Práctica 1 – Planificación de Radio I Índice 1. 2. 3. 4. 5. 6.
Introducción Cálculo de cobertura en entorno rural Mejora de la cobertura Cobertura en entorno urbano Cobertura en sentido ascendente Efecto del diagrama de radiación
1. Introducción El objeto de esta práctica es aprender el manejo de una herramienta de planificación radio, y aplicar conceptos básicos sobre cobertura y planificación en un sistema de comunicaciones comunicaciones móviles. Se utilizará para ello el programa Xirio-OnLine. A lo largo de la práctica se plantean preguntas relacionadas relacionadas con el trabajo realizado. Estas preguntas se indican mediante el epígrafe PREGUNTA. Deberá entregarse una pequeña memoria que contenga las respuestas a dichas preguntas, así como cualquier otro comentario que se considere relevante. Por favor, al elaborar la memoria de esta práctica y de las siguientes guíese por las siguientes dos máximas del refranero castellano: castellano:
Lo bueno, si breve, dos veces bueno. Vale más una imagen que mil palabras (siempre que lo considere considere necesario necesario incluya gráficos, pantallazos, diagramas… que ayuden a comprender sus explicaciones).
Vaya a la página oficial de Xirio-OnLine (https://www.xirio-online.com/) y pulse sobre PlanningTool. Cree un usuario nuevo con los datos que se le piden (esta será su cuenta de usuario para las dos primeras prácticas así que guarde su nombre y contraseña).
2. Cálculo de cobertura en entorno rural En este apartado se realiza un estudio de cobertura de una hipotética estación base situada en entorno rural. Acceda a la herramienta de planificación utilizando utilizando el usuario y contraseña que acaba de crear. Cree un nuevo estudio pulsando sobre el botón correspondiente de la barra superior del programa. Defina el nuevo estudio de cobertura de la siguiente manera:
Categoría: servicio móvil. Subcategoría: Subcategoría: GSM-900. GSM-900. Servicio P-GSM-900 móvil. A continuación nombre el estudio como crea conveniente y añada una descripción que lo diferencie de otros estudios futuros.
NOTA: de este momento en adelante recuerde que puede volver en cualquier cualquier momento a modificar las características del estudio (nombre, transmisor, método de cálculo…) sin más que abrirlo utilizando el menú general de la herramienta, pinchando sobre él para seleccionarlo (que quede marcado en azul) y pulsando a continuación sobre la opción configurar estudio dentro del menú acciones situado en la parte izquierda de la ventana principal de la la herramienta. En el estudio de cobertura que ha creado, dentro de la pestaña equipos y en el apartado sector pulse el botón verde con un + para crear una estación base. Cree un nuevo sector con valores por defecto. A continuación defina los siguientes parámetros parámetros para la estación base, que actúa como transmisora:
Coordenadas: Coordenadas: X: -10288409.28 m; Y: 1115971.58 1115971.58 m, para el departamento departamento de Iquitos (sistema de coordenadas UTM WGS84). Para convertir estas coordenadas a latitud y longitud pulse sobre el botón con forma de calculadora, seleccione la opción UTM (WGS84), introduzca las coordenadas y pulse sobre “Convertir de UTM a geográficas”. A continuación pulse sobre aceptar dejando el resto de parámetros por defecto.
Antena: dipolo en λ=2 (half -wave -wave dipole). En un sistema real se utilizarán antenas más directivas; sin embargo, por simplicidad se va a utilizar esta antena, que es omnidireccional en el plano horizontal. Para añadir esta antena, en el apartado antena copolar, elimine la antena existente (pulsando sobre la X roja), y a continuación añada la antena especificada pulsando sobre el botón verde con un +. Frecuencia de referencia: 960 MHz (extremo superior de la banda descendente de GSM-900). Elimine primero todas las frecuencias frecuencias que aparecen por defecto (de nuevo pulsando sobre las X rojas) y después pulse sobre el + verde para añadir la
frecuencia especificada. Polarización: vertical. Altura: 30 m. Potencia: 10 W.
Mantenga para los demás parámetros sus valores por defecto. Si necesita modificar los parámetros de la estación base una vez creada, puede acceder nuevamente a través de la pestaña equipos en el apartado sector. Defina las siguientes características del receptor del terminal móvil dentro de la pestaña equipos en el apartado parámetros de recepción del terminal.
Antena isótropa de ganancia 0 dB. Para ello tome una antena omnidireccional para servicio GSM (la que viene por defecto, por ejemplo) y modifique sus parámetros para que tenga una ganancia de 0dB.
Polarización: vertical. Altura: 1,5 m. El receptor tiene una sensibilidad de -103 dBm, y se desea un porcentaje de cobertura perimetral del 90%, con una desviación típica de 10 dB. Calcule el margen por desvanecimiento log-normal y el valor mínimo para la potencia mediana (véase apuntes de teoría). Introduzca este valor como Potencia umbral en el programa.
Para hallar la potencia umbral se siguió el siguiente procedimiento: -
El margen de desvanecimiento log-normal se halla de la siguiente manera, para esto se utiliza la siguiente formula:
Para esto se tiene una aproximación de
:
Donde:
Siendo los valores de las constantes:
-
Reemplazando con los valores que nos pide, porcentaje de cobertura perimetral del 90% (L=0.9):
Por lo tanto nuestro margen de desvanecimiento log-normal es:
La potencia umbral (potencia mediada), que es la suma de la sensibilidad de referencia, la degradación por ruido y el margen de desvanecimiento log-normal; es:
Como es una simulación ideal tomaremos la degradación por ruido como 0, en todo caso este valor lo ponemos en el simulador:
El cuál es el valor que pondremos en el programa, como en la siguiente imagen.
Para definir el modelo de propagación que se va a emplear se utiliza la opción método de cálculo dentro de la pestaña parámetros de cálculo y pulsando sobre el icono cuadrado blanco con dos ticks. Una vez pulsado ese icono observe que dentro del menú desplegable método de propagación están definidos varios modelos. Seleccionando cada uno de ellos se pueden ver sus parámetros. Defina, o compruebe que están ya definidos, los siguientes modelos de cálculo, y asígneles un nombre representativo. No utilice corrección estadística ni efecto de lluvia o gases. Para el factor de modificación del radio terrestre utilice el valor estándar de 4/3. 1) Okumura-Hata en medio rural con resolución de 400 m (que es el máximo que se puede obtener de forma gratuita). 2) Rec. UIT-R P. 526-10 con resolución de 400 m. 3) Método LOS con resolución de 400 m. Este método considera propagación en espacio libre si existe visión directa, y atenuación infinita en caso contrario. Seleccione una zona de cobertura aproximadamente cuadrada de lado 30 km centrada en la estación base. Para ello vaya a la pestaña área de cálculo y pinche sobre el icono con un rectángulo a trazos y una flecha. Esto nos permite definir un área de cálculo directamente sobre el plano pinchando sobre dos puntos del mismo (que serán las dos esquinas opuestas de un rectángulo). Una vez fijada un área de cálculo inicial esta se puede modificar arrastrando las esquinas. Para saber cuánto mide el lado del área de cálculo generada se puede utilizar la herramienta de medida situada en el menú general de la aplicación (una recta con las letras Km superpuestas). Téngase en cuenta que se pide dibujar el área de cobertura de forma aproximada.
Al finalizar el proceso de cálculo de la cobertura, esta aparece representada mediante un código de colores. Dicho código de colores y los rangos representados por cada uno de ellos se puede modificar en la pestaña rangos de resultado. Fije el primero de los modelos anteriores para el cálculo de la cobertura, y pulse la opción cálculo gratuito a baja resolución (situado a la izquierda de la pantalla principal del programa en la pestaña acciones). Una vez que haya terminado el proceso de cálculo (se indica en una barra de tareas que se abre en la parte inferior derecha de la herramienta), los resultados se pueden consultar seleccionando la carpeta resultados (carpeta de color morado) del estudio, y pinchando sobre abrir gestor de resultados dentro del menú acciones. Una vez dentro del gestor de resultados, seleccionamos los resultados de nuestro estudio y pichamos sobre el botón abrir resultado.
Mé to do Ok um ur a-Hata PREGUNTA 1: Observará que la distancia de cobertura no es la misma en todas las direcciones. Teniendo en cuenta el modelo de cálculo utilizado, ¿p o r qu ées to es as í? Puede resultarle útil la herramienta calcular perfil del menú principal.
Respuesta: En el método Okumura-Hata el patrón de radiación es omnidireccional e ideal, pero según el gráfico la distancia de cobertura no es la misma en todas las direcciones, ya que existen obstáculos y el plano no es horizontal, sino con relieves y por eso la señal se verá atenuada.
Método Okumura-Hata
Perfil de Terreno
PREGUNTA 2: Realice el cálculo de la cobertura para los restantes modelos de propagación anteriormente definidos. Observe e interprete las diferencias entre los modelos, en términos de forma de la zona de cobertura y tiempo de cálculo. Donde aparezcan huecos de cobertura, trate de identificar la razón. Para hacer la comparación, se recomienda crear una copia del estudio (duplicar estudio en el menú acciones) modificando únicamente aquellos parámetros que sean relevantes para cada método que se vaya a utilizar. NOTA: El gestor de resultados permite mostrar superpuestos los resultados de distintos estudios. Por ello se recomienda dar un código de colores diferente para la cobertura correspondiente a estudios que se quieran mostrar simultáneamente. NOTA: Xirio-OnLine tiene una limitación de cálculos gratuitos diaria. Superada la cuota, hay que esperar hasta el día siguiente para poder realizar más cálculos. Por favor, tenga esto en cuenta sobre todo al ir a entregar prácticas en el último minuto.
Método Rec. UIT-R P. 526-11
Método Línea de Vista o LOS
Respuesta: Como se puede observar en las 3 imágenes, el método LOS tiene una mejor respuesta en cobertura, esto es posible debido a que es una medición en campo abierto y el método LOS es el más óptimo para este tipo de medición.
3. Mejora de Cobertura Analice, de acuerdo con los modelos de Okumura-Hata y Rec. P. 526 del UITR, la mejora de cobertura que se obtiene por medio de los siguientes cambios: 1) Mover la estación base a un punto más alto. Utilice para ello la opción optimizar punto, que está en la ventana donde se definió la posición inicial del transmisor. 2) Incrementar la altura en 10 ó en 20 m. 3) Incrementar la potencia en 6 dB. -
Solo variaron 1 solo parámetro a le vez en las siguientes mediciones; estas son las mediciones usando el método de Okumura-Hata
Altura = 50m
Moviendo su punto óptimo de la antena
-
Solo variaron 1 solo parámetro a le vez en las siguientes mediciones; estas son las mediciones usando el método de Rec. P. 526 del UIT-R
Altura = 50m
Moviendo su punto óptimo de la antena Respuesta: De los resultados mostrados, tanto para el método OKUMURA como para el método UIT-RP, muestran una mejora en la cobertura cuando se aumenta la altura de la antena, siendo esta la que aumento más la cobertura; ya que con esto se “esquiva” los obstáculos que antes interferían. Si bien el aumento de potencia aumento la cobertura aun los obstáculos siguen molestando. Pero si combinamos un aumento de altura y cambiando el punto óptimo de la antena se obtienen mejores resultados. A continuación se va a probar el efecto de los cambios indicados en una zona montañosa. Para ello es necesario crear un nuevo estudio con un nuevo transmisor. Como en casos anteriores en vez de definir otra vez todos los parámetros, puede duplicar el estudio, y modificar en el estudio duplicado los parámetros necesarios. En el nuevo estudio sitúe el transmisor en el punto (03º41'25.05"S, 073º20'36.72"W) que está dentro de un zona montañosa.
PREGUNTA 4: Compare el efecto sobre la cobertura de los cambios anteriores, utilizando el modelo de la Rec. P. 526 del UIT-R. ¿Cuál de las opciones es más efectiva en este caso? ¿Por qué? Resultados con la altura en 30m, potencia en 10 dB y posición de la antena dada.
Parámetros originales
Altura = 50m
Respuesta: Para dar una mejor respuesta veremos el perfil del terreno:
Como se puede ver en el perfil el terreno es muy accidentado, por esa razón aumentando la potencia no se obtienen resultados nada buenos, el aumento de la altura en 50 m tampoco mejoro nada, claro tal vez si aumentamos más al altura se obtendrían mejores resultados pero no es viable una altura de la antena muy alta. En cambio sí movemos el punto situado de la antena a otro lugar donde sea el punto más alto del terreno entonces si mejoraría (punto óptimo) como se puede ver en la imagen, la cobertura aumento, la señal llego a más lugares pero aun así no se puede cubrir todo el área.
4. Cobertura en Entorno Urbano En este apartado se comparan varios métodos de propagación en entorno urbano. Cree un nuevo estudio de cobertura y defina una estación base (transmisor) con los siguientes parámetros:
Coordenadas: X: -10288569.97 m; Y: -10288569.97 m. Antena: dipolo en λ=2 (half -wave dipole). Frecuencia de referencia: 960 MHz. Polarización: vertical. Altura: 4 m (altura de la torre situada sobre el edificio). Potencia: 43 dBm.
Para el receptor considere una sensibilidad de -100 dBm, con un porcentaje de cobertura perimetral del 90% y desviación típica de 9 dB, y el resto de parámetros como en los apartados anteriores. Para esto hallamos, teniendo hallados los demás valores en el apartado 2 entonces:
La potencia umbral (potencia mediada), que es la suma de la sensibilidad de referencia, la degradación por ruido y el margen de desvanecimiento log-normal; es:
Como es una simulación ideal tomaremos la degradación por ruido como 0, en todo caso este valor lo ponemos en el simulador:
Compare la zona de cobertura que resulta utilizando los siguientes modelos: 1) Okumura-Hata en ciudad grande. 2) Rec. UIT-R P. 526-10
Método Okumura-Hata
Método Rec. UIT-R P. 526-11
PREGUNTA 5: ¿Qué diferencias observa entre los métodos utilizados? Respuesta: El modelo Rec. 526 nos muestra una cobertura más amplia, de hecho demasiado amplia, en cambio con el modelo Okumura-Hata nos da como resultado una cobertura muy pequeña; pero la cobertura que nos muestra es uniforme en todos los sentido; lo cual no es nada extraño sabiendo que nos encontramos en un área urbana.
Considere la siguiente situación. Se desea estimar la cobertura con un modelo tipo Okumura-Hata para ciudad grande. Se ha observado que, en el entorno bajo estudio, los resultados que produce el modelo de Okumura-Hata son demasiado optimistas, por lo que se incluye un término de pérdida adicional por difracción de los obstáculos interpuestos. A partir de medidas, se estima que dicho término se puede aproximar como 0,3 por la pérdida de difracción calculada según la Rec. P.526 del UIT-R. Así, el modelo de cálculo completo queda:
Para introducir en Xirio-OnLine el modelo anterior puede utilizarse el método de cálculo Editable ampliado, que permite definir una fórmula arbitraria para el cálculo de la atenuación, incluyendo el efecto de la difracción. De acuerdo con esto, defina en XirioOnLine el modelo indicado, con resolución de 2m, y calcule la cobertura. Tenga en cuenta lo siguiente:
El método Editable ampliado se define introduciendo uno a uno los diferentes sumandos, cada uno de los cuales puede contener el producto de un coeficiente por un máximo de dos operadores aplicados respectivamente sobre el mismo número de variables. El método permite utilizar la altura real de la base sobre el nivel del suelo en su ubicación (h tx) o la altura efectiva de la base sobre el nivel medio del suelo, calculado de acuerdo con el modelo de Okumura-Hata (h eff tx). Debe usar esta última. Las variables están en las mismas unidades que en la fórmula de Okumura-Hata.
Obtenidos los siguientes resultados:
Método Editable Ampliado
PREGUNTA 6: Comente la cobertura obtenida de acuerdo con el modelo que acaba de definir.
Respuesta: Con este resultado tienes un área de cobertura de 1.5 km aproximadamente, la señal de área verde tiene un radio de 255 m, se puede decir que es una celda con un área de cobertura pequeño. Es algo parecido al resultado obtenido con el método de Okumura-Hata. Este último método podemos decir que este último resultado será el más próximo a la realidad. Hasta ahora se ha evaluado la cobertura en sentido descendente. Aunque el programa no permite evaluar de forma directa la cobertura en sentido ascendente, es posible obtenerla por medio de modificaciones en los parámetros del estudio de cobertura. Considere que en sentido ascendente la potencia de transmisión del móvil es 2 W, la sensibilidad de la estación base -102 dBm, y la frecuencia de referencia es 915 MHz (extremo superior de la banda ascendente de GSM-900).
PREGUNTA 7: ¿Qué enlace es el que limita la cobertura? Respuesta: Los métodos anteriores no nos permiten editar valores para darle más precisión a los casosl, como el método Editable Ampliado, por tal motivo en Okumura, LOS, URTP, no se podría hacer el estudio de cobertura en sentido ascendente.
PREGUNTA 8: Razone qué cambios deberá introducir en el estudio de cobertura de Xirio-OnLine para observar la cobertura en sentido ascendente.
Respuesta: Para poder hacer la medición en sentido ascendente se debe trabajar con Editable Ampliado, ya que este método nos permite cambiar los parámetros pedidos, como la altura de la antena, por tal razón este es el método que debemos usar.
Los resultados fueron los siguientes:
La zona de cobertura en el grafico anterior esta sombreado totalmente debido a que la antena de la estación móvil tiene patrón de radiación Omnidireccional.
PREGUNTA 9: Si se desprecia el efecto de variación de cobertura debido a la frecuencia, ¿cómo se pueden visualizar simultáneamente en un solo estudio las coberturas descendente y ascendente? Respuesta: Para ver los dos resultados superpuestos solo basta ir a resultados y abrir el gestor de resultados, después escoger ambos resultados y abrirlos al mismo tiempo; con esto se podrá ver ambos.
6. Efecto del Diagrama de Radiación En este apartado se analiza el efecto del diagrama de radiación de la antena de la estación base. Una antena se define en Xirio-OnLine por medio de su sus diagramas de radiación copolar y contrapolar. En las bandas de frecuencias despolarización de la señal es alta.
utilizadas
en
comunicaciones
móviles
la
Por este motivo, es habitual utilizar sólo el diagrama copolar (es decir, el relativo a la polarización transmitida). El diagrama se define en Xirio-OnLine por medio de la ganancia, un diagrama horizontal normalizado (valor máximo 0 dB) y un diagrama vertical normalizado. Defina en Xirio-OnLine la antena cuyos datos figuran en el apéndice A. Para ello, introduzca como transmisor una antena estándar omnidireccional y a continuación, en la ventana de parámetros, modifique los diagramas de radiación horizontal y vertical y la ganancia. Para modificar los diagramas de radiación pulse sobre el botón verde con un + y defina pares de puntos (ángulo-atenuación). No es necesario que se definan de forma muy exacta (5-7 pares de puntos son suficientes).
DIAGRAMA HORIZONTAL
DIAGRAMA VERTICAL
Esta antena ya no es una antena omnidireccional, sino que es una antena directiva, con lo cual la atenuación para determinados lados, según el diagrama de radiación, se verá afectado en la cobertura.
PREGUNTA 10: Considere ahora que la estación base utiliza la antena directiva que acaba de crear. En el programa, ¿dónde debe seleccionarse la nueva antena para ver la cobertura en sentido descendente: en el transmisor o en el receptor? ¿Y en sentido ascendente? Respuesta: Para ver la nueva cobertura debe considerarse descendiente en el transmisor y en ascendente en el terminal móvil.
PREGUNTA 11: Calcule la cobertura en sentido ascendente con la antena que acaba de crear, utilizando para los demás datos los valores del apartado 5. Compruebe y comente el efecto de variar la orientación de la antena en acimut. Respuesta: Diagrama de la antena en descendente, con el método editable ampliado:
Diagrama de cobertura en sentido ascendente con respecto a la antena diseñada.
Como se puede observar esta vez nuestro diagrama es directivo; con una cobertura de aproximadamente 500 metros al lado donde se encuentra la directivita. En sentido ascendente el hecho de variar la acimut no tiene ningún efecto, caso contrario si el cálculo es en sentido descendente, la zona de cobertura gira con respecto a la acimut de la antena . En sistemas comunicaciones móviles, sobre todo en entorno urbano, es habitual inclinar verticalmente la antena, típicamente entre 0° y 10° hacia abajo, para concentrar la radiación en la zona de cobertura deseada y para reducir la interferencia sobre la zona de cobertura de las bases. La interferencia puede evaluarse de forma aproximada en el propio estudio de cobertura, observando la zona en la cual el nivel recibido es menor o igual a la potencia mediana necesaria reducida en un valor R (dB). Así, los puntos en los que se verifique dicha condición, suponiendo que estuvieran siendo cubiertos por otra base, tendrían un valor mediano de la relación señal deseada/interferencia mayor o igual a R. Por el contrario, en los puntos en los que esa condición no se verifique la relación podrían ser inferior, dependiendo del nivel de señal deseada (desconocido). El valor de R debe elegirse como el valor mínimo admisible para la relación portadora/interferencia más un margen por variación de la interferencia.
PREGUNTA 12: Suponiendo R = 12 dB, modifique la inclinación de la antena hasta 10° y observe cómo cambian la zona de cobertura y la zona en la que puede haber interferencia. Comente los resultados. Viendo que el método de editable ampliado resulto ser más realista esta zona urbana se utilizó este método para los siguientes resultados:
Acá se tomó las perdidas y la inclinación:
Como se puede observar, variando la inclinación no se perdió mucha cobertura, el grafico es muy similar al que no tiene ninguna inclinación, ahora al introducir las perdidas el área de cobertura se reduce, y solo tenemos la parte que nos indica una intensidad alta.
CONCLUSIONES
Xirio-online es una herramienta que permite de manera rápida y económica realizar simulaciones profesionales de cobertura radioeléctrica en cualquier parte del mundo.
Se pudo realizar cálculos en zonas rurales y urbanas utilizando la cartografía del simulador de cobertura.
Nos permite realizar cálculos muy tediosos, además de plantear situaciones casi reales.
Xirio-online es una herramienta que cubre los requerimientos académicos para poder ver como se realiza una planificación de radio.
El método de línea de vista (LOS) tiene una mejor respuesta a los lugares de terreno amplio; pues nos dio una gran cobertura.
Para que la estación base tenga una buena cobertura, se requiere buscar el punto más óptimo o el punto más alto, ya que se evita la atenuación por la geografía accidentada.
En zonas urbanas, el método de Okumura-Hata, da buenos resultados, aunque muy ideales, pero es necesario saber la cobertura ideal de la antena.
Para un modelo más exacto y realista de la cobertura de la antena en una zona rural, se puede utilizar el método Editable Ampliado. Indicar las fórmulas, dará una cobertura más real, ya que se consideran más factores que hacen que se precise el cálculo.
BIBLIOGRAFIA
Comunicaciones Móviles - Jose Rabanos
mínimos
