Desempeño de Modelos de Propagación en Comunicación Móvil para la zona de Caldas Parte 1: Modelos para àreas urbanas

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1 Desempeño de Modelos de Propagación en Comunicación Móvil para la zona de Caldas Parte 1: Modelos para àreas urbanas J. C. García, O. A. Rodríguez, J. L. Castillo Universidad Nacional de Colombia Sede Manizales Campus La Nubia, Vía Aeropuerto. Manizales, Colombia. Resumen. A continuación se describe el desempeño que se tuvo, a modo de simulación, con diferentes Modelos de Propagación para Comunicación Móvil, aplicando parametros que se pueden tener en ciudades de la zona de Caldas, Colombia. Se describe de una forma breve los modelos que aplican a la zona geográfica dada y su desempeño, mediante simulación, para así determinar un modelo apropiado que describa el comportamiento que pueda tener una comunicación tipo móvil (i.e. PCS, DAMPS) para una futura medición y comprobación. Abstract. Next, the performance as a simulation we had with different Models of Propagation for Mobile Communications is described. Parameters that can be measured in cities of the zone of Caldas, Colombia, are applied. In a brief form, the models that apply to a given geographic zone and their performance are described, by simulation methods. Also we determine an appropriate model that describes the behavior that a mobile communication system (i.e. PCS, DAMPS) can have in this zone, for a future measurement and validaton. Palabras clave: Digital Advanced Mobile Phone Systems (DAMPS), Global System for Mobile Communicactions (GSM), Personal Communications System (PCS), Telefonía Móvil, Propagación. I. Introducción El Grupo de trabajo académico (GTA) de Control y Procesamiento Digital de Señales, por medio del proyecto Propagación Electromagnética Aplicada (PROPELA), ha realizado algunos estudios que involucran la determinación de modelos de propagación aplicados a una región determinada. Se eligió la zona de Caldas, Colombia, por la alta variabilidad topográfica y la alta irregularidad del terreno, en efecto, esta region presenta zonas urbanas de alta irregularidad topográfica (i.e Manizales) y zonas suburbanas en profundos valles. Además estos desarrollos han complementado los estudios realizados en convenio con EMTELSA ESP, la cual ha realizado mediciones preliminares en la zona de estudio [1]. II. Modelos de Propagación [2]. Un modelo de propagación 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 o una combinación de estos dos (semi -empíricos). 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 perdida por trayectoria que una señal de RF pueda tener entre una estación base y un receptor sea móvil o fijo. La ventaja de modelar radio canales teniendo en cuenta las características de la trayectoria entre Transmisor (Tx) y Receptor (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 (especificaciones técnicas). El desempeño de los modelos de propagación se mide por la veracidad de los resultados en comparación con medidas de campo reales. Los modelos descritos en este articulo tienen una buena correlación en cuanto a las comparaciones mencionadas tanto a nivel de simulación como en mediciones de campo. La aplicabilidad de un modelo depende de las especificaciones que este mismo requiera tal como son: el tipo de terreno (montañoso, ondulado o cuasi liso), las características del ambiente de propagación (área urbana, suburbana, abierta),

2 características de la atmósfera (índice de refraccion, intensidad de las lluvias), propiedades eléctricas del suelo (conductividad terrestre), tipo del material de las construcciones urbanas etc. Para una topografía muy irregular y accidentada como la andina y específicamente la del eje cafetero, los modelos con mejor desempeño son los que estiman perdidas por difracción utilizando el modelo clásico de filo de cuchillo y sus distintas variaciones para la extensión a múltiples filos de cuchillo (i.e Epstein-Peterson, Deygout, Bullington etc.), estos modelos analizan punto por punto la trayectoria entre Tx-Rx, identificando las perdidas causadas por los obstáculos principales y adicionándolas a la solución de Friis. Resultados logrados en convenios con EMTELSA.ESP (Empresa de Telefonía y Servicios Agregados) y la Universidad Nacional de Colombia sede Manizales, han sido satisfactorios, mostrando buenas aproximaciones entre resultados reales y medidos alrededor de los 8 y menos decibeles siempre con sobreestimación de las perdidas por parte de los modelos. III. Evaluacíon del Modelo Hata Modificado vs. Okumura. Para dar una idea acerca de cómo la modificación correlaciona con las mediciones de Okumura, se muestra en la Figura 1, la comparación del modelo de Hata Modificado con el de Okumura [3]. En esta Figura, se ve que el modelo Modificado de Hata [4] tiene desviaciones alrededor de 3 db de las curvas de Okumura subestimando la perdida en distancias grandes (mayores a 20 Km). A distancias menores a 20 Km, hay una mejor correspondencia entre ambos modelos. Figura 1. Comparación del modelo de Hata Modificado con el de Okumura. Generalmente se utilizan las curvas de Okumura como parámetro de comparación, debido a que este modelo se fundamenta en datos medidos en Japón y tiene un análisis estadístico. En la Figura 2 se muestra la comparación entre el modelo de Hata-Okumura [3][5] con Hata Modificado [4], dado unos parámetros específicos. Los resultados muestran que entre los 2 modelos existe una diferencia de 4 db, debido a la mayor precisión del modelo de Hata-modificado. los parámetros usados en esta simulación son los siguientes: Parámetros de Terreno: Ancho Promedio: 73.8 m Altura de Construcción Promedio: m Porcentaje de Construcciones: 37%

3 Figura 2. Comparación entre el modelo de Hata-Okumura con Hata Modificado[2] Parámetros de Estudio: Frecuencia: 900 MHz, Altura Tx (h b )=200m Altura del móvil (h m )=3m Ganancia Tx: 13 dbi Tamaño de Ciudad: Pequeña / Mediana Tipo de área: Urbana IV. Evaluacíon del Modelo Hata Modificado vs. Hata Cost 231. El modelo Hata-Cost 231 [6], fue creado por la Cooperativa Europea para la Investigación Científica y Técnica con el fin de tener una mejor correspondencia con las curvas de Okumura en el rango de frecuencias entre los 1500 y 2000 MHz con el fin de implementar el sistema GSM1800 en Europa. En la Figura 3, se muestra que el modelo Hata-Cost 231 tiene un comportamiento similar con el modelo Hata-Modificado en un área Urbana. Ellos tienen 3 db de diferencia y una razón para esta diferencia podría ser la corrección del porcentaje de construcciones en el Modelo de Hata Modificado. Si el terreno usado tiene diferente porcentaje de construcciones, la diferencia aumentaría o disminuiría dependiendo del terreno. Sin embargo, cuando el estudio se hace para un área abierta y suburbana, el modelo de Hata Modificado se desvía mucho más del modelo Hata-Cost 231. Todos estos resultados significan que el modelo Hata-Cost 231 concuerda muy bien con las Curvas de Okumura en Área Urbana.

4 Figura 3. Comparación de Hata Modificado y Modelo Cost-Hata [2]. Parámetros de Terreno: Ancho Promedio: 73.8 m Altura de Construcción Promedio: m Porcentaje de Construcciones: 37% Parámetros de Estudio: Frecuencia = 1800 MHz, Altura Tx (h b ) = 50 m Altura del móvil (h m ) = 1.5 m Ganancia Tx = 13 dbi Tamaño de Ciudad: Grande Perdida por Trayectoria del Modelo Hata-Modificado según Tipo de área: Abierta (1) Suburbana (2) Urbana V. Evaluación del modelo Walfisch- Bertoni Modelo semiempiríco, utilizado en zonas urbanas con terreno cuasi liso basado en la geometría de las construcciones (espaciamiento y altura) entre Tx-Rx. La Figura 4 muestra una comparación del modelo con mediciones realizadas en Filadelfia por Ott y Plitkins [7] para diferentes valores de H, donde H se define como la diferencia entre la altura de la antena de estación base con respecto al nivel de tierra y el nivel promedio de edificaciones, (H > Prom. de edificaciones) utilizando una frecuencia de 820 MHz. Se utilizaron 6 antenas fijas con alturas que van desde los 45 hasta los 255 pies (13.7 hasta 77.7 m). La potencia radiada mas las ganancias de las antenas fue de 23.3 db. La altura máxima de las edificaciones en los alrededores de las estaciones móviles fue en promedio de 30 pies (9.1 m). La altura de la antena móvil fue 5 pies (1.5 m). Los puntos representan el nivel de señal recibida en dbm por sectores en función de la distancia en millas a partir del transmisor. Las antenas transmisoras se ubicaron en terrazas, cada gráfica tiene la altura H especificada. Se puede observar que en las dos primeras graficas hay poca correspondencia con la teoría debido a la gran cantidad de edificaciones altas de dichos centros urbanos; las otras cuatro graficas muestran una mejor correspondencia debido a que las mediciones fueron hechas en lugares mas lejanos a los centros urbanos. En los

5 datos medidos por Ott y Plitkins se obtuvo un rango de dependencia de aproximadamente 36.8 db/década. Nótese que el modelo obtuvo un rango de dependencia de 38 db/década lo cual demuestra la aplicabilidad del modelo. Una comparación del modelo Walfisch- Bertoni [8] con el modelo de Hata se muestra en la Figura 5. En esta simulación, el promedio de altura de construcciones se toma como 10.6 m que es una altura típica de una casa con 3 pisos y una terraza en ambiente suburbano. El valor de pérdida por trayectoria para el modelo a 4.96 km es db mientras que ese valor es db para el modelo de Hata. Este grafica demuestra que la propagación tiene lugar sobre las construcciones, con la difracción en las azoteas dirigida al móvil. Figura 4. Comparación de los promedios del sector para la fuerza de la señal para las diferentes localizaciones según lo medido por Ott y Plitkins, con las predicciones teóricas (líneas sólidas). El nivel de la señal está dado en dbm; el rango en millas, y el valor de H es indicado en metros [7]. Figura 5. Comparación del modelo Walfisch- Bertoni con el modelo de Hata [2]

6 Parámetros de Terreno: Ancho Promedio: 73.8 m Altura de Construcción Promedio: m Porcentaje de Construcciones: 37% Parámetros de Estudio: Frecuencia: 900 MHz, Altura Tx (h b )=50m Altura del móvil (h m )=1.5m Ganancia Tx: 13 dbi Tamaño de Ciudad: Pequeña / Mediana Tipo de área: suburbana VI. Conclusiones. Hasta ahora se han definido los modelos más conocido e aplicados a un caso específico (Zona de Caldas). Esto se llevó a cabo mediante simulación y se realizó bajo los parámetros de altura, terreno y clima de la zona, realizando una comparación, tal como se realizó en [2], con el modelo Okumura. Se debe tener en cuenta el tipo de modelo a implementar puesto que si es un modelo empirico hay que determinar la naturaleza de las mediciones, por ejemplo, no es lo mismo aplicar el modelo de Okumura en Manizales que en Japon, puesto que este modelo esta basado en un analisis estadistico en los alrrededores de Tokio (terreno cuasi liso), por lo tanto habria que determinar los diferentes factores de ajuste y zonas de aplicabilidad a través de estudios y pruebas. Se puede utilizar modelos que tengan implicitamente los factores de ajuste como Hata y sus variaciones, los cuales son bastante utiles en diferentes regiones para la predicccion de potencia. Para la segunda parte de este artículo, utilizaremos otros modelos, aplicados para áreas sub-urbanas, con el fin de realizar la evaluación final. VII. Referencias [1] PATERMINA, Carlos. PALACIO, Carlos. Implementación del modelo ITS para la zona de Caldas. Tesis Universidad Nacional Sede Manizales [2] CASTILLO, José L. RODRIGUEZ, Omar A. Modelos de Propagación para Comunicaciones Móviles. Tesis Universidad Nacional Sede Manizales [3] Rappaport, Theodore S. Wireless Communications, Prentice Hall, New Jersey, [4] BAYRAM, Yakup. Propagation Models in urban areas. [5] M.HATA. Empirical Formula for Propagation Loss in Land Mobile Radio Services, IEEE Transaction on Veh. Technology,Vol.VT -29, pp , [6] COST 231 FINAL REPORT. Digital Mobile Radio Towards Future Generation Systems. [7] D.Ott and Plitkins. Urban Path-Loss characteristics at 820 MHz. IEEE Trans. Veh. VT-27, pp , 1978.

7 [8] J.Walfisch and H.L Bertoni. A Theoretical model of UHF propagation in urban enviroments. IEEE Trans. Antennas Propagation. Vol. 36, pp , [9] Saunders, S.R and Bonar, F.R. Prediction of Mobile Radio Wave Propagation over Buildings of Irregular Heights and Spacings. IEEE Trans. Antennas Propagation. Vol. 42, No 2, pp , [10] L.E. Vogler. An Attenuation function for Múltiple Knife -Edge diffraction. Radio Science, Vol. 17, No 6, [11] Howard H Xia. A Simplified Analytical Model for Predicting Path Loss in Urban and Suburban enviroments. IEEE Trans. Veh. Tech,Vol VT-46, No 4, VIII. Autores Julio César Garcia Alvarez, es Magister en Ingeniería Electrónica y de Computadores de la Universidad de los Andes (2000). Es Ingeniero electrónico de la Universidad Nacional de Colombia (1998). Es actualmente Instructor Asociado en la Universidad Nacional de Colombia Sede Manizales, en los cuales se desempeña como docente y director en las áreas de Telecomunicaciones y Telemática. Es director del proyecto PROPELA (Applied Electromagnetic Propagation). wg_julces@hotmail.com Omar Andrés Rodriguez Ruiz, es Ingeniero Electrónico de la Universidad Nacional e investigador del proyecto PROPELA. Sus áreas de interés son los Sistemas de Comuniaciones Fijos y Móviles (PCS, GSM), Telemática, programación en Internet y lenguajes de programación de alto y bajo nivel (C++, Builder, Delphi, Visual Basic, Assembler). satuple2000@hotmail.com Jose Luis Castillo Muñoz, es Ingeniero Electrónico de la Universidad Nacional. Sus áreas de interés son las comunicaciones, la tele matica, la telefonia movil celular y los lenguajes de programación. joluisca77@hotmail.com