O que é Tilt Elétrico e Mecânico em Antenas (e como usar)?

Postado por leopedrini quinta-feira, 13 de outubro de 2011 09:24:00 Categories: Curso
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A eficiência de uma rede celular depende diretamente de uma correta configuração e ajuste dos sistemas irradiantes: suas antenas de transmissão e recepção.

E uma das principais otimizações do sistema baseia-se no correto ajuste dos tilts das mesmas, ou seja, a inclinação da antena em relação a um eixo. Consequentemente, direcionamos a irradiação mais para baixo (ou mais para cima), concentrando a energia na nova direção desejada.

Quando a antena é inclinada para baixo, chamamos de ‘downtilt’, que é a utilização mais comum. Se a inclinação for para cima (casos muito raros e extremos), chamamos de ‘uptilt’.

Nota: Por essa razão, sempre que nos referirmos a tilt daqui por diante neste tutorial estaremos falando de ‘downtilt’. Quando nos referirmos especificamente a ‘uptilt’, usaremos essa nomenclatura explicitamente.

 

 

O tilt é utilizado quando desejamos reduzir interferência e/ou cobertura localizada, fazendo com que cada célula atenda apenas a sua área projetada.

 

Embora este seja um assunto complexo, vamos tentar entender de forma simples como tudo isso funciona?

 

Antes: Diagrama de Irradiação da Antena

Antes de falarmos sobre tilt, é necessário falar de um outro conceito muito importante: o diagrama de irradiação das antenas.

O diagrama de irradiação de uma antena é uma representação gráfica de como o sinal se irradiará por aquela antena, em todas as direções.

Fica mais fácil entender vendo um exemplo de um diagrama 3D de uma antena (no caso, uma antena direcional com abertura horizontal de 65 graus).

 

A representação mostra de forma simplificada o ganho do sinal em cada uma destas direções. A partir do ponto central de um eixo X, Y e Z, temos o ganho indicado em todas as direções.

Se olharmos o diagrama dessa antena ‘de cima’, e também ‘de lado’, veríamos algo como o mostrado a seguir.

 

Esses são os diagramas Horizontal (visto de cima) e Vertical (visto de lado) da antena.

Mas embora essa visualização seja boa para entendermos melhor o assunto, na prática não trabalhamos com os diagramas 3D, e sim com a representação 2D dos mesmos.

A mesma antena acima, então pode ser representada da forma a seguir.

 

Geralmente os diagramas apresentam linhas e números para nos ajudar a verificar o comportamento exato em cada uma das direções.

  • As ‘linhas retas’ nos informam a orientação (azimute) – como os números 0, 90, 180 e 270 nas figuras acima.
  • E as ‘curvas’ ou ‘círculos’ nos informam o ganho naquela direção (por exemplo, o círculo maior informa onde a antena consegue um ganho de 15 db).

De acordo com o tilt aplicado, teremos então uma modificação desse diagrama, ou seja, afetamos a área de cobertura. Por exemplo, se inclinarmos a antena mostrada acima com 10 graus de Tilt Elétrico, os diagramas passam a ser como mostrados abaixo.

 

O mais importante aqui é entender bem esse ‘conceito’, e conseguir visualizar como seria o modelo 3D, a partir dos diagramas Horizontal e Vertical.

 

Agora sim, o que é Tilt?

Certo, agora então podemos falar especificamente sobre Tilt. Vamos começar relembrando o que é o Tilt de uma antena, e qual a sua finalidade.

O tilt representa a inclinação, ou ângulo da antena em relação ao seu eixo.

 

Como vimos, quando aplicamos um tilt, alteramos o diagrama de irradiação da antena.

Numa antena padrão, sem Tilt, o diagrama é formado como vemos na figura a seguir.

 

Existem dois tipos possíveis de Tilt (que podem ser aplicados em conjunto): o Tilt Elétrico, e o Tilt Mecânico.

O tilt mecânico é bem fácil de ser entendido: inclinando a antena, através de acessórios específicos no suporte da mesma, sem alterar a fase do sinal de entrada, o diagrama (e consequentemente as direções de propagação do sinal) é modificado.

 

No caso do tilt elétrico, a modificação do diagrama é obtida da modificação das características de fase do sinal de cada elemento da antena, como vemos abaixo.

 

Observação: o tilt elétrico pode ter um valor fixo, ou pode ser variável, ajustado geralmente através de um acessório como uma haste ou parafuso com marcações. Esse ajuste pode ser manual ou remoto, nesse último caso sendo conhecido como ‘RET’ (Remote Electrical Tilt) – normalmente um pequeno motor ligado ao parafuso/haste de regulagem faz o trabalho de ajuste do tilt.

Sem dúvida a melhor opção é utilizar antenas com tilt elétrico variável, e com possibilidade de ajuste remoto, pois dá muito mais flexibilidade e facilidade ao Otimizador.

Entretanto estas soluções são normalmente mais caras, e por isso as antenas com tilt elétrico variável manual são mais comuns.

Assim, se você não tiver orçamento para antenas com RET, escolha pelo menos antenas com tilt elétrico variável manual – somente quando não tiver escolha opte pelas antenas com tilt elétrico fixo.

 

Alterações nos Diagramas de Irradiação: depende do Tipo de Tilt

Já vimos então que quando aplicamos um tilt (elétrico ou mecânico) à uma antena, temos alteração da propagação do sinal irradiado, pois alteramos o diagrama 3D como vimos anteriormente.

Só que essa variação é diferente dependendo do tipo de tilt: elétrico ou mecânico. Sendo assim, é muito importante entender como o sinal irradiado é afetado em cada um dos casos.

Explicar esses efeitos através de cálculos e definições de db, ganhos e nulos no diagrama é possível. Mas as figuras a seguir mostram de forma bem mais simplificada, como se comporta a abertura horizontal da antena quando aplicamos tilt elétrico e mecânico.

Veja como fica o diagrama de irradiação Horizontal para uma antena com abertura horizontal de 90 graus.

 

Naturalmente, dependendo da abertura horizontal da antena, teremos outras figuras. Mas a idéia, ou o ‘comportamento’ é o mesmo. Abaixo, temos o mesmo resultado para uma antena com abertura horizontal de 65 graus.

 

Nosso objetivo com as imagens acima é que você compreenda como cada tipo de tilt afeta o resultado final na cobertura – um dos objetivos mais importantes desse tutorial.

Mas a melhor forma de verificar esse conceito na prática é através da verificação da cobertura final que cada um produz.

Para isso, então vamos tomar como referência uma predição bem simples de uma célula de exemplo. (Esses resultados poderiam também ser obtidos através de um Drive Test detalhado na área de cobertura da célula).

 

Em seguida, vamos gerar mais 2 predições: a primeira com apenas tilt mecânico de 8 graus. E a segunda apenas com tilt elétrico de 8 graus.

 

Analisando os diagramas para os dois tipos de tilt, bem como os resultados das predições (esses resultados também são comprovados em medidas de drive test) percebemos que:

Com o tilt mecânico, a área de cobertura na direção central é reduzida, porém a área de cobertura nas direções laterais são aumentadas.

Com o tilt elétrico, a área de cobertura sofre uma redução uniforme na direção do azimute da antena, ou seja, o ganho é reduzido uniformemente.

Conclusão: As vantagens de um tipo de tilt em relação a outro então estão diretamente ligadas a sua aplicação – quando uma das duas características acima for mais desejada/necessária.

Mas de forma geral, o conceito básico da aplicação de tilt é que quando aplicamos o tilt a uma antena, melhoramos o sinal nas áreas próximas ao site, e pioramos (reduzimos a cobertura) em locais mais distantes. Ou seja, quando estamos ajustando o tilt buscamos um sinal o mais forte possível nas áreas de interesse (onde o tráfego deve ser cursado), e da mesma forma, um sinal o mais fraco possível além das fronteiras da célula.

É claro que tudo depende das ‘variáveis’ envolvidas como ângulo de tilt, tipo e altura da antena e também da topografia e obstáculos existentes.

De forma aproximada, mas que pode ser usada na prática, os ângulos de tilt podem ser estimados de forma simples atráves do cálculo do ângulo vertical entre a antena e a área de interesse.

Ou seja, escolhemos um ângulo de tilt de tal forma que as áreas de cobertura desejadas estejam conforme o diagrama vertical.

É importante comparar:

  • o ângulo da antena em direção à área de interesse;
  • o diagrama vertical da antena.

Também devemos levar em conta os nulos da antena. Esses pontos nulos nos diagramas das antenas não devem estar direcionados em áreas importantes.

Como formula básica, temos:

 

Angle = ArcTAN (Height / Distance)

Nota: a altura e distância devem estar na mesma unidade de medida. Além disso, vale a pena lembrar que este cálculo é aproximado pois não considerada clutter, diferenças altimétricas e obstáculos, por exemplo.

 

Recomendações

A principal recomendação a ser seguida na aplicação de tilts, é usar com cautela. Embora o tilt reduza a interferência, também pode reduzir a cobertura, principalmente em locais indoor.

Ou seja, devem ser feitos cálculos para prever o resultado, e se isso significar perda de cobertura, deve ser reavaliado o tilt.

É uma boa prática definir alguns mesmos valores típicos (padrão) de tilt a serem aplicados na rede, variando apenas em função da região, tamanho padrão da célula, alturas e tipos de antenas.

É recomendado que esses valores não sejam muito agressivos: é melhor começar com um tilt pequeno em todas as células, e depois ir fazendo os ajustes conforme necessário para melhorar a cobertura/interferência.

No caso de tilt mecânico, lembre-se que a abertura horizontal fica mais larga, o que pode representar um problema na relação C/I em relação a cobertura das células vizinhas.

Sempre faça uma verificação no local, após a alteração de qualquer tilt, por menor que tenha sido. Isso significa avaliar a cobertura e qualidade na área da célula alterada, e também na região afetada. Lembre-se sempre que um problema pode ter sido eliminado… mas outro pode ter surgido!

 

Documentação

A documentação é uma atividade muito importante em todas as atividades da área de telecomunicações. Mas essa importância é maior ainda quando falamos em documentação do sistema irradiante (incluindo os tilts).

É de extrema importância saber exatamente ‘o que’ temos atualmente em cada célula da rede. E igualmente importante, saber ‘porque’ determinado valor foi alterado, ou otimizado.

Profissionais que não seguem essa regra frequentemente precisam realizar retrabalhos por diversas razões – e simplesmente porque as alterações não foram documentadas corretamente.

Por exemplo, se um determinado tilt foi aplicado para remover o sinal interferente de um grande cliente, o mesmo deve voltar ao valor original quando o plano de frequência for corrigido, melhorando a qualidade.

Outro caso por exemplo é se o tilt foi aplicado devido a problemas de congestionamento. Após o setor ser ampliado (TRX, Portadoras, etc…), esse tilt deve retornar ao valor anterior, alcançando uma maior área de cobertura geral, e consequentemente, gerando maior receita.

Um outro caso ainda é quando temos a ativação de um novo site: todos os sites vizinhos devem ser reavaliados – em relação aos tilts e também dos azimutes.

É claro que cada caso deve ser avaliado de acordo com as suas características – e só assim tomar a decisão de valores finais de tilt. Por exemplo, se houver um obstáculo grande como um prédio na frente de uma antena, aumentar o tilt poderá acabar eliminando o sinal completamente.

Em todos os casos, o bom senso deve prevalecer, avaliando o resultado através de todas as ferramentas possíveis, tanto de cálculos (como Predições) como de coletas (Drive Test) e KPI’s.

 

Valores Práticos

Como já deu para perceber, não existe uma regra, ou valor padrão para os tilts de uma rede.

Mas considerando os valores mais encontrados na prática, valores razoáveis são:

  • Ganho 15 dBi: tilt default entre 7 e 8 graus (sendo 8 graus para células menores).
  • Ganho 18 dBi: tilt default entre 3.5 e 4 graus (novamente, sendo 4 graus para células menores).

Esses são valores equivalem  cerca de 3 a 5 dB de perda no horizonte.

Nota: o tilt default é ligeiramente maior em células menores, porque estas são células estão em áreas mais densas, e uma perda de cobertura ligeiramente menor não terá tanto efeito quanto em células maiores. E em casos de células muito pequenas, o tilt é praticamente obrigatório – caso contrário corremos o risco de criarmos áreas com cobertura muito deficiente nas bordas das mesmas devido aos nulos da antena.

É mais fácil controlar uma rede quando todas as células tem aproximadamente o mesmo valor em quase todas as antenas: com um valor pequeno ou mesmo sem tilt aplicado a todas as células, temos um perda de cobertura praticamente desprezível, e um bom nível de C/I.

Assim, podemos nos preocupar - e focar - apenas nas células mais problemáticas.

Quando for aplicar tilts em antenas, faça de forma estruturada, de passos em passos, como 2 ou 3 graus – documente e acorde isso com sua equipe.

Como já mencionamos, o tilt mecânico é variado geralmente através do ajuste de dispositivos (1) e (2) que prendem as antenas aos suportes.

 

Já o tilt elétrico pode ser variado por exemplo através de hastes ou parafusos, geralmente localizados na parte inferior da antena, que ao serem deslocados, definem um tilt correspondente à antena.

 

Por exemplo na figura acima, temos uma antena dual (duas bandas de frequência), e naturalmente, 2 hastes (1) e (2) que são movimentados, e possuem um pequeno visor (3) indicando o tilt elétrico correspondente – um para cada banda.

 

 

E quais as aplicações?

Nas definições vistas até agora, já foi possível perceber que as aplicações dos tilts são várias, como minimizar a sobreposição indesejada de células vizinhas, melhorando por exemplo as condições de handover. Também aplicamos o tilt para retirar interferência localizada e aumentar a capacidade de tráfego, e também em casos onde desejamos alterar o tamanho de determinadas células, por exemplo quando vamos inserir uma nova célula.

 

Resumindo: o mais importante é entender o conceito, ou efeito de cada tipo de tilt, para poder aplicar da melhor forma possível em cada situação.

 

 

Dicas Finais

O assunto que envolve tilt é bem mais abrangente do que tentamos demonstrar aqui hoje, mas acreditamos seja suficiente para entender os conceitos básicos.

Uma dica final é em relação a aplicação de tilts em antenas com mais de uma banda.

Isso porque em diferentes bandas de frequência, temos diferentes perdas de propagação. Por esse motivo, antenas que permitem mais de uma banda tem diferentes diagramas de propagação, e principalmente, diferentes ganhos e ranges de tilt elétrico.

E qual o problema disso?

Bom, suponha como exemplo uma antena que tenha a banda X, mais baixa, e uma banda Y, mais alta.

Analisando as características dessa antena específica, você verá que os ranges de tilt elétrico são diferentes para cada banda.

Por exemplo, para uma mesma antena dual podemos ter:

  • Banda X: tilt elétrico variável de 0 a 10 graus.
  • Banda Y: tilt elétrico variável de 0 a 6 graus.

O ganho da banda mais baixa é sempre menor, mais ou menos ‘compensando’ a perda menor que essa banda possui em relação à outra. Dessa forma, conseguimos uma área de cobertura aproximadamente igual em ambas as bandas – isso naturalmente, quando utilizamos os tilts ‘equivalentes’.

Tudo bem, mas no exemplo acima, os tilts máximos são 10 e 6. O que seria tilt equivalente?

Então, a dica é a seguinte: preste sempre atenção à correlação dos tilts entre antenas com mais de uma banda sendo transmitida!

A sugestão é manter uma tabela auxiliar, com a correlação desses valores previamente definidos.

Assim, para o tilt elétrico de uma determinada célula:

  • Banda X ET=0 (sem tilt), então Banda Y ET=0 (sem tilt). Ok.
  • Banda X ET=10 (máximo tilt possível), então Banda Y ET=6 (máximo tilt possível). Ok.
  • Banda X ET=5. E aí? Pela correlação, Banda Y ET=3!

Obviamente, essa relação não é sempre uma ‘regra’, pois depende dos diagramas de cada banda, e de como cada um vai atingir as áreas de interesse.

Mas serve como atenção para não acabar aplicando o tilt total em uma banda (Y ET=6), e o ‘mesmo’ (X ET=6) em outra banda – porque embora tenham o mesmo ‘valor’, na verdade não são ‘equivalentes’.

Após você definir essa tabela de correlação para as suas antenas, distribua a mesma para as equipes de antenistas – assim, quando em campo, sempre que eles tiverem que alterar um tilt de uma banda, automaticamente já sabem o tilt aproximado que deve ser ajustado na(s) outra(s).

 

 

E como verificar as alterações?

Também já dissemos anteriormente que as verificações, ou os efeitos dos ajustes de tilt podem ser verificados de diversas formas, como através de drive test, predições de coberturas, medições no local - áreas de interesse, ou também através de Contadores ou Indicadores de Performance - KPI.

Falando especificamente em relação às verificações através de Contadores de Performance, além dos Indicadores diretamente afetados, uma interessante e eficiente forma de verificação é através dos contadores de Distância.

No GSM por exemplo, temos indicadores de TA (Número de MR por TA, Número de Radio Link Failure por TA).

Nota: Já falamos sobre TA aqui no telecomHall, e se você tiver mais interesse no assunto, clique aqui para ler o tutorial.

Esse tipo de verificação é muito simples de ser feito, e os resultados podem ser avaliados de forma bem clara.

Por exemplo, podemos ter a verificação do efeito de um tilt aplicado a um determinado setor através dos contadores tratados em uma planilha do Excel.

 

Através da informação de TA de cada célula, sabemos até onde a cobertura de cada uma está atingindo. Assim, após alterarmos um determinado tilt, basta exportar os novos dados de KPI (TA), e comparar onde se encontra a nova área de cobertura (e também as novas distribuições/concentrações de Tráfego).

Uma outra forma, talvez ainda mais interessante, é a plotagem desses dados de forma georeferenciada, por exemplo no Google Earth. A partir dos dados da tabela de contadores, e de uma tabela auxiliar com as informações físicas dos setores (cellname, coordenadas, azimute) podemos ter um resultado bem mais detalhado, permitindo a verificação bem precisa do resultado.

 

Diversas outras informações interessantes podem ser obtidas do relatório (mapa) acima.

Ao clicar em algum ponto, temos a informação do tráfego no mesmo. A legenda de cores também nos auxilia nessa tarefa. Por exemplo, nas regiões em volta dos pontos vermelhos, temos um tráfego cursado entre 40 e 45 Erlangs. Na mesma lógica, pontos amarelo claro cursam entre 10 e 15 Erlangs de acordo com a legenda – veja que clicamos e podemos ver que naquele local específico, temos 12.5 Erlangs.

 

Uma outra informação que agrega valor, também obtida ao clicar em qualquer ponto, é o percentual de tráfego naquele local específico. Por exemplo, no ponto amarelo clicado, temos 12.5 Erlangs, ou 14% de um total de 88.99 Erlangs que aquela célula cursou (somando todos os pontos).

 

Também como informação interessante, temos a verificação de locais bem distante do site, onde temos sites cursados. Na análise, o projetista deve levar em conta se a cobertura é rural ou não. Caso seja uma cobertura rural, a mesma pode ser mantida (depende da estratégia da empresa). Já casos como esse em sites localizados em cidades, muito provavelmente são espúrios de sinal, e devem ser removidos – por exemplo com a aplicação de tilt!

 

A obtenção das tabelas e mapas processados acima serão objeto do nosso próximo tutorial ‘Hunter GE TA’, mas não são complicadas de serem obtidas manualmente – principalmente os dados no Excel, que já permitem extrair bastante informações e ajuda.

 

 

Conclusão

Hoje conhecemos as principais características dos tilts aplicados em antenas.

Uma boa escolha dos tilts mantém os níveis de interferência da rede sob controle, e consequentemente proporciona melhores resultados.

A aplicação de tilt sempre resulta em perda de cobertura, mas o que deve-se ter sempre em mente é se a cobertura reduzida deveria estar lá ou não!

Conhecendo bem o conceito de tilt, e principalmente entendendo os diferentes efeitos do tilt elétrico e mecânico, você terá condições de alcançar os melhores resultados em sua rede.

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