| COMPARACIÓN DE MODELOS DE PROPAGACIÓN URBANA PARA SISTEMAS INALAMBRICOS ii Tabla de contenido
ÍNDICE DE FIGURAS ... iv
ÍNDICE DE TABLAS ... v
OBJETIVOS ... vi
JUSTIFICACIÓN ... vii
Resumen ... viii
1 SISTEMAS DE COMUNICACIÓN INALÁMBRICAS ... 9
1.1 SISTEMA DE COMUNICACIÓN ... 9
1.2 ELEMENTOS DE UN SISTEMA DE COMUNICACIONES ... 10
1.2.1 COMPONENTES DE UNA RED INALÁMBRICA ... 12
1.3 CONCEPTO DE CELDA ... 14
1.3.1. Arreglo de celdas ... 16
1.4 TIPOS DE CELDA ... 19
1.5 VENTAJAS DE UN SISTEMA CELULAR ... 20
1.6 EJEMPLOS DE SISTEMAS INALAMBRICOS ... 24
1.6.1 Wimax: IEEE 802.16m y IEEE 802.16m ... 24
1.6.2 EL ESTÁNDAR IEEE 802.11 ... 25
1.6.3 MBWA: IEEE 802.20 Mobile Broadband Wireless Access) ... 28
1.7 BANDA DE FRECUENCIAS PARA SISTEMAS DE CUARTA GENERACION ... 28
2. PROPAGACIÓN DE LAS ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS ... 31
2.1 MECANISMOS DE PROPAGACIÓN ... 31
2.1.1 Reflexión ... 33
2.1.2 Refracción ... 33
2.1.3 Dispersión ... 37
2.1.4 Difracción ... 38
2.1.5 Interferencia ... 43
2.2 MODELOS DE PROPAGACIÓN ... 44
2.2.1 Modelos de propagación en redes inalámbricas ... 44
2.2.2 Clasificación de los modelos de propagación ... 45
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2.4 MODELO OKUMURA ... 49
2.5 MODELO OKUMURA-HATA ... 51
2.6 MODELO COST 231 ... 51
2.7 MODELO INTERINO DE LA UNIVERSIDAD DE STANFORD ... 53
2.8 MODELO SAKAGAMI ... 55
2.9 MODELO DE ERCEG ... 56
2.10 MODELO ECC-33 ... 57
2.11 MODELO ERICSSON 9999 ... 58
3 COMPARACIÓN ENTRE MODELOS DE PROPAGACIÓN ... 60
3.1 DESCRIPCIÓN DEL ÁREA DEL ESTUDIO ... 60
3.1.1 Tamaño de la ciudad ... 62
3.1.2 Tipos de área... 63
3.1.3 Ancho de las calles ... 64
3.1.4 Altura de las construcciones ... 66
3.1.5 Porcentaje de la construcción ... 69
3.1.6 Altura de las antenas de transmisión ... 69
3.2 Cálculos de la pérdida de propagación ... 71
3.2.1 MODELO DE OKUMURA ... 73
3.2.2 MODELO DE OKUMURA-HATA ... 73
3.2.3 MODELO COST 231-HATA. ... 75
3.2.4 MODELO DE STANDFORD UNIVERSITY INTERIM (SUI)... 77
3.2.5 MODELO DE SAKAGAMI ... 78
3.2.6 MODELO DE ERCEG ... 80
3.2.7 MODELO ECC-33 ... 81
3.2.8 MODELO DE ERICSSON (9999) ... 83
4 CONCLUSIONES ... 88
ANEXOS: LA PROGRAMACIÓN DE LOS MODELOS EN MATLAB ... 89
GLOSARIO ... 96
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ÍNDICE DE FIGURAS
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ÍNDICE DE TABLAS
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OBJETIVOS
Objetivo general: Aplicación de modelos de propagación para sistemas de comunicaciones inalámbricos de área extendida WWAN.
Objetivos particulares:
Describir los parámetros que definen a los modelos de predicción de propagación de ondas electromagnéticas en el espacio libre.
Aplicación de los modelos de propagación en las bandas de frecuencia 2.5GHz, 3.5GHz y 5GHz utilizadas por redes WWAN.
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JUSTIFICACIÓN
Los sistemas de comunicaciones inalámbricas han tenido un gran auge en los últimos años. Estos sistemas requieren cubrir cada vez una mayor cobertura debido a la gran demanda que estos sistemas han tenido. Para estimar la distancia de cobertura es necesario calcular la perdida de propagación a través del medio.
Además, los sistemas inalámbricos han tenido una continua evolución para lograr la convergencia en la trasmisión de voz, datos, imágenes y multimedios. En la actualidad, tenemos el conocimiento de una cuarta generación de los sistemas inalámbricos que busca llevar a cabo esta convergencia, además, de ofrecer entre otras características una mayor velocidad de trasmisión que sus predecesores.
Es importante considerar las pérdidas de propagación que pueden existir en los sistemas de comunicación inalámbrica de cuarta generación, ya que estos sistemas van a implementarse en la mayoría de los países y México no es la excepción. De manera general, las bandas de frecuencia definidas por las normas de las diferentes tecnologías que conforman a los sistemas inalámbricos de cuarta generación se ubican alrededor de 2.5, 3.5 y 5 GHz.
En este trabajo se realiza un análisis teórico de la pérdida de propagación en redes de área amplia inalámbricas (WWAN). Para llevar a cabo este análisis se investigó y se consideraron diferentes modelos de propagación para zonas urbanas.
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Resumen
En este trabajo se presenta una introducción de los principales aspectos de la teoría de propagación de ondas, incluyendo algunos modelos de propagación en zonas urbanas. Es por esto que partimos de lo general a lo particular.
En los primeros dos capítulos se definen las principales características de los sistemas de comunicación inalámbricas y se dan algunos ejemplos, en donde se especifican sus principales aplicaciones y bandas de frecuencia. Posteriormente, introducimos los principales fenómenos que ocurren en la propagación de las ondas electromagnéticas y se describen algunos modelos de propagación urbana.
En el capítulo 3, se aplican los algoritmos que definen los modelos de propagación urbana, principalmente para las frecuencias de 2.5GHz, 3.5GHz y 5GHz. Además, el análisis se hace en dos diferentes zonas: una zona urbana con alta densidad de usuarios (Centro histórico de la Ciudad de México) y otra con baja densidad (Colonia Linda Vista Ciudad de México).
El principal objetivo de este trabajo es comparar los modelos de propagación para evaluar su mejor desempeño en sistemas inalámbricos y proponer el modelo de propagación adecuado para una determinada zona y para una determinada frecuencia.
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CAPITULO I
1
SISTEMAS DE COMUNICACIÓN INALÁMBRICAS
1.1 SISTEMA DE COMUNICACIÓN
La comunicación juega un papel importante y trascendental en las relaciones humanas.
El sistema puede definirse como el conjunto de elementos o componentes debidamente interconectados los cuales permiten la comunicación entre las personas. En resumen la comunicación como sistema es la interacción de dos o más personas comunicándose.
Las comunicaciones han permitido al ser humano compartir sus ideas, pensamientos, creencias e historia a lo largo de los años. También, han sido parte integral del desarrollo humano desde finales del siglo pasado cuando se implementa la red telegráfica y después se comienza a prestar servicio telefónico en algunas ciudades. Estos eventos han generado en el ser humano la necesidad de comunicarse y el teléfono le ha permitido hacerlo de una manera personal. Las comunicaciones en estos principios es el de conectar punto-a-punto los distintos lugares.
Ante esto la comunicación hoy en día es mucho más importante ya que el mundo se basa justamente en la comunicación. Una de las características de las tecnologías es que siguen en evolución por lo que se da lugar a nuevos inventos apareciendo así también nuevas redes de comunicaciones aparecen y con ellas novedosos servicios que se utilizan con el fin de comunicarse. En las décadas de los ochenta y noventa, se desarrollaron diversas formas de comunicación comercial y se obtuvo la posibilidad de establecer enlaces por medio de redes alámbricas y redes inalámbricas. Con esto surgió la necesidad de comunicarse de manera personal y en cualquier lugar donde se pueda. Para poder lograr esto, es necesario que se pueda establecer una comunicación desde cualquier punto donde uno se encuentre, aun así implicando que esta debe ser de forma inalámbrica y que no dependa de un sistema bajo la conexión de cables el cual tenga uno que conectarse en puntos específicos porque limitaría la posibilidad de movimiento del usuario.
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ambiente interior. Se sabe que los sistemas de comunicación inalámbrica de mayor penetración son los de telefonía celular, pero existen otros donde los mismos conceptos de transmisión se aplican como los sistemas de redes locales inalámbricas y los sistemas de comunicaciones.
Los sistemas de comunicación inalámbrica son aquellos los cuales no son unidos por un medio de propagación físico, para este tipo de comunicación se utiliza la modulación de ondas electromagnéticas a través del espacio.
Los dispositivos físicos solo están presentes en los emisores y receptores de la señal, como: computadoras, teléfonos móviles y antenas.
La tecnología inalámbrica utiliza en general ondas de radiofrecuencia de baja potencia y una banda específica, de uso libre o privado para transmitir, entre dispositivos. Estas condiciones de libertad de utilización sin necesidad de licencia, ha propiciado que el número de equipos, especialmente computadoras, que utilizan las ondas para conectarse, a través de redes inalámbricas, haya crecido notablemente.
1.2 ELEMENTOS DE UN SISTEMA DE COMUNICACIONES
Como ya se definió anteriormente la comunicación es un proceso por medio del cual la información se envía desde un lugar fuente a otro destino. En este proceso intervienen al menos los siguientes elementos:
Transductor: Dispositivo físico que convierte la información a transmitir o mensaje en una señal eléctrica, óptica, etc. (transductor de entrada), o viceversa, transforma dicha señal recibida en una magnitud sensible a los sentidos (transductor de salida). Algunos ejemplos de transductores en el emisor o fuente son micrófonos, cámaras de video y de T.V. o antenas emisoras, mientras que ejemplos de transductores en el receptor o destino son altavoces, un receptor de T.V., una antena receptora, etc.
Mensaje: Es la información a comunicar. Puede ser en forma de texto, número, audio, gráficos.
Emisor o transmisor: Es el subsistema o dispositivo recibe la señal procedente del transductor de entrada y la acondiciona para ser transmitida. Envía los datos del mensaje. Por ejemplo una computadora, cámara, un teléfono.
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por el transductor de salida (altavoz, video, etc.). Con frecuencia, la atenuación que provoca el medio de transmisión sobre la señal recibida hace necesario el empleo de etapas de amplificación. Después de ser acondicionada, la señal es demodulada y con este proceso se obtiene el mensaje en su forma original. Medio o canal de transmisión: Es el camino físico por el cual viaja la señal
precedente del emisor con destino al receptor. Es frecuente clasificar los medios de transmisión en guiados y no guiados. Los primeros establecen una comunicación punto a punto entre emisor y receptor, mientras que los segundos permiten enviar información de modo difundido. Según esta clasificación los medios pueden ser:
1. Guiados: Establecen una comunicación punto a punto entre emisor y receptor. Los medios guiados más utilizados son: de tipo eléctrico (cable bifilar, coaxial, guía de onda, etc.) y de tipo óptico (fibra óptica).
2. No guiados: La comunicación es difundida. Algunos tipos son: Medio radioeléctrico (vacío, aire, etc.), medio acústico y Ondas de luz (infrarrojos).
| COMPARACIÓN DE MODELOS DE PROPAGACIÓN URBANA PARA SISTEMAS INALAMBRICOS 12 Figura 1.1 Elementos de un sistema de comunicaciones.
1.2.1 COMPONENTES DE UNA RED INALÁMBRICA
Una red inalámbrica es aquella que posibilita la conexión de dos o más equipos entre sí, sin que intervengan cables. Esta red requiere de componentes especiales para su funcionamiento, a continuación se presentan algunos de ellos:
Antena - Un elemento del sistema inalámbrico que convierte energía eléctrica a ondas radiales inalámbricas y viceversa, y las emite o recibe. En la Figura 1.2 se muestran algunas antenas que se utilizan en redes inalámbricas.
Figura 1.2 Tipos de Antenas.
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alámbricas a inalámbricas, y viceversa. El PA se conecta a las antenas y también a la red LAN.
Repetidor: Una estación de base instalada para aumentar el alcance de comunicación móvil "repitiendo" todo lo que escucha en su frecuencia receptora y lo pasa a frecuencia de transmisión. En un sistema inalámbrico dentro de un edificio, un repetidor generalmente consiste en una antena externa de alta ganancia combinada con un amplificador de señal bidireccional.
Sistema de Antenas Distribuidas (DAS): Una red de elementos que reciben una señal radiada y la distribuyen mediante cableado sobre un área y después la radian en diferentes puntos dentro de un recinto. Las DAS se emplean dentro de un edificio para distribuir las señal de radiofrecuencia a usuarios ambulantes.
Bridge inalámbrico: Los puentes inalámbricos son diseñados para conectar dos o más redes. Hay dos tipos de puentes inalámbricos, punto-a-punto y punto-a-múltiples puntos.
Router inalámbrico: Es un dispositivo que interconecta redes inalámbricas (WLAN) y permite proveer de servicios a los equipos que hagan la petición. También permite determinar caminos alternos para que los datos fluyan de manera más eficiente en la red WLAN. En la Figura 1.3 se muestra un router inalámbrico.
Figura 1.3 Router inalámbrico.
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Figura 1.4 Router inalámbrico.
1.3 CONCEPTO DE CELDA
Es el área de cobertura de una estación base, generalmente está representada de forma hexagonal. La zona a la que se quiere dar servicio se divide en un conjunto de celdas.
Una celda es un área geográfica cubierta por señales RF.
La fuente de radiofrecuencia está localizada en el centro de la celda. La forma y tamaño de la celda depende de muchos parámetros:
1. La potencia de transmisión.
2. La ganancia y el patrón de radiación de la antena. 3. El ambiente de propagación.
Para determinar los límites reales de una celda se utiliza el nivel de recepción de la señal (RSL: Receive Signal Level). El cual se establece en el borde de la celda con una potencia de -90dBm. Por lo tanto, una celda es prácticamente irregular. Y cada estación base tiene diferente potencia de transmisión.
| COMPARACIÓN DE MODELOS DE PROPAGACIÓN URBANA PARA SISTEMAS INALAMBRICOS 15 Figura 1.5 Área de cobertura de una celda celular.
Celda práctica y analítica
[image:15.612.171.442.71.274.2]Las células son irregulares en la práctica, pero para una mejor planeación se utilizan las células teóricas, en la figura 1.6 podemos ver la diferencia en sus bordes. Ya que una celda práctica es irregular y la fuerza de la señal es idéntica en el borde de la célula, tiene un RSL igual en todo el perímetro de la célula, además la forma adoptada para representarla es hexagonal. Esta forma se ha escogido dado que es la mejor aproximación a la forma circular.
Figura 1.6 Gráficos de una celda teórica practica.
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(1.1)
En la figura 1.7 se muestra la representación de la ecuación 1.1.
Figura 1.7 Grafica de la ecuación 1.1.
Dos células hexagonales adyacentes son equivalentes a dos círculos solapados. En esta región es donde se realiza el handover.
1.3.1. Arreglo de celdas
| COMPARACIÓN DE MODELOS DE PROPAGACIÓN URBANA PARA SISTEMAS INALAMBRICOS 17 Figura 1.8 División celular.
La genialidad del teléfono celular reside en que una ciudad puede ser dividida en pequeñas "células" (o celdas) que permiten extender su cobertura en toda una ciudad. Cada célula puede ser de un tamaño de hasta . Las células se representan como hexágonos en un campo hexagonal grande, como se muestra en el conjunto de celdas de la Figura 1.8 y 1.9.
Cada celda de un sistema celular utiliza un séptimo de los canales de voz disponibles. Esto es, una de las celdas, más las seis celdas que la rodean en un arreglo hexagonal. Cada celda tiene un grupo único de frecuencias para evitar interferencias y colisiones entre celdas adyacentes. Esta configuración puede verse en forma gráfica en la Figura 1.10.
Sin embargo, el tamaño de las células puede variar dependiendo de las características del lugar en que se encuentre.
| COMPARACIÓN DE MODELOS DE PROPAGACIÓN URBANA PARA SISTEMAS INALAMBRICOS 18 Figura 1.9 División celular.
En zonas muy densamente pobladas o áreas con muchos obstáculos (como edificios altos), las células pueden concentrarse en distancias cada vez menores. Los edificios pueden, a su vez, interferir con el envío de las señales entre las células que se
encuentren más lejanas, por lo que algunos edificios tienen su propia "microcélula .
Figura 1.10 Sistema análogo de la división celular.
[image:18.612.104.513.393.598.2]| COMPARACIÓN DE MODELOS DE PROPAGACIÓN URBANA PARA SISTEMAS INALAMBRICOS 19
Debido a que los teléfonos celulares y las estaciones base utilizan transmisores de baja potencia, las mismas frecuencias pueden ser reutilizadas en células no adyacentes. Los transmisores de baja potencia tienen las siguientes ventajas:
1 El consumo de energía del teléfono, que normalmente opera con baterías, es relativamente bajo.
2 Esto hace posible que existan teléfonos que puedan caber en la mano.
3 A su vez aumenta el tiempo de uso del teléfono entre carga y descarga de la batería.
1.4 TIPOS DE CELDA
La densidad de población en un país es muy variada, por lo tanto, se hace necesario emplear distintos tipos de celdas, tal como:
Macroceldas: Son celdas de gran cobertura que son utilizadas en áreas con población dispersa. El radio de la celda está entre 1 a 35Km. La distancia depende del tipo de terreno y las condiciones de propagación. Este tipo de celda se emplean en áreas de baja densidad de población.
Microceldas: Estas celdas son usadas para áreas densamente pobladas. En este caso, cada región se divide en pequeñas áreas, el número de canales disponibles aumenta, así como la capacidad de las celdas. El nivel de potencia de los transmisores utilizados en estas celdas es menor, reduciendo la posibilidad de interferencia entre celdas vecinas. El radio de las celdas se encuentre entre 200 m a 1000 m y se aplica en zonas urbanas y suburbanas.
Picoceldas: Se aplica principalmente en interiores, las cuales son zonas de
oscuridad de una celda mayor y en áreas de muy alta densidad de usuarios. El radio de estas celdas es de 20m a 500m, la velocidad máxima de movilidad de los usuarios es de 10Km/h y la potencia de transmisión es extremadamente baja. En la Figura 1.11 se ilustran diferentes tipos de celdas.
Celdas Selectivas: No siempre es de utilidad definir celdas con una cobertura de 360 grados. En algunos casos, celdas con una forma particular de cobertura son necesarias. Un ejemplo típico de celdas selectivas son las ubicadas a la entrada de un túnel donde la cobertura de 360 grados no es necesaria.
Celdas Paraguas: En una trayectoria definida por una carretera o autopista se puede cruzar pequeñas celdas, las cuales producen un gran número de handoffs
| COMPARACIÓN DE MODELOS DE PROPAGACIÓN URBANA PARA SISTEMAS INALAMBRICOS 20 Figura 1.11 Distintos tipos de celdas.
1.5 VENTAJAS DE UN SISTEMA CELULAR
Las ventajas de un sistema celular que trataremos son las siguientes: cobertura, movilidad, handoff, capacidad, calidad, diseño de las celdas, flexibilidad y compatibilidad.
Cobertura
| COMPARACIÓN DE MODELOS DE PROPAGACIÓN URBANA PARA SISTEMAS INALAMBRICOS 21 Movilidad
El concepto de movilidad hace referencia a como la red soporta los cambios en la localización física y lógica de los usuarios. La movilidad en las telecomunicaciones ha estado generalmente asociada a la utilización del medio de transmisión, por ejemplo, desde las redes fijas (cableadas) se ha podido soportar un cierto grado de movilidad, especialmente con la introducción de las centrales digitales que soportan funciones como el desvío de llamada. Sin embargo, lo normal es considerar que un usuario accede a los servicios de telecomunicaciones fijas desde un único punto de acceso (el número de teléfono, por ejemplo, identifica un punto de terminación de la red, no a un usuario).
La introducción de la inteligencia de red (Intelligent Network, IN) como plataforma
para la provisión de servicios avanzados dio lugar a que se empezara a distinguir entre dos tipos de movilidad:
1. La movilidad personal. Este tipo de movilidad tiene como objetivo soportar el
acceso de los usuarios a los servicios de telecomunicaciones ofrecidos por distintos tipos de redes y de terminales, y por los dispositivos de acceso a las mismas. Se basa en la utilización de un identificador personal, no ligado a una terminal o punto de acceso en concreto, y en la existencia de un perfil del usuario en el que se recogen sus preferencias y el tipo de servicios a los que está suscrito. En teoría, la movilidad personal puede darse tanto en las redes fijas como en las móviles.
2. La movilidad de la terminal. Este otro tipo de movilidad está asociado a la
utilización de los canales de radiofrecuencia como medio de transmisión en la red de acceso. Sin embargo, no todas las redes de acceso basadas en radiofrecuencia soportan el mismo nivel de movilidad. Entre los niveles de movilidad que se pueden distinguir están:
La movilidad local. Es la que soporta, por ejemplo, un teléfono inalámbrico o
un punto de acceso WLAN. Permite al usuario acceder a los servicios desde distintas posiciones siempre que éstas estén dentro del área de cobertura de la estación base o punto de acceso.
La movilidad nómada . Es la que permite acceder a los servicios desde
| COMPARACIÓN DE MODELOS DE PROPAGACIÓN URBANA PARA SISTEMAS INALAMBRICOS 22
La movilidad celular. Es la que permite la transferencia de la conexión entre
diferentes puntos de acceso de una misma red. Esta puede abarcar desde una planta de un edificio hasta un país entero.
La movilidad global. Es la que permite la movilidad entre distintas redes de
distintos operadores, ya sea que se utilice la misma tecnología, o bien que se emplee otra diferente. Se identifican tres funcionalidades básicas para el soporte de la movilidad (tal y como se proporciona en las redes móviles actuales):
i. La itinerancia (roaming). La itinerancia permite a un usuario acceder a los
servicios desde redes de distintos operadores o proveedores de servicios, siempre y cuando existan acuerdos entre ellos. Es frecuente distinguir entre itinerancia nacional e internacional (en función de que las redes que ofrecen el servicio pertenezcan a operadores del un mismo o distinto país) e itinerancia entre redes que utilizan distintas tecnologías.
ii. El traspaso (handoff o handover): El handoff es el proceso de pasar una
llamada de un canal de voz de una celda a un nuevo canal en otra celda o en la misma, a medida que el usuario se mueve a través de la red. El manejo del handoff garantiza la continuidad de las comunicaciones tanto de voz como de imágenes y datos, caso en el que es muy crítica la pérdida de información.
iii. El soporte a la localización. Esta funcionalidad se divide, a su vez, en otras
dos:
La funcionalidad de localización, que es el procedimiento que emplea la
red para localizar el punto de acceso más adecuado para el establecimiento de la conexión cuando hay una llamada dirigida a la terminal.
La funcionalidad de actualización de la localización, que es el
procedimiento mediante el cual la red se mantiene informada de cuál es la localización aproximada de los usuarios.
Capacidad
| COMPARACIÓN DE MODELOS DE PROPAGACIÓN URBANA PARA SISTEMAS INALAMBRICOS 23
control de potencia, saltos de frecuencia, algoritmos de codificación, diversidad de antenas en la estación móvil, etc.
Calidad
Uno de los parámetros a tener en cuenta para establecer las diferencias entre un sistema u otro, se refiere a la medida de calidad del servicio prestado. Algunas de las consideraciones que el usuario debe tener en cuenta a la hora de contratar a un servicio de telefonía móvil tienen que ver con el precio y las características de operación del dispositivo portátil, la disponibilidad de una variedad de servicios, la duración de la batería, la cobertura geográfica y la posibilidad de disfrutar el servicio en áreas diferentes a la que está inscrito, así como la calidad de transmisión de voz y datos. Por otra parte, la calidad es un factor de especial atención desde el punto de vista de los operadores, pues es conveniente lograr la rentabilidad de sus negocios paralelamente a la satisfacción de sus clientes, al dimensionar óptimamente las redes con la adecuada relación costo/beneficio, al reducir los costos de operación y mantenimiento, al utilizar eficientemente el espectro radioeléctrico, y al disponer de mecanismos que permitan mejorar la operación del sistema de acuerdo con los nuevos avances tecnológicos que surjan.
Diseño de las celdas
La estructura de las redes inalámbricas se diseña teniendo presente la necesidad de superar los obstáculos y manejar las características propias de la radiopropagación. Disponer de un radio enlace directo para cada suscriptor, predecir las características de la señal en zonas urbanas donde la densidad de suscriptores es alta y las edificaciones tienen gran influencia en la propagación, son factores que establecen limitaciones fundamentales en el diseño y ejecución de los sistemas inalámbricos orientados a las necesidades personales y empresariales. Los mecanismos que gobiernan la radiopropagación son complejos y diversos, y generalmente se atribuyen a fenómenos que sufren las ondas electromagnéticas en su transporte, tales como reflexión, difracción, dispersión y en general pérdidas de propagación. Los requerimientos para reducir el efecto de estos fenómenos en las comunicaciones son definidos de diversas maneras dependiendo de la tecnología utilizada.
| COMPARACIÓN DE MODELOS DE PROPAGACIÓN URBANA PARA SISTEMAS INALAMBRICOS 24
estaciones base presentarán diferentes alturas y potencias de transmisión. De allí surgen las definiciones de sistemas con macroceldas, microceldas y picoceldas.
Flexibilidad y compatibilidad
Debido a la interacción con redes de diferente tipo que debe soportar una red con cubrimiento global, ésta debe permitir realizar cambios en su estructura inicial sin causar un mal en el funcionamiento.
1.6 EJEMPLOS DE SISTEMAS INALAMBRICOS
Los sistemas inalámbricos se han posicionado en el mercado como un complemento y una alternativa en los tradicionales sistemas basados en cableado estructurado y fibra óptica.
Algunas ventajas que presentan los sistemas inalámbricos son:
No requieren licencia para operar.
Proporcionan bajo costos de instalación.
Proporcionan bajo costos de operación y mantenimiento.
Movilidad, flexibilidad, conectividad, rendimiento y escalabilidad.
Estos sistemas permiten su implementación en ambientes interiores y exteriores.
1.6.1 Wimax: IEEE 802.16
Wi-Max, (Worldwide Interoperability for Microwave Access, Interoperabilidad mundial para acceso por microondas) (IEEE 802.16)
Es un sistema que permite la transmisión inalámbrica de voz, datos y video en áreas de hasta 48 kilómetros de radio. Se proyectó como una alternativa inalámbrica al acceso de banda ancha ADSL y cable, y una forma de conectar nodos Wi-Fi en una red de área metropolitana. Research and Markets ha hecho su estudio de futuro y prevé que para el año 2009 haya 15 millones de usuarios de esta tecnología móvil.
WIMAX tiene una velocidad de transmisión mayor que la de Wi-Fi, y dependiendo del ancho de banda disponible, con tasas transferencia de 70 Mbps comparado con los 54 Mbps, como óptimo, que puede proporcionar el sistema Wi-Fi.
| COMPARACIÓN DE MODELOS DE PROPAGACIÓN URBANA PARA SISTEMAS INALAMBRICOS 25
estándar inicial 802.16 se encontraba en la banda de frecuencias de 10-66 Gigahertz. La nueva versión 802.16a, de marzo de 2003, usa una banda del espectro radioeléctrico más estrecha y baja, de 2-11 Gigahertz. En el estado español esta red inalámbrica funciona en las bandas de 5,4-5,8 Ghz.
Esta tecnología de acceso transforma las señales de voz y datos en ondas de radio dentro de la citada banda de frecuencias. Está basada en OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing / Multiplexaje por División de Frecuencias Ortogonales) con 256 subportadoras que puede cubrir un área de 48Km, con una capacidad de transmisión de datos hasta 75 Mbps.
El desarrollo de WiMAX no es algo que sustituya a Wi-Fi o compita con ello, sino algo complementario: una red WiMAX se puede utilizar para proporcionar acceso inalámbrico a una zona amplia en la que se despliegan redes Wi-Fi, solucionando así la dificultad del acceso al último tramo hasta el domicilio del usuario.
En la Tabla 1.1 se muestran los estándares WiMAX más conocidos:
Estándar WiMAX Aprobado Frecuencia Finalidad
IEEE 802.16 Dic. 2001 10-66 GHz
IEEE 802.16a Ene. 2003 2-11 GHz Banda Ancha Fija
IEEE 802.16-2004 Jun. 2004 2-66 GHz Soporte para
usuarios IEEE 802.16e-2005 Dic. 2005 2-6 GHz Añadir Movilidad
Tabla 1.1 Estándares WiMAX.
1.6.2 EL ESTÁNDAR IEEE 802.11
El estándar IEEE 802.11 define el uso de los dos niveles inferiores del modelo OSI, capa física y de enlace de datos, especificando sus normas de funcionamiento en una red LAN inalámbrica. Los protocolos definidos para la norma 802.x definen la tecnología de redes de área local y redes de área metropolitana.
| COMPARACIÓN DE MODELOS DE PROPAGACIÓN URBANA PARA SISTEMAS INALAMBRICOS 26
El estándar original especifica el uso del protocolo CSMA/CA (Acceso Múltiple con Detección de Portadora y Prevención de Colisiones) como método de acceso. Una parte importante de la velocidad de transmisión teórica se utiliza en la codificación del método de acceso para mejorar la calidad de la transmisión bajo diversas condiciones ambientales, lo cual se tradujo en dificultades de interoperabilidad entre equipos de diferentes marcas. Estas y otras debilidades fueron corregidas en el estándar 802.11b, que fue el primero de esta familia en alcanzar amplia aceptación entre los consumidores.
Protocolo IEEE 802.11b
Opera en la banda de los 2,4 GHz y permite alcanzar velocidades binarias teóricas de 11 Mbps. Incorpora un protocolo de seguridad de las comunicaciones, el WEP o Wired Equivalent Privacy (privacidad análoga a redes cableadas).
Protocolo IEEE 802.11a
| COMPARACIÓN DE MODELOS DE PROPAGACIÓN URBANA PARA SISTEMAS INALAMBRICOS 27 Figura 1.12 Estándares para Wi-Fi y WiMAX.
Protocolo IEEE 802.11g
Este estándar ratificado en el año 2003 garantiza la compatibilidad con los dispositivos IEEE 802.11b y ofrece unas velocidades de hasta 54 Mbps, al igual que el estándar IEEE 802.11a. Funciona dentro de la banda de frecuencias de 2.4 GHz con modulación DSSS y OFDM.
En la Tabla 1.2 se presenta un resumen de las características más significativas de los distintos estándares descritos para Wi-Fi.
IEEE 802.11n
Adicionalmente a los estándares anteriores, actualmente se encuentra en fase de desarrollo el estándar IEEE 802.11n. Este estándar es una propuesta de mejora del estándar IEEE 802.11b. En enero de 2004, la IEEE anunció la formación del grupo de trabajo IEEE 802.11n. Su principal objetivo es ofrecer una mayor velocidad de transmisión en redes WLAN, con el objetivo inicial de alcanzar los 100 Mbps. En la actualidad existe una propuesta promovida por el consorcio EWC (Enhanced Wireless Consortium), que está trabajando en la misma línea pero en un estándar que ofrecerá 600 Mbps de velocidad. La fuerza de las dos propuestas esta en el uso de la tecnología MIMO (Multiple Input Multiple Output).
IEEE 802.11 IEEE 802.11b IEEE 802.11a IEEE 802.11g
Fecha 1997 1999 2000 2003
Banda 2.4 GHz 2.4 GHz 5.8 GHz 2.4 GHz
Velocidad de transmisión 1,2 Mbps 1,2,5.5 y 11 Mbps 6,9,12,18,24,36, 48,54 Mbps 1,2,5.5,6,9,11,1 2,18,24,36,48,5 4 Mbps
Modulación DHSS, FHSS DHSS OFDM OFDM
Compatibilidad Compatibilidad con IEEE 802.11 No es compatible con ningún otro estándar Compatible con IEEE 802.11 y
IEEE 802.11b
| COMPARACIÓN DE MODELOS DE PROPAGACIÓN URBANA PARA SISTEMAS INALAMBRICOS 28 1.6.3 MBWA: IEEE 802.20 Mobile Broadband Wireless Access)
)EEE 02.20 es un estándar que fue desarrollado por el grupo de trabajo Mobile
Broadband Wireless Access MBWA WorkGroup para proporcionar una acceso inalámbrico de banda ancha móvil. IEEE 802.20 fue creado con el fin de facilitar la implementación a nivel mundial de redes inalámbricas de banda ancha para usuarios móviles mediante el uso de equipos de diferentes fabricantes que puedan ser interoperables entre sí. Algunas características que presenta este sistema de comunicación se presentan a continuación.
• Movilidad soportada hasta los 250 Km/h.
• Bandas de frecuencia licenciadas inferiores a 3.5 GHz. • Baja latencia.
• Co-implementación con sistemas existentes.
• Interoperabilidad con otras tecnologías de radio.
• Soporte transparente de aplicaciones en tiempo real y No real. • Conectividad ininterrumpida alwayson .
• Interfaz de aire basada en paquetes.
• Optimizada para el transporte de datos IP con velocidades de transmisión superiores a 1 Mbps.
Gracias a sus características MBWA ofrece una grande flexibilidad para prestar servicios de datos y voz en áreas rurales y en áreas metropolitanas con alta densidad de población. Asegurando en ambos casos que los usuarios cuenten con la capacidad de disfrutar el servicio de internet de alta velocidad y de servicios de voz sobre protocolos de internet IP (VoIP) de alta calidad en entornos fijos, portátiles y móviles.
1.7 BANDA DE FRECUENCIAS PARA SISTEMAS DE CUARTA GENERACION
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[image:29.612.150.466.119.322.2]colección de tecnologías y protocolos que permiten el máximo rendimiento de procesamiento con la red inalámbrica más barata.
Figura 1.13 Diagrama de compatibilidad entre el sistema Wi-Fi y WiMAX.
Algunas facilidades como el acceso a Internet en banda ultra-ancha, telefonía IP, servicio de juegos en línea y acceso a multimedia pueden ser brindadas al usuario.
| COMPARACIÓN DE MODELOS DE PROPAGACIÓN URBANA PARA SISTEMAS INALAMBRICOS 30 Figura 1.14 Características de las tecnologías móviles.
Los requerimientos de 4G están definidos por el IMT-Advanced (International Mobile Telecommunications Advanced). De manera general, estos requerimientos se mencionan a continuación:
Compartir y utilizar los recursos de la red de manera dinámica para soportar un mayor número de usuarios por celda.
Ofrecer una tasa de transmisión de 100 Mbit/s a usuarios con una movilidad relativamente alta y de 1 Gbit/s a usuarios en reposo.
Las tasas máximas previstas con movilidad, tal como se observa en la Figura 1.11, son de 100 Mbps en enlace descendente y 50 Mbps en enlace ascendente (con un ancho de banda en ambos sentidos de 20 MHz).
El ancho de banda debe ser escalable, entre 5 y 20MHz hasta 40MHz opcionalmente.
| COMPARACIÓN DE MODELOS DE PROPAGACIÓN URBANA PARA SISTEMAS INALAMBRICOS 31
2.
PROPAGACIÓN DE LAS ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS
2.1 MECANISMOS DE PROPAGACIÓN
Por mecanismos de propagación se entienden los procesos físicos que intervienen en la propagación de las ondas electromagnéticas: principalmente reflexión, refracción, dispersión, difracción, atenuación.
El caso más simple de propagación radioeléctrica se tiene cuando la onda viaja entre el transmisor y el receptor en el espacio libre, tomando en cuenta una región cuyas propiedades son isotrópicas, homogéneas y sin pérdidas. En estas condiciones, las ondas electromagnéticas no encuentran obstáculos con que interactuar y, en una primera aproximación, esta definición se aplica al espacio extraterrestre. En el espacio libre es válido asumir que las ondas electromagnéticas se propagan en línea recta entre el transmisor y el receptor y se le designa como ondas directas. Esta forma de propagación por onda directa se da en sistemas en que el transmisor y el receptor están suficientemente alejados de la superficie terrestre y las antenas son suficientemente direccionales como para que la energía radiada fuera de la trayectoria directa no sea significativa, como en el caso de los radioenlaces terrestres de microondas particularmente en los sistemas de comunicaciones por satélite o con otro tipo de vehículos espaciales. En el caso de comunicaciones por onda directa a través de la atmosfera, incluyendo los radioenlaces de microondas y las comunicaciones espaciales, la onda directa puede sufrir refracción, difracción, dispersión y rotación del plano de polarización. A frecuencias superiores a unos 8GHz, puede sufrir también atenuación por lluvia y absorción por vapor de agua (alrededor de los 23GHz) y oxigeno molecular (alrededor de los 60 GHz).
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En la porción superior de la atmosfera, desde alrededor de unos 60Km de altura hasta alrededor de 1000Km, la densidad de los gases atmosféricos es baja y la separación entre las moléculas es grande de modo que la radiación solar interacciona produciendo gran cantidad de electrones libres que, debido a la baja densidad del gas, no se recombinan fácilmente por lo que esa región de la atmosfera superior se mantiene ionizada y de ahí su designación de ionosfera. Aunque el mecanismo principal que afecta a la propagación en la ionosfera es la refracción, el efecto global es de reflexión y las ondas electromagnéticas de frecuencias inferiores a unos 30MHz que incide sobre la ionosfera desde la tierra son reflejadas hacia ella, permitiendo la comunicación radioeléctrica a grandes distancias.
Las ondas incidentes sobre la ionosfera y las reflejadas por ella pueden alcanzar distancias de hasta 4000Km con una sola reflexión o salto. Sin embargo las ondas reflejadas por la ionosfera inciden sobre la tierra y son de nuevo parcialmente reflejadas por esta, volviendo a incidir de nuevo sobre la ionosfera y reflejándose de nuevo por esta. Como consecuencia de estas reflexiones múltiples, las ondas ionosféricas u ondas de cielo pueden propagarse a lo largo de toda la circunferencia terrestre. Por ejemplo la comunicación entre continente americano y Europa puede conseguirse con dos saltos ionosféricos.
[image:32.612.99.525.438.673.2]Tanto la troposfera como la ionosfera son medios altamente variables, en que se tienen tanto variaciones lentas como rápidas, que dan lugar a desvanecimientos más o menos severos de las señales transmitidas.
| COMPARACIÓN DE MODELOS DE PROPAGACIÓN URBANA PARA SISTEMAS INALAMBRICOS 33 2.1.1 Reflexión
La reflexión de una onda es el rebote que la onda experimenta cuando llega a un obstáculo grande, como una pared. Aunque el obstáculo absorba parte de la energía recibida (incluso vibrando si entra en resonancia) se produce también reflexión donde se transmite de regreso parte de la energía a las partículas del medio incidente.
En la Figura 2.2 se representa un frente de ondas plano llegando a una superficie horizontal con un cierto ángulo i de incidencia (se mide con respecto a la dirección
normal, N). De acuerdo con el principio de Huygens, cuando el frente de ondas empieza a "tocar" la superficie, el punto A se convierte en un nuevo foco que emite ondas secundarias y con el transcurso del tiempo el frente AB va incidiendo. Este comportamiento se repite en todos los puntos de la superficie comprendidos entre A y C. El frente de ondas reflejado, DC, es la envolvente de las ondas secundarias que se emiten durante un tiempo durante el periodo del tramo AC de la pared.
Figura 2.2 Reflexión de la onda.
2.1.2 Refracción
La refracción de una onda consiste en el cambio de dirección que experimenta cuando pasa de un medio a otro distinto. Este cambio de dirección se produce como consecuencia de la diferente velocidad de propagación que tiene la onda en ambos medios.
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[image:34.612.215.397.172.352.2]segundo medio es menor, la envolvente de las ondas secundarias transmitidas conforma un frente de ondas EC, en el que el punto E está más próximo a la superficie de separación que el B. En consecuencia, al pasar al segundo medio los rayos se desvían acercándose a la dirección normal N.
Figura 2.3 Refracción de la onda.
Mediante un razonamiento similar se comprueba que la desviación de la dirección de propagación tiene lugar en sentido contrario cuando la onda viaja de un medio donde su velocidad de propagación es menor a otro en el que es mayor.
Para describir formalmente la refracción de ondas luminosas (no mecánicas) se define el índice de refracción de un medio, n, indicando el número de veces que la velocidad
de la luz es mayor en el vacío que en ese medio. Es decir, el índice de refracción es igual a 1 en el vacío (donde la luz tiene su máxima velocidad, 300000 Km/s) y mayor que la unidad en cualquier otro medio.
Normalmente la reflexión y la refracción se producen de forma simultánea. Cuando incide una onda sobre la superficie de separación entre dos medios, los puntos de esa superficie actúan como focos secundarios, que transmite la vibración en todas las direcciones y forman frentes de onda reflejados y refractados. La energía y la intensidad de la onda incidente se reparte entre ambos procesos (reflexión y refracción) en una determinada proporción.
| COMPARACIÓN DE MODELOS DE PROPAGACIÓN URBANA PARA SISTEMAS INALAMBRICOS 35
La ley de Snell (también conocida como ley de Descartes o ley de la difracción), describe la relación entre el ángulo de incidencia y el ángulo refractado cuando las ondas electromagnéticas pasan por un límite entre dos medios diferentes, por ejemplo el agua y el cristal. Esta ley dice que el cociente de senos de los ángulos de incidencia y refractado es una constante que depende de los medios.
La ley de Snell es una fórmula simple utilizada para calcular el ángulo de refracción de la luz al atravesar la superficie de separación entre dos medios de índice de refracción distinto. El nombre proviene de su descubridor, el matemático holandés Willebrord Van Roijen Snell (1580-1626).
La ley de Snell dice que el producto del índice de refracción por el seno del ángulo de incidencia es constante para cualquier rayo de luz que incida sobre la superficie que separa a los dos medios. Aunque la ley de Snell fue formulada para explicar los fenómenos de refracción de la luz se puede aplicar a todo tipo de ondas que atraviesa a una superficie de separación entre dos medios en donde la velocidad de propagación de la onda varía.
Si consideramos dos medios caracterizados por índices de refracción n1 y n2 separados por una superficie S y en los cuales n2>n1. Los rayos de luz que atraviesan los dos medios se refractan en la superficie variando su dirección de propagación en función de la diferencia entre los índices de refracción n1 y n2.
Un rayo de luz con un ángulo de incidencia θ1 sobre el primer medio, ángulo entre la normal y la dirección de propagación del rayo, se propaga en el segundo medio con un
ángulo de refracción θ2 cuyo valor se obtiene por medio de la ley de Snell.
sin θ 2sin θ2 (2.1)
En el caso en que θ = 0° (rayo incidente de forma perpendicular a la superficie) el rayo refractado emerge con un ángulo θ2=0° para cualquier y 2. Es decir los rayos
que inciden perpendicularmente a un medio no se refractan.
La simetría de la ley de Snell implica que las trayectorias de los rayos de luz son reversibles. Es decir, si un rayo incidente sobre la superficie de separación con un ángulo de incidencia θ se refracta sobre el medio con un ángulo de refracción θ2, entonces un rayo incidente en la dirección opuesta desde el segundo medio con un ángulo de incidencia θ2 se refracta sobre el primer medio con un ángulo θ .
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la superficie. La velocidad de la luz en el medio con mayor índice de refracción es siempre menor.
La ley de Snell se puede derivar a partir del principio de Fermat, que indica que la trayectoria de la luz es aquella en la que los rayos de luz necesitan menos tiempo para ir de un punto a otro.
Si consideremos dos medios caracterizados por índices de refracción n1 y n2 separados por una superficie S y en los cuales n2>n1. Los rayos de luz que atraviesen los dos medios se refractarán en la superficie variando su dirección de propagación dependiendo de la diferencia entre los índices de refracción n1 y n2.
Un rayo de luz con un ángulo de incidencia θ1 sobre el primer medio, ángulo entre la normal y la dirección de propagación del rayo, se propaga en el segundo medio con un
ángulo de refracción θ2 cuyo valor se obtiene por medio de la ley de Snell.
En el caso en que θ =0° (rayo incidente de forma perpendicular a la superficie) el rayo refractado emerge con un ángulo θ2=0° para cualquier y 2. Es decir los rayos que inciden perpendicularmente a un medio no se refractan.
La simetría de la ley de Snell implica que las trayectorias de los rayos de luz son reversibles. Es decir, si un rayo incidente sobre la superficie de separación con un ángulo de incidencia θ se refracta sobre el medio con un ángulo de refracción θ2, entonces un rayo incidente en la dirección opuesta desde el segundo medio con un ángulo de incidencia θ2 se refracta sobre el primer medio con un ángulo θ .
Una regla cualitativa para determinar la dirección de refracción es que el rayo del medio con mayor índice de refracción se acerca siempre a la dirección de la normal a la superficie. La velocidad de la luz en el medio con mayor índice de refracción es siempre menor.
| COMPARACIÓN DE MODELOS DE PROPAGACIÓN URBANA PARA SISTEMAS INALAMBRICOS 37 Figura 2.4 Reflexión interna total.
Un rayo de luz que se propaga en un medio con un índice de refracción n1, el cual
incide sobre con un ángulo θ1 con una superficie sobre un medio de índice n2 con
n1>n2, puede reflejarse totalmente en el interior del medio (Figura 2.4) con mayor índice de refracción. Este fenómeno se conoce como reflexión interna total y se
produce con ángulos de incidencia θ1 mayores que un valor crítico cuyo valor es:
sin (2.2)
2.1.3 Dispersión
El fenómeno de absorción e irradiación subsiguiente se denomina dispersión. Puede comprobarse la existencia de la dispersión si se hace pasar un haz de luz a través de un recipiente con agua a la que se ha añadido una pequeña cantidad de leche en polvo. Las partículas de leche absorben la luz y la vuelven a radiar, haciendo visible el haz de luz. De forma análoga, pueden hacerse visibles los haces de laser introduciendo partículas de tiza o de humo en el aire para que la dispersen.
En la Figura 2.5 se muestra un haz de luz inicialmente no polarizada que se mueve a lo largo del eje z y que incide sobre un centro de dispersión (una molécula por ejemplo)
situado en el origen. El campo eléctrico del haz de luz tiene componentes en las dos
direcciones x e y perpendiculares a la dirección de movimiento del haz de luz.
Estos campos provocan oscilaciones en las cargas interiores a las moléculas en el plano z=0, pero no aparece ninguna oscilación en la dirección de z. Estas oscilaciones
| COMPARACIÓN DE MODELOS DE PROPAGACIÓN URBANA PARA SISTEMAS INALAMBRICOS 38 Figura 2.5 Dispersión de la onda.
2.1.4 Difracción
Al interponer en el camino de una onda plana una barrera con una abertura, las vibraciones procedentes de los puntos que están a ambos lados de la abertura no pueden avanzar y detrás de la barrera sólo se observa el envolvente de las ondas que proceden de los focos secundarios que caben por la abertura. En consecuencia, los frentes de onda dejan de ser planos y adquieren una forma curvada o semicircular. Este fenómeno se llama difracción.
[image:38.612.221.394.70.223.2]Para que se observe la difracción es necesario que la rendija sea del mismo tamaño o menor que la longitud de onda. Si es mayor la curvatura de los frentes de onda se produce únicamente en los bordes y puede llegar a no apreciarse, tal como se indica en la Figura 2.6.
Figura 2.6 Difracción de la onda.
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perfiles de frentes de onda casi planos del tamaño de su abertura. Las ondas difractadas en las proximidades de cada borde se amortiguan y por ello la intensidad decae bruscamente desde el máximo.
Figura 2.7 Difracción de la onda.
Un ejemplo de la difracción de las ondas mecánicas que pone en evidencia la influencia del tamaño de las rendijas o de los bordes ocurre cuando se interpone al avance de las olas producidas por el mar una embarcación. Si se tiene un barquito pequeño las olas lo rodean y detrás de él existe un oleaje. Sin embargo, si se tiene un barco muy grande (mucho mayor que la longitud de onda de las olas) sólo se aprecia la difracción en el borde, desde el cual se produce una rápida amortiguación de las olas. Detrás del barco se observa una zona sin oleaje.
Principio de Huygens
En 1678, casi dos siglos antes de los trabajos de Maxwell sobre las ondas electromagnéticas, Christian Huygens (1629-1695) propuso la teoría ondulatoria de la luz. Ésta resulta muy útil para la compresión de muchas propiedades de la luz y otras ondas, ya que no hace referencia a la naturaleza física del fenómeno ondulatorio.
Para estudiar la idea de Huygens, denominada ahora principio de Huygens, resulta
conveniente introducir el concepto de frente de onda. Los frentes de onda son
| COMPARACIÓN DE MODELOS DE PROPAGACIÓN URBANA PARA SISTEMAS INALAMBRICOS 40
sola dirección tiene frentes de onda planos, por lo que se denomina onda plana. Una
recta perpendicular al frente de onda se denomina rayo, e indica la dirección del movimiento de frente de onda. A menudo resulta más fácil dibujar los rayos y no los frentes de onda.
(a) (b)
Figura 2.8 (a) Frentes de onda correspondientes a máximos sucesivos en una onda esférica. (b) Frentes de onda para una onda plana.
El principio de Huygens nos permite hallar la forma y posición futura de un frente de onda a partir de su forma y posición presentes. Dicho principio establece que todo punto de un frente de onda se puede considerar como una fuente de pequeñas ondas esféricas secundarias (vea Figura 2.9). El frente de onda en un instante posterior es la superficie tangente a estas ondas secundarias, es decir, su envolvente.
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[image:41.612.220.391.136.326.2]Las ondas de agua en un estanque poco profundo encuentran una estrecha abertura en un obstáculo. Los frentes de onda circulares se producen a la izquierda de la abertura, tal como se presenta en la Figura 2.10.
Figura 2.10 Principio de Huygens en una abertura.
En el siglo diecinueve, Fresnel y Kirchhoff dieron una formulación matemática rigurosa a las ideas de Huygens, y demostraron que la intensidad de las ondas secundarias es máxima hacia adelante y decrece gradualmente hasta llegar a cero en la dirección opuesta. Así pues, no hay onda hacia atrás.
Zonas de Fresnel
| COMPARACIÓN DE MODELOS DE PROPAGACIÓN URBANA PARA SISTEMAS INALAMBRICOS 42
que hay zonas anulares alrededor de la línea directa de A a B que contribuye a que la señal llegue al punto B.
Hay que tener en cuenta que existen varias zonas de Fresnel, pero a nosotros nos interesa principalmente la primera zona. Si esta zona es bloqueada por un obstáculo, por ejemplo un árbol o un edificio, la señal que llega al destino lejano es atenuada, como se observa en la Figura 2.11. Por lo tanto, cuando planeamos enlaces inalámbricos, debemos asegurar que esta zona este libre de obstáculos. En la práctica, se requiere que al menos el 60% de la primera zona Fresnel este libre.
Figura 2.11 La zona de Fresnel está bloqueada parcialmente en este enlace, aunque la línea visual no está obstruida.
Con la siguiente fórmula se calcular el radio de la primera zona de Fresnel:
(2.3)
Donde:
r es el radio de la primera zona de Fresnel en metros.
d1 y d2 son las distancias desde el obstáculo a los extremos del enlace en
metros.
d es la distancia total del enlace en metros.
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Esta fórmula calcula el radio de la primera zona de Fresnel. Para calcular la altura sobre el terreno, se debe restar este resultado de una línea trazada directamente entre la cima de las dos torres.
Por ejemplo, calculemos el radio de la primera zona de Fresnel a la mitad de un enlace de 2Km, transmitiendo a 2437MHz (802.11b canal 6):
Suponiendo que ambas torres tienen 10 metros de altura, la primera zona de Fresnel va a pasar justo a 2.16 metros sobre el nivel del suelo a la mitad del enlace. Pero, ¿Cuál alta puede ser una estructura en este punto para despejar el 60% de la primera zona?
Al restar este resultado a los 10 metros de altura de las torres, podemos ver que una estructura de 5.30 metros de alto en el centro del enlace permite aun despejar el 60% de la primer zona de Fresnel. Esto es normalmente aceptable, pero en el caso de que hubiera una estructura más alta habría que levantar más nuestras antenas, o cambiar la dirección del enlace para evitar el obstáculo.
2.1.5 Interferencia
En las telecomunicaciones y áreas afines, la interferencia es cualquier proceso que altera, modifica o destruye una señal durante su trayecto en el canal existente entre el emisor y el receptor.
| COMPARACIÓN DE MODELOS DE PROPAGACIÓN URBANA PARA SISTEMAS INALAMBRICOS 44
El principio de superposición de ondas establece que la magnitud del desplazamiento ondulatorio en cualquier punto del medio es igual a la suma de los desplazamientos en ese mismo punto de todas las ondas presentes.
Si la cresta de una onda se produce en un punto de interés mientras que la cresta de otra onda también se encuentra en ese punto (es decir, si ambas ondas están en fase), ambas ondas se interferirán constructivamente, obteniendo una onda de mayor amplitud.
2.2 MODELOS DE PROPAGACIÓN
Los modelos de propagación tienen por finalidad caracterizar en qué medida afecta el medio de propagación a la energía electromagnética transportada por él, entre una antena transmisora y otra receptora. El camino entre receptor y emisor puede variar en múltiples formas debido a la existencia de diferentes obstáculos. Esto hace muy difícil predecir la señal recibida en un determinado punto o analizar el canal de radio. Dada la complejidad de los mecanismos que intervienen en la programación, es literalmente imposible cuantificar los efectos de cada uno de ellos, por tanto lo que se pretende es conseguir una estimación razonable que permita el dimensionamiento adecuado de los sistemas radioeléctricos de comunicaciones.
Los modelos de atenuación son, por lo general, modelos estadísticos basados en la magnitud de la intensidad de campo o en la potencia, que pueden expresarse, gráficamente o matemáticamente.
Cada modelo caracteriza el factor de atenuación. Este planteamiento asume que todos los efectos de los diversos mecanismos de propagación quedan incluidos en ese factor.
2.2.1 Modelos de propagación en redes inalámbricas
Los modelos de propagación de radio se pueden clasificar según la zona de cobertura en dos tipos principales: modelos en exteriores y modelos en interiores. Además, en función del tamaño de la zona de cobertura, los modelos en exteriores se pueden dividir en modelos de propagación para zonas grandes (macro celdas) y zonas pequeñas (micro celdas).
| COMPARACIÓN DE MODELOS DE PROPAGACIÓN URBANA PARA SISTEMAS INALAMBRICOS 45
El campo de la propagación en interiores es relativamente nuevo y las primeras investigaciones son del principio de 1980. La llegada de las WLAN hace todavía más necesario el disponer de modelos en interiores para la predicción de la cobertura.
2.2.2 Clasificación de los modelos de propagación
Un modelo de propagación es un conjunto de expresiones matemáticas, diagramas y algoritmos usados para representar las características de un ambiente dado. Generalmente los modelos de predicción se pueden clasificar en empíricos o estadísticos, teóricos o deterministas o una combinación de estos dos (semi-empíricos).
Mientras que los modelos empíricos o estadísticos se basan en mediciones, los modelos teóricos lo hacen en los principios fundamentales de los fenómenos de propagación de las ondas de radio y a diferencia de los anteriores no se sustentan sobre amplias mediciones sino que disponen de los detalles del entorno con lo que podemos estimar la propagación de la señal.
Dentro de los empíricos (o estadísticos) se pueden citar modelos usados tanto en macro celdas como micro celdas, para escenarios exteriores, como una ciudad o una calle, etc. Son importantes en este grupo el modelo de Okumura, el cual es uno de los más utilizados para zonas urbanas, el modelo de Hata que trata de una fórmula empírica de las gráficas del modelo de Okumura, el COST-231-Walfisch-Ikegami que hace uso del modelo Walfisch-Bertoni o el de Dual-Slope que está basado en el modelo de dos rayos el cual es muy utilizado cuando la antena transmisora se ubica a varias longitudes de onda por encima de la horizontal del plano del suelo. Todos estos modelos se traducen en procedimientos matemáticos simples de implementar aunque su utilización es recomendable cuando no se requiere una precisión elevada.
| COMPARACIÓN DE MODELOS DE PROPAGACIÓN URBANA PARA SISTEMAS INALAMBRICOS 46
Intrínsecamente ligado a la calidad o no de un modelo está la aplicabilidad de este, que depende de las especificaciones o variables que requiere como puede ser: el tipo de terreno (montañoso, ondulado etc.), 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.
Modelos de propagación en exteriores
Dentro de los modelos en exteriores se puede hacer una clasificación con respecto al tamaño del área de cobertura. Así, los modelos que cubren áreas del orden de varias decenas de Km, con emisiones de potencia de varias decenas de watts, desde antenas bastante elevadas, se clasifican como macro-celdas.
Los modelos que cubren áreas del orden de 200 a 1000 metros, con emisiones de potencia del orden de 10mW a 1W y antenas de entre 3 a 10 metros se clasifican como micro-celdas.
Existen una multitud de modelos para macro-celdas, por ejemplo: el modelo de
Bullinngton, el modelo de Okumura, el modelo ITU (CCIR), el modelo de Hata, el
modelo Ericsson 9999, el modelo Lee, el modelo COST 231-Walfisch-Ikegami, el modelo ANN y muchos más.
También hay bastantes modelos para micro-celdas como el modelo de dos rayos, modelos basados en UTD (Uniform Theory of Diffraction), teoría de imágenes múltiples, el modelo Lee para micro-celdas, etc.
Modelos de propagación en interiores
En entornos cerrados, los niveles de señal fluctúan en mayor medida que en entornos abiertos. Esta diferencia se explica en el hecho de que en una localización específica, el campo eléctrico se forma por un número mucho mayor de componentes indirectos que en el caso de un entorno abierto. Los modelos de propagación en interiores difieren de los modelos de propagación tradicionales en dos aspectos:
Las distancias cubiertas son mucho más pequeñas.
| COMPARACIÓN DE MODELOS DE PROPAGACIÓN URBANA PARA SISTEMAS INALAMBRICOS 47
2.3 MODELO DE PROPAGACIÓN EN EL ESPACIO LIBRE
[image:47.612.207.405.162.332.2]En el espacio libre, la energía radiada por una antena omnidireccional se propaga en la superficie de una esfera. El área de la superficie de una esfera de radio d es 4πd2.
Figura 2.12 Diagrama de propagación en el espacio libre por una antena omnidireccional
El modelo de propagación en el espacio libre se utiliza para predecir la potencia de la señal cuando entre el transmisor y el receptor existe una clara línea de vista. Los sistemas de comunicación por satélite y los enlaces de microondas se pueden modelar como propagación en el espacio libre.
Como la mayoría de los modelos de propagación, el modelo de propagación por el espacio libre predice que la potencia recibida decae como función de la distancia de separación entre el transmisor y receptor. La potencia recibida en el espacio libre por una antena receptora, la cual está separada de la antena transmisora una distancia d,
está dada por la ecuación de Friis:
(2.4)
Donde:
Pr (d): Es potencia recibida, la cual está en función de la separación entre el
transmisor y receptor.
Pt: Potencia transmitida.
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Gr: Ganancia de la antena receptora.
λ: Longitud de onda en metros.
d: La distancia de separación en metros.
L: Pérdidas del sistema no atribuibles a la propagación.
La ganancia de la antena está dada por:
(2.5)
La apertura efectiva se relaciona con el tamaño físico de la antena y con la frecuencia de la portadora mediante:
(2.6)
Donde:
f: Es la frecuencia de la portadora en Hz.
: Es la frecuencia de la portadora dada en radianes por segundo.
c: es la velocidad de la luz en metros/segundo.
Los valores de y deben ser expresados en las mismas unidades, y y son cantidades adimensionales. Las pérdidas L son usualmente debidas a la atenuación de
la línea de transmisión, a las pérdidas por filtros, y a las pérdidas de la antena en los sistemas de comunicación. Cuando L=1 significa que no hay pérdidas en el sistema.
Las pérdidas por trayectoria representan la atenuación de la señal como una cantidad positiva medida en dB, y se definen como la diferencia entre la potencia radiada efectiva y la potencia recibida. Puede o no incluir el efecto de la ganancia de las antenas; cuando se incluyen la ecuación es la siguiente:
(2.7)
Cuando la ganancia de las antenas es excluida, se asume que tiene ganancia unitaria y la ecuación se convierte en:
| COMPARACIÓN DE MODELOS DE PROPAGACIÓN URBANA PARA SISTEMAS INALAMBRICOS 49
La ecuación de Friis muestra que la potencia de la señal recibida se atenúa de acuerdo al cuadrado de la distancia entre el transmisor y el receptor, lo que implica que decae 20 dB/década.
Cuando se conoce la potencia recibida en una distancia de referencia d0, la ecuación siguiente puede utilizarse para calcular la potencia recibida en una distancia más lejana:
Pr (d)=Pr (d0) + 20 log (d0/d). (2.9)
La misma ecuación expresada como pérdida por trayectoria sería:
PL(d) = PL(d0) + 20 log (d/d0) (2.10)
La ecuación de Friis sólo es válida para predecir para valores de d que estén en la
región conocida como campo lejano de la antena transmisora. La región del campo lejano o región de Fraunhofer de una antena transmisora se define como la distancia más allá de la distancia , la cual se relaciona con la dimensión mayor de la apertura numérica de la antena transmisora y con la longitud de onda de la portadora. La distancia de Fraunhofer está dada por:
(2.11)
Donde, D es la dimensión física mayor de la antena. Adicionalmente, para estar en la
región del campo lejano se debe satisfacer >>D y >>λ. Además, queda claro que la
ecuación no es válida para d=0.
2.4 MODELO OKUMURA
Este modelo se utiliza para ambientes urbanos en el intervalo de frecuencia de 150MHz a 1920MHz. Las pérdidas en este modelo se calculan con la siguiente ecuación:
(2.12)
Dónde:
