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Abstract
El presente proyecto se encuentra enmarcado en el contexto de prestación de servicios de banda ancha por parte de las redes celulares a través de tecnología inalámbrica. Dentro de este ámbito, el estándar con mayor potencial y que actualmente se encuentra en plena expansión es el IEEE 802.16 o más conocido como WIMAX. Una de las características principales de dicha tecnología son las bandas frecuenciales de trabajo, siendo la más destacada la centrada en 3.5 GHz. Los estudios y caracterizaciones del canal a esta frecuencia son todavía escasos, y su importancia es considerable a la hora de realizar un despliegue de red. Si añadimos que el medio de transmisión es a través de ondas electromagnéticas, el trabajo se hace completamente necesario. Además, los inconvenientes propios del canal radio requieren de una caracterización particular y exhaustiva del entorno en que se desarrolla el sistema con el fin de obtener unos resultados realistas. Con estos antecedentes, el presente estudio trata de caracterizar el canal móvil en dicha banda frecuencial de forma particular para Zaragoza, tanto en entornos urbanos como suburbanos de la ciudad. El trabajo se realiza por medio de simulaciones con la herramienta de planificación de redes ICS Telecom. Con los valores obtenidos en ellas, y una vez procesados, se determinan los parámetros fundamentales de la caracterización de primer orden, así como los más interesantes de segundo orden. A partir de estos resultados se realiza una comparación con modelos de propagación estandarizados y con medidas reales realizadas en diferentes entornos, presentes en la bibliografía, con el fin de afianzarlos. Lavilla Marruedo,María; Gutiérrez Soler, Fernando
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Universidad de Zaragoza Centro Politécnico Superior PROYECTO FIN DE CARRERA CARACTERIZACIÓN DEL CANAL MÓVIL EN LAS BANDAS DE TRABAJO DE WIMAX A PARTIR DE SIMULACIONES CON MODELOS URBANOS EN 3D. Autora: María Lavilla Marruedo Director: Dr. D. Fernando Gutiérrez Soler Ingeniería de Telecomunicación Departamento de Ingeniería Electrónica y Comunicaciones Área: Teoría de la Señal y Comunicaciones Zaragoza, Junio 2010
A mis padres
Agradecimientos Página I Agradecimientos Quiero agradecer a mi familia el apoyo y los ánimos que me han dado durante estos años, en especial a mis padres y hermanos por entenderme en los peores momentos, y a mis abuelos, por la fe que han puesto en mí. A Fernando, mi director de proyecto, por la ayuda y disponibilidad prestada para la realización de este proyecto. A todas mis amigas por el interés y los ánimos constantes, y a los compañeros y amigos que he hecho durante de la carrera, porque me habéis hecho ver este camino de manera diferente. A todos, gracias.
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Resumen Página III CARACTERIZACIÓN DEL CANAL MÓVIL EN LAS BANDAS DE TRABAJO DE WIMAX A PARTIR DE SIMULACIONES CON MODELOS URBANOS EN 3D Resumen Elpresenteproyectoseencuentraenmarcadoenelcontextodeprestacióndeserviciosde bandaanchaporpartedelasredescelularesatravésdetecnologíainalámbrica.Dentrode esteámbito,elestándarconmayorpotencialyqueactualmenteseencuentraenplena expansióneselIEEE802.16omásconocidocomoWIMAX. Unadelascaracterísticasprincipalesdedichatecnologíasonlasbandasfrecuencialesde trabajo,siendolamásdestacadalacentradaen3.5GHz.Losestudiosycaracterizacionesdel canalaestafrecuenciasontodavíaescasos,ysuimportanciaesconsiderablealahorade realizarundesplieguedered.Siañadimosqueelmediodetransmisiónesatravésdeondas electromagnéticas,eltrabajosehacecompletamentenecesario.Además,losinconvenientes propiosdelcanalradiorequierendeunacaracterizaciónparticularyexhaustivadelentronoen quesedesarrollaelsistemaconelfindeobtenerunosresultadosrealistas. Conestosantecedentes,elpresenteestudiotratadecaracterizarelcanalmóvilendicha bandafrecuencialdeformaparticularparaZaragoza,tantoenentornosurbanoscomo suburbanosdelaciudad. Eltrabajoserealizapormediodesimulacionesconlaherramientadeplanificaciónderedes ICSTelecom.Conlosvaloresobtenidosenellas,yunavezprocesados,sedeterminanlos parámetrosfundamentalesdelacaracterizacióndeprimerorden,asícomolosmás interesantesdesegundoorden. Apartirdeestosresultadosserealizaunacomparaciónconmodelosdepropagación estandarizadosyconmedidasrealesrealizadasendiferentesentornos,presentesenla bibliografía,conelfindeafianzarlos.
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Tabla de contenidos Página V Tabla de contenido Capítulo1:INTRODUCCIÓN..........................................................................................................1 1.1Contexto........................................................................................................................1 1.2Motivaciónyobjetivos..................................................................................................2 1.3Trabajosprevios............................................................................................................2 1.4Estructuradelamemoria..............................................................................................3 Capítulo2:CARACTERIZACIÓNDELCANALMOVIL.....................................................................4 2.1Introducción.................................................................................................................4 2.2Propagaciónenelentornomóvil..................................................................................4 2.2.1 Propagaciónenelespaciolibre.............................................................................4 2.2.2PropagaciónLOSyNLOS.......................................................................................5 2.2.3Ladifracción.........................................................................................................5 2.2.4Lareflexión...........................................................................................................6 2.3 Desvanecimientosdeseñal...........................................................................................7 2.3.1Desvanecimientoslentos.....................................................................................7 2.3.2Desvanecimientosrápidos...................................................................................8 2.4Modelosdepropagación..............................................................................................9 Capítulo3:HERRAMIENTAYENTORNO....................................................................................11 3.1Introducción...............................................................................................................11 3.2 CaracterísticascartográficasdelICS............................................................................11 3.2.1 Datoscartográficos.............................................................................................11 3.2.2 Modelodepropagación......................................................................................13 3.3 Emplazamientos..........................................................................................................14 3.4 Simulaciones................................................................................................................15 3.4.1Simulacióndelacobertura.................................................................................16 3.4.2Simulacióndelefectomulticamino....................................................................16 Capítulo4:RESULTADOS............................................................................................................18 4.1Introducción................................................................................................................18 4.2Caracterizacióndelaspérdidasdepropagación.......................................................18 4.2.1 Resultadosdelassimulaciones...........................................................................18 4.2.2 Modelosdepropagaciónobtenidos...................................................................20 4.2.3 Comparativaconmodelosexistentes.................................................................21 4.2.4 Comparativaconmedidasreales........................................................................24
Capítulo 1: Introducción Página2 1.2 Motivación y objetivos Pararealizareldesplieguederedóptimodecualquiersistemadecomunicaciones,y sobretododeaquellosquerequierendeunaplanificacióncelular,senecesitaelconocimiento previodelcomportamientoquevaatenerelsistema.Lacorrectaubicacióndelasestaciones baserequiereunaestimacióndelosnivelesdeseñalquesevanarecibir,delaspérdidasque sufrirálaseñal,delosporcentajesdeáreaquevanasercubiertosounaestimacióndelas interferencias,entrecuestionesmásimportantes.Concluimosentonces,queelprimerpaso paraunabuenaplanificaciónescaracterizarelmedioenelquesevaadesenvolverelsistema. Araízdeestasnecesidades,ysabiendoquelosestudiosrealizadosenestasbandasde frecuenciasoninsuficientes,elobjetivodelpresenteproyectoeslacaracterizacióndelcanal móvilmediantesimulacionesenlabandade3.5GHz,porserunadelasbandasdedicadaspara latecnologíaWIMAXmóvil.Eltrabajosevaadesarrollartantoparaentornosurbanoscomo suburbanosyestáparticularizadoparalaciudaddeZaragoza. Paraobtenerdichacaracterizaciónsetrabajaráendosvíasdiferentes.Laprimeradeellas tendrácomoobjetivoelmodeladodeprimerordendelcanal.Paraellosecalcularála atenuaciónsufridaporlaseñalenelcaminodepropagaciónenelentornodescrito.La segundapermitiráobtenerdosdelosparámetrosmásimportantesdelmodeladodesegundo orden,elPowerDelayProfile(PDP)yelDelaySpread(Ds),parámetrosrelacionadosconel efectomulticaminoquesufrelaseñalensurecorrido.Conesteconocimientopodemosreducir larepercusióndelosdosmayoresproblemasenunacomunicaciónradio:lasinterferenciasy losdesvanecimientos. Elprocedimientosellevaráacabomediantesimulacionesconlaherramientadeplanificación ICS‐Telecom.Esteprogramapermiteutilizarmodelosdeciudaden3D,loquequenosaportará unosresultadosmásrealistasalincorporarensuscálculostécnicascomoeltrazadoderayosy efectosdepropagacióncomoladispersión,larefracción,ladifracciónoelefectocañón. 1.3 Trabajos previos Hastaahoradisponemosdediferentesmodelosdepropagaciónestandarizadosque nosayudanapredecirestoscomportamientos.Elproblemaresideenquehansidoobtenidos parafrecuenciasdetrabajomenoresa2GHz,yaquesonlasutilizadasporlossistemasde comunicacionesmóvilesexistentes,ytodavíanosehademostradosuvalidezparaestos nuevosrangosfrecuenciales.Noobstanteexistenalgunosmodelosutilizadospara3.5GHz, aunquesonescasosyestánpendientesdevalidaciónanivelglobal. Enlabibliografíasepuedenencontraralgunosartículosdondesepresentanmodelos obtenidosaraízdemedidasexperimentalesenlabandafrecuencialquenosocupa.Dichas medidassehanrealizadoenciudadesdediferentespartesdelmundo,lascualesse comentaránenelcapítuloderesultados.
Capítulo 1: Introducción Página3 1.4 Estructura de la memoria Estamemoriaestáestructuradaencincocapítulos,elprimerodeellos,enelquenos encontramos,esunapequeñaintroducciónenlaquesedescribeelcontextoglobalenelque estáenmarcadoelproyecto,asícomolasmotivacionesylosobjetivosquesepretenden. Ademássemencionaagrandesrasgoselmododetrabajoylasherramientasutilizadaspara conseguirdichofin. Enelcapítulodosseexplicaránlascuestionestécnicasdelacaracterizacióndelcanalmóvily sedescribirándeformateóricalosparámetrosmásdeterminantesysuutilidad. Eneltercercapítulosedescribiráendetalleelentornodetrabajo,asícomolaherramienta informáticaylascaracterísticasdelassimulaciones. Enelcuartocapítuloseexpondránlosresultadosobtenidos,tantoenelapartadodepérdidas comoeneldemulticamino.Tambiénserealizaránlascomparacionesconmodelosteóricos previosyconmedidasrealesrealizadasenotrosentornos,conelfindedotardemayorvalidez anuestrosresultados. Finalmente,enelúltimocapítulo,seexpondránlasconclusionesextraídasysecomentaránlas posibleslíneasdetrabajofuturo.Acontinuaciónseañadiránunosanexosenlosquese analizaránconmásdetallealgunosresultadosintermedios,queporlimitacionesdelformato nosehanpodidoincluirenlamemoria,deformaqueparalacomprensióncompletadeeste proyectoserecomiendasulectura.
Capítulo 2: Caracterización del canal móvil Página4 Capítulo 2: CARACTERIZACIÓN DEL CANAL MOVIL 2.1 Introducción Lacaracterizacióndelcanalmóvilesfundamentalalahoradedesarrollarcualquier sistemadetransmisión.Elestudiodelosmodelosdepropagaciónyelconocimientopreviodel comportamientodelsistemasirvendeapoyoalahorademitigarcualquierinconvenientedel canalradio.SepuederealizardeformaanalíticamediantefuncionesdeBelloydesarrollos posteriores,aunqueresultaunmétodocomplejo. Ennuestrocasoelinterésresideenunaseriedecaracterísticasconcretas,comosonlas atenuacionesylosdesvanecimientossufridosporlaseñalenelcaminodepropagación.La causaprincipaldeestasdegradacionessonlasalteracionesqueprovocanloselementosdel entornoenlasondaselectromagnéticas,comoseobservaenlafigura: Figura01.Degradacióndelaseñalprovocadaporloselementosdelentorno,[1]. 2.2 Propagación en el entorno móvil 2.2.1 Propagación en el espacio libre Laprimeraconsideraciónencualquiersistemadetransmisiónporondasradioesla atenuaciónsufridaporlaseñalensurecorridoentreelemisoryelreceptor.Paradeterminar
Capítulo 2: Caracterización del canal móvil Página5 estaspérdidas,definidascomoladiferenciadepotenciaentreeltransmisoryelreceptor, partimosdelbalancedepotenciasdelenlace,comosemuestraen(1) (1) dondeysonlapotenciatransmitidayrecibidarespectivamente,ysonlas gananciasdetransmisiónyrecepcióndelasantenas,ylaspérdidasdelosequiposy laspérdidasenelespaciolibre,despejadasen(2): (2) Estaspérdidasquedancompletamentedefinidasatravésdelosparámetrosdediseños:la distanciadeseparacióndelosterminalesylafrecuenciacentraldetrabajo,comosemuestra en(3): (3) 2.2.2 Propagación LOS y NLOS Otrofactoratenerencuentaencualquiercomunicaciónradioeslaclaridaddel enlace.Debemantenerseunaciertadistanciaentrelosobstáculosyelcaminodepropagación. Cuandoexistelíneadevisióndirecta,tambiénllamadaLOS(Lineofsight),entreeltransmisory elreceptor,yademásla1ªzonadelelipsoidedeFresnelestádespejada,sedicequelas condicionesdepropagaciónseproducenenelespaciolibre.Sinembargo,lasituaciónmás probableenentornosurbanosesquelalíneadevisiónestéobstaculizadapordiferentes elementos(árboles,edificios,etc.)queimpidanlavisibilidaddirecta,entoncesnos encontramosencondicionesNLOS(NonLineofsight).Cuandoseproduceestasituaciónla ondaelectromagnéticaquedaafectadaporfenómenoscomoladifracción,lareflexiónola dispersión. 2.2.3 La difracción Ladifracciónintroducepérdidasporlapresenciadeobstáculosqueseencuentranalo largodelcaminodepropagación,loscualesnotienenporqueimpedirlavisióndirectaentre emisoryreceptorparaprovocarlas,sinoqueessuficienteconqueseencuentrendentrodela zonadelprimerelipsoidedeFresnel. LaformamássencilladeconsiderarestehechoesatravésdelateoríadeFresnel,lacualtiene encuentalaexistenciadeunúnicoobstáculoenelcamino,elllamado‘filodecuchillo’(figura 02)ypuedecalcularseconelconjuntodeintegralesquellevansunombre.Comonotienen soluciónexplícita,setomacomobuenaaproximaciónlaexpresiónmostradaenlaecuación (4),[1]: 6.920*..conν√2 (4)
Capítulo 2: Caracterización del canal móvil Página6 dondeh/seconocecomoclaridaddelenlace,conlaalturadelobstáculorespectoala trayectoriadirecta.Susvaloresvaríanenfuncióndeslaposición:h=0,rasantealatrayectoria, h>0,lainterceptayh<0,nolaobstaculiza.eselradiodelprimerelipsoidedeFresnel. Figura02.ModelodedifraccióndeFresnel,obstáculo‘filodecuchillo’[2]. Sisequierentenerencuentamúltiplesobstáculosparaelcálculodeladifracciónexisten métodosmáscomplejoscomolosdeBullingtonoDeygout,[1]. 2.2.4 La reflexión Laondaelectromagnéticaexperimentareflexionesalcolisionarcontralasdiferentes estructurasqueseencuentraasupaso.Dichasreflexionessevenafectadasporelcoeficiente dereflexiónquedependedelafrecuencia,lapolarización,losmaterialeseinclusoporel ángulodeincidencia.Enlaprácticaparasimularelefectodelasreflexionespodemos considerardoscomportamientosdistintosenfuncióndeltipodesuperficie: Reflexiónespecular:eselresultadodelchoquecontraobstáculosquesongrandesen comparaciónconlalongituddeonda,suelenserparedesosuperficieslisas.El comportamientoresultantesiguelasleyesdelageometría,dondeladirecciónde salidadelánguloreflejadoesigualqueeldelincidente,comomuestralafigura03a), [1]: Dispersiónoscattering:enelmundorealcasiningunasuperficieescompletamente lisa.Loqueseencuentralaondaenelpuntodeincidenciasonvariacionesaleatorias delasuperficieterrestreoestructurasartificialesquepresentanpatronesrepetitivos osistemáticos.Enestecasolaondareflejadanosigueelcomportamientoanterior sinoquelosrayossereflejanentodaslasdirecciones,comoindicalasiguienteimagen b),[1]: a)
Capítulo 2: Caracterización del canal móvil Página7 b) Figura03.Diferentescomportamientosparalareflexión:a)especularoLambertiana,b)dispersióno scattering,[1]. Esimportantetenerencuentaestosdosdefenómenosqueseacabandecomentar,la reflexiónyladifracción,yaquesonlosmásnocivosparalaseñalencualquiercomunicación móvil,ysobretodosisetratadeentornosurbanos. 2.3 Desvanecimientos de señal Ademásdelaspérdidasdepropagaciónexistenotrosfactoresqueinfluyenenla potenciatotalrecibida.Elementoscomoedificios,tejados,árboles,endefinitiva,elclutteren general,alteranelresultadodelatransmisiónmediantefluctuacionestemporalesenla intensidaddelaseñal.Existendostiposdedegradacionesdiferenciadasporlarepercusiónque ejercen:desvanecimientoslentos(shadowing)yrápidos. Figura04.Efectosnocivosdelapropagaciónenunentornomóvil,[3]. 2.3.1 Desvanecimientos lentos Estetipodedegradaciónesproducidaporlavariabilidaddelentorno,ytienecomo consecuenciaunpequeñodecaimientoenelniveldelaseñal.Modelarelefectoprovocado portodosloselementosdeunlugarenparticularesunhechoinviable,peroesnecesario tenerlosencuentaalahoradecaracterizarelcomportamientodelcanal.Lacaracterizaciónde losdesvanecimientoslentospuedehacerseajustándosebienamedidasreales,considerando lapotenciarecibidacomounavariablealeatorialognormalonormalendB,cuyafunciónde densidaddeprobabilidadeslaquepresentalaecuación(5),[4]:
Capítulo 2: Caracterización del canal móvil Página8 √P 5 definiendocomolapotenciarecibida, ,potenciarecibidamedia,yσladesviacióntípica, funcióndelentorno. 2.3.2 Desvanecimientos rápidos LosdesvanecimientosrápidosodetipoRayleighenredesdebandaanchaestán provocadosporlapropagaciónmulticamino.Estosignificalallegadaaunmismopunto receptordevariosecosdelaseñalproducidosporlasreflexionessufridasenloselementos. Estasréplicaslleganendiferentestiemposycondistintasamplitudesdependiendodelos caminosquehayanrecorridoolaabsorciónquehayansufrido,generandointerferencias constructivasodestructivas.SucaracterizaciónesmedianteunaestadísticaRayleigh,[4], expresadapor: 06 conσladesviacióntípica,funcióndelentornoyr(t)laenvolventedelaseñalrecibida. Elresultadodelmulticaminoesunensanchamientotemporaldelaseñalrecibidacomose reflejaenlafigura05.Paracaracterizarestefenómenoseutilizanlosperfilespotencia– retardooelllamadoPDP,quedanunaideasobrelapotenciamediarecibidaporlosdiferentes caminosdepropagación. Figura05.Efectodedispersióndelretardo,[3]. Lasiguienteimagen(figura06)representaunperfiltipoPDPylaecuaciónalaquerespondees lamostradaen(7): Figura06.Perfilpotenciaretardodelcanaldecomunicaciones,[3]. |,|7
Capítulo 2: Caracterización del canal móvil Página9 Elpropósitofinaldelacaracterizacióndeestefenómenoesdefinirelparámetrodelayspread (Ds)odispersióndelretardo,cuyainterpretaciónvisualseindicaenlafiguraanterior.Dauna ideadeladesviacióntípicadelPDPyestádirectamenterelacionadoconelanchodebandaen elcuallaseñalsufredistorsión.Laexpresiónconlaquesepuedecalcularsuvalorvienedada por(8),[4]: ∑ ∑ 8 conMelnúmerototaldemuestrasy∑ ,(9),lapotenciamediayτelretardo sufridoporlaseñal. 2.4 Modelos de propagación Existendiferentesmodelosdeprediccióndepérdidas,cuyoobjetivoesestimarlaspérdidasde propagaciónmatemáticamente.Fundamentalmentesedesarrollandostiposprincipalesde modelos:losempíricosylosdeterministas. Losprimerosestánbasadosenmedidasexperimentalesdedondesededucenlasexpresiones delosmodelos.Tienenencuentaparámetrosdediseñocomoladistancia,lafrecuenciaola alturadelasantenasparasusestimaciones.Sonsencillosdeimplementar,sucoste computacionalesreducidoysonpocoprecisos,aunquehistóricamentesonlosquesehan empleadosparalasplanificaciones. Lossegundostienenencuentalasleyesdepropagacióndelasondaselectromagnéticaspara realizarloscálculos.Requierengrancantidaddeinformaciónydetallessobrelageometría, localizaciónydimensionesdelosedificios,ademásdecaracterísticassobreelterrenoenelque trabajan.Losresultadosqueseobtienensondegranprecisión,aunqueconllevanuncoste computacionalelevado. Existenalgunosmodelosempíricosunpocomásprecisos,yqueademássonválidosparala bandafrecuencialbajoestudio.DeentreellossepuedendestacarlosmodelosCOST231 Walfisch–Ikegami(COST231WI),[7],oelECC‐33Model,[5],cuyasexpresionesy característicasprincipalessecomentanenelanexocorrespondienteyseutilizaránpara compararconlosobtenidosparaZaragozaenelcapítuloderesultados.Tambiénseharáuso endichascomparacionesdeotrosmodeloscomolosdesarrolladosporlauniversidadde Standford(modelosSUI),[5],[6],extensionesdelconocidomodeloOkumura‐Hata:COST231– Hata,[7],osusequivalentesdesarrolladosporEricsson:EricssonModel9999,[6].Estos últimosestánpensadosparatrabajarconbandasinferioresa3.5GHzperosuusoestá ampliamenteextendido,porloqueresultainteresantesucomparación.
Capítulo 2: Caracterización del canal móvil Página10 Estosestándaressebasanenexpresionesdeltipo:,esdecir,calculanlas atenuacionessufridasporlaseñalenfuncióndeladistancia.Elmodelomatemáticomás utilizadoparaellosurgetrasaplicarelmétododemínimoerrorcuadráticomedioalaecuación (2),yvieneexpresadopor(10): 10γlog (10) dondeLoeslaatenuaciónparaladistanciadereferencia,do,considerada100menestecaso, 204 ,(11),γeselexponenteovariacióndelaspérdidasde propagaciónconladistanciayλesfuncióndelafrecuenciadetrabajo,[5],[7].Para determinardichafunciónbastacontenercaracterizadossusdosparámetrosfundamentales, Loyγ.
Capítulo 3: Herramienta y entorno Página11 Capítulo 3: HERRAMIENTA Y ENTORNO. 3.1 Introducción Laherramientadetrabajoutilizadapararealizarlassimulaciones,quesonlabasedel presenteproyecto,hasidoelprogramaICSTelecom.Estesoftware,decarácterprofesionaly desarrolladoporlaempresaATDI,estáespecialmentediseñadoparalaplanificaciónderedes radio.SuutilizaciónsedebeasudisponibilidadeneláreadeTeoríadelaSeñaly Comunicaciones,yaqueofrecelaposibilidadderealizarloscálculosconmodelosdeterreno urbanosen3D.Estosmodelossecaracterizanporcontenerunaltoniveldeinformacióndel terreno,cuestiónqueesrelevanteparanuestroestudio,porloquenosofreceráunos resultadosmásrealistas. 3.2 Características cartográficas del ICS AlahoradetrabajarconelprogramaICSTelecomenelámbitoquenosocupaeneste proyecto,esdecir,pararealizarsimulacionesenentornosurbanosyobtenerunosresultados aproximadosalarealidad,hayquetenerencuentalassiguientescuestiones: • Eltipodedatoscartográficossobrelosquevamosatrabajar. • Elmodelodepropagación. 3.2.1 Datos cartográficos. Laeleccióndeltipoycalidaddelosdatoscartográficosquevamosautilizarescrítica paraeldesarrollodelproyecto,yaquenuestrosresultadosestánaltamenteinfluenciadospor lascaracterísticasdelentorno.Elprogramanosofrecelaposibilidaddetrabajarconestetipo deinformaciónenaltaresolución,[1],[8].Porellosehacontadoconlassiguientescapas: Modelodigitaldeelevacióndelterreno(archivosconextensión.GEO).Sonmodelos producidosa1metroderesoluciónquecontienenlaalturadelterrenosobreelnivel delmar.
Capítulo 4: Resultados Página18 Capítulo 4: RESULTADOS 4.1 Introducción Estecapítulosecentraprincipalmenteenelanálisisdelosresultadosfinales,como pasopreviosedescribedeformabreveelprocesodetrabajoseguido.Esteprocesoconsiste enuntratamientodelosdatosobtenidosdelassimulaciones.Cabedestacarqueestetrabajo serealizaconelsoftwarematemáticoMatlab. Elmétododetrabajohasidosimilarparaambostiposdesimulaciones,tantoparaelcálculo decoberturascomoeldemulticamino.Éstasserealizandeformaindividualparacada estaciónbase,yunavezanalizadosloscomportamientosaislados,algunosdeloscualesse muestranenelanexoII,seprocedealaelaboracióndeunmodeloúnicoparacadatipode entornoestudiado:elurbanoyelsuburbano.Estoseconsigueconlaunióndelosresultados intermediosobtenidosparacadazona. 4.2 Caracterización de las pérdidas de propagación 4.2.1 Resultados de las simulaciones Losmodelosdepérdidasdepropagaciónsesuelencaracterizarcon2parámetros:la atenuaciónproducidaaunadistanciadereferencia,Lo,yelíndicedevariacióndelapotencia conladistancia,γ.Esteeselobjetivoquesepersigueenesteapartado. TraslasimulaciónconICSTelecom,elprogramaexportaunficherodetextoconlosvaloresdel niveldepotenciarecibidoencadapuntodelmapayunacoordenadadereferencia.El procesadoconsisteenrelacionarestosnivelesdepotenciaconladistanciaalaquesehan medidoycalcularlaspérdidasrealesquesufrelaseñalenelrecorrido.Lafórmulautilizada paraelcálculoes(2).Unavezobtenidosestosvalores,dadoelelevadonúmerodemuestras (resolucióna1m),serealizaunpromediadodetodaslasexistentescada100mdedistanciay paracadaestaciónbase.Elresultadosepresentaenlasimágenes13.ay13.b.Aesteconjunto depuntos,correspondientesalascurvasdecadaunadelasestacionesbase,selesaplicaun métododeregresiónlineal,utilizandocomovariableslaatenuaciónyladistancia,conelcual
Capí t seo b form a F Enl a máxi m subu influ e lazo n más e seña l disp a corr e parti c t ulo 4: Resu l b tienenlosp a másdetall a F igura13.Ate n a figuraa), c m oseencu rbanasque e nciaqueej e n amásurb a e strechasy l ,porlota n a resenla e spondiente, c ularizadaq u l tados arámetrosq a daestedel n uacionesmed i c orrespondi e entraentre puedeninc l e rceelento r a nizadadel a mayoraltur n tounme n zonamás figura13.a , u eenelcas o uecaracteri proceso. i ascada100m e nteaesta c 600–700 m l usosupera r r noenlapr o a ciudad,co n adetodos l n oralcance. urbanizada, , seobserv a o suburbano , Página19 zanlaecuac a) b) paracadaEB: a c ionesbase m ,adiferen r elkilómet r o pagación,c o n unamayo r l oselement o Estasitua c generand o a cómocada , figura13.b . ióndelare c a )Entornosub situadaen ciadelasc o r o.Elmotiv o moyaseh a r densidad d o s,provoca n c ióninduce o unadisp e emplazami e . c ta.Enelan e urbanob)Ent o superficie u o rrespondie oúnicamen a comentad o d epoblació n n atenuacio n unoscom p e rsiónmay o e ntotiene u e xoIIseexpl o rnosuburban o u rbana,elal ntesasupe teesdebid o o .Laestruct u n yedificios, n esmayores p ortamiento s o r.Enla g u naconduct a icade o . cance rficies o ala u rade calles enla s más g ráfica a más
Capítulo 4: Resultados Página20 Enestetipodesimulacionesenparticular,elprogramateníaunnivelmínimoderecepciónde señal(atenuaciónmáxima),apartirdelcualyanosecalculabanmásvalores,generandouna saturaciónparatodaslasdistancias,ahíesdondesehaestablecidoellímitedelalcance. Aunquelaestructuracelularsediseñaparaquelaradiaciónnosupereellímitedelacélula,el modelodepérdidasquesevaaconsiderartendráencuentalosvaloresútileshastaelalcance máximopermitido. Porotrolado,ellímiteinferiorsehaestablecidoen100mpuestoqueparadistancias inferioreselcomportamientoestáinfluenciadoporeldiagramaderadiacióndelaantena introduciendopérdidasadicionalesporloquenoseconsideranvaloresrepresentativos. 4.2.2 Modelos de propagación obtenidos Enesteapartadosepresentanlosresultadosobtenidosparalacaracterizaciónde primerordendelcanalmóvila3.5GHzenlaciudaddeZaragozatantoparaentornosurbanos comosuburbanos. Recordamosqueelmodelodeestimacióndepérdidasdepropagaciónquesequiereobtener eselreflejadoenlaecuación(10),yqueserepresentabacomo: 10γlog (10) Comosecomentaenelpuntoanterior,seaplicaunmétododeregresiónlinealqueminimiza elerrorcuadráticomedioalconjuntodepuntosreflejadosenlafigura13,trasesteprocesose obtienenlosparámetrosnecesariosparacaracterizarlaexpresiónbuscada.Lasiguientetabla muestralosresultadosobtenidosparalosdosentornosdeestudio:urbanosysuburbanos.Los valorescorrespondenalaspérdidascalculadasparasituacionestantointerioresyexteriores comosóloexteriores(outdoor). SUBURBANAS OUTDOOR SUBURBANASURBANAS OUTDOOR URBANAS γ3.614.035.15.89 Lo82.0183.0997.6797.89 σ 4.754.3811.018.89 Tabla03.ParámetrosdecaracterizacióndeprimerordendelcanalmóvilparaZaragoza. Comocabíaesperar,lasatenuacionessufridasenzonassuburbanassonmenoresqueenzonas urbanas.Estecomportamientosedebealasdiferenciasestructuralesquehayentreambos medios.Enelprimerolosedificiossuelensermásbajos,conunadensidaddeedificación menoryunaanchuradelascallesmayor,loquefavorecelapropagaciónenelespaciolibre. Además,losefectosproducidosporloselementosartificiales,comolareflexiónoladifracción, tienenmenorrepercusiónenlaonda.Estehechosecompruebaenlatablaanteriorasimple vistasinosfijamoscomoaladistanciadereferencialaatenuaciónLosevaincrementando,al igualquelapendienteoíndicedevariaciónconladistancia.Hayquedestacarenamboscasos quelaatenuaciónparamedidasenexterioresesmenorqueenelcasoconjunto.Estehechose produceporeldecaimientodelaseñalalatravesarparedesysuelosdeedificios.
Capítulo 4: Resultados Página21 10 2 10 3 80 90 100 110 120 130 140 150 160 Distancia (m) Pérdidas de propagación (dB) MODELOS DE PROPAGACIÓN PARA ZARAGOZA Urbanas Urbanas (outdoor) Suburbanas Suburbanas (outdoor) Espacio Libre n=5.89 n=5.1 n=4.03 n=3.61 n=2 Encuantoaladesviacióntípicaseobservaquehayunimportanteincrementoenlaszonas urbanas,estopuedeserproducidoporelefectocañón.Esteefectodeguiadodelascalles hacequeserecibanbuenosnivelesdeseñalalargasdistancias,yasuvez,alamismadistancia enotraszonaslaatenuaciónseaelevada.Estasituaciónprovocaunaaltavariabilidadenlos valoresdeatenuación,aumentando,comoconsecuencia,ladesviacióntípica.Enambostipos desuperficie,esteparámetroesmayorparaexteriores.Existenvariosmotivosqueinfluyenen esteresultado,entreotros,sepuedendestacarelmenornúmerodepuntosutilizadospara procesaresosdatosolaconsideracióndeuníndicedeatenuaciónconstanteparacaracterizar laspérdidasenelinteriordeedificios,loqueprovocaqueestasmedidasvaríenmenosdelo quesucederíaenunasituaciónreal. Lasiguientefiguramuestradeformagráficalosmodelosdepropagaciónresultantes: Figura14.ModelosdepérdidaspropagaciónobtenidosparaZaragoza. 4.2.3 Comparativa con modelos existentes Comosecomentaelcapítulo2,existendiferentesmodelosencargadosdeestimarlas pérdidasdepropagación.Enesteapartadosecompararándichosmodelosysusparámetros característicosconlosobtenidosenlassimulacionesparaZaragozaparaobservarlas diferenciasosimilitudesconlosresultadosobtenidos. Enlaliteraturaseencuentranalgunaspublicacionesqueestudianelcomportamientodeestos modelosalafrecuenciadetrabajodelproyecto,aunquesonmuylimitadasytodavíanoseha demostradocompletamentesuvalidez.Losmáshabitualessonmodelosempíricosutilizados previamenteparaestimarpérdidasensistemascomoGSMyUMTS,dondesedestacan: StanfordUniversityInterimmodel(SUI)[5],[6],COST‐231Hata,[7],[7],yEricssonmodel9999,
Capítulo 4: Resultados Página22 10 -1 10 0 80 100 120 140 160 180 200 Distancia (km) Pérdidas de propagación (dB) Comparación con modelos empíricos Entorno urbano SUI COST231Hata ECC33 Ericsson9999 COST231WI FreeSpace ICS-ZGZ (urbano) n=3.93 n=3.8 n=3.52 n=4.79 n=3.03 n=2 [6].Además,setienenencuentaotrosmodeloscomoECC33model,[5],oCOSTWalfisch‐ Ikegamimodel,[7],porsermásaproximados. Entornosurbanos: Latabla04presentadeformaconjuntaelvalordelosparámetrosprincipalesparaestos modelosyelequivalenteparalaciudaddeZaragoza.Correspondenconmedidasenentornos outdoor,urbanosy2mparalaalturadelequiporeceptor.Enlaimagen15semuestrala comparacióndeformagráfica. MODELOγLo(100m)σ(NLOS) SUI4.7995.3810.6 COST231Hata3.52112.756.5 ECC333.93127.6*1 ERICSSON99993.03103.148.8 COST231WI3.8128*1 EspacioLibre283.32 ‐ ICSTelecom‐ZGZ5.197.6711.01 Tabla04.Comparacióndemodelosempíricosdecaracterizacióndeprimerordendelcanalconelmodelo obtenidoparaZaragozaenentornosurbanos. Figura15.Comparacióndemodelosempíricosdecaracterizacióndeprimerordendelcanalconelmodelo obtenidoparaZaragozaenentornosurbanos. Serepresentanconlíneadiscontinuaaquellosmodelosdiseñadosparafrecuenciasinferioresa 2GHz,porloquenosondeltodorepresentativosparanuestrorangodeanálisis.Seobserva queelcomportamientoparalaciudaddeZaragozapresentamenospérdidasrespectoalos modelosCOST231WIyECC33,aunquetieneunapendientemayor.En[6],explicanqueel valortípicodevariacióndelapotenciaconladistanciaparaentornosconestascaracterísticas: 1Valornodisponibleenlaliteratura.
Capítulo 4: Resultados Página23 urbanos,outdooryNLOSestácomprendidoentre3< γ<5.Losresultadosaquíexpuestosestán prácticamenteenesterangodevalidez,sinolvidarquesetratadeunasimulaciónpudiendo variarenuncasoreal.Encuantoalasdesviacionestípicaslosvalorescercanosalos10dBson habituales. Entornossuburbanos: Latabla05contieneelvalordelosmétodosempíricosparaentornossuburbanos.Lamayor diferenciaconelcasoanteriorseencuentraenlaatenuacióndereferencia,lacualha disminuidoenlamayoríadeloscasos,comocabíaesperar. MODELOγLo(100m) σ(NLOS) SUI4.3792.988.2 COST231Hata3.52108.8*2 ECC333.93124.7*2 ERICSSON99993.03103.14*2 COST231WI3.893.36*2 EspacioLibre283.32 ‐ ICSTelecom‐ZGZ3.6182.014.75 Tabla05.Comparacióndemodelosempíricosdecaracterizacióndeprimerordendelcanalconelmodelo obtenidoparaZaragozaenentornossuburbanos. SisecomparanlosparámetroscaracterísticasparaZaragozaconlosdelrestodemodelosse observaquelapendienteseajustabastantealasestimaciones,mientrasquelaatenuaciónLo seencuentramáscercadelosvaloresdelespaciolibrequelosobtenidosenlosmodelos.Esto sedebeaquelosresultadosestánmuyinfluenciadosporlosparámetrosdereferenciaquese hayanconsideradoparacaracterizarcadaentorno,comoporejemplolaalturadelasantenas emisoras,laalturadereferenciadelosedificios,lasanchurasdelascalles,oseparaciónentre edificios.Enlasiguientefiguraserepresentalaanteriorcomparacióndeformagráfica: 2Valornodisponibleenlaliteratura.
Capítulo 4: Resultados Página24 10 -1 10 0 80 100 120 140 160 180 200 Distancia (km) Pérdidas de propagación (dB) Comparación con modelos empíricos Entorno suburbano SUI COST231Hata ECC33 Ericsson9999 COST231WI FreeSpace ICS-ZGZ (suburbano) n=3.93 n=3.52 n=4.37 n=3.8 n=3.61 n=2 n=3.03 Figura16.Comparacióndemodelosempíricosdecaracterizacióndeprimerordendelcanalconelmodelo obtenidoparaZaragozaenentornossuburbanos. 4.2.4 Comparativa con medidas reales Enestosúltimosañosyasehanrealizadoalgunaspruebasrealesconequipos trabajandoalafrecuenciade3.5GHz.Losresultadosdeestasmedidasestánreflejadosen distintaspublicaciones,delascualessehanextraídolosmodelospropuestosenellaspara compararlosconlosobtenidosenesteproyectoparaZaragoza,apesardequelosentornos sonbastantediferentes,puestoquesetratadeciudadesdeotrospaísescuyasimilitudcon Zaragozaespoca,peroeselmaterialconelquesecuenta. Lamayoríadeestudiossecentranenentornossuburbanos,ylosutilizadosenlacomparación correspondenalassiguientespoblaciones:Shanghai,[10],Ghent,[11],yRoma,[12][12].En cuantoamedidasenzonasurbanaselmásrepresentativoes[13],quereflejaelresultado paralasprincipalesciudadesdelReinoUnido:Londres,Birmingham,LiverpoolyManchester. Losresultadossemuestranacontinuación:
Capítulo 4: Resultados Página25 10 2 10 3 80 90 100 110 120 130 140 150 Distancia (m) Pérdidas de propagación (dB) Comparación con modelos obtenidos en artículos Entorno urbano n=4.3 n=5.1 n=2 Reino Unido ICS-ZGZ Espacio Libre Entornosurbanos: Figura17.Comparacióndemodelosdecaracterizacióndeprimerordendelcanalcorrespondientesa ciudadesdelReinoUnidoconelmodeloobtenidoparaZaragozaenentornosurbanos. MODELO‐CIUDADγLo(100m) σ(NLOS) ReinoUnido4.392.987.5 EspacioLibre283.32 ‐ ICSTelecom‐ZGZ5.197.6711.01 Tabla06.Comparacióndemodelosdecaracterizacióndeprimerordendelcanalcorrespondientesaciudadesdel ReinoUnidoconelmodeloobtenidoparaZaragozaenentornosurbanos. Elcomportamientoenambosmediosesbastantesimilar,unaelevadapendienteyconvalores deatenuaciónmuyporencimadelosvaloresenespaciolibre.Estosresultadossontípicos paraestetipodemedidas,perolaspérdidasparalaciudaddeZaragozaestánentornoaunos 10dBporencimadelasdelReinoUnido.Hayquerecordarqueéstasúltimascorrespondena unamediadevariasciudades,quenotienenporqueparecerseaZaragoza,lascualeshan podidocompensarsuscomportamientosparticulares.Porotrolado,ladesviacióntípicapara Zaragozaesalgomayorperoenseencuentraentrelosvaloreshabituales.
Capítulo 4: Resultados Página26 10 2 10 3 80 90 100 110 120 130 140 Distancia (m) Path loss (dB) Comparación con modelos obtenidos en artículos Entorno suburbano n=3.6 n=4.9 n=3.61 n=3.03 n=2 Shanghai (China) Ghent (Bélgica) Roma (Italia) ICS-ZGZ (suburbano) Espacio Libre Entornossuburbanos: Figura18.Comparacióndemodelosdecaracterizacióndeprimerordendelcanalcorrespondientesadiferentes ciudadesconelmodeloobtenidoparaZaragozaenentornossuburbanos. MODELO‐CIUDADγLo(100m) σ(NLOS) Shanghai(China)3.687.169.5 Ghent(Bélgica)4.891.557.7 Roma(Italia)3.03101.77.5 EspacioLibre282.01 ‐ ICSTelecom‐ZGZ3.6197.674.75 Tabla07.Comparacióndemodelosdecaracterizacióndeprimerordendelcanalcorrespondientesadiferentes ciudadesconelmodeloobtenidoparaZaragozaenentornossuburbanos. Enelcasodezonassuburbanaslosresultadosseasemejanmásentreellos,aexcepcióndel casodeGhent.Laspendientessonbastantesinferioresalcasourbano,ylosnivelesde pérdidasseaproximanmásalosdelespaciolibre,situaciónnormaldebidoaltipodeentorno. EnestecasoladesviacióntípicacorrespondienteaZaragozaesbastanteinferior,loque significaquelamayoríadelosresultadosestáncentradosentornoalosmismosnivelesde señal,porloquesepuedeafirmarquehaymenorvariabilidaddelmedioyelcomportamiento delcanalesbastantesimilar.
Capítulo 4: Resultados Página27 00.5 11.5 22.5 33.5 44.5 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1Power Delay Profie retardo (us) PDP (mwatt) Suburbanas Urbanas 4.3 Caracterización del multicamino. 4.3.1 Resultados y procesado Elresultadodelassimulacionesdelmulticaminoesunficherodetipoexcellque contieneelnúmeroderayosrecibidosporcadausuario,juntoconsuniveldeseñalyeltiempo dellegada(TOA)alreceptor. Eltratamientodeestainformaciónconsisteenindependizarlapotenciarecibidadela distancia,lacualvienedeterminadaporlaposicióndelsuscriptor,yasociarlosnivelesdeseñal recibidosacadaretardo.Elalgoritmoqueimplementaesteprocesoofrececomoresultadoel perfilpotenciaretardobuscado,esdecir,elPDP.Comoconsecuenciadeestafunciónsurgeel parámetrodelayspread,Ds,queesunamedidadeladesviacióntípicadeesteperfilyesel parámetroquereflejaladistorsiónrealdelcanal.EldiagramadelanexoII,(figura33),resume esteproceso. 4.3.2 Perfiles potencia – retardo, PDP Enesteapartadosemuestranlosperfilespotenciaretardo(PDP)resultantesdelas simulacionesparalaciudaddeZaragozaa3.5GHz. Losresultadoscorrespondena4500puntosdemedidasenentornosurbanosy5000Para entornossuburbanos.Losdatosobtenidostienenunaresolucióndedecenademicrosegundo paralostiemposdellegadadecadarayo.Sedescartanvaloresconamplitudesapartirde10 dBpordebajodelnivelmáximo,porconsiderarsenivelesdespreciablesfrentealresto. Acontinuaciónsemuestrangráficamentelosresultadosdeestosperfiles.Susignificadoes representarelniveldepotenciamedioquerecibeelreceptorasociadoacadacaminode propagación,loscualesvienenidentificadospormediodelretardo,esdecir,eltiempoquele cuestaviajaralaonda. Figura19.PerfilpotenciaretardodelaciudaddeZaragozaparaentornosurbanos