Tema 3: Modelos de Propagación de
gran Escala
2
Modelos de propagación
La señal recibida por el móvil en cualquier punto del espacio puede estar constituida por un gran número de ondas planas con distribución aleatoria de amplitud, de fase y de ángulo de llegada.
Es posible la recepción incluso cuando no hay visión directa entre
Transmisor y Receptor.
• Bloqueo (shadowing)
Transmisor
Modelos de propagación
Los modelos de propagación a gran escala predicen el comportamiento medio para distancias >> λ
• Dependencia de la distancia y de características del entorno
• Independencia del ancho de banda
• Útiles para modelar el alcance de un sistema radio y para planificación.
Modelos de pequeña escala (fading) describen las variaciones de señales sobre distancias del orden de λ
• Fading: cambios rápidos de la señal sobre distancias (intervalos de
tiempo) cortos.
• Multitrayecto
− Cancelación de fase
− Atenuación constante
• Dependencia del ancho de banda de transmisión.
4
Modelos de propagación
Mecanismos de Propagación de señal.
• Espacio Libre (Path Loss, Line-of-Sight)
• Bloqueo (debido a obstrucciones)
− Modelo Log-distancia
− Modelo Log-normal
• Desvanecimiento por multitrayecto (interferencia con(des)structiva) Pr/Pt d=vt PR PT d=vt v
Modelos de gran escala: Path Loss, PL
Propagación en espacio libre
Path Loss
El modelo de propagación de espacio libre es sólo válido
para campo lejano (d > d0)
• Valores típicos de d0
− Celdas grandes (rural): 1 km.
− Microceldas (urbano): 100 m − Indoor (WLAN): 1m.
[ ]
10 10 PL( ) dBd = (32.44 20log+ d +20log f ) f den MHzen Km 2 Espacio libre ( )[ ] [ ] 4 R T T R P d W P W G G dλ
π
⎛ ⎞ = × ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ PL GR PR PT GT d 2 PL( )d πd λ 4 ⎛ ⎞ = ⎜ ⎟ ⎝ ⎠[ ]
[ ]
0 2 0 0 ( ) ( ) , R R d P d W P d W d d d ⎛ ⎞ = ×⎜ ⎟ ≥ ⎝ ⎠[ ]
0[ ]
0 PL( ) dBd PL(d ) dB 20 log d d ⎛ ⎞ = + ⎜ ⎟ ⎝ ⎠6
Existen modelos que pueden explicar “mejor” que el de “espacio libre” las pérdidas en un trayecto.
• Ejemplo: Modelo de Okumura-Hata: pérdidas en promedio
• Comparación con el modelo de propagación en espacio libre
donde:
f: frecuencia (MHz)
H1: Altura efectiva de la antena transmisora (m) [30 a 200 m]
H2: Altura efectiva de la antena receptora (m) [1 a 10 m]
d: distancia (km)
a(H2) = (1.1 log( f ) − 0.7) H2 − (1.56 log ( f )− 0.8)
Modelos de gran escala: Path Loss, PL
( )
( )
( )
( ) ( )
Okumura 1 1 2
PL [dB] 69.55 26.16log= + f −13.82log H +⎣⎡44.9 6.55log− H ⎤⎦log d −a H
[ ]
10 10PL( ) dBd = (32, 44 20log+ d +20log f ) f en MHz
7
En la práctica, existen
condiciones del entorno que
afectan a la potencia
media recibida
Pérdidas medias en el
trayecto
Modelos de gran escala: log-distancia
[ ]
[ ]
0 0 0 ( ) ( ) , n R R d P d W P d W d d d ⎛ ⎞ = ×⎜ ⎟ ≥ ⎝ ⎠ Entorno Exponente, n Espacio libre 2Reflexión especular ideal 4
Entorno urbano 2.7 - 3.5
Entorno urbano (shadowing) 3 - 5 En edificios (visión directa) 1.6 - 1.8 En edificios (camino obstruido) 4 - 6 En industria (camino obstruido) 2 - 3
[ ]
0[ ]
0 PL( ) dBd PL(d ) dB 10 logn d d ⎛ ⎞ = + ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ 800 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 90 100 110 120 130 140 150 160 170 PL (d B) fc=1800 MHz n=2 n=3 n=4[
]
[
]
R R 0 0 P ( ) dBWd P ( ) dBWd 10 logn d d ⎛ ⎞ = − ⎜ ⎟ ⎝ ⎠8
Pérdidas medias en el
trayecto
• Lineal cuando la distancia se expresa en unidades
logarítmicas
− log-distancia
Modelos de gran escala: log-distancia
[ ]
0[ ]
0 PL( ) dBd PL(d ) dB 10 logn d d ⎛ ⎞ = + ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ 10-1 100 101 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 Distancia [km] PL (d B) fc=1800 MHz n=2 n=3 n=4Microceldas urbanas
Dependiendo del perfil, el índice n puede variar
B A D C log (distancia) log (distancia)
Potencia Media Recibida (dB) Potencia Media Recibida (dB)
A C B A D Breakpoint Breakpoint n=2 n=4 n=2 n=4~8 15~20dB Edificios
10
Variaciones entorno a la media
Modelos de gran escala: log-normal
[ ]
0 0 PL( ) dBd PL(d ) 10 logn d X d σ ⎛ ⎞ = + ⎜ ⎟ + ⎝ ⎠Variable aleatoria Gaussiana (0,σPL2) [dB]
Componente de desvanecimiento Log-normal [dB]
R
P
Variaciones entorno a la media
Modelos de gran escala: log-normal
[ ]
0 0 PL( ) dBd PL(d ) 10 logn d X d σ ⎛ ⎞ = + ⎜ ⎟ + ⎝ ⎠ Componente de desvanecimiento Log-distancia [dB]12
Ejemplo: Determinar “n” y σ
2Encontrar los parámetros del modelo log-normal
• “n” y σ2
[
]
[
]
R R 0 0 P ( ) dBmd P (d ) dBm 10 logn d X d σ ⎛ ⎞ = − ⎜ ⎟ + ⎝ ⎠ Componente de desvanecimiento Log-distancia [dB]Variable aleatoria Gaussiana (0,σ2) [dB]
PR(dBm) log(d) 10n PR(d0) (dBm) log(d0) σ2
Ejemplo: Determinar “n” y σ
2Asuma PR(d0) = 0 dBm y d0=100 m
Asuma que la potencia recibida PR(d) se mide a distancias 100 m, 200 m, 1000 m y 3000 m,
Encontrar los parámetros del modelo log-normal • “n” y σ2 Distancia desde el transmisor Potencia Recibida 100 m 0 dBm 200 m -20 dBm 1000 m -35 dBm 3000 m -70 dBm
[
]
[
]
R R 0 0 P ( ) dBmd P (d ) dBm 10 logn d X d σ ⎛ ⎞ = − ⎜ ⎟ + ⎝ ⎠ Componente de desvanecimiento Log-distancia [dB]14
Ejemplo: Determinar “n” y σ
2 Modelo log-normal • Cálculo de n Distancia PR(d) (dBm) media experimentalPR(d) (dBm) media Modelo log-normal 100m (d0) 0 0 200m -20 -3n 1000m -35 -10n 3000m -70 -14.77n
[
]
[
]
R R 0 0P ( ) dBm
d
P (
d
) dBm
10 log
n
d
d
⎛
⎞
=
−
⎜
⎟
⎝
⎠
15
Ejemplo: Determinar “n” y σ
2 Modelo log-normal • Cálculo de n • Error cuadrático − ε2(n) = (0-0)2 + (-20-(-3n))2 + (-35-(-10n))2 + (-70-(-14.77n))2• Error cuadrático medio
Distancia PR(d) (dBm) media experimental PR(d) (dBm) media Modelo log-normal 100m (d0) 0 0 200m -20 -3n 1000m -35 -10n 3000m -70 -14.77n 2 opt ( ) 0 d n n dn ε → = σ = ε2
( )
nopt[ ]
dB[
]
[
]
R R 0 0 P ( ) dBmd P (d ) dBm 10 logn d d ⎛ ⎞ = − ⎜ ⎟ ⎝ ⎠(
) (
) (
)
(
)
2 1 2 2 2 (n) = 0 3 20 10 35 14.77 70 4 n n n ε + − + − + −16
Cálculo de coberturas
El Modelo Log-normal (shadowing) nos permite definir
probabilidades de coberturas.
• La probabilidad de que PR(d) [dBm] supere γ [dBm]:
− Estadística Gaussiana Y=PR(d) [dBm] PR(d) γ Área sombreada
(
2)
( ), R N P d σ [ ] [ ] Pr⎡⎣P dR( ) dBm >γ dBm⎤⎦ ( ) R P d −γ X z Área sombreada ( )0,1 N 0 [ ] Pr X > =z Q z( ) z Q(z) z Q(z) z Q(z) z Q(z) 0.0 0.5 1.0 0.15866 2.0 0.02275 3.0 0.00135 0.1 0.46017 1.1 0.13567 2.1 0.01786 3.1 0.00097 0.2 0.42074 1.2 0.11507 2.2 0.01390 3.2 0.00069 0.3 0.38209 1.3 0.09680 2.3 0.01072 3.3 0.00048 0.4 0.34458 1.4 0.08076 2.4 0.00820 3.4 0.00034 0.5 0.30854 1.5 0.06681 2.5 0.00621 3.5 0.00023 0.6 0.27425 1.6 0.05480 2.6 0.00466 3.6 0.00016 0.7 0.24196 1.7 0.04457 2.7 0.00347 3.7 0.00011 0.8 0.21118 1.8 0.03593 2.8 0.00256 3.8 0.00007 0.9 0.18406 1.9 0.02872 2.9 0.00187 3.9 0.00005 σ 1 ( ) Y R Y Y P d Y X μ σ − = → =Cálculo de coberturas
El Modelo Log-normal (shadowing) nos permite definir
probabilidades de coberturas.
• La probabilidad de que PR(d) [dBm] supere γ [dBm]:
• Efecto de la variación de la distancia ( γ [dBm] permanece constante).
− Supongamos d1 < d2
[
] [
]
[
dBm]
[ ]
( ) dBm[
]
Pr ( ) dBm dBm dB R R P d P d γ Q γ σ ⎛ − ⎞ ⎡ > ⎤= ⎜ ⎟ ⎣ ⎦ ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ PR(d) dBm PR(d)[dBm] γ Área sombreada[
]
[
]
1 2 ( ) dBm ( ) dBm R R P d P d → > PR(d) [dBm] PR(d2) γ Área sombreada PR(d1) PR(d) [dBm] PR(d1) γ Área sombreada PR(d2)18
Cálculo de coberturas
El Modelo Log-normal (shadowing) nos permite definir
probabilidades de coberturas.
• La probabilidad de que PR(d) [dBm] supere γ [dBm]:
Planificación de red:
• Encontrar el valor de “d” para el que la potencia recibida media supere el umbral γ [dBm] con una probabilidad α %.
[
] [
]
[
dBm]
[ ]
( ) dBm[
]
Pr ( ) dBm dBm dB R R P d P d γ Q γ σ ⎛ − ⎞ ⎡ > ⎤= ⎜ ⎟ ⎣ ⎦ ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ PR(d) dBm PR(d)[dBm] γ Área sombreada d[
] [
]
Pr ⎡⎣P dR( ) dBm > γ dBm ⎤⎦ ≥α%19
Potencia recibida y PDF normal
Encontrar el valor de “d” para el que la potencia recibida
media supere el umbral γ [dBm] con una probabilidad α %
• Ejemplo: γ = -88 [dBm]; σ= 5 dB; ¿cuánto tiene que valer PR(d) para que -90 -88 -86 -84 -82 -80 -78 -76 -74 -72 -70 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08
[
] [
]
Pr⎡⎣P dR( ) dBm > γ dBm ⎤⎦ ≥α%[
]
[
]
Pr ⎡⎣P dR( ) dBm > −88 dBm ⎤⎦ ≥ 95% ? [dBm] γ ¿P d( ) dBm ?[ ] 95% z Q(z) z Q(z) z Q(z) z Q(z) 0.0 0.5 1.0 0.15866 2.0 0.02275 3.0 0.00135 0.1 0.46017 1.1 0.13567 2.1 0.01786 3.1 0.00097 0.2 0.42074 1.2 0.11507 2.2 0.01390 3.2 0.00069 0.3 0.38209 1.3 0.09680 2.3 0.01072 3.3 0.00048 0.4 0.34458 1.4 0.08076 2.4 0.00820 3.4 0.00034 0.5 0.30854 1.5 0.06681 2.5 0.00621 3.5 0.00023 0.6 0.27425 1.6 0.05480 2.6 0.00466 3.6 0.00016 0.7 0.24196 1.7 0.04457 2.7 0.00347 3.7 0.00011 0.8 0.21118 1.8 0.03593 2.8 0.00256 3.8 0.00007 0.9 0.18406 1.9 0.02872 2.9 0.00187 3.9 0.0000520
Potencia recibida y PDF normal
Ejemplo: γ = -88 [dBm]; σ= 5 dB; ¿cuánto tiene que valer PR(d) para que
• Equivalentemente... -90 -88 -86 -84 -82 -80 -78 -76 -74 -72 -70 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 [ ] [ ] 88 dBm[ ][ ]( ) dBm[ ] Pr ( ) dBm 88 dBm 0.95? 5 dB R R P d P d Q⎛− − ⎞ ⎡ > − ⎤= ⎜ ⎟≥ ⎣ ⎦ ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ [dBm] γ ¿P dR( ) dBm ?[ ] 95% z Q(z) z Q(z) z Q(z) z Q(z) 0.0 0.5 1.0 0.15866 2.0 0.02275 3.0 0.00135 0.1 0.46017 1.1 0.13567 2.1 0.01786 3.1 0.00097 0.2 0.42074 1.2 0.11507 2.2 0.01390 3.2 0.00069 0.3 0.38209 1.3 0.09680 2.3 0.01072 3.3 0.00048 0.4 0.34458 1.4 0.08076 2.4 0.00820 3.4 0.00034 0.5 0.30854 1.5 0.06681 2.5 0.00621 3.5 0.00023 0.6 0.27425 1.6 0.05480 2.6 0.00466 3.6 0.00016 0.7 0.24196 1.7 0.04457 2.7 0.00347 3.7 0.00011 0.8 0.21118 1.8 0.03593 2.8 0.00256 3.8 0.00007 0.9 0.18406 1.9 0.02872 2.9 0.00187 3.9 0.00005 [ ] [ ] ( ) dBm[ [ ]] [dBm] Pr ( ) dBm 88 dBm 0.05? 5 dB R R P d P d Q⎛ −γ ⎞ ⎡ < − ⎤= ⎜ ⎟≤ ⎣ ⎦ ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] ( ) dBm dBm 1.6 ( ) dBm 5 1.6 88 80 dBm 5 dB R R P d P d γ − ≥ → ≥ × − =−
Reflexión: Modelo de N-Rayos
Se aplica cuando, en la mayor parte del tiempo, llegan al
receptor otras componentes distintas de la LOS.
Reflexión en Tierra: Modelo de 2-Rayos
• Campo recibido: contribución del rayo directo (RD) y del reflejado (RR)
hTX hRX θ θ Transmisor Receptor RD j e φ Γ = Γ Coeficiente de reflexión d1 d2 1 2 1 tan hTX hRX hTX d d d θ = + = + Imagen hRX
(
)
1 1 2 TX TX TX RX TX RX h h d d d d h h h h = + = + + RR 2 RX TX RX h d d h h = + Desfase proporcional a la diferencia de caminos 2 1 j d RX FS REFLEJADO FS V E E E E e m π λ − Δ ⎛ ⎞⎡ ⎤ = + = ⎜ +Γ ⎟⎢ ⎥ ⎣ ⎦ ⎝ ⎠22
Reflexión: Modelo de 2-Rayos
Desfase entre rayo directo yreflejado
• Distancia recorrida por el rayo
directo
• Distancia recorrida por el rayo
reflejado • Diferencia hTX hRX θ θ Transmisor Receptor RD Imagen j e φ Γ = Γ Coeficiente de reflexión d1 d 2 hRX RR ( )2 ( )2 2 2 1 TX RX TX RX h h d h h d d − + − = + ( )2 ( )2 2 2 2 TX RX TX RX TX RX h h d d h h d h h d Δ = + + − + − ≈ ( ) ( ) ( ) 2 2 2 2 2 2 1 1 2 TX RX TX RX TX RX h h d h h d d h h d d + + + = + ⎛ + ⎞ ≈ ⎜ + ⎟ ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ 0 1 1 2 x x x → + ≈ + ( )2 2 1 2 TX RX h h d d ⎛ − ⎞ ≈ ⎜⎜ + ⎟⎟ ⎝ ⎠
Reflexión especular en tierra
Casos prácticos: Γ≈-1, d>>hTX, hRX Potencia recibida Pérdidas en el trayecto (n=4) hTX hRX θ θ Transmisor Receptor RD Imagen j e φ Γ = Γ Coeficiente de reflexión d1 d 2 hRX RR i E 4 2 2 sin TX RX TX RX TX RX d h h h h h h F d d π π λ λ ⎛ ⎞ = ⎜ ⋅ ⎟ ≈ ⎝ ⎠ 2 2 R T T R P P G G F d λ π ⎛ ⎞ = ⎜ ⎟ 4 ⎝ ⎠ 2 2 TX RX R T T R h h P P G G d ⎛ ⎞ = ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ Atenuación [dB] hTX=30m, hRX=1m, f=1800 MHz -15,000 -10,000 -5,000 0,000 5,000 10,000 1 10 100 Separación TX RX ( x 100 m ) A te nua c ión [ d B ] 0 0 PL( ) PL( ) 40logd d d d ⎛ ⎞ = + ⎜ ⎟ ⎝ ⎠( )
(
)
PL( ) 40logd = d −20log h hTX RX24
Ejemplo: 2 rayos
Sistema GPRS Clase 10 (4+2)
• fc = 1800 MHz, Ancho de Banda: 200 kHz
• Régimen binario: 57.4 kbits/sec (downlink)
• Distancia: 15 km. Modelo de 2 rayos.
• Transmisor: Potencia: 2 W, hTX=40 m.
• Receptor: hRX=1,5 m, Figura de ruido: 9 dB
¿Eb/N0?
• PTX = 2 W → 10 log (2/10-3) = 33 dBm
• PL[dB]=40log(d)-20 log(hTXhRX)=40log(15000)-20log(40×1,5)=131,48 dB
• PRX = 33 dBm -131,48 dB = -98,48 dBm • Ruido: − kTeqB=1.3803x10-23 x 290x(109/10 -1) × 2.0×105 = 5.5 x10-15W → -112,55 dBm. [ ]dB 98, 48 dBm ( 112.55 dBm=14 dB) S N ⎛ ⎞ = − − − ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ [ ] [ ] 0 0 dB dB 10log 19, 42 dB b b b b E R E S S B N N B N N R ⎛ ⎞ ⎛ ⎞ × ⎛ ⎞= → =⎛ ⎞ + = ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ × ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠
Difracción
La difracción tiene lugar cuando el frente de la onda choca
con el borde de un obstáculo.
• Se generan “ondas secundarias” que se propagan en la región de sombra
26
Modelando la Difracción
Difracción “filo de cuchillo”
• Donde EFS es el campo correspondiente a espacio libre.
Se demuestra en base a la teoría de Huygens
• donde ν se define como el “índice de difracción” que provoca el
obstáculo.
(
( ))
(1 ) 22 1 ( ) ( ) 2 t j j h RX diff FS E j G v e F v e dt E π φ ν ∞ − − Δ + = + = =∫
1 2 1 2 2 d d v h d d λ + = h<0 d1 d2 q1 q2 Q TX RX(
( ))
1 ( ) j h RX FS diff E = E +G v e− Δφ27 -3 -2 -1 0 1 2 3 -5 0 5 10 15 20 25 A tenuac ión [ dB ] adi ci onal a l a de es pac io li br e
ν Parámetro de difracción de Fresnel
Modelando la Difracción
Los resultados de la integral anterior (integral de Fresnel) se
obtienen de tablas para distintos valores de ν
h<0 d1 d2 q1 q2 Q h>0 d1 d2 q1 q2 Q 1 2 1 2 2 d d v h d d λ + = 20 log 10 | F( ν )|
ATENUACIÓN POR DIFRACCIÓN [dB] TX RX
TX RX ( ) RX FS E F v E =
28
Modelando la Difracción
Dependiendo del “despejamiento” (h), puede haber
variaciones en la señal recibida
• Cuando el desfase es un múltiplo par de π radianes se produce una interferencia constructiva (suma en fase)
• Cuando el desfase es un múltiplo impar de π radianes hay interferencia destructiva (suma en contrafase)
h<0 d1 d2 q1 q2 Q TX RX
(
( ))
1 ( ) j h RX FS diff E = E +G v e− ΔφDiferencia de camino entre la trayectoria directa (d1-d2) ahora obstruida, y la trayectoria por Q, (q1-q2)
Para h << d1, d2 , se puede aproximar la diferencia de camino Δd por
h>0 d1 d2 q1 Q q2 Fuente Receptor
Modelando la Difracción
2 2 2 1 2 1 2 1 2 1 2 2 2 2 d d d d h h v d d d d d d π π π φ λ λ + + Δ = → Δ = Δ = = ( ) ( )(
2 2 2 2)
( ) 1 2 1 2 1 2 1 2 d q q d d d h d h d d Δ = + − + = + + + − + ( ) 2 2 1 2 1 2 1 2 1 h 1 h d d d d d d d ⎛ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞ ⎞ ⎜ ⎟ Δ = +⎜ ⎟ + +⎜ ⎟ − + ⎜ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎟ ⎝ ⎠(
)
2 2 1 2 1 2 1 2 1 1 1 1 2 2 h h d d d d d d d ⎛ ⎛ ⎞ ⎞ ⎛ ⎛ ⎞ ⎞ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ Δ ≈ + ⎜ ⎟ + + ⎜ ⎟ − + ⎜ ⎝ ⎠ ⎟ ⎜ ⎝ ⎠ ⎟ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ 0 1 1 2 x x x → + ≈ +30
n=2 n=3
Modelando la Difracción
Existe una simetría cilíndrica en torno al eje d1-d2
• los hn determinan radios de círculos concéntricos en el plano perpendicular a la dirección de propagación.
− Los haces dentro del primer círculo difieren en fase entre si, y como mucho, en π.
Para h1,el desfase entre el rayo directo y el refractado es de π radianes ⇔ la diferencia de caminos es de λ/2 metros
hn d1 d2 TX RX 2 1 2 1 2 1 2 1 2 2 n d d h d d d d d n h n d d π π φ λ λ φ π λ + Δ = Δ = Δ = → = +
Modelando la Difracción
Tridimensionalmente, las regiones de Fresnel son elipsoidales con radios:
La difracción será más severa
cuanto menor sea el índice n de las regiones afectadas.
• El grado obstrucción depende de la frecuencia (1/λ) y la posición del obstáculo (d1, d2)
Regla empírica:
• cuando la primera zona de Fresnel está despejada en al menos un 60 % un mayor despejamiento de
zonas de Fresnel tiene poco efecto sobre el enlace. 1 2 1 2 n d d h n d d λ = + TX RX d2 d1 1 Si -h > 0.6h h<0 d1 d2 q1 q2 Q TX RX
32
Propagación en gases
Absorción por gases en la troposfera
• Dos contribuciones: Oxígeno y Vapor de agua