TECNOLOGÍAS INALÁMBRICAS…
Materia: Tecnologías Inalámbricas. Profesor: Cesar Dunay Acevedo Arreola. Carrera: Ingeniería en Tecnologías de la Información y Comunicación. Integrantes: -Sandra Caballero Nieto. -Daniel Castillo Gutiérrez. -Luis Castro. -Miguel Ángel Chávez. -Ricardo López. -Mónica Rincón Salas. -Margarita Ruiz Huerta. -Cecilia Tavarez Palos.
UNIDAD 2 Principios de propagación de señales.
INDICE 2.1 Propiedades físicas que rigen la propagación de ondas electromagnéticas. 2.2 Tipos de entornos. 2.3 Características de los modelos de propagación.
2.4 Aplicaciones del modelo de propagación adecuado a un entorno especifico.
INTRODUCCIÓN… Se dice que las ondas son uno de los fenómenos físicos más fundamentales: las ondas sobre la superficie del agua y los terremotos, las ondulaciones en resortes, las ondas de luz, las ondas de radio, las ondas sonoras, etc. La propagación de una onda puede interpretarse haciendo uso del modelo de la cadena lineal. Esta cadena está compuesta de una serie de partículas de igual masa separadas de resortes también iguales. Este modelo permite explicar el comportamiento de los cuerpos elásticos y por lo tanto la propagación de las ondas mecánicas.
2.1 Propiedades físicas que rigen la propagación de ondas electromagnéticas. • Son aquellas ondas que no necesitan un medio material para propagarse. Incluye entre la luz visible y las ondas de radio, televisión y telefonía. Todas se propagan en el vacío a una velocidad constante muy alta (300,000 km/s) pero no infinita. Gracias a ello podemos observar la luz emitida por una estrella lejana.
Las ondas electromagnéticas se propagan mediante una oscilación de campos eléctricos y magnéticos. Los campos electromagnéticos al "excitar" los electrones de nuestra retina, nos comunican con el exterior y permiten que nuestro cerebro "construya" el escenario del mundo en el que estamos. Las O.E.M. son también soporte de las telecomunicaciones y el funcionamiento complejo del mundo actual.
FRENTE DE ONDA • Las ondas electromagnéticas no son visibles al ojo humano y se debe analizar con métodos indirectos mediante esquemas. Los conceptos de rayos y frentes de onda son auxiliares para ilustrar los efectos de propagación de las ondas electromagnéticas a través del espacio libre. Un rayo se considera como una línea trazada a lo largo de la dirección de propagación de una onda electromagnética. Estos rayos son utilizados para mostrar la dirección relativa de la propagación de la onda electromagnética pero esto no indica que se refiere a la propagación de una sola onda electromagnética.
Un frente de onda representa una superficie de ondas electromagnéticas de fase constante. El frente de onda es formado cuando se unen los puntos de igual fase en rayos que se propagan desde la misma fuente.
PERDIDAS DE LA SEÑAL EN EL ESPACIO LIBRE… • El espacio libre puede ser considerado como vacío y no se considerar pérdidas. Cuando las ondas electromagnéticas se encuentran en el vacío, se llegan a dispersar y se reduce la densidad de potencia a lo que es llamado atenuación. La atenuación se presenta tanto en el espacio libre como en la atmósfera terrestre. • La atmósfera terrestre no se le considera vacío debido a que contiene partículas que pueden absorber la energía electromagnética y a este tipo de reducción de potencia se le llama pérdidas por absorción la cual no se presenta cuando las ondas viajan afuera de la atmósfera terrestre.
Modelo de propagación en el espacio libre El modelo de propagación en el espacio libre es usado para predecir la señal recibida directa cuando el transmisor y el receptor tienen línea de vista entre ellos. Los sistemas de comunicación vía satélite y los enlaces microondas con línea de vista típicamente son el espacio libre. Como la mayoría de los modelos de propagación en el espacio libre, el modelo predice que la potencia recibida decrece a medida que la separación entre las antenas receptora y transmisora aumenta.
Propiedades de la propagación de las ondas electromagnéticas. Mecanismos de propagación se entienden los procesos físicos que intervienen en la propagación de las ondas electromagnéticas:
• Reflexión • Atenuación • Refracción
• Difracción • Interferencia • Absorción
• Dispersión • Polarización
REFLEXIÓN
La reflexión de ondas ocurre en metales, en agua y en tierra. El principio básico es que la onda se refleja con el mismo ángulo con el que impacta la superficie. La reflexión invierte la polaridad de la onda incidente, equivalente a un desplazamiento de 180º o al cambio de dirección del campo EE del frente de onda.
Las ondas de radio atraviesan las capas de la atmósfera, desde la tropósfera hasta la ionósfera y los índices de refractividad de cada una de estas capas son muy diferentes. Estos distintos índices pueden llegar a producir reflexión total, siendo frecuencias de VHF y superiores las más propensas a esta desviación de trayectoria.
REFRACCIÓN
• Es el cambio de dirección que experimenta una onda al pasar de un medio material a otro. Sólo se produce si la onda incide oblicuamente sobre la superficie de separación de los dos medios y si éstos tienen índices de refracción distintos. La refracción se origina en el cambio de velocidad que experimenta la onda. El índice de refracción es precisamente la relación entre la velocidad de la onda en un medio de referencia y su velocidad en el medio de que se trate. • Las ondas de radio están expuestas a sufrir desviaciones en su trayectoria cuando atraviesan de un medio a otro con densidad. La desviación de la trayectoria es proporcional al índice de refracción el cual esta dado por: • IR= Vp/Vm • IR= índice de refracción • Vp= velocidad de propagación en el espacio • Vm= velocidad de propagación en el medio
ATENUACIÓN La atenuación es la reducción de densidad de potencia con la distancia a la fuente. El campo electromagnético continuo se dispersa a medida que al frente de onda se aleja de la fuente, lo que hace que las ondas electromagnéticas se alejen cada vez más entre sí. En consecuencia, la cantidad de ondas por unidad de área es menor.
DIFRACCIÓN
• La difracción se refiere a la modulación o redistribución de la energía dentro de un frente de onda al pasar cerca de la orilla de un objeto opaco. • Se produce cuando la onda choca contra un obstáculo o penetra por un agujero. La mayor difracción se produce cuando el tamaño del agujero o del obstáculo son parecidos a la longitud de la onda incidente.
INTERFERENCIA La interferencia es producida siempre que se combinan dos o más ondas electromagnéticas de tal manera que se degrada el funcionamiento del sistema. La interferencia se presenta siempre que dos o más ondas ocupan el mismo punto del espacio en forma simultánea. Dos ondas con una misma frecuencia pueden amplificarse o anularse entre sí dependiendo de la relación fase (posición relativa de las ondas) entre ellas. Para que esto ocurra en su forma más pura (máxima amplificación o anulación competa), las ondas deben tener exactamente la misma energía, y una relación de fase específica y constante.
ABSORCIÓN Ciertos materiales absorben la radiación y la transforman en calor o energía eléctrica. Se utiliza el coeficiente de absorción (en dB/m) para describir el impacto del medio en la radiación, que es la atenuación de la energía de la onda. De fuerte absorción son los metales y en el rango de microondas el agua en todas sus formas. De absorción intermedia son las rocas, ladrillos y concreto, al igual que la madera y los árboles, dependiendo de su concentración de agua.
DISPERSIÓN
Es el fenómeno de separación de las ondas de distinta frecuencia al atravesar un material. Todos los medios materiales son más o menos dispersivos, y la dispersión afecta a todas las ondas; por ejemplo, a las ondas sonoras que se desplazan a través de la atmósfera, a las ondas de radio que atraviesan el espacio interestelar o a la luz que atraviesa el agua, el vidrio o el aire. Se habla de dispersión, en términos generales, como el estado de un sólido o de un gas cuando contienen otro cuerpo uniformemente repartido en su masa (equivalente a la noción de disolución, que concierne a los líquidos).
POLARIZACIÓN
Puede producirse en las ondas electromagnéticas, como la luz, por el cual el campo eléctrico oscila sólo en un plano determinado, denominado plano de polarización. Este plano puede definirse por dos vectores, uno de ellos paralelo a la dirección de propagación de la onda y otro perpendicular a esa misma dirección el cual indica la dirección del campo eléctrico.
En una onda electromagnética no polarizada, al igual que en cualquier otro tipo de onda transversal sin polarizar, el campo eléctrico oscila en todas las direcciones normales a la dirección de propagación de la onda. Las ondas longitudinales, como las ondas sonoras, no pueden ser polarizadas porque su oscilación se produce en la misma dirección que su propagación.
2.2 TIPOS DE ENTORNOS Las características de propagación están influenciadas por las características del terreno, que puede clasificarse, también depende de la zona donde se desea proporcionar servicio. La variación de las condiciones de propagación depende tanto de la velocidad de desplazamiento del terminal como de la variación de los objetos que lo rodean. En función de estos parámetros existen diversas clasificaciones que agrupan los entornos en función de unas u otras características.
PROPAGACIÓN EN EL ESPACIO LIBRE Y ENTORNO TERRESTRE • Todo sistema de telecomunicación debe diseñarse para que en el receptor se obtenga una relación señal-ruido mínima que garantice su funcionamiento. • Los servicios de radiocomunicaciones, radiodifusión, radiolocalización (radar), teledetección y radio ayudas a la navegación tienen en común el empleo de ondas electromagnéticas radiadas como soporte de la transmisión de información entre el transmisor y el receptor.
Influencia del Medio en la Propagación. • El Suelo. • A frecuencias bajas y para antenas próximas al suelo se excita una onda de superficie de baja atenuación. • A frecuencias superiores, para antenas elevadas, el suelo produce reflexiones o difracciones cuando obstaculiza a la onda.
INFLUENCIA DEL MEDIO EN LA PROPAGACIÓN. • La Atmósfera.
• Los gases de la troposfera curvan, por refracción, la trayectoria de los rayos de propagación. Además dependiendo de la frecuencia absorben más o menos energía de la onda produciendo atenuación adicional a la del espacio libre. • La presencia de lluvia, niebla y otros hidrometeoros produce también absorción, dispersión, y cierta despolarización de las ondas, dando lugar a atenuación adicional. • Finalmente, la ionosfera produce fuertes refracciones -“reflexión ionosférica”- (a las frecuencias de MF y HF) que van acompañadas de atenuación, dispersión y rotación de polarización.
CARACTERÍSTICAS DEL SUELO • Propagación en el interior de la Tierra o del mar. • Onda directa y onda reflejada. • Modelo de Tierra plana. • Reflexión especular. • Reflexión difusa. • Modelo de Fresnel.
CARACTERÍSTICAS DEL SUELO Modelo de Tierra esférica. Fenómenos de divergencia. Existencia de obstáculos: modelos de difracción. Modelo de difracción en filo de cuchillo. Modelo de difracción con bordes redondeados Existencia de la onda de superficie o de Norton.
CARACTERÍSTICAS DE LA ATMÓSFERA. Influencia de la troposfera: no homogeneidad del índice de refracción. Cambios a gran escala. Cambios suaves Refracción: curvatura de rayos. Conductos: propagación guiada anormal Cambios bruscos: caminos múltiples por reflexión Cambios a pequeña escala. Dispersión troposférica Enlaces transhorizonte Centelleo.
Características de la atmósfera Absorción molecular Existencia de hidrometeoros: absorción molecular, procesos de despolarización y dispersión.
Influencia de la ionosfera. Comunicación por onda ionosférica. Interferencias por onda ionosférica.
EFECTO DE LA TROPOSFERA Atenuación (Perdida de potencia de la señal) La absorción molecular de los gases contenidos en la atmósfera y la atenuación producida por los hidrometeoros son las principales causas de la Atenuación atmosférica. La atenuación por absorción molecular se debe principalmente a las moléculas de oxígeno y vapor de agua.
EFECTO DE LA TROPOSFERA Refracción (Cambio de dirección provocado por el cambio de material) El índice de refracción de la atmósfera varía en función de la concentración de gases. Es por este motivo, para una atmósfera normal, que el índice de refracción disminuye con la altura. El índice de refracción del aire es muy próximo a la unidad.
EFECTO DE LA TROPOSFERA Difusión troposférica La difusión troposférica es importante en las bandas de VHF y UHF en las que el tamaño de las heterogeneidades es comparable a la longitud de onda, y la atenuación atmosférica es despreciable. Permite alcances de centenares de kilómetros y, sin embargo, está sujeta a desvanecimientos debido a variaciones locales rápidas de las condiciones atmosféricas. Este último inconveniente ha de superarse aumentando la potencia de transmisión.
EFECTO DE LA TROPOSFERA
EFECTO DE LA IONOSFERA Propagación en un medio ionizado La propagación de ondas electromagnéticas en la ionosfera se puede modelar a partir de la propagación en plasmas. Un plasma es una región del espacio, con la permitividad eléctrica y la permeabilidad magnética del vacío, que contiene electrones libres.
EFECTO DE LA IONOSFERA Comunicaciones ionosférica La existencia de la ionosfera permite, tal como comprobó Marconi, las comunicaciones a grandes distancias. A frecuencias bajas y muy bajas (bandas de LF y VLF) la ionosfera supone un cambio brusco en términos del índice de refracción atmosférico. Esta variación abrupta produce una reflexión de la onda incidente en la parte baja de la ionosfera. La ionosfera es un medio cuyo índice de refracción varía con la altura. La densidad de ionización aumenta con la altura hasta alcanzar el máximo entre los 300 y 500 Km.
EFECTO DE LA IONOSFERA
EFECTO DE LA TIERRA La tierra perturba la propagación de las ondas electromagnéticas, de forma que al establecer cualquier tipo de radiocomunicación en el entorno terrestre aparecerán una serie de fenómenos que modificarán las condiciones ideales de propagación en el vacío. Estos fenómenos son básicamente tres: onda de superficie, difracción y formación de la onda de espacio.
EFECTO DE LA TIERRA Onda de Espacio
Onda de Superficie
EFECTO DE LA TIERRA
Reflexión en tierra plana La presencia de la tierra produce reflexiones al incidir sobre ella una onda electromagnética. La tierra es un medio dieléctrico con pérdidas cuyas constantes dieléctricas varían en función del tipo de suelo, el grado de humedad del mismo y la frecuencia.
EFECTO DE LA TIERRA Difracción
La difracción es el fenómeno que ocurre cuando una onda electromagnética incide sobre un obstáculo. La tierra y sus irregularidades pueden impedir la visibilidad entre antena transmisora y receptora en ciertas ocasiones. La zona oculta a la antena transmisora se denomina la zona de difracción. En esta zona los campos no son nulos debido a la difracción causada por el obstáculo y, por tanto, es posible la recepción, si bien con atenuaciones superiores a las del espacio libre.
EFECTO DE LA TIERRA Esta distinción se basa tanto en la diferente configuración de los objetos entre las dos antenas, como en el comportamiento dinámico del terminal móvil. En los entornos de comunicaciones exteriores la distancia entre la antena emisora y la receptora puede variar entre centenares de metros a decenas de kilómetros. Además, pueden estar situadas en ciudades, en el centro o el extrarradio, en zonas suburbanas o en el campo, en zonas llanas o montañosas.
EFECTO DE LA TIERRA
FUENTES DE RUIDO EXTERNO • El ruido externo es debido a la emisión radioeléctrica de otras fuentes distintas a las que se desea recibir. Los fenómenos de emisión radioeléctrica son de distinta naturaleza y pueden agruparse de la siguiente manera: Fuentes extraterrestres. Ruido galáctico debido a la radiación en la banda de radiofrecuencia de las estrellas que forman la galaxia. Radiación de origen solar y el ruido cósmico de fondo.
FUENTES DE RUIDO EXTERNO • Emisión radioeléctrica de la tierra y de la atmósfera. Ruido de origen atmosférico debido a las descargas eléctricas (rayos, tormentas, etc) generalmente llamados parásitos atmosféricos. Ruido de origen humano e industrial debido a motores eléctricos, líneas de alta tensión, etc.
ENTORNOS DE EXTERIORES URBANOS Y SUBURBANOS Es este escenario la distancia entre la antena transmisora y la receptora suele ser de hasta algunos centenares de metros. Las reflexiones en los edificios producen que la respuesta emulsionar tenga rayos que llegan hasta con 5 μs de retardo y en casos extremos, a los 10 μs. El Delay Spread tiene un valor que puede estar entre 1 y 2.5 μs. Si tenemos en cuenta que la división entre un canal de banda estrecha y un canal de banda ancha se establece para un valor del Delay Spread alrededor de 0.1/Ts, podemos deducir que la velocidad máxima de transmisión con un canal no dispersivo está entre 40 y 100 kbaud. La velocidad de los terminales móviles puede alcanzar hasta los 100 km/h. Por tanto, el tiempo de coherencia para un sistema con una frecuencia portadora de 900 MHz es de unos 3 ms.
ENTORNOS EXTERIORES RURALES LLANOS Es este escenario la distancia entre la antena transmisora y la receptora puede llegar a decenas de kilómetros. Las reflexiones en los objetos producen que la respuesta impulsional tenga rayos que llegan hasta con 0.5 μs de retardo. El Delay Spread tiene un valor alrededor de 0.1 μs y por tanto la velocidad máxima de transmisión con canal no dispersivo es sobre 1 Mbaud. La velocidad de los terminales móviles puede alcanzar hasta los 300 km/h. Por tanto el tiempo de coherencia para un sistema con una frecuencia portadora de 900 MHz es de 1 ms. 900 MHz es de unos 3 ms.
ENTORNOS EXTERIORES MONTAÑOSOS
Es este escenario la distancia entre la antena transmisora y la receptora puede llegar a decenas de kilómetros. Las reflexiones en los objetos producen que la respuesta impulsional tenga rayos que llegan hasta con 20 μs de retardo. El Delay Spread tiene un valor alrededor de 5 μs y por tanto la velocidad máxima de transmisión, manteniendo un canal no dispersivo, es de alrededor de 20 kbaud. Por otro lado, la velocidad de los terminales móviles puede alcanzar hasta los 300 km/h. Así, el tiempo de coherencia es similar a los entornos rurales.
ENTORNOS DE INTERIORES En este tipo de escenarios la distancia entre antena transmisora y receptora no supera los 300 metros, siendo habituales distancias de 50 metros e incluso menos. El Delay Spread fluctúa entre los 10 y 100 ns, por tanto, la velocidad máxima sin distorsión está entre 1 y 10 Mbaud. La velocidad de desplazamiento de los terminales no supera los 10 km/h. Si consideramos una frecuencia portadora de 900 MHz el tiempo de coherencia es de 30 ms.
2.3 CARACTERÍSTICAS DE LOS MODELOS DE PROPAGACIÓN. Hoy en día los sistemas de comunicaciones sin cables, comúnmente conocidos como sistemas inalámbricos se han convertido en medios básicos de comunicación a distancia. Estos sistemas son fundamentales para la multitud de servicios de telefonía e internet de los que disponemos en la actualidad, ofreciendo también enormes ventajas frente a los sistemas cableados.
Para garantizar el buen funcionamiento de estos sistemas es necesario conocer la cobertura radioeléctrica, es decir, el área geográfica en la que se dispone un servicio optimo. Existen diferentes técnicas de análisis que permiten una buena configuración y disposición de estos sistemas en diferentes entornos, tanto en entornos interiores (indoor) como en exteriores(outdoor).
¿QUE ES UN MODELO DE PROPAGACIÓN?
Es un conjunto de expresiones matemáticas, diagramas y algoritmos usados para representar las características de radio de un ambiente dado.
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.
• La aplicabilidad de un modelo depende de las especificaciones que este mismo requiera tal como son: el tipo de terreno (montañoso, ondulado o casi liso), las características del ambiente de propagación (área urbana, suburbana, abierta).
• Características de la atmósfera (índice de refracción, intensidad de las lluvias), propiedades eléctricas del suelo (conductividad terrestre), tipo del material de las construcciones urbanas etc.
MODELO OUTDOOR En el campo OUTDOOR existen muchos mas modelos, debido principalmente a que la comunicación inalámbrica outdoor se viene utilizando desde hace mucho mas tiempo, trabajando con un tamaño de cobertura mayor en diferentes tipos de ambiente de propagación.
MODELO INDOOR El campo de propagación indoor es relativamente nuevo y las primeras investigaciones vienen desde los años 80s. En los entornos cerrados los niveles de señal fluctúan en mayor medida que en entornos abiertos.
Los modelos de propagación indoor difieren de los modelos de propagación outdoor en dos aspectos: • Las distancias cubiertas son mucho mas pequeñas. • El componente variable del entorno es mucho mayor para separaciones mas pequeñas entre transmisor y receptor.
2.4. Aplicaciones del modelo de propagación adecuado a un entorno específico 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 pérdida por trayectoria que una señal de RF pueda tener entre una estación base y un receptor móvil o fijo. La ventaja de modelar radiocanales 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.
Los modelos que se presentan a continuación están clasificados en teóricos y empíricos, en los primeros se debe tener mayor información acerca de la ciudad en particular y la estructura de las edificaciones. Por otro lado los modelos empíricos fueron desarrollados utilizando una serie de mediciones, de las cuales se obtuvieron las formulas de propagación.
MODELOS EMPIRICOS MODELO DE OKUMURA Es uno de los modelos más utilizados para la predicción de la pérdida de propagación en áreas urbanas. El principal resultado del trabajo de Okumura fue un conjunto de curvas que proporcionan el nivel de atenuación media relativa al espacio libre, en función de: • la frecuencia • la distancia entre transmisor y receptor • la altura de las antenas de la estación base • la estación móvil • además de varios factores de corrección específicos para diferentes tipos de trayecto. Este modelo está considerado entre los más simples y mejores en términos de su precisión en el cálculo de las pérdidas en el trayecto y se ha convertido en la planificación de sistemas móviles en Japón.
MODELOS EMPIRICOS MODELO DE OKUMURA El modelo de Okumura es utilizado para predecir la potencia en un receptor ubicado en un área urbana para comunicaciones móviles. Este modelo es aplicable para el rango de frecuencias entre 150 a 1920 MHz es decir comprende la banda de VHF Y UHF. Según este modelo, la distancia máxima de separación que puede existir entre el transmisor y el receptor es de hasta 100 km. Puede ser usado para alturas de la antena de la estación base en el rango de 30 m a 1000 m. Las pérdidas existentes en el enlace pueden ser obtenidas mediante la ecuación.
L50 (dB) LF AMU ( f , d ) G(hte ) G(hre ) GAREA L50 son las pérdidas por propagación al 50 % de recepción de la señal. LF pérdidas en espacio libre. G(hte) ganancia de la antena transmisora (dB) G(hre) ganancia de la antena receptora. GAREA ganancia del entorno.
Okumura desarrollo un set de curvas que entregan la atenuación de relativa al espacio libre medio (que se usa como nivel de referencia) para una zona urbana sobre terreno casi plano, en base a extensas mediciones, además de basarse en parámetros predefinidos. Los valores obtenidos de cada curva fueron obtenidos por exhaustivas mediciones usando antenas verticales y omni-direccionales tanto en la base como en el móvil y graficadas en función de la frecuencia en el rango de los 100Mhz a los 1920 MHz.
• En base a esto pudo desarrollar un modelo de las pérdidas del enlace considerando factores de corrección dependiendo del tipo de terreno.
• Es uno de los modelos más simples y adecuados para las predicciones de atenuación para sistemas celulares y sistemas de radio terrestre en ambientes poblados. Su ventaja es que a pesar de ser bueno en zonas urbanas no lo es zonas rurales.
MODELO HATA En este modelo se obtiene una formula empírica para las pérdidas por propagación a partir de las mediciones hechas por Okumura. El modelo trata de representar las mediciones hechas por Okumura a través de la forma: A+B log10 R Donde: A y B: funciones de la frecuencia y la altura de la antena, R: distancia entre la antena y el usuario.
MODELO HATA Con el objetivo de hacer que este método fuera más fácil de aplicar, Hata estableció una serie de relaciones numéricas que describen el método gráfico propuesto por Okumura. Dichas expresiones de carácter empírico, son conocidas bajo el nombre de modelo de Okumura-Hata, también llamado modelo de Hata. El principal resultado que proporciona el modelo es el valor mediano de la pérdida básica de propagación, en función de la frecuencia, la distancia, y las alturas de las antenas de la estación base y el móvil Aunque éste no incluye ninguno de los factores de corrección por tipo de trayecto, los cuales sí están en el modelo de Okumura, las ecuaciones propuestas por Hata tienen un importante valor práctico.
Las aproximaciones hechas por Hata involucran dividir las áreas de predicción categorizadas por el tipo de terreno, llamadas área abierta, urbana y suburbana. • Área urbana: Corresponde a las grandes ciudades con altas edificaciones y casas con 2 o más pisos, o donde existen una gran concentración de casas. • Área suburbana: Ciudades o carreteras en donde hay árboles y casas en forma dispersa, existen obstáculos cerca del usuario pero no provocan congestión. • Área abierta: Son los espacios abiertos sin grandes árboles o edificaciones en el camino de la señal. Las aproximaciones hechas por Hata son válidas dentro los límites de los parámetros de la Tabla.
MODELOS SEMI-EMPIRICOS EL MODELO EGLI El modelo Egli es un modelo del terreno para la propagación de radio frecuencia. Este modelo, que se introdujo por primera vez por John Egli, en su artículo 1957, se deriva de datos del mundo real en UHF y VHF transmisiones de televisión en varias ciudades grandes. Se predice la pérdida total de la ruta de un enlace punto a punto. Normalmente se usa al aire libre para la línea de transmisión de la vista, este modelo proporciona la pérdida en el camino como una sola cantidad. El modelo Egli suele ser adecuado para los escenarios de la comunicación celular en el que se fija una antena y el otro es móvil. El modelo es aplicable a situaciones en las que la transmisión tiene que ir sobre un terreno irregular. Sin embargo, el modelo no toma en cuenta los viajes a través de alguna obstrucción vegetativa, tales como árboles o arbustos. Frecuencia de uso: El modelo se aplica típicamente a VHF y UHF transmisiones de espectro. Este modelo permite tener una aproximación rápidamente:
MODELOS SEMI-EMPIRICOS EL MODELO EGLI El modelo Egli se expresa formalmente como: • Donde: • GT = Ganancia de la antena de estación base. Unidad: dimensiones • GR = Ganancia de la antena de la estación móvil. Unidad: dimensiones • ht = altura de la antena de estación base. Unidad: metro (m) • hr = Altura de la antena de la estación móvil. Unidad: metro (m) • d = Distancia desde la antena de estación base. Unidad: metro (m) • f = frecuencia de transmisión. Unidad: megahercios (MHz) La ecuación es la escala de frecuencia especificada en mega Hertz (MHz). Este modelo predice la pérdida de trayectoria en su conjunto y no dividir la pérdida en la pérdida de espacio libre y otras pérdidas.
MODELO DE WALFISCH Este modelo es más complejo y se basa en parámetros como densidad de edificios en ambientes urbanos, altura promedio de los edificios, altura de las antenas, anchura de las calles, separación entre los edificios, dirección de la calle con respecto a la trayectoria directa de la antena transmisora y antena receptora. Es un modelo híbrido para sistemas celulares de PCS de corto alcance, y puede ser utilizado en las bandas UHF y SHF. Se utiliza para predicciones en micro células para telefonía celular.
MODELO DE WALFISCH El modelo se también se utiliza para ambientes urbano denso y se base n diversos parámetros como lo son: • Densidad de los edificios • Altura promedio de los edificios • Altura de antenas menor a los edificios roof (h). • Anchura de las calles (w). • Separación entre los edificios (b). • Dirección de las calles con respecto a la trayectoria de la antena transmisora y el móvil.
Las pérdidas se modelan en las ecuaciones siguientes:
1) Cuando hay línea de vista en las antenas: 2) Cuando no hay línea de vista Dónde L O : Pérdidas por el espacio libre L rts : Pérdidas por difracción de múltiples esquinas de los techos de los edificios. L msd : Pérdidas debido a una única difracción final cuando la onda se propaga hacia la calle. El valor de Lb puede llegar a ser mínimo de O L cuando rts L + msd L <=0. La determinación de rts L se base en el modelo de Ikegami junto con el ancho de las calles y la orientación de estas con respecto a las antenas transmisoras.
MODELO IKEGAMI El modelo de Ikegami es anterior al modelo de Walfisch. Es también un modelo empírico pero con basado en la teoría de geométrica de rayos.
En el modelo de Ikegami solo toman en cuenta las dos contribuciones del primer rayo difractado 1 y el secundo rayo 2.
MODELO LONGLEY – RICE El modelo Longley-Rice predice la posible propagación a larga-media distancia sobre terreno irregular. Fue diseñado para frecuencias entre los 20MHz y 20GHz, para longitudes de trayecto de entre 1 y 2000 Km. También es un modelo estadístico pero toma en cuenta muchos más parámetros para el cálculo de las pérdidas: ◮ Altura media del terreno (ondulación) ◮ Refracción de la troposfera ◮ Perfiles del terreno ◮ Conductividad y permisividad del suelo ◮ Clima
MODELO LONGLEY – RICE Para el cálculo de la propagación, el modelo Longley-Rice tiene los siguientes parámetros comunes al de otros modelos de propagación: Frecuencia: el rango de frecuencias nominales para el modelo varía entre 20MHz y 20GHz. ERP (Effective Radiated Power): potencia efectiva de radiación, se introducen en las unidades que fije el usuario en la opción de configuración del sistema (mW, W, kW, dBm, dBW, dBk). Polarización: debe especificarse si se trabaja con polarización horizontal o vertical. El modelo de Longley-Rice asume que ambas antenas tienen la misma polarización, vertical y horizontal.
MODELOS DETERMINISTAS MODELO DE FRIIS MODELO DE PROPAGACIÓN EN ESPACIO LIBRE – ECUACIÓN DE FRIIS El modelo de propagación en “espacio libre” se utiliza para predecir el nivel de potencia recibido en cierta ubicación, cuando no existe ningún objeto cercano al enlace que puede afectar la propagación electromagnética. Esto es una condición mucho más exigente que la conocida como “línea-de-vista” (line-of-sight, LOS) entre el transmisor (Tx) y receptor (Rx) que solo considera obstáculos en la línea que une ambos elementos del enlace. Un enlace puede ser LOS, pero ello no impide que objetos cercanos produzcan reflexiones que puedan afectar la señal que se propaga en el trayecto directo.
MODELOS DETERMINISTAS MODELO DE FRIIS MODELO DE PROPAGACIÓN EN ESPACIO LIBRE – ECUACIÓN DE FRIIS El modelo de propagación de espacio libre es sin embargo una buena referencia de comparación para enlaces más complejos y es además bastante exacto cuando el efecto de elementos cercanos no es significativo, como ocurre por ejemplo en los enlaces satelitales. El modelo predice que la potencia disminuye en función de la separación “d” entre el Tx y Rx, de acuerdo a la “ecuación de Friis”:
MODELOS DETERMINISTAS MODELO DE FRIIS MODELO DE PROPAGACIÓN EN ESPACIO LIBRE – ECUACIÓN DE FRIIS Donde Pt es la potencia transmitida, Pr(d) es la potencia recibida –que es una función de la separación entre transmisor y receptor-, Gt es la ganancia de la antena de transmisión, Gr es la ganancia de la antena de recepción, d es la separación Tx-Rx en metros, L son las pérdidas del sistema no relacionadas a la propagación (L≥1) y λ es la longitud de onda de la señal electromagnética en metros.
CONCLUSIÓN: Los modelos de propagación se pueden clasificar en base al tipo de ambiente ya sean cerrados o abiertos, así mismo también incluso dentro de una misma banda pueden usarse dos modelos de propagación diferentes esto se debe a la aplicación que se le dé al rango de frecuencias. Para el caso de telefonía celular en la banda de UHF se consideran modelos de propagación para ambientes urbanos como por ejemplo el modelo de Longley-Rice, modelo de Okumura- Hata y el Walfisch – Ikegami.
GRACIAS POR SU ATENCIÓN!!!
