PROYECTO ESTUDIO DE PROPAGACIÓN (Presentación)

8/3/2019 PROYECTO ESTUDIO DE PROPAGACIN (Presentacin)

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DEPARTAMENTO DE ELCTRICA YELECTRNICA

ANLISIS DE PROPAGACIN DE SEALDE LA RED WIMAX EN EL CAMPUSPOLITCNICO DE LA ESPE

Diego Almeida G.

Romn Lara Darwin AguilarDirector de Tesis Codirector de Tesis

14 de Agosto del 2010


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Agenda Presentacin del Proyecto Fundamento Terico Materiales y Metodologa

Escenarios de pruebas y Presentacin de medidas Anlisis de resultados Diseo del modelo matemtico

Anlisis de cobertura en MATLAB Simulacin en SIRENET

Mapa de intensidad de potencia en ARCGIS Validez del modelo matemtico

Conclusiones y Recomendaciones

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PRESENTACIN DEL PROYECTO

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Justificacin e importancia Con la creacin de un nuevo modelo matemtico, se

obtiene informacin suficiente para empezar adeterminar qu factores son los que mayormenteimpactan en la propagacin de potencia.

Se aportar a la Universidad un mapa interactivodonde se mostrar la huella de cobertura real, y lainformacin digitalizada del mapa se podra presentaren la pgina web de la Universidad.

Con el modelo matemtico propuesto y que resulte derealizar el presente estudio, se presentar un aporte a lacomunidad cientfica tecnolgica y ser utilizado enambientes semejantes al de la Escuela Politcnica.

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Justificacin e importancia

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Determinar los factoresque intervienen en la

propagacin de potenciay predecir resultados en un

puto especfico

Se aportar a laUniversidad un mapa

interactivo

Es un aporte a lacomunidad cientfica

tecnolgica y serutilizado en ambientes

semejantes al de la ESPE
http://www.google.com.ec/imgres?imgurl=http://i23.tinypic.com/2eanqex.jpg&imgrefurl=http://biglittle007.blogspot.com/2007_09_27_archive.html&usg=__OACXHt6P4L2HBbFYO7oMn6SvlwU=&h=322&w=300&sz=10&hl=es&start=47&um=1&itbs=1&tbnid=IjfFAMD7R11hkM:&tbnh=118&tbnw=110&prev=/images?q=enlace+inalambrico+cientifico&start=40&um=1&hl=es&sa=N&ndsp=20&tbs=isch:1


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Objetivos El objetivo general es realizar el tratamiento del

modelo matemtico y generar un anlisiscomparativo de propagacin de la seal WiMAX.

Realizar un estudio de investigacin e identificar losequipos y la metodologa para medir la seal de lared WiMAX.

Elaborar un mapa interactivo digital que muestre

los resultados del anlisis.

Identificar las diferencias en el simulador realizadascon todos los modelos propios para sistemasinalmbricos y los datos reales .

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Presentacin del proyecto En el proyecto se realiza un estudio de las medidas de

potencia obtenidas en la ESPE, para hallar un modelomatemtico de propagacin para una red inalmbricaWiMAX.

Para efectuar el anlisis se utiliza dispositivos demedicin y herramientas de clculo, que permiten concierta exactitud realizar las pruebas en el CampusPolitcnico.

Finalmente se valida el modelo encontrado realizandosimulaciones y pruebas comparativas con otrosmodelos seleccionados.

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Trabajos relacionados Los modelos a menudo se basan en expresiones

probabilsticas con las cuales se puede calcular lapotencia con cierta posibilidad de que la seal llegue ono a un punto especfico. La mayora de los modelos sebasan en mediciones realizadas en el lugar de inters.

Para identificar el modelo de propagacin para laCiudad de Santo Domingo en Repblica Dominicana,como primer paso se tomaron alrededor de 300mediciones a diferentes distancias del transmisor. Luego

se desarroll una formulacin en base a regresinlogartmica para describir la prdida en esta zona.

El modelo Allsebook caracteriza a las ciudadesbritnicas teniendo una base de 75 datos medidos en

una cuidad plana, finalmente se obtiene el modelo. 8


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Trabajos relacionados Otros trabajos que siguen la misma ley, basan su

tcnica en una extensiva recoleccin de datosexperimentales en diferentes ciudades y luego deintroducir las medidas en un software el resultado fue elmodelo. Estos son los siguientes:

3D Intelligent Ray Tracing (Geomtrica) Walden-Rowsell Okumura

COST 231 Okumura-Hata COST 231 Walfisch-Ikegami ERCEG SUI (WiMAX)

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FUNDAMENTO TERICO

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Estudio de modelos matemticos

Se considera un modeloideal relacionado con lascondiciones depropagacin en el vaco.

Espacio Libre (< 2.5 GHz)

Se acopla a lascaractersticas de la red.Es una combinacin desimulaciones y estadstica.

COST 231 Ohumura-Hata (1.9 GHz)

Considera la difraccin

hasta el nivel de las callesy algunos factoresempricos de correccin.

COST 231 Walfisch-Ikegami (2.5 GHz)

Es posible predecir msexactamente lacobertura, precisa pararedes WiMAX.

SUI (3.5 GHz)

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MATERIALES Y MTODOS

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Materiales y Herramientas

Es una solucin de prueba multifuncinque permite realizar todas las medicionesde la seal WiMAX en el Campus de laESPE, posee la funcin de analizar antenas,

y medir espectros de potencia en labanda de 0.9-7.1 GHz.

Medicin de Potencia

Analizador de EspectrosAnritsu VNA Master

Es un sistema de navegacin global que

permite determinar en toda la Universidadla posicin de cada punto con un error de1 m. Utiliza internamente el programa deprocesamiento geogrfico ARCGIS con elmapa de la ESPE.

Ubicacin geogrfica

GPS Juno Trimble

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Materiales y Herramientas Es un software matemtico, con el que se va

a generar el modelo de propagacin. Utilizala herramienta Curve Fitting para realizar elajuste de la curva, luego de procesar losdatos obtenidos de potencia.

Herramienta declculo

MATLAB

Se utiliza para simular los diferentes tipos demodelos, permite a travs de cartografadigital representar simulacionesradioelctricas, e identificar la cobertura quecada algoritmo genera.

Simulador deCobertura

SIRENET

Es una serie integrada de software de Sistemasde Informacin Geogrfica, con estaherramienta se construyen los mapas paraidentificar los niveles de potencia en cadazona de la ESPE.

Programa geo-espacial

ARCGIS

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Ubicacin de la red

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EDIFICIOTIPO DE

ESTACIN

DISTANCIA

RESPECTO A

LA RADIO

BASE (m)

ALTURA

DE LAS

TERRAZAS

(m)

Bloque D Radio Base 0 10

DEEE Suscriptora 85 5

Elect.-Biotecnologa Suscriptora 95 5

Idiomas Suscriptora 95 6

Edificio Central Suscriptora 125 10

Edificio Administrativo Suscriptora 240 22

Residencia Suscriptora 505 10


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Puntos de prueba

16

154 Puntos en los diferentesambientes de la ESPE

31 Puntos nuevos en zonas

crticas


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Tcnica para obtener las medidas1. Encontrar el punto

con el GPS.2. Identificar la zona, el

clima, el ambiente.

3. Calibrar el equipo demedicin.4. Direccionar la antena

del analizador haciala radio base.

5. Obtener la medidade potencia.6. Esperar un tiempo

prudente cuando setoma la medida.

17

El operador toma el dispositivo demedicin con sus manos con unadireccin hacia la radio base de 45 y laaltura desde el suelo de 2,5 m aprox.


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ESCENARIOS DE PRUEBAS Y

PRESENTACIN DE MEDIDAS

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Caractersticas de los escenarios de prueba

La mayora de canchas y lacalle presenta lnea de vista ymejores seales de potencia.

En los edificios que estn cerca

a la radio base a pesar de seruna obstruccin tienen buenacalidad de potencia.

La densidad del bosqueprovoca un alto porcentaje deprdidas en estas zonas.

La lluvia y el clima son factoresque afectan de cierta manerala propagacin de la sealWiMAX

en un bajo ndice. 19


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Medidas para un menor margen de error

Error Accidental

Cuando se toma1 medida encada punto

Varianza oDispersin

Mayora de puntosson menores al 5 %

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SolucinTratamiento

Estadstico

La medidapuede cambiar

por el clima yerrores demedicin

Realizando 9medidas encada punto

El resultado ptimogenera un modelomatemtico quese adapta la las

caractersticas dela universidad


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Tabulacin de las medidas

P

POTENCIA (-dBm)

MEDIA

(-dBm)

DX

%

M.1

dBm

M.2

dBm

M.3

dBm

M.4

dBm

M.5

dBm

M.6

dBm

M.7

dBm

M.8

dBm

M.9

dBm

P.0 87,1 94,96 90,51 82,46 71,69 75,1 84,87 84,62 78,15 83,27 6,86

P.1 99,09 96,14 93,01 89,15 88,9 89,16 98,9 98,96 98,99 94,7 4,36

P.2 97,89 90,99 94,38 88,9 89,11 89,66 99,88 99,1 98,9 94,31 4,38

P.3 85,76 99,01 98,79 89,55 88,87 88,66 102,2 101,98 101,92 95,19 6,52

P.4 97,36 86,77 85,62 88,67 89,09 88,57 92,33 93,3 92,66 90,49 3,37

P.5 103,68 103,06 103,56 102,11 103,46 102,92 102,73 103,1 102,9 103,06 0,34

P.6 103,52 96,7 91,96 88,68 88,44 89,06 103,6 104,1 103,36 96,6 6,50

P .7 104,1 95,41 99,3 104,58 104,36 103,26 101,33 100,88 102,1 101,7 2,16

P.8 103,54 99,79 99,87 88,82 89,15 89,2 105,89 106,3 105,65 98,69 6,51

P.9 103,45 89,68 91,8 89,1 89,15 88,76 97,2 96,9 97,3 93,7 4,75

P.10 102,76 99,36 99,56 88,85 88,86 89,27 104,1 103,9 103,08 97,75 5,97

P.11 99,83 94,28 93,98 90 88,87 88,76 99,6 98,4 99,87 94,84 4,29

P.12 88,93 81,87 81,08 82,56 82,89 84,76 96,94 90,87 99,19 87,68 6,39

P.13 100,5 92,29 96,36 85,8 88,25 88,76 97,71 97,3 95,82 93,64 4,62

P.14 100,28 98,69 99,2 91,12 91,12 91,12 97,4 97,2 98,1 96,03 3,41

P.15 102,96 99,08 95,92 88,69 89,29 88,84 104,3 105,2 104,3 97,62 6,31

P.16 98,26 87,89 92,13 88,33 89,23 85,03 98,33 98,49 97,52 92,8 5,12

P.17 101,78 83,88 93,84 89,56 91,12 89,59 97,54 96,9 97,2 93,49 4,71

P.18 103,1 99,07 98,23 88,76 89,08 89,47 96,43 98,58 98 95,64 4,55

P.19 94,13 93,35 94,62 85,07 91,25 91,25 95,5 87,56 86,36 91,01 3,43

21

Porcentaje deDispersin

MediaAritmtica

Dispersin odesviacin


22/50

ANLISIS DE RESULTADOS

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23/50

Rangos de Potencia

rea donde se obtiene una excelente cobertura ylos equipos pueden trabajar en condicionesfavorables.

-94 dBm P < -75 dBm

82 medidas de 185

Se obtiene cobertura buena favorable para quelos equipos de recepcin obtengan las sealestransmitidas.

-98 dBm P < -94 dBm

46 medidas de 185

rea donde se obtiene una mediana cobertura

sin embargo los equipos pueden receptan laseal.

-100,6 dBm P < -98 dBm

32 medidas de 185

Puntos donde la seal es baja, los equipos debenpresentar potencias y sensibilidades muy grandespara recibir y procesar las seales transmitidas.

-104 dBm P < -100,6 dBm

25 medidas de 185

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Rangos de Potencia Especificacin


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Dispersin en funcin de la cantidad de puntos

% DX Total de Medidas % de Puntos< 1 % 2 1,62

< 2 % 20 11,35

< 3 % 56 29,73

< 4 % 97 52,43< 5 % 143 77,30

< 6 % 171 92,43

< 7 % 180 97,30

< 8 % 183 98,91< 9 % 184 99,46

< 10 % 185 100,00

Media aritmtica del Porcentaje

de Dispersin 3,92 24

El porcentaje dedispersin nopasa del 10 %.

A partir del 4 %del %Dx elnmero demedidas superael 50 %.

Las medidas en elcampo tienen el6 % de %Dx yaque apartir deesta el cambio

es mnimo.


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Potencia de Recepcin y prdidas del medio

PUNTOMEDIA

(dBm)

LMEDIO

(dBm)

DISTANCIA

(m)

P.0 -83,27 117,39 60

P.39 -83,62 117,73 750

P.48 -81,47 115,59 240

P.51 -99,81 133,92 30

P.83 -92,76 126,87 75

P.90 -93,65 127,76 90

251 2 3 4 5 6 7

-80

-60

-40

-20

0

20

Parmetros que intervienen en la propagacin

Pote

ncia(dBm)

Potencia de Recepcin

AlluviaLmedio GARx LcablesRxGATx Lc ab les Tx PTx

Ejemplo de tabla:


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DISEO DEL MODELO

MATEMTICO DEPROPAGACIN

26


27/50

Diseo del modelo

27

1. Inicializamos laherramienta curvefitting de MATLAB.

2. Cargamos los 185datos de distanciay potencia en X y Y.


28/50

Diseo del modelo

28

0 100 200 300 400 500 600 700 800100

105

110

115

120

125

130

135

140

Distancia (m)

P

otenciaL(dBm)

Exclusion de puntos para realizar el ajuste del modelo

Puntos Excluidos

Puntos Incluidos

4. Introducir la expresinlogartmica a la que seajusta el modelo.

..

3. Identificar los puntosincluidos y excluidos.

-Medidas mayores al 6 % de %Dx.

-Datos que no se ajusten a la curva

-Medidas alteradas a las caractersticas

de propagacin


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Resultado (Modelo de prdidas del medio)

El resultado del modelo es elpatrn de radiacin de laantena en el campo, alpropagarse la seal por elmedio.

El modelo Lmedio(d,f) seencontr con ayuda deSIRENET, comparando lasdistancias que resulten delsimulador con las del primermodelo.

29

0 200 400 600 800 1000100

105

110

115

120

125

130

135

140

Distancia (m)

PotenciaL(dBm)

Anlisis del Modelo de Propagacin de la Prdida de Potencia

ESPE MODEL


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Modelo de propagacin de potencia

Para el clculo del nuevomodelo se parte de laecuacin para la potenciade recepcin mejor llamada

presupuesto del enlace.

El modelo se ajusta a unacurva logartmicadecreciente, con un valor

mximo de potencia de-68,883 dBm.

30

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000-105

-100

-95

-90

-85

-80

-75

-70

-65

Distancia (m)

PotenciaRx(dBm)

Anlisis del Modelo de Propagacin de Potencia de Recepcin


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Anlisis comparativo con otros modelos

La curva es semejantecon un salto depotencia de 50 dBm

Free Space

50 dBm

En la grfica el modelono se ajusta al sistema.

COST O-H

40 dBm

Tiene cierta semejanza

a partir de los 400metros.

SUI

30 dBm

Es el que msconcuerda ya quetoma en cuenta ciertascorrecciones.

COST I-W

20 dBm

31

A mayor distancia las curvas son msconstantes y semejantes.

Los modelos son diferentes por las siguientesrazones:-Modelos estadsticos(Ambientes similares)

-Frecuencias diferentes menores a 5,5 GHz

MODELO ANLISIS

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000-20

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Distancia (m)

Pote

nciaL(dBm)

Anlisis comparativo del modelo ESPE MODEL con el resto de modelos.

ESPE MODEL

COST 231 W-I

SUI

COST 231 O-H

Espacio Libre

PUNTOS INCLUIDOS


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MODELO PROMEDIO %E

ESPE_MODEL 3,59 %

FREE SPACE 29,22 %

COST 231 O-H 25,37 %

SUI 18,62 %

COST 231 W-I 13,73 %

32

Cuadro comparativo de los modelos y las

medidas de potencia

Se demuestra en el presente estudioque el modelo encontrado para elCampus Politcnico es el correcto ya

que nos arroja un error del 3,59 %,este error es menor al aceptable el

cual es 5 %


33/50

ANLISIS DE COBERTURA ENMATLAB

33


34/50

Modelo matemtico en funcin de la potencia

34

-105 -100 -95 -90 -85 -80 -75 -70 -650

200

400

600

800

1000

1200

1400

Potencia (dBm)

Distancia(m)

Anlisis del Modelo Distancia en funcin de la Potencia

La expresin es til para hallarla cobertura de la seal conla herramienta cylinder deMATLAB.

La huella de cobertura segenera al girar la curva sobreel eje X, y luego normalizarsecon el eje Z.

La distancia forma unacircunferencia al girar sobreel eje de la potencia, y cadarango de potencia se leasigna un color.


35/50

Cobertura con el modelo matemticoESPE_MODEL

35

-1500 -1000 -500 0 500 1000 1500-1500

-1000

-500

0

500

1000

1500

Distancia (m)

rea de Cobertura en funcin de la Potencia

Distancia(m)

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

RANGO DE POTENCIA RANGO DE DISTANCIA ESPECIFICACIN

-94 dBm P < -75 dBm 160,39 m D < 3,44 m

-98 dBm P < -94 dBm 360,05 m D < 160,39 m

-100,6 dBm P < -98 dBm 609,03 m D < 360,05 m

-104 dBm P < -100,6 dBm 1211,00 m D < 609,03 m

El rea de la circunferencia rojademarca el rea de cobertura msdbil. Mientras que las reas azul,naranja y rosado son en las que sepuede transmitir la seal sin ningn

problema.

En el grfico podemos identificarpotencia recibida a una distanciaespecfica.


36/50

SIMULACIN EN SIRENET

36


37/50

Modelo ESPE_MODEL

37

La ESPE esta en las zonas rosa,naranja y azul, por lo tanto laseal se transmite sin problemaen todo el Campus.

Las distancias son aproximadas

a la cobertura en MATLAB:200(Rosado), 400 (Naranja),700 (Azul), 1500 (Rojo).

RANGO DE DISTANCIA ESPECIFICACIN

160,39 m D < 3,44 m

360,05 m D < 160,39 m

609,03 m D < 360,05 m

1211,00 m D < 609,03 m

Diseo del modelo L(f,d):

Se modifica los valores de c y ehasta obtener una coberturaigual a la tabla en distancia.

De esta manera se puede

modificar el valor de frecuencia.


38/50

Anlisis comparativo con otros modelos

38

Espacio Libre COST 231 O-H SUI COST 231 W-I ESPE_MODEL

Los modelos no se ajustan al rea de cobertura de la expresinESPE_MODEL por los siguientes motivos:-No toman en cuenta obstculos (Espacio Libre)-Frecuencias menores a la frecuencia de operacin 5.5 GHz

El modelo que ms se asemeja es el COST 231 W-I, por motivo decorrecciones como altura, toma en cuenta el ancho de las calles yla densidad de edificios del Campus.

El modelo ESPE_MODEL se adapta al ambiente de la ESPE y sirveeficazmente en entornos similares.


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MAPA DE INTENSIDAD DE

POTENCIA EN ARCGIS

39


40/50

Diseo

40

ID PUNTOCOORDENADAS

POTENCIA RxPOTENCIA Rx

RX_MODELX Y

1 P.0 784403,7 9965380 -83,27333333 -89,13614274

16 P.15 784567,5 9965496 -97,62 -87,71309053

17 P.16 784414,6 9965427 -92,80111111 -85,70741109

18 P.17 784456,3 9965470 -93,49 -90,23994779

1. Cargar la cartografa dela ESPE.

2. Cargar la informacin deP. Rx y del modelo.

3. Por medio deinterpolaciones encontrarla intensidad decobertura.

4. Asignar el color para cadarango de potencia.

5. Vincular las imgenes depotencia en los 185 puntosmedidos.

RANGO DE POTENCIA COLOR

-94 dBm P < -75 dBm

-98 dBm P < -94 dBm

-100,6 dBm P < -98 dBm

-104 dBm P < -100,6 dBm


41/50

Cobertura medidas reales Se puede observar la

situacin real de la red.

Se identifica que en las zonasde los edificios cercanos a laradio base la intensidad depotencia es fuerte.

En las canchas y camposabiertos la potencia esexcelente.

En los bosques, yobstrucciones lejanas la seales dbil

41


42/50

Cobertura modelo Con el modelo ESPE_MODEL

se obtiene mximos valoresde potencia en todo elCampus.

Pocas zonas tienen coloracinroja, donde los dispositivostrabajan bajo condicionesextremas.

Se puede observar que lapotencia se propagaradialmente y a mayordistancia, menor potencia.

No toma en cuentarestricciones como bosque,obstrucciones, planicies.

42


43/50

Mapa con las grficas de potencia

43

P. Antena

P. Bosque


44/50

Validacin del modelo Caractertica de

propagacin >d, < Prx Restricciones futuras del

modelo

El modelo puedeexplicar las

observaciones delfenmeno

Y esta sujeto acambios

El modelo se pudosimular en SIRENET,ARCGIS y se ajusta a losdatos reales de potencia.

Predice elcomportamiento de

propagacin

Utiliza la mismametodologa que otrosautores.

Curva logartmica.

El modelo essemejante a otras

ideas

44

EL

MODELO

ES

VALIDO


45/50

CONCLUSIONES YRECOMENDACIONES

45


46/50

Conclusiones (1) El modelo matemtico dio como resultado pronosticar

la cobertura en redes inalmbricas en un entornoexacto de la Universidad.

Con el anlisis de las medidas se pudo observar que la

universidad se encuentra dentro de un nivel ptimo decobertura, con una intensidad superior de potencianecesaria para apoyar las comunicaciones de voz ybanda ancha inalmbrica orientada a los datos yvideo.

La metodologa y los equipos para identificar cadamedida fueron la ms acertados ya que de estamanera se tomaron cuantificaciones precisas, y elconjunto final de datos arrojaron un resultado ptimo alconstruir el modelo matemtico de propagacinESPE_MODEL. 46


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Conclusiones (2) El anlisis comparativo entre las dems expresiones dio un

resultado favorable para validar la ecuacin propuesta enel presente estudio, ya que la misma se aproxima ms a losdatos obtenidos en cualquier punto de la Universidad.

Con el modelo matemtico propuesto y que resulte derealizar el presente estudio, se presentar un aporte a lacomunidad cientfica tecnolgica y ser utilizado enambientes semejantes al de la Escuela Politcnica.

Se realiz un mapa interactivo en ArcGIS con los datosreales y otro con los datos que nos proporciona elmodelo ESPE_MODEL, con lo que se gener informacintil para estudiantes y administradores del sistema paratener acceso a la red en un determinado punto.

47


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Conclusiones (3) El anlisis con el resto de modelos matemticos de

propagacin, arroj resultados favorables para elmodelo ESPE_MODEL, ya que las medidas reales seajustan a esta expresin por tal motivo se valida la

efectividad del modelo a futuras predicciones en elCampus Universitario.

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Recomendaciones Al momento de realizar las medidas con el analizador

de espectros Anritsu, es importante visualizar si noexisten otras antenas o seales que estn trabajandoen la misma banda de frecuencia ya que produce

interferencias y una medida alterada de potencia.

En este anlisis se determina solamente el modelomatemtico en funcin de la distancia, para proyectosposteriores se debe tomar en cuenta ciertasrestricciones tales como obstculos que pueden causaratenuaciones o prdidas de la seal de potencia, talescomo el bosque, las edificaciones, entre otras lascuales son sombras que causan mayor prdida depropagacin. As de esta forma se puede obteneralteraciones en el modelo ESPE_MODEL y como

resultado nuevos modelos. 49


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GRACIAS

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PROYECTO ESTUDIO DE PROPAGACIÓN (Presentación)