uni fiee scm sesion 06 modelos de prediccion de perdida de propagación

Sistemas de Comunicaciones Móviles

Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica

Ingeniería de Telecomunicaciones

Sesión: 6Modelos de predicción de pérdidas de propagación

Prof. Ing. José C. Benítez P.

Sesión. Modelos de predicción de pérdidas de propagación

1. Evolución histórica2. Tipos de modelos.3. Clasificación de las celdas.4. Modelos de propagación.5. Modelos de propagación de tierra plana.6. Influencia del terreno en la propagación.7. Zonas de sombra y visibilidad8. Modelos de propagación con difracción en

obstáculos.

Caracterización del canal móvil de banda estrecha

1. Evolución histórica

Propagación

• Crecimiento rápido e ininterrumpido de los SCM.

• Utilización de nuevas tecnologías.

• Evolución del escenario.

� Áreas rurales.

� Entornos urbanos.

� Interiores de edificios.

• Evolución paralela de los métodos empleados para describir y caracterizar la propagación por canales móviles y predecir sus efectos.


Propagación

Tres aspectos fundamentales:

� Cobertura zonal.

� Predicción de propagación entre el TX y un número elevado de RXs.

� Multiplicidad de trayectos.

� Influencia del terreno y obstáculos.

� Variabilidad de los trayectos.

� Variabilidad espacio-temporal.


Modelos de Propagación

Un MP es un conjunto de expresiones matemáticas, diagramas y algoritmos usados para representar las características de radio de un ambiente dado.

Generalmente los modelos de predicción se pueden clasificar en:

• empíricos o estadísticos

• teóricos o determinísticos

• semi-empíricos (una combinación de estos dos).



• Mientras que los modelos empíricos se basan en mediciones, los modelos teóricos se basan en los principios fundamentales de los fenómenos de propagación de ondas de radio.

• Los modelos de propagación predicen la pérdida por trayectoria que una señal de RF pueda tener entre una BTS y un receptor móvil o fijo.

• La ventaja de modelar radiocanales teniendo en cuenta las características de la trayectoria entre TX y RX, es conocer la viabilidad de los proyectos que se deseen planear en determinados sectores, de esta manera se podrá hacer una estimación acerca de la necesidad, costos y capacidad de los equipos requeridos.

2. Tipos de modelos

a. Modelos Clásicos

b. 1ª G. Métodos informatizados

c. 2ª G. Métodos informatizados

d. Métodos Físicos y empíricos

2. Tipos de modelos

a. Modelos Clásicos

• Utilizados hasta los años 60s.• Aplicables a:

� Propagación en áreas rurales.� Grandes zonas de cobertura sin reutilización de

frecuencias.• Ejemplos:

� Abacos de Bullington� Primeras curvas de propagación propuestas por CCIR.� Ambos son aplicables a Sistemas de radiodifusión y

Sistemas móviles.• Sólo habían modelos urbanos basados en medidas realizadas

en EE.UU y Japón (Modelo de Okumura) .

2. Tipos de modelos


• Se inició su uso en los años 70s.• Para medios Rurales:

� Se obtienen datos de los perfiles del terreno a lo largo de radiales desde la estación base (mapas).

� Estos datos se introducen en los programas informáticos que modelan la propagación.

� Se caracteriza el terreno mediante un parámetro de ondulación.

� Se utilizan las alturas efectivas de las antenas como datos para programas basados en métodos empíricos (modelo de Egli y Longley, Método Rice).

2. Tipos de modelos


• Para medios urbanos:� El modelo más usado es el de Hata� Modelo de Hata:

o Basado en Curvas de propagación de Okumurao Aplicable a una amplia gama de frecuencias y

alturas de estaciones Base y estaciones móviles.o Es sencillo de aplicar y tiene buena exactitud.

� Otros modelos que mejoran el de Hata:o Allsebrook y Parsonso Ibrahim y Parsonso Ikegamio Walfisch-Bertoni

2. Tipos de modelos


2. Tipos de modelos

c. 2ª G. Métodos informatizados

• Zonas Rurales:� Usan Bases de Datos del Terreno (BDT o GIS)� Proporcionan resultados de cobertura que se

imprimen sobre los propios mapas.• Zonas Urbanas:

� Se emplean procedimientos semi-empíricos� Usan BDT de ciudades� Ejemplo COST 231.

2. Tipos de modelosc. 2ª G. Métodos informatizados

2. Tipos de modelos

d. Métodos Físicos y empíricos

• Usados en entornos microcelulares y de interiores• Los más destacados son los basados en la Teoría

Geométrica de la Difracción (GTD)• En GTD se requiere:

� Requieren gran volumen de información obtenida de las BDT detalladas de ciudades y planos de edificios

� Deben ser bastante precisos (si no lo son, los errores son del orden de una zona de cobertura)

3. Clasificación de las celdas

La Celda o Célula es una unidad básica de cobertura en que se divide un Sistema Celular.

Una celda se puede definir como el áreaque cubre un TX o una colección de TX.

El tamaño de las celdas estará determinado por la potencia del TX y restricciones naturales y/o artificiales impuestas por cada sector a cubrir.

La forma de las celdas puede ser cualquiera, pero se elige la forma hexagonal para una mejor descripción del sistema de celdas, las celdas dentro del área de cobertura se las identifica por un número llamado CGI (Cell Global Identity -Identificador global del celular).


• La radiofrecuencia RF emitida por los MS es mucho menor a la de las antenas de radio y televisión.

• Las frecuencias que utiliza la telefonía móvil celular (850 -1900MHz) son completamente diferentes a las de todos los electrodomésticos (54 - 806MHz), por lo cual no causan ningún tipo de interferencia ni afectan su normal funcionamiento.

• La potencia máxima de un MS es de 0,6W y la de las BTS es de 25W, mientras que un horno microondas alcanza los 800W y las de las emisoras de radio en FM o AM son muy superiores.

• Los secadores de pelo y las afeitadoras eléctricas emiten mucha mas radiación que los MS.

• De los estudios del Ministerio de Comunicaciones se encontró que las estaciones celulares están entre 500 y 4000 veces por debajo de los valores límites establecidos internacionalmente para la radiación.


Se definen diferentes categorías de celdas que se suceden en el relleno de la zona de servicio de una red:

Macroceldas:• Radio: 1km – 35Km.• Potencia: Suficientes para cubrir las zonas definidas

(típicamente entre 1 y 10W) que en general tienen formas que se aproximan a estructuras circulares.

• Distancia: Depende del tipo de terreno y las condiciones de propagación.

• Clasificación: En las propias macroceldas, y las miniceldas, que ocupan la parte más baja de los radios del rango expuesto.

• Aplicación: Áreas de baja densidad de población, zonas rurales, rutas, y zonas urbanas, superpuestas a varias microceldascuando estas no se solapan para poder realizar los hand-off.


Microceldas:

• Radio de la celda: radios inferiores a 1km (200m a 1000m)

• Velocidad del móvil: 50Km/h –100Km/h dependiendo del tamaño de la celda. Servidas por BTS de escala altura y potencias típicas entre 10 y 100mw. Sus coberturas no suelen ser circulares y en general tratan de adaptarse al área a cubrir.

• Aplicación en zonas urbanas y suburbanas.


Picoceldas:

• Radio de la celda: con cobertura inferior a 100m (20m a 500m).

• Velocidad del usuario: 10Km/h.

• Potencia: potencia inferior a 10mw (extremadamente baja)

• Aplicaciones: generalmente indoor, áreas de muy alta densidad de usuarios, zonas de “oscuridad” de una celda mayor; cobertura de interiores de zonas muy concretas

4. Modelos de propagación

5. Modelos de propagación de tierra plana

Características

• Es aplicable a distancias cortas (k<20 Km).

• Se desprecia la curvatura de la tierra.


Características

• Aproximadamente ψ = tg-1[(ht + hr)/d]

• Pérdida básica de propagación (dB):

Lb(dB) = 120 -20 log h’t (m)-20log h’r (m) - 40 log d(km)

• Donde

• h’t= (ht2+ ho

2)1\2

• h’r= (hr2+ ho

2)1\2

• h0 es aproximadamente 0 para valores mayores a 150 MHz.


Características

• Empíricamente, se ha encontrado que, en un terreno poco ondulado y en ciudades:

Lb=kdn

• Donde n depende de la altura de la antena de transmisión y varía en general entre 3 y 4.

• k es función de la altura de ambas antenas y de la frecuencia.• Además, la variación de la pérdida básica con la altura de la

antena de recepción tiende a ser lineal para alturas menores de 3m (que es el caso de las comunicaciones móviles). Por tanto, la

ecuación del modelo de tierra plana no es aplicable en un

escenario real.


Características

• Pero es una ecuación sencilla y se le pueden introducir factores

de corrección para ajustarla a valores experimentales. Por esto se han desarrollado modelos empíricos para calcular Lb y E con base en el modelo de tierra plana.

• Un ejemplo es el modelo de Egli:

Pr = PT GT GR (h1h2 / d2)2 (40/fMHz)2

6. Influencia del terreno en la propagación

Características

• Los accidentes del terreno pueden interceptar el rayo de la onda produciendo una atenuación importante.

• La zona de visión directa de una antena es una buena primera aproximación de la cobertura radioeléctrica desde la antena.

• Para receptores móviles deben levantarse perfiles de

trayecto para líneas radiales emanantes del transmisor separadas α grados entre sí.

6. Influencia del terreno en la propagación

Características

• En comunicaciones móviles los rayos viajan por la tropósfera (capa baja de la atmósfera) y sufren refracción por lo que la trayectoria del rayo es curvilínea.

• Por comodidad de dibujo, se modifica la curvatura de la tierra usando un radio ficticio de la tierra: R = k R0

• Donde k= 157/(157+∆N) y ∆N es el gradiente de coíndice de refracción.

• La influencia de k es mayor cuanto más grande el trayecto, en comunicaciones móviles los trayectos son cortos y k=1 o k=4/3.

7. Zonas de sombra y visibilidad

Características

• En fases iniciales de la planeación, se hace un análisis previo de la visibilidad de la zona deseada desde la estación base. Si los puntos de interés quedan en un alto porcentaje en zona de sombra óptica, se rechaza la ubicación del estudio.

8. Modelos de propagación con difracción en obstáculos

Organización:

• Se idealiza la forma de éstos como:

� Arista aguda

� Arista gruesa y redondeada

• La predicción de pérdidas se efectúa por separado según se trate de:

� Obstáculos aislados

� Obstáculos múltiples


Pérdidas en Obstáculos aislados:

• Se aplica a trayectos que, salvo esta obstrucción, son de visibilidad directa.

• Si h es el despejamiento:� Hay pérdidas por difracción aunque el rayo pase por

encima del obstáculo si o -0.6R1 < h < 0o o si h > 0

• Para el cálculo de las pérdidas se sigue la recomendación UIT-R 526. Esta norma distingue dos casos: obstáculo

agudo y redondeado.


Pérdidas en Obstáculos aislados: Obstáculo agudo

h: despejamiento

θ: Angulo de despejamiento

d1, d2: Distancias desde la punta del obstáculo a los extremos del enlace.

El cálculo de la atenuación de difracción usa las integrales de Fresnel.

Aproximación práctica UIT-R 526:

Ld(v) = 6.9 + 20 log([(v-0.1)2 + 1]1/2+v - 0.1)

Siendo v = 21/2h/R1

donde R1 es el radio de la primera zona de fresnel

O también v = 2.58 x 10-3 h(f*d/d1d2)1/2


Pérdidas en Obstáculos aislados: Obstáculo redondeado

Atenuación total Lt:

Lt = Ld(v) + T(m,n)

Donde:

Ld(v) = 6.9 + 20 log([(v-0.1)2+1]1/2+v-0.1)

T(m,n) es un parámetro que depende de

La altura de las antenas, la altura de los

obstáculos y la frecuencia de transmisión.

Z(0)


Pérdidas por múltiples obstáculos:

El cálculo riguroso es Complejo (doble integral de Fresnel).

En la práctica se usan Métodos pseudo - empíricos simples que dan una aproximación suficiente para las aplicaciones.


Pérdidas por múltiples obstáculos:

Bibliografía

• Garcia J. C.; Rodriguez O. A.; Castillo J. L.; Desempeño de Modelos de Propagación en Comunicación Móvil para la zona de Caldas Parte 1: Modelos para áreas urbanas. X Congreso Internacional de Telecomunicaciones. Valdivia, Chile. 2002.

• De Toledo F.; Estimating coverage of radio transmission into and within buildings at 900, 1800, and 2300 MHz, IEEE Personal Communications, vol. 5(2), pp 40-47, Apr. 1998.

• Aurand J. F.; Post R. E.; A Comparison of Prediction Methods for 800-MHz Mobile Radio Propagation, IEEE Trans. on Vehicular Tech., Nov. 1985, pp. 149-153.

• Hoppe R.; Wolfl e G.; Landstorfer F. M.; Measurement of building penetration lossand propagation models for radio transmission into buildings, IEEE Veh. Technol. Conf., vol. 4, 1999, pp. 2298-2302.

• Marante Francisco; Torres Reinel; Rodríguez Ernesto. Aproximación al estudio de modelos para la caracterización del canal de radio en comunicaciones móviles de 2.5G y 3G. V Congreso Internacional de Telemática y Telecomunicaciones (CIT-TEL 2008). La Habana, Cuba. Diciembre de 2008.

• Marvin K. Simon; Alouini Mohamed. Digital Communication over Fading Channels. Second Edition. Editorial JOHN WILEY & SONS. 2005.

Bibliografía• Sklar Bernard. Rayleigh Fading Channels in Mobile Digital Communication Systems

Part I: Characterization. IEEE Communications Magazine 35 (7): 90-100. July, 1997.

• Goldsmith Andrea. Wireless Communications. Cambridge University Press. 2005.

• Stuber Gordon. Principles of Mobile Communication. Second Edition. KluwerAcademic Publisher. pp. 108-112. 2006.

• Sendin Escalona, Alberto. Fundamentos de los sistemas de comunicaciones móviles. Evolución y tecnologías, 2004. Mc Graw Hill, España. ISBN: 84- 481-4027-3.

• Garcia Néstor. "Modelo de cobertura en redes inalámbricas basado en radiosidad por refinamiento progresivo", tesis doctoral. Universidad de Oviedo, Departamento de Informática. Marzo, 2006.

• Telefónica Móviles. Manual de Instalación de una BTS GSM. Movistar S.A, 2007.

• Andersen J. B.; Rappaport T. S. and S. Yoshida. Propagation Measurements and Models for Wireless Communications Channels. IEEE Communications Magazine, vol. 33, pp. 42-49. January 1995.

• Guerrero Guzmán, Víctor Manuel. Análisis estadístico de series de tiempo económicas. Segunda edición. México: Editorial Thomson, 2003.

• Dethe, Chandrashekhar y Wakde D.G. On the prediction of packet process in networktraffic using FARIMA time series model. Department of Electronics, College of Engineering, India. 2003.

S6. Modelos de predicción de pérdida de propagación

Blog del curso:http://uniscm.blogspot.com

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