modelos propagação

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


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.


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.


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.


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


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


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.


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 )).


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


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.


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.


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.


Antenas transmissoras na Torre de Tokio.

Antenas transmissoras na estao-base de Enkai.

Exemplo de um dos testes realizados


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;


h, d1, d2 - altura e distncias a um

obstculo isolado.i - inclinao mdia do terreno.



- parmetro para trajectos mistos, = ds / d



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


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


Correco para a ondulao do terreno, Kh



Correco para reas abertas, Qo, ou

quase abertas, Qr, (reas no urbanas) Correco para reas suburbanas, Kmr



Correco para a posio das

ondulaes, Khf

Correco para trajectos mistos, Ks



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 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


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.


Desenho da variao do nvel

de sinal na rea de servio de

uma estao base utilizando o

modelo de Okumura-Hata

(Exemplo).


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.


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.


Expresses paraos factorescorrectivos no modelo de Okumura-Hata

[ ]( ) [ ]( )[ ]

[ ] 4.528

log2

94.40log33.18log78.4

2

2

+

=

+=

MHzdBmr

MHzMHzo

fK

ffQ


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.


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).



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.



[ ]( )

>+

=

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



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



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.


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


Lp (dB) = 50 + b x d

d=distncia da antena

b = 0.3 + wall loss

Frmula Aproximada


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


Design assistido por computador

BTS

Feeder

Splitter

Antena


Design assistido por computador

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