Eo 0421 - RADIOCOMUNICACIONES
Conferencia 3: Análisis de Radiopropagación
Instructor: Israel M. Zamora, MBA, MSTMProfesor Titular, Departamento de Sistemas Digitales y
Telecomunicaciones. Universidad Nacional de Ingeniería
I Sem 2015
2
OBJETIVOS DE LA SESIÓN
I. Zamora
Revisar la clasificación de los modos propagación de onda según sus características
Introducir y diferenciar los componentes de pérdidas de propagación, en gran escala y pequeña escala.
Elaborar el presupuesto el balance de potencia de un radioenlace sencillo.
Comparar los modelos de predicción de pérdidas según su enfoque.
Deducir y aplicar el modelo de predicción en espacio libre para construcción del balance de potencia en problemas de radiopropagación.
Unidad II: Análisis de Radiopropagación
CONTENIDO
• Modos de propagación de ondas. Clasificación.
• Pérdidas de gran escala y pequeña escala.
• Concepto de balance de potencia o presupuesto de pérdidas de un radioenlace.
– PIRE, pérdida de trayecto, ganancia del receptor, margen de enlace, sensibilidad, etc.)
• Tipos de modelos de predicción de pérdidas.
• El modelo de propagación en espacio libre (Onda directa).– Fórmula general de propagación– Fórmula de Friis
3I. Zamora Unidad II: Análisis de Radiopropagación
Modos de propagación de onda: Clasificación
Ondas de Radio(Radio waves)
Ondas Ionsfericaso Cielo (Ionospheric or Sky waves) HF
Ondas de Tierra (Ground waves)
Ondas Troposfericas(Tropospheric
waves) HF, VHF
Ondas Espaciales(Space waves) VHF, UHF
Ondas Superficiales(Surface waves) VLF, LF, MF
Ondas Directas(Direct waves)
Ondas Reflejadas en Tierra (Ground-reflec-
ted waves)
1
3.1 3.2
2
Hay cuatro mayores trayectorias de propagación:• Ondas de Superficie, Ondas Espaciales,
Ondas Troposféricas y Ondas Ionosféricas. • En muchos casos, las dos primeras se agrupan
y se denominan Ondas de Tierra
4I. Zamora Unidad II: Análisis de Radiopropagación
3
3.1.1 3.1.2
Modos de propagación de onda
LA TIERRA
LOS (Línea de Vista, onda de tierra)
Ondas Superficiales
Ondas Troposféricas
Ondas de Cielo
Ionosfera
Troposfera
Onda Reflejada en Tierra
Hasta 2 MHz
Entre 30 MHz y 30 GHz
Entr
e 2
a 50
GHz
Entre 300 kHz y 30 M
Hz
5I. Zamora Unidad II: Análisis de Radiopropagación
Pérdidas de propagación: Gran Escala
• Pérdidas o desvanecimiento a Gran Escala:
• Debidas a la características generales del terreno (distancia), densidad y altura de los edificios, a la vegetación.
• Variaciones ocurren a lo largo de grandes distancias (100m.- unos pocos Km.) • Importantes para predecir la cobertura y disponibiliad de un servicio particular.
6I. Zamora Unidad II: Análisis de Radiopropagación
Street Sign
STOP
Receiver
Buildings
Earth surface
Buildings
Line of Sight
Transmitter
Pérdidas de propagación: Pequeña Escala
7I. Zamora Unidad II: Análisis de Radiopropagación
Street Sign
STOPLine of Sight Reflection DiffractionScattering
Transmitter
Receiver
Buildings
Earth surface
Buildings
• Pérdidas o desvanecimiento a Pequeña Escala:
• Debido al entorno local, objetos, árboles y edificios cercanos. • Variaciones ocurren sobre cortas distancias, en el orden de la longitud de onda de la señal
(<1 m.) • Factor importante de diseño de los formatos de modulación y del diselño de
transmisor/receptor
Balance de Potencia
10I. Zamora Unidad II: Análisis de Radiopropagación
Modelo energético de un sistema de radiocomunicación
TX RXCircuito
de Acoplo
Circuito de
Antena
Circuito de
Antena
Circuito de
Acoplo
etP tPtP rP rP
drP
trL
PIRE
ttL atL arL
tL
sL
gL
T T AT ARIT
IR
tG rG
tGrG
R R
bL
Modelo de antena real Modelo de antena real
Antena ideal (ficticia)
Balance de Potencia
11I. Zamora Unidad II: Análisis de Radiopropagación
etP
tP
tP
rP
rP
drPtrL
PIRE
ttL
atL
arL
tLsL
gL
tG
rG
tG
rG
bLTX
RX
Transmisor
Potencia entregada por el Transmisor al ckt. de acople
Pérdidas en ckts, de acoplamiento a la antena del Tx (T y T’).
Potencia entregada a la antena real
Pérdidas en la antena de transmisión (entre interfaces T’ y AT)
Potencia (ficticia) entregada a la antena ideal, sin pérdidas.
Potencia isótropa radiada equivalente, hacia el receptor
Potencia (ficticia) en la entrada a antena ideal.
Potencia disponible a la salida antena real
Potencia disponible , entregada al receptor
Pérdidas en ckts, de acoplamiento a la antena del Rx (R’ y R).
Pérdidas en la antena de recepción (entre intertaces AR y R’)
Pérdida básica de propagación (entre antenas isótropas
Pérdida de transmisión (entre antenas ideales)
Pérdida de sistema (entre interfaces de las antenas reales) Receptor
Pérdida global ( entre interfaces T y R)
Ganancia directiva de la antena transmisora
Ganancia directiva de la antena receptora
Ganancia de potencia de la antena transmisora
Ganancia de potencia de la antena receptora
Consideraciones y observaciones:
trttsg
aratts
rtbt
LLLL
LLLL
GGLL
0
0
ar
at
L
L
rr
tt
GG
GG
rtbt GGLL
cagG
M
TH
Ganancia con control automático
Margen de enlace
Umbral o sensibilidad del Rx
Balance de potencia
etPttL
bLtG
rGtrL cagG
Transmisor Receptor
Hipsograma
Entorno
• Variación del nivel de señal a lo largo del trayecto (hipsograma)– Peor caso con desvanecimiento “F” (Fading)– CAG para entregar un nivel fijo de señal al demodulador
drP
F
rP
rP
TH
THPM dr
PIRE
12I. Zamora Unidad II: Análisis de Radiopropagación
tP
trL
Peor caso cagG
Balance de potencia
• Sensibilidad del receptor (umbral) - TH– Nivel mínimo de señal que se debe recibir para obtener una
determinada calidad en la comunicación.
Estación base
Terminalmóvil
Alcance /cobertura del sistema
Potencia transmitida
Señal útil Potencia mínima de laSeñal recibida para un
correcto funcionamiento(sensibilidad)
Ruido e interferencia
13I. Zamora Unidad II: Análisis de Radiopropagación
Balance de potencia
Elementos de potencia y pérdidas de balance de potencia de un radioenlace
(+) Pet (dBm) Potencia de salida del transmisor
(-) Ltt (dB) Pérdidas en circuitos de acoplamiento (branching) a la antena del Tx.
(+) Gt (dB) Ganancias de las antenas del Tx (isotrópica).
(=) PIRE Potencia Isotrópica Radiada Equivalente.
(-) Lb (dB) Pérdida básica de propagación.
(-) F(dB) Desvanecimiento profundo (diversos factores: vegetación, multitrayectoria, etc.)
(+) Gr (dB) Ganancias de las antenas del Rx (isotrópica).
(=) Pr (dBm) Potencia recibida por la antena receptora.
(-) Ltr (dB) Pérdidas en circuitos de acoplamiento (branching) a la antena del Rx.
(=) Pdr (dBm) Potencia recibida en el receptor.
TH (dBm) Umbral o sensibilidad del receptor.
M(dB) Margen de desvanecimiento o de enlace (M=Pdr – TH)
14I. Zamora Unidad II: Análisis de Radiopropagación
Balance de potencia
Ejemplo numérico:
+ 20 dBm Potencia de salida del transmisor
- 2 dB Pérdidas en circuitos de acoplamiento (branching) a la antena del Tx.
+ 10 dB Ganancias de las antenas del Tx (isotrópica).
= 28 dBm Potencia Isotrópica Radiada Equivalente.
- 114 dB Pérdida básica de propagación.
- 0 dB Desvanecimiento profundo (diversos factores: vegetación, multitrayectoria, etc.)
+ 14 (dB) Ganancias de las antenas del Rx (isotrópica).
= -72 dBm Potencia recibida por la antena receptora.
- 2 dB Pérdidas en circuitos de acoplamiento (branching) a la antena del Rx.
= -74 dBm Potencia recibida en el receptor.
-82 dBm Umbral o sensibilidad del receptor.
= 8 dB Margen de desvanecimiento o de enlace
15I. Zamora Unidad II: Análisis de Radiopropagación
Balance de potencia
16I. Zamora Unidad II: Análisis de Radiopropagación
= -74 dBm
= 8 dB
Ejemplo numérico:
)()()()()()()( dBLdBGdBLdBGdBLdBmPdBmP trtbtttetdr
• Pérdidas de duplexores, circuladores y filtros (LDFT, LDFR en dB)• Pérdidas en los alimentadores de antena (Lx) (t, r en dB/m)
i
ibfb LLdBL )(
Pérdidas de espacio libre Pérdidas adicionales:Reflexión
Difracción
Dispersión
Vegetación
Hidrometeoros
Desvanecimientos
Potencia recibida Pérdidas básicas de propagación
Pérdidas de acoplamiento (branching)
)()/()()( mdmdBdBLdBL ttDFTtt
Balance de Potencia: Las pérdidas básicas
17I. Zamora Unidad II: Análisis de Radiopropagación
)()/()()( mdmdBdBLdBL rrDFRtr
Tipos de modelos de predicción
• Modelos de análisis de un radioenlace: Una herramienta para cada situación
Ecuaciones de Maxwell MUY COMPLEJO (Matemático) e impráctico
Óptica de Geométrica Espacio Libre, Uso de “Rayos”, Ej: Modelo de 2- rayos para reflexión a Tierra, Tierra Curva, Obstáculo Simple, etc.
Expresiones (Modelos) Empíricos, semiempíricos o curvas de propagación normalizadas
Modelos estadísticos Muy útiles en comunicaciones móviles
¿Cómo determinar las pérdidas básicas para diversos entornos?
18I. Zamora Unidad II: Análisis de Radiopropagación
Densidad de potencia recibida y Campo eléctrico
(r)Z(r)e or Z
(r)e(r)
o
r
2
• La relación entre campo eléctrico recibido (en antena receptora) y densidad de potencia:
Ley de Ohm de CEM
Ω πε
μZ
o
oo 377120
) (ε
ms/V Aπ
m
F
πεo
0
99
libre espacio del a)dieléctric (constante adpermitivid36
10
36
10
ms/A Vπ x H/m π x μ -o
libre espacio del dadpermeabili
104104 77
19I. Zamora Unidad II: Análisis de Radiopropagación
:(r):(r)er
Zo :
Densidad de potencia en antena receptoraCampo eléctrico en antena receptora
Impedancia característica del aire
Entonces, la potencia máxima utilizable en el receptor está dado por:
rreqr g(r)e
π
λg (r)s(r)p r
1204
22
2,107)(log20)()( 10 MHzfdBuEdBWP rr
:eqs Superficie equivalente de la antena receptora.
Las pérdidas básicas de propagación se obtienen de:
generalen ,)(41
1204
4
120
)(
)( 2
22
22
22
(r)e
rer
ggg
(r)eλ
g
rre
rp
p
rr
o
rt
r
t
o
r
t
Pérdidas excedentesPérdidas de espacio libre
20I. Zamora Unidad II: Análisis de Radiopropagación
Pérdidas básicas de propagación
)(rp
p
r
t
22 44)(
r
gp
r
PIREr tt
o Se sabe que:
tot g
rrp
24)(
Por tanto, las pérdidas se hallan como:
t
ot g
r(r)ep
24
120
generalen ,)(41
)( 2
22
(r)e
rer
ggrp
p
r
o
rtr
t
FORMULA DE FRIIS
(r)e
(r)e
λ
π rlL
r
obb 101010 log20
4log20)(log10
V/mr
pire
r
g p
ππ
gpπ (r)Z(r)e
tt
ttoo
3030
4120
2
21I. Zamora Unidad II: Análisis de Radiopropagación
Pérdidas básicas de propagación
(r)e
rerl
r
ob 2
22 )(4
i
ibfb LLdBL )(
Pérdidas excedentesPérdidas de espacio libre
Pérdidas de espacio libre (LOS):
MHz
Kmbf /f.
r,π
λ
π r L
8299
00014log20
4log20 1010
Con:
f en MHz
r en Km
)(f)(r dB.L MHzKmbf 1010 log20log204532 dr
hh
d
rt
),(
NOTA:
Otras relaciones de espacio libre:
Modelo de propagación de Espacio Libre (LOS)
Tx Rx
Línea de Vista (LOS)
• Caso ideal : total visibilidad/sin obstáculos de consideración (dentro de zona de Fresnel)
• Válido en región de campo lejano (Fraunhofer) : d• Aplicaciones: comunicación satelital/enlaces de microondas con LOS.• Fórmula de Friis : Fórmula de espacio libre.
d: distancia entre estaciones base
r: separación de antenas
22I. Zamora Unidad II: Análisis de Radiopropagación
dr m100d para
)(f)(r dB.L MHzKmbf 1010 log20log204532
Ejercicios resueltos
Un satélite geoestacionario con órbita a 35,786 Km de altitud transmite una PIRE de 52dBW. Calcule el diámetro de la antena parabólica que se debe colocar, para una eficiencia de apertura del 70%, para recibir una potencia de -84.6dBm
Solución:Partimos del hecho que la distancia y la altura del satélite son suficiente para considerar una propagación de espacio libre, y que obviamente el satélite se encuentra en la región de Franhoufer o de campo lejano por lo que planteamos la expresión para la potencia recibida en términos del área efectiva de captura equivalente de la antena receptora:
phyapeqr sr
pires
r
pirerp
22 44)(
7.010
103578641010
4)(
10
52
23310
6.842
W
mW
pire
rrps
aprphy
2503.0 msphy 2
2
Dsphy m
msD phy 8.0
5.022
2
23I. Zamora Unidad II: Análisis de Radiopropagación
(Sphy: es la superficie física de la antena.)
Ejercicios resueltos
Determine la potencia de salida de una antena receptora que tiene una ganancia directiva de 5, con una eficiencia de 80%, que se encuentra a 20Km de una antena que tiene potencia de entrada de 40W y ganancia directiva de 4 con eficiencia de 70%. La frecuencia de operación es de 150MHz.
Solución:Podemos ilustrar la situación como se muestra abajo:
TX RX
4Td%70rad
5Rd%80rad
MHzf 150Wpt 40 ?rp
Kmr 20
Aplicamos la ecuación siguiente:2
4
rgg
p
prt
t
r
2
4
rggpp rttr
2
,, 4))((
rddpp rrradttradtr
268
000,204
10150/103)58.0)(47.0(40
xxpr
Wxpr81038.2
dBmpr 23.46
24I. Zamora Unidad II: Análisis de Radiopropagación
rrradrttradt dgdg ,, y
Ejercicios propuestos
Determine la potencia capturada por una antena receptora para los siguientes parámetros:• Potencia de entrada a la antena: 50W• Ganancia directiva de la antena transmisora: 1,250• Eficiencia de radiación antena transmisora: 80%• Ganancia directiva de la antena receptora: 1,000• Eficiencia de radiación antena receptora: 90%• Separación entre antenas: 20Km• Frecuencia de trabajo: 600MHz
25I. Zamora Unidad II: Análisis de Radiopropagación
A continuación se muestra un ejemplo de cálculo en el caso de un enlace punto a punto a 2,45 GHz: Potencia de salida del transmisor = 15 dBm Pérdidas en cables y conectores del transmisor = 4 dB Ganancia de la antena transmisora = 8 dBi Distancia entre transmisor y receptor = 1 km Ganancia de la antena receptora = 15 dBi Pérdidas en cables y conectores del receptor = 3 dB Sensibilidad del receptor = –82 dBm @ 11 Mbit/s Pérdidas adicionales (despolarización, desapuntamiento, obstáculos) = 3 dB
Realice el presupuesto de potencia y calcule las pérdidas básicas asumiendo espacio libre, la potencia recibida, y el margen de enlace.
• Lectura Obligatoria• Wireless Communications
• Capítulo 4Secciones 4.1 al 4.3 inclusive
• Transmisión por Radio• Capítulo 2
• Secciones 2.3.1, 2.6, 2.7.1 al 2.7.3, 2.9.1 al 2.9.4
26I. Zamora Unidad II: Análisis de Radiopropagación
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