Este documento apresenta um projeto para uma ligação por feixes hertzianos entre Montijo e Fontanelas com 42,842 km de distância. Após analisar as frequências disponíveis, optou-se por 6 GHz. O percurso direto não é viável devido a obstruções, por isso propõe-se um repetidor na Serra de Sintra. Mesmo assim, é insuficiente, pelo que se opta por diversidade de frequência com 6 canais espaçados 90 MHz.
Projeto de ligação por feixes hertzianos entre Montijo e Fontanelas
1. 15
SISTEMAS
TELECOMUNICAÇÕES POR
RÁDIO
Projeto de uma Ligação por Feixes Hertzianos
3 DE MAIO DE 2015
JOÃO SANTOS Nº 55128 E RUI RIBEIRO Nº 61039
Professor Francisco Cercas
Projeto Nº 19
Eng. Telecomunicações
e Informática
2. 1
Índice
1.Introdução ................................................................................................................................. 2
2.Frequências do trabalho............................................................................................................ 3
3.Análises de Percurso ................................................................................................................. 5
3.1.Terra Plana .......................................................................................................................... 5
3.2.Terra Esférica....................................................................................................................... 6
4.Atenuação ................................................................................................................................. 7
5.Percurso direto e alternativo.................................................................................................... 7
6.Disponibilidade de ligação ...................................................................................................... 11
6.1.Ligação Lógica................................................................................................................... 11
7.Custos de ligação..................................................................................................................... 12
7.1.Custos para as duas localizações...................................................................................... 14
8.Receitas/Lucro......................................................................................................................... 17
9.Reflexão Final .......................................................................................................................... 20
10.Referências Bibliográficas ..................................................................................................... 21
ANEXOS....................................................................................................................................... 22
ANEXO A – Calculo de ângulos de incidência e área efetiva................................................... 20
ANEXO B – Cotas ..................................................................................................................... 22
ANEXO C – Feixer Final............................................................................................................ 24
3. 2
Introdução
O projecto da cadeira de Sistemas de Telecomunicações Radio tem como objectivo a simulação
de uma ligação de Feixer Hertzianos do Montijo a Fontanelas. Será dimensionado de forma a
permitir uma ligação digital de um sinal STM-1 cujo ritmo binário é de 155 Mbps, de 1ª
Hierarquia Digital, com uma capacidade máxima de 38 canais de vídeo HD, que suporta tráfego
telefónico, utilizando um feixe bidireccional de 25 anos. De forma a realizar os cálculos e normas
da ITU-R foi-nos fornecida a utilização do programa Feixer, cujo funcionamento se dá através do
software Wolfram Mathmatica.
Após definidas as frequências de trabalho a utilizar e uma análise cuidada do percurso é possível
prosseguir com o projecto, respeitando os seguintes parâmetros:
Ligação Montijo – Fontanelas (42.842 km)
Duração do Projecto 25 anos
Potência Máxima do Emissor (p0=5, b=1.3) 𝑃𝑚 = 5 𝑓1.3⁄ [W], 𝑓[GHz]
Factor ruído do receptor (F0=5.0, a=0.2) 𝐹 = 5.0 + 0.2 ∗ 𝑓[dB], 𝑓[GHz]
Número de canais de vídeo 38 canais HD
Encargos de exploração anuais 21% do custo inicial
Encargos com terrenos e direitos de passagem 16% do custo inicial
Taxa de emissão de licença de estação 500 €
Taxa de Utilização
30 € * d[km] * LB[MHz] /feixe
bidirecional/semestre , (dmin[km]=10)
Valor Residual Nulo (0)
Taxa interna de retorno (a preços constantes) 15%
Taxa de inflação 3%
Tabela 1 - dados a respeitar
4. 3
Frequências de trabalho
Neste projecto utilizamos um sinal STM-1, cujo ritmo binário é de 155 Mbit/s. Uma vez que este
tipo de sinal a utilizar é bastante específico e também pela observação das normas restritivas da
ITU-R, foi possível a exclusão de algumas frequências de trabalho.
Tabela 2 – frequências em função de banda
Na coluna “Utilização” da tabela 2, estão representadas por um “SIM” as frequências que
podemos utilizar e representadas por um “NÃO” as que não podemos utilizar na realização
projecto.
Assim, conseguimos excluir as bandas não ideais para trabalhar neste projecto, ficando com as
bandas de 4, 5, 6, 11, 13, 18 GHz.
Utilização Banda Informação
NÃO 2 GHz Recomendação F.283-5: sistemas digitais com ritmos de transmissão
até 70 Mbit/s.
SIM 4 GHz Recomendação F.635-5: feixes digitais com ritmos de transmissão
até 200 Mbit/s com espaçamento de 29 MHz por canal.
SIM 5 GHz Recomendação F.1099-3: plano de frequência sobreposto para
sistemas multiportadora com ritmos de transmissão até 1x155 ou
2x155 Mbit/s com espaçamento de 60 MHz por canal.
SIM 6 GHz Recomendação F.383-6: feixes digitais com capacidade até 140 ou
155 Mbit/s.
NÃO 7 GHz Recomendação F.385-6: feixes hertzianos analógicos ou digitais com
capacidade até 140 Mbit/s.
NÃO 8 GHz Recomendação F.386-6: feixes digitais com capacidade inferior a 140
Mbit/s.
NÃO 10 GHz Recomendação F.747: feixes digitais com capacidade até 8 Mbit/s.
SIM 11 GHz Recomendação F.387-8: feixes digitais com capacidade na ordem
dos 140 e 155 Mbit/s com largura de banda 40 MHz.
SIM 13 GHz Recomendação F.497-6: feixes digitais até 155 Mbit/s e largura de
banda 34 Mbit/s em canais pares.
NÃO 15 GHz Recomendação F.636-3: feixes digitais com pequena capacidade.
SIM 18 GHz Recomendação F.595-6: feixes digitais com capacidade até 280
Mbit/s com espaçamento de 220 MHz.
5. 4
A partir do programa Feixer foi possível observar como se comportam as diversas bandas de
acordo com a margem crítica, obtendo assim a frequência ideal de trabalho, neste caso 6 GHz.
FIGURA 1 - ESTUDO FEITO NO FEIXER PARA CHEGAR A FREQUÊNCIA ÓTIMA
6. 5
Análise do percurso
A ligação pretendida, entre as localidades Montijo a Fontanelas tem 42.842 quilómetros de
distância.
De forma a tornar a ligação mais viável, foram testados diversas tentativas de correcções
relativas à colocação das antenas de emissão e recepção. Assim, optamos por uma colocação
em locais de maior altitude de forma a evitar atenuações indesejáveis.
Terra plana
A partir do programa Feixer, foi obtida a seguinte representação do percurso da ligação
pretendida em terra plana.
FIGURA 2 - PERFIL TERRA PLANA OBTIDO NO FEIXER
7. 6
Terra esférica
A representação do percurso de ligação em terra plana torna-se irrealista, uma vez que o planeta
terra é esférico e não plano. Assim, foi necessária a obtenção de uma nova representação,
incluindo agora o valor real da curvatura da terra. O raio da terra será agora multiplicado pela
constante K, cujo valor é de 4/3., sendo o raio terrestre utilizado pelo programa “Feixer”
aproximadamente a 8493.33 km.
FIGURA 3 - PERFIL DE TERRA ESFERICA OBTIDO NO FEIXER
8. 7
Atenuação
O obstáculo principal, que é um pico com 495 m e está a 35.282 km de distância o que
corresponde ao ponto “211” dos “256” pontos.
Percurso directo e alternativo
Antes de proceder a qualquer avanços relativos à ligação é necessário verificar se o percurso
directo é viável. Este percurso directo é a melhor opção para efectuar a ligação entre os dois
pontos das duas localidades, isto se possível, ou seja, se não existir obstrução no 1º Elipsóide de
Fresnel.
Os mastros de emissão e recepção, cujas alturas são 30 metros e 10 metros respectivamente,
apresentam ambos antenas de 4,5 metros de diâmetro com um rendimento de 50%.
No nosso caso, o 1º Elipsóide de Fresnel está completamente obstruído, como se pode observar
na figura 6, o que quer dizer que a atenuação vai ser bastante elevada tornando a ligação
impossível.
Como no nosso percurso directo, a ligação se encontrava obstruída por uma montanha,
procedemos à colocação de um repetidor no ponto mais alto do percurso (à distancia de 35.286
km a uma altura de 495 m, verificado na figura 4), para que não exista obstrução na ligação,
evitando a montanha, como se pode observar na segunda figura 7.
Através do programa Feixer, foi possível obter os valores da atenuação para esta ligação direta,
demonstrando que é uma ligação inaceitável, pois os valores de atenuação são muito elevados,
com o valor de -20,3139 dB.
FIGURA 4 - LOCAL ONDE SE SITUA A ATENUAÇÃO
9. 8
FIGURA 5 – MARGEM CRITICA PARA O PERCURSO DIRETO COM FREQUÊNCIA DE 6 GHZ
FIGURA 6 – 1º ELIPSOIDE DE FRESNEL COM OBSTRUÇÃO
FIGURA 7 – COLOCAÇÃO DO REPETIDOR NA SERRA DE SINTRA, POIS ESTE É UM PONTO ALTO,
O QUE FACILITA NA REALIZAÇÃO DO PERCURSO
10. 9
Como primeira opção de forma a montar uma ligação com um repetidor passivo, escolhemos
um espelho plano, visto que se trata de um repetidor de menor custo, mas como se pode
verificar nos cálculos efectuados no anexo A, esta opção torna-se impossível de realizar.
Procedemos assim, à colocação de um periscópio, ficando assim com dois trocos de ligação, um
primeiro entre o emissor e o repetidor e o segundo entre o repetidor e o receptor. Podemos
observar nas tabelas abaixo as características das antenas e periscópio que utilizamos.
Antenas
Diâmetro da antena de emissão 4,5 m
Diâmetro da antena de recepção 4,5 m
Altura do mastro da antena de emissão 30 m
Altura do mastro da antena de recepção 10 m
Rendimento da antena de emissão 50 %
Rendimento da antena de recepção 50 %
Tabela 3 - dados relativos os antenas
Periscópio
Altura do espelho de recepção 5 m
Altura do espelho de emissão 22,6 m
Angulo da antena de receção (α) 90.77
Angulo da antena de emissão (β) 87.09
Angulo utilizado 90.77
Área efectiva 24,58 m
Tabela 4 - dados relativos ao periscópio
FIGURA 8 - IMAGEM COM O PERISCÓPIO
11. 10
Com a colocação do periscópio e para a frequência óptima de 6 GHz temos uma margem crítica
de -20,3139 dB e as clausulas SESR, BBER e ESR não se fazem cumprir. Deste modo, podemos
concluir que é insuficiente a realização do projecto.
Para que o projecto seja realizável procedemos à verificação de uso de diversidade do projecto.
As duas técnicas usuais são a diversidade espacial e diversidade de frequência. Como a técnica
de diversidade espacial requer um repetidor extra, optamos pela utilização da diversidade de
frequência.
A banda dos 6 GHz utiliza 6 canais com um espaçamento de 90 MHz. O espaço de
endereçamento entre canais foi calculado por:
Assim, vamos obter um aumento do ganho das antenas e também das margens reais e da
margem selectiva.
Por fim concluímos que com a diversidade de frequência, uma frequência de 6 Ghz e as clausulas
cumpridas que a nossa ligação entre Montijo e Fontanelas seja viável mas ainda assim
afastando-se um pouco dos 3 DB`s desejados.
12. 11
Disponibilidade da ligação
A indisponibilidade da ligação é dada por,
𝐼𝑡 = 0,3 ∗
𝑑
2500
Como para distancias inferiores a 280 km, d toma esse valor, temos que,
𝐼𝑡 = 0.3 ∗
280
2500
= 0.0336%
Esta indisponibilidade pode ser dividida em, indisponibilidade devido à chuva, devido ao
equipamento e também a restantes causas, nas quais estão incluídas interferências, instalações
auxiliares e atividade humana.
O equipamento é responsável por uma indisponibilidade de,
𝐼𝑒 =
𝑀𝑇𝑇𝑅
𝑀𝑇𝐵𝐹
= 0.3 ∗ 0.4 ∗
280
2500
∗
1
100
= 1.344 ∗ 10−4
, recomendação da ITU-R
MTTR significa Mean Time to Reair e MTBF Mean Time Between Failures.
MTTR: 6 horas.
MTBF:
Equipamento MTBF (horas)
Emissor 120 000
Modulador 200 000
Recetor 200 000
Desmodulador 140 000
Tabela 5 - dados ao equipamento e MTBF
Ligação lógica
A ligação é constituída por uma ligação bidirecional, o que corresponde a duas ligações
unidirecionais, assim,
𝑀𝑇𝐵𝐹𝑏 =
1
∑
2
𝑀𝑇𝐵𝐹𝑗
𝑚
𝑗=1
= 19626 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠
Assim, podemos calcular a indisponibilidade do equipamento,
𝐼𝑒 =
𝑀𝑇𝑇𝑅
𝑀𝑇𝐵𝐹
=
6
19626
= 3.057 ∗ 10−4
Conseguimos observar que, como requerido pela ITU-R, os requisitos não são cumpridos,
3.057 ∗ 10−4
> 1.344 ∗ 10−4
. Deste modo, vamos ser obrigados a prosseguir com uma
configuração com um canal de reserva, para que a recomendação seja cumprida, instalando
assim um comutador em cada terminal. Logo, vamos ter que repetir os cálculos, para calcular a
indisponibilidade do equipamento agora com comutadores.
13. 12
Visto que, 𝑀𝑇𝐵𝐹𝑐𝑜𝑚𝑢𝑡𝑎𝑑𝑜𝑟𝑒𝑠 = 78000 E temos dois comutadores,
𝑀𝑇𝐵𝐹𝑐 =
78000
2
= 39000 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠
O MTBF do paralelo de duas ligações bidirecionais é dado por,
𝑀𝑇𝐵𝐹𝑙𝑖𝑔𝑎çã𝑜 =
𝑀𝑇𝑇𝑅
𝐶2
2(
𝑀𝑇𝑇𝑅
𝑀𝑇𝐵𝐹 𝑏𝑖𝑑𝑖𝑟
)2
= 64196646 ℎoras
O tempo médio de falhas do sistema com reserva corresponde a,
𝑀𝑇𝐵𝐹𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 =
1
1
39000 +
1
64.2 ∗ 106
= 38976 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠
O que corresponde a,
𝐼𝑒𝑞𝑢𝑖𝑝 =
𝑀𝑇𝑇𝑅
𝑀𝑇𝐵𝐹𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎
=
6
38976
= 1.54 ∗ 10−4
Custos
Os custos foram obtidos através utilização das seguintes fórmulas disponibilizadas no livro
Feixes Hertzianos da cadeira.
Guia de Ondas Elíptico:
𝐶𝑢𝑠𝑡𝑜 = 15 ∗ (1 +
10
𝑓
)
Localização
Frequência
(GHz)
Comprimento
(m)
Comprimento
Extra (m)
Comprimento
+ Extra (m)
Custo por
metro
Custo total
(€)
Montijo 6 10 2 12 40,00 480,00
Fontanelas 6 10 2 12 40,00 480,00
Total 960,00
Tabela 6 – dados relativos aos custos do guia de ondas elíptico
Antenas Parabólicas:
𝐶𝑢𝑠𝑡𝑜 = 1000 + 75 ∗ 𝑑3
Localização Diâmetro (m) Custo (€)
Montijo 4,5 7.834,38
Fontanelas 4,5 7.834,38
Total 61.377.431,64
Tabela 7 – dados relativos aos custos das antenas parabólicas
14. 13
Torres Espiadas:
𝐶𝑢𝑠𝑡𝑜 = 3500 + 300 ∗ ℎ
Localização Altura (m) Custo (€)
Montijo 10 65.00,00
Periscópio de Receção 5 5.000,00
Periscópio de Emissão 22,6 10.280,00
Fontanelas 30 12.500,00
Total 34.280,00
Tabela 8 - dados relativos aos custos das torres espiadas
Espelhos do Periscópio:
𝐶𝑢𝑠𝑡𝑜 = 2500 + 750 ∗ (𝐴 − 5)
Espelhos Periscópio Área (m2
) Custo (€)
Periscópio de Receção 24,6 17.185,00
Periscópio de Emissão 24,6 17.185,00
Total 34.370,00
Tabela 9 - dados relativos aos custos dos espelhos do periscópio
Emissor e Recetor:
Num terminal digital, o custo de um equipamento radioelétrico varia entre os 32500€ e os
35500€. Vamos utilizar o valor 33000€, pois é um valor considerado intermédio.
Abrigo e sistema de alimentação de energia:
Para um abrigo simples e para um sistema de alimentação de energia sem interrupções temos
o custo a variar entre os 50000€ e os 60000€. Vamos utilizar o valor 55000€.
15. 14
Custo para as duas localizações:
Montijo:
Identificação Custo (€)
Guia de Onda Elíptico 480,00
Antena Parabólica 7.834,38
Torre Espiada 6.500,00
Equipamento Radioelétrico 33.000,00
Abrigo e Sistema de Energia 55.000,00
Total 102.814,38
Tabela 10 - dados relativos aos custos totais no
Montijo
Fontanelas:
Informação Custo (€)
Guia de Onda Elíptico 480,00
Antena Parabólica 7.834,38
Torre Espiada 12.500,00
Equipamento Radioelétrico 33.000,00
Abrigo e Sistema de Energia 55.000,00
Total 108.814,38
Tabela 11 - dados relativos aos custos totais
em Fontanelas
16. 15
Custo do Periscópio:
Informação Custo (€)
Torre Espiada do Periscópio de Receção 5.000,00
Torre Espiada do Periscópio de Emissão 10.280,00
Espelho do Periscópio de Receção 17.185,00
Espelho de Periscópio de Emissão 17.185,00
Total 49.650,00
Tabela 12 - dados relativos aos custos totais do periscópio
Custo da Licença:
500 €
Total sem cargos de exploração anual e terrenos:
𝐶𝑜 = 261.778,75 €
Tendo em conta que os encargos de terreno e passagem e os encargos de exploração têm os
valores 0,16 e 0,21 respetivamente, é possível calcular os encargos anuais:
𝐸𝑥𝑝𝑙𝑜𝑟𝑎çã𝑜 = 261.778,75 ∗ 0,21 = 54.978,54 €
𝑇𝑒𝑟𝑟𝑒𝑛𝑜𝑠 𝑒 𝑝𝑎𝑠𝑠𝑎𝑔𝑒𝑚 = 261.778,75 ∗ 0,16 = 41.884,6 €
𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑒𝑛𝑐𝑎𝑟𝑔𝑜𝑠 𝑎𝑛𝑢𝑎𝑖𝑠 = 54.978,54 € + 41.884,6 € = 96.863,14 €
Assim, em 25 anos temos o total:
𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 25 𝑎𝑛𝑜𝑠 = 96.863,14 € ∗ 25 = 2.421.578,5 €
Taxa de utilização semestral:
𝑇𝑢 = 30 € * d[km] * LB[MHz] /feixe bidirecional/semestre
= 30 * 42.842 * 90 = 115.673,40 €/km/MHz
Desta forma, temos o valor de 231.673,80€/km/MHz para a Taxa de utilização anual.
Formula para cálculo do custo médio da utilização diária do sistema para transmissão de um
canal de televisão:
𝐶 𝑚 𝑖
𝑇𝑉
=
[𝐶0 (0.15 +
𝑗
1 − (1 + 𝑗)−𝑚) + 𝑇𝑢] (1 + 𝑖𝑛𝑓)𝑖
365
17. 16
Formula para cálculo do custo para receitas:
𝐶 𝑚 𝑖
𝑇𝑉
= [𝐶0 (0.15 +
𝑗
1 − (1 + 𝑗)−𝑚
) + 𝑇𝑢] (1 + 𝑖𝑛𝑓)𝑖
Formula para cálculo do custo diário médio para um canal:
𝐶 𝑚 𝑖
𝑇𝑉
=
[𝐶0 (0.15 +
𝑗
1 − (1 + 𝑗)−𝑚) + 𝑇𝑢] (1 + 𝑖𝑛𝑓)𝑖
365 × 38
Encargos de exploração anual:
Taxa de utilização anual + Valor encargos anuais = 231.673,80 + 96.863,14 = 328.536,94 €
Encargos de exploração em 25 anos:
Encargos de exploração anual * 25 = 328.536,94 * 25 = 8.213.423,5€
20. 19
FIGURA 11 - RECEITA AO FIM DE 25 ANOS
FIGURA 12 - DESPESA AO FIM DE 25 ANOS
0,00 €
100 000,00 €
200 000,00 €
300 000,00 €
400 000,00 €
500 000,00 €
600 000,00 €
700 000,00 €
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25
Receita
Receita
0,00 €
50 000,00 €
100 000,00 €
150 000,00 €
200 000,00 €
250 000,00 €
300 000,00 €
350 000,00 €
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25
Despesa
Despesa
21. 20
Reflexão Final
Durante a realização deste projeto, tivemos como principais dificuldades a utilização do
programa “Feixer”, pois este requer alguma atenção na introdução de dados.
Achamos pertinente a realização deste projeto, devido ao enriquecimento de conhecimentos
obtidos na ligação por feixer hertzianos.
Em relação aos custos deste projeto, concluímos que, para a implementação utilizada nesta
ligação de feixes Hertzianos, torna-se rentável a sua realização, uma vez que o investimento se
verifica inferior aos lucros obtidos ao fim dos 25 anos.
22. 21
Referencias Bibliográficas
Salema, Carlos. "Feixes Hertzianos", IST Press 2ª Edição – Outubro 2002.
Cercas, Francisco. Formulário de Sistemas de Telecomunicações Rádio.
(Disponibilizado no e-learning)