Análise de ruído e simulação de enlace em comunicações através da terra

ANÁLISE DE RUÍDO E SIMULAÇO DE ENLACE

EM COMUNICAÇÕES ATRAVÉS DA TERRA

Sávio Oliveira de Almeida Neves

Brasília, julho de 2017

UNIVERSIDADE DE BRASÍLIA

NEVES,SÁVIOOLIVEIRADE ALMEIDA

Análisede Ruídoe Simulação de Enlaeem Comuniações Atravésda Terra.

[Distrito Federal℄ 2017.

xv,58p., 297 mm(ENE/FT/UnB, Mestre, Engenharia Elétria,2017).

Dissertação de Mestrado - Universidadede Brasília.

Fauldade deTenologia.

Departamento deEngenharia Elétria.

1. ComuniaçõesAtravés daTerra 2. RuídoAtmosfério

3. RuídoAntrópio 4. Filtragemde Harmnios

I. ENE/FT/UnB II. Título (série)

REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA

NEVES., S. O. A. (2017). Análise de Ruído e Simulação de Enlae em Comuniações Através

da Terra. Dissertação de Mestrado em Engenharia Elétria, Publiação PPGEE.DM-669/2017,

Departamento de Engenharia Elétria,Universidade deBrasília, Brasília, DF,58p.

CESSO DE DIREITOS

NOMEDOAUTOR: Sávio Oliveirade Almeida Neves.

TÍTULO DA DISSERTAÇO DE MESTRADO: Análise de Ruído e Simulação de Enlae em

ComuniaçõesAtravés daTerra.

GRAU /ANO: Mestre / 2017

É onedida à Universidade de Brasília permissão para reproduzir ópias desta dissertação de

mestradoeparaemprestar ouvendertaisópiassomenteparapropósitosaadêmios eientíos.

Oautorreservaoutrosdireitosdepubliaçãoenenhumapartedestadissertaçãodemestradopode

serreproduzida sema autorização por esrito doautor.

Sávio Oliveirade Almeida Neves

SHCGN714 Bloo FCasa 5,AsaNorte

Ao meu tio Claudio (in memorian), ao meu av Mario (in memorian) e à minha avó

Theodorina (in memorian), pois estarão felizes om a minha onquista onde se

enon-trarem.

Gostaria de agradeer primeiramente a Deus, por ter me dado forças paravener esta etapa,

prinipalmenteneste últimoanoe meio,emquenalizei omestradoenquantotrabalhava.

Gostariade agradeeràminha famíliaportodo apoioesuporte, auxiliando-me nastarefas

oti-dianas epela maneiraque vivemos, sempre alegre e simples. Agradeço àminha mãee ao meu

pai, Marisa e Swami, por todo arinho e por sempre me mostrarem que na vida é neessário

perseveraramde evoluir, nãosomente nolado prossional eaadêmio,mas prinipalmente,

no lado humano. Agradeço ao meu irmão, Swami Filho, por ser meu grande pareiro, pronto

paraumapalavraamiga ouparauma brona amiga. Agradeço àminha vó, Pura, eaos meus

padrinhos,Rosanae Glauber,portodaenergia positiva transmitidaatravés dasorações.

AgradeçoaomeuorientadorDr. AndréNoll,pormedeixarlivrenapesquisaientía,

possibili-tandoassim,aaprendizagemdediversosassuntos,epeloauxílionashorasneessárias. Também

agradeço aos professores Dr. JudsonBraga eDr. LeonardoAguayo,porsuas ideiasesugestões

duranteaduração domestrado.

AgradeçoaosamigosqueiniiaramoprojetodeomuniaçõesTTE omigo,LuasSilvaeJosua

Peña,porestarempresentesemtodososmomentos: naesritadeartigospelasmadrugadas,nos

estudosantes das provasouna horade somente jogarum PlayStation paradistrair e rir.

Agradeço aosamigosda Ativação deClientes daTelebras,Elizabeth Chiletto, RiardoVilanova,

MarlueMaedoeDaniloCastro,porsempreseremompreensíveisnasvezesemquemeausentei

parairareuniõesouresolverproblemas burorátiosdomestrado. Agradeço tambémao gerente

HenriquePrimoporser igualmente ompreensível e, prinipalmente, humano.

AgradeçoaosamigosdaTelebras,Thalesão,Rihard,MadMax,Danilove,Japa,Mozão,

Polaqui-nha,Diguinho,Israel,entretantosoutros,pelos almoçosdesontraídos,idasaoManéGarrinha

ehurrasosom Molejão,pois "bom éserfeliz omMolejão".

Agradeço ao meu grande amigo, João Eduardo, por estar sempre presente nas horas que mais

preiseie nosmomentos maisdifíeis.

Agradeço àminha namorada Mária Manuela (Manu) por todo arinho, ompreensão e apoio.

Obrigadopormeaompanhar nestajornadaquehamodevida. Pequena,obrigadoporestarao

meulado.

Agradeço a FINATEC, Instituto Tenológio Vale e CAPES pelo apoio naneiro, primordial

paraoperíodo iniial domestrado.

enfrentei,nãofosseporelas,eunão

teriasaídodolugar. Asfailidades

nosimpedemdeaminhar. Masas

rítiasnosauxiliammuito.

•

NEVES, S. O. A.; BARRETO, A. N.; BRAGA, A. J.; AGUAYO, L.; Análise de Ruído Antrópio emComuniações Através doSolo, emSimpósio Brasileirode Teleomuniações

(SBrT), 2017,São Pedro (aeitoem12 de junhode 2017)

•

CARRENO, J. P.; SILVA, L. S. E.; NEVES, S. O. A.; AGUAYO, L.; BRAGA, A. J.; BARRETO, A. N.; GARCIA, L. G. U.; Through-The-Earth (TTE) Communiations for

Underground Mines, Journal of Communiation and Information Systems (Online), v. 31,

p. 164-176,2016

•

SILVA, L. S. E.; CARRENO, J. P.; NEVES, S. O. A.; BARRETO, A. N.; BRAGA, A. J.; AGUAYO, L.; Sistema de omuniação através-da-terra usando odiação de resposta

parial, emSimpósio Brasileirode Teleomuniações (SBrT),2016,Santarém

•

NEVES, S.O.A.; BARRETO,A.N.;BRAGA,A.J.;AGUAYO, L.;Capaidade de Canal Restrita aEntradas BináriasparaRuídoAtmosfério,emSimpósioBrasileirodeT

eleomu-niações(SBrT), 2016,Santarém

•

SILVA, L. S. E.; CARRENO, J. P.; NEVES, S. O. A.; BRAGA, A. J.; AGUAYO, L.; BARRETO, A. N.; Desaos para a transmissão de dados em um sistema de

omunia-ção through-the-earth (TTE), em Simpósio Brasileiro de Teleomuniações (SBrT), 2016,

Santarém

•

NEVES, S. O. A.; SILVA, L. S. E.; FARIAS, M. C. Q.; BARRETO, A. N.; Image Res-toration forThrough-The-Earth Communiations, emIEEEWireless Communiations and

NetworkingConferene (WCNC), 2016, Doha, Qatar

•

SILVA, L. S. E.; NEVES, S. O. A.; CARRENO, J. P.; AGUAYO, L.; BARRETO, A. N.; BRAGA,A. J.; GARCIA, L.G. U.; Comuniações em Minas Subterrâneas, em Simpósio

Brasileirode Teleomuniações (SBrT),2015, Juizde Fora

•

BRAGA, A. J.; AGUAYO, L.; SILVA, L. S. E.; CARRENO, J. P.; NEVES, S. O. A.; BARRETO,A.N.;GARCIA,L.G.U.;ModelagemdeCanalparaSistemasdeComuniações

Através da Terra (TTE), em Simpósio Brasileiro de Teleomuniações (SBrT), 2015, Juiz

Estetrabalho apresenta a modelagemeanálisedoruído existenteemomuniaçõesatravésda

terra,do inglêsThrough-The-Earth (TTE), onsiderandomodelos analítiosemediçõesrealizadas

emminassubterrâneas.

A partir desta análise, veriamos que o ruído existente em omuniações através da terra

é omposto pelo ruído atmosfério e pelo ruído antrópio. O ruído atmosfério difere do ruído

Gaussiano tradiional, visto que ele é dado pela soma de uma omponente Gaussiana, gerada

a partir de desargas elétrias distantes ao reeptor, e de uma omponente impulsiva, gerada a

partir de desargas elétrias próximas ao reeptor. Já o ruído antrópio é proveniente de linhas

de transmissão de potênia ou de equipamentos existentes na mineração, sendo omposto por

harmnios,quepossuemsuaamplitude,fase efrequênia instantâneavariando pelo tempo.

Apósoestudo earaterização do ruídoexistenteemomuniaçõesatravésdaterra,

propuse-mosumltro digital adaptativo noth IIR,do inglês InniteImpulse Response, paraontornar a

variabilidadedafrequênia deoperaçãodosistemaelétrioedeseus harmnios,amde

possibi-litaramitigação destes harmniosde umaforma maiseaz, possibilitandoassim umamelhoria

nodesempenho de sistemasde omuniação através daterra.

Como ontribuições originais neste trabalho, alulamos a apaidade restrita do anal

onsi-derandoentradas binárias equiprováveis e a presença do ruído atmosfério, veriando o impato

da omponente impulsiva. Além disso, analisamos a variabilidade da frequênia instantânea do

ruídoantrópioeomooambiente demineraçãopodeafetaromuniaçõesatravésdaterra. Epor

m,simulamos oenlae de omuniaçõesTTE, onsiderando ummodelo de analjá estabeleido

na literatura e a presença dos ruídos atmosfério e antrópio. Nesta simulação, implementamos

métodos estabeleidos na literatura para mitigação de harmnios e omparamos os resultados

omoltro digitaladaptativo proposto,alançando umamaior robustezàvariação dafrequênia

instantânea aoutilizar oltro adaptativo proposto.

ABSTRACT

This work presents the modeling and analysis of existingnoise inThrough-The-Earth (TTE)

ommuniations, onsidering analytial modelsand measurementsof underground mines.

From this analysis, we veried that theexisting noise inThrough-The-Earth ommuniations

isomposedofatmospherinoiseand man-madenoise. Atmospherinoisediersfromtraditional

Gaussian noise, sine it is given by the sum of a Gaussian omponent, generated from eletri

equipment inthe miningenvironment,beingomposedofharmonis,whih have theiramplitude,

phaseandinstantaneous frequeny varyingbytime.

After the study and haraterization of existing noise in Through-The-Earth

ommuniati-ons,we proposed anadaptive digital IIRnoth lter toirumvent thepowerline and harmonis

frequenyvariabilitybelongingtoman-madenoiseinordertoallowthemitigationofthese

harmo-nisinan eetive way, thus enabling an improvement intheperformane ofThrough-The-Earth

ommuniation systems.

Asoriginalontributionsinthiswork,wealulatetheonstrainedhannelapaityonsidering

equiprobable binary inputs and the presene of atmospheri noise, verifying the impat of the

impulsiveomponent. Inaddition,weanalyzetheinstantaneousfrequenyvariabilityofman-made

noise and how the mining environment an aet Through-The-Earth ommuniations. Finally,

wesimulatetheTTE ommuniationslink,onsidering ahannelmodelalreadyestablishedinthe

literatureandthepreseneofatmospheriandman-madenoise. Inthissimulation,weimplemented

methods establishedintheliteratureusedforharmoni mitigationand omparedtheresults with

the proposed adaptive digital lter, ahieving greater robustness to the instantaneous frequeny

1 Introdução... 1 1.1 Contextualização... 1 1.2 Definição do problema ... 3 1.3 Contribuições do trabalho ... 3 1.4 Apresentação do manusrito... 4 2 Revisão Bibliográfia... 5

2.1 Condições para a Comuniação em Minas Subterrâneas ... 5

2.2 Revisão quanto ao uso, ténias e equipamentos... 6

2.2.1 TTW: através do abo... 6

2.2.2 TTA: Através do ar... 7

2.2.3 TTE: Através da terra... 8

2.3 Propagação em Comuniação TTE... 9

2.3.1 Zonas de Campo... 10

2.3.2 Modelos de Campo Magnétio... 10

2.3.3 Modelagem do Canal e Frequênia Ótima de Operação... 11

3 Ruído Atmosfério... 14

3.1 Introdução ... 14

3.2 Ruído Atmosfério... 14

3.3 Parâmetros... 16

3.3.1 Soma dos Resíduos ao Quadrado... 16

3.3.2 R-quadrado... 16

3.3.3 Raiz do Erro Quadrátio Médio ... 16

3.3.4 Divergênia de Kullbak-Leibler... 17

3.4 Metodologia para Estimar a Capaidade Restrita do Canal ... 17

3.5 Avaliando a Aproximação da Função Densidade de Probabilidade... 19

3.6 Estimação da Capaidade Restrita do Canal... 23

4 Análise dos Ruídos Atmosfério e Antrópio em Sistemas de Comu-niação Através da Terra ... 25

4.1 Introdução ... 25

4.4 Análise de Ruído em Comuniações TTE ... 27

5 Ténias para Compensação do Ruído Antrópio... 35

5.1 Introdução ... 35

5.2 Algoritmos para Estimação de Harmnios... 36

5.2.1 Estimação da Frequênia Instantânea ... 36

5.2.2 Estimação de Amplitude e Fase de Harmnios Utilizando Algo-ritmo LMS ... 37

5.3 Explanação sobre Controle Linear dos Coefiientes... 39

5.4 Simulação de Enlae de umSistema de Comuniação TTE... 46

6 Conlusões... 53

1.1 Produção mineral brasileira embilhõesdedólares. Fonte: [1℄... 1

1.2 Representaçãoesquemátiadomeio parasistemasdeomuniação atravésdaterra, operandoem downlink. Asdimensões típias dasantenas sãoda ordem de dezenas de metros. ... 2

2.1 Telefone demagneto. Fonte: [2℄... 6

2.2 Leaky Feeder. Fonte: [3 ℄... 7

2.3 Geometria para álulo de ampo entre duas antenas loop irulares. O ângulo

α

formado pelos vetores ortogonais aos planos determinados pelas duas antenas é resultante da omposição de rotaçõesnoseixos

x

ˆ

′

e

y

ˆ

′

... 12

3.1 Canal de omuniação om ruídoatmosfério... 17

3.2 Funções densidade deprobabilidade para

a

= 1

,

γ

2

_{= 10}

−

5

e RSR

=

−

10

dB... 19

3.3 Capaidade restrita pela RSR,onsiderando ruído Gaussianoe dois asos de ruído atmosfério. ... 23

3.4 Impulsividade pelaapaidade restrita, onsiderando doisasos de RSR... 24

4.1 Função densidade deprobabilidade dafrequênia instantânea... 26

4.2 Função deautoorrelação da frequênia instantânea. ... 27

4.3 Antenaloop passiva detrês eixos. Fonte: [4℄... 27

4.4 Série temporal e densidade espetral de potênia do ruído de omuniações TTE parasituação 1,onsiderando oeixo X daantena... 28

4.5 Série temporal e densidade espetral de potênia do ruído de omuniações TTE ampliados parasituação 1,onsiderandoo eixo X daantena. ... 29

4.6 HistogramadomódulodoruídodeomuniaçõesTTEparasituação1,onsiderando o eixo Xda antena. ... 29

4.7 Funçõesdedistribuição umulativaexperimentale teóriaparasituação1, onside-randoo eixo X daantena... 31

4.8 Espetrograma do ruídoparasituação 1,onsiderando oeixo X daantena... 32

4.9 Espetrograma do ruído para situação 1 om ampliação nas baixas frequênias, onsiderando o eixo Xda antena. ... 32

4.10 Espetrograma do ruídoparasituação 2,onsiderando oeixo X daantena... 33

4.11 Espetrograma do ruído para situação 2 om ampliação nas baixas frequênias, onsiderando o eixo Xda antena. ... 33

4.13 Espetrograma do ruído para situação 3 om ampliação nas baixas frequênias,

onsiderando o eixo Xda antena. ... 34

5.1 Diagrama de bloos representativo de ltros de ordem superior onsiderando uma

série deseçõesbiquadrátias... 39

5.2 Médiadosoeientesdonumeradordoltro dequartaordemonsiderando

peque-nosdesvios de frequênia... 41

5.3 Média dosoeientes do denominadordo ltro de quarta ordem onsiderando

pe-quenos desvios de frequênia... 41

5.4 Diagrama de bloosrepresentativo doltro digital adaptativo... 42

5.5 Sinal apósltrodigital eltro digitaladaptativo,frequênia dosinaliguala

1746

Hz. 43 5.6 Densidadeespetraldepotêniaapósltrodigitaleltrodigitaladaptativo,

frequên-ia dosinaligual a

1746

Hz... 43 5.7 Sinal apósltrodigital eltro digitaladaptativo,frequênia dosinaliguala

1752

Hz. 44 5.8 Densidadeespetraldepotêniaapósltrodigitaleltrodigitaladaptativo,

frequên-ia dosinaligual a

1752

Hz... 44 5.9 Sinal após ltro digital e ltro digital adaptativo, variando frequênia do sinal de

1746 para1754 Hz... 45

5.10 Densidade espetralde potênia apósltro digital e ltro digital adaptativo,

vari-ando frequênia dosinalde 1746 para 1754 Hz... 45

5.11 Espetrograma apósltro digitale ltro digital adaptativo, variando frequênia do

sinalde 1746 para1754 Hz... 46

5.12 Diagrama de bloosda simulaçãode enlae de umsistemadeomuniação TTE... 46

5.13 Função detransferênia normalizada do analTTE... 47

5.14 Taxa de erro de bit onsiderando os harmnios om umdesvio da frequênia

no-minale umataxa de 5kbps,om

γ

2

_{= 10}

... 50

5.15 Taxade erro de bit onsiderando os harmnios em suafrequênia nominal e uma

taxa de 6,75kbps,om

γ

2

_{= 10}

... 50

5.16 Taxa de erro de bit onsiderando os harmnios om umdesvio da frequênia

no-minale umataxa de 6,75kbps,om

γ

2

_{= 10}

... 51

5.17 Taxade erro de bit onsiderando os harmnios em suafrequênia nominal e uma

taxa de 6,75kbps,om

γ

2

_{= 10}

−

5

... 51

5.18 Taxa de erro de bit onsiderando os harmnios om umdesvio da frequênia

no-minale umataxa de 6,75kbps,om

γ

2

_{= 10}

−

5

2.1 Zonasde ampo no váuo e emmeio ondutor... 11

3.1 ParâmetrosparaavaliaraproximaçõesonsiderandodiferentesvaloresdeRSR:

a

= 1

e

γ

2

_{= 10}

−

5

... 20

3.2 ParâmetrosparaavaliaraproximaçõesonsiderandodiferentesvaloresdeRSR:

a

= 1

e

γ

2

_{= 10}

... 20

3.3 Divergênia deKullbak-Leibler paradiferentes valoresdeRSR:

a

= 1

e

γ

2

_{= 10}

−

5

... 21

3.4 Divergênia deKullbak-Leibler paradiferentes valoresdeRSR:

a

= 1

e

γ

2

_{= 10}

... 21

3.5 Resultadodaintegralparatodosvaloresdafunção densidadedeprobabilidade

on-junta onsiderando diferentes valoresdeRSR:

a

= 1

e

γ

2

_{= 10}

−

5

... 22

3.6 Resultadodaintegralparatodosvaloresdafunção densidadedeprobabilidade

on-junta onsiderando diferentes valoresdeRSR:

a

= 1

e

γ

2

_{= 10}

... 22

4.1 Quadro Comparativo -

a

e

γ

... 31 4.2 Quadro Comparativo -

R

e

R

0

... 31

H

Campo Magnétio

µ

Permeabilidade Magnétia

ε

Permissividade Elétria

σ

CondutividadeElétria

Ω

Frequênia Angularem Tempo Contínuo

δ

Profundidade Peliular

λrocha

Comprimento de OndaemMeioMineral

v

rocha

Veloidadede Propagação emMeioMineral

λ

0

Comprimento de Ondano Váuo

r

Distâniaentre DoisPontos

µ

0

Permeabilidade Magnétia no Váuo

md

Momento Magnétio de Antena Loop

N

tx

Quantidade deVoltas do Loop Transmissor

Itx

Corrente Elétria TonalnosFilamentos daAntenaTransmissora

Stx

Áreado Loop Transmissor

P

tx

Potênia DissipadapeloTransmissor

Rtx

Resistêniado Loop Transmissor

H

qe

Campo Magnétio Quase-estátio

θ

Ânguloentreo Ponto Indutore oPonto queSofrea Indução

ˆ

r

Vetor Unitáriona Direção RadialemCoordenadas Esférias

ˆ

θ

Vetor Unitáriona Direção Elevaional emCoordenadas Esférias

krocha

Número deOndaem MeioMineral

T

Alane NormalizadopelaProfundidade Peliular

Z

(Ω)

Impedâniade Transferênia Fasorial entreLoops

Itx

(Ω)

Corrente Tonal Fasorialno Loop Transmissor

V

rx

(Ω)

TensãoInduzida Fasorial nosTerminaisda Antena Reeptora

Srx

Áreado Loop Reeptor

Nrx

Quantidade deVoltas do Loop Reeptor

ϕ

Ânguloentreo CampoMagnétio e oEixo do Loop Ortogonal aseuPlano

H

r

Componente do Campo Magnétio em

r

H

θ

Componente do Campo Magnétio em

θ

ˆ

x

Vetor Unitárioem

x

emCoordenadas Cartesianas

ˆ

x

′

ˆ

y

Vetor Unitárioem

y

emCoordenadas Cartesianas

ˆ

y

′

Vetor AuxiliarCriadopor Rotação

θx

Ângulode Rotaçãoem

ˆ

x

′

θy

Ângulode Rotaçãoem

y

ˆ

′

m

d

(Ω)

Momento Magnétio Fasorial

Z

(

T

)

Impedâniade Transferênia em Função doAlane Normalizado

I

tx

(

T

)

Corrente Tonal emFunção do Alane Normalizadono Loop Transmissor

Vrx

(

T

)

TensãoInduzidaemFunçãodoAlaneNormalizadonosTerminaisdaAntena Reeptora

G

tx

r

GanhoNormalizado daAntenaTransmissora em

r

G

rx

r

GanhoNormalizado daAntenaReeptora em

r

G

tx

θ

GanhoNormalizado daAntenaTransmissora em

θ

G

rx

_θ

GanhoNormalizado daAntenaReeptora em

θ

Fr

Função de Transferênia do Canal dePropagação em

r

F

θ

Função de Transferênia do Canal dePropagação em

θ

PN

VariávelAleatória da Magnitude doFasorRuídoAtmosfério

Ξ

Variável Aleatória da Componente Gaussiana da Magnitude do Fasor Ruído Atmosfério

Υ

Variável Aleatória da Componente Impulsiva da Magnitude do Fasor Ruído Atmosfério

ξ

Amostrada VariávelAleatória

Ξ

R

2

0

Potênia Média da Componente GaussianadaMagnitude do Fasor Ruído At-mosfério

υ

Amostrada VariávelAleatória

Υ

R

VariávelPresente na Função Densidade de Probabilidade da Componente Im-pulsivada Magnitude doFasorRuídoAtmosfério

a

VariávelPresente na Função Densidade de Probabilidade da Componente Im-pulsivada Magnitude doFasorRuídoAtmosfério

Γ(

.

)

Função Gamma

E

_{

.

_}

OperadorEsperança

var

_{

.

_}

OperadorVariânia

ρn

Amostrada VariávelAleatória

PN

γ

2

Impulsividade

s

Sériea serAproximada paraCalular Parâmetros Estatístios

ˆ

s

Aproximação daSérie paraCalular Parâmetros Estatístios

Ψ

QuantidadedeElementosdaSérieaserAproximadaparaCalular Parâmetros Estatístios

¯

s

MédiadaSérie a serAproximada para Calular Parâmetros Estatístios

DKL

(

.

_||

.

)

Divergêniade Kullbak-Leibler

Q

1

(

q

)

FunçãoDensidadedeProbabilidade aserAproximadaparaCalular Divergên-iade Kullbak-Leibler

Q

2

(

q

)

AproximaçãodaFunçãoDensidadedeProbabilidadeparaCalularDivergênia deKullbak-Leibler

M

Entrada doCanal paraCalular Capaidade Restrita doCanal

RAT M

SaídadoCanal paraCalular CapaidadeRestrita do Canal

I

(

.

;

.

)

Informação Mútua

INi

SímboloPertenente aoAlfabetopara Calular CapaidadeRestrita doCanal

P r

(

.

)

Função Probabilidade

p

.|.

(

.

|

.

)

Função Densidadede Probabilidade Condiional

L

Cardinalidadedo Alfabetopara Calular CapaidadeRestrita do Canal

p.,.

(

., .

)

Função Densidadede Probabilidade Conjunta

XN

VariávelAleatória da Componente doRuído Atmosfério em

x

x

n

Amostrada VariávelAleatória

X

N

YN

VariávelAleatória da Componente doRuído Atmosfério em

y

yn

Amostrada VariávelAleatória

YN

Θ

N

VariávelAleatória da Fasedo Fasor RuídoAtmosfério

θn

Amostrada VariávelAleatória

Θ

n

gaprox

(

ρn

)

FunçãoUtilizadaparaAproximação daFunção DensidadedeProbabilidade da Magnitudedo Fasor RuídoAtmosfério

cn

1

Primeiro CoeientedoNumerador daFunção

gaprox

(

ρn

)

c

n

2

Segundo Coeiente doNumerador daFunção

g

aprox

(

ρ

n

)

cn

3

TereiroCoeiente doNumerador daFunção

gaprox

(

ρn

)

cn

4

Quarto Coeiente doNumerador daFunção

gaprox

(

ρn

)

cn

5

Quinto Coeiente do Numeradorda Função

gaprox

(

ρn

)

cn

6

SextoCoeiente doNumerador daFunção

gaprox

(

ρn

)

c

d

1

Primeiro CoeientedoDenominador daFunção

g

aprox

(

ρ

n

)

cd

2

Segundo Coeiente doDenominador da Função

gaprox

(

ρn

)

c

d

3

TereiroCoeiente doDenominador da Função

gaprox

(

ρn

)

cd

4

Quarto Coeiente doDenominador da Função

gaprox

(

ρn

)

cd

5

Quinto Coeiente do Denominador da Função

gaprox

(

ρn

)

c

d

6

SextoCoeiente doDenominador da Função

g

aprox

(

ρ

n

)

ax

Parâmetro

a

paraMedidas doEixo X daAntena

ay

Parâmetro

a

paraMedidas doEixo Y daAntena

a

z

Parâmetro

a

paraMedidas doEixo Zda Antena

γx

Parâmetro

γ

paraMedidasdo Eixo Xda Antena

γy

Parâmetro

γ

paraMedidasdo Eixo Yda Antena

γ

z

Parâmetro

γ

paraMedidasdo Eixo Zda Antena

Rx

Parâmetro

R

paraMedidas doEixo X daAntena

R

y

Parâmetro

R

paraMedidas doEixo Y daAntena

Rz

Parâmetro

R

paraMedidas doEixo Zda Antena

R

0

x

Parâmetro

R

0

paraMedidas doEixo X daAntena

R

0

y

Parâmetro

R

0

paraMedidas doEixo Y daAntena

s

1

(

t

)

SinalCossenoidal

A

Amplitudedo Sinal Cossenoidal

φ

Fasedo SinalCossenoidal

fs

Taxade Amostragem

s

1

[

k

]

SinalCossenoidal Disreto

ω

Frequênia Angularem Tempo Disreto

f

inst

Frequênia Instantânea

E

Variávelque DeterminaoTamanhodosVetoresColuna

S

1

k

,

S

−

1

k

e

S

+

1

k

S

1

k

Vetor Coluna omAmostras de

s

1

[

k

]

S

1

−

k

Vetor Coluna omAmostras de

s

1

[

k

]

S

1

+

k

Vetor Coluna omAmostras de

s

1

[

k

]

s

ζ

(

t

)

Sinalde Harmnios

ζ

Quantidade deHarmniosPresente no Sinal

sζ

(

t

)

Ai

(

t

)

Amplitudedo i-ésimoHarmnio no Sinal

s

ζ

(

t

)

Ω

0

Frequênia Angularde Operação doSistema Elétrio emTempoContínuo

φi

(

t

)

Fasedo i-ésimoHarmniono Sinal

sζ

(

t

)

η

(

t

)

RuídoPresente noSinal

s

ζ

(

t

)

sζ

[

k

]

Sinalde HarmniosDisreto

Ai

[

k

]

Amplitudedo i-ésimoHarmnio Disreta

ω

0

Frequênia Angularde Operação doSistema Elétrio emTempoDisreto

φi

[

k

]

Fasedo i-ésimoHarmnioDisreta

η

[

k

]

RuídoPresente Disreto

X

H

[

k

]

Vetor Coluna Utilizado no AlgoritmoLMS

W

[

k

]

Vetor Coluna Utilizado no AlgoritmoLMS

e

[

k

]

Erroentre Sinal aser Estimadoe Estimativa dada pelo AlgoritmosLMS

κ

Fatorde Passo do AlgoritmoLMS

H

(

z

)

Função de Transferênia de FiltroDigital

ψ

Quantidade deSeçõesBiquadrátias

b

0

i

Primeiro Coeiente do Numerador da i-ésima Seção Biquadrátia do Filtro Digital

b

1

i

Segundo Coeiente do Numerador da i-ésima Seção Biquadrátia do Filtro Digital

b

2

i

Tereiro Coeiente do Numerador da i-ésima Seção Biquadrátia do Filtro Digital

a

1

i

Primeiro Coeiente doDenominador dai-ésimaSeçãoBiquadrátia doFiltro Digital

a

2

i

Segundo Coeiente doDenominador dai-ésimaSeção Biquadrátia doFiltro Digital

Hi

(

z

)

Função de Transferênia da i-ésimaSeçãoBiquadrátia do FiltroDigital

z

0

i

Zerosda Função de Transferênia da i-ésimaSeçãoBiquadrátia doFiltro Di-gital

ωc

FrequêniaAngularCentraldaSeçãoBiquadrátiadoFiltroDigitalemTempo Disreto

fc

FrequêniaCentraldaSeçãoBiquadrátiadoFiltroDigitalemTempoContínuo

∆

ω

LarguradeBandadaSeçãoBiquadrátia doFiltroDigital emTempoDisreto

G

2

B

Ganhode 3-dBda SeçãoBiquadrátia do Filtro Digital

ωnominal

Frequênia Angulardo Harmnio emTempo Disreto

β

Fatorde Roll-o

fcarrier

Frequênia daPortadora

Rb

Taxade Transmissão de Bits

fopt

Frequênia Ótimado Canal TTE

Ah

Variávelque Controla Amplitudesdo Sinal

Htotal

[

k

]

E

b

Energia por Bit

N

0

DensidadeEspetralde Potênia doRuído

H

total

[

k

]

SinalInterferente de HarmniosUtilizado naSimulação

H

1

[

k

]

PrimeiraComponente doSinal Interferentede HarmniosUtilizadona Simu-lação

H

2

[

k

]

Segunda Componentedo Sinal Interferentede HarmniosUtilizado na Simu-lação

TTE Through-The-Earth

IIR Innite ImpulseResponse

IBRAM Instituto BrasileirodeMineração

TTW Through-The-Wire

TTA Through-The-Air

RF Radiofrequênia

VHF Very High Frequeny

UHF Ultra High Frequeny

WiFi Wireless Fidelity

RFID Radio Frequeny Identiation

TDMA-TDD Time Division MultipleAess - Time Division Duplexing

GEAR Geographial Energy Aware Routing

DSDV Destination-Sequened Distane Vetor

AODV Ad ho On-DemandVetor

OLSR Optimized LinkState Routing

IEEE Institute of Eletrial andEletroni Engineers

RSSI Reeived Signal StrengthIndiation

NIOSH National Institute for Oupational Safety andHealth

SSB Single Side Band

PSK Phase-Shift Keying

FSK Frequeny-Shift Keying

PED Personal Emergeny Devie

SDR Software Dened Radio

MSK Minimum-Shift Keying

RSR Relação Sinal Ruído

ANC Adaptive Noise Canellation

MLD Maximum-Likelihood Detetion

DAFB Deision-Aided Feedbak

RMS RootMean Square

SRQ SomadosResíduos aoQuadrado

RQ R-quadrado

REQM Raizdo ErroQuadrátio Médio

FIR Finite ImpulseResponse

LMS Least Mean Squares

RCOS Raised Cosine

RTS Request to Send

CTS Clear toSend

Introdução

Este apítulo apresenta os aspetos prinipais do

trabalho,ontextualizandooproblemapropostono

âmbito de omuniações através da terra. Além

disso,destaamosamotivaçãoeasontribuições,

e apresentamosaestrutura detodoomanusrito.

1.1 Contextualização

A indústria de mineração possui um grande impato eonmio mundial, visto a quantidade

de produtos que possuem algum tipo de minério omo matéria prima, desde produtos simples e

utilizados no otidiano das pessoas até omponentes mais omplexos e sostiados utilizados em

aparelhoseletrnios. Vistoisso,élaroqueaextraçãomineraltambémpossuiumaaltarelevânia

paraa eonomiabrasileira, onformepodemos vernaFigura1.1,a qualilustraa somaembilhões

dedólaresda indústria extrativa mineralbrasileira, exluindo a produção depetróleoe gás.

Ar:

µ

0

, ǫ

0

Meio ondutor 1:

σ

1

Meio ondutor 2:

σ

2

H

Figura 1.2: Representação esquemátia do meio para sistemas de omuniação através da terra,

operandoem downlink. Asdimensõestípias dasantenas sãoda ordem dedezenas de metros.

Todavia, paraseproporionarobomfunionamentodasatividadesdemineração, é neessário

aexistênia de serviços auxiliares, dentre eles, podemos itar serviçosde omuniações. Tais

ser-viçosde omuniações podemser utilizados para: proporionar a omuniação entre funionários

queestãonamina realizandoatividadesorriqueiras, automatizar proessosexistentesna

minera-ção (esavações ou detonações), possibilitar omuniações em situações de resgate, dentre outras

possibilidades.

Levando essa neessidade deomuniação emonsideração, temosimplementados sistemasde

omuniação baseados em transmissão através de abos, do inglês Through-The-Wire (TTW),

ou baseados na propagação através do ar, do inglês Through-The-Air (TTA), nas atuais minas

subterrâneas [5 ℄. Todavia, estes sistemas neessitam de uma infraestrutura omplexa, para a

passagem dos abosou para a instalação de bases repetidoras, e omo o ambiente de mineração

é arrisado e propíio a aidentes, devemos veriar a possibilidade da implementação de um

sistemamaisrobusto,amdesetornarpossívelumaomuniaçãoeienteesegura,possibilitando

tomadasdedeisãode forma assertivaatémesmo emsituaçõesrítias.

Tendoemvistaestaneessidadedeumsistemamaisrobusto,surgeapossibilidadedautilização

do sistema de omuniação através da terra, do inglês Through-The-Earth (TTE). Este sistema

realizaaomuniaçãoatravésdeinduçãomagnétiaomfrequêniasdeoperaçãoabaixode30kHz,

umavez que o anal de omuniação é omposto por diferentes tiposde minérios, água e outros

materiaisdeondutividadeelétria nãodesprezível, eéprinipalmenteutilizadoparasituaçõesde

resgate, em que mineradores presos na mina subterrânea onseguem omuniar om uma equipe

de resgate que está fora da mina subterrânea. A Figura 1.2 ilustra o meio para sistemas de

omuniação através daterra.

Sendo assim, ao veriarmos os atuais produtos desenvolvidos para omuniações através da

terra,notamos queessespossibilitam enlaesponto a ponto om taxasde transmissão baixas, no

máximode1kbps,emdistâniasdeaté450m,sendopossívelrealizar atransmissãodemensagens

de voz ou dados [6, 7℄. Todavia, estes esquemas de transmissão ainda possuem possibilidades

paramuitas melhorias, devido àarêniade estudosrealizados emomuniações atravésda terra,

Alguns pontos que ausam esta diuldade intrínsea na omuniação através da terra e que

preisamser investigados sãoosseguintes:

•

A severaperdadepropagação;

•

Oanal banda estreita quelimita a taxade transmissão;

•

A presença do ruído atmosfério quenão é puramente Gaussiano, sendoomposto por uma omponente impulsiva eumaomponente Gaussiana;

•

A presençadoruídoantrópioqueéompostoporharmnios geradosapartir demáquinas utilizadas namineração ou daslinhasde transmissãode potênia;

•

A limitação na potênia de transmissão no enlae de subida por questõesde segurança dos mineiros.

1.2 Denição do problema

Visto que a literatura em omuniações através da terra é muito esassa, e por se tratar de

umsistemade omuniação utilizado emsituaçõesrítiasemum ramode produção om grande

impatoeonmio,surgeaneessidadedenovosestudosaeradoassunto. Estadissertaçãotrata

oestudo aerado ruído emomuniaçõesatravésdaterra (atmosfério e antrópio). No asodo

ruído atmosfério, veriamos omo sua omponente impulsiva pode modiar o desempenho do

sistemaeenontramoslimiaresdaapaidaderestritadoanal. Jáparaoruídoantrópio,zemos

análises quanto à variabilidade da frequênia instantânea dos harmnios e omo o ambiente de

mineração,omposto por diversosequipamentos, podeaumentar este sinalinterferente.

Além disso, visto que um dos problemas enfrentados por omuniações através da terra é a

variabilidade dafrequênia instantâneadosharmnios presentes noruído antrópio, propusemos

umltrodigitaladaptativodotipoIIRnoth ontroladolinearmenteparaontornaresteproblema

etornaroreeptordosistemadeomuniaçãoatravésdaterramaisrobusto. Apósrealizarmosestes

proedimentos, realizamossimulaçõesde enlaeutilizando umdeisordemáxima verossimilhança

paraoruídoatmosférioeomparamosténiasdeestimaçãoeltragemdeharmniosomoltro

digital adaptativo ontrolado linearmente proposto para mitigação do ruído antrópio, podendo

assimveriarodesempenho do sistemadeomuniação atravésdaterra emdiferentes situações.

1.3 Contribuições do trabalho

Asontribuições destetrabalho são:

•

Estimação do valorda apaidade restrita do analonsiderando entradas binárias equipro-váveis pararuídoatmosfério;

•

Implementação de ténias desritasna literatura para mitigação de harmnios (ruído an-trópio);

•

Propostadeltrodigital adaptativoIIRnoth ontroladolinearmente,amdeseontornar a utuaçãoda frequênia instantânea;

•

Veriação do desempenho de um enlae de omuniações através da terra, onsiderando ruído atmosférioe ruído antrópio.

1.4 Apresentação do manusrito

Orestantedestadissertaçãoestáorganizadodaseguinteforma. NoCapítulo2,realizamosuma

revisãoaeradeoneitosbásiossobreminas. Alémdisso,fazemosumlevantamentobibliográo

dotipodeténiasutilizadasparaomuniaçãoemambientesdemineração. Porm,desrevemos

omodelo deanal depropagação utilizado nassimulações.

Em seguida,noCapítulo 3,explanamosomodelomatemátioutilizado paradesreveroruído

atmosférioe, posteriormente, revisamos rapidamenteos parâmetros utilizados paraveriarmos

asaproximaçõesdafunçãodedensidadedeprobabilidadedoruído. Apósarevisãodosparâmetros,

expliamosa metodologia adotadapararealizar a estimação daapaidade restrita doanal para

oruídoatmosfério,seguidadaavaliaçãodaaproximaçãodafunçãodedensidadedeprobabilidade

baseado nos parâmetros itados anteriormente. Por m, os resultados da apaidade restrita do

analsãoexplanados.

Por suavez, o Capítulo 4 explia suintamente a origem do ruído antrópio. Posteriormente,

eluidamos as metodologias para analisar a frequênia instantânea de harmnios e as medições

realizadas exibindoosresultados de ambasanálises.

OCapítulo5ilustraténiasutilizadaspara: estimarafrequêniainstantâneadeumharmnio

eestimarosparâmetrospertenentesaoharmnio,amplitudeefase. Posteriormente,expliamosa

téniadeontrole lineardosoeientes doltrodigitaladaptativoIIRnoth elaborada, levando

em onsideração o enário de sistemas de omuniação através da terra. Após a expliação da

ténia elaborada, expliamos a onguração da simulação de enlae e, por m, ilustramos os

Revisão Bibliográa

Neste apítulo, apresentamos aspetos gerais

aera da omuniação emambientes de

minera-ção. O modelo de propagação em omuniações

TTE adotado neste trabalho também é

apresen-tado.

2.1 Condições para a Comuniação em Minas Subterrâneas

A denição adotada de mina é a seguinte: uma massa individual de substânia mineral ou

fóssil,em lavra, que está na superfíie terrestreou no interior da terra om um valor eonmio

[8℄. Geralmente,minassubterrâneassãosigniativamenteúmidas,algumasvezeshegandoauma

umidadede

90%

ou mais. Poeira, águaorrosivae gases explosivosou tóxios, omo por exemplo dióxido de arbono e metano, são elementos que não somente afetam o bem estar de operários,

masprejudiam tambémosequipamentos de mineração eomuniação (vidaútil e regulagem).

Um aspeto importante a ser notado em minas subterrâneas é a expansão dessa em função

da retirada de minério e detritos. Ao se veriar este aspeto sob a visão de teleomuniações,

usualmente, neessita-se de umaumento da infraestrutura para sepossibilitar a omuniação no

ambientedemineração[5℄,sendonotávelaoseutilizar omuniaçõesTTAqueutilizamoaromo

meio de propagação. Outro fator que inuenia omuniações TTA é a forma e o tipo de aesso

damina,poisesavaçõesqueformamminasabertassustentadasporpilarespossuemondiçõesde

propagaçãodiferentesde minasemtúneis quetendem aterumefeitode guiade onda,ombaixo

índie deperdade propagação.

Aoanalisar asaraterístias elétrias do meio, minasdiferementre sipelomaterial extraído,

omoporexemplo,ferro,obre, arvão,et,etambémpelarazãodestetipodeminérioemrelação

a outros materiais, omo os que ompõem o apeamento que separa o orpo útil de minério da

superfíie. A perda de propagação no anal é inueniada signiativamente pela variação da

ondutividade elétria do meio, que oorre pela razão dos tipos de minérios, sendo deisiva para

aesolha dosequipamentose onguraçõesde funionamento emsistemas de omuniação TTE.

Paraosasosqueseutilizamomuniaçõesemradiofrequênia(RF),omoemTTAealgunstipos

2.2 Revisão quanto ao uso, ténias e equipamentos

Disutimos a seguir as três prinipais maneiras de omuniação em ambientes de mineração,

TTW,TTAe TTE.

2.2.1 TTW: através do abo

OssistemasTTWutilizammeiosguiados[5 ℄paraaomuniaçãonointeriordaminaetambém

paraaomuniação entre mina esuperfíie. Otelefone demagneto [2℄, ilustradona Figura2.1, é

umexemplodeomuniaçãoTTW,sendoumdosmeiosdeomuniaçãomaisantigos assoiadosà

omuniaçãoemminaseérealizadoparaomuniaçãodevozemlinhaabeada. Seufunionamento

oorreatravésdeumgeradordemagneto,queéompostoporímãs,sendoaionado manualmente

por uma alavana a mde gerar orrente alternada, que após a transmissão pelo abo aiona os

sinosdos telefonesonetados. Ao seestabeleera onexão,baterias garantem a alimentação dos

equipamentos.

Figura2.1: Telefone demagneto. Fonte: [2℄

Outro exemplo de omuniação TTW é a bra óptia que permite a transmissão de dados

omaltas taxas,hegandoa grandes distâniassemneessidade de regeneraro sinal. Por teralta

apaidade de transmissão, usualmente é usada para monitorar em tempo real as atividades da

mina[10℄.

Porm,hátambémumsistemahíbridoTTAeTTWqueéoLeakyFeeder,ilustradonaFigura

vez de se utilizar uma malha protetora. Todavia, é neessário possuir ampliadores espaçados

entre 350 me 500 mde distânia, tipiamente, devido à perda ao longo do abo. É interessante

ressaltarqueestesabosperfuradostemafunção deumaantenabidireionale atuamnasbandas

VHF,doinglêsVery High Frequeny, eUHF,do inglêsUltra High Frequeny, usualmente[3 ℄.

Figura2.2: Leaky Feeder. Fonte: [3℄

2.2.2 TTA: Através do ar

Aoseompararsistemassemo(TTA)omsistemasTTWparaomuniaçãodentrodeminas,

os primeiros são mais vantajosos quando os aspetos avaliados são a failidade para instalação

e adaptação às neessidades da mina. Atualmente, os sistemas TTA utilizados em minas são,

majoritariamente, adaptaçõesdesistemasdeomuniaçãosemodeurtoalane: Zigbee, WiFi,

RFID,et. [11℄. ComoosequipamentosderádiousadosnãotrazemnovidadesemsuapartedeRF,

estasubseçãosefoanosprotoolosde aessoao meioeprotoolos deroteamento paraambientes

demineração enontrados na literatura.

Diversostrabalhosindiamautilizaçãoderedesadhoaoonsideraremafaltadeinfraestrutura

em minas e a disposição dos nós, sendo um dos prinipais pontos estudados o desempenho de

protoolos. No âmbito de protoolos de aesso ao meio, o trabalho [12℄ realiza uma análise do

desempenho do protoolo MINECOM, que é baseado em múltiplo aesso por divisão no tempo

e duplexação por divisão de tempo, do inglês Time Division Multiple Aess - Time Division

Duplexing (TDMA-TDD), no qualosusuários disputamslots de tempo.

Ao onsiderar protoolos de roteamento, Jing [13 ℄ riou umprotoolo híbrido de roteamento,

baseadono protoolo GEAR,do inglêsGeographial Energy Aware Routing, paranós móveis. No

aso, o autor utiliza a distânia e direção do movimento entre os nós móveis para restringir a

omuniação de algunsdeles, aumentandoassim otempode vida dessesnósmóveis.

Por sua vez, [14℄, [15℄ e [16 ℄ analisam o desempenho dos protoolos de roteamento DSDV,

do inglêsDestination-Sequened Distane Vetor, e AODV,do inglês Ad ho On-Demand Vetor,

onsiderando o atraso m a m, a taxa de perda de paotes e o throughput em transmissões de

vídeo. Já [17 ℄ estuda omo o protoolo de roteamento OLSR, do inglês Optimized Link State

Routing,e opadrãoIEEE 802.11npodemprovertransmissão de vídeo evoz emminas,sendo que

bonsresultados de latênia, throughput ejitter sãoenontrados.

onsiderando a métria RSSI, do inglês Reeived Signal Strength Indiation. A m de avaliar o

protoolo,otransmissorMG2455daRadioPulsefoiutilizadoparaarealizaçãodetestes. Jiangem

[19℄elaboraumprotooloderoteamentolevandoadisposiçãodostúneisemminasemonsideração,

emque há um túnel prinipal e alguns ramos. Ao analisar a disposição dosnós e a formação de

lusters entreeles nostúneis-ramos,o autorsugereumarealoaçãodenóspara adaluster am

deequilibrar arede.

Porm,Zhengem[20℄levantaonsideraçõesparaautilizaçãoderedesdesensoressubterrâneas,

asdiuldadesinerentesdoanalsemosubterrâneoeexpliitaasoportunidades(desaoseáreas

depesquisa)paraada umadasamadas derede,levandoemonsideraçãoumaabordagem

ross-layered omo ummitigador dosdesaos existentesemredes subterrâneas.

2.2.3 TTE: Através da terra

ApósariaçãodoMINERAt, quefoiumaregulamentaçãoriadapeloongressonorte

ameri-anoamdepromoversistemasdeomuniaçãoonáveisemminassubterrâneas,oórgãoNIOSH

(NationalInstituteforOupationalSafety andHealth)apoiouariaçãodediversastenologiasde

rastreamento eomuniaçãoemminassubterrâneas[6℄. Cinoempresasdesenvolveramprotótipos:

Ultra Eletronis,Stolar,Lokheed Martin,E-SpetrumTehnologies eAlertek. Dessesprotótipos,

quatrosebaseiamna deteçãoa partirde amposmagnétios aoseutilizar antenasloope umem

amposelétrios.

Os protótiposdesenvolvidos eram apazes de proveromuniação de voz e de texto

unidirei-onalmente, eem algumassituaçõesbidireionalmente, atingindoprofundidadesde até300 mpara

voze600mparatexto. Paraserealizaratransmissãodevoz,osequipamentosutilizaram

frequên-ias de 3150 Hz a 4820 Hz. Além disso, alguns equipamentos possuíam um modo de loalização

baseadoemtriangulaçãoomatransmissãodeumtomnoenlaedesubidaeutilizandoreeptores

situadosnasuperfíie,erapossívelestimaroposiionamento dotransmissoratravésdotratamento

dosinalreebido.

Aoanalisaramodulaçãodesinais,osprotótiposutilizarammodulaçãoanalógiaSSB,doinglês

Single Side Band,ou modulação digital PSK, do inglês Phase-Shift Keying, e/ou FSK, do inglês

Frequeny-Shift Keying. Tambémimplementaram-se téniasde anelamento deruídoemalguns

equipamentos [6℄. É importanteressaltar quealgumas empresas transformaram seus projetos em

produtosomeriais[21℄,omoresultadodoapoioàpesquisadoNIOSHoudeformaindependente.

Oequipamento FlexAlert, desenvolvido pela empresa anadense Mini-Radio Systems, é

utili-zado para omuniação unidireional entre a superfíie e galerias subterrâneas, sendo usado para

dar suporte na evauação dos trabalhadores em aso de emergênia. Além disso, utiliza ampo

magnétioembaixafrequêniaparatransportarinformaçãoaumreeptornoapaete dos

minei-ros. Neste sistema, há umaantena loop de 10 a 120 m de omprimento loalizada sobre a mina,

e ao oorrer uma situação de emergênia, umsinal é transmitido da superfíie para os mineiros,

funionaunidireionalmente, possibilitandoa transmissãodetextopara funionários queestãono

interiordeumamina. Nesteequipamento sóérealizadaaomuniaçãosuperfíie-mina,porém,há

apossibilidadede seutilizar umLeakyFeeder para serealizar aomuniação no enlae desubida

[10℄. Além do mais, o sistema é utilizado também para detonação remota e ontrole remoto de

equipamentos.

Depois derealizar testesem onjunto omoNIOSH,a empresaLokheed Martin omerializa

oproduto Magnelink MCS,que atuabidireionalmente e é autossuiente, suportando voz, texto

e loalização, sendo baseado em ondas magnétias de baixa frequênia. A empresa validou as

apliações de voz e texto ao realizar testes de 500 metros de profundidade, em que uma antena

de 130 m de omprimento e outra om múltiplas voltas foram usadas na superfíie e na mina,

respetivamente.

Por suavez,a empresaanadense Vital Alert [22℄ fabriou reentemente osistemaCanary de

rádioque ébidireional e utilizado paraomuniação dedados evoz. Oreeptor éreongurável

paraoperarentrefrequêniasde300 Hza9 kHz,umavez queéimplementado emSDR,doinglês

Software Dened Radio. O equipamento também suporta modulação adaptativa om taxas que

variamde 9bps a1 kbps.

Porm,aoanalisarproessamentodesinais,[23℄indiaamodulaçãoMSK,doinglês

Minimum-Shift Keying, omo ténia om a menor taxa de erro bit para uma relação sinal ruído (RSR).

Também há a sugestão para utilização de ténias para ombater o ruído atmosfério e para

uso de ódigos orretores de erros, gerando maior robustez ao sistema. Para o aso de ombate

ao ruído atmosfério, o autor arma melhorar a RSR de 10 a 30 dB após araterizar o ruído

om múltiplas antenas ortogonais e a apliação das seguintes ténias: anelamento adaptativo

de ruído, do inglês adaptive noise anellation (ANC), deteção de máxima verossimilhança, do

inglês maximum-likelihood detetion (MLD), e deisão auxiliada por retroalimentação, do inglês

deision-aided feedbak (DAFB). É importante ressaltar quea falta de estudos mais reentes em

proessamento de sinaisparasistemas TTE pode indiarumaáreade pesquisaa serrealizada.

2.3 Propagação em Comuniação TTE

De aordo om as propriedades intrínseas do solo, a penetração de ondas de rádio em meio

ondutor é dada pela equação de difusão

∇

2

_H

₌

_µσ∂

_H

_/∂t

emvez da equação de onda

∇

2

_H

₌

µε

(

∂

2

H

)

/

(

∂t

2

)

, sendo

H

o ampo magnétio,

µ

a permeabilidade magnétia,

ǫ

a permissividade elétria,

σ

a ondutividade elétria do meio e

t

o tempo. Nota-se que o ampo deai exponeni-almente em função da frequênia de operação, distânia e ondutividade elétria do meio. Para

um bom ondutor,

σ/

(

ε

Ω)

>>

1

(sendo

Ω

a frequênia angular em tempo ontínuo), o grau de deaimento é dado pelaprofundidade peliular

δ

=

p

2

/

(Ω

µσ

)

,a qual,por ser inversamente pro-porionalàraizquadrada dafrequênia,inviabilizaautilizaçãode frequêniasaltas,superior a30

kHz. Todavia, as antenas deveriam ter dimensão físia da ordem de quilmetros para radiar de

transferêniade potênia reativaviaindução magnétia(ouelétria)éresponsávelporquasetoda

potênia transmitida. Algumas propriedades básias da onda são alteradas pela propagação em

meio ondutor ou dielétrio, omo o omprimento de onda

λ

rocha

e a veloidade de propagação

vrocha

. Parabonsondutores, a ontribuição da permissividade real pode serdesonsiderada e se pode modelar o omprimento de onda que atravessa as rohas da mina omo

λ

rocha

= 2

πδ

. Ao onsideraraomuniaçãoTTE operandoa10 kHzomsolode

σ

= 10

−

3

S/m , resultanaredução

em30vezesdo omprimento deonda emrelação aoar.

2.3.1 Zonas de Campo

Classiamente, pode-se dividir aszonas de ampo para transmissão no váuo ou no ar omo:

ampo próximo reativo, ampo próximo radiante, zona de transição e ampo distante. Para as

duasprimeiras zonas, o ampo é gerado a partir da interferênia de ondas de diversospontos da

antena, omosefossemvários pequenosdipolos auxiliando naformação do ampo. Para oampo

distante, onde osampos magnétio e elétrio possuem uma relaçãoxaentre si e estão emfase,

pode-severaantenatransmissoraomoumponto radianteeseuampo omoumafrentedeonda

plana. Paraazonadetransição,osdoisomportamentossãoobservados. Paraummeio ondutor,

Gibson[24 ℄ propsuma subdivisãodiferenteparaaszonas deampo.

Pararegiõesmuito próximas àantenatransmissora, oampo possuiumaaraterístia

quase-estátia,apesardavariaçãonotempo,seguindoassimleisdaestátiaomoaatenuaçãopeloinverso

do ubo da distânia. A partir do ampo próximo, assim omo em quase-estátio, onde inexiste

radiação,o meio ondutoromeça a olaborar omaatenuação de ampo. Em ampo distante,o

amposeguealeideatenuaçãoominversolineardadistânia,apesardasperdasdevidoaomeio.

No aso, ampo distante não signia que a radiação parte da antena diretamente, mas sim pela

indução de orrentes de Fouault no meio ondutivo geradas pelo ampo magnétio da antena,

asquais geram novos ampos. Finalmente, a zona de transição é uma região arbitrária entre os

ampospróximoe distante.

A Tabela 2.1relaiona aszonas de ampoitadas anteriormente esuas ondiçõesparaosdois

tiposde meio. Ao onsiderarum sistemaoperando noespaço livre em10 kHz(

λ

0

=30 km) eom umadistânia,

r

,entreantenasde300m,eleseenontraemampopróximoreativo(

λ

0

/

2

π

≈

4775

m). Já para ummeio ondutor om

σ

= 10

−

3

S/m e

µ

=

µ

0

,

λrocha/

2

π

=

δ

≈

160

m

<

300

m . Assim,trata-se de zona de transição,estando mais próximo doampo distantedo que do ampo

próximo.

2.3.2 Modelos de Campo Magnétio

Omomento magnétio

m

d

=

N

tx

I

tx

S

tx

deantenasloop mostraaforçadetransmissãoindutiva emfunção dosatributosdotransmissor,noqual

Ntx

éaquantidade devoltasdolooptransmissor,

Itx

é ovalorRMS (do inglêsRootMean Square) de umaorrenteelétria tonal noslamentosda antenatransmissorae

S

tx

éaáreadoloop. Observa-sequeoaumento domomento magnétiogera

Váuo

Campo próximoreativo

r < λ

0

/

2

π

Campo próximoradiante

λ

0

/

2

π < r < λ

0

Zona de transição

λ

0

< r <

2

λ

0

Campo distante

r >

2

λ

0

Meioondutivo

Quase estátio

r << λrocha/

2

π

Campo próximo

r

2

_<<

₍

_λ

rocha

/

2

π

)

2

Zona de transição

r

≈

λrocha/

2

π

Campo distante

r >> λrocha/

2

π

Tabela 2.1: Zonasde ampo nováuo e emmeio ondutor.

oaumento da potênia dissipada emalor(

P

tx

=

R

tx

I

2

tx

),e valelembrarque aresistênia doloop transmissor,

Rtx

, aumenta om

Ntx

e/ou

Stx

. Todavia, esta potênia dissipada, e não irradiada, implia no valor de orrente usada na geração do ampo magnétio, assoiando assim, de forma

indireta, aumapotênia detransmissão.

A maneira mais simples de se aproximar o ampo magnétio gerado por uma antena loop

eletriamente pequena é onsiderar o váuo omo meio homogêneo innito, ignorando assim, as

ondiçõesde ontorno [25℄,esupor uma distribuiçãouniforme daorrenteno loop. Ao onsiderar

umadistâniamuitopróximaàfonte(

r << λ/

2

π

),aintensidadedeumampomagnétioquevaria notemposeassemelhaadeumampoestátioaluladapelaleideBiot-Savart[26℄. Considerando

aoperaçãonováuoa10kHz,estadistâniaalançaovalordealgumasentenasdemetros. Assim,

oampo magnétio quase-estátio,

H

qe

,deuma antenaloop é aproximadopor:

H

qe

=

md

2

πr

3

{

cos(

θ

)ˆ

r

+ 0

.

5 sin(

θ

)ˆ

θ

}

,

(2.1) emque

θ

é o ângulo entre oponto indutor e o ponto que sofre a indução,

r

ˆ

é ovetorunitário na direçãoradiale

θ

ˆ

éovetorunitárionadireçãoelevaionalemoordenadasesférias. Amodiação domodelodeplanoinnitonováuo[25 ℄paraummeioinnitoondutivoérealizadaaosemodiar

onúmero deonda,quenomeio ondutivoéexpresso por

k

rocha

= (1

−

j

)

/δ

. Estaaproximaçãodo ampo paraosenlaes desubida e desida édada, emsuaforma fasorial,por [24 ℄:

H

=

m

d

4

πr

3

e

−jT

_e

−T

_{

_{2 cos}

_θ

_{(1 + (1 +}

_j

₎

_T

_)ˆ

_r

_{+ sin}

_θ

_{(1 + (1 +}

_j

₎

_T

_{+ 2}

_jT

2

_)ˆ

_θ

_}

_,

(2.2) em que

T

=

r/δ

=

r

p

µσ

Ω

/

2

é o alane normalizado pela profundidade peliular e traz a ontribuição de perdas no solo. Além disso, o parâmetro

T

pode ser ompreendido omo uma frequêniaespaial normalizado paraumdeterminado alane

r

.

2.3.3 Modelagem do Canal e Frequênia Ótima de Operação

Éusualseusartensãoeorrenteparaaparametrização dequadripolose,por onsequênia,os

parâmetrossãobaseadosemimpedânia,parasistemasqueoperamemfrequêniasmoderadamente

omenergia epotênia,araterizando osquadripolosom parâmetros dedispersão. Éadotadoo

oneitode impedânia de transferênia,

Z

(Ω)

,entre os loops para analisar modelos de anal de propagaçãoemfrequêniasabaixode100kHz. Assim,onsiderandoasversõesfasoraisdaorrente

tonalnoloop transmissor,

Itx

(Ω)

,edatensãoinduzidanosterminaisdaantenareeptora,

Vrx

(Ω)

,

Z

(Ω) =

Vrx

(Ω)

/Itx

(Ω)

.

(2.3)

Deaordoom alei de Faraday,a tensão induzida por umampo magnétio nosterminaisde

umondutor de malha fehada depende da variação temporal do uxo magnétio que adentra a

malha em sentido ortogonal a seuplano [26℄. Portanto, a tensão induzida nos terminais de uma

antenaloop emfunção do ampo magnétio édada por

V

rx

(Ω) =

−

j

Ω

µN

rx

S

rx

cos(

ϕ

)

H

,

(2.4) em que

S

rx

e

N

rx

são a área e a quantidade de voltas do loop reeptor, respetivamente, e

ϕ

é o ângulo entre o ampo magnétio e o eixo do loop ortogonal a seu plano. Observa-se em (2.4)

que, apesar do ampo sofrer atenuações em alta frequênia, o reeptor infringe ao sinal de saída

atenuaçõesembaixasfrequênias. Paraoordenadasesférias,

ϕ

=

θ

asoosplanos dosdois loops sejamparalelos. Assim,

Vrx

(Ω)

emfunçãodosampos

H

r

e

H

θ

nasdireções

ˆ

r

e

θ

ˆ

,respetivamente, édada por

Vrx

(Ω) =

₋

j

Ω

µNrxSrx

[

H

r

cos(

θ

−

θx

) cos(

θy

)

−

H

θ

sin(

θ

−

θx

) cos(

θy

)]

,

(2.5) emque

θx

e

θy

sãoângulosderotaçãodoseixos

x

ˆ

′

e

y

ˆ

′

que,porsuavez,sãoeixosauxiliaresriados

pelarotação de

φ

−

90

◦

doeixo

z

ˆ

. A Figura2.3ilustra ageometria em questão.

b

x

y

z

ˆ

z

′

φ

θ

r

α

Figura 2.3: Geometria para álulo de ampo entre duas antenas loop irulares. O ângulo

α

formado pelos vetores ortogonais aos planos determinados pelas duas antenas é resultante da

omposição de rotaçõesnoseixos

x

ˆ

′

e

y

ˆ

′

.

Omomento magnétio fasorial

md

(Ω) =

NtxStxItx

(Ω)

india a forçaomplexa de umaantena transmissora para dada frequênia onsiderando uma orrente tonal no transmissor. Assim, ao

adaptar as equações de ampo e adotando o oneito da impedânia de transferênia

Z

(

T

) =

Vrx

(

T

)

/Itx

(

T

)

na frequênia espaialnormalizada

T

,tem-se

Z

(

T

) =

NtxNrxStxSrx

p

G

tx

r

G

rx

r

F

r

+

q

G

tx

θ

G

rx

θ

F

θ

(2.6)

equivalenteàimpedâniadetransferênia,emqueosganhosnormalizadosdasantenasde

transmis-sãoe reepção ompolarizações nasdireções

r

ˆ

e

ˆ

θ

são

G

tx

r

= cos

2

(

θ

)

,

G

rx

r

= cos

2

(

θ

−

θx

) cos

2

(

θy

)

,

G

tx

θ

= sin

2

(

θ

)

e

G

rx

θ

= sin

2

(

θ

−

θx

) sin

2

(

θy

)

, e

Fr

e

Fθ

são funções de transferênia do anal de propagaçãodadas, respetivamente, por

Fr

=

T

2

πσr

5

e

−T

p

1 + 2

T

+ 2

T

2

_e

j{

tan

−

1

₍

T

1+

T

)

−T

−

π

2

}

(2.7) e

Fθ

=

T

2

2

πσr

5

e

−T

p

(1 +

T

)

2

_{+ (}

_T

_{+ 2}

_T

2

₎

2

_×

_e

j{

tan

−

1

(

T

+2

T

2

1+

T

)

−T

+

π

2

}

.

(2.8)

Ruído Atmosfério

Neste apítulo, eluidamos o modelo matemátio

utilizado para desrever o ruído atmosfério e,

posteriormente, revisamos rapidamente os

parâ-metros utilizados para veriar as aproximações

dafunçãodedensidadedeprobabilidade doruído.

Após,expliamosametodologiaadotadapara

rea-lizar a estimação da apaidade restrita do anal

parao ruídoatmosfério, seguidadaavaliaçãoda

aproximação da função de densidade de

probabi-lidade baseado nos parâmetros itados

anterior-mente. Por m, osresultados da apaidade

res-trita doanal são explanados.

3.1 Introdução

Neste apítulo, analisamos o ruído atmosfério, optando por ummodelo probabilístio dentre

ospresentes na literatura. A partirdeste modelo, iremosveriarqueo ruído atmosférioé

om-postoporumaomponente Gaussianaeumaomponenteimpulsiva. Apartir destainformação, é

interessanteveriarqualseriaaapaidaderestrita doanalonsiderandoentradasbinárias

equi-prováveis destetipo de ruídoefazer aomparação omaapaidade restrita do ruídoGaussiano,

amde analisarmos omoa omponenteimpulsiva pode afetara apaidade restrita.

3.2 Ruído Atmosfério

O ruído atmosfério pode ser araterizado a partir de diversos modelos onforme desrito

em [27℄. Neste trabalho, utilizamos o modelo de [28 ℄, assim omo em [27℄, para equaionar a

distribuiçãodeprobabilidadedemagnitude,poisestemodeloépreisoematematiamentesimples.

Omodelo onsiderao ruído desritoomo umfasor ea suamagnitude, expressa pelavariável

aleatória

PN

, é a soma de duas omponentes: a omponente Gaussiana, expressa pela variável aleatória

Ξ

,e aomponenteimpulsiva,expressa pelavariávelaleatória

Υ

. Aprimeiraomponente

ompostapor desargasatmosférias próximas aoreeptor [28℄[29 ℄.

Afunção densidade deprobabilidade damagnitudeda omponenteGaussianaéadistribuição

deRayleigh[28 ℄, dadapor

p

Ξ

(

ξ

) =

2

ξ

R

2

0

exp

−

ξ

2

R

2

0

, ξ

_≥

0

,

(3.1) emque

R

2

0

éa potênia médiade ruído. A distribuiçãodeWeibull(tambémdesritanaliteratura omoPower-Rayleigh) desreve a magnitudeda omponenteimpulsiva [28℄,dada por

p

Υ

(

υ

) =

aυ

a−

1

R

a

exp

h

₋

υ

R

a

i

, υ

_≥

0

,

(3.2)

emque

R

e

a

dependemdaenergia médiaem

Υ

. Avariável

a

assumevaloresentre0e2,e quanto menoro valor de

a

,maiora probabilidade de

Υ

tervaloresde ruídoimpulsivo grandes[28℄.

Umavezqueoruídoatmosférioédado por

PN

= Ξ + Υ

,afunçãodensidade deprobabilidade resultanteé aonvolução dasfunções(3.1) e(3.2) [28 ℄:

pP

N

(

ρn

) = 2

Z

∞

0

aυ

a−

1

R

a

exp

h

₋

υ

R

a

i

ρ

_n

−

υ

R

2

0

exp

−

(

ρ

n

−

υ

)

2

R

2

0

dυ.

(3.3)

A seguir, seguem osmomentos de interesse davariávelaleatória [28 ℄, quesão obtidos a partir

daintegração direta de (3.3):

E

_{

PN

_}

=

R

Γ

1 +

1

a

+

R

0

√

π

2

,

(3.4)

E

_{

P

_N

2

_}

=

R

2

Γ

1 +

2

a

+

R

0

R

√

π

Γ

1 +

1

a

+

R

2

₀

,

(3.5)

var

_{

PN

_}

=

R

2

Γ

1 +

2

a

−

Γ

2

1 +

1

a

+

R

2

₀

1

₋

π

4

,

(3.6)

emque

Γ(

.

)

é afunção Gamma,

E

{

.

}

éo operador esperança e

var

{

.

}

éo operadorvariânia. A distribuiçãode probabilidade de magnitudeé dada por [28℄

P rob

(

PN

> ρn

) =

Z

∞

ρ

n

pP

N

(

ρn

)

dρn

=

exp

h

₋

ρn

R

a

i

+

Z

ρ

n

0

aυ

a−

1

R

a

exp

h

₋

υ

R

a

i

exp

−

(

ρn

₋

υ

)

2

R

2

0

dυ,

(3.7)

e,portanto, suafunção de distribuiçãoumulativa ésimplesmenteo seuomplemento.

Por m, é importante introduzir o parâmetro

γ

2

, que relaiona a razão da energia entre a

omponenteimpulsiva ea omponente Gaussianado ruído. Oparâmetroé dado por

γ

2

=

E

{

Υ

2

_}

E

_{

Ξ

2

_}

=

R

2

Γ(1 + 2

/a

)