BRPI0400115B1 - método de ajuste de potência de equipamentos de transmissão sem fio segundo o perfil de obstáculos e ocupação do terreno e seu uso - Google Patents

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Abstract

"método de ajuste de potência de equipamentos de transmissão sem fio segundo o perfil de obstáculos e ocupação do terreno e seu uso". a inovação ora proposta refere-se a um método que permite a equipamentos de transmissão sem fio ajustarem a sua potência de transmissão de acordo com a obstrução que a transmissão sofre devido à disposição geométrica dos obstáculos do terreno em que serão utilizados, bem como a sua distribuição probabilística de ocupação, sendo a implementação do método prevista, em equipamentos de telecomunicações, como redes de sensores, telefones celulares, dispositivos de rastreamento e localização, dentre outros.

Description

(54) Título: MÉTODO DE AJUSTE DE POTÊNCIA DE EQUIPAMENTOS DE TRANSMISSÃO SEM FIO SEGUNDO O PERFIL DE OBSTÁCULOS E OCUPAÇÃO DO TERRENO E SEU USO (51) IntCI.: H04W 52/22; H04W 52/28.
(52) CPC: H04W 52/22; H04W 52/28.
(73) Titular(es): INSTITUTO ALBERTO LUIZ COIMBRA DE PÓS GRADUAÇÃO E PESQUISA DE ENGENHARIA COPPE/UFRJ.
(72) Inventores): CLÁUDIO LUIS DE AMORIM; SÉRGIO KOSTIN.
(57) Resumo: MÉTODO DE AJUSTE DE POTÊNCIA DE EQUIPAMENTOS DE TRANSMISSÃO SEM FIO SEGUNDO O PERFIL DE OBSTÁCULOS E OCUPAÇÃO DO TERRENO E SEU USO. A inovação ora proposta refere-se a um método que permite a equipamentos de transmissão sem fio ajustarem a sua potência de transmissão de acordo com a obstrução que a transmissão sofre devido à disposição geométrica dos obstáculos do terreno em que serão utilizados, bem como a sua distribuição probabilística de ocupação, sendo a implementação do método prevista, em equipamentos de telecomunicações, como redes de sensores, telefones celulares, dispositivos de rastreamento e localização, dentre outros.
1/13 <V)
Relatório Descritivo da Patente de Invenção para MÉTODO DE AJUSTE DE POTÊNCIA DE EQUIPAMENTOS DE TRANSMISSÃO SEM FIO SEGUNDO O PERFIL DE OBSTÁCULOS E OCUPAÇÃO DO TERRENO E SEU USO
CAMPO TÉCNICO
A presente invenção refere-se à um método que permite a equipamentos de transmissão sem fio ajustarem a sua potência de transmissão de acordo com a obstrução que a transmissão sofre devido a disposição geométrica dos obstáculos do terreno em que serão utilizados, bem como a sua distribuição probabilística de ocupação.
TÉCNICAS ANTERIORES
Em equipamentos móveis de transmissão sem fio tais como telefones celulares, Laptops, PDAs e redes de sensores, é importante utilizar uma potência de transmissão adequada que garanta boa qualidade de comunicação ao mesmo tempo que tente maximizar o tempo de vida útil da bateria desses ( equipamentos.
Para isso, esses equipamentos dispõem de um dispositivo de ajuste de potência de transmissão que se adequam à infraestrutura de comunicação onde eles atuam.
Basicamente, esses dispositivos ajustam a potência de transmissão de forma crescente e gradual, em função da distância do receptor, a qual é estimada pelo nível de sinal que o transmissor recebe do receptor e vice-versa, ou seja, quanto mais distante menor é o nível do sinal recebido.
2/13
Figure BRPI0400115B1_D0001
De acordo coro o tipo de infraestrutura de comunicações, a potência de transmissão é ajustada através de um dos três seguintes métodos.
primeiro método é utilizado quando existe uma 5 estação-base de telefonia celular ou um ponto de acesso para computação móvel, com uma infraestrutura pré-instalada. Neste caso, o dispositivo utiliza apenas o nivel de sinal recebido da estação-base no caso de telefonia celular ou do ponto de acesso no caso de computação móvel.
O segundo método é usado frequentemente em redes móveis ad-hoc, redes estas que não possuem suporte de uma infraestrutura de comunicação pré-estabelecida. Neste ambiente, o dispositivo aumenta gradualmente o nível de potência de transmissão até estabelecer contato com outros equipamentos.
Um método alternativo ao segundo, também utilizado em redes sem infraestrutura de comunicações, o dispositivo de ajuste de potência de transmissão utiliza um sistema de posicionamento, tipicamente o GPS (Global Positioning System
Io ou Sistema de Posicionamento Global), conjuntamente com um Sistema de Informações Geográficas (GIS).
Através das obstáculos fornecidas, significativa precisão informações de posicionamento e este método consegue estimar com as distâncias de transmissão e os obstáculos encontrados no terreno, permitindo ao dispositivo operar muito mais próximo da potência de transmissão ideal.
Figure BRPI0400115B1_D0002
3/13
Em geral, os mecanismos de ajuste potência baseados em métodos precisos de localização, como o descrito no terceiro método, demandam alto poder de processamento, além de necessitarem também de dispositivos embutidos de localização. Mesmo assim, esses dispositivos não garantem em todos os instantes a localização precisa do próprio equipamento, o que reduz sua eficácia nesses casos
SUMÁRIO DA INVENÇÃO
A presente invenção se refere a um método de ajuste de potência para equipamentos móveis sem fio.
Esta invenção se baseia na disposição espacial dos obstáculos do terreno em que os equipamentos irão atuar, bem como a distribuição de probabilidade de ocupação geográfica de emissores e receptores.
Mais concretamente, o método produz e utiliza informações estatísticas sobre as características de obstrução da transmissão do terreno considerando seus obstáculos bem como a distribuição de probabilidade de ocupação de emissores e receptores para ajustar a potência de transmissão através de duas métricas: o coeficiente de bloqueio do terreno e o coeficiente de transmissão útil.
O coeficiente de bloqueio do terreno (BT) é a razão entre a área de recepção que poderia ser alcançada e, no entanto, é obstruída em razão da presença de obstáculos, dividido peia soma desta mesma área mais a área de recepção que não foi afetada pelos obstáculos. O denominador inclui tanto os pontos bloqueados pelo terreno, bem como aqueles • · · · ·
4/13 efetivamente alcançados, resultando em um número igual ou menor do que um (1) e maior que zero (0) . Ao se calcular a área, deve-se levar em consideração a probabilidade de ocupação de cada ponto pelos receptores.
Figure BRPI0400115B1_D0003
coeficiente de transmissão útil (TU) do terreno é a razão entre a área dentro do alcance de transmissão não obstruída pelos obstáculos e, portanto, efetivamente alcançável pelo emissor considerando os obstáculos do terreno e a área de alcance de transmissão. Da mesma forma que no cálculo de BT, em TU leva-se em consideração também a distribuição de probabilidade de ocupação de emissores e receptores.
Estas características, outros objetivos e vantagens da invenção ficam mais fáceis de se entender e melhor descritos se a mesma for lida conjuntamente com as seguintes figuras:
Figure BRPI0400115B1_D0004
Figura 1: Mapa do terreno com distribuição de probabilidades de ocupação dos emissores (e analogamente por receptores).
Figura 2: Coeficiente de Bloqueio do Terreno (BT) e Coeficiente da Transmissão Útil (TU) do terreno.
Figura 3z Distribuição por transmissão dos coeficientes BT e TU pelos equipamentos em ambiente abertos.
Figura 4: Distribuição por transmissão dos coeficientes BT e TU pelos equipamentos em ambiente fechados.
Figure BRPI0400115B1_D0005
··· ·· · ·· ·· ··· ·····
5/13 rí
DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO ' Mapa de distribuição de probabilidade de ocupação de receptores e emissores.
Equipamentos de transmissão móvel que se movimentam 5 em uma determinada área tendem a formar um perfil de ocupação das mesmas. Pedestres normalmente se movimentam em calçadas e ficam em áreas de lazer. Automóveis normalmente ocupam as pistas de rolamento. Assim, de acordo com o tipo de equipamento e a sua finalidade, é possivel se traçar as características de ocupação do terreno.
Na [figura 2] temos um exemplo de um mapa de distribuição de probabilidade de ocupação de receptores baseada em pesos relativos de ocupação. Estes pesos relativos são obtidos da densidade de probabilidade da região em questão. Assuma-se um mesmo mapa correspondente para os emissores, cuja forma não necessariamente precisa ser igual.
A distribuição de probabilidade de ocupação do terreno é dependente do tempo, do número de emissores e 1 receptores existentes na região em questão e também pode ser 20 de probabilidade condicional (P(A(B)).
Para efeito de ilustração, o mapa da figura 1 ilustra casos de probabilidade de pesos relativos que são ser obtidos através de uma mapa de densidade de probabilidade. A área de maior peso (p=4) representa, por exemplo, uma calçada por onde transitassem pedestres que carregassem equipamentos de transmissão. A probabilidade de ocuparem espaços longe da calçada diminui conforme a distância. Na [figurai] temos uma
Figure BRPI0400115B1_D0006
6/13 área cujo peso relativo é igual a 0. Ela pode representa uma área cuja probabilidade de ocupação seja nula.
Figure BRPI0400115B1_D0007
Deve-se também, verificar os obstáculos presentes neste cenário que pudessem interferir nas transmissões. Outro ponto interessante corresponde as áreas onde a ocupação por parte tanto de emissores como de receptores seja improvável, como, por exemplo, a área com coeficiente de. peso relativo igual a 0. Esta região representa, por exemplo, um lago.
De acordo com cada região, pode-se elaborar um mapa 10 que indique a distribuição de probabilidade de ocupação por parte de emissores e receptores e isto pode variar em função da variável tempo.
Figure BRPI0400115B1_D0008
Os dados referentes à probabilidade de ocupação por emissores e receptores serão utilizados posteriormente quando do cálculo dos coeficientes BT e TU. No modelo proposto da invenção, a média ponderada dos pesos faz com que os coeficientes BT e TU sejam iguais ou inferiores ale iguais ou maior que 0.
A área em questão será o domínio da função de cálculo dos coeficientes, fornecendo os dados de probabilidade de ocupação e determinando se a transmissão de dados será ou não obstruída.
Coeficiente de bloqueio do terreno (BT) coeficiente de bloqueio do terreno corresponde à 25 métrica de obstrução que os acidentes geográficos existentes em um determinado cenário ocasionam nas transmissões eletromagnéticas. Com ele é possível determinar »»»··« • ······
7/13 aproximadamente a porcentagem de transmissões que foram obstruídas em face dos obstáculos existentes no terreno.
Utilizando-se um mapa do terreno e a distribuição de probabilidades de ocupação dos pontos do terreno [figura
1]/ o cálculo do coeficiente de bloqueio, BT, [figura 2] é obtido utilizando-se a seguinte fórmula:
Coeficiente de bloqueio do terreno(A)
Σρ.·
Σγ= pontos η fí (R,C, f) bloqueados 7 peloterrerto
Pr-ByR,e,r) + pehterreno por
Σρ<
(1)
Onde:
e: Coordenadas geográficas do emissor (em duas ou três dimensões) ptí: representa a peso relativo de probabilidade de ocupação do emissor encontrar-se na posição em que se está calculando.
1 r: coordenadas geográficas do receptor (em duas ou três dimensões). A função somatório corresponde a todos os pontos que seriam alcançados pela emissão eletromagnética em um terreno em que os obstáculos não existissem.
pr: representa a peso relativo de probabilidade de ocupação do receptor encontrar-se na posição em que se está calculando.
8/13
Bco: função que retorna 1 caso exista algum obstáculo que interrompa a transmissão entre e e r e 0 caso contrário.
Fcc>: função inversa de Bco, retornando 0 caso exista algum obstáculo entre e e £ e 1, caso contrário.
A: Raio (alcance) de transmissão do equipamento.
A: Região onde o coeficiente é calculado.
De acordo com a fórmula (1) , verifica-se que o coeficiente de bloqueio considera também a probabilidade de existir ou não um emissor ou um receptor em uma determinada área do terreno. Mais especificamente, embora numa área do terreno possa não existir qualquer obstáculo, a probabilidade de um receptor estar no local é praticamente nula. Por exemplo, se a área for ocupada por um lago ou por um rio, a probabilidade de existir um receptor ou um transmissor será mínima ou mesmo nula.
Um dado importante a ressaltar é que o coeficiente BT é função do raio de transmissão do equipamento. Equipamentos com maior alcance de transmissão estão mais sujeito a sofrer interferência dos obstáculos existentes na região onde estão operando.
O cálculo de BT é realizado a priori, em sistema de lote, e além deste coeficiente são obtidos outros dados estatísticos referentes a cada posição do emissor como variância, desvio padrão, mediana, valores máximos e mínimos.
Figure BRPI0400115B1_D0009
9/13
Coeficiente de Transmissão Útil (TU) coeficiente de transmissão útil corresponde à métrica de utilização efetiva da transmissão eletromagnética, em função dos obstáculos presentes. Com esta métrica é possível calcular quanto da emissão eletromagnética é efetivamente aproveitada.
coeficiente de transmissão útil [figura 2} é obtido utilizando além do mapa do terreno [figura 1] contendo os obstáculos, a distribuição de probabilidades de ocupação dos pontos do terreno. Isto é devido ao fato de que determinadas posições podem ser mais ocupadas que outras. Uma probabilidade de ocupação é associada à cada um dos pontos do terreno no qual possa haver a presença de um transmissor/receptor. Além disso, um diferente coeficiente TU é calculado levando em consideração cada raio de alcance (R) de transmissão no qual o equipamento possa operar.
Figure BRPI0400115B1_D0010
À semelhança do BT, o cálculo de cada coeficiente TU é realizado através da simulação para cada um dos pares transmissor-receptor possíveis do terreno, considerando a distribuição de probabilidades de ocupação. Especificamente, para cada ponto de transmissão, é considerada a probabilidade de cada um dos pontos possíveis de recepção estar ocupado. Para cada coeficiente TU calculado, são gerados os dados estatísticos referentes à cada alcance possível, em especial a média, o desvio padrão, o máximo, o mínimo e a mediana.
O coeficiente TU é calculado segundo a fórmula abaixo. Desprezam-se também os pontos onde a probabilidade de existir um receptor seja igual a zero.
• ·» · <
»** ·*♦*»·
10/13
Coeficiente de transmissão útil (A) Ση P°r.^e . ... .. .._ e X' r= pontos n f? (f{ q y\ ü alcançados ' *> ' por e
Σ P* (2)
As variáveis desta equação são as mesmas da calculada em BT, com o acréscimo da função FSo, que representa a interação entre s e t sem os obstáculos.
O cálculo de TU é realizado a priori, em sistema de lote, e além deste coeficiente são obtidos outros dados estatísticos referentes a cada posição do emissor, como varíâncía, desvio padrão, mediana, valores máximos e mínimos.
Distribuição dos coeficientes BT e TU
As [figura 3] e [figura 4] apresentam dois esquemas de transmissão de informação existentes. 0 esquema da [figura 3] se aplica a áreas abertas e o esquema da [figura 4] refere-se a áreas fechadas como, por exemplo, escritórios e apartamentos.
A invenção proposta serve tanto para ambientes fechados como para ambientes abertos. A diferença seria a forma de recepção dos dados.
Em um ambiente aberto com infraestrutura de comunicações, a estação de rádio base transmite os dados estatísticos referentes aos coeficiente BT e TU. Esta estação de rádio base funciona a semelhança com o que ocorre nas Estações Rádio Base das redes de telefonia celular, onde uma estação é a responsável pela comunicação dos emissores • ·♦ * ·· ·· *·· *·····
11/13 móveis. Nesta invenção, esta ERB será responsável por difundir as informações estatísticas de BT e TU para as potências de operação que um emissor possa trabalhar.
Em ambientes fechados com estrutura préestabelecida, a responsabilidade de transmitir os coeficiente para os elementos de computação móvel, ficará a cargo de nós distribuidores, que seriam equipamentos transmissores que teriam a base de dados referente as métricas em questão.
Em ambiente sem a infraestrutura de comunicações, esta passagem de informações ficará sob responsabilidade de elementos móveis com maior capacidade de processamento, possuindo tanto capacidade de localização, bem como possuiríam, a priori, os dados estatísticos referentes a diversos cenários. Ao entrar em contato com outros dispositivos que não possuíssem estes dados, estes elementos com maior capacidade de processamento fariam a difusão das informações.
Mecanismo de ajuste de potência.
Os coeficientes BT e TU podem ser combinados para se ajustar potência de transmissão do equipamento.
De posse dos dados obtidos da ERB, o equipamento escolhe a potência mais adequada para a região em que se encontra, permitindo usar a potência sem que se desperdice energia inutilmente, pois há determinadas potências de transmissão cuja operação teriam a mesma eficiência com uma potência menor.
• · • · • ·<
12/13
Este critério de escolha da melhor potência serve apenas como ilustração e outros critérios utilizando os dados desta invenção são também possíveis.
No caso de TU, este multiplicado pelo quadrado do 5 raio de alcance (R2) , determina a área efetivamente alcançada pelo emissor [3].
i Área alcançada = TU . R2 [3]
TU é um coeficiente decrescente em função do raio. Assim a área alcançada pode ter valores idênticos para raios de alcance diferentes. Entretanto, observa-se que nunca ocorrerá o caso da área alcançada ser maior para um valor de R menor. Um outro fator a se levar em consideração é que o raio de alcance é proporcional ao cubo de potência aplicada.
De posse destas informações, o emissor poderá decidir adequadamente qual potência aplicar no seu transmissor de forma a alcançar a maior área possível com a menor probabilidade de perda possível.
Para algoritmos de localização, onde normalmente se
busca um alcance de transmissão melhor , levando em
consideração a informação de TU em conjunto com o Raio de
transmissão de alcance, poderá se evitar desperdício de
energia.
Os algoritmos de localização ainda se beneficiariam do coeficiente BT, pois poderíam obter a informação referente a quantos emissores/receptores seriam interrompidos pelo terreno, bem como estimar quantos saltos (hops) seriam
13/13
Figure BRPI0400115B1_D0011
necessários para se alcançar determinado ponto do cenário em questão.
uso previsto na presente invenção é a implementação do método em equipamentos de telecomunicações, como redes de sensores, telefones celulares, dispositivos de rastreamento e localização, dentre outros.
Figure BRPI0400115B1_D0012
1/3

Claims (3)

  1. REIVINDICAÇÕES
    1. MÉTODO DE AJUSTE DE POTÊNCIA DE EQUIPAMENTOS DE TRANSMISSÃO SEM FIO SEGUNDO O PERFIL DE OBSTÁCULOS E OCUPAÇÃO
    DO TERRENO que utiliza um mapa de coordenadas geográficas em duas ou três dimensões de vários emissores e receptores, que considera os obstáculos naturais ou não, que interferem na transmissão eletromagnética de emissores e receptores e, ainda, a distribuição de probabilidade de ocupação do terreno por parte de emissores e receptores, caracterizado pelo ajuste de potência dos equipamentos de transmissão ser através do cálculo e utilização de um coeficiente de bloqueio do terreno (BT), que é igual a razão entre a área de recepção que poderia ser alcançada e a soma desta mesma área mais a área de recepção que não foi afetada pelos obstáculos, bem como do cálculo e utilização de um coeficiente de transmissão útil (TU), que é igual a razão entre a área dentro do alcance de transmissão não obstruída pelos obstáculos e a área de alcance de transmissão, ambos coeficientes destinados ao cálculo de conectividade em um único salto e que levam em consideração a distribuição de probabilidade de posicionamento dos emissores e receptores, sendo o coeficiente de bloqueio do terreno (BT) calculado de acordo com a fórmula:
    Σλ·’ peloterreno peloterreno pore
    BT(Â) =
    Σρε onde, e representa as coordenadas do emissor; pe representa o peso relativo de probabilidade de ocupação do emissor encontrar-se na posição em que se está calculando; r representa as coordenadas geográficas do receptor; pr
    Petição 870170056118, de 04/08/2017, pág. 76/78
  2. 2/3 representa o peso relativo de probabilidade de ocupação do receptor encontrar-se na posição em que se está calculando; com uma função Bco que retorna 1 caso exista algum obstáculo que interrompa a transmissão entre um emissor e e um receptor r, e 0 caso contrário e com uma função FCo inversa de Bco, retornando 0 caso exista algum obstáculo impedindo a comunicação entre um emissor e e um receptor r e 1, caso contrário; ambas as funções, Bco e FCo , obtidas por meio de cálculo computacional de modelos de propagação para locais específicos, denominado como região de raio de ação R, de alcance de transmissão do equipamento, e sendo o coeficiente de transmissão útil (TU) calculado de acordo com a seguinte fórmula:
    por e por e
    TU(A) =
    Σγ=pontos n J? alcançadoíF r so por e onde, e representa as coordenadas do emissor; pe representa o peso relativo de probabilidade de ocupação do emissor encontrar-se na posição em que se está calculando; r representa as coordenadas geográficas do receptor; pr representa o peso relativo de probabilidade de ocupação do receptor encontrar-se na posição em que se está calculando; com uma função FCo inversa de Bco, retornando 0 caso exista algum obstáculo impedindo a comunicação entre um emissor e e um receptor rei, caso contrário, sendo a função FCo obtida por meio de cálculo computacional de modelos de propagação para locais específicos, denominado como região R, de alcance de transmissão do equipamento, uma função Fso-que representa a interação entre um emissor e e um receptor r sem os
    Petição 870170056118, de 04/08/2017, pág. 77/78
  3. 3/3 obstáculos, sendo a função Fso a área teórica de alcance dentro da região de raio de alcance R, sendo os cálculos computacionais baseados em um modelo computacional de propagação de sinais de uma determinada região, bem como na ocupação desta região pelo dispositivos de transmissão e recepção.
    2. Uso do método, conforme definido na reivindicação 1, caracterizado por ser aplicado em equipamentos de telecomunicações, como redes de sensores, telefones celulares, dispositivos de rastreamento e localização, dentre outros.
    Petição 870170056118, de 04/08/2017, pág. 78/78 • ♦ · •**··* • · · · · ·* · • · * · * ··· '«·
    1/4
    Peso relativo=4 Peso relativo=2
BRPI0400115A 2004-01-23 2004-01-23 método de ajuste de potência de equipamentos de transmissão sem fio segundo o perfil de obstáculos e ocupação do terreno e seu uso BRPI0400115B1 (pt)

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