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Modelos Propagação
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ISEL, Propagao II, Pedro Vieira Modelos de Propagao para Comunicaes Mveis 1
PROPAGAO II
Modelos de Propagao paraComunicaes Mveis
Instituto Superior de Engenharia de LisboaDepartamento de Engenharia de Electrnica e Telecomunicaes e de Computadores
Seco de Sistemas de Telecomunicaes
ISEL, Propagao II, Pedro Vieira Modelos de Propagao para Comunicaes Mveis 2
Inportncia dos Modelos de Propagao nasComunicaes Mveis
In Comunicaes Mveis, IST, Lus Correia.
O Planeamento das reas de cobertura das BTSs requer a estimao do sinal dessas
estaes, bem como das outras funcionando nas mesmas frequncias ou frequncias
adjacentes.
essencial prever as zonas limites onde o nvel de sinal mnimo, e as zonas onde pode
haver interferncia.
Nos sistemas de telefone celular usam-se muitas estaes-base (BTSs), o que pe
problemas na gesto do espectro de frequncias e no dimensionamento da extenso das
clulas.
A previso do sinal envolve a estimativa do valor mediano e da variao em torno deste.
muito importante que os modelos de propagao se aproximem da realidade o melhor
possvel de forma a que se possam tornar ferramentas fidedignas e indispensveis no
planeamento celular de uma rede de comunicaes mveis.
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Estimao do Sinal
A maioria dos modelos fornece o valor mediano do sinal. Torna-se assim necessrio
conhcer a estatstica do sinal para determinar a sua variao.
A abordagem do problema da estimao do sinal no pode ser feita de modo
exclusivamente determinstica.
A estimao correcta do sinal, e o desenvolvimento de modelos para o efeito, implica o
conhecimento de todos os factores que influenciam a propagao em comunicaes mveis.
O sinal est normalmente sujeito a dois tipos de desvanecimento:
lento, dependente essencialmente da distncia, com distribuio log-normal
rpido, associado ao movimento do terminal e ao multipercurso, com distribuio de
Rice.
importante o conhecimento das distribuies estatsticas adequadas ao sinal rdio de
forma a ter um conhecimento completo do seu comportamento no meio de propagao.
ISEL, Propagao II, Pedro Vieira Modelos de Propagao para Comunicaes Mveis 4
Classificao Geral dos Modelos de PropagaoOs modelos de Propagao dividem-se em duas grandes categorias:
Empricos, baseados em medidas, e conduzindo a relaes simples entre a atenuao
e a distncia.
Tericos, requerendo a utilizao de bases de dados topogrficas, e utilizando os
mtodos das ligaes fixas.
Os modelos Empricos:
Conduzem a curvas e equaes que melhor se ajustam s medidas.
Tm a vantagem de contabilizar todos os factores que afectam a propagao.
Necessitam de ser sujeitos a validao para locais, frequncias e condies diferentes d
ambientes. de medida.
Os modelos Tericos:
No contabilizam todos os factores.
No tm em considerao o ambiente em que o mvel se desloca.
Permitem uma fcil alterao para outros valores dos parmetros.
Dependem da definio de bases de dados geogrficas.
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Os modelos usados actualmente so modelos hbridos e contemplam as perspectivas
emprica e terica.
Estes modelos tm alguma flexibilidade podendo ser aferidos com medidas reais
realizadas nos ambientes de propagao especficos onde vo utilizados.
Desta forma, minimiza-se o erro entre a estimao do sinal previsto pelo modelo de
propagao e a posterior realidade, quando da implementao fsica da BTS.
No existe um modelo de aplicao genrico em todos os tipos de ambientes,
frequncias e parmetros.
Classificao Geral dos Modelos de Propagao
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Classificao de Ambientes
A aplicao de modelos com uma componente emprica requer a classificao de
ambientes.
usual distinguir trs grandes categorias:
Rural
Suburbano
Urbano
Existem vrios tipos de classificaes, geralmente associadas a modelos de propagao
distintos.
A classificao de ambientes considera, entre outros, os parmetros seguintes:
Ondulao do terreno
Densidade da vegetao
Densidade e altura dos edifcios
Existncia de reas abertas
Existncia de superfcies aquticas
ISEL, Propagao II, Pedro Vieira Modelos de Propagao para Comunicaes Mveis 7
Propagao em Ambientes Urbanos
Os edifcios vo provocar a existncia de numerosos raios reflectidos (causando
desvanecimento), e de zonas no iluminadas directamente (onde a atenuao grande).
A atenuao e reflexo variam de acordo com os materiais de construo.
A existncia de ruas conduz a fenmenos de propagao guiada, com caractersticas
diferentes nas ruas radiais e nas circunferenciais.
A proximidade dos edifcios entre si, e destes ao terminal (MS), pode conduzir a erros
elevados na aplicao dos modelos de obstruo mltipla por lminas usados nas ligaes
fixas.
Devido a estas caractersticas, a tarefa de aferio do modelo de propagao com base
em medidas reais extraordinariamente dificultada, pelo que ocorrem sempre desvios
significativos entre a previso de sinal e a realidade posteriormente implementada.
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Modelo de EgliIn Radio Propagation Above 40 MC Over Irregular Terrain, John J. Egli
Um dos primeiros modelos empricos para a propagao em ambientes urbanos foi
desenvolvido por Egli em 1957, baseando-se em medidas efectuadas na banda de [50,910]
MHz.
Observou-se que, para distncias inferiores a cerca de 60 km, o valor mediano da
intensidade de campo segue aproximadamente o modelo Terra Plana.
O desvio da mediana da atenuao de propagao ao modelo de Terra Plana nulo em 40
MHz, tendo-se :
[ ] ( ) ( ) [ ]( ) [ ]
++=
40log20log40log20log20120 MHzKmmbdBP
fdhhL
(A diferena relativamente ao modelo terico est na parcela dependente da
frequncia ( f )).
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As medidas mostram que a variao de LP com o terreno tem uma distribuio log-normal,
com um desvio padro dependente da frequncia.
A forma do modelo de Egli ter em conta a presena de terreno irregular e logicamente
existirem zonas de sombra com menor nvel de sinal, considerar um Factor de Terreno
(FT), directamente ligado a uma determinada percentagem de locais e dependente da
frequncia.
[ ] TlocaisxP FLL = %50%
Modelo de Egli
ISEL, Propagao II, Pedro Vieira Modelos de Propagao para Comunicaes Mveis 10
Comentrios ao Modelo de EgliDiscute qualitativamente o desvanecimento por
multipercurso, sugerindo a sua descrio pela
distribuio de Rayleigh em zonas
fundamentalmente urbanas.
Entre os 10 e 90 % de locais as distribuies
so muito semelhantes. As diferenas comeam a
aparecer para elevadas percentagens de locais,
junto ao emissor em que o factor de terreno no
se torna preponderante.
Embora seja um modelo simples:
Introduz a aplicao do modelo Terra
Plana;
Discute a variao do sinal, introduzindo a
variao log-normal com a localizao.
ISEL, Propagao II, Pedro Vieira Modelos de Propagao para Comunicaes Mveis 11
Modelo de Okumura-HataIn Field Strength and Its Variability in VHF and UHF Land-Mobile Radio Service,
Okumura and Empirical Formula for Propagation Loss in Land Mobile Radio Services,
Masaharu Hata.
O modelo emprico que serve actualmente de padro foi proposto por Okumura em
1968, baseado em medidas na banda [150, 2000] MHz.
Okumura apresenta os resultados so a forma de curvas. Hata em 1980 estabeleceu
expresses que aproximam algumas dessas curvas.
Foram realizados dois testes em larga escala entre 1962 e 1965 com vrias estaes
emissoras transmitindo em vrias bandas numa grande variedade de ambientes de
propagao, tentando explorar os factores fundamentais que influenciam a propagao
desde a morfologia do terreno existncia de edifcios, orientao de ruas, existncia
de superfcies abertas, superfcies aquticas, etc.
ISEL, Propagao II, Pedro Vieira Modelos de Propagao para Comunicaes Mveis 12
Exemplo de um dos testes realizados
Caractersticas gerais das estaes-base e caracterizao do ambiente de propagao.
Mapa do Distrito de Kanto no Japo mostrando as radiais e os acessos a serem colectados em quasi-
smooth terrain.
ISEL, Propagao II, Pedro Vieira Modelos de Propagao para Comunicaes Mveis 13
Antenas transmissoras na Torre de Tokio.
Antenas transmissoras na estao-base de Enkai.
Exemplo de um dos testes realizados
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Parmetros constituintes do modelo
Os parmetros que constituem o modelo so:
parmetros necessrios ao clculo da Intensidade de Campo em espao livre (Pb, Gb,
d, f);
hm - altura da antena do mvel em relao ao solo;
hbe - altura efectiva da antena da estao-base;
h - altura da ondulao do terreno;
ISEL, Propagao II, Pedro Vieira Modelos de Propagao para Comunicaes Mveis 15
h, d1, d2 - altura e distncias a um
obstculo isolado.i - inclinao mdia do terreno.
Parmetros constituintes do modelo
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- parmetro para trajectos mistos, = ds / d
Parmetros constituintes do modelo
ISEL, Propagao II, Pedro Vieira Modelos de Propagao para Comunicaes Mveis 17
Expresses do Modelo de Okumura-Hata
[ ] [ ]( ) ( ) ( )[ ] [ ]( ) [ ]( )fhHdhhfL mdBmuKmbebeMHzdBP ,loglog55.690.44log82.13log16.2655.69%50 ++=
[ ][ ]( )[ ] [ ]( )[ ]
( )( )
=
grande cidade para MHz 400f ,97.475.11log20.3grande cidade para MHz 200f ,10.154.1log29.8
mdia / pequena cidade para 80.0log56.1 70.0log10.1
2
2
m
m
MHzmMHz
dBmu
hh
fhfH
[ ][ ][ ][ ]m 10,1
m 200,30Km 20,1
MHz 1500,150:
m
beh
hd
fpara
A atenuao de propagao segundo Hata vem dada por:
[ ] [ ] = scorrectivofactoresLL dBPdBP %50global
ISEL, Propagao II, Pedro Vieira Modelos de Propagao para Comunicaes Mveis 18
Factores Correctivos
Factores de correco ao valor
padro da mediana da intensidade do
campo - correco para ruas radiais e
circunferenciais, Kal, Kac.
Correco para a inclinao mdia, Ksp
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Correco para a ondulao do terreno, Kh
Factores Correctivos
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Correco para reas abertas, Qo, ou
quase abertas, Qr, (reas no urbanas) Correco para reas suburbanas, Kmr
Factores Correctivos
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Correco para a posio das
ondulaes, Khf
Correco para trajectos mistos, Ks
Factores Correctivos
ISEL, Propagao II, Pedro Vieira Modelos de Propagao para Comunicaes Mveis 22
Correco para monte isolado, Kim : modelo do obstculo em lmina
( )v hd
d d d=
2
1 1
d
d1
h
altura do obstculo acima (sinal positivo) ou abaixo (sinal negativo) do raio directo
entre antenas de emisso e recepo
Comprimento da ligao
( ) ( )( )A v v vob = + + + 69 20 01 1 0110 2. log . .
Para o valor daatenuao suplementar (em dB) pode ser aproximado por:
v > 0 7.
Factores Correctivos
ISEL, Propagao II, Pedro Vieira Modelos de Propagao para Comunicaes Mveis 23
Factores Correctivos adicionais (cont.)
A influncia da orientao das ruas em
relao direco de propagao pode
ser contabilizada por um factor de
correco [Remy et al., 1988]
O [COST 207, 1989] prope factores
de correco para a densidade de
urbanizao
[ ] ( )[ ] [ ] [ ]
=
20log9.10024.0 1cos2 4 KmMHzdBv
dfK
vlidopara:
[ ][ ]MHz 500,400
Km 100,5
fd
[ ] [ ]( )[ ] ( )
log98.522.1log25.1766.25
%
=
=
dB
dB
DD
: percentagem de rea edificada
: razo entre a altura mdia dos edifcios e a largura das ruas
Hata tambm estabeleceu
aproximaes para os factores de
correco da reas:
[ ]( ) [ ]( )[ ]
[ ] 4.528
log2
94.40log33.18log78.4
2
2
+
=
+=
MHzdBmr
MHzMHzo
fK
ffQ
ISEL, Propagao II, Pedro Vieira Modelos de Propagao para Comunicaes Mveis 24
Desenho da variao do nvel de sinal na rea de servio de uma estao base utilizando o modelo de Okumura-Hata
1. Desenhar o perfil de terreno para cada azimute com o objectivo de obter a altura
efectiva da estao-base e todos os parmetros de terreno.
2. Tendo como centro as coordenadas da estao-base, desenhar uma srie de crculos
concntricos com intervalos de comprimento mtrico correspondentes a 5dB da mediana
do nvel de sinal.
3. Calculam-se os factores correctivos.
4. Corrigir os crculos concntricos para cada azimute devido existncia de terreno
irregular bem como ao clutter circundante aplicando todos os factores correctivos
estudados anteriormente, de forma a ajustar o modelo situao real.
ISEL, Propagao II, Pedro Vieira Modelos de Propagao para Comunicaes Mveis 25
Desenho da variao do nvel
de sinal na rea de servio de
uma estao base utilizando o
modelo de Okumura-Hata
(Exemplo).
ISEL, Propagao II, Pedro Vieira Modelos de Propagao para Comunicaes Mveis 26
Comparao entre a previso dada pelo modelo e as medidas efectudas no terreno
Comparao entre a previso da mediana do nvel de sinal e os
dados recolhidos no terreno no azimute 55 SW da estao-base
colocada na torre de Tokio.
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Desvanecimento no modelo de Okumura-Hata
O desvanecimento do campo
aproximado pela distribuio de Suzuki.
Em meios tipicamente urbanos em que o
clutter preponderante e se sente menos
o efeito do terreno, a distribuio
adequada a de Rayleigh.
ISEL, Propagao II, Pedro Vieira Modelos de Propagao para Comunicaes Mveis 28
Expresses paraos factorescorrectivos no modelo de Okumura-Hata
[ ]( ) [ ]( )[ ]
[ ] 4.528
log2
94.40log33.18log78.4
2
2
+
=
+=
MHzdBmr
MHzMHzo
fK
ffQ
ISEL, Propagao II, Pedro Vieira Modelos de Propagao para Comunicaes Mveis 29
Modelo do COST 231-Walfisch-Ikegami
In Urban transmission loss models for mobile radio in the 900 and 1800 MHz band,
COST 231.
O COST 231 desenvolveu um modelo que conjuga os modelos de Ikegami e de Walfisch-
Bertoni com os resultados de medidas realizadas na cidade de Estocolmo [COST 231,
TD(91) 73].
O modelo assume os pressupostos dos modelos em que se baseia no que diz respeito
estrutura urbana.
ISEL, Propagao II, Pedro Vieira Modelos de Propagao para Comunicaes Mveis 30
A grande inovao do modelo do COST 231 est relacionado com a considerao de fenmenos
de propagao guiada quando existe linha de vista entre a estao-base e o mvel na direco
de uma rua cercada por edifcios. A propagao desta forma diferente que a propagao em
espao livre.
[ ]( ) [ ]( ) m 20 d para log20log266.42 ++= MHzKmb fdL(Lb igual atenuao de espao livre para d < 20 m)
Nos outros casos, o modelo COST 231 Walfisch-Ikegami composto por trs termos e
restringido pela atenuao de espao livre:
+++
=
0 para 00
msdrts
msdrtsb LLL
LLLL [ ]( ) [ ]( )MHzKm fdL log20log204.320 ++=
O primeiro termo representa a atenuao de espao livre, o segundo termo a atenuao por
difraco e disperso no topo dos edifcios (roof-top-to-street diffraction and scatter loss)
e o tereiro a atenuao j ao nvel das ruas devido s mltiplas difraces e reflexes que
ocorrem (multi-screen diffraction loss).
Modelo do COST 231-Walfisch-Ikegami
ISEL, Propagao II, Pedro Vieira Modelos de Propagao para Comunicaes Mveis 31
A atenuao roof-top-to-street diffraction and scatter dada por:
[ ]( ) [ ]( ) [ ]( ) orimMobileMHzmrts LhfwL +++= log20log10log109.16
onde,
[ ][ ]( )[ ]( )
+
+=
90 55 para 55- 114.00.455 35 para 35- 075.05.2
35 0 para 354.010
deg
deg
deg
oriL
RoofBaseBase
MobileRoofMobile
hhhhhh
==
A atenuao multi-screen diffraction dada por:
[ ]( ) [ ]( ) [ ]( )mMHzfKmdabshmsd bfkdkkLL log9loglog +++=O termo ka representa o aumento de atenuao sofrido pelas estaes-base situadas
abaixo do nvel mdio dos edifcios circundantes. Os termos kd e kf controlam a dependncia
de Lmsd com a distncia e a frequncia, respectivamente.
Modelo do COST 231-Walfisch-Ikegami
ISEL, Propagao II, Pedro Vieira Modelos de Propagao para Comunicaes Mveis 32
[ ]( )
>+
=
Roof
RoofmBasebsh hh
hhhL
para 0 para 1log18
Base
Base
[ ]
[ ][ ]
=
RoofBaseKm
mBase
RoofBasemBase
RoofBase
a
hhdd
h
hhdhhh
k
e km 5.0 para 5.0
8.054
e km 5.0 para 8.054 para 54
>
=
RoofBaseBase
RoofBase
d hhhhh
k para h
1518
para 18
Roof
[ ]
[ ]
+=
urbanos centros para 1925
5.1
suburbanos centros e mdias cidades para 1925
7.0
4
MHz
MHz
f
f
f
k
Modelo do COST 231-Walfisch-Ikegami
ISEL, Propagao II, Pedro Vieira Modelos de Propagao para Comunicaes Mveis 33
O modelo vlido para:
[ ][ ][ ]
[ ] km 5 ; 02.0dm 3,1hm 50,4hMHz 2000,800
Mobile
Base
f
Na ausncia de dados concretos, so recomendados os seguintes valores:
[ ]
{ }
90 plano se 0,
inclinado se m, 3pisos de n 3h2
m 50,20
Roof
=
=
+=
=
telhado
telhado
h
hm
bwb
Modelo do COST 231-Walfisch-Ikegami
ISEL, Propagao II, Pedro Vieira Modelos de Propagao para Comunicaes Mveis 34
Limites de aplicao
RoofBase hh
RoofBase hh
RoofBase hh >>
O modelo do COST 231 Walfisch-Ikegami tem sido verificado na prtica nas bandas dos
900 e 1800 MHz e para distncias compreendidas entre os 100 m e 3 km. Os erros de
previso aumentam consideravelmente para:
quando comparados com
Logo, este modelo no deve ser utilizado com a certeza de bons resultados para:
Para alm disso, este modelo no deve ser utilizado para previso de cobertura de micro-
clulas. Quando estamos a considerar este tipo de BTSs, pensamos em sistemas de antenas
colocadas abaixo do topo dos edifcios, e um facto que o termo ka no considera fenmenos
de propagao guiada em ruas cercadas por edifcios nem difraco nos cruzamentos. Os
parmetros b, w e no esto dimensionados de uma forma credvel para micro-clulas. Logo,
os erros de previso sero bastante grandes.
ISEL, Propagao II, Pedro Vieira Modelos de Propagao para Comunicaes Mveis 35
Modelo de Keenan-Motley (Indoor)
Nota 1: Para distnciassuperiores ao breakpoint, adicionar tipicamente 0.2 dB/m.
Atenuao de Espao livre
L = atenuao de propagao (dB)f = frequncia (MHz)d = distncia entre emissor e receptor (m)k = nmero de andares atravessados pela ondadirectaF = factor de atenuao devido ao n de andares(dB)p = nmero de paredes atravessadas pela ondadirectaW = factor de atenuao devido s paredes (dB)D = factor de atenuao linear (dB/m) (nota 1)db = indoor breakpoint (m) (nota 1)
[ ] [ ]( ) [ ]( ) [ ] [ ] [ ] [ ] [ ]( )mbmmdBdBdBKmMHzdB ddDpFkdfL +++++= / W log20log204.32( ) ( ) 4222222
2221
+
+= bd
MSBS hh +=MSBS hh =
Tipo de Edifcio F(dB) W(dB)Aeroporto 15 4Centro de Conferncias 30 3.7Hospital 11 3.6Escritrio 15 2.2Parque Estacionamento 12 4.3
ISEL, Propagao II, Pedro Vieira Modelos de Propagao para Comunicaes Mveis 36
Lp (dB) = 50 + b x d
d=distncia da antena
b = 0.3 + wall loss
Frmula Aproximada
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Propagao Indoor, 900 MHz
30
40
50
60
70
80
90
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
Distncia (m)
Atenuao Total Lp (dB) Wall loss 0.5 dB/m
900 MHz, Expresso aproximada900 MHz, Keenan-Motley900 MHz, Espao-livre
Wall loss: 0.5 dB/mExpresso aproximada Lp (dB) = 50 + 0.8 x D
D = distncia (m)Lp = Atenuao Total (propagao + walls)
Boa aproximao entre 10 - 50m
ISEL, Propagao II, Pedro Vieira Modelos de Propagao para Comunicaes Mveis 38
Design assistido por computador
BTS
Feeder
Splitter
Antena
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Design assistido por computador
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