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Radiopropagación en Sistemas Inalámbricos
CARACTERÍSTICAS DEL CANAL DE RADIO Y MODELAJE DE PROPAGACIÓN PARA
SISTEMAS DE TELECOMUNICACIONES INALÁMBRICOS
PROPAGACIÓN DE RADIO
Es el proceso mediante el cual las señales de radio dejan la antena transmisora, viajan a través del espacio y son interceptadas por una antena receptora
En condiciones ideales las pérdidas serían debidas solamente al espacio libre. Sin embargo, en la realidad, los fenómenos de reflexión, difracción y refracción cambian el comportamiento y las pérdidas de la señal. Además la propagación en medios diferentes (urbano, vegetación, rural, etc.) presenta atenuaciones diferentes
Usualmente en aplicaciones inalámbricas la propagación incluye todos estos fenómenos. No es fácil predecir cómo será la señal en cada punto
MODELO DE ESPACIO LIBRE
Distancia desde el transmisor
Niv
el d
e se
ñal
PEL = 32.4 + 20log f(Mhz) + 20log d(Kms)
PEL = 92.4 + 20log f(Ghz) + 20log d(Kms)
REFLEXIÓN
Onda incidente
Onda reflejada
Conductor perfecto
REFRACCIÓN
Índice de refracciónalto
Índice de refracciónbajo
DIFRACCIÓN
OndaElectromagnética
Obstrucción
Incremento en nivel de señal
MODELO DE TIERRA PLANA
Transmisor
Onda directa
Onda reflejada Receptor
Cambio de fase de 180°en el punto de reflexión
Pt = 40log(d) - 20log(ht) - 20log(hr)
REFRACCIÓN EN LA ATMÓSFERA
Tierra
Capasatmosféricas
RADIO DE CURVATURA DE LA TIERRA
Altura efectivade la antena
La curvatura de la tierra causa un abultamiento a la trayectoria en la mitad de la rutaEsto puede ser representado modificando el radio de la tierra y dejando la ruta recta
DIFRACCIÓN EN BORDES
AlturaObstrucción
Altura de antenas
d1 d2
DIRACCIÓN EN BORDES
-2 -1 0 1 2 3
Pér
did
as (
rela
tiva
s a
esp
acio
lib
re)
dB
. 0
4
8
12
16
20
24
13 + 20 log
21
21 )(2
dd
ddhv
MÚLTIPLES DIFRACCIONES EN BORDES
Obstrucciónequivalente
PROPAGACIÓN EN UN MUNDO REAL
• Comportamiento de la atmósfera real• Reflexiones en la tierra real• Reflexiones en edificios• Pérdidas por penetración en edificios• Difracción en el mundo real• Características de la señal recibida en un
mundo real• Dificultades, probabilidades y planeación en un
medio ambiente real
LA ATMÓSFERA REAL
• La atmósfera es inestable
• Los efectos en distancias cortas y frecuencias bajas son mínimos
• EFECTO DUCTO puede ocurrir causando Interferencias de largo alcance
REFLEXIONES EN LA TIERRA REAL
Reflexión especular
Reflexión dispersaEn una superficie rugosa
REFLEXIONES EN EDIFICIOS
Reflexiones del sueloY de edificios
Efecto cañón en las vías
PÉRDIDAS POR PENETRACIÓN EN EDIFICIOS
DIFRACCIÓN EN EL MUNDO REAL
TIME DELAY (TIME DISPERSION)
TIME DELAY (TIME ALIGNMENT)
EFECTOS DEL CLUTTER EN PÉRDIDAS
Las curvas de atenuación varían con los diferentes tipos de terreno (clutter)
1 103 30
Pérdidas (db)
Intercepto
Pendiente
Distancia (Kms), escala logarítmica
Clutter urbano
Espacio libre
SEÑAL RECIBIDA EN UN MUNDO REAL
Caída de nivel proporcional a 40log(d)
Desvanecimiento lento causadas por el terreno
Desvanecimiento rápido y profundo causado por reflexiones (multitrayectoria)
Niv
el d
e se
ñal
Distancia del transmisor
PROBABILIDAD Y PLANEACIÓN
• La propagación es un proceso aleatorio
• El nivel de señal resultante es una variable aleatoria
• Una variable aleatoria no tiene un valor absoluto
MOTIVACIÓN PARA LA CREACIÓN DE MODELOS DE PROPAGACIÓN
• Ni utilizando la física de la propagación ni con los cálculos mas acertados ni aún con mediciones podemos saber cada componente reflejada, difractada u obstruída en todos los puntos.
HERRAMIENTAS PARA LA CREACIÓN DE MODELOS
• La Física de la propagación
• Recolección de datos reales en campo (Drive tests)
• Procesos Matemáticos
• Estadísticas
• Sistemas de cómputo incluyendo Hardware y Software
TIPOS DE MODELOS
• Modelos analíticos simples
• Modelos generales de área
• Modelos de punto a punto
• Modelos de Variabilidad local
TIPOS DE MODELOS
• Modelos analíticos simples: Son las ecuaciones matemáticas que describen el comportamiento de los fenómenos físicos de las señales– Pérdidas de espacio Libre– Cancelación de reflexión– Difracción en Bordes– Otros
No son suficientes para hacer generalizaciones de diseño
TIPOS DE MODELOS
• Modelos generales de área:Generalizaciones estadísticas de la propagación de RF en toda un área de con base en datos de medición recolectados en campo a partir de un número suficiente de Estaciones Base “típicas”.– Okumura – Hata– Cost 231 - Hata– Walfisch – Ikegami
Usados para el conteo de Radio Bases y diseño inicial de la red.
TIPOS DE MODELOS
Modelos de punto a punto:Utilizan el rastreo de rayos u otros métodos de la física
aplicados por computador usando bases de datos de terreno, perturbaciones, tipo de terreno etc para sus cálculos.– Aplicación a los módelos de área– Delineamiento de Rayos (Método de Lee)– Tech-Note 101– Longley-Rice, Biby C
Usados para diseño celular detallado, requieren tiempo y capacidad de procesamiento.
TIPOS DE MODELOS
Modelos de Variabilidad local:Utilizan la estadística para proporcionar los niveles de
confianza de cobertura para un área o una ubicación específica.
– Distribución de Rayleigh– Distribución normal– Técnicas de probabilidades combinatorias
Usados para el cálculo de las probabilidades de confiabilidad del servicio.
MODELOS DERIVADOS EMPIRICAMENTE
• Principios generales
• Okumura – Hata– Factores de corrección para Hata
• Walfish – Ikegami
• Cost 231 - Hata
• Microceldas
• Modelos de dos partes
PRINCIPIOS GENERALES
Distancia desde la Estación Base
Niv
el d
e re
cep
ción
Pendiente
Intercepto
Offsets causadosPor clutter
OKUMURA - HATA
• Las pérdidas en el modelo son dadas por:
• 69.55 + 26.16log(f) - 13.82log(hb) - a(hm) + {44.9 -6.55log(hb)}log(d)
• f Frecuencia (MHz)• hb Altura efectiva de la antena de la Radio
Base (metros)• hm Altura de la antena del móvil (metros)• d Distancia de la estación base (Km)• a Factor de correción de la altura del móvil.
FACTORES DE CORRECCIÓN PARA HATA
• Factor de corrección de Terreno Montañoso• Factor de corrección de Inclinación• Factor de corrección de bordes de Mar/Lago• Factores de corrección de Clutter. Ej: para 800
Mhz se tiene que:– 0 dB Área urbana densamente poblada– -5 dB Área Urbana– -10 Área suburbana– -17 Área Rural
• Factor de corrección de difracción• Factor de corrección de la Altura del móvil
WALFISCH - IKEGAMI
Si existe línea de Vista:Lp = 42.6 + 26log(d) + 20log(f)
En caso contrario:Lp = Lo + Lrts + Lmsd
Lo Pérdidas de espacio LibreLrts pérdidas de difracción de techo a calles y
pérdidas de dispersiónLmsd pérdida multi-screen (pérdida de reflexión
múltiple)
COST 231 - HATA
• Las pérdidas en el modelo son dadas por:
• 46.3+ 33.9log(f) - 13.82log(hb) + {44.9 -6.55log(hb)}log(d) + C
• f Frecuencia (MHz)• hb Altura efectiva de la antena de la Radio Base
(metros)• hm Altura de la antena del móvil (metros)• d Distancia de la estación base (Km)• C Factor de correción de ambiente así:
– -2dB Urbano densamente poblado– -8dB Urbano con población media– -10 dB SubUrbano con población media– -26 dB Areas rurales casi sin colinas
MODELOS DE MICROCELDA
• Modelos en línea de vista
• Modelos sin Línea de Vista– Pendiente única– Pendiente dual
MODELOS EN DOS PARTES
Distancia de la Estación Base
NIv
el R
ecib
ido
Intercepto 1Pendiente 1
Intercepto 2Pendiente 2
Punto de Quiebre
SINTONIZACIÓN DE MODELOS
• Cálculo de la pendiente de las pérdidas del camino de propagación
• Cálculo del Intercepto de las pérdidas del camino de propagación.
• Cálculo de los Valores de Clutter.• Cálculo de las Pérdidas de difracción.• Altura efectiva de la antena.• Ganancia efectiva de la antena del móvil.• Clutter del camino de propagación.
PENDIENTE DE PÉRDIDAS DEL CAMINO DE PROPAGACIÓN
Niv
el M
edid
o (d
Bm
)
Distancia de la estación base
INTERCEPTO DE LAS PÉRDIDAS DEL CAMINO DE PROPAGACIÓN
Niv
el M
edid
o (d
Bm
)
Distancia de la Estación Base
VALORES DE CLUTTERN
ivel
Med
ido
(dB
m)
Distancia de la Estación Base
PÉRDIDAS DE DIFRACCIÓN
• El dibujar un perfil del camino de propagación identifica los caminos de difracción.
• Los problemas de difracción son manejados como difracciones en un único borde o en múltiples bordes (Knife Edges)
• Un factor de ponderación debe ser encontrado
ALTURA EFECTIVA DE LA ANTENA
Altura efectiva de la estación base
Móvil
GANANCIA EFECTIVA DE LA ANTENA DEL MÓVIL
• La gananacia de la antena de los móviles usualmente es considerada como 0 dB.
• La cercanía al suelo tiene efectos por lo que un factor de corrección es requerido.
FACTORES DE CLUTTER
• El clutter debe ser considerado sobre un área mayor que el punto en el cual el móvil se encuentra ubicado.
• La altura de clutter puede ser agregada a la altura del terreno con el fin de calcular pérdidas por obstrucción.
REQUISITOS PARA UN BUEN MODELO
• Realización de pruebas intensivas de drive test (recolección de muetras con equipo de medición).
• Exige buenas bases de datos en la herramienta de predicción (Alturas, clutter, Vectores)
• Requiere un conocimiento de la aplicación (Macroceldas, Microceldas, In-Building)
VENTAJAS DE UN BUEN MODELO
• Reduce el consumo de recursos y tiempo durante el diseño evitando la realización de pruebas de CW en campo.
• Reduce los niveles de incertidumbre en la cobertura durante el diseño de la red
• Permite un mejor cálculo de los niveles de interferencia.
• Brinda la posibilidad de predecir áreas problemas en la red.
• Facilita tareas de optimización
ALGUNOS EJEMPLOS PRÁCTICOS
Planet EV
ALGUNOS EJEMPLOS PRÁCTICOS
EDX