de Caatinga, como consequência, podem apresentar um perfil mais curto de atraso do sinal (Khawaja et al., 2019).
Este trabalho utilizou um VANT do modelo Phantom 3 Standard para realizar medições do sinal eletromagnético sobre as regiões citadas. Foram obtidas medidas do sinal com o VANT em movimento no canal Ar - Terra utilizando os módulos XBee. Um dos módulos foi fixado na estrutura da aeronave e o outro ficou em terra. Os dados medidos serviram para caracterizar o canal em função de desvanecimento de pequena e grande escala, usando estatística de primeira e segunda ordem.
1.2
Trabalhos relacionados
Foi realizado um levantamento de trabalhos sobre caracterização de canal utilizando VANTs. Para tal, foram utilizados os dois principais bancos de dados de trabalhos científicos (Web of Science e Scorpus), bem como uma busca livre no Google. Como resultado inicial, foi encontrado um trabalho recente (Khuwaja et al., 2018), do tipo survey, que catalogou os principais estudos feitos até 2018. A Tabela 1.1 foi reproduzida baseada em (Khuwaja et al., 2018).
Verifica-se na Tabela 1.1 que a grande parte dos trabalhos se concentra no estudo do desvanecimento plano. São feitos caracterização da perda de percurso, alguns dos estudos identificam a função de distribuição acumulada (CDF - Cumulative Distribution Function) e a função densidade de probabilidade (PDF - Probability Density Function) que melhor descrevem o canal. Poucos estudos utilizaram estatística de segunda ordem. Também é perceptível a falta de trabalhos sobre regiões de Caatinga e espelho d’água.
As características de propagação para sistemas celulares terrestres são frequentemente corroboradas por modelos empíricos e analíticos bem estabelecidos (Panagopoulos et al., 2004; Chini et al., 2010). No entanto, estes modelos muitas vezes podem não ser
6 CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO Tabela 1.1: Trabalhos em caracterização de canal com VANTs.
Trabalho Frequência UAV Cenário Altitude Estatísticas do Canal
(Simunek, Fontán and Pechac, 2013) 2 GHz Dirigível Urbano 100-170 m PDF, CDF, AFD, LCR, PSD, AF (Simunek et al., 2011) 2 GHz Dirigível Urbano 150-300 m PL
(Cai et al., 2017) 5.76 GHz
1,817 GHz Hexacoptero Suburbano 0-50 m
PL, SF, K, RMS, CDF
(Khawaja et al., 2016) 4,3 GHz Quadricoptero Campo Aberto,
Suburbano 4-16 m
PL, SF, µ, ε, PDF, CDF, RMS, BC (Goddemeier and Wietfeld, 2015) 2.4 GHz Hexacoptero Laboratório,
Ar Livre 10-40 m
PL, PAS, K, PDF (Yanmaz et al., 2013) 802.11a Quadricoptero Campo aberto 15-110 m PL, PAS, CDF (Yanmaz et al., 2011) 802.11a Quadricoptero Campo aberto,
Área de campo 20-100 m PL (Cheng et al., 2006) 802.11a Asa Fixa Aeródromo 46 m PL (Hague et al., 2006) 802.11a/g,
900 MHz Asa Fixa Aeródromo, Rural
46 m, 107-274 m PL (Goddemeier et al., 2010) GSM, UMTS Asa Fixa,
Balão de captação Urbano, Rural 0-500 m PL (Tavares et al., 2015) GSM, UMTS,
LTE Balão meteorológico Urbano 11-18 m PL (Amorim et al., 2017) LTE (800 MHz) Hexacoptero Rural 15-100 m PL, SF (Al-Hourani and Gomez, 2018) LTE (850 MHz) Quadricoptero Suburbano 15-120 m PL, SF (Simunek, Fontan, Pechac and Otero, 2013) 2 GHz Dirigível Urbano,Região Arborizada 100-170 m CDF, DG,
AFD, LCR (Simunek, Pechac and Fontan, 2013) e
(Gutierrez et al., 2017) 5,8 GHz Octocoptero Residential -
RMS, DS, CDF (Kung et al., 2010) 802.11b/g Asa Fixa Região agrícola 75 m AF, DG (Qualcomm, 2017) PCS, AWS,
700 MHz Quadricoptero Mix suburbano 122 m PL, CDF (Afonso et al., 2016) EDGE, HSPA+,
LTE Hexacoptero - 10-100 m RTT, J (Teng et al., 2017) 909 MHz Quadricoptero Campo Aberto,
Vila Simulada 40-60 m PL, PES AF: Correlation function, AFD: Average fade duration, BC: Coherence bandwidth,
CDF: Cumulative distribution function, DG: Diversity gain, DS: Doppler spread, J: Jitter, K: Rician factor, LCR: Level crossing rate, PAS: Power azimuth spectrum, PDF: Probability density function,
PDP: Power delay profile, PES: Power elevation spectrum, PL: Path loss, RMS: RMS delay spread, RTT: Round trip time, SF: Shadow fading, e µ, ε: Mean and standard deviation of Nakagami m factor.
Fonte: (Khuwaja et al., 2018)
adequados para caracterizar o canal de propagação dos VANTs, devido as características exclusivas dos mesmos. Os sistemas de comunicações móveis usados por VANTs podem apresentar as seguintes características:
• Canais distintos: Canais terra-ar e ar-ar; • Altitude do VANT;
• Vegetação; • Espelho d’água;
• Mudança brusca de velocidade;
• A presença do sombreamento causado pela estrutura drone;
1.2. TRABALHOS RELACIONADOS 7 VANT.
Similar aos sistemas celulares, modelos analíticos (e/ou empíricos) confiáveis são necessários para avaliar o desempenho de diferentes técnicas de comunicação sem fio para VANTs. No contexto dos canais Ar-Terra de VANTs, as abordagens para a caracterização do canal podem ser classificadas em três abordagens:
• A primeira abordagem é desenvolver modelos determinísticos que se valem de leis do eletromagnetismo para estimar o nível da potência do sinal de RF na recepção. Especificamente para drones, são considerados a altitude do VANT e o ângulo de elevação do solo. Alguns trabalhos exploram os modelos com estas características como (Daniel et al., 2010; Feng, McGeehan, Tameh and Nix, 2006), enquanto outros, as condições de propagação (Feng, Tameh, Nix and McGeehan, 2006; Al-Hourani, Kandeepan and Jamalipour, 2014). Outros trabalhos fornecem uma análise de cobertura para o posicionamento ideal dos VANTs (Al-Hourani, Kandeepan and Lardner, 2014; Akram et al., 2016). Tais análises usam ferramentas matemáticas como: GTD (Geommetrical Theory of Diffraction), UTD (Uniform Theory of Diffraction), FEM (Finite Element Method) e FDTD (Finite Difference Time-Domain). O maior problema desses modelos é alto poder computacional necessário para os cálculos (Pinheiro, 2012);
• A segunda abordagem é desenvolver um modelo TDL (Tapped Delay Line) para caracterizar os componentes do multipercurso. Isso fornece os parâmetros para classificar os canais como seletivos em frequência, e obter sua resposta ao impulso (Matolak and Ruoyu, 2017a; Matolak and Ruoyu, 2017b);
• Na terceira abordagem, se considera que modelos analíticos isolados nem sempre descrevem o comportamento real do canal de propagação, devido à suposições realistas deficientes. Portanto, estudos empíricos iniciados por campanhas de medição são essenciais. A maioria dos trabalhos relatados na literatura
8 CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO (Holzbock and Senninger, 1999; Rice et al., 2004) é pertinente à caracterização do canal Ar-Terra com base em campanhas de medição lançadas com aeronaves tripuladas. É evidente a partir dos estudos em (Simunek, Fontán and Pechac, 2013; Al-Hourani and Gomez, 2018), que o impacto das aeronaves é significativo para as características do canal de comunicações por VANTs. Além disso, menos esforços de pesquisa têm sido feitos para lidar com o sombreamento induzido nos canais Ar-Terra pela estrutura e manobras do VANT.
Embora encontrada uma vasta literatura disponível sobre a caracterização de canal utilizando drones, os trabalhos estão concentrados em regiões urbana e suburbana. Há falta de contribuições que discutam a caracterização de canal para área com presença de água, como lagos, e com vegetação da Caatinga (poucas folhas no período sem chuvas, e com árvores cobertas de folhas no período chuvoso). Nesse contexto, este trabalho busca contribuir com a discussão das seguintes questões:
1. Qual a melhor função distribuição de probabilidade (CDF) para caracterizar o desvanecimento de pequena escala nos ambientes medidos?
2. O canal segue uma única CDF, mesmo para diferentes altitudes do VANT?
3. O canal segue uma única CDF, mesmo para ambientes distintos (Caatinga e espelho d’água)? Se sim, quão diferentes são os parâmetros da distribuição para os diferentes ambientes?
4. A velocidade do VANT influencia na escolha da CDF?
5. Qual comportamento da perda de percurso em uma região com espelho d’água e Caatinga, considerando velocidades e alturas diferentes?
6. Modelos clássicos como o LCR e o AFD conseguem estimar a frequência Doppler máxima do canal com precisão, e consequentemente, a velocidade do VANT? a precisão da estimativa muda com o ambiente?
1.2. TRABALHOS RELACIONADOS 9 espelho d’água)?
Este documento é divido nos seguintes capítulos:
• Capítulo 1: Aborda a introdução ao problema, a importância de modelar canal de comunicação móvel, bem como apresenta os trabalhos relacionados e as contribuições esperados do trabalho;
• Capítulo 2: Aborda a fundamentação teórica da propagação em um sistema de comunicação móvel, destacando a caracterização de canal do desvanecimento de larga e pequena escalas;
• Capítulo 3: Aborda a metodologia utilizada neste trabalho. São apresentados o setup de medição, o VANT utilizado no trabalho, a configuração dos softwares necessários e algumas métricas que se pretende explorar no pós-processamento dos dados coletados;
• Capítulo 4: Apresenta os testes de validação e os resultados simulados.
• Capítulo 5: Aborda a realização da campanha de medição em seus diferentes cenários, o processamento dos dados e os resultados obtidos.
• Capítulo 6: São apresentadas as principais conclusões a respeito das questões levantadas no inicio deste trabalho.
Capítulo 2
Fundamentação teórica
Este capítulo apresenta a fundamentação teórica sobre caracterização de canal sem fio móvel, focando nas principais manisfestações físicas e modelos.
2.1
Sistema de comunicação móvel
Um sistema de comunicação móvel sem fio se caracteriza pelo movimento do transmissor e/ou do receptor no momento da comunicação. Além do efeito Doppler causado pela mobilidade, a presença de obstáculos entre transmissor e receptor também é um fator importante, pois causa espalhamento no sinal transmitido. Esses dois fatores não atuam isoladamente, pois mesmo sem a mobilidade dos nós de comunicação, é possível verificar consequências similares ao Doppler, se os objetos que espalham o sinal estiverem em movimento. Dessa forma, a envoltória do sinal no ponto da recepção tem amplitude aleatória e de difícil predição (Silva, 2004).
De maneira clássica, um sistema de comunicação pode ser visto como uma sequência encadeada de camadas, em que cada camada desempenha processos específicos e com objetivos distintos. Essa maneira de organizar o sistema de comunicação traz a vantagem de dividir as especificações para cada bloco do sistema, modularizando as soluções. De forma geral, um sistema de comunicação móvel pode ser ilustrado como nas Figuras 2.1 e 2.2.
12 CAPÍTULO 2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA Figura 2.1: Componentes básicos do sistema de transmissão.
Fonte: Figura adaptada de (Haykin and Moher, 2011).
Figura 2.2: Componentes básicos do sistema de recepção.
Fonte: Figura adaptada de (Haykin and Moher, 2011).
Tanto no transmissor quanto no receptor, o bloco Pilha de protocolos é responsável por tarefas vinculadas à transmissão da informação em rede (por meio de vários nós de comunicação). Em um sistema baseado em chaveamento de pacotes, esse bloco é responsável pela organização lógica da informação, seu empacotamento e identificação, por empregar protocolos de garantia de entrega de pacotes, e pela padronização da comunicação entre os aplicativos do sistema e a interface de rádio. Além de organizar os dados em pacotes de tamanho fixo, o bloco Pilha de protocolos entrega dados a serem transmitidos pelo sub-sistema de RF, o qual é destacado separadamente na ilustração da Figura 2.11. Já nos demais blocos (do Modulador à Antena), a informação é impressa sobre uma portadora de frequência específica, resultando em um sinal elétrico. Tal sinal é amplificado e alimentado em uma antena. Esses blocos processam o sinal de maneira a
1Na verdade, os processos de Modulação, Conversão ascendente e filtro, Amplificação e Estágio
de RF fazem parte de uma das camadas da pilha de protocolos, a Camada Física. Nas Figuras 2.1 e 2.2, decidiu-se destacar separadamente alguns blocos dessa camada, principalmente aqueles mais vinculados ao tema da dissertação.
2.2. DESVANECIMENTO DE LARGA ESCALA 13