Capitulo 3: Propagación en Canales Móviles

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1 Capitulo 3: Propagación en Canales Móviles VICTOR MANUEL QUINTERO FLOREZ

2 Introducción. Crecimiento rápido e ininterrumpido de los sistemas de comunicaciones móviles. 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.

3 Introducción (2) 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.

4 Introducción (3) Actividades de la planificación de sistemas de comunicaciones móviles. 1. Caracterización del canal móvil en banda estrecha. Perdida básica de propagación. (zona de cobertura). Métodos de predicción (UIT-R, COST). Exactitud Complejidad Tiempo de Calculo

5 Introducción (4) Actividades de la planificación de sistemas de comunicaciones móviles (2). 1. Caracterización del canal móvil en banda estrecha (2). La propagación de ondas en medios reales por ecuaciones de Maxwell. Uso de modelos simplificados basados en la óptica geométrica. Expresiones empíricas o curvas de propagación normalizadas obtenidas a partir de mediciones.

6 Introducción (5) Actividades de la planificación de sistemas de comunicaciones móviles (3). 1. Caracterización del canal móvil en banda estrecha (3). Características de propagación: El trayecto de propagación respecto a obstáculos (suelo, colinas, edificios, vegetación, etc.). Características eléctricas del terreno (constante dieléctrica, conductividad, permitividad, etc.). Propiedades físicas del medio (Intensidad de precipitaciones, absorción por gases y vapores). Frecuencia y polarización de las ondas

7 Introducción (6) Actividades de la planificación de sistemas de comunicaciones móviles (4). 1. Caracterización del canal móvil en banda estrecha (4). L b = perdida básica. L L L L b bf ex ent L bf = perdida básica de espacio libre. L ex = Perdida en exceso debido a efectos del terreno. L ent = perdidas debido a efectos del entorno inmediato al receptor.

8 Introducción (7) Actividades de la planificación de sistemas de comunicaciones móviles (5). 2. Caracterización del canal móvil en banda ancha. Perdida básica de propagación. Analizar y modelar efectos de propagación multitrayecto. Uso de modelos de simulación.

9 Introducción (8) Actividades de la planificación de sistemas de comunicaciones móviles (6). 3. Desarrollo de modelos de simulación. BER Vs (perdida básica de propagación + características de propagación multitrayecto). Medidas de corrección Recepción por diversidad. Codificación de canal. Modelo de canal: un filtro variable. Red de varias etapas. Modelos hardware y software.

10 Introducción (9) Actividades de la planificación de sistemas de comunicaciones móviles (7). 4. Realización de medidas radioeléctricas. Validación de los modelos de predicción de propagación y simulación. Mediciones Detección de interferencias. Resolución de situaciones complejas. Perfeccionamiento de los métodos de predicción.

11 Características Básicas de la Propagación por Canales Móviles Variabilidad de la Propagación Características de la zona de cobertura y del desplazamiento de los terminales. Variaciones del nivel de señal con la posición y con el tiempo. Potencia transmitida fija Potencia recibida es una variable aleatoria. Perdida básica de propagación f(distancia). Ley de potencias. l d k d b n

12 Características Básicas de la Propagación por Canales Móviles (2) Variabilidad de la Propagación (2) l d l d b L b (Ley lineal. Ley empírica). Pendiente 10n. 0 L d L 10nlog d; L 10log l b En el origen. d=1. L b =L 0. n L 0 y n pueden obtenerse experimentalmente.

13 Características Básicas de la Propagación por Canales Móviles (3) Variabilidad de la Propagación (3) Entorno Factor de exponente n Espacio libre 2 Urbano Urbano con grandes edificios 3-5 Interior de edificios Interior de edifcios con sombras 2-3 Entorno suburbano 2-3 Zonas industriales 2.2

14 Características Básicas de la Propagación por Canales Móviles (4) Variabilidad de la Propagación (4)

15 Características Básicas de la Propagación por Canales Móviles (6) Variabilidad de la Propagación (6) Desvanecimiento lento o por sombra (shadow fading): variabilidad en la atenuación debido al terreno y obstrucciones entre el transmisor y receptor. lb d l d g x, y Mayor precisión. b, L d db L d G x y lb(d) ley empírica. G(x,y) variable aleatoria gaussiana de media cero y desviación típica σ(db).

16 Características Básicas de la Propagación por Canales Móviles (7) Variabilidad de la Propagación (7) Desvanecimiento lento o por sombra (2)

17 Características Básicas de la Propagación por Canales Móviles (8) Variabilidad de la Propagación (8) Desvanecimiento lento o por sombra (3):

18 Características Básicas de la Propagación por Canales Móviles (9) Variabilidad de la Propagación (9) Multitrayectoria Baja altura de la antena del terminal móvil (1.5 a 3m). Múltiples trayectos indirectos de propagación generados por la presencia de obstáculos cerca al receptor (naturales y artificiales). Mecanismo básico de propagación de los canales móviles. Variaciones muy rápidas del nivel recibido desvanecimiento rápido (fast fading). Factor r(t,f)

19 Características Básicas de la Propagación por Canales Móviles (10) Variabilidad de la Propagación (10) Multitrayectoria (2) Desvanecimiento rápido es significativo en recorridos de 40λ. b,,,, l d l d g x y r t f L d db L d G x y R t f b La variable aleatoria r es proporcional al cuadrado de una magnitud que sigue la distribución de Rayleigh (distribución exponencial negativa).

20 Características Básicas de la Propagación por Canales Móviles (11) Variabilidad de la Propagación (11) Multitrayectoria (3)

21 Características Básicas de la Propagación por Canales Móviles (12) Variabilidad de la Propagación (12) Multitrayectoria (4)

22 Características Básicas de la Propagación por Canales Móviles (13) Variabilidad de la Propagación (13) Promedio de perdidas en pequeño recorrido del receptor (media local). b, L d db L d G x y Promedio de perdidas en un largo recorrido del receptor (media global). b L d db L d

23 Características Básicas de la Propagación por Canales Móviles (14) Variabilidad de la Propagación (14) Si transmisor radia una PIRE igual a P t, la potencia P r, recibida en una antena isótropa, será: d db P L d Pr t b P t fija, P r variable aleatoria. r d db P L d G x y R t f P,, t Relación lineal. La ley de variación estadística de P r (d) es la misma que L b (d).

24 Características Básicas de la Propagación por Canales Móviles (15) Variabilidad de la Propagación (15) Las variaciones gaussianas y Rayleigh de la potencia recibida se combinan entre sí. Distribución mixta Rayleigh-Lognormal. Si hay visibilidad directa entre TX y RX, junto a las componentes de multitrayectoria existe un rayo directo. No hay desvanecimiento lento. Componente intensa y componente difusa (ecos). Distribución Nakagami-Rice.

25 Características Básicas de la Propagación por Canales Móviles (16) Variabilidad de la Propagación (16) Señal recibida (dbu) tiempo

26 Características Básicas de la Propagación por Canales Móviles (17)

27 Características Básicas de la Propagación por Canales Móviles (18)

28 Características Básicas de la Propagación por Canales Móviles (19)

29 Características Básicas de la Propagación por Canales Móviles (20) Propagación multitrayecto Mecanismo básico de propagación en entornos rodeados por obstaculos. Las componentes de multitrayectoria llegan al receptor en tiempos diferentes y con diferentes amplitudes y fases. Amplias y rápidas variaciones de nivel a lo largo del recorrido del móvil.

30 Características Básicas de la Propagación por Canales Móviles (21) Propagación multitrayecto (2) Caídas hasta de 40dB con respecto al nivel promedio. Distancia entre mínimos es λ/2. (desvanecimiento selectivo en espacio). Patrón de ondas estacionarias (standing wave pattern). Patrón espacial Patrón temporal. Multitrayectoria genera ISI (BER) Soluciones: Ecualización y Receptores tipo Rake.

31 Características Básicas de la Propagación por Canales Móviles (22)

32 Características Básicas de la Propagación por Canales Móviles (23)

33 Características Básicas de la Propagación por Canales Móviles (24) 1. Modelo espacio libre. Muy buena estimación. 2. LOS y reflexión en tierra. Modelo de pérdidas de tierra plana. 3. Modelo de pérdidas de tierra plana + corrección por pérdidas de difracción (arboles). 4. Pérdidas de trayecto - modelo de difracción. 5. Pérdidas de trayecto modelo de difracción multiple.

34 Características Básicas de la Propagación por Canales Móviles (25) Pérdidas de difracción Difracción modelo filo de cuchillo (Knife-Edge) Bullington. Difracción modelo filo de cuchillo múltiple. Epstein Peterson. Degout.

35 Principios de Propagación Modelos de Propagación y métodos de predicción. Importante para efectos de planeación y diseño de sistemas de radiocomunicaciones.

36 Principios de Propagación (2) Importancia del estudio de propagación. Para el diseño de los sistemas de radiocomunicaciones. Garantizar niveles de señal deseados. Garantizar S/N o tasa de errores BER requeridos. Garantizar cobertura (en tiempo y espacio). Garantizar servicio libre de interferencias, distorsiones o errores. Compatibilidad con otros usuarios. Las bandas de frecuencia son necesario compartirlas. Garantizar la no interferencia intersistemas.

37 Principios de Propagación (3) Variabilidad del medio de propagación El canal de radio es cambiante y no siempre predecible. Observaciones (de 1 a 15 años) permiten modelar y estimar sus variaciones a efectos de predecir la propagación de ondas de radio. el clima (presión, vapor de agua, intensidad de lluvias y la presencia o ausencia de nubes), la región (Tropical, ecuatorial, ) y las estaciones (determina el índice de refracción y la atenuación).

38 Principios de Propagación (4) c p p g g r t t r n Requerida nr lonr c P N L G G t( dbm) r o t r n Requerida Receptor típico: CNR= 18 db N r =-120dBm Antenas Dipolo λ/2= 1.5 db Suponiendo f=1ghz d=1km

39 Principios de Propagación (5) P t (db)> -13 dbm = 0.05mW. Vida real??? Las perdidas deben incluir, perdidas por penetración en edificios, por obstáculos, y difracción. L=Lo+ Perdidas en Edificios Ciudad ((20-30)dB) Pérdidas en interiores ((20-30)dB). Factor de 100 a mW -> 5mW -> 50mW Interior (20dB) -> 0.5W -> 5W

40 Evolución de los modelos de predicción de la perdida básica de propagación. Clásicos Curvas del CCIR (60s), áreas rurales y grandes zonas de cobertura sin reutilización de frecuencias. Abacos, nomogramas de Bullington. Los Modelos Empíricos Okumura, Lee, Egli, Longley-Rice, Hata, Cost 231(Walfisch, Ikegami). Los Modelos Determinísticos. Los Modelos Semideterminísticos. Durkin. Entornos Microcelulares (GTD, Teoría Geométrica de la Difracción) Modelos bidimensionales y tridimensionales.

41 Evolución de los modelos de predicción de la perdida básica de propagación. (2) Modelo de propagación de tierra plana. Distancias cortas (d<20km). Influencia del terreno. Refracción en la troposfera. Representación de perfiles. Zonas de sombra y visibilidad Difracción en obstáculos Obstáculo aislado. (agudo, redondeado) Dos obstáculos aislados (EMP, Wilkerson, Epstein Peterson) Múltiples obstáculos.

42 Métodos Empíricos de Predicción de Propagación Introducción. En radiocomunicaciones zonales, de punto a multipunto, existe en general, una gran variabilidad de los trayectos. Análisis de perfiles - radiales. Terrenos irregulares o de tipo urbano - difícil el modelado de obstáculos. Procedimientos empíricos para determinar las perdidas o el nivel de intensidad de campo. Amplias campañas de mediciones y una posterior correlación de las medidas con características generales del medio de propagación.

43 Métodos Empíricos de Predicción de Propagación(2) Introducción(2). Los métodos empíricos proporcionan una estimación rápida de la perdida básica de propagación o de la intensidad de campo. Utilización sencilla y rápida, pero su exactitud no es muy buena. El error cuadrático medio del error entre el valor estimado por uno de estos métodos y el valor medido puede ser del orden de 10 a 14 db.

44 Métodos Empíricos de Predicción de Propagación(3) Modelo ITU-R. (ITU-R 529) Está basado en el Modelo de Bullington, predice la intensidad de campo E en función de la rugosidad de terreno, la frecuencia de operación, la altura de antenas, pero es muy restringido en rango de frecuencias.

45 Métodos Empíricos de Predicción de Propagación(4) Método de Lee Se basa en el modelo de tierra plana y mediciones experimentales (EE UU). Gráficas nivel de potencia (dbm). Entornos suburbanos y urbanos (tres ciudades típicas). Frecuencia (850 MHz).

46 Métodos Empíricos de Predicción de Propagación(5) Método de Lee (2) Parámetros de referencia. Altura de la antena de transmisión h t =100pies (30.5m) Altura de la antena de recepción h r =10pies (3m) Potencia de transmisión P t =10W(40dBm) Ganancia de antena de transmisión G td =4(6dBd) Ganancia de antena de recepción G rd =1(0dBd) Frecuencia f=900 MHz

47 Métodos Empíricos de Predicción de Propagación(6) Método de Lee (3) Factores de corrección (otras condiciones). 2 ht hr pt gtd grd 1 ; 2 ; 3 ; 4 ; 5 ; Factor global de corrección. n h 10m n 2 r h 3m n 1 r

48 Métodos Empíricos de Predicción de Propagación(7) Método de Lee (4) Zona suburbana dbm d Km n f P log log / log r 0 Zona urbana (Filadelfia) dbm d Km n f P log log / log r 0 Zona urbana (Newark) dbm d Km n f P log log / log r 0 Zona urbana (Tokyo) dbm d Km n f P log log / log r 0

49 Métodos Empíricos de Predicción de Propagación(8) Método de Lee (5) El exponente n del termino de frecuencia, varía según el entorno y la frecuencia, así: n=2 para f<450mhz y zona suburbana. n=3 para f>450mhz y zona urbana.

50 Métodos Empíricos de Predicción de Propagación(9) Método de Okumura-Hata Medidas de campo en Tokio (Japón). Okumura obtuvo unas curvas estándar de propagación. Valores de intensidad de campo Medios urbanos. Diferentes alturas efectivas de antena en BS. Banda: 150, 450 y 900 MHz. PRA=1KW. Altura de antena de recepción:1.5m.

51 Métodos Empíricos de Predicción de Propagación(10) Método de Okumura-Hata(2) Correcciones Efectos de ondulación (Δh). Pendiente y heterogeneidad del terreno (trayectos mixtos tierra mar). Presencia de obstáculos significativos. Altura de antena receptora. Potencia radiada aparente. Orientación de calles y densidad de edificios.

52 Métodos Empíricos de Predicción de Propagación(11) Método de Okumura-Hata(3) Hata realizó las expresiones numéricas. Perdida básica de propagación, L b, para medios urbanos, suburbanos y rurales. La formula de Hata, L b en entorno urbano y referencia para los otros entornos de propagación: L log f 13.82log h a h log h log d b t m t

53 Métodos Empíricos de Predicción de Propagación(12) Método de Okumura-Hata(4) Donde: f: frecuencia (MHz), 150MHz<=f<=1500MHz. h t : altura efectiva de la antena transmisora (m), 30m<=h t <=200m. h m : altura sobre el suelo de la antena receptora (m), 1m<=h m <=10m. d: distancia(km), 1Km <=d<=20km. a(h m ): corrección por altura h m Perdida básica de propagación sin tener en cuenta el efecto del entorno alrededor del receptor.

54 Métodos Empíricos de Predicción de Propagación(13) Método de Okumura-Hata(5) a(h m ), corrección que depende de la altura de la antena del móvil. a(h m ) =0 para h m =1.5m Para otras alturas depende del tipo de ciudad. Ciudad media-pequeña a h 1.1 log f 0.7 h 1.56log f 0.8 m El error cometido con esta aproximación, aumenta con la frecuencia y es igual a 1dB aproximadamente para 1500MHz. El error mayor se produce para alturas de 4m a 5m m

55 Métodos Empíricos de Predicción de Propagación(14) Método de Okumura-Hata(6) Ciudad grande a h 8.29 log1.54h 1.1 f 200MHz m m a h 3.2 log11.75h 4.97 f 400MHz m m 2 2 El error es máximo para frecuencias bajas y alturas superiores a 5 m donde puede llegar a valer 1dB.

56 Métodos Empíricos de Predicción de Propagación(16) Método de Okumura-Hata(8) Si receptor en zona suburbana, caracterizada por edificaciones de baja altura y calles relativamente anchas, la atenuación es: 2 Lbs Lb 2 log f / Si el receptor se encuentra en una zona rural, abierta, sin obstrucciones en su entorno inmediato, se tiene: 2 L L 4.78 log f 18.33log f br b

57 Métodos Empíricos de Predicción de Propagación(17) Método de Okumura-Hata(9) La formula de Hata no tiene en cuenta la influencia de la ondulación ni los efectos derivados del grado de urbanización. La formula original de Hata solo es valida para f<=1500mhz. Europa sistemas operando en 1800MHz (DECT, DCS- 1800) COST 231. Extensión sobre la formula Hata.

58 Métodos Empíricos de Predicción de Propagación(18) Método de Okumura-Hata(10)

59 Métodos Empíricos de Predicción de Propagación(19) Método de Okumura-Hata(11)

60 Métodos Empíricos de Predicción de Propagación(20) Método de Okumura-Hata(12) COST 231-Hata L log f 13.82log h a h b t m log h log d c C m =0dB. Ciudad de tipo medio y áreas suburbanas con densidad de árbol moderada. C m =3dB. Grandes centros metropolitanos. 1500MHz<=f<=2000MHz. 30m<=h t <=200m. 1m<=h m <=10m. 1Km <=d <=20Km. t m

61 Métodos Empíricos de Predicción de Propagación(21)

62 Métodos Empíricos de Predicción de Propagación(20) Método de Ikegami. Modelo para el calculo de la potencia media en zona urbana. Modelo basado en teoría de rayos y óptica geométrica. Estructura ideal de la ciudad, alturas uniformes de los edificios, tiene en cuenta orientación de las calles y altura de la estación móvil. Rayos principales y secundarios. (multitrayecto). Altura de la antena transmisora es alta (solo influyen edificios cercanos al receptor).

63 Métodos Empíricos de Predicción de Propagación(21) Método de Ikegami (2). Componentes dominantes las que solo han tenido una difracción y una sola reflexión

64 Métodos Empíricos de Predicción de Propagación(22) Método de Ikegami.(3) Suposiciones: El tejado del edificio que produce difracción tiene línea de vista con la antena transmisora y la antena receptora. Se desprecia la posible reflexión en el suelo.

65 Métodos Empíricos de Predicción de Propagación(23) Metodo Ikegami (4)

66 Métodos Empíricos de Predicción de Propagación(24) Metodo Ikegami (5) Donde: E 1 y E 2. campos debidos a la onda difractada y reflejada, respectivamente. H. Altura del edificio en el que se produce difracción. h r. Altura de la antena receptora. W. Ancho de la calle donde esta situado el receptor. w. Distancia desde el receptor al edificio donde se produce la difracción. Φ. Angulo formado por el rayo incidente y la dirección de la calle. d. Distancia. l r. Parámetro que depende del coeficiente de reflexión en la fachada de los edificios. Valores típicos 2 (VHF) y 3.2 (UHF).

67 Métodos Empíricos de Predicción de Propagación(25) Metodo Ikegami (6) Si e 0 representa la intensidad de campo en condiciones de espacio libre, el valor medio de intensidad de campo es: 2W w w e e 0 2 H hr sen En general, el valor de intensidad media varía muy poco según el ancho de la calle. Entonces: l 2 r e W 1 e l H h sen r r

68 Métodos Empíricos de Predicción de Propagación(25) Metodo Ikegami (6) En forma logarítmica. 3 E E log 1 10log W 20log H h 2 lr 10log f Aplicando: b 10log sen Donde: H, h r. y W están en metros. f en MHz. E en dbu. E0 dbu 77 PRA( dbw ) 20log d Km L ( db) PRA dbm E dbu 20log f MHz 79.4 r

69 Métodos Empíricos de Predicción de Propagación(26) Metodo Ikegami (7) 3 Lb ( db) log f 20log d 10log 1 10logW 2 lr 20log H h 10log sen r El modelo Ikegami, proporciona en general buenos resultados de predicción cuando la altura de la antena de transmisión es grande (Solo influyen los edificios cercanos al móvil).

70 Métodos Empíricos de Predicción de Propagación(27) UNIVERSIDAD DEL CAUCA - VICTOR MANUEL QUINTERO FLOREZ

71 Métodos Empíricos de Predicción de Propagación(28) Método de Walfish-Bertoni Tiene en cuenta la influencia del conjunto de edificios (No Ikegami). Supone áreas con distribución uniforme de edificios altos, con bordes angulares y en filas casi paralelas. Altura de antena transmisora no muy elevada, por encima de edificios próximos. los edificios separados una distancia mucho menor a su altura.

72 Métodos Empíricos de Predicción de Propagación(29) Método de Walfish-Bertoni (2) El móvil no tiene línea de vista con el transmisor. Análisis de la reflexión, dispersión y difracción de la onda. Frecuencias 300 MHz a 3 GHz. Separación entre BS - MS de 200 m a 5 Km. Las pérdidas de propagación incluyen: pérdidas de espacio libre, pérdidas por propagación sobre edificios y pérdidas por difracción final (sobre la última azotea).

73 Métodos Empíricos de Predicción de Propagación(30) Método de Walfish-Bertoni (3)

74 Métodos Empíricos de Predicción de Propagación(31) Método de Walfish-Bertoni (4) Parámetros que caracterizan el entorno urbano: Altura de la antena de transmisión sobre los edificios próximos, H. Altura media de los edificios, h R. Altura de la antena móvil, h m. Separación entre edificios b. Distancia, d. Las perdidas básicas de propagación 2 d Lb db 57.1 A log f 18log d 18log H 18log 1 17 H El último termino tiene en cuenta la curvatura de la tierra.

75 Métodos Empíricos de Predicción de Propagación(32) Método de Walfish-Bertoni (5) La influencia de los edificios esta incluida en el termino A(dB): 2 b hr hm A 5log h h 9log b 20log tan R m 2 b La pérdida total se obtendrá sumando a las pérdidas propuestas por el modelo y las perdidas de espacio libre. 2 d L db Lb L A 21 log f 38log d 18log H 18log 1 17 H

76 Métodos Empíricos de Predicción de Propagación(33) Método COST-231 Combinación modelos Walfish e Ikegami. Aplicable a entornos: Celdas grandes y pequeñas. Antenas BS por encima de los tejados de edificios. Geometría similar al Walfish-Bertoni. Incluye ancho de la calle (W) y el ángulo de la calle con la dirección de propagación (Φ) (Modelo Ikegami). Microceldas. Antenas BS por debajo de los tejados de edificios. Guía de onda.

77 Métodos Empíricos de Predicción de Propagación(34) Método COST-231(2)

78 Métodos Empíricos de Predicción de Propagación(34) Método COST-231(3)

79 Métodos Empíricos de Predicción de Propagación(35) Método COST-231(4)

80 Métodos Empíricos de Predicción de Propagación(33) Método COST-231 (2) Donde: L L L L b 0 rts msd L 0 =perdida de espacio libre. L rts =Perdidas por difracción y dispersión del tejado a la calle L rts. L logW 10log f 20log h L rts R ori hr hr hm Lori= perdidas debidas a la orientación de la calle.

81 Métodos Empíricos de Predicción de Propagación(34) Método COST-231 (3) L ori ;0 35 2, ; ;55 90 Si L rts <0 L rts =0 Si L msd <0 L msd =0 Si Δh B <0 L bsh =0 0 0 L L K K log d k log f 9log b msd bsh a d f L 18log 1 h ; h h h bsh B B B R

82 Métodos Empíricos de Predicción de Propagación(35) Método COST-231 (4) K a y K d pueden ser obtenidas a partir de: k d 18; hb 0 hb ; hb 0 hr 54; hb 0 ka hb ; hb 0 y d hbd; hb 0 y d 0.5 Ka representa el incremento de pérdidas de propagación en el caso de que las antenas de la estación base estén por debajo de los tejados de los edificios adyacentes

83 Métodos Empíricos de Predicción de Propagación(36) Método COST-231 (5) K f Ciudades de tamaño medio y centros suburbanos con densidad moderada de vegetación. f Grandes centros metropolitanos. k f f k f K d y K f ajustan la dependencia de la difracción en función de la distancia y la frecuencia.

84 Métodos Empíricos de Predicción de Propagación(37) Método COST-231 (6) Si los datos de edificios y calles son desconocidos. Altura de los edificios h R =3*número de pisos. Separación entre edificios b=20-50m. Anchura de la calle W=b/2. Orientación de la calle con respecto al rayo directo de propagación Φ=90. El modelo ha sido validado para frecuencias en 900MHz y 1800 MHz y distancias desde 10m a 3Km. La exactitud en la predicción es aceptable cuando h B >h R.

85 Métodos Empíricos de Predicción de Propagación(37) Método COST-231 (6) Si h B <<h R. El error de predicción es mayor. Modos de propagación (efecto guía de onda en las calles, difracción en esquinas). B, W y Φ no presentan un significado físico en microceldas, por lo tanto el error puede ser bastante considerable. Cuando desde la antena de la estación base hay visibilidad a lo largo de una calle (guía de onda). L log d Km 20log f MHz ; d 20m b

86 Métodos Empíricos de Predicción de Propagación(38) Método de Sakagami-Kuboi (SK) Desarrollado en Japón. Aplicación para entornos urbanos. Requiere información muy detallada del entorno móvil. Frecuencias entre 900MHz y 1800MHz.

87 Métodos Empíricos de Predicción de Propagación(39) Método de Sakagami-Kuboi (2) L logW log h 6.1log H b H log hb log hb log d 20 log f h b0 Donde: W: ancho de la calle donde encuentra el móvil (5 a 50m). Φ: ángulo entre la dirección móvil-base y el eje de la calle (0-90 ) h s : altura de los edificios próximos al móvil (5-80m). <H>: altura media de los edificios alrededor del punto de recepción (5-50m). h b : altura de la antena de estación base respecto del punto de recepción (20-100m). H b0 : altura de la antena de estación base sobre el suelo (m). H: altura media de los edificios alrededor de la estación base (H<= H b0 ). D: distancia estación base-móvil (0,5-10Km) f : frecuencia ( MHz) s

88 Métodos Empíricos de Predicción de Propagación(40) Modelo Longley-Rice (ITM) Modela obstáculos lejanos como filo de cuchillo y los cercanos como cilindros. Tiene en cuenta: Rugosidad del terreno h. Frecuencia de operación de 20 MHz a 40 GHz. altura de antenas de 0.5 a 3000 m, Distancia de separación entre ellas de 1 a 2000 Km. Es muy útil para sistemas de radiocomunicaciones móviles y de difusión. Lo único que lo hace poco accesible por cualquier usuario es que requiere de fuentes confiables de información de mapas digitalizados con aceptable resolución.

89 Métodos Semi-Empíricos de Predicción de Propagación Modelo Durkin Considera tres condiciones de trayecto posibles: con Línea de vista, con Línea de vista parcial (zona Fresnel obstruida), y sin línea de vista. Necesita datos geográficos del terreno. Si las obstrucciones son varias las reduce a una por el método de Bullington.

90 Métodos de Predicción de Propagación UNIVERSIDAD DEL CAUCA - VICTOR MANUEL QUINTERO FLOREZ

91 Métodos de Predicción de Propagación (2) UNIVERSIDAD DEL CAUCA - VICTOR MANUEL QUINTERO FLOREZ

92 Métodos de Predicción de Propagación (3) UNIVERSIDAD DEL CAUCA - VICTOR MANUEL QUINTERO FLOREZ

93 Métodos de Predicción de Propagación (4)

94 Métodos de Predicción de Propagación (4) UNIVERSIDAD DEL CAUCA - VICTOR MANUEL QUINTERO FLOREZ

95 Métodos de Predicción de Propagación (5) UNIVERSIDAD DEL CAUCA - VICTOR MANUEL QUINTERO FLOREZ

96 Métodos de Predicción de Propagación (6) UNIVERSIDAD DEL CAUCA - VICTOR MANUEL QUINTERO FLOREZ

97 Métodos de Predicción de Propagación (7) Predicción en macroceldas a 450MHz. UNIVERSIDAD DEL CAUCA - VICTOR MANUEL QUINTERO FLOREZ

98 Métodos de Predicción de Propagación (7) Predicción en Munich UNIVERSIDAD DEL CAUCA - VICTOR MANUEL QUINTERO FLOREZ

99 Métodos de Predicción de Propagación (8) Modelos Microcelulares Cobertura reducida Requieren condición de línea de vista entre Tx y Rx. Los fenómenos importantes a tener en cuenta son: La reflexión en el suelo, sobre los edificios u otros obstáculos. Sobre los obstáculos cercanos al móvil es muy probable la difracción Dependiendo de la frecuencia puede presentarse dispersión. En este entorno se utilizan modelos tridimensionales Los modelos tridimensionales: Técnica de trazado de rayos (Ray Tracing) Su precisión se basa en el número de componentes o rayos que se consideren. Asumen que la altura de la antena transmisora está por encima de los edificios.

100 Métodos de Predicción de Propagación (9) UNIVERSIDAD DEL CAUCA - VICTOR MANUEL QUINTERO FLOREZ

101 Métodos de Predicción de Propagación (10) Modelos Picocelulares. Su cobertura es más restringida. Por condiciones de propagación y frecuencia de operación normalmente requieren condición de línea de vista. Se dividen en dos tipos: con línea de vista y obstruido. Se consideran para propagación en interiores de edificios, oficinas, industria o centros comerciales. Su modelado hace consideraciones de absorción en función del tipo de material de construcciones. UNIVERSIDAD DEL CAUCA - VICTOR MANUEL QUINTERO FLOREZ

102 Métodos de Predicción de Propagación (12) Modelos Picocelulares(2) La técnica más conocida, Ray Tracing, que analiza individualmente cada rayo lanzado desde el Tx. Pérdidas por división en el mismo piso (Hard partitions y Soft partitions). Para todo tipo de material presente se tiene tabuladas las pérdidas que produce sobre la señal. Pérdidas entre pisos, según el tipo de material separador entre pisos y sus dimensiones (tablas de atenuación disponibles (13 a 34 db típicos)). Con respecto a otros edificios se tiene en cuenta la posición de las ventanas, sus dimensiones y el número de ellas. Pérdidas ocasionadas por el movimiento de objetos o de las personas. UNIVERSIDAD DEL CAUCA - VICTOR MANUEL QUINTERO FLOREZ

103 Métodos de Predicción de Propagación (13) Modelos Picocelulares(3) Modelos empíricos. Modelos deterministico. El modelo probabilístico/estadístico. UNIVERSIDAD DEL CAUCA - VICTOR MANUEL QUINTERO FLOREZ

104 Métodos de Predicción de Propagación (14) Modelos Picocelulares(4) UNIVERSIDAD DEL CAUCA - VICTOR MANUEL QUINTERO FLOREZ

105 Métodos de Predicción de Propagación (15) Modelos Picocelulares(5) UNIVERSIDAD DEL CAUCA - VICTOR MANUEL QUINTERO FLOREZ

106 Canales Multitrayecto Sistemas móviles analógicos. Sistemas de banda estrecha. Caracterización básica. Sistemas móviles digitales. Sistemas de banda ancha. Efectos adicionales por propagación multitrayecto y desplazamiento del móvil.

107 Canales Multitrayecto (2) El tipo de desvanecimiento experimentado por una señal propagandose a través de un canal radio móvil depende de las caracteristicas de la señal transmitida y el canal. Parámetros de la señal: ancho de banda, periodo de simbolo, etc. Parámetros del canal: Dispersión del retardo (delay spread) y dispersión Doppler (Doppler spread).

108 Canales Multitrayecto (3) Mecanismos de dispersión: Dispersión en tiempo (dispersión de retardo) genera desvanecimiento selectivo en frecuencia. Dispersión en frecuencia (dispersión Doppler) genera desvanecimiento selectivo en el tiempo. Los dos mecanismos son independientes uno del otro.

109 Canales Multitrayecto (4)

110 Canales Multitrayecto (5)

111 Canales Multitrayecto (6)

112 Canales Multitrayecto (7)

113 Canales Multitrayecto (8)

114 Canales Multitrayecto (9) Dispersión en tiempo: Cuando al receptor llega una componente directa (si hay visibilidad directa) y múltiples ecos con amplitudes, fases y tiempos de llegada aleatorios. Exceso de retardo (delay excess): t i -t o. Donde, t i y t o son los tiempos de propagación del eco i-esimo y del eco que llega en primer lugar. Es el retardo de cualquier etapa (tap) relativo a la primera etapa.

115 Canales Multitrayecto (10) Dispersión del retardo (delay spread): conjunto de valores {t i -t o }. Característica cuantitativa de los canales multitrayecto. La dispersión del retardo depende del entorno de propagación. Una diferencia de 1uS corresponde a una diferencia de recorrido de 300m. Ambientes urbanos ( )uS.

116 Canales Multitrayecto (11) P 0 T N Pi i 1 1 N Pi i T i 1 P 1 N 2 2 rms Pi i o PT i 1

117 Canales Multitrayecto (12)

118 Canales Multitrayecto (13)

119 Canales Multitrayecto (14)

120 Canales Multitrayecto (15)

121 Canales Multitrayecto (16)

122 Canales Multitrayecto (17)

123 Canales Multitrayecto (18) Dispersión del retardo produce distorsión sobre la señal recibida: Dominio del tiempo. ISI (interferencia entre símbolos). Dominio de la frecuencia. En sistemas de banda ancha Desvanecimiento selectivo en frecuencia (FSF, Frequency Selective Fading).

124 Canales Multitrayecto (19)

125 Canales Multitrayecto (20) La caracterización del FSF de un canal: B c : Ancho de banda de coherencia del canal. Grado de correlación entre dos componentes espectrales de la señal separadas B c. Ancho de banda sobre el cual el canal puede ser considerado plano ("flat ).

126 Canales Multitrayecto (21) B T : Ancho de banda de la señal transmitida. Si B T <<B C las componentes espectrales de la señal se encuentran correlacionadas y presentan el mismo desvanecimiento. Desvanecimiento plano. Si B T >B C habrá componentes que se desvanecen cuando otras no lo hacen. Desvanecimiento no correlacionado. Desvanecimiento selectivo en frecuencia.

127 Canales Multitrayecto (22)

128 Canales Multitrayecto (23) Características de un canal con desvanecimiento plano (banda estrecha)

129 Canales Multitrayecto (24) Características de un canal con desvanecimiento selectivo en frecuencia.

130 Canales Multitrayecto (25) La propagación multitrayecto genera un patrón de ondas estacionarias a través del cual se desplaza un móvil. La amplitud del voltaje inducido en recepción varia en función del tiempo (velocidad del móvil). Patrón espacial se transforma en un patrón temporal.

131 Canales Multitrayecto (26) f f 0 v c

132 Canales Multitrayecto (27) Cada componente en frecuencia de la señal experimenta un corrimiento Doppler (f di ). Dispersión Doppler (Doppler Spread): Conjunto de corrimientos en frecuencia. Parámetro cuantificador de la movilidad. Consecuencia: TSF. Distorsión: elementos sucesivos de la señal transmitidos en tiempos diferentes (TDMA) ven distintos canales.

133 Canales Multitrayecto (28) Tiempo de coherencia del canal (T c ). Parámetro que caracteriza el TSF. Dos elementos de señal separados entre si un tiempo inferior a T c están correlacionados y ven el mismo canal. Si su separación temporal es mayor a T c no estarán correlacionados y les afectará el TSF.

134 Canales Multitrayecto (29) En resumen, la caracterización en banda ancha de canales multitrayecto se realiza por cuatro parámetros básicos: Dispersión en tiempo Dispersión de retardo. Ancho de banda de coherencia. Dispersión en frecuencia Dispersión Doppler. Tiempo de coherencia.

135 Canales Multitrayecto (30) En sistemas móviles analógicos banda estrecha, el desvanecimiento multitrayecto es plano (no selectivo) y pueden producirse pequeños cortes de la señal cuando el móvil circula despacio. La distorsión no es muy importante. Para sistemas móviles digitales, con ancho de banda de algunos cientos de KHz, la distorsión y el ISI producen una elevada tasa de errores (BER) la cual no puede reducirse incrementando potencia (I-BER, BER irreducible).

136 Canales Multitrayecto (31) La compensación de los efectos multitrayectoria: Diversidad en recepción. Saltos en frecuencia. Ecualizadores digitales en el receptor. Compensa la interferencia en tiempo real. Debe ser adaptativo (es necesario conocer las características del canal que debe compensar). Uso de códigos detectores/correctores de errores con entrelazado.

137 Canales Multitrayecto (32) En medios urbanos los retardos suelen ser de 2μs a 5μs. (diferencias de recorridos de 600m a 1500m). En GSM el retardo máximo ecualizable es de 16μs y el corrimiento Doppler de unos 210 Hz. En sistemas CDMA, de gran ancho de banda se saca ventaja del poder de resolución del receptor para identificar y separar los ecos, colocarlos en fase y sumarlos de forma coherente. Dispersión temporal pasa de ser perjudicial a beneficiosa. Estructuras especiales de recepción (receptores Rake).

138 Canales Multitrayecto (33)

139 Canales Multitrayecto (34)

140 Canales Multitrayecto (35)

141 Modelos de Canales Multitrayecto Los canales multitrayecto móviles son lineales pero variables en el tiempo. Para evaluar y analizar el comportamiento y la calidad de las distintas técnicas de acceso y modulación digital en condiciones de propagación multitrayecto. Por su naturaleza Modelos matemáticos: representación de ondas por rayos y su interacción con las estructuras dispersoras. Simulación lógica (software). Modelos físicos: Los fenómenos multitrayecto se materializan mediante circuitos eléctricos. Simulación física (hardware).

142 Caracterización de Canales Multitrayecto (1) Valores de D y B c para distintos entornos de propagación. Tipo de Entorno Dispersión de Retardo D(μS) Ancho de banda de coherencia B c (KHz) Rural Suburbano Urbano 3 53 Canal con perfil potencia-retardo exponencial Bc 1 2 D

143 Caracterización de Canales Multitrayecto (2) Valores de T c a 900MHz para distintas velocidades. Velocidad (Km/h) Corrimiento Doppler (Hz) Tiempo de coherencia T c (ms) T c 9 16 f d

144 Caracterización de Canales Multitrayecto (3) 1. Zona rayada. No es posible la transmisión. 2. Canal plano en frecuencia y tiempo. (No sufre ningún desvanecimiento selectivo). 3. Canal plano en frecuencia (desvanecimiento selectivo en tiempo). 4. Canal plano en el tiempo (desvanecimiento selectivo en frecuencia). 5. Canal no plano (sufre ambos tipos de desvanecimiento).

145 Caracterización de Canales Multitrayecto (4) Ejemplo Sea un canal con dispersión de retardo D=2μs por el cual se efectúa una transmisión en f=900mhz a un móvil que se desplaza a v=36km/h. El corrimiento Doppler es f d =30Hz. 1 1 Bc 80KHz 6 2 D 2 *2*10 T c 9 9 6ms 16 f 16 *30 d

146 Caracterización de Canales Multitrayecto (5) Ejemplo(2) Para una transmisión digital con una velocidad R=19.5Kbps (periodo de bit T b =0.05ms) y ancho de banda B=25 KHz. Zona 2. canal plano

147 Caracterización de Canales Multitrayecto (6) Ejemplo(3) Para una transmisión del sistema GSM de telefonía móvil, con BW=200KHz, y T b =3.7μs. Zona 4. Canal selectivo en frecuencia.

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