desempeño de modelos de propagación para áreas urbanas en comunicaciones móviles

5/7/2018 Desempeño de modelos de propagación para áreas urbanas en comunicaciones móviles - slidepdf.com

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Desempeño de modelos de propagación para áreasurbanas en comunicaciones móviles: ciudad de Quito

Paulo Viteri, Oscar Cevallos, Rafael Alulema, Andrés Mafla20 de Julio de 2010

1. RESUMEN

En el presente documento se presenta el estudiode cobertura realizado a cuatro estaciones GSM para comunicaciones móviles a 930 MHz,ubicadas en la ciudad de Quito, mediante lautilización de los modelos de propagación:Okumura-Hata Modificado y Deygout; ademásdel empleo de la herramienta de planificaciónde redes on-line Xirio. Finalmente se evaluó eldesempeño de los dos modelos utilizados conrespecto a la cantidad de señal recibida en unárea de la ciudad determinada.

2. INTRODUCCIÓN

GSM son las siglas de Global System for Mobile communications, es el sistema deteléfono móvil digital más utilizado y elestándar de facto para teléfonos móviles en

Europa y América.Definido originalmente como estándar Europeoabierto para que una red digital de teléfonomóvil soporte voz, datos, mensajes de texto yroaming en varios países. El GSM es ahora unode los estándares digitales inalámbricos 2G másimportantes del mundo y está presente en másde 160 países ocupando así el 70 por ciento deltotal del mercado móvil digital.Ecuador no es la excepción, GSM representa lasolución más accesible para el mercado detelefonía móvil en el país y la banda de 900Mhz

está definida en el espectro radioeléctrico paraesta tecnología.

3. MATERIALES YMÉTODOS

3.1 Materiales3.1.1 Software

Se utilizó la herramienta de software Xirio,disponible on-line, la cual es una herramienta de planificación y gestión radioeléctrica que

permite el manejo de recursos espectrales demanera rápida y eficiente. Esta herramientaincorpora las más modernas tecnologías paragestionar de forma instantánea toda lainformación geográfica necesaria.

3.2 Métodos3.2.1 Modelo Okumura-Hata

Modificado.

El modelo de Okumura Hata es el modelo que

se utiliza con mayor frecuencia para predecir elcomportamiento o desarrollo de lastransmisiones de tipo celular en áreas quecuentan con edificios. El modelo proporcionainformación grafica e información de los puntosmás lejanos para determinar los efectos dedifracción, refracción y dispersión de las señalescausadas por las estructuras de los edificios.

La formulación del modelo de Okumura-Hataconsidera las frecuencias UHF, también de laexperimentación y datos estadísticos observados

deriva una serie de curvas que permitenrelacionar algunas constantes de atenuación enlas señales.

El modelo Hata Modificado es un métodohíbrido basado en Okumura-Hata corregido por la difracción en obstáculos, válido en la gama150Mhz a 2GHz. Recomendado para serviciosde móviles y de acceso de banda ancha en



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entornos urbanos cuando se disponga decartografía de alta resolución.

3.2.2 Modelo StanfordUniversity Interim

(SUI).Los modelos SUI son una extensión del trabajo primitivo realizado por AT&T wireless y Erceget al. Usa tres tipos básicos de terreno:

- Categoría A - Densidad de árbolesmoderada a fuerte.

- Categoría B - Densidad de árboles bajao densidad de árboles moderada/ fuerte.

- Categoría C - Densidad de árboles baja/plana.

Estas categorías de terrenos proveen un métodosimple para estimar más precisamente la pérdidade trayecto de los canales de RF en situación NLOS. Siendo estadístico por naturaleza, estemodelo es capaz de representar el rango de pérdidas de trayecto experimentado dentro deun enlace de RF real.Los modelos de canal de SUI fueronseleccionados para el diseño, desarrollo yensayo de la tecnología WiMAX, sin embargo,es un modelo aplicable a comunicaciones

móviles en frecuencias inferiores a los 11GHz; por esta razón se ha hecho uso de este modelocon el fin de analizar los efectos en cuanto a propagación y cobertura para una red GSM.Usando estos modelos de canal, es posibleentonces predecir de manera más precisa las probabilidades de cobertura que pueden ser logradas dentro de un sector correspondiente auna radio base.La probabilidad de cobertura estimada puede ser usada además para planificación.

4. DESARROLLO 4.1 Parámetros de simulación4.1.1 Ubicación de radio bases

Estación A

Latitud: 00˚10'33" S Longitud: 78˚28'37" W

Estación B

Latitud: 00˚10'40" S Longitud: 78˚29'10" W

Estación CLatitud: 00˚10'08" S Longitud: 78˚29'05" W

Estación DLatitud: 00˚11'08" S Longitud: 78˚29'02" W

Figura 1. Ubicación de radio bases

4.1.2 Características de propagación

Se analizaron los siguientes modelos de propagación y su efecto, dependiendo del tipode antena utilizada en la simulación.

Modelo Tipo deantena

Modelo Okumura-Hata Modificado SectorialModelo Okumura-Hata Modificado IsotrópicaModelo Stanford University Interim SectorialModelo Stanford University Interim Isotrópica

Figura 2. Modelos de simulación

Para el caso del modelo SUI, se han fijadoademás los parámetros indicados en la figura 3:

Modelo SUI Modelo SUI básico sinfactores de corrección(f < 2000 Mhz, hr <

2m)

Categoría de terreno Terreno montañosocon niveles bajos de

vegetación

Figura 3. Parámetros adicionales para el modeloSUI



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4.1.3 Transmisión y recepción

Los parámetros fijados dentro del software desimulación para la perspectiva transmisora semuestran en la siguiente tabla.

TRANSMISIÓN Antena Sectorial GSM 17,5 dBiAntenaOmnidireccional

GSM 11 dBi

Frecuencia 930MHzPolarización Vertical

Altura de la antena 20m

Potencia 10WPérdidas 1dB

Figura 4. Parámetros de transmisión

En la figura 5 se muestran también los parámetros utilizados en recepción. Cabeseñalar que los valores de ganancia ysensibilidad de las antenas están fijados demanera predeterminada por el software, deacuerdo a la frecuencia y al servicio móvil quese preste.

La antena utilizada en la transmisión es unaEricsson modelo 2401 tipo micro que utiliza la

tecnología GSM a 930 MHz con una potenciade transmisión de 10 W.

RECEPCIÓN Antena GSM 2 dBiFrecuencia 930MHzPolarización Vertical

Altura de la antena 4m

Umbral recepción -102dBmPérdidas 1dB

Figura 5. Parámetros de recepción

El lóbulo de radiación está representado en lasfiguras 6 y 7.

Figura 6. Lóbulo de radiación antenatransmisora sectorial

Figura 7. Lóbulo de radiación antenatransmisora isotrópica



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5. ANÁLISIS DERESULTADOS

Mediante la herramienta de simulación utilizadase pudo obtener las áreas de cobertura de

acuerdo a los modelos de propagación y tipos deantenas indicados anteriormente.Xirio muestra sus resultados diferenciando trestipos de áreas de cobertura según la potencia detransmisión recibida.

Figura 8. Rangos de señal

5.1 Resultados de cobertura

Una vez configurados todos los parámetros desimulación tanto en transmisión como enrecepción, el software permite realizar uncálculo de cobertura multitransmisor donde seindican las áreas de mayor señal de acuerdo alcuadro de colores antes mencionado.El estudio hace referencia a un sector del nortede la ciudad de Quito. Las estaciones están

ubicadas de manera estratégica de la siguientemanera:

Estación A: Av. 6 de Diciembre y El Comercio sector elBatán Bajo.Estación B:Av. Río Amazonas y calle Gonzales sector elBatan Alto.Estación C:Av. Río Amazonas y Gaspar de VillarroelEstación D:

Parque La Carolina, Sector Tribuna de losShyris

Indicar las direcciones de las estacionestransmisoras permitirá realizar un análisis másfísico y palpable de la cobertura.

La primera simulación obtenida se refiere almodelo de propagación Okumura-Hata

Modificado utilizando una antena sectorial de17.5dBi.El sector evaluado, para todos los casos, tieneun aproximado de 14Km2, en la figura, el áreacomprendida dentro de la línea amarilla.

Figura 9. Resultado simulación Okumura HataModificado con antena sectorial

De acuerdo a la gráfica proporcionada por elsimulador se puede observar que la cobertura eneste caso tiene un alcance aproximado de 5 Km partiendo desde la intersección de la Av.República y Av. Eloy Alfaro, hasta el límitenorte del área de estudio en el sector del

Labrador. Hacia el este, la Av. Eloy Alfarocomo límite y hacia el oeste la Av. Occidental.Se observa que el nivel de señal recibida por unmóvil dentro de este perímetro se encuentra enun rango mayor a -82dBm lo cual permiteestablecer una comunicación óptima con laestación base. Sectores como Las Casas hacia elsur, y el Parque Metropolitano hacia el este presentan niveles de señal inferiores a -102dBmlo cual imposibilita la comunicación en dichaszonas. Debido a la difracción en obstáculos que presenta este modelo de propagación, es

relativamente difícil alcanzar zonas másalejadas debido a estas pérdidas. Claramente seobserva una cobertura sectorial debido a ladisposición de las antenas en este caso particular de simulación.

La segunda simulación obtenida se refiere almodelo de propagación SUI utilizando unaantena sectorial de 17.5dBi.



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Figura 10. Resultado simulación modelo SUIcon antena sectorial

Los modelos de propagación SUI estáníntimamente ligados con la tecnología WiMax,sin embargo, según sus propios creadores, elmodelo ha sido orientado al ámbito de lascomunicaciones móviles cuya operacióninvolucra las frecuencias inferiores a 11 GHz, por esta razón el modelo forma parte de nuestroanálisis.Claramente se puede notar una coberturasectorial de aproximadamente 3.5 Km dedistancia máxima, partiendo del sector delParque La Carolina en el sur, hasta el sector de

Las Acacias en la Av. El Inca; es decir, unadisminución de aproximadamente el 40% conrespecto a la cobertura del modelo Okumura-Hata Modificado, si se toma en cuenta que ellímite oeste alcanza tan solo la Av. 10 deAgosto.

La tercera simulación obtenida se refiere almodelo de propagación Okumura-HataModificado utilizando una antena isotrópica de11dBi.

Figura 11. Resultado simulación Okumura HataModificado con antena isotrópica

Se observa que, a diferencia de los resultadosobtenidos con la disposición de antenassectoriales, sectores de la ciudad como LasCasas y parte del parque Metropolitano yacuentan con índices de recepción de señalsuperiores -82dBm ampliando en área decobertura en un 30% aproximadamente; estodebido a la utilización de una antenaomnidireccional de 11dBi que es un valor de potencia relativamente alto, que alcanza unradio aproximado de cobertura de 6Kmuniformemente distribuidos a lo largo delterritorio en estudio.

La cuarta simulación obtenida se refiere almodelo de propagación SUI utilizando unaantena isotrópica de 11dBi.

Figura 12. Resultado simulación modelo SUIcon antena isotrópica



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Los niveles de cobertura en este caso aumentancon respecto al uso de antenas sectoriales en elmodelo SUI. Las antenas omnidireccionales entodas las estaciones, aumentan el nivel de señalen sectores donde anteriormente existían nivelesde -100 dBm llevando esta recepción a -82

dBm, es decir, proporcionando servicios decomunicaciones a lugares como Rumipamba yla Av. Mariana de Jesús.

Como es evidente, las prestaciones del modeloOkumura-Hata Modificado son superiores a lasdel modelo SUI para el caso de comunicacionesmóviles en entornos urbanos, que es el motivode análisis del presente documento.

6. CONCLUSIONES Y

RECOMENDACIONES Se llegó a determinar la factibilidad del

modelo Okumura-Hata Modificado paraobstáculos por difracción en un entornourbano, frente al modelo propuesto por la Universidad de Stanford paracomunicaciones móviles; con unaproximado del 40% de diferencia encuanto a cobertura.

El modelo SUI presenta mayoresdificultades en cuanto se refiere a

accidentes geográficos o elevaciones deterreno, factor que no se hace muynotorio en el desempeño del modeloOkumura-Hata Modificado.

La propagación del mercado GSM en el país ha significado millonarios ingresos para las compañías prestadoras deservicios móviles, sin embargo, no se leha dado la importancia necesaria paramejorar los algoritmos de transmisiónque contribuyan con las necesidades delusuario.

La situación de las comunicacionesmóviles en el país presenta grandesfalencias en lo referente a cobertura ycalidad de servicio, por lo que es degran importancia, aportar con el estudiode modelos y técnicas que ayuden amejorar las debilidades del sector de lastelecomunicaciones.

7. REFERENCIASELECTRÓNICAS

www.xirio-online.com http://catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/do

cumentos/lem/soriano_m_jc/capitulo2.pdf http://www.escet.urjc.es/~fisica/Docenc

ia/ITeleco/prog_mpe.pdf earth.google.es/ http://wirelessapplications.com/pdf/lf/H

ata.pdf http://www.wimax360.com/forum/topic

s/610217:Topic:25757



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8. BIOGRAFÍAS

Oscar Patricio Cevallos, nacido en la ciudad deQuito el 16 de Julio de 1987. Se gradúa delColegio Particular Paulo VI en el año 2005 yactualmente cursa el noveno nivel de IngenieríaElectrónica en Telecomunicaciones en laEscuela Politécnica del Ejército. Es miembro dela rama estudiantil IEEE ESPE desde el año2009.

Rafael Alulema Leiva, nace en la ciudad deQuito en el año 1987. En el año 2004 concluyesu Bachillerato en la especialidad Físico-Matemático en el colegio Sebastián deBenalcázar ubicado en la ciudad de Quito.

Actualmente se encuentra cursando el novenosemestre de la carrera de Ingeniería Electrónicaen Telecomunicaciones en la EscuelaPolitécnica del Ejército.

Andrés Mafla Delgado, nace en la ciudad deQuito en el año de 1987. En el año 2005 terminasu Bachillerato con la especialidad de Físico-Matemático en el colegio Unidad EducativaÁngel Polibio Chaves. Actualmente seencuentra estudiando el noveno semestre de lacarrera de Ingeniería Electrónica enTelecomunicaciones en la Escuela Politécnicadel Ejército -Ecuador.

Paulo Augusto Viteri Veloz nace en Quito el 5de Enero de 1987. Realizo sus estudios primarios en la escuela Estados Unidos de N.A.Curso la secundaria en el colegio COTACgraduándose con la especialidad de FísicoMatemático. Actualmente realiza sus estudiosen la ESPE siguiendo la carrera de IngenieríaElectrónica en Telecomunicaciones.

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