Tema 3: Modelos de Propagación de gran Escala Modelos de propagación La señal recibida por el móvil en cualquier punto del espacio puede estar constituida por un gran número de ondas planas con distribución aleatoria de amplitud, de fase y de ángulo de llegada. Es posible la recepción incluso cuando no hay visión directa entre Transmisor y Receptor. • Bloqueo (shadowing) Transmisor Receptor 2 Modelos de propagación Los modelos de propagación a gran escala predicen el comportamiento medio para distancias >> λ • Dependencia de la distancia y de características del entorno • Independencia del ancho de banda • Útiles para modelar el alcance de un sistema radio y para planificación. Modelos de pequeña escala (fading) describen las variaciones de señales sobre distancias del orden de λ • Fading: cambios rápidos de la señal sobre distancias (intervalos de tiempo) cortos. • Multitrayecto − Cancelación de fase − Atenuación constante • Dependencia del ancho de banda de transmisión. 3 Modelos de propagación Mecanismos de Propagación de señal. • Espacio Libre (Path Loss, Line-of-Sight) • Bloqueo (debido a obstrucciones) − Modelo Log-distancia − Modelo Log-normal • Desvanecimiento por multitrayecto (interferencia con(des)structiva) PT PR Pr/Pt v d=vt d=vt 4 Modelos de gran escala: Path Loss, PL Propagación en espacio libre PR PT PL ⎛ λ ⎞ PR (d )[W ] = PT [W ] × GT GR ⎜ ⎟ 4π d ⎠ ⎝ Espacio libre Path Loss 2 GT PL(d ) [ dB] = (32.44 + 20log10 d + 20log10 f ) ⎛ 4π d ⎞ PL(d ) = ⎜ ⎟ ⎝ λ ⎠ 2 GR d f en MHz d en Km El modelo de propagación de espacio libre es sólo válido para campo lejano (d > d0) • Valores típicos de d0 − Celdas grandes (rural): 1 km. − Microceldas (urbano): 100 m − Indoor (WLAN): 1m. 2 ⎛ d0 ⎞ PR (d ) [W ] = PR (d0 ) [W ] × ⎜ ⎟ , d ≥ d0 ⎝d⎠ ⎛d ⎞ PL(d ) [ dB] = PL(d 0 ) [ dB] + 20 log ⎜ ⎟ ⎝ d0 ⎠ 5 Modelos de gran escala: Path Loss, PL Existen modelos que pueden explicar “mejor” que el de “espacio libre” las pérdidas en un trayecto. • Ejemplo: Modelo de Okumura-Hata: pérdidas en promedio PLOkumura [dB] = 69.55 + 26.16log ( f ) −13.82log ( H1 ) + ⎡⎣44.9 − 6.55log ( H1 ) ⎤⎦ log ( d ) − a ( H2 ) donde: f: H1 : frecuencia (MHz) Altura efectiva de la antena transmisora (m) [30 a 200 m] H2 : Altura efectiva de la antena receptora (m) [1 a 10 m] d : distancia (km) a(H2) = (1.1 log( f ) − 0.7) H2 − (1.56 log ( f )− 0.8) • Comparación con el modelo de propagación en espacio libre PL(d ) [ dB] = (32,44 + 20log10 d + 20log10 f ) f en MHz d en Km 6 Modelos de gran escala: log-distancia En la práctica, existen condiciones del entorno que afectan a la potencia media recibida n ⎛ d0 ⎞ PR (d )[W ] = PR (d0 )[W ] × ⎜ ⎟ , d ≥ d0 ⎝d⎠ Entorno Espacio libre Reflexión especular ideal Entorno urbano Entorno urbano (shadowing) En edificios (visión directa) En edificios (camino obstruido) En industria (camino obstruido) 170 ⎛d ⎞ PL( d ) [ dB] = PL(d 0 ) [ dB] + 10n log ⎜ ⎟ ⎝ d0 ⎠ fc =1800 MHz 160 Pérdidas medias en el trayecto n=4 150 n=3 140 PL(dB) ⎛d⎞ PR (d ) [ dBW] = PR (d0 ) [ dBW] − 10n log ⎜ ⎟ ⎝ d0 ⎠ Exponente, n 2 4 2.7 - 3.5 3-5 1.6 - 1.8 4-6 2-3 130 n=2 120 110 100 90 80 0 1 2 3 4 5 6 Distancia [km] 7 8 9 10 7 Modelos de gran escala: log-distancia Pérdidas medias en el trayecto ⎛d ⎞ PL( d ) [ dB] = PL( d 0 ) [ dB] + 10n log ⎜ ⎟ ⎝ d0 ⎠ • Lineal cuando la distancia se expresa en unidades logarítmicas 180 170 − log-distancia fc =1800 MHz 160 n=4 150 n=3 PL(dB) 140 130 n=2 120 110 100 90 80 -1 10 0 10 Distancia [km] 1 10 8 Microceldas urbanas Dependiendo del perfil, el índice n puede variar D Edificios C B A Breakpoint Potencia Media Recibida (dB) A n=2 Potencia Media Recibida (dB) A Breakpoint C n=2 B n=4 n=4~8 log (distancia) 15~20dB D log (distancia) 9 Modelos de gran escala: log-normal Variaciones entorno a la media ⎛d ⎞ PL(d ) [ dB] = PL( d 0 ) + 10n log ⎜ ⎟ + X σ ⎝ d0 ⎠ Componente de desvanecimiento Log-normal [dB] Variable aleatoria Gaussiana (0,σPL2) [dB] Celdas en forma de ameba PR 10 Modelos de gran escala: log-normal Variaciones entorno a la media ⎛d ⎞ PL(d ) [ dB] = PL(d 0 ) + 10n log ⎜ ⎟ + X σ ⎝ d0 ⎠ Componente de desvanecimiento Log-distancia [dB] Variable aleatoria Gaussiana (0,σPL2)[dB] 11 Ejemplo: Determinar “n” y σ2 Encontrar los parámetros del modelo log-normal • “n” y σ2 Componente de desvanecimiento Log-distancia [dB] ⎛d ⎞ PR (d ) [ dBm ] = PR (d 0 ) [ dBm ] − 10n log ⎜ ⎟ + X σ ⎝ d0 ⎠ Variable aleatoria Gaussiana (0,σ2) [dB] PR(d0) (dBm) PR(dBm) σ2 10n log(d0) log(d) 12 Ejemplo: Determinar “n” y σ2 Asuma PR(d0) = 0 dBm y d0=100 m Asuma que la potencia recibida PR(d) se mide a distancias 100 m, 200 m, 1000 m y 3000 m, Encontrar los parámetros del modelo log-normal • “n” y σ2 Distancia desde el transmisor Potencia Recibida 100 m 0 dBm 200 m -20 dBm 1000 m -35 dBm 3000 m -70 dBm Componente de desvanecimiento Log-distancia [dB] ⎛d ⎞ PR (d ) [ dBm ] = PR ( d 0 ) [ dBm ] − 10n log ⎜ ⎟ + X σ ⎝ d0 ⎠ Variable aleatoria Gaussiana (0,σ2) [dB] 13 Ejemplo: Determinar “n” y σ2 Modelo log-normal • Cálculo de n Distancia PR(d) (dBm) media experimental PR(d) (dBm) media Modelo lognormal 100m (d0) 0 0 200m -20 -3n 1000m -35 -10n 3000m -70 -14.77n ⎛d ⎞ PR (d ) [ dBm ] = PR (d 0 ) [ dBm ] − 10n log ⎜ ⎟ ⎝ d0 ⎠ 14 Ejemplo: Determinar “n” y σ2 ⎛d ⎞ PR (d ) [ dBm ] = PR ( d 0 ) [ dBm ] − 10n log ⎜ ⎟ ⎝ d0 ⎠ Modelo log-normal • Cálculo de n Distancia PR(d) (dBm) media experimental PR(d) (dBm) media Modelo log-normal 100m (d0) 0 0 200m -20 -3n 1000m -35 -10n 3000m -70 -14.77n • Error cuadrático − ε2(n) = (0-0)2 + (-20-(-3n))2 + (-35-(-10n))2 + (-70-(-14.77n))2 • Error cuadrático medio ( 1 2 2 2 ε (n) = 0 + ( 3n − 20) + (10n − 35) + (14.77n − 70) 4 2 2 dε (n) σ = ε ( nopt ) [dB] nopt → =0 dn 2 ) 15 Cálculo de coberturas El Modelo Log-normal (shadowing) nos permite definir probabilidades de coberturas. • La probabilidad de que PR(d) [dBm] supere γ [dBm]: − Estadística Gaussiana ( N PR (d ), σ 2 ) PR (d ) = Y → X = σ Área sombreada σY N ( 0,1) Área sombreada Pr ⎡⎣PR (d)[ dBm] > γ [ dBm]⎤⎦ γ P (d) R PR (d) −γ Y − μY z 0 Y=PR(d) [dBm] z Q(z) Pr [ X > z] = Q(z) 1 z Q(z) z X Q(z) z Q(z) 0.0 0.5 1.0 0.15866 2.0 0.02275 3.0 0.00135 0.1 0.46017 1.1 0.13567 2.1 0.01786 3.1 0.00097 0.2 0.42074 1.2 0.11507 2.2 0.01390 3.2 0.00069 0.3 0.38209 1.3 0.09680 2.3 0.01072 3.3 0.00048 0.4 0.34458 1.4 0.08076 2.4 0.00820 3.4 0.00034 0.5 0.30854 1.5 0.06681 2.5 0.00621 3.5 0.00023 0.6 0.27425 1.6 0.05480 2.6 0.00466 3.6 0.00016 0.7 0.24196 1.7 0.04457 2.7 0.00347 3.7 0.00011 0.8 0.21118 1.8 0.03593 2.8 0.00256 3.8 0.00007 0.9 0.18406 1.9 0.02872 2.9 0.00187 3.9 0.00005 16 Cálculo de coberturas El Modelo Log-normal (shadowing) nos permite definir probabilidades de coberturas. • La probabilidad de que PR(d) [dBm] supere γ [dBm]: ⎛ γ [ dBm] − PR (d)[ dBm] ⎞ Pr ⎡⎣PR (d)[ dBm] > γ [ dBm]⎤⎦ = Q⎜ ⎟⎟ ⎜ σ dB [ ] ⎝ ⎠ Área sombreada γ P (d)[dBm] R PR(d) dBm • Efecto de la variación de la distancia ( γ [dBm] permanece constante). − Supongamos d1 < d2 → PR (d1 ) [ dBm] > PR (d2 ) [ dBm] Área sombreada PR(d2) γ PR(d1) PR(d) [dBm] Área sombreada PR(d2) γ PR(d1) PR(d) [dBm] 17 Cálculo de coberturas El Modelo Log-normal (shadowing) nos permite definir probabilidades de coberturas. • La probabilidad de que PR(d) [dBm] supere γ [dBm]: ⎛ γ [ dBm] − PR (d)[ dBm] ⎞ Pr ⎡⎣PR (d)[ dBm] > γ [ dBm]⎤⎦ = Q⎜ ⎟⎟ ⎜ σ dB [ ] ⎝ ⎠ Área sombreada PR(d) dBm γ P (d)[dBm] Planificación de red: R • Encontrar el valor de “d” para el que la potencia recibida media supere el umbral γ [dBm] con una probabilidad α %. Pr ⎡⎣ PR (d ) [ dBm ] > γ [ dBm ]⎤⎦ ≥ α % d 18 Potencia recibida y PDF normal Encontrar el valor de “d” para el que la potencia recibida media supere el umbral γ [dBm] con una probabilidad α % Pr ⎡⎣ PR (d ) [ dBm ] > γ [ dBm ]⎤⎦ ≥ α % • Ejemplo: γ = -88 [dBm]; σ= 5 dB; ¿cuánto tiene que valer PR(d) para 0.08 que Pr ⎡⎣ PR (d ) [ dBm ] > −88 [ dBm ]⎤⎦ ≥ 95% ? 0.07 0.06 0.05 95% 0.04 0.03 0.02 0.01 -90 -88 γ [ dBm] -86 -84 -82 -80 -78 ¿ PR (d ) [ dBm] ? -76 -74 -72 z Q(z) z Q(z) z Q(z) z Q(z) 0.0 0.5 1.0 0.15866 2.0 0.02275 3.0 0.00135 0.1 0.46017 1.1 0.13567 2.1 0.01786 3.1 0.00097 0.2 0.42074 1.2 0.11507 2.2 0.01390 3.2 0.00069 0.3 0.38209 1.3 0.09680 2.3 0.01072 3.3 0.00048 0.4 0.34458 1.4 0.08076 2.4 0.00820 3.4 0.00034 0.5 0.30854 1.5 0.06681 2.5 0.00621 3.5 0.00023 0.6 0.27425 1.6 0.05480 2.6 0.00466 3.6 0.00016 0.7 0.24196 1.7 0.04457 2.7 0.00347 3.7 0.00011 0.8 0.21118 1.8 0.03593 2.8 0.00256 3.8 0.00007 0.9 0.18406 1.9 0.02872 2.9 0.00187 3.9 0.00005 -70 19 Potencia recibida y PDF normal Ejemplo: γ = -88 [dBm]; σ= 5 dB; ¿cuánto tiene que valer PR(d) para que ⎛ −88[ dBm] − PR (d ) [ dBm] ⎞ Pr ⎡⎣PR (d ) [ dBm] > −88[ dBm]⎤⎦ = Q ⎜ ⎟⎟ ≥ 0.95? ⎜ 5[ dB] ⎝ ⎠ • Equivalentemente... ⎛ PR (d ) [ dBm] − γ [ dBm] ⎞ Pr ⎣⎡ PR (d ) [ dBm] < −88[ dBm]⎦⎤ = Q ⎜ ⎟⎟ ≤ 0.05? ⎜ 5 dB [ ] ⎝ ⎠ 0.08 0.07 0.06 0.05 95% 0.04 0.03 0.02 0.01 -90 z Q(z) z Q(z) z Q(z) z Q(z) 0.0 0.5 1.0 0.15866 2.0 0.02275 3.0 0.00135 0.1 0.46017 1.1 0.13567 2.1 0.01786 3.1 0.00097 0.2 0.42074 1.2 0.11507 2.2 0.01390 3.2 0.00069 0.3 0.38209 1.3 0.09680 2.3 0.01072 3.3 0.00048 0.4 0.34458 1.4 0.08076 2.4 0.00820 3.4 0.00034 0.5 0.30854 1.5 0.06681 2.5 0.00621 3.5 0.00023 0.6 0.27425 1.6 0.05480 2.6 0.00466 3.6 0.00016 0.7 0.24196 1.7 0.04457 2.7 0.00347 3.7 0.00011 0.8 0.21118 1.8 0.03593 2.8 0.00256 3.8 0.00007 0.9 0.18406 1.9 0.02872 2.9 0.00187 3.9 0.00005 PR(d)[ dBm] −γ [ dBm] -88 γ [ dBm] -86 -84 -82 -80 -78 ¿ PR (d ) [ dBm] ? -76 -74 -72 -70 5[ dB] ≥1.6 →PR(d)[ dBm] ≥ 5×1.6−88 =−80[ dBm] 20 Reflexión: Modelo de N-Rayos Se aplica cuando, en la mayor parte del tiempo, llegan al receptor otras componentes distintas de la LOS. Reflexión en Tierra: Modelo de 2-Rayos • Campo recibido: contribución del rayo directo (RD) y del reflejado (RR) 2π Desfase proporcional a − j Δd ⎞ ⎡ V ⎤ ⎛ λ ERX = EFS + EREFLEJADO = EFS ⎜1 + Γe ⎟ ⎢ ⎥ la diferencia de caminos ⎝ ⎠ ⎣ m⎦ Transmisor RD Receptor hTX RR d1 Coeficiente de reflexión hRX θ d2 θ Γ= Γe jφ hRX Imagen hTX + hRX hTX tan θ = = d1 + d2 d1 hTX hTX d1 = d ( d1 + d2 ) = hTX + hRX hTX + hRX d2 = hRX d hTX + hRX 21 Reflexión: Modelo de 2-Rayos Desfase entre rayo directo y reflejado • Distancia recorrida por el rayo directo d 2 + ( hTX − hRX ) = d 2 (h − h ) 1 + TX RX Transmisor 2 Receptor d2 ⎛ ( hTX − hRX )2 ⎞ ≈ d ⎜1 + ⎟ 2 ⎜ ⎟ 2 d ⎝ ⎠ 1+ x ≈ 1+ x→0 hTX x 2 d 2 + ( hTX + hRX ) = d 1 + 2 RR d1 θ Coeficiente de reflexión • Distancia recorrida por el rayo reflejado RD ( hTX + hRX ) Γ = Γ e jφ hRX θ d2 Imagen hRX 2 d2 ⎛ ( hTX + hRX )2 ⎞ ≈ d ⎜1 + ⎟ 2 ⎜ ⎟ d 2 ⎝ ⎠ • Diferencia Δd = d + ( hTX + hRX ) − d + ( hTX − hRX ) 2 2 2 2 2hTX hRX ≈ d 22 Reflexión especular en tierra Transmisor RD Casos prácticos: Γ≈-1, d>>hTX, hRX Receptor 4π hTX hRX ⎛ 2π hTX hRX ⎞ F = 2 sin ⎜ ⋅ ⎟ d h≈TX hRX d ⎠ λd ⎝ λ hTX RR Ei d1 Potencia recibida 2 ⎛ λ ⎞ PR = PT GT GR ⎜ ⎟ F ⎝ 4π d ⎠ 2 Coeficiente de reflexión PL(d ) = 40log ( d ) − 20log ( hTX hRX ) ⎛d⎞ PL(d ) = PL(d0 ) + 40log ⎜ ⎟ ⎝ d0 ⎠ Imagen Atenuación [dB] hTX=30m, hRX=1m, f=1800 MHz 2 Pérdidas en el trayecto (n=4) Γ = Γ e jφ θ d2 hRX 10,000 5,000 Atenuación [dB] ⎛ hTX hRX ⎞ PR = PT GT GR ⎜ ⎟ 2 ⎝ d ⎠ θ hRX 0,000 1 10 100 -5,000 -10,000 -15,000 Separación TX RX ( x 100 m ) 23 Ejemplo: 2 rayos Sistema GPRS Clase 10 (4+2) • fc = 1800 MHz, Ancho de Banda: 200 kHz • Régimen binario: 57.4 kbits/sec (downlink) • Distancia: 15 km. Modelo de 2 rayos. • Transmisor: Potencia: 2 W, hTX=40 m. • Receptor: hRX=1,5 m, Figura de ruido: 9 dB ¿Eb/N0? • PTX = 2 W → 10 log (2/10-3) = 33 dBm • PL[dB]=40log(d)-20 log(hTXhRX)=40log(15000)-20log(40×1,5)=131,48 dB • PRX = 33 dBm -131,48 dB = -98,48 dBm • Ruido: − kTeqB=1.3803x10-23 x 290x(109/10 -1) × 2.0×105 = 5.5 x10-15W → -112,55 dBm. ⎛S⎞ ⎜ ⎟ [ dB] = −98,48 dBm − ( −112.55) dBm=14 dB ⎝N⎠ ⎛B⎞ ⎛ S ⎞ Eb × Rb ⎛ Eb ⎞ ⎛S⎞ → ⎜ ⎟ [ dB] = ⎜ ⎟ [ dB] +10log ⎜ ⎟ = 19,42 dB ⎜ ⎟= ⎝ N ⎠ N0 × B ⎝ N0 ⎠ ⎝N⎠ ⎝ Rb ⎠ 24 Difracción La difracción tiene lugar cuando el frente de la onda choca con el borde de un obstáculo. • Se generan “ondas secundarias” que se propagan en la región de sombra • Por el mayor recorrido se produce un desplazamiento de fase. 25 Modelando la Difracción Difracción “filo de cuchillo” TX d2 d1 h<0 q1 Q RX q2 ERX = EFS (1 + Gdiff (v)e− jΔφ ( h) ) • Donde EFS es el campo correspondiente a espacio libre. Se demuestra en base a la teoría de Huygens 2 ERX (1+ j) ∞ − jπ t2 − jΔφ ( h) e dt = (1 + Gdiff (v)e = F (v) = ) ∫ ν EFS 2 • donde ν se define como el “índice de difracción” que provoca el obstáculo. v=h 2 d1 + d2 λ d1d2 26 Modelando la Difracción Los resultados de la integral anterior (integral de Fresnel) se obtienen de tablas para distintos valores de ν ERX = F (v) EFS v=h 2 d1 + d 2 λ d1d2 ATENUACIÓN POR DIFRACCIÓN [dB] TX Atenuación [dB] adicional a la de espacio libre d2 h<0 q1 25 20 log10|F(ν)| d1 RX q2 Q 20 15 10 Q q1 TX 5 d1 h>0 q2 RX d2 0 -5 -3 -2 -1 0 1 ν Parámetro de difracción de Fresnel 2 3 27 Modelando la Difracción Dependiendo del “despejamiento” (h), puede haber variaciones en la señal recibida • Cuando el desfase es un múltiplo par de π radianes se produce una interferencia constructiva (suma en fase) • Cuando el desfase es un múltiplo impar de π radianes hay interferencia destructiva (suma en contrafase) d1 TX q1 d2 h<0 q2 RX ERX = EFS (1 + Gdiff (v)e− jΔφ (h) ) Q 28 Modelando la Difracción Diferencia de camino entre la trayectoria directa (d1-d2) ahora obstruida, y la trayectoria por Q, (q1-q2) q1 Fuente d1 Q h>0 q2 d2 Δd = ( q1 + q2 ) − ( d1 + d2 ) = ( Receptor ) d12 + h2 + d22 + h2 − ( d1 + d2 ) 2 2⎞ ⎛ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞ h h Δd = ⎜ d1 1+ ⎜ ⎟ + d2 1+ ⎜ ⎟ ⎟ − ( d1 + d2 ) ⎜ d1 ⎠ d2 ⎠ ⎟ ⎝ ⎝ ⎝ ⎠ Para h << d1, d2 , se puede aproximar la diferencia de camino Δd por 2 2 ⎛ ⎞ ⎛ x 1⎛ h ⎞ 1⎛ h ⎞ ⎞ 1+ x ≈ 1+ Δd ≈ d1 ⎜1+ ⎜ ⎟ ⎟ + d2 ⎜1+ ⎜ ⎟ ⎟ − ( d1 + d2 ) x→0 2 ⎜ 2 ⎝ d1 ⎠ ⎟ ⎜ 2 ⎝ d2 ⎠ ⎟ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ h 2 d1 + d 2 2π π h 2 d1 + d 2 π v 2 Δd = → Δφ = Δd = = 2 d1 d 2 λ λ d1 d 2 2 29 Modelando la Difracción Existe una simetría cilíndrica en torno al eje d1-d2 n=3 n=2 TX d1 RX d2 hn 2π π h2 d1 + d2 Δφ = Δd = λ λ d1d2 Δφ = nπ → hn = nλ d1d2 d1 + d2 • los hn determinan radios de círculos concéntricos en el plano perpendicular a la dirección de propagación. − Los haces dentro del primer círculo difieren en fase entre si, y como mucho, en π. Para h1,el desfase entre el rayo directo y el refractado es de π radianes ⇔ la diferencia de caminos es de λ/2 metros 30 Modelando la Difracción Tridimensionalmente, las regiones de Fresnel son elipsoidales con radios: TX dd hn = nλ 1 2 d1 + d 2 La difracción será más severa cuanto menor sea el índice n de las regiones afectadas. d1 RX • El grado obstrucción depende de la frecuencia (1/λ) y la posición del obstáculo (d1, d2) Regla empírica: • cuando la primera zona de Fresnel está despejada en al menos un 60 % un mayor despejamiento de zonas de Fresnel tiene poco efecto sobre el enlace. Si -h > 0.6 h1 d2 TX d1 q1 d2 h<0 RX q2 Q 31 Propagación en gases Absorción por gases en la troposfera • Dos contribuciones: Oxígeno y Vapor de agua • Atenuación específica: dB/km. 32