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