. Já a altura de
cada um dos conjuntos de antenas varia de 0,2 a 2 m a cada λ/2. Calculou-se a
16
potência recebida para várias combinações de altura de antenas e distância entre
antenas receptoras e transmissoras.
Como forma de analisar a relação entre a potência recebida na antena
receptora e a altura de cada um dos conjuntos de antenas, calculou-se para cada
combinação de altura de antenas, a média da potência recebida para todas as
distâncias compreendidas entre 5 e 200 m. Como há duas antenas receptoras, para
esse cálculo combinaram-se os dois sinais recebidos através dos métodos de
diversidade por seleção, método de combinação de mesmo ganho e método de
combinação de máxima proporção. As figuras 5.7, 5.8 e 5.9 indicam os três casos,
respectivamente.
FIGURA 5.7: POTÊNCIA RECEBIDA COMBINADA ATRAVÉS DO MÉTODO DE SELEÇÃO
FIGURA 5.8: POTÊNCIA RECEBIDA COMBINADA ATRAVÉS DO MÉTODO DE MESMO GANHO
17
FIGURA 5.9: POTÊNCIA RECEBIDA COMBINADA ATRAVÉS DO MÉTODO DE MÁXIMA
PROPORÇÃO
Analisando os três gráficos observa-se que para os três casos os melhores
pontos de recepção estão localizados no mesmo intervalo de altura das antenas,
compreendido entre 20 e 40 cm para os dois conjuntos de antenas. A diferença
entre os três métodos está na intensidade do sinal recebido, a qual é mais baixa
para a diversidade por seleção e mais alta para a combinação de máxima
proporção. O ganho médio do gráfico de mesmo ganho em relação ao gráfico de
seleção é de aproximadamente 3 dB, já o ganho médio do método de máxima
proporção em relação ao gráfico de mesmo ganho é aproximadamente 1.5 dB.
Como a diversidade de máximo ganho é a que apresenta um melhor
resultado, esse método foi o escolhido para a realização da análise das simulações.
18
6 FERRAMENTAS DE SIMULAÇÃO
Todas as simulações foram realizadas com auxílio dos programas Roadcom
e Ray Tracing. O primeiro cria o cenário para a simulação e o segundo calcula a
propagação de onda nesse cenário. As seções 6.1 e 6.2 descrevem as duas
ferramentas.
6.1 ROADCOM
O Roadcom é um programa que cria diferentes cenários de acordo com o
objetivo da simulação. Nele é possível especificar quantos intervalos de tempo serão
simulados e qual será o período entre esses intervalos de tempo. Além disso, define-
se o número de reflexões que uma mesma onda poderá sofrer e o número de
difrações.
A diferença de cada um dos cenários está na densidade de automóveis,
construções e árvores. Ao comparar um cenário urbano com um rural, observa-se
que o primeiro possui uma densidade muito maior de automóveis e de construções,
enquanto o segundo, pelo fato de referir-se a estradas e rodovias, possui uma
densidade muito maior de árvores. Carros estacionados também são considerados
como objetos no cenário urbano. A Figura 6.1 indica a visão superior de um cenário
urbano, à direita, com um cenário rural, à esquerda.
FIGURA 6.1: COMPARAÇÃO DE UM CENÁRIO URBANO COM UM CENÁRIO RURAL
Cada objeto do cenário é representado como uma composição de retângulos
tridimensionais. Como forma de diferenciar um objeto do outro, definem-se
parâmetros para cada um dos materiais. Para os seguintes materiais: vegetação,
19
construções, vidro, asfalto e metal, serão definidas suas permissividades,
permeabilidades e rugosidades.
A tabela 6.1 indica a permissividade e a permeabilidade de cada um desses
materiais.
Material ε µ Vegetação 10-6j 1 Construção 5-0,1j 1 Vidro 6+0,01j 1 Asfalto 5-0,1j 1 Metal 10-1000000j 1
TABELA 6.1: PROPRIEDADE DOS MATERIAIS
Para finalizar a criação do cenário, define-se tanto para o ponto transmissor
quanto para o ponto receptor sua posição e velocidade, o tipo e orientação de
antena, a freqüência de transmissão e quantidade de veículos que há entre o
transmissor e o receptor.
6.2 RAY TRACING
O Ray Tracing é um programa baseado em linhas de comando para cálculo
da propagação de onda entre pontos transmissores e receptores pré-definidos. Ele
foi desenvolvido para um cenário urbano envolvendo micro e macro células, porém
também pode ser utilizado para outros ambientes, como, por exemplo, ambientes
internos.
Nesse programa, considera-se que uma onda pode sofrer reflexão, difração
e dispersão, dependendo dos obstáculos que ela encontre em seu percurso. Para
um resultado preciso, é necessário que o comprimento de onda seja pequeno, se
comparado com os objetos do cenário. Nesse programa há a limitação de que uma
mesma onde poderá refletir até no máximo cinco vezes e difratar até três vezes.
Os parâmetros resultantes da simulação são: módulo de fase da onda,
freqüência Doppler, ângulo de elevação em que a onda saiu do transmissor e
chegou ao receptor, azimute da onda enviada e recebida e atraso, para cada
instante para cada uma das ondas que são recebidas no ponto definido como
receptor.
20
7 SIMULAÇÃO
A simulação visa analisar a propagação de onda em diversos cenários a fim
de localizar o melhor ponto receptor no automóvel. Nas simulações as antenas
utilizadas foram antenas omni-direcionais, já que um dos resultados obtidos na
simulação é o ângulo em que a onda sai do transmissor e chega ao receptor, sendo
possível analisar posteriormente se uma antena direcional é mais adequada para a
transmissão.
Para todas as simulações, a freqüência de transmissão utilizada foi a de
5.9GHz, valor selecionado de acordo com a norma IEEE 802.11p.
A simulação foi realizada para três cenários diferentes, cenário urbano
estacionário, cenário urbano variante no tempo e cenário rural estacionário. A seguir
explica-se cada um dos cenários, seus resultados e uma análise dos resultados.
7.1 CENÁRIO URBANO ESTACIONÁRIO
Definiu-se para a simulação um cenário urbano com quatro pistas de carros
em movimento, sendo duas em um sentido e as outras duas no sentido oposto às
duas primeiras. Nesse cenário, os automóveis que trafegam nas duas pistas
externas possuem uma velocidade aproximada de 40 km/h e os automóveis das
duas pistas centrais trafegam a uma velocidade de 60 km/h. Além das quatro pistas
de carros em movimento, há duas com carros estacionados e ao lado dessas pistas
construções e algumas árvores.
A simulação foi realizada apenas para o primeiro intervalo de tempo, sendo
assim considerado um cenário estacionário, para o qual um ponto transmissor e
diversos pontos receptores, espalhados pelas quatro pistas do cenário foram
escolhidos. Os pontos receptores distanciam-se do transmissor de 5 a 200 m e o
espaçamento entre dois pontos receptores é de 5λ. A ilustração tanto do cenário,
como dos pontos transmissor e receptores está indicada na Figura 7.1.
21
FIGURA 7.1: ILUSTRAÇÃO DO CENÁRIO URBANO ESTACIONÁRIO
Essa simulação foi realizada para antenas localizadas em cinco alturas
diferentes, sendo essas alturas iguais a 30 cm, 60 cm, 90 cm, 120 cm e 150 cm. Em
cada uma das simulações, todas as antenas possuem a mesma altura.
Realizada a simulação, analisaram-se as perdas devido à propagação do
sinal. Em seguida escolheram-se os melhores pontos receptores em relação ao
automóvel para cada uma das alturas e por fim sumulou-se o envio do sinal através
de uma segunda antena transmissora a fim de analisar a SNR e a capacidade de um
sistema MIMO.
7.1.1 Análise das Perdas por Propagação
Para a análise das perdas por propagação, em cada um dos pontos
receptores, somaram-se todas as ondas recebidas por esse ponto de duas maneiras
diferentes, uma coerente e outra incoerente. As fórmulas 7.1 e 7.2 demonstram o
cálculo para a potência calculada de forma coerente e incoerente, respectivamente.
� = |�5 + �� + �E + … + ��|� (7.1)
� = |�5|� + |�;|� + |�E|� + … + |��|� (7.2)
Onde,
P – amplitude do sinal resultante
�� – ondas que compõem o sinal (formada por ângulo e fase)
Através da potência recebida calculada pela soma incoerente dos sinais,
analisou-se o percurso de cada uma das ondas, assim com seus pontos de reflexão,
já que para esse caso, a interferência sofrida pelo sinal é menor, tornando a
visualização do percurso da onda mais clara.
22
A soma coerente de todas as ondas recebidas em cada um dos pontos
indicou a potência real em cada um dos pontos receptores. Nela é possível observar
qual a interferência real que as varias ondas causam no sinal resultante.
As figuras 7.2 e 7.3 indicam a potência recebida em cada um dos pontos
receptores localizados a uma distância de 5 a 105 m da antena transmissora,
espalhados pelas quatro pistas do cenário para as antenas em uma altura de 120
cm para o caso de adição coerente e incoerente dos sinais recebidos (cálculo
realizado conforme equações 7.1 e 7.2), respectivamente.
FIGURA 7.2: POTÊNCIA RECEBIDA CALCULADA ATRAVÉS DA SOMA INCOERENTE DAS
ONDAS
FIGURA 7.3: POTÊNCIA RECEBIDA CALCULADA ATRAVÉS DA SOMA COERENTE DAS ONDAS
O anexo A ilustra a potência recebida para uma distância de 5 a 205 m da
antena receptora para as cinco alturas tanto para o caso coerente, o caso real.
7.1.2 Correlação
Ao contrário da maioria dos métodos de combinação de sinais, na
combinação de máxima proporção não é apenas a amplitude dos sinais combinados
que é importante, mas também a correlação entre os sinais. Para dois sinais pouco
correlacionados, a probabilidade de que para cada ponto ao menos um dos sinais
possua uma boa SNR é maior. Por esse fator, analisou-se a correlação entre cada
dois pontos receptores.
23
O coeficiente de correlação (k), o qual descreve a relação linear entre dois
ou mais sinais, está definido segundo Bravais-Pearson [7] na equação 7.3.
. = ∑ (H� 3 HI)��C5 ∙ (J� 3 JK)L∑ (H� 3 HI)� ∙ ∑ (J� 3 JK)���C���C5
(7.3)
Na qual,
HI é o valor médio da x
JK é o valor médio da y
H� é o valor de x no ponto i
J� é o valor de y no ponto i
O coeficiente de correlação pode variar entre 0 e 1, sendo que o valor 0
indica que os sinais não possuem nenhuma correlação e o valor 1 indica que os
sinais são totalmente correlacionados.
7.1.3 Melhores Pontos Receptores
Para avaliar o sinal recebido em cada ponto do automóvel, calculou-se a
curva SNR pela distância para cada um desses pontos para as quatro pistas. Para
isso supõe-se que um automóvel trafega pela pista do ponto 0 m até o ponto 200 m.
Para a análise dos melhores pontos receptores, comparou-se a SNR em oito
conjuntos de pontos distintos, cada um deles formado por dois pontos. Os oito
conjuntos de pontos foram escolhidos da seguinte forma: primeiramente calculou-se
a correlação do sinal de cada dois pontos do automóvel para cada uma das pistas.
Os pontos com menor correlação de cada uma delas foram os primeiros quatro
conjuntos de pontos escolhidos. Em seguida calculou-se a correlação média das
quatro pistas para cada dois pontos, sendo que os dois pontos que apresentaram a
menos correlação foram escolhidos como o 5º conjunto de pontos.
Os últimos três conjuntos de pontos foram escolhidos através de sua
amplitude. Supondo o deslocamento virtual de um veículo através de cada uma das
pistas do cenário, para cada ponto deslocado, computou-se o posicionamento em
relação ao veículo dos cinco pontos com melhor sinal recebido. Ao final do
deslocamento, analisou-se quantas vezes cada um dos pontos apareceu entre os
cinco melhores sinais, encontrando assim os três pontos de melhor amplitude.
24
Combinando esses três pontos dois a dois, foram obtidos os últimos três conjuntos
de pontos a serem analisados.
Para comparar a SNR entre os pontos, calculou-se a média do sinal para
uma distância de 200 m, o seu valor máximo e seu valor mínimo. Como melhor
ponto para cada uma das alturas, escolheu-se o conjunto de pontos que apresentou
o maior valor mínimo da SNR, já que o importante é que o sinal seja suficientemente
maior do que o ruído para que seja possível separá-los.
Abaixo há, para cada uma das alturas analisadas, uma figura com todos os
pontos utilizados na primeira análise (em azul) e o conjunto de pontos escolhidos
(círculo preto), assim como uma tabela com os oito conjuntos de pontos
selecionados e suas respectivas SNR máxima, mínima e média.
FIGURA 7.4: MELHORES PONTOS PARA A ALTURA DE 30 CM
Altura Pontos
30 cm 8,1 – 8,18 8,1 – 8,17 8,2 – 8,17 8,17 – 1,1 3,2 – 1,11 1,10 – 6,7 5,14 – 3,6 3,5 – 2,17
SNR máxima em dB 70,83 70,58 70,71 70,86 68,67 70,19 70,27 70,77
SNR mínima em dB 36,91 36,08 38,21 35,92 37,91 36,65 38,05 36,61
SNR média em dB 54,34 54,1 54,32 54,36 53,98 54,25 54,23 54,33
TABELA 7.1: ANÁLISE DOS PONTOS PARA A ALTURA DE 30 CM
FIGURA 7.5: MELHORES PONTOS PARA A ALTURA DE 60 CM
25
Altura Pontos
60 cm 2,1 – 3,1 2,1 - 3,18 1,15 – 5,1 1,6 – 1,1 1,1 – 1,18 4,1 – 1,4 7,1 – 1,7 4,1 – 8,1
SNR máxima em dB 69,64 71,21 70,26 68,6 68,93 70,59 69,28 69,65
SNR mínima em dB 19,78 26,35 27,14 26,73 27,52 26,12 25,74 23,45
SNR média em dB 46,84 47,69 47,86 47,48 47,43 47,94 47,62 47,53
TABELA 7.2: ANÁLISE DOS PONTOS PARA A ALTURA DE 60 CM
FIGURA 7.6: MELHORES PONTOS PARA A ALTURA DE 90 CM
Altura Pontos
90 cm 2,15 – 2,14 1,6 – 2,15 10,6 – 4,15 1,6 -2,14 8,15 – 2,9 6,6 – 4,6 7,15 – 6,6 3,15 – 9,7
SNR máxima em dB 68,47 68,72 68,72 68,65 68,9 68,1 69,26 68,59
SNR mínima em dB 14,38 19,22 19,22 19,27 18,25 8,27 15,7 16,45
SNR média em dB 43,97 44,42 44,42 44,39 44,69 43,43 44,31 44,92
TABELA 7.3: ANÁLISE DOS PONTOS PARA A ALTURA DE 90 CM
FIGURA 7.7: MELHORES PONTOS PARA A ALTURA DE 120 CM
Altura Pontos
120 cm 1,15 – 1,6 1,15 – 1,14 1,6 – 1,14 3,6 – 2,6 3,15 – 8,6 1,6 – 1,15 1,10 – 1,6 4,6 – 5,15
SNR máxima em dB 68,17 68,19 68,08 68,04 67,77 68,17 67,61 68,29
SNR mínima em dB 18,77 9,69 16,94 8,3 18,51 18,82 13,86 13,47
SNR média em dB 43,99 43,65 43,87 42,57 44,93 43,99 43,64 43,5
TABELA 7.4: ANÁLISE DOS PONTOS PARA A ALTURA DE 120 CM
26
FIGURA 7.8: MELHORES PONTOS PARA A ALTURA DE 150 CM
Altura Pontos
150 cm 1,7 – 1,6 1,7 – 1,14 8.6 – 2.15 1,6 – 1,14 1,13 – 8,7 5,6 – 3,10 4,6 -1,9 8,11 – 4,8
SNR máxima em dB 64,89 65,44 53,95 65,39 65,63 65,45 64,96 65,52
SNR mínima em dB 17,53 23,46 22,44 20,09 21,27 20,27 20,48 21,73
SNR média em dB 44,33 44,85 45,62 44,86 45,87 44,3 44,62 45,29
TABELA 7.5: ANÁLISE DOS PONTOS PARA A ALTURA DE 150 CM
7.1.4 Análise do Número de Antenas
Para analisar o número de antenas necessárias para a recepção,
comparam-se alguns sistemas SIMO com diferentes números de antenas
receptoras. Sabendo-se que o máximo ganho através de uma combinação de
máxima proporção ocorre quando os dois sinais são iguais, calculou-se o ganho
máximo de um sistema SIMO com 2, 3, 4 e 5 antenas receptoras em relação a um
sistema SISO.
Número de Receptores
Ganho em relação ao
SISO
Ganho em relação ao
SIMO – 2 Rx
Ganho em relação ao
SIMO – 3 Rx
Ganho em relação ao
SIMO – 4 Rx 2 3.01 dB - - - 3 4.77 dB 1.77 dB - - 4 6.02 dB 3.01 dB 1.25 dB - 5 6.99 dB 3.98 dB 2.22 dB 0.97 dB
TABELA 7.6: ANÁLISE DOS DIFERENTES SISTEMAS SIMO
Como com a adição de antenas receptoras ao sistema SIMO, o ganho
trazido por essa antena é cada vez menor, e os custos do sistema são cada vez
maiores, optou-se por realizar análises com sistemas com apenas duas antenas
transmissoras e duas antenas receptoras.
27
7.1.5 Sistema MIMO
Após a realização da simulação para a segunda antena transmissora, foi
possível analisar os ganhos que um sistema MIMO proporciona. Primeiramente,
traçou-se a curva do valor médio da SNR nas quatro pistas pela distância, ilustrada
na figura 7.9 para a antena em uma altura de 30 cm.
SNR – Combinação de Máxima Proporção
Distância em Relação a Antena Transmissora em m
SNR em dB
FIGURA 7.9: SNR PELA DISTÂNCIA PARA ANTENAS EM UMA ALTURA IGUAL A 30 CM
Os gráficos da SNR para as outras quatro alturas de antena estão ilustrados
no Anexo B.
Para o cálculo da SNR, utilizou-se como potência transmitida pelo sistema
23 dBm, valor estipulado segundo a norma IEEE 802.11p. O valor de potência do
ruído térmico utilizado foi de aproximadamente -104 dBm, valor resultante do cálculo
através da equação: P = kBT, na qual k = constante de Bolzmann, B = largura de
banda e T = temperatura ambiente (293 K).
Observando os gráficos, nota-se que a altura de 30 cm apresenta um
resultado mais satisfatório. Para possibilitar uma comparação mais precisa entre
todas as alturas, traçou-se o gráfico da função distribuição acumulada da potência
recebida para cada uma das alturas, conforme demonstrado na figura 7.10.
28
CDF
Potência Recebida em dB
Função Distribuição Acumulada
FIGURA 7.10: POTÊNCIA RECEBIDA NO CENÁRIO URBANO ESTACIONÁRIO
Através do gráfico da figura 7.10, observa-se claramente que a altura de 30
cm resulta em uma potência recebida mais alta do que as outras antenas, possuindo
um valor médio de aproximadamente 5 dB maior do que a altura de 60 cm, a qual
apresenta o segundo melhor sinal. Observa-se também que quanto mais altas as
antenas, pior é o sinal recebido.
O melhor resultado na altura de 30 cm pode ser explicado pelo fato de que
para essa altura não há problema quando um automóvel está entre a antena
transmissora e a antena receptora, já que o sinal propaga-se por baixo dos veículos.
Além disso, o número de reflexões nessa altura é maior, chegando ao ponto
receptor um número maior de ondas, e quanto maior o número de ondas recebidas,
melhor é o sinal e menor é a interferência, já que o peso de cada uma das ondas
individualmente é menor.
Já o fato do aumento da altura da antena piorar a intensidade do sinal
recebido, é explicado com a observação dos gráficos da perda do sinal devido à
propagação, localizados no anexo A. Observa-se que quanto mais altas as antenas,
maior é a perda do sinal devido a um obstáculo entre o ponto transmissor e o ponto
receptor e maior o tempo que o sinal leva para recuperar parte de sua potência.
Além disso, observa-se ainda que na altura de 30 cm o Fading em curto
prazo é menor, já que o intervalo entre a potência mais baixa e a potência mais alta
é menor do que nos outros casos. A figura 7.11 ilustra o pico negativo e pico positivo
do Fading em curto prazo para cada altura de antenas.
29
FIGURA 7.11: FADING EM CURTO PRAZO
Além da potência recebida pelo sistema, a capacidade do sistema também
foi analisada. O cálculo da capacidade (C) [14] é realizado através da equação 7.4
para um sistema SISO, da equação 7.5 para um sistema MISO, da equação 7.6 para
um sistema SIMO e a equação 7.7 para um sistema MIMO. Para isso utilizou-se a
equação 7.3. Na figura 7.12 observa-se que apesar da equação para o cálculo da
capacidade ser altamente relacionada com a SNR, o gráfico da capacidade
apresenta algumas diferenças em relação ao gráfico da potência recebida. Isso
ocorre porque diferentemente do cálculo da potência recebida, o cálculo da
capacidade do sistema não utiliza nenhum tipo de combinação de sinal. Sendo
assim, cada um dos sinais que formam o sinal resultante possui o mesmo peso
sobre este.
M = NOP2 (1 + QR( ∙ |ℎ|�) (7.4)
M = NOP2 �1 + QR(T ∙ ℎ ∙ ℎ∗� (7.5)
M = NOP2 V& W �XY + QR(T ∙ ℎℎ∗�Z (7.6)
M = NOP2 V& W �XY + QR(T ∙ \\∗�Z (7.7)
Onde,
SNR – relação sinal-ruído
h – coeficiente de transmissão
H – coeficiente de transmissão complexo
M – número de antenas transmissoras
I – matriz identidade
-9
-17
-20
-16-14
46 6 7 6
-25
-20
-15
-10
-5
0
5
10
30 cm 60 cm 90 cm 120 cm 150 cmA
mp
litu
de
em
dB
Alturas
Fading em Curto Prazo
Valor Mínimo
Valor Máximo
30
FIGURA 7.12: CAPACIDADE DO SISTEMA PARA O CENÁRIO URBANO ESTACIONÁRIO
7.2 CENÁRIO URBANO VARIANTE NO TEMPO
O objetivo principal dessa simulação é comparar o cenário que varia tanto no
tempo como na distância como cenário analisado anteriormente, o qual varia apenas
na distância. Com isso será possível concluir se o canal analisado até agora pode
ser considerado um canal real (variante no tempo) ou não.
Para essa simulação, criou-se um novo cenário urbano, com as mesmas
características do anterior, como ilustrado na figura 7.13. A diferença entre os
cenários é que aqui ao invés de apenas um intervalo de tempo, serão considerados
diversos intervalos. Além disso, as duas antenas transmissoras foram posicionadas
em um veículo e as antenas receptoras em outro. Esses dois veículos estão em
movimento e trafegam em sentido oposto, cada um com uma velocidade de 60 km/h.
A distância inicial entre eles é de 200 m, em seguida eles aproximam-se até que a
distância entre eles seja de 0 m e afastam-se novamente até que uma distância de
200 m seja novamente atingida.
31
FIGURA 7.13: PRIMEIRO INSTANTE DO CENÁRIO URBANO VARIANTE NO TEMPO
Nesse cenário uma antena transmissora e uma antena receptora foram
posicionadas em uma altura de 30 cm e as outras duas em 60 cm. Essa diferença
entre as alturas foi escolhida, já que a análise para duas antenas na mesma altura já
foi realizada no cenário anterior. Como forma de análise, traçou-se o gráfico da
função distribuição acumulada da potência recebida para um sistema SISO, SIMO,
MISO e MIMO, ilustradas na figura 7.14.
Função Distribuição Acumulada
FIGURA 7.14: POTÊNCIA RECEBIDA NO CENÁRIO URBANO VARIANTE NO TEMPO
O fato dos sistemas SIMO e MISO possuírem o mesmo número de antenas
e o sistema SIMO apresentar um resultado mais satisfatório explica-se por o primeiro
caso combinar seus sinais recebidos e o segundo caso não apresentar nenhum tipo
de codificação de sinal. Ele apenas envia sinais através de uma segunda antena
transmissora; esses sinais podem em alguns casos interferir de forma destrutiva no
primeiro sinal e em outros casos interferir de forma construtiva. Podendo em alguns
pontos apresentar um sinal pior do que o sistema SISO.
32
A codificação, como por exemplo, espaço-temporal de Alamouti pode
melhorar o sinal recebido no caso MISO, melhorando também o sinal MIMO.
A figura 7.15 ilustra a capacidade do sistema em cada um dos sistemas, que
demonstra a não linearidade da relação da capacidade de um sistema MIMO com
um sistema SISO. À medida que a capacidade aumenta a diferença entre as duas
capacidades também aumenta.
Capacidade em bps/Hz
Função Distribuição Acumulada
FIGURA 7.15: CAPACIDADE DO SISTEMA PARA O CENÁRIO URBANO VARIANTE NO TEMPO
7.3 COMPARAÇÃO ENTRE OS DOIS CENÁRIOS URBANO
A fim de comparar os dois cenários, traçou-se a curva da função distribuição
acumulada da potência recebida em um sistema SISO, primeiramente para uma
altura de 30 cm e a seguir para uma altura de 60 cm, conforme ilustrado nas figuras
7.16 e 7.17, respectivamente.
33
Função Distribuição de Acumulada
FIGURA 7.16: COMPARAÇÃO ENTRE OS SISTEMAS VARIANTE E INVARIANTE NO
TEMPO PARA UMA ALTURA DE 30 CM
Função Distribuição de Acumulada
FIGURA 7.17: COMPARAÇÃO ENTRE OS SISTEMAS VARIANTE E INVARIANTE NO TEMPO
PARA UMA ALTURA DE 60 CM
Como resultado, nota-se que as duas curvas apresentam grande
semelhança. As diferenças ocorrem pelo fato de que as simulações foram feitas no
mesmo tipo de cenário, mas não no mesmo cenário e, além disso, pela quantidade
de automóveis entre o ponto transmissor e o ponto receptor não ser a mesma para
os dois casos.
Analisando agora o sistema MIMO com duas alturas de antenas distintas,
observa-se através da figura 7.18 que essa curva está localizada exatamente entre
34
as curvas do sistema MIMO com todas as antenas em 30 cm e a curva com todas as
antenas em 60 cm, que são exatamente as duas alturas que formam o sistema
MIMO analisado com duas alturas distintas.
Tempo
Potência Recebida em dB
Função Distribuição Acumulada
FIGURA 7.18: COMPARAÇÃO ENTRE UM SISTEMA MIMO INVARIANTE NO TEMPO E UM
SISTEMA MIMO VARIANTE NO TEMPO
Esses resultando comprovam que as análises realizadas para o sistema
variante apenas na distância também são válidas para um sistema real, o qual varia
no tempo e na distância.
7.4 CENÁRIO RURAL ESTACIONÁRIO
Definiu-se para a simulação um cenário rural com seis pistas de carros em
movimento, sendo que em três delas os veículos trafegam em um sentido e nas
outras três no sentido oposto ao das três primeiras. Nesse cenário, os automóveis
que trafegam nas duas pistas externas possuem uma velocidade aproximada de 100
km/h, os automóveis das duas pistas centrais trafegam a uma velocidade de 180
km/h e os que trafegam nas outras duas pistas possuem uma velocidade de 140
km/h. Nesse cenário não há veículos estacionados e no lugar das construções há
arvores.
Assim como no cenário urbano estacionário, a simulação foi realizada
apenas para o primeiro intervalo de tempo. Escolheu-se um ponto transmissor e
35
diversos pontos receptores, espalhados por duas pistas do cenário, numa distância
entre 50 e 150 m do ponto transmissor, espaçados 5λ entre si. A ilustração tanto do
cenário, como dos pontos transmissor e receptores está indicada na Figura 7.19.
FIGURA 7.19: CENÁRIO RURAL
Essa simulação foi realizada para antenas localizadas em cinco alturas
diferentes, sendo essas alturas iguais a 30 cm, 60 cm, 90 cm, 120 cm e 150 cm. Em
cada uma das simulações, todas as antenas possuem a mesma altura.
7.4.1 Sistema SIMO
Como o objetivo principal dessa simulação é a análise do sinal nos pontos
selecionados no cenário urbano, assim como a comparação entre os dois cenários,
não foi necessária a simulação de duas antenas transmissoras. A análise foi
realizada através do sistema SIMO.
A tabela 7.7 indica uma análise comparativa da potência recebida no cenário
rural para dois conjuntos diferentes de pontos, um já selecionado no cenário urbano
e o outro analisado através do próprio cenário rural.
30 cm 60 cm 90 cm 120 cm 150 cm
(em dB) Urbano Rural Urbano Rural Urbano Rural Urbano Rural Urbano Rural valor máximo -47,63 -46,98 -47,83 -47,88 -46,1 -46,04 -51,17 -50,23 -51,07 -50,61
valor mínimo -77,86 -72,8 -80,59 -78,88 -74,98 -73,34 -87,36 -84,13 -85,34 -80,3
valor médio -57,99 -56,43 -59,59 -59,42 -59,01 -58,58 -63,24 -65,01 -62,54 -61,97
TABELA 7.7: AVALIAÇÃO DA POTÊNCIA RECEBIDA PARA O CENÁRIO RURAL
Na tabela é possível observar que a diferença entre os valores mínimos da
potência recebida encontrada no cenário urbano através dos dois conjuntos de
36
pontos pode chegar a 5 dB para a altura de 30 cm e 150 cm. Já os valores médios
da potência recebida durante os 100 m percorridos chegam no máximo a 2 dB, o
que indica que os pontos escolhidos no cenário urbano também podem ser
utilizados no cenário rural.
A fim de comparar as diversas alturas também para o cenário rural, traçou-
se a curva função distribuição acumulada da potência recebida também para esse
cenário. O resultado está indicado na figura 7.20.
Potência Recebida em dB
Função Distribuição Acumulada
FIGURA 7.20: POTÊNCIA RECEBIDA NO CENÁRIO RURAL
Na figura observa-se que a curva de 30 cm é novamente a melhor, a
diferença aqui é que diferentemente do cenário urbano, a altura de 90 cm também
apresenta bons resultados. Uma comparação entre os resultando do cenário urbano
e do cenário rural será realizada na próxima sessão a fim de identificar os melhores
pontos.
Abaixo segue a figura da capacidade do sistema para o cenário rural.
37
FIGURA 7.21: CAPACIDADE DO SISTEMA EM CENÁRIO RURAL
Nesse gráfico ficam claras as diferenças que uma combinação entre dois
sinais pode causar no sinal resultante.
7.5 COMPARAÇÃO DO CENÁRIO URBANO E RURAL
As duas figuras a seguir (7.22 e 7.23) comparam para cada uma das alturas
os resultados obtidos no cenário SIMO urbano e rural para uma distância entre a
antena transmissora e receptora entre 50 e 150 m. A primeira figura indica os
valores mínimos da SNR para cada altura em cada um dois cenários e a segunda
indica os valores médios da SNR também para as cinco alturas e os dois cenários.
38
FIGURA 7.22: SNR MÍNIMA
FIGURA 7.23: SNR MÉDIA
Observa-se que a altura de 30 cm é melhor em todos os quesitos, com
exceção do valor mínimo da SNR no cenário rural, no qual a altura de 30 cm
apresenta um valor de 26 dB e a altura de 90 cm um valor de 29 dB. Porém,
comparando todos os sinais mínimos da SNR, tanto a altura de 30 cm quanto a
altura de 90 cm apresentam o valor mínimo igual a 26 dB e comparando todos os
outros quesitos, a altura de 30 cm apresenta valores muito superiores a de 90 cm.
38
2826
1923
2623
29
1719
0
10
20
30
40
50
h = 30 cm h = 60 cm h = 90 cm h = 120 cm h = 150 cm
Va
loo
r m
ínim
o d
o S
NR
em
dB
Altura das Antenas em m
SNR mínima
Urbano Rural
53
46 4542 43
46 44 4541 41
0
10
20
30
40
50
60
h = 30 cm h = 60 cm h = 90 cm h = 120 cm h = 150 cm
Va
lor
mé
dio
do
SN
R e
m d
B
Altura das Antenas em m
SNR média
Urban Autobahn
39
8 RESULTADOS
A partir da análise dos diversos cenários e combinações de antenas, conclui-
se que a altura de 30 cm é a melhor delas, tanto para a transmissão quanto para a
recepção de sinal em um sistema de comunicação entre veículos. Além de
apresentar uma melhor SNR, essa altura também apresenta menor interferência.
O aumento no número de antenas transmissoras e receptoras melhora a
recepção do sinal, porém, também aumenta o custo do sistema. Como um sistema
MIMO com duas antenas transmissoras e duas antenas receptoras apresentou um
resultado satisfatório, tendo como valor mínimo da SNR para uma distância de até
205 m da antena transmissora 40 dB, esse sistema foi o escolhido. Como valores de
SNR satisfatórios, são considerados valores acima de 20 dB.
A figura 8.1 indica o melhor posicionamento das antenas em relação ao
automóvel para a altura de 30 cm.
FIGURA 8.1: MELHOR POSICIONAMENTO DAS ANTENAS
Análises posteriores podem ser realizadas a fim de observar o ganho
provocado pela codificação espaço-temporal de Alamouti, que é um método simples
e eficiente para a otimização de um sistema MIMO.
40
9 CONCLUSÃO
Constatou-se durante o trabalho a importância da comunicação entre
automóveis para que o trânsito torne-se cada vez mais seguro e eficiente. Além
disso, foi possível alcançar todos os objetivos principais do projeto. Primeiramente
constatou-se o melhor método para a combinação dos sinais recebidos através das
antenas receptoras, em seguida foi possível observar a influência do posicionamento
das antenas sobre a propagação de onda nos cenários urbano e rural, encontrando
o melhor posicionamento para elas. Para finalizar escolheu-se o número ideal de
antenas para o sistema, levando em consideração tanto seu sinal recebido quanto
seus custos.
41
10 REFERÊNCIAS
[1] CAR 2 CAR Communication Consortium Manifesto – Overview of the C2C-CC
System – Disponível em http://www.car-2-car.org
[2] http://telephonyonline.com/wireless/technology/How_OFDM_works.jpg -
Acessado em 15/06/2009
[3] http://www.adhoc-netzwerk.de/adhoc-netzwerk_14_0.jpg - Acessado em
15/06/2009
[4] GESSLER, R.; KRAUSE, T.: “Wireless-Netzwerke für den Nahbereich” –
Vieweg + Teubner, 2009.
[5] GENG, N.; WIESBECK, W.: “Plannungsmethoden für die
Mobillkommunikation”, Springer, 1998.
[6] JANKIRAMAN, M.: “Space-time codes and MIMO Systems”, Artech House,
2004.
[7] SCHARNBACHER, K.: “Statistik im Betrieb: Lehrbuch mit praktischen
Beispielen”, Gabler Verlag, 2004.
[8] BRENNAN, D.: “Linear Diversity Combining Techniques”, Proceeding of the
IEEE, Vol.91, 2003
[9] SCHULTEIS, S.: “Integration von Mehrantennensystemen in kleine mobile
Gerãte für multimediale Anwendung”, Institut für Hochfrequenztechnik und
Elektronik, 2006
[10] KAMMEYER, K.: “Nachrichtenübertragung”, Vieweg+Teubner Verlag, 2008
[11] www.wikipedia.org – Acessado em 20/06/2009
42
[12] MAURER, J.: “Strahlenoptisches Kanalmodell für die Fahrzeug-Fahrzeug-
Funkkommunikation”, Institut für Hochfrequenztechnik und Elektronik, 2005
[13] JASOS, M.: “Anleitung für die Straßenverkehrssymulation Roadcom”,
Institut für Hochfrequenztechnik und Elektronik, 2005
[14] WIESBECK, W.; WALDSCHMIDT, C.; KUHNERT, C.: “MIMO Introduction”
[15] IEEE P802.11pTM/D5.0: Draft Standard for Information Technology —
Telecommunications and information exchange between systems — Local and
metropolitan area networks — Specific requirements, 2008
[16] BAKER, B.; COPSTON E. T.; American Mathematical Society: “The
Mathematical Theory of Huygens Principle”, AMS Bookstore, 2003
[17] LIMA, G.; AQUINO, F.; MACHADO, R.; UCHOA FILHO, B.; DE NORONHA
NETO, M.; SOUZA, R.; MENDES L.: “Projeto MI-SBTVD: STC-OFDM e Estimação
de Canal”, Revista Científica Periódica – Telecomunicações, Vol. 9, 2006
43
ANEXO A
FIGURA 10.1: SNR PELA DISTÂNCIA DE UM SISTEMA MIMO COM A ALTURA DAS ANTENAS
IGUAL A 30 CM
SNR – Combinação de Máxima Proporção
Distância em Relação a Antena Transmissora em m
FIGURA 10.2: SNR PELA DISTÂNCIA DE UM SISTEMA MIMO COM A ALTURA DAS ANTENAS
IGUAL A 60 CM
44
SNR – Combinação de Máxima Proporção
Distância em Relação a Antena Transmissora em m
FIGURA 10.3: SNR PELA DISTÂNCIA DE UM SISTEMA MIMO COM A ALTURA DAS ANTENAS
IGUAL A 90 CM
SNR – Combinação de Máxima Proporção
Distância em Relação a Antena Transmissora em m
FIGURA 10.4: SNR PELA DISTÂNCIA DE UM SISTEMA MIMO COM A ALTURA DAS ANTENAS
IGUAL A 120 CM
45
SNR – Combinação de Máxima Proporção
Distância em Relação a Antena Transmissora em m
FIGURA 10.5: SNR PELA DISTÂNCIA DE UM SISTEMA MIMO COM A ALTURA DAS ANTENAS
IGUAL A 150 CM
46
ANEXO B
Potência calculada através da soma coerente de todas as ondas recebidas
para uma distância de 5 a 105 m entre a antena transmissora e a antena receptora
FIGURA 10.6: ALTURA DAS ANTENAS IGUAL A 30 CM
FIGURA 10.7: ALTURA DAS ANTENAS IGUAL A 60 CM
FIGURA 10.8: ALTURA DAS ANTENAS IGUAL A 90 CM
47
FIGURA 10.9: ALTURA DAS ANTENAS IGUAL A 120 CM
FIGURA 10.10: ALTURA DAS ANTENAS IGUAL A 150 CM
Potência calculada através da soma coerente de todas as ondas recebidas
para uma distância de 105 a 205 m entre a antena transmissora e a antena
receptora
FIGURA 10.11: ALTURA DAS ANTENAS IGUAL A 30 CM
FIGURA 10.12: ALTURA DAS ANTENAS IGUAL A 60 CM
48
FIGURA 10.13: ALTURA DAS ANTENAS IGUAL A 90 CM
FIGURA 10.14: ALTURA DAS ANTENAS IGUAL A 120 CM
FIGURA 10.15: ALTURA DAS ANTENAS IGUAL A 150 CM