Ferramenta de predição para otimização da cobertura de rede celular

Ferramenta de predição para otimização da cobertura de
rede celular
Cristiano de Andrade Leite
Orientador: Stanley Loh
Universidade Luterana do Brasil (ULBRA) – Curso de Sistemas de Informação
[email protected]
Resumo. A complexidade do planejamento das redes móveis celulares tem
sido o grande desafio para os Engenheiros de telecomunicações. Atualmente,
no Brasil, as redes são compostas por diferentes tecnologias, como GSM e
3G, e ainda é possível encontrarmos operadoras mantendo tecnologias como
TDMA e CDMA. A combinação de todas essas tecnologias num mesmo
espectro de freqüência é um desafio complexo e que se tornou ainda mais
dispendioso diante de novas leis municipais, os chamados planos diretores,
que restringem a instalação das estações de distribuição de sinal. As
tecnologias de geoprocessamento têm oferecido soluções que combinadas a
conceitos de Engenharia poderão gerar ferramentas para modelar os mais
complexos projetos de radiofreqüência, permitindo a inserção de premissas de
projetos e simulações de design de rede que favorecerão a tomada de
decisões. Desta forma, este artigo abordará os principais conceitos de
transmissão de sinais de radiofreqüência, dentro do contexto de telefonia
móvel, bem como as tecnologias disponíveis para compor uma ferramenta
computacional de predição de cobertura de redes moveis capaz de revelar
deficiências que possivelmente seriam percebidas somente após a instalação
dos sistemas de transmissão.
Palavras chave: GIS, Predição, Google Earth, KML, Cobertura Celular,
Sistemas móveis.
1
Introdução
A expansão acelerada das redes móveis tem demandado projetos que nem sempre
atendem aos objetivos gerados pelas áreas de planejamento no que tange a cobertura de
rede, objetivos de negócio ou legislações vigentes. Para o atendimento dessas metas
seria de muita relevância que fossem disponibilizadas ferramentas capazes de prover um
ambiente de simulação, onde fossem gerados modelos de teste para otimização desses
projetos.
O desenvolvimento deste trabalho concentra-se em apresentar uma proposta da criação
de uma ferramenta de predição da cobertura para uma rede celular, baseada na
utilização da tecnologia de geoprocessamento, com uma base de dados extraída do
planejamento de rede e projetada sob modelos de propagação em mapas de relevo. A
estrutura a ser construída terá seu foco voltado ao mercado de telecomunicações,
aplicado ao contexto da área de Engenharia de radiofreqüência de uma operadora de
telefonia móvel.
1
Com uma visualização prévia da área de cobertura, o engenheiro projetista poderá
redefinir variáveis do sistema que permitam o seu refinamento, de forma a atender
determinados critérios de qualidade da cobertura, exigida pela operadora ou por
organismos reguladores, como a ANATEL (Agência Nacional de Telecomunicações).
Sendo assim, este documento apresenta um capítulo com o embasamento teórico das
técnicas de Engenharia aplicadas a propagação de sinais e introduz as técnicas de
manipulação de dados, com o padrão KML (Keyhole Markup Language), para
navegadores de mapas como o Google Earth.
2
Referencial Teórico
Neste capítulo pretende-se abordar os conceitos relacionados aos objetivos deste
trabalho. Sendo assim, apresenta-se o embasamento teórico em forma de revisão dos
conceitos relacionados a Comunicações Móveis, Geoprocessamento, utilização da
formatação KML para gerar referências em mapas na ferramenta Google Earth, bem
como das tecnologias que estão ligadas a esta.
2.1
2.1.1
Mecanismos Básicos de Propagação
Canal de comunicação móvel
Um sistema de comunicação é composto por três elementos: a transmissão, a recepção e
o meio, denominado canal, por onde a informação viaja desde o transmissor até o
receptor. O meio pode ser de dois tipos: confinado ou não confinado. No tipo
confinado a informação é transmitida de forma confinada em um determinado meio
como uma fibra óptica, par trançado, cabo coaxial, etc. O tipo não confinado é
representado basicamente pelo ar, sendo normalmente chamado canal de rádio.
A definição de canal de comunicação móvel estende a definição de meio não confinado,
com a peculiaridade da mobilidade, ou seja, o elemento transmissor e ou o receptor não
possuem uma posição permanentemente fixa. Por apresentar um padrão estocástico,
uma vez que não se pode prever o caminho seguido pelo usuário ou mesmo à existência
de obstáculos no seu caminho, o canal pode ser observado através de variações no nível
de sinal do receptor [4].
2.1.2
Onda eletromagnética
É constituída de um campo elétrico e de um campo magnético, a intensidade destes
campos varia com o tempo. Os dois vetores, campos elétrico e magnético, são
ortogonais entre si e perpendiculares à direção de propagação da onda. A oscilação de
cada um deles é representada por uma senóide, que apresenta, ciclicamente os máximos
e mínimos. A distância entre dois máximos ou dois mínimos consecutivos é
denominada comprimento de onda (λ). O número de máximos ou de mínimos que
durante certo intervalo de tempo, passa por um ponto determina a frequência da onda. A
onda eletromagnética propaga-se no vácuo com a velocidade da luz [5].
2.1.3
Onda portadora
Para realizar a transmissão da informação p elo canal de comunicação móvel, utiliza-se
a chamada onda portadora. Ela é constituída por um sinal senoidal com três variáveis:
2
amplitude, freqüência e fase. Por definição esse sinal existe ao longo de todo o tempo,
ou seja, com “t” variando de -∞ a +∞ [5].
2.1.4
Modulação
A informação não pode ser enviada diretamente pelos canais de transmissão, para isso é
utilizada uma técnica conhecida como modulação, nela uma onda portadora, cujas
propriedades são mais adequadas aos meios de transmissão é modificada para
representar a informação que se deseja transmitir. A Modulação pode ser definida como
a alteração sistemática de uma onda portadora de acordo com sinal modulante, podendo
ainda incluir alguma forma de codificação. O sinal modulante é a própria informação
que se deseja transmitir [5].
2.1.5
Propagação no Espaço livre
A propagação no espaço livre pressupõe um sistema de comunicação com transmissor e
receptor no espaço livre. Assume ainda como premissa que as antenas de transmissão e
recepção possuem ganho unitário. Desta forma determinou-se que a diferença entre a
potência transmitida e a recebida caracteriza a perda devido à dispersão da energia da
onda pelo meio. Essa perda é chamada atenuação no espaço livre e existem em todos os
enlaces de radiocomunicações [4].
As equações 1 e 2 são utilizadas para os cálculos de atenuação de enlaces no espaço
livre, as equações são iguais, apenas a unidade de freqüência pode se transformada para
aquela que for mais adequada à aplicação.
Equação 1. A0[dB]=32.4 + 20log f[MHz] + 20log d[km]
Equação 2. A0[dB]=92,5 + 20log f[GHz] + 20log d[km]
2.1.6
Reflexão
Reflexão é a modificação da direção de propagação de uma onda que incide sobre uma
superfície que separa dois meios diferentes e retorna para o meio principal. Na
ocorrência de reflexão o fenômeno de multivias é observado e conseqüentemente haverá
interferência na recepção entre raios que percorrem caminhos de comprimentos
diferentes [6].
Se essas reflexões ocorrerem em regiões muito planas o sinal refletido terá um nível
comparável com o sinal direto, de forma que poderá causar uma atenuação muito grande
do sinal resultante na recepção, dependendo da diferença de fase entre os dois sinais [6].
O estudo da reflexão é complexo e despende um grande trabalho de análise de relevo do
solo ao longo do percurso do enlace.
2.1.7
Refração
A refração é a mudança de direção de uma onda que ocorre quando ela penetra em outro
meio. Se a direção do raio formar exatamente um ângulo reto com a superfície, não há
refração, mas em todos os outros casos, o raio é inclinado em relação à normal (uma
linha imaginária perpendicular a superfície) quando penetra em um meio mais denso e
será inclinado novamente quando dela se afastar após ser refratado.
3
O ângulo formado entre a normal e o raio é chamado de ângulo de refração, e esta
relacionado ao engulo de incidência por uma grandeza chamada índice de refração. A
refração ocorre porque as ondas viajam a velocidades ligeiramente diferentes em meios
variados, e isto se aplica a todas as formas de radiação [6].
2.1.8
Difração
O fenômeno da difração pode ser explicado pelo Principio de Huygen, que diz que
todos os pontos de um frente de onda podem ser considerados como uma fonte de ondas
secundárias que se combinam para formar uma nova onda frente de ondas. Para
compreensão e cálculo do valor mediano da atenuação causada pelo fenômeno da
difração pode-se utilizar o conceito óptico-geométrico de Fresnell, chamado de Zonas
Elipsóides de Fresnell [6].
Figura 1: Difração com um obstáculo
2.2
Modelos de Predição Padronizados
Devido ao fato de o canal móvel ser aleatório apresentando variabilidade de acordo com
a condição de ambiente onde o sinal se propaga, é necessário desenvolver modelos de
predição do sinal que considere aspectos do canal rádio móvel, de tal forma que se tenha
uma alta probabilidade de o enlace atender as necessidades dos sistemas de
comunicação, na área de cobertura e durante uma boa porcentagem do tempo.
2.2.1
Modelo de Okumura
O Modelo de Okumura [1] é um dos modelos clássicos utilizados para a predição do
sinal em sistemas móveis. Este modelo é aplicável para a faixa de freqüências de 150
MHz a 3 GHz e para células de 1 km a 100 km. O trabalho de Okumura foi baseado em
um levantamento empírico de curvas de atenuação na cidade de Tókio em um sistema
de comunicações móvel.
Foram realizadas exaustivas medidas considerando as seguintes condições:
• Área urbana; altura da estação base = 200 m; altura da estação móvel = 3 m,
terreno quase plano; trajeto do enlace composto somente por terra.
O resultado do trabalho de Okumura é uma série de gráficos de curvas de atenuação e
fatores de correção. Este modelo é muito utilizado na fase inicial do projeto, onde não
há necessidade de cálculos rigorosos [7].
4
2.2.2
Modelo Hata (Okumura-Hata)
Apesar da praticidade, o modelo de Okumura não foi projetado para uso computacional,
pois envolve a análise de curvas. Dessa forma, Hata [2] desenvolveu uma solução
analítica para o modelo de Okumura, apresentada nas equações de 3.0 a 3.4.
Estas equações facilitam o trabalho de informatização do cálculo da atenuação mediana,
podendo ser utilizado também em programas de predição de cobertura [7].
Amu[dB] = 69.55 + 26.16 log f[MHz] – 13,82 log hb[m] – a(hm) + [44.9 - 6.55hb[m]] log d[km]
Equação 3.0: valor da atenuação mediana urbana, incluída a atenuação do espaço livre.
8.29[log(1.54hm)]² - 1.1, f ≤ 300 MHz
a (hm) =
3.2[log(11.75hm)]² - 4.97, f ≤ 300 MHz
Equação 3.1: valor da atenuação para cidade grande.
a (hm) = [1.1 log f [MHz] – 0.7] hm – [1.56 log f[MHz] – 0.8]
Equação 3.2: valor da atenuação para cidade média ou pequena
Ams[dB] = Amu[dB] – 2[log(f[MHz]/28)]² - 5.4
Equação 3.3: sistemas de ambientes suburbanos
Amr[dB] = Amu[dB] – 4.78(log f[MHz])² - 18.33log f[MHz] – 40.98
Equação 3.4: ambientes rurais ou áreas desobstruídas.
2.2.3
Modelo Hata Estendido
O modelo Hata-Okumura [3] permite a predição da área de cobertura para sistemas de
150 a 1500MHZ. Esta limitação exclui um importante serviço de comunicações móveis
situado na faixa de 1800MHZ. Desta forma, a comunidade européia, através do
programa EURO-COST (European Co-operative for Scientific and Technical Reserch),
propôs o Modelo Hata Estendido que permite o cálculo da atenuação na faixa de
freqüência de 1500MHZ ≤ f ≤ 2000MHZ. A expressão para o cálculo da atenuação é
dada pela equação abaixo:
Amu[dB] = 46.3 + 33.9 log f[MHz] – 13,82 log hb[m] –a(hm) + [44.9 – 6.55hb[m]] logd[km] + Cm
Para áreas suburbanas e de tamanho médio, Cm assume o valor de 0dB e para centros
metropolitanos utiliza-se 3dB [4].
2.3
SIG
Um SIG, Sistema de informações geográficas, ou GIS (Geographic Information System)
numa definição de sentido mais restrita, é um sistema composto por um conjunto de
hardware, software, usuário, dado e metodologia ou técnicas de análise, que permite o
uso integrado de dados georreferenciados para uma finalidade específica. Com o
desenvolvimento da informática e de modelos matemáticos para aplicação da
5
cartografia em meio computadorizado, os SIG foram se tornando populares, com
interfaces de fácil utilização e customização.
2.3.1
Google Earth
O Google Earth é uma ferramenta de pesquisa e apresentação de dados geográficos.
Uma forma de browser que permite viajar por mapas do globo terrestre com relevo,
visualizando lugares, marcando pontos de interesse, compartilhando informações. Essa
ferramenta permite a importação de bases de dados, possibilitando uma ampla
customização dos recursos disponíveis. O aplicativo é um cliente web (localizado no
seu computador) que se comunica através da Internet com um grande número de
servidores web.
Normalmente, um cliente web se comunica com um servidor web através de HTTP.
Quando o cliente emite um pedido, na verdade ele envia uma requisição HTTP GET,
um comando para o servidor. Este comando inclui o nome do arquivo ou solicita outras
informações relevantes. O arquivo pedido no servidor da web pode ser um programa ou
script que está escrito em uma linguagem como HTML, Perl, JavaScript, PHP, MySQL
ou XML. Estes programas usam CGI (Common Gateway Interface) que é uma norma
para escrever aplicações que rodam em servidores web [8].
2.4
KML
KML (Keyhole Markup Language) é um formato de dados XML usado para exibir
informações geográficas. Assim como um navegador web lê e exibe arquivos HTML,
um navegador Earth, como o Google Earth, lê e exibe arquivos KML. KML é uma
linguagem legível, composta de texto e pontuação. O arquivo pode ser criado e editado
com um editor de texto básico e então exibido em um navegador [8].
2.4.1
KML: um padrão internacional
O padrão KML foi originalmente criado em 2001 por um uma companhia chamada
Keyhole como um formato de dados para o navegador Earth Viewer. Desde então tem
evoluído para um padrão internacional de apresentação visual de informações
geográficas. Seu nome oficial é OpenGIS KML 2.2 Encoding Standard(OGC KML),
que é controlada pela Open Geospatial Consortium[8].
Este trabalho utilizará como navegador o Google Earth. Entretanto, o KML é suportado
por uma grande variedade de aplicações, incluindo o Microsoft Virtual Earth, Microsoft
WorldWide Telescope, NASA WordWind, ESRI ArcGIS Explorer, Google Maps,
Adobe PhotoShop, Autodesk Auto CAD, and Yahoo! Pipes. A lista de navegadores,
aplicações de mapas e dispositivos móveis que suportam KML cresce diariamente.
2.4.2
Estrutura do Arquivo
Todo arquivo KML começa necessariamente com as duas linhas apresentadas abaixo:
<?xml version=”1.0” encoding=”UTF-8”?>
<kml xmlns=”http://www.opengis.net/kml/2.2”>
Ele pode conter somente um elemento <kml> que deverá ser fechado </kml> ao final do
arquivo. O arquivo também contém elementos <Placemark>, marcador, que possui
6
outros três elementos filhos. Os colchetes angulares < > indicam os nomes desses
elementos:
• <name> Etiqueta do marcador.
• <description> Texto (e opcional imagens) que provê informações adicionais
sobre o marcador. Essa descrição aparece no balão de informação que é
apresentado na forma de pop up quando o usuário pressionar na etiqueta do
marcador no painel de lugares ou no ícone do marcador no visualizador do
Google Earth [8].
• <Point> Contém o elemento <coordinates> que armazena os valores para a
longitude, latitude e altitude do marcador.
Figura 2: Tela principal do navegador Google Earth com marcadores e suas principais
informações.
2.4.3
Elementos Simples ou Complexos
Quando um elemento inicia por letra maiúscula, ele é um elemento complexo. Isto
significa que ele pode conter outros elementos. Por exemplo, o <Point> é um elemento
complexo que contém o elemento simples <coordinates>.
Os elementos Simples iniciam por letras minúsculas, eles não podem conter outros
elementos e contêm somente caracteres de dados (em termos XML: letras, dígitos) [8].
2.4.4
Placemarks (Marcadores)
O elemento <Placemark> é utilizado para marcar um ponto de interesse na superfície da
Terra. Para criar um marcador simples – com um nome, descrição, ponto de vista
específica e localização – utiliza-se a interface de usuário de uma aplicação como o
Google Earth conforme se pode observar na figura 2.
2.4.5
Placemarks com Points
Atualmente é muito comum a utilização de elementos <Placemark> com um elemento
filho <Point>. Desta maneira é possível desenhar um ícone e uma etiqueta em visão 3D
no Google Earth. Um marcador pode conter um ou mais elementos geométricos, como
7
uma <LineString>, <Polygon> ou <Model>. O elemento geométrico em um
<Placemark> é opcional, mas se for omitido, o balão irá flutuar na visualização 3D. [8]
2.4.6
Balloon (Balões de Informação)
No Google Earth um balão de informação inclui os seguintes elementos:
• O elemento <name>: em negrito.
• O marcador <description>: links para direção com sentido de –> para.
O balão padrão tem fundo branco e uma extremidade que aponta para as coordenadas do
marcador, se for incluído um elemento <Point>. A figura 2 apresenta um exemplo de
balões [8].
2.4.7
Ícones Customizados
Para adicionar ícones customizados é utilizado o elemento <IconStyle>, com ele se
pode especificar uma imagem para ser usada como ícone. Também é possível
especificar um dos ícones padrão do Google Earth na web. Se o arquivo escolhido foi
fornecido pelo usuário será necessário incluí-lo no arquivo KMZ, ou posta-lo em um
web Server.
2.4.8
ViewPoint
Quando o usuário faz um duplo clique em um marcador, o Google Earth
automaticamente faz uma aproximação direta sobre o marcador. Esta aproximação pode
ser controlada especificando o elemento <LookAt> ou <Camera> que define o exato
ponto de vista de interesse [8].
2.4.9
O elemento LookAt
Este elemento descreve um ponto de vista usando um ponto de referência na superfície
da Terra. Os elementos filhos para <LookAt> são descritos a seguir:
• <longitude> A longitude do ponto em que o ponto de vista está olhando.
• <latitude> A latitude do ponto em que se está olhando.
• <altitude> Distância da superfície da Terra em metros.
• <heading> Direção (Norte, Sul, Leste, Oeste) em Graus.
• <tilt> Ângulo entre a direção da posição de LookAt e a superfície normal da
Terra. Um valor de 0 ° indica uma vista de cima olhando para baixo. Um <tilt>
com valor de 90° indicada uma vista ao longo do horizonte.
• <range> Distância de um ponto específico pela <longitude>, <latitude> e
<altitude>, unidade em metros.
• <altitudeMode> Especifica como a <altitude> definida será interpretada. Os
valores possíveis são: clampToGround, relativeToGround e Absolute.
2.4.10 Geometria
Um marcador pode conter um <Point> que define a sua localização geográfica. Além
disso, ele pode conter qualquer membro de uma família de elementos geométricos ou a
combinação dos seguintes elementos: <Point>, <LineString>, <LinearRing>,
<Polygon>, <MultiGeometry> e <Model> [8].
Um elemento de geometria define a forma fundamental do objeto associado a um
marcador. No caso de um <Point>, <LineString>, ou <Polygon>, as coordenadas da
8
geometria definem a sua forma. A forma de um <Model> é definida por um conjunto de
coordenadas contidas em um arquivo externo. Outros elementos que podem afetar a
forma são os seguintes: <altitudeMode> que indica como interpretar a altitude,
<extrude> define se a forma deve ser estendida para o chão, e <tessellate> que
especifica se as longas sequências de linhas devem ser subdivididas em segmentos
menores para que eles possam seguir a curvatura da Terra.
2.4.10.1 Coordenadas
O elemento <Point> contém um elemento filho, <coordenadas>, que especifica a
longitude, latitude e altitude da sua posição [8].
• Longitude: As linhas de longitude correm do Norte para o Sul, com 0° definido
pelo Meridiano Principal, Greenwich na Ingalterra. Os valores da longitude vão
de 0 até 180°, viajando de Leste ou Oeste do Meridiano Principal.
•
Latitude: As linhas vão de Leste para Oeste, com 0 Graus definido pela linha
do Equador. Os valores da latitude vão de 0 até 90° do Equador para o Pólo
Norte e de 0° até 90° do Equador para o Pólo Sul.
•
Altitude: O valor da altitude define a localização de um ponto acima do nível do
mar. Ele é expresso em metros e sua especificação é opcional.
2.4.10.2 Line Strings
Uma <LineString> é a coleção de dois ou mais valores de coordenadas. Cada
coordenada na série é conectada para a próxima por um segmento de linha.
2.4.10.3 Polygons
Polígonos são formas fechadas compostas por três ou mais segmentos de linha. As faces
de um polígono podem ser coloridas. A figura 3 apresenta um exemplo da utilização de
polígonos.
Figura 3: Exemplo de aplicação de polígonos.
9
2.4.10.4 Simple Polygon
Um polígono simples possui um outer boundary, que é um conjunto de coordenadas
que começa e termina no mesmo ponto, na mesma coordenada, de maneira a fechar um
loop. São elementos importantes do polígono: <description> inclui um padrão de tabela
HTML com quatro linhas (que usam a tag <tr>) e duas colunas (que usam a tag <td>),
<Style> inclui o elemento <LineStyle> que especifica linhas brancas para o contorno do
polígono e um elemento <PolyStyle> que especifica a cor de preenchimento para a face,
e o <Polygon> que contém os elementos <outerBoundaryIs>, <LinearRing> e
<coordinates>, esses definirão a geometria do marcador.
2.4.11 Network Links
Um Network Link contém o URL de outro arquivo KML ou KMZ. Quando o Google
Earth abrir o arquivo KML fonte, ele também irá recuperar e carregar o arquivo KML
referenciado no elemento <NetworkLink>. Network links são úteis em um muitos casos
diferentes:
•
Quando os dados mudam frequentemente, o recurso de intervalo de atualização
facilita exibição dos dados atualizados.
•
Para conjuntos de dados muito grandes, o recurso de região permite que se
controle quais as partes do conjunto de dados são mostrados em uma
determinada visão.
•
Quando já foi enviado uma grande quantidade de dados, se pode usar o recurso
de atualização para fazer pequenas mudanças com os dados já obtidos.
2.4.12 Updating KML
O recurso de Update é útil quando já foi transmitido uma grande quantidade de dados
usando um Network Link e subsequentemente se deseja alterar uma pequena quantidade
desses dados . Existem três tipos de atualização: Create, Change e Delete.Um elemento
<NetworkLinkControl> pode especificar um número qualquer de cada um desses tipos,
assim a atualização será realizada na ordem em que foram listadas no elemento.
3
Ferramentas de Predição Existentes
O mercado oferece algumas ferramentas de predição para planejamento e otimização de
redes. Atualmente as mais utilizadas são: o ASSET, desenvolvida pela Aircom
International, o NetAct Planner, criado pela Nokia e o A9955 Radio Network Planning
Tool desenvolvido pela Alcate-Lucent. Suas capacidades avançadas de concepção de
rede permitem automatizar tarefas demoradas como a configuração de localização das
torres, planejamento de tráfego, análise de rede, dimensionamento da rede e
planejamento de parâmetros.
3.1
Descrição de Funcionamento
A dinâmica de funcionamento das ferramentas é muito semelhante, sendo o
aprimoramento do algoritmo de predição o maior diferencial entre elas. As ferramentas
trabalham com dados reais da rede celular, devem ser fornecidos parâmetros como, a
localização geográfica da torre (latitude e longitude), altura do sistema irradiante,
10
modelo e ganho das antenas, azimute das antenas, potência de transmissão, modelo de
ambiente (área rural, urbana, urbana densa), entre outros. No projeto de um sistema
celular é utilizado um mapa com o relevo da região informada, sobre esse mapa são
plotadas áreas coloridas que representam a predição dos níveis desejados de sinal
celular. A figura 4 apresenta um exemplo do resultado gerado pela ferramenta após o
processamento de um projeto, as diferentes cores representam os diferentes níveis de
intensidade de sinal calculados pela ferramenta.
Figura 4: Exemplo do resultado de uma predição gerada pelo ASSET.
3.2
Análise das Ferramentas Existentes
As ferramentas disponíveis no mercado têm foco no planejamento de rede, ou seja,
planejar as novas estações de transmissão que são chamadas Site. As principais
diferenças entre os fabricantes dizem respeito às customizações dos diagramas de
propagação, bases de dados geográficos e interfaces gráficas de operação.
Todas as ferramentas apresentadas manipulam modelos criados a partir de mapas, não
são utilizados mapas convencionais, como por exemplo, o Google Earth. Esse detalhe é
importante, porque um dos requisitos desejados da ferramenta a ser desenvolvida é a
localização dos Sites. Ela consiste em indicar no mapa o ponto exato onde se encontra a
torre de transmissão. Isso permitirá uma visualização macro da região em estudo que
poderá ainda ser enriquecida com dados de localização de empresas sediadas em torno
do Site e qual o tipo de serviço elas utilizam.
11
4
S OLUÇÃO P ROPOSTA
A proposta deste trabalho concentra-se em apresentar uma solução com a criação de
uma ferramenta de predição de cobertura para uma rede celular. Com o foco do sistema
voltado para otimização da cobertura da rede, tendo como objetivo auxiliar a área de
Engenharia de Radiofreqüência (RF) de uma operadora de telefonia móvel no processo
de otimização de cobertura celular.
4.1
Processo Atual
A Figura 5 apresenta o processo de otimização, executado pelo Engenheiro de
Radiofreqüência. No processo são seguidas as etapas do Planejamento de Rede, elas
definem os objetivos do novo Site e sua implantação. Os objetivos podem ser dois tipos:
aumento da área de cobertura ou aumento de capacidade de trafego. Para o objetivo de
aumento da cobertura é desejável que não ocorra sobreposição de sinal para um mesmo
usuário. No caso do aumento de cobertura, é desejável que os sinais transmitidos por
diferentes sistemas sejam recebidos por um mesmo usuário, ou seja, se sobrepõem em
alguns pontos. Para ambos os casos, é necessário iniciar um processo de ajustes para
melhoria da cobertura dos Sites que são vizinhos ao novo instalado na rede. Esse
processo é denominado otimização.
O responsável por executar essa atividade é o Engenheiro de RF, ele dispõe de uma
amostragem da cobertura gerada a partir de medições de sinal obtidas por uma atividade
conhecida como Drive Test. Como o próprio nome sugere, no Drive Test, um carro
equipado com vários aparelhos celulares, conectados a um sistema de coleta de dados,
circula por vários pontos no entorno do novo Site fazendo medições dos níveis de sinal
que são recebidos. O sistema tem capacidade de registrar até seis dieferentes sinais
recebidos e seus respectivos níveis.
De posse desses dados o Engenheiro poderá realizar uma comparação entre os níveis de
sinal registrados pelo sistema de Drive e a cobertura prevista. Essa comparação será
realizada tanto em relação ao nível de sinal recebido, como da qualidade do sinal
recebido, que é chamada de relação sinal ruído. Além disso, as mesmas métricas
qualitativas definidas para o planejamento devem ser consideradas: sobreposição
celular, a transição de células, e de contenção de cobertura e cada célula.
O resultado dessa análise resultará na necessidade de ajustes do sistema de transmissão,
normalmente os ajustes demandam o deslocamento do técnico em antenas para realizar
a atividade. Após o termino dos ajustes será necessário repetir o Drive Test, a análise
dos seus resultados e possivelmente realizar novos ajustes. Este é um processo continuo,
que demanda tempo e gera um considerável custo operacional.
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Planejamento de Rede
Definir os objetivos
da rede
Verificar objetivos
de cobertura e
capacidade
Selecionar Reuso de
sites
Implantar todos os
nós da rede
Otimização inicial
Pré-otimização
Otimização de
Serviço (AMR)
Otimização de RF
Otimização De
Serviço (PS e CS)
Otimização contínua
Ativação Comercial
Otimização contínua
Figura 5: processo de otimização de cobertura da rede.
4.2 A Ferramenta Proposta
O Engenheiro de RF deverá importar uma base de dados com todas as informações dos
Sites da rede. A base de dados é composta pela localização geográfica e uma série de
parâmetros do sistema de transmissão pertencentes a cada um dos Sites. Esta é a
principal entrada de dados no sistema. Com a base carregada na ferramenta será
possível uma visualização dos Sites e seus parâmetros atuais. A figura 6 apresenta a
visualização dos Sites. Esta visualização dos Sites é a primeira saída gerada pela
ferramenta e se dará através do navegador Google Earth. Ela é construída a partir de
elementos como o Placemark, Ballon e Polygon, disponíveis no padrão KML.
Utilizando seus conhecimentos de Engenharia, o projetista poderá fazer ajustes nos
parâmetros do sistema de transmissão, testando quais valores são os mais adequados a
rede. Um exemplo de ajuste seria a alteração da direção de uma antena de transmissão,
realizada através da alteração do parâmetro Azimute. Um MENU no navegador
permitirá que o Engenheiro selecione o Site, o Setor do Site e o novo valor do Azimute
da antena, se decidir aplicar, as alterações serão exibidas instantaneamente no
navegador.
Ao definir os novos parâmetros o projetista poderá solicitar a predição da área de
cobertura, esta será a segunda saída gerada pela ferramenta. Ela consiste na geração de
uma figura com os níveis de sinais calculados para o Site em análise, a figura é
apresentada no navegador como um Overlay KML no mapa da região do Site e são
utilizadas cores para diferenciar os níveis de sinal. A predição utiliza os modelos de
propagação para calcular os possíveis valores desses níveis.
A nova ferramenta não dispensará o uso das atuais ferramentas de medição, como o
Drive Test, mas diminuirá o tempo, custo e o impacto para o cliente ao reduzir o
número de intervenções para ajustar a cobertura de um sistema de transmissão.
13
Figura 6: Tela principal da ferramenta apresentando a localização de sites e seus setores,
representados por triangulos amarelos, e o menu de navegação de sites a esquerda.
O desenvolvimento desta ferramenta será efetuado com um levantamento de requisitos,
de onde serão definidas as principais funcionalidades do sistema. A metodologia será
apresentada no capitulo seguinte, com a notação UML(Unified Modeling Language)
referenciando a estruturação, detalhamento e especificação dos requisitos.
4.3 Metodologia
O desenvolvimento de sistemas de software pode ser norteado por diferentes
metodologias que são estudadas pela Engenharia de Software. Neste projeto será
utilizado o UML, que é uma Linguagem Visual, não de programação, baseada no
paradigma da orientação a objetos e que servirá de padrão para auxiliar a definição das
características da ferramenta, tais como:
• Requisitos
• Comportamento
• Estrutura lógica
Serão utilizados os diagramas UML de Casos de Uso e Classe.
O diagrama de Casos de Uso é a técnica usada para descrever e definir os requisitos
funcionais de um sistema, ele permite identificar como o sistema se comporta em várias
situações que podem ocorrer durante sua operação.
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O diagrama de classes demonstra a estrutura estática das classes de um sistema. As
classes podem se relacionar com outras através de diversas maneiras: associação
(conectadas entre si), dependência (uma classe depende ou usa outra classe),
especialização (uma classe é uma especialização de outra classe), pacotes (classes
agrupadas por características similares). Todos estes relacionamentos são apresentados
no diagrama de classes, juntamente com as suas estruturas internas que são os atributos
e operações.
4.4 Projeto Conceitual
O projeto conceitual apresenta uma visão em alto nível da arquitetura definida para a
implementação da ferramenta, destacando os pontos principais que devem ser
desenvolvidos para que os objetivos do projeto sejam alcançados. Nesta etapa foram
gerados os diagramas UML de Casos de Uso e Classes.
4.4.1 Requisitos Funcionais
Os requisitos funcionais foram definidos com base no no processo de otimização de
cobertura da rede celular, eles representam as necessidades do Engenheiro de RF na sua
atividade ajuste da rede. Os requisitos elencados são:
•
Importação de Base de Dados: uma base de dados da rede celular contendo as
informações dos Sites será disponibilizada no formato XML e deverá ser
armazenada em um banco de dados da ferramenta em desenvolvimento. Essas
informações revelam a localização geográfica do site e as caracteristicas de seu
sistema de transmissão: frequência de operação, número de setores, potência de
transmissão, número do canal de controle broadcast BCCH, modelo de antenas,
azimute, tilt, altura das antenas, altura da torre, modelo de ambiente.
•
Geração de Arquivo KML: a partir da base importada deverá ser gerado um
arquivo no formato KML contendo todos os dados da rede. A formatação do
arquivo permitirá uma vizualição da localização dos sites, devidamente
identificados, agrupados por cidade e com a projeção dos setores da área de
cobertura. O arquivo gerado deverá permitir atualização dinâmica, caso
contrário a alteração de paramêtros para a atividade de otimização perderá a
funcionalidade.
•
Otimizar a Rede: a ferramenta permitirá o ajuste dos paramêtros do site em
análise e a visualização dos resultados, em tempo de processamento, no
navegador. O usuário poderá alterar valores de frequência, potência, azimute,
altura das antenas, tilt, modelo das antenas, entre outros. Os valores dos
paramêtros são estáticos, ou seja, não são lidos da rede. Eles foram obtidos do
planejamento de redes e são atualizados quando ocorre alguma alteração de
projeto.
15
Figura 7: Tela da ferramenta apresentando as opções de otimização da cobertura
de um site através do Menu Configuração.
•
Gerar Predição: o usuário poderá gerar a predição da área de cobertura total do
site em análise. Essa funcionalidade gerará uma imagem formada por pontos
coloridos que representarão os niveis de intensidade de sinal. A imagem será
inserida no arquivo KML, gerado anteriormente, em forma de um Overlay. A
figura 8 apresenta o resultado de uma predição, no mapa as áreas coloridas
representam os diferentes níveis de sinal, no rodapé do lado esquerdo uma escala
de cores com os valores dos níveis em dB.
•
Exportar Dados para Ordem de Serviço: a atividade de otimização poderá
demandar uma ação externa, ou seja, será necessário ajustes locais no site em
análise. Para executar essa atividade o técnico que a executará, deverá receber
as informações levantadas durante a atividade de otimização na ferramenta.
•
Compartilhar Projetos: os projetos de otimização poderão ser compartilhados
de forma que possam servir como referência para novos projetos, além de
manter um histórico de atividades no Site.
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Figura 8: Tela da ferramenta apresentando a predição de cobertura de um site.
O diagrama 9 apresenta o diagrama de casos de uso, uma representação conceitual dos
requisitos funcionais elencados para o desenvolvimento da ferramenta.
Figura 9: Diagrama de casos de uso.
4.4.2
Diagrama de Classes
As classes apresentadas no diagrama da figura 9 demonstram as principais
funcionalidades da ferramenta em desenvolvimento. A classe Base Dados é responsável
por fornecer os métodos que irão importar uma base de dados com as informações da
rede celular, o método CarregarBase( ): void executa essa função. A classe Otimiza Site
representa a parte da ferramenta que permitirá ao operador manipular os Sites da Rede
gerando os novos parâmetros que irão prover a otimização do site, tudo isto através dos
métodos Alterar...( ): void. Uma das classes mais importantes do sistema é a Gerador
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KML, ela é responsável por criar o arquivo KML que será lido pelo navegador e
apresentará a localização dos Sites da rede, suas características e área de cobertura. Os
métodos desta classe inserem os elementos que formam o arquivo KML, para cada
elemento é carregado um atributo da classe Base Dados.
A classe Gerador KML utiliza padrões estabelecidos e obtidos no sistema através da
classe Padrão KML para que possam interpretados pelo Google Earth. A classe ainda
interage com os modelos de predição, através da classe Modelo Predição.
Figura 10: Diagrama de Clases com as principais Classes do projeto.
4.5
Projeto Lógico
O projeto lógico especifica os objetos e suas relações, elencados durante o Projeto
Conceitual.
4.5.1
Modelo E-R
A modelagem de dados especificada a estrutura de dados e as regras de negócio
necessárias para representar a ferramenta e seus requisitos. A modelagem do banco foi
baseada no modelo E-R. A figura 11 apresenta o diagrama de E-R da ferramenta, com
suas entidades, atributos e seus relacionamentos.
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Figura 11: Modelo E-R do Banco de Dados
5
Cronograma
Neste capitulo será apresentado um cronograma com as atividades que foram elencadas
durante a elaboração da metodologia, bem como o prazo para execução de cada uma das
atividades para atingir o objetivo de entrega deste projeto. O cronograma deste projeto é
apresentado pela figura 12, ele foi estruturado em semanas e sem determinação de data
inicial. O tempo total para desenvolvimento da nova ferramenta está previsto em 4
meses, sendo as principais etapas: Análise de Funcionalidades, Construção da
Arquitetura, Desenvolvimento do Sistema, Definição do Piloto e Implantação.
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Figura 12: Cronograma de atividades a serem desempenhadas
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Referências Bibliográficas
[1] OKUMURA, Y. et al., Field Strength and its Variability in VHF and UHF LandMobile Radio Service, Reviews of the Electrical Communications Laboratory (Japan),
Vol. 16, 1968.
[2] HATA, Masaharu., Empirical Formula for Propagation Loss in Land Mobile Radio
Services, IEEE Trans. OnVehicular Technology, 1980.
[3] COST 231 COST 231 Urban transmission loss models for mobile radio in the 900and 1800 MHz bands (Revision 2), COST231 TD(90) 119 Rev. 2.
[4] LIMA, André Gustavo Monteiro. Comunicações Móveis: do Analógico ao IMT
2000, Axcel Books, 2003.
[5] SVERZUT, José Umbert. Redes GSM, GPRS, EDGE e UMTS: Evolução a
Caminho da Terceira Geração (3G), Érica 2005.
[6] MITSUGO, Edson et al. Projetos de Sistemas de Rádio, Érica 2002.
[7] ALENCAR, Marcelo Sampaio. Telefonia Celular Digital, Érica 2004.
[8] WERNECKE, Josie, 2009. Geographic Visualization for the Web, Pearson
Education, Inc 2009.
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