modelo de propagacion cost-hata

UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN ANDRÉS

FACULTAD DE INGENIERIA

“COMUNICACIONES INALAMBRICAS”

“MODELO DE PROPAGACION COST HATA”

Autores:

1. Amonzabel Gutiérrez Pablo2. Arnez Castillo Fernando3. Quispe Yujra Nelson Freddy

Agosto de 2012

La Paz – Bolivia

INDICE

1. ANTECEDENTES.-

2Modelo de Propagación COST- HATA

2. OBJETIVO.-

3. MARCO TEÓRICO.-

3.1. COBERTURA

3.2. LA FORMULA MATEMATICA

3.3. PUNTOS A NOTAR

3.4. COST 231

3.5. OKUMURA-HATA

3.6. OKUMURA-HATA MODULADO3.7. COMPARACION ENTRE MODELOS3.8. EJEMPLO PRACTICO DE APLICACION

4. CONCLUSIONES

5. BIBLIOGRAFÍA

1. ANTECEDENTES

El modelo Cost-Hata es el más citado de los modelos 231 de COST. También se llama el modelo de Hata PCS extensión, es un modelo de propagación de radio que se extiende el modelo de Hata (que a su vez se basa en el modelo de Okumura) para cubrir una amplia gama de frecuencias más elaborado.

COST (coperation européenne dans le domaine de la Recherche Scientifique et Technique) es un foro de la Unión Europea para la investigación científica cooperativa que ha desarrollado este modelo de acuerdo a diversos experimentos e investigaciones

2. OBJETIVO

2


Definir el modelo Cost- Hata y sus sub conjunto de modelos de Okumura-Hata y método COST–231

3. MARCO TEORICO

Este modelo es aplicable a las zonas urbanas. Para evaluar más a fondo Pérdidas en la trayectoria en las áreas suburbanas o rurales, esta pérdida en el trayecto ha de ser sustituido en el urbano a lo rural / urbano con las conversiones de cercanías.

3.1. Cobertura

Frecuencia: 1500 MHz a 2000 MHz Mobile Station altura de la antena: 1 hasta 10 metros Estación de base de la antena Altura: 30 m hasta 200 m Distancia Link: 1 hasta 20 km

3.2. La formulación matemática

La relación Cost-Hata-modelo se formula como,

Para ambientes de suburbanas o rurales:

Donde,

L = pérdida media en el camino. Unidad: Decibel (dB)

f = frecuencia de la transmisión. Unidad: Megahertz (MHz)

hb = altura de la antena de la estación base efectiva. Unidad: metro (m)

d = distancia del enlace. Unidad: el kilómetro (km)

h R = Mobile Station altura de la antena eficaz. Unidad: metro (m)

un (HR) = Antena móvil altura de la estación el factor de corrección, como se describe en el modelo de Hata las zonas urbanas.

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3.3. Puntos a notar

La Cooperativa Europea de Investigación Científica y Técnica (EuroCost) formaron el COST-231 comité de trabajo para desarrollar una versión ampliada del modelo Hata. COST-231 propone la siguiente fórmula para extender el modelo de Hata a 2 GHz. El modelo propuesto para la pérdida de trayectoria es

L50 (urbana) = 46,3 + 33,9 log fc - 13,82 hte registro - un (Hre) + (44,9 a 6,55 log Hte) log d + cm

Donde (Hre) es el factor de corrección para la altura efectiva de la antena móvil que es una función del tamaño del área de cobertura.

0 dB para la ciudad de tamaño medio y las áreas suburbanas

Gama de parámetros:

f: 1500 MHz a 2000 MHz Hte: 30 m a 200 m EDH: 1 m a 10 m d: 1 KM a 20 km

3.4. COST 231

Descripción

El modelo COST 231 es un modelo semi-empírico de predicción de las pérdidas en un trayecto, resultado de la combinación de los modelos Walfisch-Bertoni e Ikegami. Es comendado para macro-células en escenarios urbanos y suburbanos, con buenos resultados de las pérdidas en el trayecto para antenas transmisoras situadas por encima de la altura media de los tejados. Sin embargo, el error en las predicciones aumenta considerablemente a medida que la altura del transmisor se acerca a la altura de los tejados, llegando a tener un rendimiento muy pobre para transmisores situados por debajo de ese nivel.

Respecto a modelos precedentes como Okumura-Hata, el modelo COST 231 incluye una serie de parámetros adicionales al proceso de cálculo, además de ampliar el rango de frecuencias en el cual puede usarse (800 - 2000 MHz). El modelo realiza un cálculo más detallado de la atenuación, basándose en cuatro parámetros adicionales:

- altura de los edificios - ancho de las calles

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- separación entre edificios- orientación de la calle respecto a la dirección de propagación.

La pérdida básica de propagación, Lb, es calculada como la suma de tres componentes: la pérdida de propagación en condiciones de espacio libre, L0; la pérdida por difracción del tejado a la calle, Lrts, producida en el interior de la calle en la que se encuentra el receptor, como resultado de la difracción en el tejado adyacente a éste; y la pérdida por difracción multipantalla Lmsd, producida por múltiples difracciones en los tejados de los edificios situados a lo largo del trayecto. El modelo distingue además casos LOS y NLOS

En general, las restricciones para el modelo son las siguientes:

- f = 800 – 2000 MHz- hb = 4 – 50 m (altura de transmisor)- hm = 1 – 3 m (altura de receptor)- d = 0.02 – 50 km (distancia entre transmisor y receptor)- Δhb > 0 m (altura relativa del transmisor respecto a los edificios)

Desarrollo

a) Para escenarios LOS, la pérdida de propagación considera únicamente la pérdida en espacio libre, Lb = L0(LOS), donde:

(1)

Donde d es expresada en km y f en MHz

b) El trayecto NLOS típico descrito en el modelo COST 231, se representa en las Figuras 1a y 1b.

Figura 1a: Escenario típico de propagación NLOS usado en el modelo COST 231. Vista perfil.

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Figura 1b: Escenario típico de propagación NLOS usado en el modelo COST 231. Vista superior.

Los parámetros definidos en el modelo COST 231 son los siguientes:

- hr : altura media de los edificios (m)- w : anchura de la calle (m)- b : separación media entre edificios (m)- φ : ángulo formado por la dirección de propagación y el eje la calle (grados)- hb : altura de la antena de la estación base (m)- hm : altura de la antena del dispositivo móvil (m)- Δhm = hr – hm (m)- Δhb = hb – hr (m)- l : distancia total entre el primer y el último edificio del trayecto (m)- d : distancia entre estación base y dispositivo móvil (km)- f : frecuencia (MHz)

La pérdida básica de propagación para el escenario NLOS viene dada por:

(2)

La pérdida de propagación en condiciones de espacio libre, L0, se obtiene según la expresión:

(3)

El término Lrts tiene en cuenta la anchura de la calle y su orientación con respecto a la dirección de propagación del rayo. Su definición está basada en los principios de difracción tejado-calle dados por el modelo de Ikegami [4]. La expresión para el cálculo de Lrts, es aceptada por la UIT-R en su Recomendación P.1411 [5], y viene dada por:

(4)

donde:

6


(5)

El término Lori es un factor de corrección que cuantifica las pérdidas debido a la orientación de la calle. En caso de que el valor de Lrts< 0, se debe considerar Lrts = 0.

La pérdida por difracción multipantalla, Lmsd, es función de la frecuencia, la distancia entre el dispositivo móvil y la estación base, además de la altura de ésta y la de los edificios. Al igual que Lrts, en caso de que Lmsd sea negativo, se considera Lmsd = 0. Su valor se calcula mediante la expresión:

(6)

donde:

(7)

es un término que depende de la altura de la estación base. Además se definen los siguientes parámetros:

(8)

(9)

(10)

El término ka presenta el incremento de la pérdida en el trayecto para el caso de estaciones bases ubicadas por debajo de la altura media de los edificios. Los términos kd y kf controlan la dependencia de Lmsd respecto a la distancia y a la frecuencia, respectivamente. En el caso de que no existieran datos sobre los edificios en el trayecto, el modelo COST 231 recomienda emplear:

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- hr = 3 m x (Nº de pisos) + altura del techo

- b = 20 – 50 m- w = b / 2- φ = 90º

3.5. OKUMURA-HATA

Descripción

A partir de una extensa campaña de medidas llevada a cabo en Tokyo, en el rango de 100 MHz a 1920 MHz, Okumura et al. [1] publicaron uno de los modelos más utilizados para la predicción de la pérdida de propagación en áreas urbanas. El principal resultado del trabajo de Okumura fue un conjunto de curvas que proporcionan el nivel de atenuación media relativa al espacio libre, en función de la frecuencia, la distancia entre transmisor y receptor, la altura de las antenas de la estación base y la estación móvil, además de varios factores de corrección específicos para diferentes tipos de trayecto. Este modelo está considerado entre los más simples y mejores en términos de su precisión en el cálculo de las pérdidas en el trayecto y se ha convertido en la planificación de sistemas móviles en Japón.

Con el objetivo de hacer que este método fuera más fácil de aplicar, Hata [2] estableció una serie de relaciones numéricas que describen el método gráfico propuesto por Okumura. Dichas expresiones de carácter empírico, son conocidas bajo el nombre de modelo de Okumura-Hata, también llamado modelo de Hata.

El principal resultado que proporciona el modelo es el valor mediano de la pérdida básica de propagación, en función de la frecuencia, la distancia, y las alturas de las antenas de la estación base y el móvil. Aunque éste no incluye ninguno de los factores de corrección por tipo de trayecto, los cuales sí están en el modelo de Okumura, las ecuaciones propuestas por Hata tienen un importante valor práctico.

El modelo de Okumura-Hata está restringido a los siguientes límites:

- f : 150 a 1500 MHz- hb: 30 a 200 m- hm: 1 a 10 m- d : 1 a 20 km

Desarrollo

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El modelo de Okumura-Hata expresa la pérdida básica de propagación, Lb, de la siguiente manera [3]:

(1)

Donde a(hm) es un factor de corrección que depende de la altura del móvil y que se calcula como sigue:

1) para áreas urbanas:

a) para ciudades pequeñas o medianas:

(2)

Donde 1 ≤ hm≤ 10 m

b) para ciudades grandes:

(3)

2) para áreas suburbanas:

(4)

3) para áreas rurales:

(5)

De manera general, este método de cálculo proporciona buenos resultados en entornos urbanos y suburbanos, pero no así en áreas rurales, ya que no tiene en cuenta la ondulación del terreno ni los efectos derivados del grado de urbanización a lo largo del trayecto.

3.6. OKUMURA-HATA MODULADO

Descripción

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Este modelo se basa en el método de Okumura-Hata para la predicción del valor de señal en un punto, por lo que presenta las mismas aplicaciones y las mismas restricciones. Se trata por tanto de un modelo hibrido especialmente útil para analizar la propagación de servicios móviles.

El método original es bastante impreciso ya que no tiene en cuenta los efectos de los elementos determinísticos (terreno, edificios, ancho de calles, etc.). Para ello se introduce una corrección en función del terreno, utilizando las pérdidas de difracción calculadas mediante la Recomendación UIT-R P.526 como referencia.

Se considera que el valor medio del error ofrecido por Okumura-Hata es 0. El objetivo será modificar este valor en un entorno de ±σ en función del error cometido con las pérdidas de difracción. Para ello se utiliza la función de distribución normal, con una desviación típica σ, convirtiendo valores de error entre -∞ y +∞ en valores comprendidos entre -σ y +σ.

Fig. 2 Distribución normal para el error medio

De esta manera se obtiene un resultado de Okumura-Hata ajustado de una manera precisa al escenario estudiado. En las siguientes capturas puede observarse una comparación de la cobertura de una estación base calculada con ambos métodos.

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Fig. 3a y 3b

Aplicaciones

- Las mismas que Okumura-Hata, es decir, está recomendado para servicios móviles.

- Recomendado cuando se dispone de información detallada de los edificios.

3.7.- COMPARACIÓN ENTRE MODELOS.-

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Fig 4. Comparación entre el modelo de Hata-Okumura con Hata Modificado [2]

Parámetros de Estudio:Frecuencia: 900 MHz,Altura Tx (hb)=200mAltura del móvil (hm)=3mGanancia Tx: 13 dBiTamaño de Ciudad: Pequeña /MedianaTipo de área: Urbana

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Fig. 5 Comparación de Hata Modificado y Modelo Cost-Hata (2)

Parámetros de Terreno:Ancho Promedio: 73.8 mAltura de Construcción Promedio:17.49 mPorcentaje de Construcciones: 37%Parámetros de Estudio:Frecuencia = 1800 MHz,Altura Tx (hb) = 50 mAltura del móvil (hm) = 1.5 mGanancia Tx = 13 dBiTamaño de Ciudad: GrandePerdida por Trayectoria del ModeloHata-Modificado según Tipo de área:Abierta(1) Suburbana(2) Urbana

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3.8.- EJEMPLO PRÁCTICO DE APLICACIÓN

Red Inalámbrica en la V Región, Chile

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Colegio Luterano Concordia

Colegio Leonardo Murialdo

UTFSM


Calculo de propagación en comunicaciones móviles

Macrocelulas d > 20 KM Modelo COST 231- Hata Datos del enlace de bajada (UL

Concepto Abrev. Unidades ValorFrecuencia DL fDL MHz 1800Potencia Tx BS Pbs dBW 17Filtro combinador Acomb dB 3,0Conectores Acon dB 0,5jumpers Ljump dB 0,1Longitud cable L metros 20,0pérdidas cable dB/100 m 2,0Pérdidas totales en alimentador Af dB 4,0Ganancia antena Tx BS Gbs_tx dBi 17,0PIRE dBW 30,0

Distancia D Km 20,00Altura de la antena BS Hbs m 30Altura antena MS Hms m 1,50Urbano denso >400 MHz -0,03Urbano 0,04Suburbano 11,98

Rural 27,02Corrección altura móvil y tipo entorno 2 Rural 0,04Pendiente de pérdidas N 3,52Pérdidas medias del camino d>20 km dB 136,23

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Modelo Okumura-Hata. F: 150 -1500 MHz hb: 30 - 200 m d: 1 - 20 Km

corrección altura móvil

correcciones para áreas suburbanas y áreas abiertas:

Área suburbana:

Área abierta:

Modelo Hata- COST 231. F: 1500 -2000 MHz hb: 30 - 200 m d: 1 - 20 Km

corrección altura móvil: La misma que en el modelo de Hata

correcciones para entorno:

Grandes centros metropolitanos Cm = 3 dB Ciudades de tipo medio Cm = 0 dB

Ab (dB )=46 .3+33. 9 log f−13 . 82 loghb−a (hm )+[44 .9−6 .55 log hb ] log d+cm

Abs= Ab− 2 · log ( f 28)2

− 5,4

Aba= Ab− 4 ,78· log ( f )2 + 18 ,33 · log ( f ) − 40 ,94

a (hm )=¿ {(1. 1 log f−0 .7 )hm−(1 .56 log f−0 .8 ) ciudad mediana o pequeña ¿ ¿¿¿

a (hm )=¿ {(1.1 log f−0 .7 )hm−(1 .56 log f−0 .8 ) ciudad mediana o pequeña ¿ ¿¿¿Ab (50 % )= 69 ,55+ 26 ,16 · log f − 13 ,82 ·log hb − a (hm ) + ( 44 ,9−6 ,55 ·log hb )·logd


Desviación típica por ubicaciones u dB 5,00Desviación típica por tiempo t dB 2,00Porcentaje ubicacones % u 90,0Porcentaje tiempo % t 90,0Margen desvanecimiento lento SFM dB 6,10Margen desvanecimiento rápido FFM dB 10Pérdidas totales dB 152,32

Ganancia antena Rx MS Gms_rx dBi 0Pérdidas recepción móvil ms-rx dB 0Potencia recibida en MS Pr ms dBm -92,32Sensibilidad MS Ubs dBm -100Margen Enlace descendente DL 7,68

balance entre DL_UL -6,60balance entre DL_UL con amplif. Mastil -10,59

Datos del enlace de subida (UL)Concepto Abrev. Unidades ValorFrecuencia DL fUL MHz 1700Potencia Tx MS Pms dBW 0Pérdidas recepción móvil ms-tx dB 0Ganancia antena Tx MBS Gms_tx dBi 0,0PIRE dBw 0

Distancia d Km 20Altura de la antena BS hbs m 30,00Altura antena MS hms m 1,50Urbano denso >400 M -0,03Urbano 0,04Suburbano 11,80

Rural 26,71Corrección altura móvil y tipo entorno 3 Rural 11,80Pendiente de pérdidas n 3,52Pérdidas medias del camino d>20 km dB 123,63

Desviación típica por ubicaciones u dB 5,00Desviación típica por tiempo t dB 2,00Porcentaje ubicacones % u 90,0Porcentaje tiempo % t 90,0Margen desvanecimiento lento SFM dB 6,10Margen desvanecimiento rápido FFM dB 10Pérdidas totales dB 139,72

Ganancia antena Rx BS Gbs_rx dBi 17,0

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Conectores Acon dB 0,5jumpers Ljump dB 0,1Longitud cable l metros 20,0pérdidas cable dB/100 m 2,0Pérdidas totales en alimentador Af dB 1,0Ganancia por diversidad BS Gd bs dB 4Potencia recibida en BS Pr bs dBm -89,72Sensibilidad BS -104Margen Enlace descendente UL 14,28

Ganancia amplificar mastil Gam dB 30Figura de ruido amplificador mastil NF am 1figura ruido BS NF bs 4Ganancia efectiva amp. mastil 3,99Potencia recibida con amp. Mastil Pr bs dBm -85,73UL_margin with mta 18,27

4. CONCLUSIONES

Modelo especialmente concebido para aplicaciones a radiocomunicaciones móviles.

Excelente validación de resultados, es decir buena correlación entre datos calculados y valores medidos experimentalmente. (Obvio, el modelo fue concebido empíricamente).

Proporciona una pérdida básica de propagación de tipo medio, para cualquier punto de una ciudad.

DESVENTAJAS.-

Para ser preciso, requiere de un excelente relevamiento de datos catastrales de las ciudades en estudio.

5. Bibliografía

E. Damosso, editor, “Digital Mobile Radio: Towards Future Generation Systems”. European Commission, Final Report of the COST 231 Project. Chapter 4. 1998.

L. M. Correia, “A View of the COST 231-Bertoni-Ikegami Model”, 3rd European Conference on Antennas and Propagation. EuCAP 2009. Berlín. March 2009.

J. Walfisch and H. L. Bertoni, “A theoretical model of UHF propagation in urban environments” IEEE Trans. Antennas Propagat., vol. 36, pp. 1788–1796, December. 1988.

F. Ikegami, T. Takeuchi, and S. Yoshida, “Theoretical prediction of mean field strength of urban mobile radio” IEEE Trans. Antennas Propagation, vol. 39, pp. 299–302, March. 1991.

UIT-R Rec. P.1411-4, “Propagation data and prediction methods for the planning of short-range outdoor radio communication systems and radio local area networks in the frequency range 300 MHz to 100 GHz”. ITU, Geneva, Switzerland. 2007.

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modelo de propagacion cost-hata

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