[pt] Os sistemas de rádio acesso em banda larga em freqüências superiores a 20 GHz oferecem soluções de alta velocidade, vídeo, áudio e multimídia sendo, portanto, alternativas aos sistemas cabeados para acesso à última milha. Nestas faixas de freqüências, os sistemas de rádio acesso em banda larga utilizam enlaces do tipo ponto-multiponto na direção de descida e ponto-a-ponto na subida, com configurações semelhantes às encontradas nas redes celulares. Entretanto, devido as altas freqüências utilizadas, os enlaces operam apenas em visibilidade e o principal problema de propagação encontrado é a atenuação por chuvas, que afeta fortemente o nível do sinal recebido reduzindo a cobertura e o desempenho do sistema. Neste trabalho é desenvolvida uma ferramenta computacional com a finalidade de simular o cálculo de cobertura, de capacidade e da disponibilidade de sistemas de rádio acesso em banda larga utilizando os modelos de previsão de atenuação por chuvas do ITU-R e do CETUC, incluindo também efeitos de atenuação diferencial. A inclusão deste último efeito permite tratar de forma completa o problema da atenuação por chuvas em enlaces convergentes e determinar a degradação total na relação sinal-interferência do sistema. / [en] Broadband wireless access systems in frequencies above 20 GHz can provide a simple and effective solution for high speed, video, audio and multimedia service providers being an excellent alternative to cable systems for the last mile. At these frequencies bands, the broadband radio access system uses point to multipoint link in the downlink direction and point to point in the uplink. The configuration is similar to those of cellular networks. However, at these high frequencies the links are line-of- sight and the main problem is rain attenuation, that seriously affects the received signal level reducing coverage and system performance. In this work a computational tool is developed with the purpose of simula- ting coverage prediction, capacity and system availability calculations using models for rain attenuation prediction developed by ITU-R and CETUC. Also considered is the effect of differential attenuation, what allows a complete treatment of rain effects in point to multipoint links and the calculation of the total degradation in the signal to interference ratio.

[pt] A atenuação por chuva é a causa principal de indisponibilidade em enlaces terrestres de rádio operando em frequências acima de 10 GHz. Devido às condições adversas de propagação, técnicas de mitigação de desvanecimentos são necessárias. Para desenvolver e otimizar estas técnicas, é preciso conhecer a distribuição cumulativa de atenuação por chuva e o comportamento dinâmico do canal de propagação, em termos das estatísticas de duração de desvanecimentos e de fade-slope. Esta necessidade é preenchida pelo uso de séries temporais que introduzem a deterioração da propagação nos sistemas de simulação. Estas séries podem ser de dados experimentais ou dados sintetizados que considerem as características climatológicas da região do enlace e os parâmetros geométricos e de propagação do mesmo. Três modelos para sintetização de séries temporais de longo prazo de atenuação por chuva são apresentados e testados neste trabalho utilizando dados medidos em cinco enlaces terrestres operando na faixa de frequência de 15 GHz. O primeiro modelo foi originalmente desenvolvido para enlaces satélite em climas temperados enquanto o segundo é uma versão modificada, proposta neste trabalho para enlaces terrestres em áreas tropicais. O terceiro modelo é proposto neste trabalho com base numa modelagem estatística da atenuação por chuva através da distribuição Gamma. Séries temporais foram sintetizadas pelos três modelos e suas estatísticas foram comparadas com as estatísticas dos dados experimentais. Os três modelos apresentam bons resultados em diversas situações analisadas, mas o terceiro modelo proporciona resultados significativamente melhores para distribuições de atenuação e fade-slope. / [en] Rain attenuation is the main cause of unavailability in fixed terrestrial radio systems operating at frequency of above 10 GHz in tropical areas. Propagation impairments are expected to be quite severe in these regions. Due to these adverse propagation conditions, Fade Mitigating Techniques (FMT) are often needed. To design and optimize FMT, the knowledge of the cumulative distribution of rain attenuation and of the dynamic behavior of the propagation channel, as provided by fade durations and fade slope statistics, is required. This need can be fulfilled by the introduction of time series of propagation impairments in system simulation. If real data collected from propagation experiments are not available, typical fading time-series may be generated making use of climatologic characteristics as well as geometrical and radiowave parameters of the link. Three models for long-term rain attenuation time series synthesizers are presented and tested in this work using data measured in five terrestrial radio links operating at 15 GHz. The first one was originally developed for satellite systems in temperate climates whereas the second one is a modified version proposed in this work for terrestrial links in tropical areas. A third model is proposed in this work and is based on a different approach using the Gamma distribution. Time series were synthesized by the three models and stationary and dynamic statistics between synthesized and experimental data were compared. The first two models provide good results in some cases but the third model provides significantly better results for cumulative distributions of attenuation and fade-slope.

[pt] Com a crescente utilização de sistemas de acesso sem fio ponto-multiponto em banda larga, operando em freqüências cada vez mais elevadas, cresce também a necessidade do desenvolvimento de novos modelos, mais precisos e consistentes, para a previsão da atenuação por chuvas, principal efeito da propagação em freqüências superiores a 10 GHz. Este trabalho apresenta uma modelagem semi-empírica para a previsão do comportamento estatístico da atenuação por chuvas em enlaces rádio terrestres ponto-a- ponto e via satélite. Os modelos foram desenvolvidos com base em resultados de medições conjuntas de taxa de precipitação e atenuação por chuvas em diversas regiões do Brasil, realizadas no período de desenvolvimento deste trabalho, além de medidas de várias partes do mundo, disponíveis no banco de dados de propagação da União Internacional de Telecomunicações (UIT-R). Os modelos desenvolvidos permitem obter a distribuição cumulativa de probabilidades da atenuação por chuvas a partir da distribuição da taxa de precipitação medida ou estimada na região do enlace. Embora existam diversos modelos propostos na literatura para previsão da atenuação em enlaces terrestres ou em enlaces via satélite, duas características importantes não são encontradas, conjuntamente, na maioria deles: utilizar, como base para a previsão, a distribuição da taxa de precipitação em toda a faixa de percentagens de tempo de interesse, e não apenas em um ou dois pontos; e manter consistência entre os modelos para os casos terrestre e via satélite. Além não de atender a estes requisitos, os modelos propostos apresentam erros de previsão menores ou equivalentes aos dos principais modelos da literatura, quando testados contra os resultados disponíveis de medidas em enlaces reais. / [en] The development of new technologies for broadband wireless access, using increasingly higher frequencies, points to the necessity of more accurate methods for rain attenuation, that represents the most serious impairment for radio systems operating in frequencies above 10 GHz. This work presents semi-empirical models for the prediction of rain attenuation in terrestrial and satellite links. The models were developed using data obtained in concurrent measurements of rain attenuation and point rainfall rate in different regions of Brazil. Some of these measurements were performed as part of this work and some were already available from previous measurements campaigns. Data available in the UIT-R data banks of propagation measurements were also used, in order to develop global methods. The models that have been developed allow the prediction of the cumulative probability distribution of rain attenuation from the cumulative distribution of point rainfall rate in the region of the link. Although several methods with these purpose can be found in the technical literature, the ones developed in this work present some important features that are not found, as a whole, in any of those models: they use the full rainfall rate distribution over the entire range of time percentages of interest; the terrestrial and satellite models are consistent, that is, the elements used in the terrestrial prediction model are kept in the satellite prediction model that involves a mor complex geometry. Besides that, the models proposed show an excelent performance in terms of prediction error, when compared with measured data.

Clustering is one of unsupervised learning algorithm to group similar objects into the same cluster and the objects in the same cluster are more similar to each other than those in the other clusters. Forecasting is making prediction based on the past data and efficient artificial intelligence models to predict data developing tendency, which can help to make appropriate decisions ahead. The datasets used in this thesis are the signal attenuation time series data from the microwave networks. Microwave networks are communication systems to transmit information between two fixed locations on the earth. They can support increasing capacity demands of mobile networks and play an important role in next generation wireless communication technology. But inherent vulnerability to random fluctuation such as rainfall will cause significant network performance degradation. In this thesis, K-means, Fuzzy c-means and 2-state Hidden Markov Model are used to develop one step and two step rain attenuation data clustering models. The forecasting models are designed based on k-nearest neighbor method and implemented with linear regression to predict the real-time rain attenuation in order to help microwave transport networks mitigate rain impact, make proper decisions ahead of time and improve the general performance. / Clustering is een van de unsupervised learning algorithmen om groep soortgelijke objecten in dezelfde cluster en de objecten in dezelfde cluster zijn meer vergelijkbaar met elkaar dan die in de andere clusters. Prognoser är att göra förutspårningar baserade på övergående data och effektiva artificiella intelligensmodeller för att förutspå datautveckling, som kan hjälpa till att fatta lämpliga beslut. Dataseten som används i denna avhandling är signaldämpningstidsseriedata från mikrovågsnätverket. Mikrovågsnät är kommunikationssystem för att överföra information mellan två fasta platser på jorden. De kan stödja ökade kapacitetsbehov i mobilnät och spela en viktig roll i nästa generationens trådlösa kommunikationsteknik. Men inneboende sårbarhet för slumpmässig fluktuering som nedbörd kommer att orsaka betydande nätverksförstöring. I den här avhandlingen används K-medel, Fuzzy c-medel och 2-state Hidden Markov Model för att utveckla ett steg och tvåstegs regen dämpning dataklyvningsmodeller. Prognosmodellerna är utformade utifrån k-närmaste granne-metoden och implementeras med linjär regression för att förutsäga realtidsdämpning för att hjälpa mikrovågstransportnät att mildra regnpåverkan, göra rätt beslut före tid och förbättra den allmänna prestandan.

The advent of Internet based digital services, and bandwidth-intensive business and personal applications has necessitated deployment of broadband network access technologies. Research analysts project that the U.S. market for broadband wireless networking will grow to nearly $2 billion by 2004 and Local Multipoint Distribution Services (LMDS) have enormous potential to emerge as the most reliable and cost-effective solution. However, in order to design and deploy LMDS systems, it is vital for system designers to be able to predict the behavior of mm-waves (28, 38 and 60GHz) during different weather conditions, especially rain. This research attempts to characterize the performance of pico-cell scenario broadband wireless channels by measuring path loss statistics during different weather conditions. Hardware and software components of a wideband direct-sequence spread spectrum (DSS) channel sounding system, used extensively throughout measurement campaigns, are discussed in detail in this dissertation. The measurement plan comprehensively describes the methodology, logistics, equipment setup, and calibration procedures for propagation measurement campaigns. Power Delay Profile (PDP) snapshots recorded during measurement campaigns are thoroughly analyzed using the 'Channel Imaging Analysis Suite' and Path Loss as well as Rain Attenuation statistics, calculated from recorded PDP data files, are classified and tabulated on the basis of measurement locations, propagation frequencies and antenna polarizations. Path Loss Exponent values are also calculated and Rain Attenuation statistics are compared with popular rain models. Results from Frequency Diversity measurement campaigns are also presented. / Master of Science

[pt] O efeito da atenuação por chuvas em enlaces satélites que operam em frequências acima de 10 GHz é decisivo no cálculo de desempenho do sistema. A evolução da tecnologia dos sistemas satélite e a necessidade de expansão dos serviços de comunicações móveis pessoais levaram ao uso de sistemas de comunicação com satélites de órbita baixa. Estes sistemas são particularmente interessantes para o oferecimento destes serviços por suas características de pequeno atraso de propagação e uso de potência de transmissão mais baixas que os sistemas geoestacionários. Satélites em órbita baixas (LEO) operam em altitudes de cerca de 1000km e possuem movimento em relação à estação terrena. Esta característica de mobilidade traz novas questões sobre o comportamento da atenuação por chuvas, em particular a necessidade de um modelo de previsão de atenuação para estes enlaces com ângulo de elevação variante no tempo. Neste trabalho um modelo para a previsão de atenuação em enlaces com ângulo de elevação fixo, mais preciso do que os existentes na literatura técnica, foi desenvolvido como primeiro passo para o tratamento do problema de enlaces com ângulo de elevação variável. A seguir foi feita uma simulação de medidas em enlaces LEO a partir do banco de dados de medidas de atenuação em enlaces fixos no Brasil, considerando um modelo de constelação de satélites. Foi implementado um método geral que utiliza o histograma dos ângulos de elevação do satélite como ponderação da distribuição cumulativa de atenuação em cada ângulo. O método foi testado contra os resultados obtidos com simulações para a constelação Globalstar sendo obtida muito boa concordância entre o modelo de predição desenvolvido e a simulação. / [en] Rain attenuation is the most important propagation effect to be taken into account in the performance calculation for satellite systems operation at frequencies above 10 GHz. The technological evolution of such systems and the need for personal communication systems with global coverage lead to the use of low earth orbit communication systems, that not only have shorter propagation delays but also allow the use of lower transmission power than the traditional geostationary systems. Low earth orbit (LEO) satellites have altitudes around 1.000 Km and are in motion relatively to the earth stations. This mobility requires a new approach to the problem of rain attenuation prediction, particularly the need for a prediction model that takes into account the elevation angle variability. In this work, an improved rain attenuation prediction method for the geostationary case has been developed as a starting point for the analysis of the nongeostationary case. Then, the rain attenuation in the a LEO system has been simulated using measured data from fixed system systems and the satellite constellation model. A general method for slant path rain attenuation prediction considering variable elevation angles is proposed. The method uses the histogram of the elevation angles to weight the distributions obtained for fixed elevation. The method has been tested with simulations performed for the Globalstar LEO system and a very good agreement was obtained.