Modelos de Propagacin Interiores

Modelos De Propagacin En Interiores

OBJETIVOS:- Mostrar las caractersticas fundamentales de la propagacin en picocelulas. - Formular los principales parmetros que influyen y determinan la calidad de los sistemas. - Conocer los modelos fundamentales de propagacin en interiores.

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- Caractersticas de las antenas para la cobertura en interiores

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Bibliografa[1] Pahlavan, K: Wireless Intraoffice Networks. ACM Transactions on Office Information Systems, Vol. 6, No. 3, July 1988, pp. 277-302. [2] Porter, P. T.: Relationship for three-dimensinal modeling of co-chanelreuse, IEEE Trans. Veh. Tech. 34, 4 (1985), pp. 36-38. [3] Pahlavan, K. Levesque Allen H.: Wireless Data Communications. Proceedings of the IEEE, Vol. 82, No. 9, Sept. 1994, pp. 1398-1440. [4] H. Zaghloul, G. Morrison and M. Fattouche: Frequency response and path loss measurements of indoor channel. Electron. Lett. Vol. 27, No. 12, pp. 1021-1022, June 1991.

[5] S. Y. Seidel and T. S. Rappaport: Path loss prediction in multifloored building at 914 MHz. Electronic. Lett. pp. 1384-1387, Vol. 27, No. 15, July 1991. [6] D. M. J. Devasirvatham, C. Banerjee, R. R Murray and D. A. Rappaport: Fourfrequency radiowave propagation measurements of the indoor enviroment in a large metropolitan commercial building in Proceeding. IEEE GLOBECOM91, Phoenix, AZ., Dec. 1991, pp. 1282-1286.

Bibliografa (cont)

Bibliografa (cont)[7] A. A. M. Saleh and R. A. Valenzuela: A statistical model for indoor multipath propagation. IEEE J. Select. Areas Comm., Vol. CSA-5, No. 2, pp. 128-137, Feb. 1987. [8] A. J. Motley and J. M. P. Keenan: Personal Communication Radio coverage in buildings at 900 MHz and 1700 MHz Elect. Lett. , Vol. 24, No. 12, pp. 763-764, Jun. 1988. [9] S. J. Howard and K. Pahlavan: Measurements and analysis of indoor radio channel in the frequency domain. IEEE Trans. Instrum. Meas., Vol. 39, No. 5, pp. 751-755, Oct. 1990.

Bibliografa (cont)[ [10] G. J. M. Hansen and R. Prasad: Propagation measurements in an indoor radio enviroment at 2.4 GHz, 4.75 GHz and 11.5 GHz in Proc. IEEE VTS Conf.92, Denver, CO., May. 10-13, 1992, pp. 617620. [11] Prasad R. et all: Performance Evaluation of Direct Sequence S.S.M.A. for Indoor Wireless Communication in a Rician Fading Channel. Vol. 43, No. 2/3 /4, Feb. / Mar. / April, 1995, pp. 581-592. [12] Saunders, Simon R. Antennas and Propagation for Wireles Communications Systems , ISBN 0-471-98609-7, John Wiley & Sons , New York ,271-289,1999.

Picoclulas

AP

AP

Picoclulas Se forman cuando una EB se coloca dentro de un edificio, aeropuerto etc. Gran auge debido a la telefona celular. El requerimiento de altas velocidades de datos para WLAN reducen las medidas de clulas a pico clulas. Importante el estudio de propagacin para determinar : Mecanismos de interferencia dentro de edificios Profundidad de cobertura.

Canal Interior (Indoor) Difiere considerablemente del canal exterior (outdoor). El entorno es mucho ms influyente que la distancia entre antenas. Procesos de dispersin (scattering) y de difraccin ms importantes que en entornos abiertos debido a: El mobiliario. Estructuras metlicas incrustadas en paredes y techos.

Canal Interior Distancias entre Tx y Rx deben ser mucho ms cortas, debido a: La elevada atenuacin . Baja potencia de los equipos utilizados.

Hayun menor retardo entre los distintos ecos que llegan al Rx. Un menor ensanchamiento temporal.

Canal Interior Las variaciones temporales sern ms lentas, en comparacin con el canal exterior, debido a: Baja velocidad de los usuarios.

Efecto Doopler despreciable.

Por el contrario, estas variaciones espacio-temporales resultan poco estacionarias y de estadstica ms compleja.

Atenuacin de propagacin en interiores La propagacin en interiores es un fenmeno !muy complejo!. En ocasiones hay trayectos LOS Generalmente el trayecto es NLOS. NLOS El rayo directo esta bloqueado por suelos, mamparas u otros objetos en cuyo caso la seal llega al Rx a travs de multitrayectos por :

Reflexin , difraccin y dispersin.

Atenuacin de propagacin en interiores- Difraccin en las esquinas. - Dispersin desde las paredes, techos y pisos. Debido a la complejidad que entraa un modelo clsico ( de rayos), prcticamente todos los modelos se han obtenido experimentalmente. Accin europea COST-231 papel importante en este sentido.

En los trayectos NLOS de interiores: La variabilidad de la seal se puede modelar con una distribucin Rayleigh. Rayleigh En trayectos LOS de interiores: El modelo mas adecuado es la distribucin Rice.

Variacin Estadstica, modelacin.

En la prctica no siempre es posible distinguir entre condiciones LOS y NLOS. ?Que distribucin adoptar? La mas pesimista . La distribucin de Rayleigh.

Variacin Estadstica, modelacin.

La prediccin de las caractersticas de propagacin entre dos antenas situadas en el interior de un edificio, es importante para: Diseo de sistemas de telefona sin hilos (cordless telephone), Redes locales inalmbricas (WLAN's). Diseo de sistemas celulares que prevean la implantacin de EB en el interior de edificios especiales (grandes almacenes, oficinas, etc.) necesitan un conocimiento amplio de dichas caractersticas de propagacin.

Modelos De Propagacin Interior Aplicaciones

Modelos De Propagacin Indoor

Modelos para interiores

1.Empricos de banda estrecha. 2. Empricos de banda ancha. 3. Los que predicen la variacin temporal del canal 4. Semideterministas

Modelos De Propagacin Indoor

: 1.Modelos estrecha.

empricos

de

bandade de

Predicen solamente prdidas propagacin. Estn basados en campaas mediciones.

2. Modelos empricos de banda ancha, Predicen forma aproximada de los PDPen funcin del Delay Spread promediado de distintas mediciones en entornos similares.

Modelos De Propagacin Indoor3. 4.

Modelos que predicen la variacin temporal del canal. Modelos semideterministas. Intentan simular fsicamente la propagacin de las ondas de radio, Pueden caracterizar el canal tanto en banda estrecha como en banda ancha. Por su inters y utilidad prctica, se mostrarn aqu solamente los primeros.

1-Modelos empricos de banda estrecha En forma de ecuaciones matemticas sencillas, en funcin de la distancia. Se optimizan una serie de coeficientes a partir de los datos de mediciones realizadas. Dan como resultado una aproximacin a las prdidas medias de propagacin entre Tx y Rx.

Modelo 1 (One-Slope Model)

(1SM)

Se ajusta la pendiente de prdidas con el logaritmo de la distancia. Debido al carcter interior del modelo, dicha pendiente ser, en general, muy superior a la observada en espacio libre.

Modelo 1Prdidas por propagacin, L :

L ( d ) =L0 + 0 n lo (d ) B 1 g

L0 : Cte. que representa las prdidas de propagacin a

una distancia de referencia igual a 1 metro d: distancia en metros n: ndice de variacin de la potencia con la distancia.

Modelo 1L = L0 +10 n log ( d )Se basa en la relacin generalLb ( d ) = L0 + 0 n lo ( d ) 1 gsiendo L0 =10 log l0

L0 : Puede escogerse de dos formas a) Valor del espacio libre b )Estimarlo por mediciones en interiores

Modelo 1 Se minimiza el valor cuadrtico medio de la diferencia entre las predicciones del modelo y los resultados de mediciones, mediante ajustes. L 0 y n dependen de: La frecuencia y del entorno de propagacin. Del edificio y los materiales que lo constituyen. Tipo de entorno en que se efectan

Clasificacin De Entornos De Interiores Una vez obtenido empricamente el modelo para un entorno dado, puede aplicarse a otros de naturaleza similar. Para la aplicacin del modelo 1: Se han clasificado los entornos de interiores en 8 categoras. A estas categoras se asignan diferentes valores de L0 y n .

Clasificacin De Entornos De Interiores 1) Casas residenciales en zonassuburbanas. 2) Casas residenciales en zonas Edificios de oficinas en zonas

urbanas.

3)

suburbanas.

4)

Edificios de oficinas en zonas

urbanas.

Conclusiones (modelo 1)

Ventajas: Ventajas

Modelo sencillo de aplicar. No requiere informacin detallada sobre los materiales constructivos y la arquitectura del edificio.

ConclusionesDesventajas: Modelo todava en estudio(mayor parte de los datos se han obtenido en la banda 1,71,9 GHz ). Hay que conocer la forma de extrapolar los coeficientes para frecuencias ms bajas. Puede dar lugar a errores importantes de prediccin por la

Conclusiones Si se mezclan trayectos LOS y NLOS la desviacin tpica del error es grande 11,2 dB. Si se separan, mejora la exactitud del ajuste. Las desviaciones tpicas son. 3,5 dB para trayectos LOS. 10,1 dB para trayectos y NLOS.

Valores propuestos para L0 y n

Modelo 2

Modelo Motley -Cost 231

Modelo Motley -Cost 231 Modelo Emprico. Basado en la definicin de atenuacin para suelos y paredes.

Validez : El Tx y el Rx estn situados en el. interior del edificio. 1700 f 1900 MHz.

Modelo Motley -Cost 231

Validez Distancia (d ): 2 ....100 m Altura de la estacin base : 1.5 m Altura del mvil : 1,5 m. al techo

Modelo Motley -Cost 231L = L o + 10 n log d +

i =1

I

k f i L f i+

j =1

J

kw j L w j

Lo: prdidas en un punto de referencia (1 m de distancia).Motley propuso las del espacio libre (37 dB). n: ndice de cada de potencia con d Motley propuso n = 2 d: Distancia Tx - Rx (m)

Modelo Motley -Cost 231L = L o + 10 n log d +

i =1

I

k f i L f i+

j =1

J

kw j L w j

k f i :Numero de pisos de tipo i atravesados k w j :Numero de paredes de tipo j atravesadas L f i : Factor de perdidas para el piso de categora i L w j : Factor de perdidas para una pared de categora j .

Modelo Motley -Cost 231

Algunas categoras de paredes y de piso

Modelo Motley -Cost 231Caractersticas La presencia de muebles no altera el valor medio de la potencia (si altera la desviacin cuadrtica media) Sobrestima el valor de las perdidas cuando el Tx y el Rx estn situados en pasillos.

Modelo Motley -SimplificadoAplicar cuando no se dispone de informacin suficiente sobre las paredes y suelos . Considera:

a)Un nico tipo de suelo. Paredes gruesas (con gran factor de prdida) -b) Slo dos tipos de Paredes finas, paredes (con menor atenuacin).

Modelo Motley -SimplificadoL = 37 + 20 log d + N L f +

j =1

2

kw j L w j

N :Numero de suelos atravesados L f (dB) : Factor de perdidas unitaria por piso L w1 : Factor de perdidas para paredes ligeras ( de madera,puertas etc.) L w2 : Factor de perdidas para paredes gruesas (Tabiques de ladrillos , cemento etc.)

Modelo Motley -Simplificado En la tabla se proporcionan valores indicativos de Lf y Lwi. Lw1 : Prdidas en paredes finas de madera, puertas, etc. L w : Prdida en paredes gruesas o 2 tabiques de. ladrillo, cemento, etc.

Modelo Motley -SimplificadoValores Indicativos Generales

Ejemplo Modelo Motley -SimplificadoUn trayecto de propagacin desde el Tx al Rx dentro un edificio , atraviesa: Un piso (N = 1) Dos paredes del tipo 2 (k w2 = 2) Una pared de tipo 1 (k w1 =1). Las prdidas de cada uno de los elementos son: L f = 24 dB, L w2 =12 dB , L w1 = 4 dB. Hallar la atenuacin

Un piso (N = 1) Dos paredes tipo 2 (k w2 = 2) Una pared de tipo 1 (k w1 =1). Prdidas de cada elemento: L f = 24 dB, L w2 =12 dB , L w1 = 4 dB.

Ejemplo Modelo Motley -Simplificado

d

d = (15 2+5 2)1/2 =15,8 m

Ejemplo Modelo Motley -SimplificadoL = 37 + 20 log d + N L f +

j =1

2

kw j L w j

Solucin: L=37+20 log 15.8+(1)24+(1) 4 +(2)12 =113 dB

Multi-Wall Model (MWM) Se ha observado que las prdidas no son una funcin lineal del nmero de suelos atravesados Aadir un factor emprico b al modelo de Motley Kaenan. A que se puede deber la no linealidad? A la influencia de la difraccin en los perfiles de las ventanas y en los huecos interiores del edificio, conforme aumenta el nmero de pisos entre el TX y el Rx. Para edificios de tamao pequeos. b puede eliminarse.

Multi-Wall Model (MWM)L = LFS + LC +

i =1

N

k f +2 b k +1 f L k wi L wi + k f f

LFS: prdidas en espacio libre, para lnea recta entre Tx yRx

LC :coeficiente de ajuste deducida de mediciones(Cte. emprica) ,optativo ( 0) puede unirse al anterior con el fin de simplificar el modelo.

Multi-Wall Model (MWM)L = LFS + LC +

i =1

N

k wi L wi+ k f

kf +2 b k +1 f L

f

L f : prdidas por piso Lwi : Perdidas de penetracin para una pared del tipo i kf : : nmero de suelos que se atraviesan. kwi : nmero de paredes del tipo i que se atraviesan.

-Cost 231 Multiwall SaunderL = L F + Lc + nwi L wi + n fi= 1 W n f +2 b nf + 1

( (

) )

L

f

LF: prdidas del espacio libre para lnea directa entre el Tx y Rx Lc , b. Ctes empricas deducidas nwi : numero de paredes del tipo i atravesadas por el rayo directo W : numero de tipos de paredes

Lwi Perdidas de penetracin para una pared del tipo i L f : prdidas por piso en dB nf : numero de pisos atravesados por el rayo directo

Corroborando ec.MWML = LFS + LC +

i =1

N

k wi L wi+ k f

kf +2 b k +1 f L

f

Corroborando el ultimo termino de la ec. MWM (numero de pisos) Ej. Para k f =2f = 1800 MHz

Lf = 18.3 dB, b=0.462+ 2 0.46 2 +1

18.3 2Resultados en tabla:

= 33.52 dB

Perdidas por pisos del MWM 80 COST23170 60 50 40 30 20 10f = 1800 MHz

Lf = 18.3 dB, b=0.46

r op s a d dr e P i

1

2

3 4 5 Numero de Pisos

6

7

8

Modelo UIT-R Modelo simplificado del Grupo 8/1 del UIT-R. Sntetiza los anteriores. La atenuacin de propagacin, L(dB) viene dada por:

d : distancia recorrida

Modelo UIT-R

L f (n):factor de la prdida de penetracin a travs de paredes y suelos

n: nmero de plantas entre la estacin base y la estacin mvil

Modelos empricos de propagacin dentro de edificios Causas principales para examinar la penetracin de la seal dentro de los edificios: Cuando existe suficiente capacidad dentro de las macrocelulas y de las micro clulas

Establecer Cobertura.

la

Profundidad

de

Cuando existe insuficiente capacidad dentro de las macrocelulas y de las micro clulas

Perdidas por Penetracin en edificiosModelos aplicados a trayectos comprendidos entre : Tx ubicado en exteriores y Rx situado dentro de un edificio.

Ej. En servicio de telefona cuando el abonado habla desde su domicilio u oficina. La atenuacin de propagacin dada por:

L = L0 +10 nlog d + kF + pW i +We

Perdidas por Penetracin en edificiosL = L0 + 10 nlog d + kF + pW i + WeL0: Perdida de referencia ( Valores tpicos 37,1 dB a 1700 MHz y 31, 6 dB a 900 MHz). n : Ley de variacin de la atenuacin con la distancia ( generalmente, n= 2). k: Numero de techos o suelo atravesados por la seal. F: Perdida unitaria por techo o

Perdidas por Penetracin en edificiosp : Numero de paredes internas del edificio entre el Tx y el Rx. Wi : Perdida unitaria por pared interna (0,4 < Wi < 8). We: Perdida por penetracin a travs de la fachada exterior del edificio (3,8 < We < 10,5). En el caso en que la seal procedente del Tx no atraviese ningn techo o suelo, sino

Ejemplo. Perdidas por Penetracin en edificiosTx Tx

La seal 1 atraviesa la fachada, una pared interior (p = 1) y un techo ( k = 1). La onda 2 no atraviesa ningn techo (k=0)

Problema practico de enlace de Red Inalambrica Una red de rea local posee un segmento con dificultades para el cableado con el nodo central, el cual ser establecido por va inalmbrica utilizando un enlace de radio. Se realiza el enlace punto a punto considerando visibilidad directa debido a la altura de las antenas. La distancia que separa los puntos a interconectar es de 180 metros , Frecuencia = 2456 MHz . Se desea un enlace a 3 Mb/ps

Problema practico de enlace de Red Inalambrica Debe tenerse en cuenta los siguientes datos brindados por el fabricante del equipamiento. Analizaremos la posibilidad de realizar el enlace:

Margen de sealMargen de la seal recomendado por el fabricante teniendo en cuenta la distancia . Tabla 1Margen Distancia

5 dB 10 dB 20 dB

D < 1Km 1 Km 10 Km

Datos del equipamientoSensibilidad del Rx (mnimo nivel de seal necesario en la entrada del dispositivo que posibilita una correcta recepcin de la informacin) Tabla 2Sensibilidad Receptor -82 dBm -75 dBm -67 dBm del Velocidad enlace 1Mbps 2Mbps 3Mbps del

Datos del equipamientoPotencia a la salida del Tx =17dBm Ganancia del Kit transmisor (Gtx)= 7 dBi Gtx=Gtx - Ctx Gtx= Ganancia de la antena Tx. Ctx= Perdidas por cables, conectores y protecciones electricas.

Datos del equipamientoGanancia del Kit receptor(Grx)= 7 dBi Grx=Grx-Crx Grx= Ganancia de la antena Tx. Crx= Perdidas por cables, conectores y protecciones electricas.

Tabla de materiales y prdidas asociadas (segn fabricante)Obstruccin Prdidas asociadas 3 dB 5 - 8 dB 5 8 dB 10 dB 15 - 20 dB (12 20 - 25 dB 15 - 20 dB 20 - 25 dB Ventanas no metlicas Ventanas metlicas Muros ligeros Muros intermedios (madera) Muros gruesos (6 pulgadas) Muros muy pulgadas) gruesos

Pisos y techos gruesos Pisos y techos muy gruesos

SolucinClculo de la potencia de la seal a la entrada del Rx. Prx= Ptx+ Gtx+Grx-Lbf. (1) Calculemos L bf

Lbf = 32.4+20log FMhz +20 log d (km) (2) Sustituyendo los valores en (2). L bf = 85.3 dB

Solucin Sustituyendo en (1) los datos del fabricante. Prx= 17 dBm+7 dBi+7dBi-85.3 dB Prx= -54,3 dBm De acuerdo a la tabla 1 el fabricante recomienda un margen de 5dB para d< 1 km. Por lo tanto debemos calcular, cual es nuestro margen.

Calculo del Margen de seguridad

Margen= Prx- Sensibilidad del Rx(a lavelocidad requerida)

Por tanto: Margen= -54.3 dBm- (-67 dBm) Margen= 12,7 dBm Se garantiza el enlace.

Ejercicio propuesto ?Como se debe proceder si la seal en el trayecto de propagacin pasara a traves de un muro intermedio de madera?

Requerimientos para antenas en interioresn n n

Ancho de haz muy amplio Apariencia discreta y slidaLineal ( Aun la mas utilizada) Circular

Reduce: Polarizacin Perdidas por desmacheo de polarizacin

Profundidad de los desvanecimientos y el RMS delay spread

Estrechamiento del ancho del haz de la antena Reduce: Sustancialmente el delay SpreadEn situaciones LOS , pero este efecto se contrapone con la dificultad de poder proporcionar un rea de cobertura razonablemente uniforme con un ancho del haz estrecho

Antenas usadas en picocelulas (interiores) Las Antenas impresas (o de microcinta) Antenas biconicas del tipo bocinas (biconical horn para ondas milimtricas) Antenas de alambres (para bajas frecuencias ) Antenas Distribuidas Antenas fractales.

Antenas Distribuidas La potencia Tx se divide entre varios elementos de antenas, separadas espacialmente Proporcionan la misma rea de cobertura que la de una sola antena. La potencia total es reducida para mejorar su realizacin.

Cable radiante (leaky feeder) Es una antena distribuida pasiva Es un tipo de cable coaxial especial donde la pantalla es ranurada para permitir la radiacin de RF a lo largo del cable. Producen una cobertura virtualmente uniforme

leaky feeder, diagrama der radiacin ( ) E = S( ) / , S( ) = S ( ) S0 1

S 0 ( ) = sen( )

Patrn de una ranura

:ngulo entre la direccin indicada y el eje del cable.

z

leaky feeder, diagrama de radiacin S1 ( ) : factor del arreglo de un perodo de la sucesin deranuras. Se colocan simtricamente, en z n, con respecto al punto medio Todas las ranuras se excitan con igual amplitud16

S1 ( ) = cos ( k cos k c ) znn =1

[

]

k = 2 / ,

k c = 2 / c

: longitud de onda del libre-espacio 16 S longitud de onda en el cable. : = cos k cos kc1

( ) n= 1

[(

)]

Diagrama de radiacin resultante.

z

S1 ( ) = [( k cos kc )] cosn= 1

16

Cable radiante (leaky feeder)