Cálculo de Cobertura de un Sistema de Telefonía Celular a lo largo de una Carretera usando Software de Simulación WRAP

Cálculo de Cobertura de un Sistema de Telefonía Celular a lo largo de una Carretera usando Software de Simulación WRAP Mauricio Postigo1 1Unidad

Ronald Coaguila1

Wildor Ferrel 1

José Chilo 2

de Postgrado de la Facultad de Ingeniería de Producción y Servicios de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa, Perú 2University

of Gävle, Sweden

[email protected], [email protected], [email protected], [email protected], [email protected], [email protected], [email protected]

Resumen En este artículo se describe el cálculo de cobertura de un sistema de telefonía celular en puntos de una carretera utilizando un programa de software de simulación. Se calcula la pérdida de propagación por trayectoria en puntos de la carretera; luego, se determina la potencia recibida en estos puntos en dos casos: cuando todas las estaciones del sistema de telefonía celular funcionan y cuando algunas estaciones están fuera de funcionamiento. En ambos casos se halla la función de distribución acumulada acumulada complementaria de la potencia recibida en puntos de la vía para el análisis de cobertura.

Abstract This article describes the calculation of coverage of a cellular telephone system at points of a road using a software simulation program. Path loss propagation is calculated at points on the road; then, the received power is found at these points in two cases: when all the stations of cellular telephone system are working and in the case when some stations are not functioning. In both cases the complementary cumulative distribution function is calculated for the received power at points of the road for the coverage analysis.

1. Introducción En la actualidad, la telefonía celular y el Internet constituyen servicios de gran demanda en todos los países. Estos servicios son necesarios no solamente en las áreas urbanas sino también a lo largo de las vías de comunicación terrestre inter-urbanas como las carreteras y los ferrocarriles. De esta forma, en los vehículos de transporte inter-urbano, los pasajeros pueden hacer uso de sus teléfonos celulares y los servicios de internet durante todo el tiempo que dure su viaje. En el análisis y diseño de los sistemas de telefonía celular que dan cobertura a una carretera o a un ferrocarril es importante conocer el valor de ciertas magnitudes, como la pérdida de propagación por trayectoria (path loss propagation), la potencia recibida, la intensidad de campo, la densidad de flujo de potencia, etc., en determinados puntos sobre la vía. Existen programas de software de simulación de sistemas de comunicación inalámbrica que permiten predecir las magnitudes indicadas en áreas donde opera el sistema. Como ejemplo, podemos mencionar el programa WRAP que es un software orientado a la planificación de redes de radio frecuencia y a la administración del espectro espectro [WRAP, 2010]. Este programa proporciona el soporte de computación para el cálculo de cobertura, interferencia, capacidad de tráfico, etc.

Trusted by over 1 million members

Try Scribd FREE for 30 days to access over 125 million titles without ads or interruptions! Start Free Trial Cancel Anytime.





En el presente trabajo utilizamos WRAP para calcular la pérdida de propagación por trayectoria y la potencia recibida en puntos de una vía terrestre para un sistema de comunicación de telefonía celular. En la sección 2 se mencionan los trabajos previos. En la sección 3 se plantea el problema. En sección 4 describimos brevemente la creación del proyecto en WRAP. En la sección 5 calculamos la pérdida de propagación por trayectoria. En sección 6 se realiza el cálculo de la potencia recibida. Luego, en la sección 7 se determina la función de distribución acumulada (CDF) y la función de distribución acumulada complementaria (CCDF). En la sección 8 se discuten los experimentos realizados. Finalmente en la sección 9 se dan las conclusiones y recomendaciones.

2. Trabajos Previos En el diseño y planificación de un sistema de comunicaciones inalámbrica para una carretera es importante la etapa de elección de las posibles ubicaciones de las estaciones. En esta etapa se realizan predicciones de cobertura iniciales con ayuda de herramientas de software de simulación. Las posibles ubicaciones se comparan en base a varios criterios, uno de los cuales es el nivel de cobertura [Gallegos, 2006].

3. Planteamiento del Problema El problema consiste en calcular, en puntos de una carretera o una línea férrea, la pérdida de propagación por trayectoria para un sistema de comunicación de telefonía celular. Se conoce la cantidad de estaciones de telefonía celular, los datos de las estaciones, sus ubicaciones. Se debe elegir adecuadamente el modelo de propagación. Calcularemos la potencia recibida en los puntos de la carretera o vía férrea cuando funcionan todas las estaciones; luego, considerando que algunas estaciones están fuera de funcionamiento, hallaremos nuevamente la potencia recibida. Seguidamente, compararemos las funciones de distribución acumuladas complementarias (CCDFs) de los dos casos. Usando Google Map podemos determinar las coordenadas geográficas de los puntos de la vía de comunicación terrestre donde se desea hacer los cálculos. Como ejemplo, tomaremos 1300 puntos de una vía de comunicación co municación terrestre que pasa por la ciudad sueca de Linköping. Las coordenadas geográficas X, Y de los puntos están contenidas en un archivo de texto. En la tabla 1 se dan las ubicaciones de las estaciones y en la tabla 2 se dan los datos de 6 estaciones. En estas tablas a las estaciones se les denomina torres. Torre

X

Y

Torre 3

6490830

1509936

Torre 4

6484011

1506482

Torre 5

6479239

1498935

Torre 6

6477407

1489240

Torre 7

6476170

1482520





Estación

Frecuencia Tx min (MHz)

Frecuencia Tx max(MHz)

Altura (m)

Tipo

Azimuth

ERP (W)

ERP (dBW)

Torre 3

923.2

924.2

36

Omnidirecc ional

0

130.4788152

21.15540004

Torre 4

922.0

922.8

36

Omnidirecc ional

0

130.4788152

21.15540004

Torre 5

921.6

924.8

36

Omnidirecc ional

0

130.4788152

21.15540004

Torre 6

922.4

924.0

36

Omnidirecc ional

0

130.4788152

21.15540004

Torre 7

921.2

922.8

36

Omnidirecc ional

0

130.4788152

21.15540004

Torre 8

923.2

923.6

36

Direcciona l. 65° 240°

367.7392655

25.65540004

Polarizacion vertical

Cuadro 2: Tabla con los datos de d e la estaciones Según la tabla 2, cada una de las estaciones de la 3 a la 7, tiene antena transmisora y receptora omni-direccional; mientras que en la estación 8 la antena es direccional; con 240° de azimuth y con ángulo de cobertura de 65°. El valor ERP de la estación 8 es mayor que el de las otras estaciones. Considerando que en los sistemas GSM existe 45 MHz de diferencia entre la frecuencia de transmisión y la de recepción y que cada canal tiene 200 kHz de ancho de banda [Walke, 2002], a partir de los datos de la tabla 2 se ha determinado la frecuencia de recepción y el número de canales de cada estación para completar los datos de las estaciones, lo que se muestra en la tabla 3. Estación

Frecuencia de Recepción MHz

Nro. de Canales

Torre 3

879.2

5

Torre 4

877.8

4

Torre 5

879.8

16

Torre 6

879.0

8

Torre 7

877.8

8

Torre 8

878.6

2

Cuadro 3: Tabla con la frecuencia de recepción y el número de canales de la estaciones

4. Creación del Proyecto en WRAP Para desarrollar el trabajo planteado, luego de abrir el programa WRAP, cargamos el proyecto “Empty”. Existen 2 ventanas: la ventana de proyecto y la ventana de mapa. Para la estación 8 es necesario definir la antena direccional. Con este propósito, en la ventana de proyecto, con la opción “Equipment”-“New Antenna…” creamos la antena que ha sido llamada “Antena V-pol 65 gr” cuyo diagrama se muestra en la Fig. 1. Luego, en la ventana de proyecto, con la opción “Station”-“New” definimos cada una de las seis estaciones con los datos de las tablas 1, 2 y 3. A la estación 8 se le asignó la antena creada





Figura 1: Diagrama horizontal y vertical de la Antena de la Estación 8

Figura 2: Principales datos definidos para las 6 estaciones Seguidamente, utilizando la opción “Station”-“Show in Map Viewer” mostramos las seis estaciones en la ventana de mapa. Empleando la opción “Calculation/Search Area”-“Import Area…” de la ventana de mapa, cargamos los puntos de la línea desde el archivo. En este archivo, los puntos están numerados de 1 a 1300. La Fig. 3 muestra el mapa con las estaciones y la línea. Se puede observar que las estaciones están ubicadas cerca de la línea.

La estación 6 está situada en la ciudad sueca de Linköping. El punto de la línea con número 1 está por el lado de la torre 8; mientras que el punto 1300, por el lado de la torre 3. El área donde opera el sistema presenta zonas pobladas y zonas abiertas. Los valores aproximados de las distancias entre las estaciones, medidas en Google Earth, se dan en la Tabla 4.

Estaciones

8a7 7a6 6a5 5a4 4a3

Distancia, Km

5.16 6.83 9.84 8.91 7.64

Cuadro 4: Tabla de las distancias entre las estaciones





Figura 3: Ventana de mapa de WRAP con las 6 estaciones y la línea

5. Cálculo de la Pérdida de Propagación por Trayectoria La pérdida de propagación por trayectoria es la pérdida de potencia de una señal de radiofrecuencia que viaja a través del espacio, su valor depende de la distancia entre la antena de transmisión y la de recepción, la claridad de la línea de vista entre ellas y la altura de la antena. La pérdida de propagación por trayectoria se puede definir también como la dispersión de la señal transmitida, se calcula como la relación entre la potencia total y la potencia recibida [Ahlin, 2010], y se expresa en dB. L = Pt / Pr Aquí, Pt es la potencia total emitida desde la antena transmisora y Pr es la potencia recibida. En la ventana de proyecto de WRAP, seleccionando una a una las estaciones, usamos la opción “Tools”-“Coverage”-“Calculation”-“Transmission Loss” para determinar la pérdida de propagación por trayectoria. En este punto es importante elegir el modelo de propagación. Este software dispone de hasta 25 Modelos de Propagación, otros softwares solo trabajan con con uno o dos, este es un criterio muy relevante al elegir el software para la simulación. Entre los modelos adecuados para esta aplicación podemos mencionar a : ITU-R P.370-7: Su rango de trabajo va de 30 a 1000Mhz, la información del terreno es tomada de la ITU Digitized World Map, la rugosidad rugosidad del terreno puede ser ingresada por





mixto de tierra y agua, configuramos configuramos agua fría por ser un país nórdico nórdico por tanto este este modelo nos puede dar información relevante. -

Okumura-Hata/COST-231-Hata : Su rango es de 150 a 2000 Mhz, este método no tiene dependencia del terreno, podemos escoger solamente el medio ambiente como Urbano/suburbano/rural, en la figura 3 las áreas coloreadas con rojo son urbanas que son pocas, como podemos observar debemos escoger Rural QuasiOpen, este modelo da las pérdidas en todas direcciones y se limita a un rango de 1 a 20 Km, la aplicación es de 36 Km aprox, pero la distancia entre torres es menor a 20Km.

-

COST-231 – Walfish-Ikegami, lo descartamos porque es un modelo aplicado a ciudad interna, y éste no es el caso.

-

ITU-R P.1546-3: Rango de 30 a 3000 MHz, este modelo considera la información del terreno tomada desde altura y clasificación del terreno, como agua o tierra, aquí configuramos mixtura agua/tierra y agua fria. Da la pérdida dependiendo del terreno.

Se decidió usar un modelo terreno-dependiente, porque el área de operación presenta zonas pobladas, zonas abiertas, zonas con vegetación, ademas Las condiciones ambientales y de terreno son muy importantes para la precisión del cálculo, configuramos las condiciones ambientales como: Atmospheric attenuation: Terrestrial paths Temperature: 15.0 C Water vapour density: 7.5 g/m3 No cross polarisation in propagation media No fixed standard deviation El modelo elegido fue ITU-R P.1546. Para este modelo el rango de frecuencias es de 30 a 3000 MHz que cumplen las frecuencias de las estaciones del proyecto; y la altura de las antenas para el modelo deben estar en el rango de 0 a 3000 m que también cumplen las estaciones. Si es necesario podemos usar mas de un modelo, por ejemplo si vamos a evaluar dentro de la ciudad, es esa parte es adecuado usar el modelo COST-231 Los resultados de cada estación se convirtieron a formato PDF de adobe acrobat, luego a archivo de texto, el cual fue ligeramente modificado para poder ser leído desde el MATLAB. Como se indicó anteriormente, las estaciones 3 y 8 son las que se encuentran más cerca de los extremos de la línea. Es lógico que en los extremos de la línea se excluyan los puntos que tienen una pérdida de propagación por trayectoria superior a un nivel elegido. Para la telefonía celular se recomienda que la pérdida de propagación por trayectoria en áreas abiertas, para radio de célula igual a 2,58 km, no sea mayor a 112 dB (Ver Figura 3). Analizando los resultados de la estación 8, encontramos un valor menor al nivel indicado en el punto 219: 219 15.4252° E 58.3797° N 108.0 Haciendo lo mismo con la estación 3, para radio de célula igual a 3,82 km, se recomienda que la pérdida de propagación no sea mayor a 118 dB. El primer punto en el cual tenemos un valor menor al indicado es el punto 982:







] B d [ n ó i c a g a p o r P e d a d i d r é P

Radio de célula [Km] Figura 3: (Tomado de [Mawjoud, 2008]) Gráfico de la pérdida de propagación por trayectoria como función del radio de célula para área urbana, sub-urbana y abierta para f=900MHz, h(t)=30m. Por lo tanto, en adelante limitaremos nuestro estudio al intervalo de puntos de 219 a 982. La pérdida de propagación por trayectoria en el intervalo de puntos de la línea se han graficado para cada estación con MATLAB, como se muestra en la Figura 5. En este gráfico se puede notar que la menor pérdida de propagación por trayectoria de cada curva se encuentra en el punto más cercano a cada estación.

6. Cálculo de la Potencia Recibida Calculamos la potencia recibida en dos casos: cuando están en funcionamiento las seis estaciones y cuando sólo cuatro estaciones funcionan.





Pérdida de Propagación por Trayectoria 200 3 4 5 6

180

7 8 160

140 B d

120

100

80

60 200

300

400

500

600 Nro. de Punto

700

800

900

1000

Figura 5: Pérdida de propagación por trayectoria para cada estación Para el primer caso, seleccionando las seis estaciones simultáneamente, usamos la opción “Tools” - “Coverage” - “Calculation” - “Received Power” para determinar la potencia recibida en cada punto de la línea. Seguidamente, determinamos la potencia recibida en la línea cuando funcionan sólo cuatro estaciones. Las estaciones 4 y 5 no están en funcionamiento. Para ello, seleccionamos las estaciones 8, 7, 6 y 3; y con la opción “Tools” - “Coverage” - “Calculation” - “Received Power” determinamos la potencia recibida. Los resultados para los dos casos se muestran en la Figura 6 en cuyo gráfico los seis máximos locales más notorios corresponden a los puntos de la línea más cercanos a cada estación. Potencia Recibida 0 6 Estaciones 4 Estaciones -10

-20

-30





7. Cálculo de la CDF y la CCDF La función de distribución acumulada (CDF) se calculó mediante un programa en MATLAB de acuerdo con la definición de CDF. Primero determinamos el valor máximo y el valor mínimo en la curva de la potencia recibida (Figura 6). Estos valores que fueron redondeados hacia arriba, nos dan el rango en el cual puede estar la variable aleatoria. Seguidamente, para cada valor entero dentro de este rango se ha determinado el porcentaje de puntos que tienen un valor menor al valor entero dado. La Figura 7 muestra el gráfico de la CDF para los dos casos: cuando funcionan las 6 estaciones y cuando funcionan sólo 4 estaciones. El gráfico de la CDF permite responder, por ejemplo, a la pregunta: Cuando funcionan las seis estaciones, al tomar cualquier punto de la línea, ¿Cuál es la probabilidad de que la potencia recibida sea menor que -50 dBm?. Observando el gráfico de la Figura 7, la respuesta es 38%. Esto significa que, con una probabilidad de 62% la potencia recibida en la línea es mayor o igual -50 dBm. Funcion de Distribución Ac umulada 100 6 Estaciones 4 Estaciones 90

80

70

60

% 50

40

30

20

10

0 -80

-70

-60

-50

-40 dBm

-30

-20

-10

0

Figura 7: Función de Distribución Acumulada. En azul, cuando funcionan las 6 estaciones. En verde, cuando funcionan sólo 4 estaciones.





efectuar un recorte de la vía para el cálculo de la función de distribución acumulada. El recorte se ha realizado en base en un nivel máximo de pérdida de propagación. Funcion de Distribución Acumulada Complementaria 100 6 Estaciones 4 Estaciones 90

80

70

60

% 50

40

30

20

10

0 -80

-70

-60

-50

-40 dBm

-30

-20

-10

0

Figura 8: Función de Distribución Acumulada Complementaria. En azul, cuando funcionan las 6 estaciones. En verde, cuando funcionan sólo 4 estaciones. En el gráfico de la pérdida de propagación por trayectoria de cada estación (Figura 5) se puede observar que los puntos más cercanos a la estación dada tienen menor pérdida. En el gráfico de la potencia recibida cuando funcionan las seis estaciones (Figura 6, gráfico azul) se pueden distinguir los seis picos en los puntos cercanos a las estaciones. El nivel de la potencia, cerca de la estación 6 no es muy pronunciado debido a que esta estación se encuentra en una zona urbana. Cuando funcionan 4 estaciones (Figura 6, gráfico verde), se nota claramente la ausencia de los picos correspondientes a las estaciones 5 y 4 que no están en funcionamiento. Los gráficos de las CCDFs de la Figura 8 muestran cuantitativamente que el funcionamiento de las seis estaciones proporciona una mejor cobertura de la línea en comparación con el caso cuando no funcionan dos estaciones. Observando la Figura 8, se ve con claridad que, para el intervalo de potencias de -80 dBm a -10 dBm el porcentaje es mayor cuando funcionan las 6 estaciones.





aplicables al problema planteado y comparar los resultados. También se sugiere estudiar la cobertura en la línea cuando se usan sólo antenas direccionales.

Referencias [Gallegos, 2006] E. D. Gallegos Rodríguez, W. J. Galindo Hidalgo. Diseño y Planificación de Cobertura Celular CDMA 2000 1X mediante un Sistema Repetidor(es)-BTS(s) para la Carretera Aloag-Santo Domingo. Quito, 2006. [WRAP, 2010] WRAP International, WRAP Win User’s Manual. Introduction and Tutorial, Linköping, Sweden, 2010. [Ahlin, 2010] L. Ahlin, J. Zander, B. Slimane, Principles of Wireless Communications, Ed. Denmark: Narayana Press, 2010. [Mawjoud, 2008] S. A. Mawjoud, Evaluation of Power Budget and Cell Coverage Range in Cellular GSM System. Al-Rafidain Al-Rafidain Engineering Vol.16 No.1. 2008. [Agilent, 2000] Agilent Technologies, Characterizing Digitally Modulated Signals with CCDF Curves, Application Note. 2000. [Walke, 2002] Walke Bernhard H., Mobile Radio Networks. Networking, Protocols and Traffic Performance, Performance, John Wiley & Sons, LTD, England, 2002

Cálculo de Cobertura de un Sistema de Telefonía Celular a lo largo de una Carretera usando Software de Simulación WRAP

Recommend Documents