Dissertação_Andre Peternela- VER CAPÍTULO 2 - Modelos de Propagação e Modelos de Difração
Modelos Propagação
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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
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ISEL, Propagao II, Pedro Vieira Modelos de Propagao para Comunicaes Mveis 2
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.
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ISEL, Propagao II, Pedro Vieira Modelos de Propagao para Comunicaes Mveis 3
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.
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ISEL, Propagao II, Pedro Vieira Modelos de Propagao para Comunicaes Mveis 4
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.
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ISEL, Propagao II, Pedro Vieira Modelos de Propagao para Comunicaes Mveis 5
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
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ISEL, Propagao II, Pedro Vieira Modelos de Propagao para Comunicaes Mveis 6
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
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ISEL, Propagao II, Pedro Vieira Modelos de Propagao para Comunicaes Mveis 7
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.
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ISEL, Propagao II, Pedro Vieira Modelos de Propagao para Comunicaes Mveis 8
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 )).
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ISEL, Propagao II, Pedro Vieira Modelos de Propagao para Comunicaes Mveis 9
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
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ISEL, Propagao II, Pedro Vieira Modelos de Propagao para Comunicaes Mveis 10
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.
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ISEL, Propagao II, Pedro Vieira Modelos de Propagao para Comunicaes Mveis 11
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.
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ISEL, Propagao II, Pedro Vieira Modelos de Propagao para Comunicaes Mveis 12
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.
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Antenas transmissoras na Torre de Tokio.
Antenas transmissoras na estao-base de Enkai.
Exemplo de um dos testes realizados
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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;
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ISEL, Propagao II, Pedro Vieira Modelos de Propagao para Comunicaes Mveis 15
h, d1, d2 - altura e distncias a um
obstculo isolado.i - inclinao mdia do terreno.
Parmetros constituintes do modelo
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- parmetro para trajectos mistos, = ds / d
Parmetros constituintes do modelo
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ISEL, Propagao II, Pedro Vieira Modelos de Propagao para Comunicaes Mveis 17
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
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ISEL, Propagao II, Pedro Vieira Modelos de Propagao para Comunicaes Mveis 18
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
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ISEL, Propagao II, Pedro Vieira Modelos de Propagao para Comunicaes Mveis 19
Correco para a ondulao do terreno, Kh
Factores Correctivos
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ISEL, Propagao II, Pedro Vieira Modelos de Propagao para Comunicaes Mveis 20
Correco para reas abertas, Qo, ou
quase abertas, Qr, (reas no urbanas) Correco para reas suburbanas, Kmr
Factores Correctivos
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ISEL, Propagao II, Pedro Vieira Modelos de Propagao para Comunicaes Mveis 21
Correco para a posio das
ondulaes, Khf
Correco para trajectos mistos, Ks
Factores Correctivos
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ISEL, Propagao II, Pedro Vieira Modelos de Propagao para Comunicaes Mveis 22
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
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ISEL, Propagao II, Pedro Vieira Modelos de Propagao para Comunicaes Mveis 23
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
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ISEL, Propagao II, Pedro Vieira Modelos de Propagao para Comunicaes Mveis 24
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.
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ISEL, Propagao II, Pedro Vieira Modelos de Propagao para Comunicaes Mveis 25
Desenho da variao do nvel
de sinal na rea de servio de
uma estao base utilizando o
modelo de Okumura-Hata
(Exemplo).
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ISEL, Propagao II, Pedro Vieira Modelos de Propagao para Comunicaes Mveis 26
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.
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ISEL, Propagao II, Pedro Vieira Modelos de Propagao para Comunicaes Mveis 27
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.
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ISEL, Propagao II, Pedro Vieira Modelos de Propagao para Comunicaes Mveis 28
Expresses paraos factorescorrectivos no modelo de Okumura-Hata
[ ]( ) [ ]( )[ ]
[ ] 4.528
log2
94.40log33.18log78.4
2
2
+
=
+=
MHzdBmr
MHzMHzo
fK
ffQ
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ISEL, Propagao II, Pedro Vieira Modelos de Propagao para Comunicaes Mveis 29
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.
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ISEL, Propagao II, Pedro Vieira Modelos de Propagao para Comunicaes Mveis 30
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).
Modelo do COST 231-Walfisch-Ikegami
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ISEL, Propagao II, Pedro Vieira Modelos de Propagao para Comunicaes Mveis 31
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.
Modelo do COST 231-Walfisch-Ikegami
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ISEL, Propagao II, Pedro Vieira Modelos de Propagao para Comunicaes Mveis 32
[ ]( )
>+
=
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
Modelo do COST 231-Walfisch-Ikegami
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ISEL, Propagao II, Pedro Vieira Modelos de Propagao para Comunicaes Mveis 33
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
Modelo do COST 231-Walfisch-Ikegami
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ISEL, Propagao II, Pedro Vieira Modelos de Propagao para Comunicaes Mveis 34
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.
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ISEL, Propagao II, Pedro Vieira Modelos de Propagao para Comunicaes Mveis 35
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
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ISEL, Propagao II, Pedro Vieira Modelos de Propagao para Comunicaes Mveis 36
Lp (dB) = 50 + b x d
d=distncia da antena
b = 0.3 + wall loss
Frmula Aproximada
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ISEL, Propagao II, Pedro Vieira Modelos de Propagao para Comunicaes Mveis 37
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
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Design assistido por computador
BTS
Feeder
Splitter
Antena
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ISEL, Propagao II, Pedro Vieira Modelos de Propagao para Comunicaes Mveis 39
Design assistido por computador