Sobre repetidores
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Este artigo tem o crédito do autor e fonte citado ao final do texto.
ISOLAÇÃO ENTRE ANTENAS
Um parâmetro é de particular importância para o correto funcionamento de um repetidor celular: a isolação. Os sinais transmitidos pela antena de assinantes podem ser captados indevidamente pela antena doadora. Reciprocamente, os sinais transmitidos pela antena doadora podem ser captados indevidamente pela antena de assinantes.
Como o repetidor não realiza translação de freqüências, a banda é a mesma entre as duas antenas, favorecendo uma reabsorção do sinal pelo sistema. Esta reabsorção, ou "vazamento", favorece um processo de realimentação positiva devido à coincidência de freqüências, acarretando problemas com a estabilidade do repetidor.
Na condição de pré-oscilação, abaixo da margem de oscilação (singing margin) do sistema, as instabilidades daí decorrentes podem levar a problemas como distorção por intermodulação e distorção inaceitável na banda de passagem, baixando a qualidade do serviço. Ao ser atingida a margem, o sistema começa a funcionar como um oscilador, levando o repetidor a sair completamente fora de serviço. Esta oscilação pode se propagar para a célula toda, produzindo efeitos danosos.
Para que não ocorra a realimentação, os parâmetros pertinentes às antenas são de fundamental importância. A isolação entre antenas, neste caso, reflete em termos gerais a quantidade de energia irradiada e reabsorvida pelo sistema. A indução de sinais de qualquer uma delas para a outra deve ser a mínima possível, ou seja, é necessária uma alta isolação.
O ideal é que não houvesse qualquer indução de uma antena para outra (isolação infinita), porém esta é uma condição utópica. Na prática, a observância de algumas técnicas de projeto e de instalação pode levar a valores de transferência muito reduzidos, garantindo a estabilidade do repetidor e a conseqüente manutenção da qualidade do serviço. O que se necessita, na verdade, é que sejam definidos alguns parâmetros exeqüíveis que garantam esta estabilidade.
Em termos práticos, sistemas com repetidores podem oscilar quando a diferença entre a isolação e o ganho for menor que 15 dB. Em outras palavras, a isolação antena-a-antena no mesmo repetidor, para garantir uma operação segura, deve ser igual ou superior a 15 dB mais o ganho do repetidor. Por exemplo, um sistema com 95 dB de isolação pode admitir um ganho de até 80 dB (95 - 15 = 80).
As técnicas utilizadas para garantir uma boa isolação estão vinculadas diretamente com as especificações relacionadas com as antenas, como por exemplo a escolha de uma antena doadora com características fortemente direcionais e a(s) antena(s) de assinantes também direcionais. É desejável que haja uma maior separação de altura possível entre a antena doadora e a(s) restante(s), bem como é também importante o alinhamento relativo e o uso de diferentes polarizações entre elas. No entanto, outras medidas podem ser adotadas, como verificar a existência de prováveis reflexões na região e colocação de blindagens entre os dois sistemas irradiantes.
As instalações indoor facilitam a obtenção de altos valores de isolação devido à atenuação natural das áreas construídas (justamente o fator motivador deste tipo de instalação).
Medição da isolação
O procedimento para a medição da isolação em um repetidor instalado consiste, de forma simplificada, na injeção de um sinal dentro da banda operacional prevista na porta de uma das antenas (preferencialmente a doadora) e medir este mesmo sinal na porta da outra antena (preferencialmente a de assinantes).
No entanto, a inversão de antenas no teste não deve, a princípio, causar diferenças no valor medido. Para as medições é preferível usar um analisador de espectro, podendo também ser utilizado um Pilot Scanner. O analisador de espectro deve estar configurado para uma RBW (resolução da largura de banda) de 30 kHz e fazer varredura dentro da banda considerada para o teste. O sinal gerado pode vir de um gerador de RF ou do próprio analisador de espectro, se este estiver equipado com gerador.
A freqüência de teste deve ser escolhida com cuidado, pois não deve provocar interferências com a rede existente ou com algum outro provedor de telefonia celular próximo. O nível gerado pode ser de 0 dBm em onda contínua (CW), visando facilitar os cálculos. Dependendo do nível de ruído presente na medição, pode ser usado em nível de +10 dBm no gerador.
As atenuações inerentes aos cabos de medição devem ser conhecidas e descontadas do cálculo final. O uso do analisador de espectro garante que o valor medido será conhecido em uma única operação para todas as freqüências da banda. Caso não se conte com um analisador de espectro, será necessário medir com um medidor de nível convencional, repetindo o teste para as diversas freqüências da banda de operação prevista e anotando passo-a-passo os valores obtidos.
O valor da isolação da planta instalada é o medido no pior caso (na pior freqüência), sendo obtido de forma simplificada pela fórmula:
|Isolação| = PTX - |L CT | + |P m|
Onde:
PTX = potência transmitida (0 dBm);
L CT= perdas nos cabos de teste;
P m= potência medida.
É importante considerar que deve-se confiar nas medições realizadas em campo, e não nos dados estimados em projeto.
REPETIDORES CELULAR
Os Repetidores Bidirecionais Celular são utilizados para iluminar e/ou estabilizar o sinal das operadoras com tecnologias GSM, CDMA, TDMA GPRS, EDGE, 1xRTT, EVDO e 3G, dentro da sua faixa de frequência.Possuem excelente performance de cobertura em áreas indoor e/ou outdoor como condomínios, galpões,escritórios, apartamentos,garagens,restaurantes,embarcações,etc.
Modelos indoor não necessitam de licenças, mensalidade ou taxas e possibilitam que vários telefones,modems,interfaces celulares,sejam utilizados simultaneamente dentro da área de cobertura.Por serem de fácil instalação e possuírem um tamanho compacto,os repetidores celular são muito utilizados para coberturas emergenciais como eventos como feiras de exposições,coberturas esportivas, comícios políticos,simpósios médicos,etc.
Devido à possibilidade de instalação dos repetidores em série com outros repetidores,ou em "cascata", pode-se obter uma ampla cobertura.
Áreas com grandes dimensões como condomínios,fazendas, pequenos vilarejos, grandes indústrias, etc, requerem projeto detalhado, mediante estudo de viabilidade técnica (EVT) efetuados por técnicos especializados e uso de repetidores de maior ganho e potência implicando no possível licenciamento da estação o que é permitido apenas para operadoras que detém o uso da frequencia/banda.
A área de cobertura dos repetidores é determinada por vários fatores,por exemplo:
Nível do sinal da operadora, no ponto de instalação da antena externa (coletora), modelo,distância,isolamento, ganho e quantidade das antenas servidoras empregadas, tipo, diâmetro e comprimento do cabo coaxial, ganho/potência
do repetidor, configuração dos ambientes e materiais de construção (no caso de cobertura interna),relevo, edificações e matas em cobertura externa,etc.
É necessário que exista um sinal mínimo, no local ou na região, para que possa ser captado por uma antena direcional ou parábola e amplificado pelo repetidor.Quanto maior o nível de sinal , melhor o rendimento do equipamento.
3.1. Introdução
O objetivo da inclusão de um elemento ativo na interface aérea é, basicamente, aumentar a área efetiva de cobertura de uma BTS. Existem diversas situações nas quais a utilização do repetidor é interessante, especialmente sob o ponto de vista de redução de custos e rapidez na implantação. O repetidor, devido à sua versatilidade, pode ser incluído em diversos momentos da implantação da rede, desde etapas iniciais na substituição de BTS até em fases mais avançadas de expansão, visando à redução das áreas de sombra existentes.
Como será visto, a escolha do tipo de repetidor a ser utilizado depende muito das características topográficas, morfológicas e sistêmicas (tipo de cobertura desejada), pois existem diferentes graus de penalidades associadas à inclusão do repetidor no sistema. Para cada situação existe um tipo de repetidor com características que irão melhor atender as necessidades do projeto.
A arquitetura do enlace com repetidor é simples, como ilustrado na Figura 3.1-1 - Esquema básico de um sistema com repetidor.
No enlace direto o repetidor capta o sinal de uma BTS doadora, o amplifica e retransmite para a nova área de serviço provendo cobertura. No enlace reverso o repetidor capta o sinal da unidade do usuário e o retransmite amplificado para a BTS. Entretanto ocorrem neste processo, diversos efeitos de degradação que devem ser levados em consideração para que a operação do repetidor ocorra de forma satisfatória, afetando o mínimo possível na qualidade da rede.
Em geral os repetidores, permitem uma supervisão remota utilizando-se modem. Neste sentido, pode-se fazer monitoramento de alarmes e até gerência do sistema, onde alguns parâmetros podem ser alterados remotamente. Alguns repetidores possibilitam ainda a obtenção de estatística de tráfego cursado através dele. Esta possibilidade é vital para que a percepção de falhas no equipamento seja feita pela operadora e não oriunda de reclamações de clientes.
A opção pela implantação ou não do repetidor depende, em linhas gerais, de duas considerações [REF 2]:
1. A região de interesse possui BTS com folga de tráfego?
O tráfego cursado nas possíveis BTS doadoras (ou se for o caso, de um projeto inicial, o tráfego esperado nas candidatas a BTS doadora) deve ser inferior ao tráfego máximo suportado, pois o repetidor possibilita um aumento na área de cobertura sem, contudo, aumentar a capacidade de tráfego. Caso a BTS doadora esteja operando próximo do seu limite de capacidade o aumento na cobertura, irá gerar um tráfego adicional que não poderá ser suportado, acarretando num aumento no bloqueio das chamadas.
2. Os prazos de implantação são críticos?
Como o repetidor não necessita de integração à rede de transmissão, sua infra-estrutura requerida é simplificada, reduzindo assim o tempo de implantação do equipamento.
3.2. Características de Repetidores
Os repetidores atualmente utilizados nos sistemas celulares constituem-se, basicamente, de um amplificador bi-direcional com filtros para evitar recepção e transmissão de espúrios.
Os equipamentos são em geral classificados com relação a dois quesitos [REF 2]: tipo de filtragem e tipo de transmissão.
Com relação ao tipo de filtragem tem-se:
1. Repetidores de banda larga (Broadband)
2. Repetidores seletivos em banda (Band Selective)
3. Repetidores seletivos em canal (Channel Selective)
Com relação ao tipo de transmissão tem-se:
1. Repetidores na freqüência de transmissão (On Frequency Repeater)
2. Repetidores com deslocamento de freqüência (Frequency Shifting Repeater)
3. Repetidores com alimentação por fibra óptica (Fiber Optic Repeater)
Devido às características distintas, cada tipo de repetidor possui desempenho diferente com relação à degradação causada na rede. A seguir serão apresentados, para cada tipo de repetidor, suas principais características, limitações e situações onde são comumente utilizados.
3.2.1. Classificação quanto à filtragem
3.2.1.1. Repetidor de faixa larga
Este repetidor, de mais baixo custo, tem como característica amplificar toda a faixa de freqüência de operação do sistema celular. Isto faz com que canais não pertencentes a BTS doadora sejam amplificados (incluindo canais de outras operadoras), aumentando consideravelmente o nível de interferência na região em torno do repetidor. Outro problema apresentado por este tipo de repetidor é o baixo ganho por canal e a maior probabilidade do amplificador ser saturado, devido aos diversos sinais de entrada.
Por estes dois motivos sua instalação deve ser feita preferencialmente em ambientes nos quais a isolação de outras fontes de sinais além da BTS doadora seja grande, evitando uma maior degradação do sistema. Este tipo de repetidor pode ser implantado em projetos externos (outdoor) em áreas isoladas, longe da influência de muitas BTS, ou em ambientes internos (indoor).
3.2.1.2. Repetidores Seletivos em Banda
Este repetidor possui características semelhantes ao de larga faixa, apresentando basicamente os mesmos problemas citados no item anterior, contudo permitem amplificar apenas a banda de uma operadora, evitando assim a degradação de desempenho do sistema de outras empresas. É utilizado em áreas urbanas com um planejamento cuidadoso para evitar a captação de sinais indesejados, e em projetos para ambientes interiores.
3.2.1.3. Repetidores Seletivos em Canal
Neste tipo de repetidor somente são recebidos e amplificados os canais da BTS doadora. Este repetidor garante melhor desempenho, pois pelo fato de não haver amplificação de canais indesejados, há uma redução na degradação do sistema. Em geral cada canal possui um PA (power amplifier) individual, fornecendo um grande ganho de amplificação por canal. No caso da utilização em um sistema com salto em freqüência (frequency hopping), o conjunto de canais a ser amplificado deve conter todos os canais utilizados pela seqüência.
Em contra-partida ao melhor desempenho, este tipo de repetidor é mais caro que os demais tendo custo próximo ao de uma BTS completa. Sua utilização depende da análise da a relação custo benefício para a determinação da melhor solução.
3.2.2. Classificação quanto à transmissão
3.2.2.1. Repetidores de mesma faixa
Este repetidor pode utilizar qualquer um dos três processos de filtragem já descritos.
Nesta classe de repetidores, a interface aérea entre a BTS e o repetidor trabalha na mesma freqüência de operação da interface repetidor-móvel. O sinal irradiado pela BTS para os terminais de usuário é captado por uma antena denominada de coletora, filtrado, amplificado e retransmitido pela antena servidora do repetidor, que irá atender a área de interesse. No sentido do enlace reverso o sinal proveniente do terminal móvel é captado pela antena servidora, amplificado e transmitido pela antena coletora para a BTS. Os ganhos introduzidos pelo repetidor nos enlaces direto e reverso podem ser configurados independentemente.
A utilização de uma mesma freqüência de operação nas duas interfaces aéreas cria um delicado problema de isolação entre as antenas coletora e servidora do repetidor. A possibilidade de acoplamento entre as duas antenas limita o ganho máximo utilizável tornando a obtenção de boas condições de isolação entre as antenas, de fundamental importância. Níveis adequados de isolação são conseguidos através da escolha apropriada das antenas (lóbulos laterais e traseiros reduzidos) e de uma montagem eficiente. Em geral, este tipo de repetidor é utilizado também locais com boa isolação natural ou em coberturas de ambientes interiores.
3.2.2.2. Repetidores de faixa deslocada
Este tipo de repetidor só é disponível com filtragem de canal seletivo e consiste em duas unidades: Unidade BTS e Unidade Remota.
A Unidade BTS fica fisicamente colocada na BTS doadora, podendo ser conectado diretamente à mesma utilizando-se acopladores direcionais. A função desta unidade é transladar as freqüências das portadoras da BTS doadoras para que a transmissão para o repetidor ocorra em uma freqüência diferente da utilizada pela BTS e pelo móvel.
A Unidade Remota desempenha a função de repetidor propriamente dita. A antena coletora recebe o sinal de freqüência f2 transladando-o novamente para a freqüência inicial f1. O sinal é amplificado e enviado para a antena servidora, que proverá a cobertura da área de interesse. O processo análogo ocorre no reverso, de modo a manter a interface aérea entre a BTS-repetidor trabalhando em uma freqüência diferente da utilizada pelo terminal móvel. A operação em freqüências diferentes permite ganhos elevados no repetidor por reduzir o problema da isolação.
Alguns cuidados devem ser tomados para que a utilização do repetidor com desvio de freqüência tenham desempenho satisfatório:
1. Deve-se evitar que algum móvel utilize as freqüências f2 que estão sendo transmitidas entre a Unidade BTS e a Unidade Remota, pois isto pode causar um grande aumento na interferência de uplink. Para isto utilizam-se antenas muito diretivas na Unidade BTS e na antena coletora da Unidade Remota. Também nesta interface, os canais de controle possuem estruturas invertidas [REF 2] para que o móvel não tenha condições de captar e decodificar o BCCH [apêndice].
2. Para que o isolamento entre as antenas receptora e servidora seja desprezível, as freqüências f1 e f2 devem ser separadas de uma distância de pelo menos 4 canais [REF 2] (800 KHz para o sistema GSM). Neste sentido, a escolha da freqüência f2 deve ser cuidadosa para que não ocorra nenhuma degradação em BTS vizinhas, que poderão estar utilizando f2 como um canal de voz ou até mesmo de controle. A utilização de antenas diretivas também reduz os problemas desta natureza.
3. O sistema de desvio de freqüência necessita de sincronização, podendo ser utilizado o sinal GPS para garantir o sincronismo desta operação.
Pelo fato de permitir altos ganhos e de ser canal seletivo, este repetidor é o mais recomendado para aplicações outdoor, onde critérios de degradação e isolação são críticos. Por outro lado seu custo é bastante elevado A figura abaixo mostra, de forma esquemática, este tipo de repetidor.
3.2.2.3. Repetidores Ópticos
Os repetidores ópticos possuem uma interface de transmissão óptica entre a BTS e a estação remota. Este tipo de equipamento também possui duas unidades: a Unidade Central (master) e a Unidade Remota (remote), que irá cobrir a área desejada. Esse tipo de repetidor pode ser utilizado com qualquer tipo de filtragem, sendo os mais comuns repetidores de banda seletiva.
A Unidade Central é responsável por converter o sinal proveniente da BTS doadora em sinal óptico, que será transmitido até a unidade remota (repetidora).
O mesmo ocorre no enlace reverso (uplink), onde sinais provenientes do repetidor são transformados em sinais ópticos para serem enviados para a BTS doadora.
As vantagens deste tipo de repetidor são claras: as perdas na transmissão para o repetidor são baixíssimas, permitindo que várias estações repetidoras (a estação central permite ligação com mais de uma remota) sejam colocadas a distâncias razoáveis da BTS doadora. Pelo fato de um dos enlaces ser óptico, a maioria das penalidades acarretadas pelo uso do repetidor é reduzida.
O maior utilização deste tipo de repetidor é na cobertura de ambientes indoor, pois as estações remotas podem ser espalhadas pelo ambiente sem que haja muita perda nos enlaces. A utilização destes repetidores em ambientes externos é, em geral, economicamente e operacionalmente complicada, pois há a necessidade da passagem de fibra pela rua, o que onera o projeto e aumenta o seu tempo de implantação.
3.3. Isolação entre antenas do repetidor
Quando duas antenas são colocadas muito próximas uma da outra, ocorre um fenômeno denominado acoplamento entre as antenas, onde ambas "passam a trabalhar" em conjunto, tendo seus diagramas individuais alterados devido ao acoplamento formando então um novo diagrama.
Embora este efeito seja muito útil na construção de conjuntos de antenas em diversas aplicações, quando as antenas que trabalham com finalidades diferentes são colocadas próximas, o efeito pode ser negativo destacando-se a alteração indesejada nos diagramas de radiação, interferência alta e, no caso de repetidores, uma realimentação que causa séria degradação do desempenho do sistema. Este problema é mais grave quando as antenas trabalham na mesma freqüência. No caso de repetidores deslocados em freqüência (shift frequency repeaters), o problema é amenizado. A figura abaixo ilustra o problema da realimentação.
Caso o sinal proveniente da antena servidora chegue à antena coletora (que capta sinal proveniente da BTS doadora) com intensidade próxima ao sinal recebido pela própria coletora, pode ocorrer a auto-oscilação do repetidor. Para garantir que a realimentação não degrade o desempenho do sistema, o repetidor deve ser montado de modo a se obter uma isolação mínima entre a antena servidora e a coletora. Para assegurar um bom desempenho, o valor desta isolação deve ser igual ao ganho do repetidor mais uma margem entre 5-15 dB [REF 2].
3.4. Efeitos de Saturação do Amplificador
Todo amplificador possui uma faixa dinâmica limitada em que sua resposta é linear. A operação na região não linear provoca conversão AM/PM [REF 5] no caso de uma portadora e intermodulação no caso de mais de uma portadora.
Serão descritos a seguir os efeitos de saturação do amplificador para cada tipo de repetidor.
3.4.1. Repetidores de Banda Larga/Banda Seletiva:
Nestes tipos de repetidor, os sinais de diversos canais em conjunto com os canais da BTS doadora, causam dois importantes efeitos na qualidade do sinal amplificado:
Operação na região não linear do amplificador
Redução na amplificação por canal.
3.4.1.1. Efeitos no enlace direto
Dado um número de portadoras da BTS doadora, o amplificador do repetidor possui uma potência máxima de entrada que garante sua operação na região linear. Contudo, os sinais externos recebidos pelo repetidor, podem levá-lo a operar em sua região não linear acarretando distorções do sinal e degradações de desempenho da rede, em especial se este repetidor tiver montagem externa.
Pelo fato do amplificador ser de banda larga a probabilidade da recepção de sinais externos além dos da BTS doadora, aumenta significativamente tornando-os pouco eficientes em regiões densamente ocupadas por BTS.
Como o amplificador recebe N canais simultaneamente, o ganho máximo por canal (1) é função do número de canais ativos. Em geral na região linear podemos aproximar o ganho por canal do repetidor pela expressão:
eq. 3.4.1.1-1
No caso do repetidor se encontrar em um ambiente onde haja elementos interferentes (canais não pertencentes a BTS doadora chegando ao repetidor), a potência de saída por canal do amplificador do repetidor é reduzida [REF 3], sendo dada por
eq. 3.4.1.1-2
onde:
(C/I) --> É a relação sinal ruído na entrada do repetidor, quanto maior for esta relação menor será a potência de saída do repetidor. Na falta de um valor calculado, utiliza-se o valor mínimo padrão especificado para tecnologia.
I3 --> Ponto de interceptação de terceira ordem do amplificador em dBm
N --> Número de canais da BTS doadora.
O ganho por canal decresce rapidamente em função do número de portadoras ativas e elementos interferentes.
3.4.1.2. Efeitos no canal reverso
Basicamente o uplink apresenta os mesmos problemas enfrentados pelo downlink. Contudo este enlace possui uma maior complexidade, pois suas fontes irradiantes (terminais) estão em constante movimento. Terminais muito próximos podem levar a saturação do amplificador e/ou a redução do ganho de outros terminais. Este efeito é conhecido como near-far effect. Existem alguns métodos para se evitar estes problemas:
· Utilização de um limitador de sinal: essa solução é utilizada apenas nos repetidores de canal seletivo [REF 2] que utilizam um amplificador comum para todos os canais.
· Uso de antenas servidoras com diagramas horizontais estreitos: estes diagramas reduzem a probabilidade de que um usuário próximo esteja sendo servido pelo lóbulo principal da antena.
3.4.2. Repetidores Canal Seletivo
Existem dois tipos básicos destes repetidores: no primeiro cada canal possui seu próprio amplificador enquanto que no segundo caso existe apenas a separada filtragem dos canais, porém sua amplificação é realizada por um mesmo amplificador.
· Amplificadores separados - A amplificação separada em conjunto com a filtragem por canal, melhora em muito o desempenho do repetidor. Tanto a redução do nível de potência de saída por canal quanto a ocorrência da saturação do seu amplificador, só ocorrem em função dos possíveis sinais co-canais que estejam chegando ao repetidor, reduzindo significativamente estes efeitos;
· Amplificador único - Neste tipo de amplificação o único efeito reduzido é o dos sinais externos à BTS doadora. Contudo, como a amplificação é compartilhada, a redução da potência de saída por canal ainda existe.
3.5. Parâmetros típicos de repetidores
O ganho máximo de repetidores é limitado pela necessidade de isolação entre as antenas. Para repetidores de mesma freqüência é necessária uma isolação mínima de aproximadamente 15 dB acima do ganho [REF 2,3]. Como em montagens reais dificilmente se obtêm isolações superiores a 100 dB, estes repetidores tanto de banda seletiva como de canal seletivo, apresentam tipicamente ganho máximo de 85 dB. Já repetidores com deslocamento em freqüência, podem operar com ganhos da ordem de 100 dB [REF 2].
4.1. Isolação entre as antenas
4.1.1. Cálculo da isolação
Os cálculos realizados nesta ses são são aplicáveis a repetidores que não deslocam a freqüência, ou seja, tanto a antena coletora quanto a servidora operam na mesma freqüência. No caso e repetidores com deslocamento em freqüência, é razoável desprezar o efeito de realimentação.
Para o cálculo da isolação deve-se calcular, primeiramente, o sinal de realimentação do repetidor. Este é cálculo é realizado com base nas características de montagem, antenas, cabos e ganho do repetidor. A equação abaixo [REF 3,4] mostra o nível de sinal de realimentação:
Utilizando a expressão da perda de espaço livre
onde:
--> Ganho de transmissão da antena servidora na direção da antena coletora
SD --> Sinal Direto proveniente da BTS doadora
GR1max --> Ganho máximo da antena coletora.
->Ganho de recepção da antena coletora na direção da antena servidora
L0 --> Perda por espaço livre
L1, L2 --> Perda nos cabos
PRsre --> Potência do sinal de realimentação, o qual interage com o sinal vindo da BTS doadora.
Deseja-se que o nível deste sinal esteja abaixo do sinal proveniente da BTS doadora (sinal direto) por uma determinada margem de segurança (M).
Tem-se então que:
onde:
M --> Margem de segurança, aproximadamente 15 dB [REF 2];
PRSd --> Potência recebida do sinal direto
PRSre --> Potência recebida do sinal realimentado.
G1Rmax --> Ganho máximo da antena coletora
Ganho de transmissão da antena servidora na direção da antena coletora
Ganho de recepção da antena coletora na direção da antena servidora.
Definindo-se a isolação como:
tem-se
A= I - M
Onde:
A --> Ganho do Repetidor
I --> Isolação entre antenas
M -- > Margem de segurança entre o sinal direto e o realimentado.
As equações acima mostram que a amplificação máxima permitida no repetidor está ligada diretamente com a isolação atingida entre as antenas. Esta isolação mede, basicamente, as perdas na transmissão do sinal da antena servidora que para a antena coletora, sinal este que provoca o fenômeno da realimentação.
A montagem adequada do repetidor, em conjunto com a escolha adequada das antenas, é que irão garantir um bom nível de isolação, permitindo a utilização de ganhos elevados pelo repetidor.
4.1.2. Fatores adicionais de isolação
Existem certas circunstâncias onde a montagem do repetidor não provê uma isolação adequada. Para a obtenção do aumento desta isolação podem-se utilizar telas metálicas vazadas (com aberturas inferiores a l/10), que causarão um efeito de blindagem aumentando a isolação. É utilizada uma tela com esta abertura, pois esta terá aproximadamente o mesmo desempenho de uma placa de contínua. Neste caso a isolação é dada por:
O cálculo da blindagem provida pela placa metálica não é simples, e seu efeito depende das dimensões e do posicionamento da blindagem com relação à antena. Em geral a sua contribuição no aumento do isolamento, é levantada através de medições diretas em campo (ver item 5.3.8).
Na prática, a utilização de blindagem gera uma isolação adicional entre 10-15 dB [REF 11]. Pode-se colocar blindagem em uma das antenas, ou em ambas.
Em aplicações indoor, a isolação é aumentada pela perda de penetração, que varia de acordo com o tipo de construção. A perda de penetração típica fica em torno de 18-20 dB. Neste caso, a isolação total é dada por:
Na prática, em projetos indoor os problemas de isolação não acarretam redução de desempenho do repetidor.
4.1.3. Considerações adicionais sobre a isolação
Os cálculos efetuados nas sessões anteriores possuem limitações e cuidados para seus valores, sejam coerentes com os medidos em campo.
No cálculo da isolação, mesmo em campo distante, recomenda-se utilizar as envoltórias dos diagramas (cálculo pessimista), pois os valores fornecidos para os nulos dos diagramas são discutíveis, dado que sua existência parte do pressuposto que a antena não teve nenhum desvio na fabricação.
Para a obtenção de uma isolação adequada, a escolha das antenas do repetidor é muito importante. Para a antena coletora, deve-se utilizar algum modelo que tenha alto ganho, alta relação frente costas e pequenos lóbulos laterais. Para a antena servidora, devido à sua funcionalidade, deve-se escolher antenas com melhor relação frente costa possível. Em geral, antenas de painéis possuem esta característica.
4.2. Aumento da Interferência co-canal
A interferência co-canal é um efeito inerente dos sistemas celulares, que operam com base no reuso de freqüência.
A degradação causada por esta interferência é o principal fator limitante do aumento de capacidade destes sistemas. O controle adequado dos níveis de interferência é essencial para a obtenção de um sistema de alta capacidade, caracterizado pela utilização de um baixo fator de reuso.
Nestes sistemas qualquer aumento da interferência, pode levar a sérias limitações de desempenho. Por isso, a implantação de repetidores deve ser analisada cuidadosamente tendo-se em mente o impacto que este causará na degradação da relação C/I.
Os repetidores causam aumento de interferência tanto nos enlaces diretos (donwlink) quanto nos enlaces reversos (uplink). Contudo, é no enlace reverso que podem aparecer as piores degradações, devido à diretividade da antena coletora do repetidor [REF 2].
O aumento da interferência no sistema está diretamente ligado ao tipo de repetidor e a sua aplicação. Tipicamente repetidores de uso interno (indoor), pelo fato de possuírem um isolador natural, possuem níveis de degradação no enlace direto mais controlado, geralmente desconsiderados em projetos. Repetidores de uso externo (outdoor), são bem mais sensíveis à interferência.
A seguir será analisado o impacto no aumento de interferências pelo uso de repetidores externos (outdoor), para cada tipo de repetidor e sua aplicação.
4.2.1. Repetidores de Banda Larga (broadband repeaters)
Este tipo de repetidor é, em todos os sentidos o que apresenta pior desempenho. Como equipamento amplifica toda a banda A e B são gerados dois problemas:
1. A amplificação dos sinais da rede concorrente pode provocar problemas graves para a outra operadora, pois a princípio nada se conhece sobre o seu planejamento de freqüências. Os níveis de interferência gerados podem causar quedas de chamadas em uma vasta área em torno do repetidor.
2. Este repetidor também amplifica toda a banda de operação da operadora que estiver utilizando este equipamento. Com isso além de amplificar os canais provenientes da coletora, recebe possíveis sinais interferentes de outras BTS que chegam fracos, amplificando-os e retransmitindo-os, causando aumentos no nível de interferência de downlink. A gravidade da degradação é análoga no enlace direto (uplink).
4.2.1.1. Cálculo da interferência no enlace direto (downlink)
O repetidor recebe M sinais interferentes, amplificando-os e re-emitindo para a área de interesse de cobertura. Neste processo há claramente uma penalidade nas relações C/I em torno do repetidor. A figura abaixo ilustra o impacto deste tipo de repetidor nos níveis de interferência.
Pelo fato deste repetidor possuir um amplificador de banda larga, qualquer sinal que nele chega é amplificado e transmitido. Neste caso qualquer BTS passa a ter duas fontes de interferência, uma direta e outra realimentada pelo repetidor, independentemente destas serem co-canais ou não a BTS coletora.
Metodologia de cálculo:
Para cada ponto do cenário, identifica-se qual a BTS é a melhor servidora (caracterizado pelo maior nível de sinal no ponto). Calcula-se então, para este ponto específico, a interferência proveniente das BTS co-canais à melhor servidora (IBTS) e, em seguida, calcula-se a interferência proveniente do repetidor (IRep). A interferência total será a soma de ambas interferências como é mostrado abaixo:
Para a determinação de IBTS calcula-se a soma da contribuição de interferência de cada BTS co-canal a melhor servidora do ponto em questão.
O cálculo do nível de interferência proveniente da k-ésima BTS co-canal é realizado segundo a equação abaixo:
onde:
IK --> Interferência da k-ésima BTS co-canal
PTBTSk --> Potência de transmissão da k-ésima BTS co-canal
GTxK --> Ganho da k-ésima BTS co-canal na direção do ponto onde está sendo calculada a interferência.
LcaboK? Perda no cabo da k-ésima BTS co-canal
LadicionalK --> Perdas adicionais da k-ésima BTS co-canal (splitters, acopladores, etc...)
LpropagaçãoK --> Perda de propagação do sinal da k-ésima BTS co-canal até o ponto em questão.
Para o cálculo de IRep deve-se calcular a potência com que cada BTS co-canal chega ao repetidor. A partir desse valor determina-se a potência de saída do sinal interferente do repetidor e o valor de interferência no ponto em questão.
O nível de sinal interferente que chega ao repetidor é calculado segundo a equação abaixo:
onde:
RSSLK --> nível de sinal da k-ésima BTS co-canal na entrada da antena coletora do repetidor
PTBTSk --> Potência de transmissão da k-ésima BTS co-canal
GTxK --> Ganho da k-ésima BTS co-canal na direção da antena coletora do repetidor
Lkcabos --> Perda nos cabos da k-ésima BTS co-canal
Lkadicional --> Perdas adicionais da k-ésima BTS co-canal (splitters, acopladores, etc...)
Lkpropagação --> Perda de propagação do sinal da k-ésima BTS co-canal o repetidor
A equação abaixo determina, para cada BTS co-canal o nível de saída do seu respectivo sinal do repetidor:
onde:
PTk --> potência de transmissão da k-ésima BTS co-canal na saída do repetidor
RSSLK --> nível de sinal da k-ésima BTS co-canal na entrada da antena coletora do repetidor
Gcoletora --> Ganho da antena coletora na direção da k-ésima BTS co-canal
Grep --> Ganho do repetidor
Lcabos --> Perda nos cabos do repetidor
Ladicional --> Perdas adicionais no repetidor (splitters, acopladores, etc...)
O nível de Irep é calculado então segundo as equações abaixo:
onde:
IRepk --> valor de interferência calculada para cada BTS co-canal que tem seu sinal amplificado pelo repetidor.
PTk --> potência de transmissão da k-ésima BTS co-canal na saída do repetidor
GTxservidora --> ganho da antena servidora do repetidor na direção do ponto onde está sendo calculada a interferência.
Lpropagação --> perda de propagação do repetidor até o ponto de cálculo de interferência.
Este tipo de repetidor pode ser visualizado como uma nova BTS colocada no cenário, possuindo todos os canais de transmissão sendo transmitidos com potências distintas, em função dos cada níveis de sinal interferente na entrada do repetidor.
Em ambientes urbanos a degradação causada por este tipo de repetidor é quase proibitiva.
O repetidor de banda larga, assim como o repetidor de banda seletiva é utilizado preferencialmente em ambientes indoor.
A utilização destes repetidores em ambiente externos só é viável caso estes forem implantados em ambientes controlados (isolados), onde os níveis de interferência ficam restritos.
4.2.1.2. Interferência de Uplink:
Da mesma forma que os níveis de interferência do canal direto (downlink) é aumentada, a interferência do canal reverso (uplink) também sofre um aumento, podendo ser fortemente degradada.
Esta interferência ocorre pelo fato da antena coletora do repetidor ter a possibilidade de transmitir sinais para uma BTS co-canal à BTS doadora.
Em geral, quando este tipo de interferência ocorre é intensa, devido aos altosganhos da antena coletora dos repetidores.
No caso de repetidores em banda larga a situação ainda é mais crítica, pois como este amplifica toda a banda de operação, qualquer terminal que esteja transmitindo nas proximidades do repetidor pode ter seu sinal captado, amplificado e transmitido no canal reverso (uplink).
Sendo, assim além das bases co-canais serem degradadas, qualquer base pode ser vítima de interferência se um eventual sinal de um móvel co-canal for captado pelo repetidor. A figura abaixo mostra como o repetidor degrada a interferência de uplink.
Quando o repetidor estiver montado no topo de um prédio, a base A estará com um novo cenário de interferência de uplink. Esta base "verá" o móvel D "através" do repetidor (1) com perda de propagação aproximadamente igual à de espaço livre devido à grande probabilidade do repetidor estar em visada direta com a base co-canal.
No caso de repetidores em banda larga, o risco é aumentado drasticamente, pelo fato de que qualquer base próxima poderá ser co-canal.
O cálculo de interferência de canal direto é realizado calculando-se o nível de sinal recebido pela BTS vítima devido à transmissão de sinal de um repetidor (E).
O cálculo do nível de sinal na entrada da antena da BTS vítima é realizado segundo a equação abaixo:
onde:
RSSLIea --> nível de sinal interferente na entrada da antena BTS vítima.
PTe --> potência de transmissão do repetidor no enlace reverso (uplink)
GTxE --> ganho de transmissão da antena coletora na direção da BTS vítima.
Lpropagação --> perda de propagação do repetidor até a BTS vítima.
O cálculo do nível de potência interferente recebida é realizado segundo a equação:
onde:
Ivitima --> nível de sinal interferente na BTS vítima
RSSLIe --> nível de sinal interferente na entrada da antena BTS vítima.
PTe --> potência de transmissão do repetidor no enlace reverso (uplink)
GRBTS --> ganho de recepção da BTS vítima na direção do repetidor.
4.2.1.3. Limitações no Cálculo de Interferência do Canal Reverso
Em geral, cálculos de interferência de canal reverso não são realizados pelas ferramentas de predição, pois o problema de interferência uplink é de natureza complexa, dado que os elementos geradores de interferência (terminais móveis) transmitem e se movimentam de forma aleatória no cenário.
Isso faz com que as diversas BTS sejam afetadas de forma independe, vinculada apenas aos níveis de sinal que chegam no repetidor.
Uma análise viável de ser realizada é a da potencialidade de interferência de canal reverso.
Como em geral as antenas coletoras do repetidor são diretivas, as verificações são feitas analisando-se a existência de BTS co-canais aos móveis que transmitem para o repetidor dentro do lóbulo principal da antena coletora do repetidor.
Caso existam, o risco de interferência de canal reverso é grande, devido aos ganhos elevados desta antena (2).
A avaliação desse potencial de interferência pode ser um fator decisivo no posicionamento da antena coletora e na escolha da BTS doadora.
Deve-se procurar uma configuração que minimize o potencial de interferência no canal reverso.
Em regiões povoadas de muitas BTS nem sempre um posicionamento adequado é possível. Neste caso, deve ser utilizado um repetidor seletivo em canal.
4.2.2. Repetidores Seletivos em Banda (Band Selective Repeaters)
Estes repetidores só amplificam uma banda de operação, evitando assim transtornos com empresas concorrentes.
Contudo, pelo fato de amplificarem toda a banda de operação da operadora que o utiliza, os cálculos e comentários apresentados na seção anterior (repetidores em banda larga) se aplicam paraeste tipo repetidor.
4.2.3. Repetidores Seletivos em Canal (Channel Selective Repeaters)
O repetidor seletivo em canal, em termos de degradação por interferência, opera de uma forma muito mais eficiente.
Este equipamento só amplifica canais específicos da BTS doadora. Com isso, apenas as BTS co-canais terão o desempenho afetado.
As metodologias de cálculo são muito semelhantes às utilizadas no repetidor de banda larga.
Contudo, pelo menor número de canais amplificados (apenas os co-canais), os níveis de interferência (e a degradação causada) serão bem mais amenos.
4.4. Efeitos de multipercurso
Todo repetidor adiciona um atraso no sinal, em geral este atraso é de 0,5ms para repetidores de banda larga e de 5-7ms [REF 2] para repetidores de canal seletivo. Dependendo da situação, o terminal móvel pode receber o sinal proveniente do repetidor e da BTS doadora, os sinais chegam defasados podendo comprometer a qualidade do sinal, especialmente pelo fato das intensidades relativas em alguns casos serem muito próximas. O problema torna-se ainda mais grave caso o defasamento entre os sinais seja maior que a duração de um time slot GSM [REF 1], neste caso o sinal da BTS será tratado com uma interferência ao sinal proveniente do repetidor.
Para evitar problemas de desempenho deve-se evitar que haja sinais de multipercurso desta natureza, defasados por mais de 16ms [REF 2,3] e com menos de 9 dB de diferença de potência recebida [REF 2]. Em geral quandorepetidor cobre uma área sem nenhuma intercessão com a BTS, o problema de multipercurso é desprezível.
4.5. Cálculo de enlaces com repetidores
Nas sessões anteriores, foram vistos em detalhes, todos os aspectos que devem ser analisados com a inclusão do repetidor no enlace rádio. Veremos agora como cada elemento de cálculo descrito se encaixa no dimensionamento dos enlaces (link budget). Para o cálculo da cobertura radioelétrica apenas a dissensibilização, isolação e tipo de amplificação são relevantes, ficando a análise de interferência separada do link budget. Algumas das equações desenvolvidas serão repetidas no texto abaixo para facilitar o entendimento do procedimento passo-a-passo.
4.5.2. Cálculo do enlace direto
Para a determinação da potência de transmissão do repetidor é necessário conhecer a potência recebida pelo repetidor. Esta potência recebida (RSSL) na antena coletora do servidor é dada por:
onde:
PTBTS[dBm] = Potência de transmissão da BTS doadora na saída do rádio
Lcabo = Perda no cabo da BTS doadora
GTBTS(q,j) = Ganho de transmissão da antena da BTS doadora na direção da antena coletora
Lpropagação = Perda de propagação entre a BTS doadora e o repetidor.
A EIRP é calculada então com base no nível de sinal recebido usando a seguinte equação:
onde:
EIRP[dBm] = Potência Efetivamente Irradiada do repetidor
Gcoletora(q,j) = Ganho da antena coletora na direção da BTS doadora. Em geral está é montada de forma a possuir seu ganho máximo nessa direção.
Lcabo = Perda no cabo da antena coletora até o repetidor
AAMP = Ganho do repetidor
Lcabo = Perda no cabo do repetidor à antena servidora
Gservidora = Ganho da Antena servidora.
Tendo sido calculado o nível de potência transmitido pelo repetidor, calcula-se a degradação do limiar do terminal móvel. Para isso deverá ser calculada a relação sinal ruído do enlace BTS-Repetidor.
Com base nesse valor calcula-se então a relação (C/N)2 mínima para que o enlace Repetidor-Terminal opere. A degradação do limiar é a diferença entre a relação (C/N)crítica especificada para o terminal e (C/N)2 mínimo do enlace Repetidor-Terminal.
Onde:
A [dB] - é a relação C/N calculada para o enlace BTS-Repetidor
(C/N)crítico - É a relação sinal ruído crítica de operação do terminal móvel.
O limiar efetivo do terminal móvel é dado por:
onde:
Lmaxdown - Perda máxima do enlace direto
EIRP - Potência efetivamente radiada pelo repetidor
GTxmovel - Ganho da antena do móvel
4.5.3. Cálculo do enlace reverso (uplink)
O enlace reverso é calculado com base no limiar de recepção da BTS. O valor mínimo de nível de sinal que deve chegar ao repetidor é dado por:
onde:
PRrep - Potência mínima recebida pelo repetidor, para que a BTS doadora receba níveis de sinais dentro do seu limiar.
LimiarBTS - Limiar da BTS doadora
Margem - Margens de desvanecimento
GBTS(q,j) - Ganho da Antena da BTS doadora na direção do repetidor
LcaboBTS - Perda no cabo da BTS doadora
Lprop - Perda de propagação do enlace BTS-Repetidor, em geral este enlace opera em visada direta
Gcoletora - Ganho da antena coletora do repetidor, em geral esta está alinhada com a BTS doadora oferecendo seu ganho máximo.
Lcabo - Perda no cabo entre a antena coletora e o repetidor.
Gamp - Ganho do Amplificador do enlace reverso (uplink)
Para determinar o valor mínimo de sinal no repetidor deve-se calcular primeiramente a degradação do limiar. Esta degradação é obtida a partir da relação (C/N)1 do enlace terminal-repetidor e do valor crítico (C/N)crítico da BTS. O cálculo da relação (C/N)1 e da dissensibilização foi descrito em detalhes no item 4.3.
Com a degradação (D) calculada, determina-se então a potência mínima efetiva que deve chegar ao repetidor:
onde:
PRrepEff - Potência mínima efetiva recebida pelo repetidor
PRrep - Potência mínima do repetidor
D - Degradação do limiar
Conhecendo-se o valor da potência mínima efetiva, pode-se determinar RSL mínimo na entrada do repetidor para se garantir o desempenho do sistema:
Onde:
RSLmin - Nível mínimo de sinal na entrada da antena
PReffRep - Potência mínima recebida pelo repetidor
Gservidora - Ganho da antena servidora do repetidor
Lcabo - Perda do cabo entre antena servidora e o repetidor.
Com este valor pode-se também calcular qual a perda máxima permitida no enlace reverso entre o repetidor e o terminal:
onde:
Lmaxup - Perda máxima do enlace reverso
Ptmove - Potência transmitida pelo móvel
GTxmovel - Ganho da antena do móvel
RSLmin - Nível de sinal mínimo na entrada da antena servidora.
Pode-se ainda verificar a existência de balanceamento nos enlaces (Lmaxdown= Lmaxup). No caso de desbalanceamento devem-se ajustar os ganhos do repetidor.
Prezado leitor.
Por motivo de força maior, o processo de formatação deste trabalho foi interrompido na página 12.
Mas a "Dissertação" completa está disponível para download em:
http://www.wirelessbrasil.org/wirelessbr/colaboradores/bruno_maia/repetidores/repet_gsm_2007.pdf (2,78MB).
(30/07/2007)
Este artigo tem o crédito do autor e fonte citado ao final do texto.
ISOLAÇÃO ENTRE ANTENAS
Um parâmetro é de particular importância para o correto funcionamento de um repetidor celular: a isolação. Os sinais transmitidos pela antena de assinantes podem ser captados indevidamente pela antena doadora. Reciprocamente, os sinais transmitidos pela antena doadora podem ser captados indevidamente pela antena de assinantes.
Como o repetidor não realiza translação de freqüências, a banda é a mesma entre as duas antenas, favorecendo uma reabsorção do sinal pelo sistema. Esta reabsorção, ou "vazamento", favorece um processo de realimentação positiva devido à coincidência de freqüências, acarretando problemas com a estabilidade do repetidor.
Na condição de pré-oscilação, abaixo da margem de oscilação (singing margin) do sistema, as instabilidades daí decorrentes podem levar a problemas como distorção por intermodulação e distorção inaceitável na banda de passagem, baixando a qualidade do serviço. Ao ser atingida a margem, o sistema começa a funcionar como um oscilador, levando o repetidor a sair completamente fora de serviço. Esta oscilação pode se propagar para a célula toda, produzindo efeitos danosos.
Para que não ocorra a realimentação, os parâmetros pertinentes às antenas são de fundamental importância. A isolação entre antenas, neste caso, reflete em termos gerais a quantidade de energia irradiada e reabsorvida pelo sistema. A indução de sinais de qualquer uma delas para a outra deve ser a mínima possível, ou seja, é necessária uma alta isolação.
O ideal é que não houvesse qualquer indução de uma antena para outra (isolação infinita), porém esta é uma condição utópica. Na prática, a observância de algumas técnicas de projeto e de instalação pode levar a valores de transferência muito reduzidos, garantindo a estabilidade do repetidor e a conseqüente manutenção da qualidade do serviço. O que se necessita, na verdade, é que sejam definidos alguns parâmetros exeqüíveis que garantam esta estabilidade.
Em termos práticos, sistemas com repetidores podem oscilar quando a diferença entre a isolação e o ganho for menor que 15 dB. Em outras palavras, a isolação antena-a-antena no mesmo repetidor, para garantir uma operação segura, deve ser igual ou superior a 15 dB mais o ganho do repetidor. Por exemplo, um sistema com 95 dB de isolação pode admitir um ganho de até 80 dB (95 - 15 = 80).
As técnicas utilizadas para garantir uma boa isolação estão vinculadas diretamente com as especificações relacionadas com as antenas, como por exemplo a escolha de uma antena doadora com características fortemente direcionais e a(s) antena(s) de assinantes também direcionais. É desejável que haja uma maior separação de altura possível entre a antena doadora e a(s) restante(s), bem como é também importante o alinhamento relativo e o uso de diferentes polarizações entre elas. No entanto, outras medidas podem ser adotadas, como verificar a existência de prováveis reflexões na região e colocação de blindagens entre os dois sistemas irradiantes.
As instalações indoor facilitam a obtenção de altos valores de isolação devido à atenuação natural das áreas construídas (justamente o fator motivador deste tipo de instalação).
Medição da isolação
O procedimento para a medição da isolação em um repetidor instalado consiste, de forma simplificada, na injeção de um sinal dentro da banda operacional prevista na porta de uma das antenas (preferencialmente a doadora) e medir este mesmo sinal na porta da outra antena (preferencialmente a de assinantes).
No entanto, a inversão de antenas no teste não deve, a princípio, causar diferenças no valor medido. Para as medições é preferível usar um analisador de espectro, podendo também ser utilizado um Pilot Scanner. O analisador de espectro deve estar configurado para uma RBW (resolução da largura de banda) de 30 kHz e fazer varredura dentro da banda considerada para o teste. O sinal gerado pode vir de um gerador de RF ou do próprio analisador de espectro, se este estiver equipado com gerador.
A freqüência de teste deve ser escolhida com cuidado, pois não deve provocar interferências com a rede existente ou com algum outro provedor de telefonia celular próximo. O nível gerado pode ser de 0 dBm em onda contínua (CW), visando facilitar os cálculos. Dependendo do nível de ruído presente na medição, pode ser usado em nível de +10 dBm no gerador.
As atenuações inerentes aos cabos de medição devem ser conhecidas e descontadas do cálculo final. O uso do analisador de espectro garante que o valor medido será conhecido em uma única operação para todas as freqüências da banda. Caso não se conte com um analisador de espectro, será necessário medir com um medidor de nível convencional, repetindo o teste para as diversas freqüências da banda de operação prevista e anotando passo-a-passo os valores obtidos.
O valor da isolação da planta instalada é o medido no pior caso (na pior freqüência), sendo obtido de forma simplificada pela fórmula:
|Isolação| = PTX - |L CT | + |P m|
Onde:
PTX = potência transmitida (0 dBm);
L CT= perdas nos cabos de teste;
P m= potência medida.
É importante considerar que deve-se confiar nas medições realizadas em campo, e não nos dados estimados em projeto.
REPETIDORES CELULAR
Os Repetidores Bidirecionais Celular são utilizados para iluminar e/ou estabilizar o sinal das operadoras com tecnologias GSM, CDMA, TDMA GPRS, EDGE, 1xRTT, EVDO e 3G, dentro da sua faixa de frequência.Possuem excelente performance de cobertura em áreas indoor e/ou outdoor como condomínios, galpões,escritórios, apartamentos,garagens,restaurantes,embarcações,etc.
Modelos indoor não necessitam de licenças, mensalidade ou taxas e possibilitam que vários telefones,modems,interfaces celulares,sejam utilizados simultaneamente dentro da área de cobertura.Por serem de fácil instalação e possuírem um tamanho compacto,os repetidores celular são muito utilizados para coberturas emergenciais como eventos como feiras de exposições,coberturas esportivas, comícios políticos,simpósios médicos,etc.
Devido à possibilidade de instalação dos repetidores em série com outros repetidores,ou em "cascata", pode-se obter uma ampla cobertura.
Áreas com grandes dimensões como condomínios,fazendas, pequenos vilarejos, grandes indústrias, etc, requerem projeto detalhado, mediante estudo de viabilidade técnica (EVT) efetuados por técnicos especializados e uso de repetidores de maior ganho e potência implicando no possível licenciamento da estação o que é permitido apenas para operadoras que detém o uso da frequencia/banda.
A área de cobertura dos repetidores é determinada por vários fatores,por exemplo:
Nível do sinal da operadora, no ponto de instalação da antena externa (coletora), modelo,distância,isolamento, ganho e quantidade das antenas servidoras empregadas, tipo, diâmetro e comprimento do cabo coaxial, ganho/potência
do repetidor, configuração dos ambientes e materiais de construção (no caso de cobertura interna),relevo, edificações e matas em cobertura externa,etc.
É necessário que exista um sinal mínimo, no local ou na região, para que possa ser captado por uma antena direcional ou parábola e amplificado pelo repetidor.Quanto maior o nível de sinal , melhor o rendimento do equipamento.
3.1. Introdução
O objetivo da inclusão de um elemento ativo na interface aérea é, basicamente, aumentar a área efetiva de cobertura de uma BTS. Existem diversas situações nas quais a utilização do repetidor é interessante, especialmente sob o ponto de vista de redução de custos e rapidez na implantação. O repetidor, devido à sua versatilidade, pode ser incluído em diversos momentos da implantação da rede, desde etapas iniciais na substituição de BTS até em fases mais avançadas de expansão, visando à redução das áreas de sombra existentes.
Como será visto, a escolha do tipo de repetidor a ser utilizado depende muito das características topográficas, morfológicas e sistêmicas (tipo de cobertura desejada), pois existem diferentes graus de penalidades associadas à inclusão do repetidor no sistema. Para cada situação existe um tipo de repetidor com características que irão melhor atender as necessidades do projeto.
A arquitetura do enlace com repetidor é simples, como ilustrado na Figura 3.1-1 - Esquema básico de um sistema com repetidor.
No enlace direto o repetidor capta o sinal de uma BTS doadora, o amplifica e retransmite para a nova área de serviço provendo cobertura. No enlace reverso o repetidor capta o sinal da unidade do usuário e o retransmite amplificado para a BTS. Entretanto ocorrem neste processo, diversos efeitos de degradação que devem ser levados em consideração para que a operação do repetidor ocorra de forma satisfatória, afetando o mínimo possível na qualidade da rede.
Em geral os repetidores, permitem uma supervisão remota utilizando-se modem. Neste sentido, pode-se fazer monitoramento de alarmes e até gerência do sistema, onde alguns parâmetros podem ser alterados remotamente. Alguns repetidores possibilitam ainda a obtenção de estatística de tráfego cursado através dele. Esta possibilidade é vital para que a percepção de falhas no equipamento seja feita pela operadora e não oriunda de reclamações de clientes.
A opção pela implantação ou não do repetidor depende, em linhas gerais, de duas considerações [REF 2]:
1. A região de interesse possui BTS com folga de tráfego?
O tráfego cursado nas possíveis BTS doadoras (ou se for o caso, de um projeto inicial, o tráfego esperado nas candidatas a BTS doadora) deve ser inferior ao tráfego máximo suportado, pois o repetidor possibilita um aumento na área de cobertura sem, contudo, aumentar a capacidade de tráfego. Caso a BTS doadora esteja operando próximo do seu limite de capacidade o aumento na cobertura, irá gerar um tráfego adicional que não poderá ser suportado, acarretando num aumento no bloqueio das chamadas.
2. Os prazos de implantação são críticos?
Como o repetidor não necessita de integração à rede de transmissão, sua infra-estrutura requerida é simplificada, reduzindo assim o tempo de implantação do equipamento.
3.2. Características de Repetidores
Os repetidores atualmente utilizados nos sistemas celulares constituem-se, basicamente, de um amplificador bi-direcional com filtros para evitar recepção e transmissão de espúrios.
Os equipamentos são em geral classificados com relação a dois quesitos [REF 2]: tipo de filtragem e tipo de transmissão.
Com relação ao tipo de filtragem tem-se:
1. Repetidores de banda larga (Broadband)
2. Repetidores seletivos em banda (Band Selective)
3. Repetidores seletivos em canal (Channel Selective)
Com relação ao tipo de transmissão tem-se:
1. Repetidores na freqüência de transmissão (On Frequency Repeater)
2. Repetidores com deslocamento de freqüência (Frequency Shifting Repeater)
3. Repetidores com alimentação por fibra óptica (Fiber Optic Repeater)
Devido às características distintas, cada tipo de repetidor possui desempenho diferente com relação à degradação causada na rede. A seguir serão apresentados, para cada tipo de repetidor, suas principais características, limitações e situações onde são comumente utilizados.
3.2.1. Classificação quanto à filtragem
3.2.1.1. Repetidor de faixa larga
Este repetidor, de mais baixo custo, tem como característica amplificar toda a faixa de freqüência de operação do sistema celular. Isto faz com que canais não pertencentes a BTS doadora sejam amplificados (incluindo canais de outras operadoras), aumentando consideravelmente o nível de interferência na região em torno do repetidor. Outro problema apresentado por este tipo de repetidor é o baixo ganho por canal e a maior probabilidade do amplificador ser saturado, devido aos diversos sinais de entrada.
Por estes dois motivos sua instalação deve ser feita preferencialmente em ambientes nos quais a isolação de outras fontes de sinais além da BTS doadora seja grande, evitando uma maior degradação do sistema. Este tipo de repetidor pode ser implantado em projetos externos (outdoor) em áreas isoladas, longe da influência de muitas BTS, ou em ambientes internos (indoor).
3.2.1.2. Repetidores Seletivos em Banda
Este repetidor possui características semelhantes ao de larga faixa, apresentando basicamente os mesmos problemas citados no item anterior, contudo permitem amplificar apenas a banda de uma operadora, evitando assim a degradação de desempenho do sistema de outras empresas. É utilizado em áreas urbanas com um planejamento cuidadoso para evitar a captação de sinais indesejados, e em projetos para ambientes interiores.
3.2.1.3. Repetidores Seletivos em Canal
Neste tipo de repetidor somente são recebidos e amplificados os canais da BTS doadora. Este repetidor garante melhor desempenho, pois pelo fato de não haver amplificação de canais indesejados, há uma redução na degradação do sistema. Em geral cada canal possui um PA (power amplifier) individual, fornecendo um grande ganho de amplificação por canal. No caso da utilização em um sistema com salto em freqüência (frequency hopping), o conjunto de canais a ser amplificado deve conter todos os canais utilizados pela seqüência.
Em contra-partida ao melhor desempenho, este tipo de repetidor é mais caro que os demais tendo custo próximo ao de uma BTS completa. Sua utilização depende da análise da a relação custo benefício para a determinação da melhor solução.
3.2.2. Classificação quanto à transmissão
3.2.2.1. Repetidores de mesma faixa
Este repetidor pode utilizar qualquer um dos três processos de filtragem já descritos.
Nesta classe de repetidores, a interface aérea entre a BTS e o repetidor trabalha na mesma freqüência de operação da interface repetidor-móvel. O sinal irradiado pela BTS para os terminais de usuário é captado por uma antena denominada de coletora, filtrado, amplificado e retransmitido pela antena servidora do repetidor, que irá atender a área de interesse. No sentido do enlace reverso o sinal proveniente do terminal móvel é captado pela antena servidora, amplificado e transmitido pela antena coletora para a BTS. Os ganhos introduzidos pelo repetidor nos enlaces direto e reverso podem ser configurados independentemente.
A utilização de uma mesma freqüência de operação nas duas interfaces aéreas cria um delicado problema de isolação entre as antenas coletora e servidora do repetidor. A possibilidade de acoplamento entre as duas antenas limita o ganho máximo utilizável tornando a obtenção de boas condições de isolação entre as antenas, de fundamental importância. Níveis adequados de isolação são conseguidos através da escolha apropriada das antenas (lóbulos laterais e traseiros reduzidos) e de uma montagem eficiente. Em geral, este tipo de repetidor é utilizado também locais com boa isolação natural ou em coberturas de ambientes interiores.
3.2.2.2. Repetidores de faixa deslocada
Este tipo de repetidor só é disponível com filtragem de canal seletivo e consiste em duas unidades: Unidade BTS e Unidade Remota.
A Unidade BTS fica fisicamente colocada na BTS doadora, podendo ser conectado diretamente à mesma utilizando-se acopladores direcionais. A função desta unidade é transladar as freqüências das portadoras da BTS doadoras para que a transmissão para o repetidor ocorra em uma freqüência diferente da utilizada pela BTS e pelo móvel.
A Unidade Remota desempenha a função de repetidor propriamente dita. A antena coletora recebe o sinal de freqüência f2 transladando-o novamente para a freqüência inicial f1. O sinal é amplificado e enviado para a antena servidora, que proverá a cobertura da área de interesse. O processo análogo ocorre no reverso, de modo a manter a interface aérea entre a BTS-repetidor trabalhando em uma freqüência diferente da utilizada pelo terminal móvel. A operação em freqüências diferentes permite ganhos elevados no repetidor por reduzir o problema da isolação.
Alguns cuidados devem ser tomados para que a utilização do repetidor com desvio de freqüência tenham desempenho satisfatório:
1. Deve-se evitar que algum móvel utilize as freqüências f2 que estão sendo transmitidas entre a Unidade BTS e a Unidade Remota, pois isto pode causar um grande aumento na interferência de uplink. Para isto utilizam-se antenas muito diretivas na Unidade BTS e na antena coletora da Unidade Remota. Também nesta interface, os canais de controle possuem estruturas invertidas [REF 2] para que o móvel não tenha condições de captar e decodificar o BCCH [apêndice].
2. Para que o isolamento entre as antenas receptora e servidora seja desprezível, as freqüências f1 e f2 devem ser separadas de uma distância de pelo menos 4 canais [REF 2] (800 KHz para o sistema GSM). Neste sentido, a escolha da freqüência f2 deve ser cuidadosa para que não ocorra nenhuma degradação em BTS vizinhas, que poderão estar utilizando f2 como um canal de voz ou até mesmo de controle. A utilização de antenas diretivas também reduz os problemas desta natureza.
3. O sistema de desvio de freqüência necessita de sincronização, podendo ser utilizado o sinal GPS para garantir o sincronismo desta operação.
Pelo fato de permitir altos ganhos e de ser canal seletivo, este repetidor é o mais recomendado para aplicações outdoor, onde critérios de degradação e isolação são críticos. Por outro lado seu custo é bastante elevado A figura abaixo mostra, de forma esquemática, este tipo de repetidor.
3.2.2.3. Repetidores Ópticos
Os repetidores ópticos possuem uma interface de transmissão óptica entre a BTS e a estação remota. Este tipo de equipamento também possui duas unidades: a Unidade Central (master) e a Unidade Remota (remote), que irá cobrir a área desejada. Esse tipo de repetidor pode ser utilizado com qualquer tipo de filtragem, sendo os mais comuns repetidores de banda seletiva.
A Unidade Central é responsável por converter o sinal proveniente da BTS doadora em sinal óptico, que será transmitido até a unidade remota (repetidora).
O mesmo ocorre no enlace reverso (uplink), onde sinais provenientes do repetidor são transformados em sinais ópticos para serem enviados para a BTS doadora.
As vantagens deste tipo de repetidor são claras: as perdas na transmissão para o repetidor são baixíssimas, permitindo que várias estações repetidoras (a estação central permite ligação com mais de uma remota) sejam colocadas a distâncias razoáveis da BTS doadora. Pelo fato de um dos enlaces ser óptico, a maioria das penalidades acarretadas pelo uso do repetidor é reduzida.
O maior utilização deste tipo de repetidor é na cobertura de ambientes indoor, pois as estações remotas podem ser espalhadas pelo ambiente sem que haja muita perda nos enlaces. A utilização destes repetidores em ambientes externos é, em geral, economicamente e operacionalmente complicada, pois há a necessidade da passagem de fibra pela rua, o que onera o projeto e aumenta o seu tempo de implantação.
3.3. Isolação entre antenas do repetidor
Quando duas antenas são colocadas muito próximas uma da outra, ocorre um fenômeno denominado acoplamento entre as antenas, onde ambas "passam a trabalhar" em conjunto, tendo seus diagramas individuais alterados devido ao acoplamento formando então um novo diagrama.
Embora este efeito seja muito útil na construção de conjuntos de antenas em diversas aplicações, quando as antenas que trabalham com finalidades diferentes são colocadas próximas, o efeito pode ser negativo destacando-se a alteração indesejada nos diagramas de radiação, interferência alta e, no caso de repetidores, uma realimentação que causa séria degradação do desempenho do sistema. Este problema é mais grave quando as antenas trabalham na mesma freqüência. No caso de repetidores deslocados em freqüência (shift frequency repeaters), o problema é amenizado. A figura abaixo ilustra o problema da realimentação.
Caso o sinal proveniente da antena servidora chegue à antena coletora (que capta sinal proveniente da BTS doadora) com intensidade próxima ao sinal recebido pela própria coletora, pode ocorrer a auto-oscilação do repetidor. Para garantir que a realimentação não degrade o desempenho do sistema, o repetidor deve ser montado de modo a se obter uma isolação mínima entre a antena servidora e a coletora. Para assegurar um bom desempenho, o valor desta isolação deve ser igual ao ganho do repetidor mais uma margem entre 5-15 dB [REF 2].
3.4. Efeitos de Saturação do Amplificador
Todo amplificador possui uma faixa dinâmica limitada em que sua resposta é linear. A operação na região não linear provoca conversão AM/PM [REF 5] no caso de uma portadora e intermodulação no caso de mais de uma portadora.
Serão descritos a seguir os efeitos de saturação do amplificador para cada tipo de repetidor.
3.4.1. Repetidores de Banda Larga/Banda Seletiva:
Nestes tipos de repetidor, os sinais de diversos canais em conjunto com os canais da BTS doadora, causam dois importantes efeitos na qualidade do sinal amplificado:
Operação na região não linear do amplificador
Redução na amplificação por canal.
3.4.1.1. Efeitos no enlace direto
Dado um número de portadoras da BTS doadora, o amplificador do repetidor possui uma potência máxima de entrada que garante sua operação na região linear. Contudo, os sinais externos recebidos pelo repetidor, podem levá-lo a operar em sua região não linear acarretando distorções do sinal e degradações de desempenho da rede, em especial se este repetidor tiver montagem externa.
Pelo fato do amplificador ser de banda larga a probabilidade da recepção de sinais externos além dos da BTS doadora, aumenta significativamente tornando-os pouco eficientes em regiões densamente ocupadas por BTS.
Como o amplificador recebe N canais simultaneamente, o ganho máximo por canal (1) é função do número de canais ativos. Em geral na região linear podemos aproximar o ganho por canal do repetidor pela expressão:
eq. 3.4.1.1-1
No caso do repetidor se encontrar em um ambiente onde haja elementos interferentes (canais não pertencentes a BTS doadora chegando ao repetidor), a potência de saída por canal do amplificador do repetidor é reduzida [REF 3], sendo dada por
eq. 3.4.1.1-2
onde:
(C/I) --> É a relação sinal ruído na entrada do repetidor, quanto maior for esta relação menor será a potência de saída do repetidor. Na falta de um valor calculado, utiliza-se o valor mínimo padrão especificado para tecnologia.
I3 --> Ponto de interceptação de terceira ordem do amplificador em dBm
N --> Número de canais da BTS doadora.
O ganho por canal decresce rapidamente em função do número de portadoras ativas e elementos interferentes.
3.4.1.2. Efeitos no canal reverso
Basicamente o uplink apresenta os mesmos problemas enfrentados pelo downlink. Contudo este enlace possui uma maior complexidade, pois suas fontes irradiantes (terminais) estão em constante movimento. Terminais muito próximos podem levar a saturação do amplificador e/ou a redução do ganho de outros terminais. Este efeito é conhecido como near-far effect. Existem alguns métodos para se evitar estes problemas:
· Utilização de um limitador de sinal: essa solução é utilizada apenas nos repetidores de canal seletivo [REF 2] que utilizam um amplificador comum para todos os canais.
· Uso de antenas servidoras com diagramas horizontais estreitos: estes diagramas reduzem a probabilidade de que um usuário próximo esteja sendo servido pelo lóbulo principal da antena.
3.4.2. Repetidores Canal Seletivo
Existem dois tipos básicos destes repetidores: no primeiro cada canal possui seu próprio amplificador enquanto que no segundo caso existe apenas a separada filtragem dos canais, porém sua amplificação é realizada por um mesmo amplificador.
· Amplificadores separados - A amplificação separada em conjunto com a filtragem por canal, melhora em muito o desempenho do repetidor. Tanto a redução do nível de potência de saída por canal quanto a ocorrência da saturação do seu amplificador, só ocorrem em função dos possíveis sinais co-canais que estejam chegando ao repetidor, reduzindo significativamente estes efeitos;
· Amplificador único - Neste tipo de amplificação o único efeito reduzido é o dos sinais externos à BTS doadora. Contudo, como a amplificação é compartilhada, a redução da potência de saída por canal ainda existe.
3.5. Parâmetros típicos de repetidores
O ganho máximo de repetidores é limitado pela necessidade de isolação entre as antenas. Para repetidores de mesma freqüência é necessária uma isolação mínima de aproximadamente 15 dB acima do ganho [REF 2,3]. Como em montagens reais dificilmente se obtêm isolações superiores a 100 dB, estes repetidores tanto de banda seletiva como de canal seletivo, apresentam tipicamente ganho máximo de 85 dB. Já repetidores com deslocamento em freqüência, podem operar com ganhos da ordem de 100 dB [REF 2].
4.1. Isolação entre as antenas
4.1.1. Cálculo da isolação
Os cálculos realizados nesta ses são são aplicáveis a repetidores que não deslocam a freqüência, ou seja, tanto a antena coletora quanto a servidora operam na mesma freqüência. No caso e repetidores com deslocamento em freqüência, é razoável desprezar o efeito de realimentação.
Para o cálculo da isolação deve-se calcular, primeiramente, o sinal de realimentação do repetidor. Este é cálculo é realizado com base nas características de montagem, antenas, cabos e ganho do repetidor. A equação abaixo [REF 3,4] mostra o nível de sinal de realimentação:
Utilizando a expressão da perda de espaço livre
onde:
--> Ganho de transmissão da antena servidora na direção da antena coletora
SD --> Sinal Direto proveniente da BTS doadora
GR1max --> Ganho máximo da antena coletora.
->Ganho de recepção da antena coletora na direção da antena servidora
L0 --> Perda por espaço livre
L1, L2 --> Perda nos cabos
PRsre --> Potência do sinal de realimentação, o qual interage com o sinal vindo da BTS doadora.
Deseja-se que o nível deste sinal esteja abaixo do sinal proveniente da BTS doadora (sinal direto) por uma determinada margem de segurança (M).
Tem-se então que:
onde:
M --> Margem de segurança, aproximadamente 15 dB [REF 2];
PRSd --> Potência recebida do sinal direto
PRSre --> Potência recebida do sinal realimentado.
G1Rmax --> Ganho máximo da antena coletora
Ganho de transmissão da antena servidora na direção da antena coletora
Ganho de recepção da antena coletora na direção da antena servidora.
Definindo-se a isolação como:
tem-se
A= I - M
Onde:
A --> Ganho do Repetidor
I --> Isolação entre antenas
M -- > Margem de segurança entre o sinal direto e o realimentado.
As equações acima mostram que a amplificação máxima permitida no repetidor está ligada diretamente com a isolação atingida entre as antenas. Esta isolação mede, basicamente, as perdas na transmissão do sinal da antena servidora que para a antena coletora, sinal este que provoca o fenômeno da realimentação.
A montagem adequada do repetidor, em conjunto com a escolha adequada das antenas, é que irão garantir um bom nível de isolação, permitindo a utilização de ganhos elevados pelo repetidor.
4.1.2. Fatores adicionais de isolação
Existem certas circunstâncias onde a montagem do repetidor não provê uma isolação adequada. Para a obtenção do aumento desta isolação podem-se utilizar telas metálicas vazadas (com aberturas inferiores a l/10), que causarão um efeito de blindagem aumentando a isolação. É utilizada uma tela com esta abertura, pois esta terá aproximadamente o mesmo desempenho de uma placa de contínua. Neste caso a isolação é dada por:
O cálculo da blindagem provida pela placa metálica não é simples, e seu efeito depende das dimensões e do posicionamento da blindagem com relação à antena. Em geral a sua contribuição no aumento do isolamento, é levantada através de medições diretas em campo (ver item 5.3.8).
Na prática, a utilização de blindagem gera uma isolação adicional entre 10-15 dB [REF 11]. Pode-se colocar blindagem em uma das antenas, ou em ambas.
Em aplicações indoor, a isolação é aumentada pela perda de penetração, que varia de acordo com o tipo de construção. A perda de penetração típica fica em torno de 18-20 dB. Neste caso, a isolação total é dada por:
Na prática, em projetos indoor os problemas de isolação não acarretam redução de desempenho do repetidor.
4.1.3. Considerações adicionais sobre a isolação
Os cálculos efetuados nas sessões anteriores possuem limitações e cuidados para seus valores, sejam coerentes com os medidos em campo.
No cálculo da isolação, mesmo em campo distante, recomenda-se utilizar as envoltórias dos diagramas (cálculo pessimista), pois os valores fornecidos para os nulos dos diagramas são discutíveis, dado que sua existência parte do pressuposto que a antena não teve nenhum desvio na fabricação.
Para a obtenção de uma isolação adequada, a escolha das antenas do repetidor é muito importante. Para a antena coletora, deve-se utilizar algum modelo que tenha alto ganho, alta relação frente costas e pequenos lóbulos laterais. Para a antena servidora, devido à sua funcionalidade, deve-se escolher antenas com melhor relação frente costa possível. Em geral, antenas de painéis possuem esta característica.
4.2. Aumento da Interferência co-canal
A interferência co-canal é um efeito inerente dos sistemas celulares, que operam com base no reuso de freqüência.
A degradação causada por esta interferência é o principal fator limitante do aumento de capacidade destes sistemas. O controle adequado dos níveis de interferência é essencial para a obtenção de um sistema de alta capacidade, caracterizado pela utilização de um baixo fator de reuso.
Nestes sistemas qualquer aumento da interferência, pode levar a sérias limitações de desempenho. Por isso, a implantação de repetidores deve ser analisada cuidadosamente tendo-se em mente o impacto que este causará na degradação da relação C/I.
Os repetidores causam aumento de interferência tanto nos enlaces diretos (donwlink) quanto nos enlaces reversos (uplink). Contudo, é no enlace reverso que podem aparecer as piores degradações, devido à diretividade da antena coletora do repetidor [REF 2].
O aumento da interferência no sistema está diretamente ligado ao tipo de repetidor e a sua aplicação. Tipicamente repetidores de uso interno (indoor), pelo fato de possuírem um isolador natural, possuem níveis de degradação no enlace direto mais controlado, geralmente desconsiderados em projetos. Repetidores de uso externo (outdoor), são bem mais sensíveis à interferência.
A seguir será analisado o impacto no aumento de interferências pelo uso de repetidores externos (outdoor), para cada tipo de repetidor e sua aplicação.
4.2.1. Repetidores de Banda Larga (broadband repeaters)
Este tipo de repetidor é, em todos os sentidos o que apresenta pior desempenho. Como equipamento amplifica toda a banda A e B são gerados dois problemas:
1. A amplificação dos sinais da rede concorrente pode provocar problemas graves para a outra operadora, pois a princípio nada se conhece sobre o seu planejamento de freqüências. Os níveis de interferência gerados podem causar quedas de chamadas em uma vasta área em torno do repetidor.
2. Este repetidor também amplifica toda a banda de operação da operadora que estiver utilizando este equipamento. Com isso além de amplificar os canais provenientes da coletora, recebe possíveis sinais interferentes de outras BTS que chegam fracos, amplificando-os e retransmitindo-os, causando aumentos no nível de interferência de downlink. A gravidade da degradação é análoga no enlace direto (uplink).
4.2.1.1. Cálculo da interferência no enlace direto (downlink)
O repetidor recebe M sinais interferentes, amplificando-os e re-emitindo para a área de interesse de cobertura. Neste processo há claramente uma penalidade nas relações C/I em torno do repetidor. A figura abaixo ilustra o impacto deste tipo de repetidor nos níveis de interferência.
Pelo fato deste repetidor possuir um amplificador de banda larga, qualquer sinal que nele chega é amplificado e transmitido. Neste caso qualquer BTS passa a ter duas fontes de interferência, uma direta e outra realimentada pelo repetidor, independentemente destas serem co-canais ou não a BTS coletora.
Metodologia de cálculo:
Para cada ponto do cenário, identifica-se qual a BTS é a melhor servidora (caracterizado pelo maior nível de sinal no ponto). Calcula-se então, para este ponto específico, a interferência proveniente das BTS co-canais à melhor servidora (IBTS) e, em seguida, calcula-se a interferência proveniente do repetidor (IRep). A interferência total será a soma de ambas interferências como é mostrado abaixo:
Para a determinação de IBTS calcula-se a soma da contribuição de interferência de cada BTS co-canal a melhor servidora do ponto em questão.
O cálculo do nível de interferência proveniente da k-ésima BTS co-canal é realizado segundo a equação abaixo:
onde:
IK --> Interferência da k-ésima BTS co-canal
PTBTSk --> Potência de transmissão da k-ésima BTS co-canal
GTxK --> Ganho da k-ésima BTS co-canal na direção do ponto onde está sendo calculada a interferência.
LcaboK? Perda no cabo da k-ésima BTS co-canal
LadicionalK --> Perdas adicionais da k-ésima BTS co-canal (splitters, acopladores, etc...)
LpropagaçãoK --> Perda de propagação do sinal da k-ésima BTS co-canal até o ponto em questão.
Para o cálculo de IRep deve-se calcular a potência com que cada BTS co-canal chega ao repetidor. A partir desse valor determina-se a potência de saída do sinal interferente do repetidor e o valor de interferência no ponto em questão.
O nível de sinal interferente que chega ao repetidor é calculado segundo a equação abaixo:
onde:
RSSLK --> nível de sinal da k-ésima BTS co-canal na entrada da antena coletora do repetidor
PTBTSk --> Potência de transmissão da k-ésima BTS co-canal
GTxK --> Ganho da k-ésima BTS co-canal na direção da antena coletora do repetidor
Lkcabos --> Perda nos cabos da k-ésima BTS co-canal
Lkadicional --> Perdas adicionais da k-ésima BTS co-canal (splitters, acopladores, etc...)
Lkpropagação --> Perda de propagação do sinal da k-ésima BTS co-canal o repetidor
A equação abaixo determina, para cada BTS co-canal o nível de saída do seu respectivo sinal do repetidor:
onde:
PTk --> potência de transmissão da k-ésima BTS co-canal na saída do repetidor
RSSLK --> nível de sinal da k-ésima BTS co-canal na entrada da antena coletora do repetidor
Gcoletora --> Ganho da antena coletora na direção da k-ésima BTS co-canal
Grep --> Ganho do repetidor
Lcabos --> Perda nos cabos do repetidor
Ladicional --> Perdas adicionais no repetidor (splitters, acopladores, etc...)
O nível de Irep é calculado então segundo as equações abaixo:
onde:
IRepk --> valor de interferência calculada para cada BTS co-canal que tem seu sinal amplificado pelo repetidor.
PTk --> potência de transmissão da k-ésima BTS co-canal na saída do repetidor
GTxservidora --> ganho da antena servidora do repetidor na direção do ponto onde está sendo calculada a interferência.
Lpropagação --> perda de propagação do repetidor até o ponto de cálculo de interferência.
Este tipo de repetidor pode ser visualizado como uma nova BTS colocada no cenário, possuindo todos os canais de transmissão sendo transmitidos com potências distintas, em função dos cada níveis de sinal interferente na entrada do repetidor.
Em ambientes urbanos a degradação causada por este tipo de repetidor é quase proibitiva.
O repetidor de banda larga, assim como o repetidor de banda seletiva é utilizado preferencialmente em ambientes indoor.
A utilização destes repetidores em ambiente externos só é viável caso estes forem implantados em ambientes controlados (isolados), onde os níveis de interferência ficam restritos.
4.2.1.2. Interferência de Uplink:
Da mesma forma que os níveis de interferência do canal direto (downlink) é aumentada, a interferência do canal reverso (uplink) também sofre um aumento, podendo ser fortemente degradada.
Esta interferência ocorre pelo fato da antena coletora do repetidor ter a possibilidade de transmitir sinais para uma BTS co-canal à BTS doadora.
Em geral, quando este tipo de interferência ocorre é intensa, devido aos altosganhos da antena coletora dos repetidores.
No caso de repetidores em banda larga a situação ainda é mais crítica, pois como este amplifica toda a banda de operação, qualquer terminal que esteja transmitindo nas proximidades do repetidor pode ter seu sinal captado, amplificado e transmitido no canal reverso (uplink).
Sendo, assim além das bases co-canais serem degradadas, qualquer base pode ser vítima de interferência se um eventual sinal de um móvel co-canal for captado pelo repetidor. A figura abaixo mostra como o repetidor degrada a interferência de uplink.
Quando o repetidor estiver montado no topo de um prédio, a base A estará com um novo cenário de interferência de uplink. Esta base "verá" o móvel D "através" do repetidor (1) com perda de propagação aproximadamente igual à de espaço livre devido à grande probabilidade do repetidor estar em visada direta com a base co-canal.
No caso de repetidores em banda larga, o risco é aumentado drasticamente, pelo fato de que qualquer base próxima poderá ser co-canal.
O cálculo de interferência de canal direto é realizado calculando-se o nível de sinal recebido pela BTS vítima devido à transmissão de sinal de um repetidor (E).
O cálculo do nível de sinal na entrada da antena da BTS vítima é realizado segundo a equação abaixo:
onde:
RSSLIea --> nível de sinal interferente na entrada da antena BTS vítima.
PTe --> potência de transmissão do repetidor no enlace reverso (uplink)
GTxE --> ganho de transmissão da antena coletora na direção da BTS vítima.
Lpropagação --> perda de propagação do repetidor até a BTS vítima.
O cálculo do nível de potência interferente recebida é realizado segundo a equação:
onde:
Ivitima --> nível de sinal interferente na BTS vítima
RSSLIe --> nível de sinal interferente na entrada da antena BTS vítima.
PTe --> potência de transmissão do repetidor no enlace reverso (uplink)
GRBTS --> ganho de recepção da BTS vítima na direção do repetidor.
4.2.1.3. Limitações no Cálculo de Interferência do Canal Reverso
Em geral, cálculos de interferência de canal reverso não são realizados pelas ferramentas de predição, pois o problema de interferência uplink é de natureza complexa, dado que os elementos geradores de interferência (terminais móveis) transmitem e se movimentam de forma aleatória no cenário.
Isso faz com que as diversas BTS sejam afetadas de forma independe, vinculada apenas aos níveis de sinal que chegam no repetidor.
Uma análise viável de ser realizada é a da potencialidade de interferência de canal reverso.
Como em geral as antenas coletoras do repetidor são diretivas, as verificações são feitas analisando-se a existência de BTS co-canais aos móveis que transmitem para o repetidor dentro do lóbulo principal da antena coletora do repetidor.
Caso existam, o risco de interferência de canal reverso é grande, devido aos ganhos elevados desta antena (2).
A avaliação desse potencial de interferência pode ser um fator decisivo no posicionamento da antena coletora e na escolha da BTS doadora.
Deve-se procurar uma configuração que minimize o potencial de interferência no canal reverso.
Em regiões povoadas de muitas BTS nem sempre um posicionamento adequado é possível. Neste caso, deve ser utilizado um repetidor seletivo em canal.
4.2.2. Repetidores Seletivos em Banda (Band Selective Repeaters)
Estes repetidores só amplificam uma banda de operação, evitando assim transtornos com empresas concorrentes.
Contudo, pelo fato de amplificarem toda a banda de operação da operadora que o utiliza, os cálculos e comentários apresentados na seção anterior (repetidores em banda larga) se aplicam paraeste tipo repetidor.
4.2.3. Repetidores Seletivos em Canal (Channel Selective Repeaters)
O repetidor seletivo em canal, em termos de degradação por interferência, opera de uma forma muito mais eficiente.
Este equipamento só amplifica canais específicos da BTS doadora. Com isso, apenas as BTS co-canais terão o desempenho afetado.
As metodologias de cálculo são muito semelhantes às utilizadas no repetidor de banda larga.
Contudo, pelo menor número de canais amplificados (apenas os co-canais), os níveis de interferência (e a degradação causada) serão bem mais amenos.
4.4. Efeitos de multipercurso
Todo repetidor adiciona um atraso no sinal, em geral este atraso é de 0,5ms para repetidores de banda larga e de 5-7ms [REF 2] para repetidores de canal seletivo. Dependendo da situação, o terminal móvel pode receber o sinal proveniente do repetidor e da BTS doadora, os sinais chegam defasados podendo comprometer a qualidade do sinal, especialmente pelo fato das intensidades relativas em alguns casos serem muito próximas. O problema torna-se ainda mais grave caso o defasamento entre os sinais seja maior que a duração de um time slot GSM [REF 1], neste caso o sinal da BTS será tratado com uma interferência ao sinal proveniente do repetidor.
Para evitar problemas de desempenho deve-se evitar que haja sinais de multipercurso desta natureza, defasados por mais de 16ms [REF 2,3] e com menos de 9 dB de diferença de potência recebida [REF 2]. Em geral quandorepetidor cobre uma área sem nenhuma intercessão com a BTS, o problema de multipercurso é desprezível.
4.5. Cálculo de enlaces com repetidores
Nas sessões anteriores, foram vistos em detalhes, todos os aspectos que devem ser analisados com a inclusão do repetidor no enlace rádio. Veremos agora como cada elemento de cálculo descrito se encaixa no dimensionamento dos enlaces (link budget). Para o cálculo da cobertura radioelétrica apenas a dissensibilização, isolação e tipo de amplificação são relevantes, ficando a análise de interferência separada do link budget. Algumas das equações desenvolvidas serão repetidas no texto abaixo para facilitar o entendimento do procedimento passo-a-passo.
4.5.2. Cálculo do enlace direto
Para a determinação da potência de transmissão do repetidor é necessário conhecer a potência recebida pelo repetidor. Esta potência recebida (RSSL) na antena coletora do servidor é dada por:
onde:
PTBTS[dBm] = Potência de transmissão da BTS doadora na saída do rádio
Lcabo = Perda no cabo da BTS doadora
GTBTS(q,j) = Ganho de transmissão da antena da BTS doadora na direção da antena coletora
Lpropagação = Perda de propagação entre a BTS doadora e o repetidor.
A EIRP é calculada então com base no nível de sinal recebido usando a seguinte equação:
onde:
EIRP[dBm] = Potência Efetivamente Irradiada do repetidor
Gcoletora(q,j) = Ganho da antena coletora na direção da BTS doadora. Em geral está é montada de forma a possuir seu ganho máximo nessa direção.
Lcabo = Perda no cabo da antena coletora até o repetidor
AAMP = Ganho do repetidor
Lcabo = Perda no cabo do repetidor à antena servidora
Gservidora = Ganho da Antena servidora.
Tendo sido calculado o nível de potência transmitido pelo repetidor, calcula-se a degradação do limiar do terminal móvel. Para isso deverá ser calculada a relação sinal ruído do enlace BTS-Repetidor.
Com base nesse valor calcula-se então a relação (C/N)2 mínima para que o enlace Repetidor-Terminal opere. A degradação do limiar é a diferença entre a relação (C/N)crítica especificada para o terminal e (C/N)2 mínimo do enlace Repetidor-Terminal.
Onde:
A [dB] - é a relação C/N calculada para o enlace BTS-Repetidor
(C/N)crítico - É a relação sinal ruído crítica de operação do terminal móvel.
O limiar efetivo do terminal móvel é dado por:
onde:
Lmaxdown - Perda máxima do enlace direto
EIRP - Potência efetivamente radiada pelo repetidor
GTxmovel - Ganho da antena do móvel
4.5.3. Cálculo do enlace reverso (uplink)
O enlace reverso é calculado com base no limiar de recepção da BTS. O valor mínimo de nível de sinal que deve chegar ao repetidor é dado por:
onde:
PRrep - Potência mínima recebida pelo repetidor, para que a BTS doadora receba níveis de sinais dentro do seu limiar.
LimiarBTS - Limiar da BTS doadora
Margem - Margens de desvanecimento
GBTS(q,j) - Ganho da Antena da BTS doadora na direção do repetidor
LcaboBTS - Perda no cabo da BTS doadora
Lprop - Perda de propagação do enlace BTS-Repetidor, em geral este enlace opera em visada direta
Gcoletora - Ganho da antena coletora do repetidor, em geral esta está alinhada com a BTS doadora oferecendo seu ganho máximo.
Lcabo - Perda no cabo entre a antena coletora e o repetidor.
Gamp - Ganho do Amplificador do enlace reverso (uplink)
Para determinar o valor mínimo de sinal no repetidor deve-se calcular primeiramente a degradação do limiar. Esta degradação é obtida a partir da relação (C/N)1 do enlace terminal-repetidor e do valor crítico (C/N)crítico da BTS. O cálculo da relação (C/N)1 e da dissensibilização foi descrito em detalhes no item 4.3.
Com a degradação (D) calculada, determina-se então a potência mínima efetiva que deve chegar ao repetidor:
onde:
PRrepEff - Potência mínima efetiva recebida pelo repetidor
PRrep - Potência mínima do repetidor
D - Degradação do limiar
Conhecendo-se o valor da potência mínima efetiva, pode-se determinar RSL mínimo na entrada do repetidor para se garantir o desempenho do sistema:
Onde:
RSLmin - Nível mínimo de sinal na entrada da antena
PReffRep - Potência mínima recebida pelo repetidor
Gservidora - Ganho da antena servidora do repetidor
Lcabo - Perda do cabo entre antena servidora e o repetidor.
Com este valor pode-se também calcular qual a perda máxima permitida no enlace reverso entre o repetidor e o terminal:
onde:
Lmaxup - Perda máxima do enlace reverso
Ptmove - Potência transmitida pelo móvel
GTxmovel - Ganho da antena do móvel
RSLmin - Nível de sinal mínimo na entrada da antena servidora.
Pode-se ainda verificar a existência de balanceamento nos enlaces (Lmaxdown= Lmaxup). No caso de desbalanceamento devem-se ajustar os ganhos do repetidor.
Prezado leitor.
Por motivo de força maior, o processo de formatação deste trabalho foi interrompido na página 12.
Mas a "Dissertação" completa está disponível para download em:
http://www.wirelessbrasil.org/wirelessbr/colaboradores/bruno_maia/repetidores/repet_gsm_2007.pdf (2,78MB).
(30/07/2007)
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