Analisis Radiopropagación

Eo 0421 - RADIOCOMUNICACIONES

Conferencia 3: Análisis de Radiopropagación

Instructor: Israel M. Zamora, MBA, MSTMProfesor Titular, Departamento de Sistemas Digitales y

Telecomunicaciones. Universidad Nacional de Ingeniería

I Sem 2015

2

OBJETIVOS DE LA SESIÓN

I. Zamora

Revisar la clasificación de los modos propagación de onda según sus características

Introducir y diferenciar los componentes de pérdidas de propagación, en gran escala y pequeña escala.

Elaborar el presupuesto el balance de potencia de un radioenlace sencillo.

Comparar los modelos de predicción de pérdidas según su enfoque.

Deducir y aplicar el modelo de predicción en espacio libre para construcción del balance de potencia en problemas de radiopropagación.

Unidad II: Análisis de Radiopropagación

CONTENIDO

• Modos de propagación de ondas. Clasificación.

• Pérdidas de gran escala y pequeña escala.

• Concepto de balance de potencia o presupuesto de pérdidas de un radioenlace.

– PIRE, pérdida de trayecto, ganancia del receptor, margen de enlace, sensibilidad, etc.)

• Tipos de modelos de predicción de pérdidas.

• El modelo de propagación en espacio libre (Onda directa).– Fórmula general de propagación– Fórmula de Friis

3I. Zamora Unidad II: Análisis de Radiopropagación

Modos de propagación de onda: Clasificación

Ondas de Radio(Radio waves)

Ondas Ionsfericaso Cielo (Ionospheric or Sky waves) HF

Ondas de Tierra (Ground waves)

Ondas Troposfericas(Tropospheric

waves) HF, VHF

Ondas Espaciales(Space waves) VHF, UHF

Ondas Superficiales(Surface waves) VLF, LF, MF

Ondas Directas(Direct waves)

Ondas Reflejadas en Tierra (Ground-reflec-

ted waves)

1

3.1 3.2

2

Hay cuatro mayores trayectorias de propagación:• Ondas de Superficie, Ondas Espaciales,

Ondas Troposféricas y Ondas Ionosféricas. • En muchos casos, las dos primeras se agrupan

y se denominan Ondas de Tierra


3

3.1.1 3.1.2

Modos de propagación de onda

LA TIERRA

LOS (Línea de Vista, onda de tierra)

Ondas Superficiales

Ondas Troposféricas

Ondas de Cielo

Ionosfera

Troposfera

Onda Reflejada en Tierra

Hasta 2 MHz

Entre 30 MHz y 30 GHz

Entr

e 2

a 50

GHz

Entre 300 kHz y 30 M

Hz


Pérdidas de propagación: Gran Escala

• Pérdidas o desvanecimiento a Gran Escala:

• Debidas a la características generales del terreno (distancia), densidad y altura de los edificios, a la vegetación.

• Variaciones ocurren a lo largo de grandes distancias (100m.- unos pocos Km.) • Importantes para predecir la cobertura y disponibiliad de un servicio particular.


Street Sign

STOP

Receiver

Buildings

Earth surface

Buildings

Line of Sight

Transmitter

Pérdidas de propagación: Pequeña Escala


Street Sign

STOPLine of Sight Reflection DiffractionScattering

Transmitter

Receiver

Buildings

Earth surface

Buildings

• Pérdidas o desvanecimiento a Pequeña Escala:

• Debido al entorno local, objetos, árboles y edificios cercanos. • Variaciones ocurren sobre cortas distancias, en el orden de la longitud de onda de la señal

(<1 m.) • Factor importante de diseño de los formatos de modulación y del diselño de

transmisor/receptor

Pérdidas de propagación: combinación de efectos


Balance de Potencia

etP drP


Balance de Potencia


Modelo energético de un sistema de radiocomunicación

TX RXCircuito

de Acoplo

Circuito de

Antena

Circuito de

Antena

Circuito de

Acoplo

etP tPtP rP rP

drP

trL

PIRE

ttL atL arL

tL

sL

gL

T T AT ARIT

IR

tG rG

tGrG

R R

bL

Modelo de antena real Modelo de antena real

Antena ideal (ficticia)

Balance de Potencia


etP

tP

tP

rP

rP

drPtrL

PIRE

ttL

atL

arL

tLsL

gL

tG

rG

tG

rG

bLTX

RX

Transmisor

Potencia entregada por el Transmisor al ckt. de acople

Pérdidas en ckts, de acoplamiento a la antena del Tx (T y T’).

Potencia entregada a la antena real

Pérdidas en la antena de transmisión (entre interfaces T’ y AT)

Potencia (ficticia) entregada a la antena ideal, sin pérdidas.

Potencia isótropa radiada equivalente, hacia el receptor

Potencia (ficticia) en la entrada a antena ideal.

Potencia disponible a la salida antena real

Potencia disponible , entregada al receptor

Pérdidas en ckts, de acoplamiento a la antena del Rx (R’ y R).

Pérdidas en la antena de recepción (entre intertaces AR y R’)

Pérdida básica de propagación (entre antenas isótropas

Pérdida de transmisión (entre antenas ideales)

Pérdida de sistema (entre interfaces de las antenas reales) Receptor

Pérdida global ( entre interfaces T y R)

Ganancia directiva de la antena transmisora

Ganancia directiva de la antena receptora

Ganancia de potencia de la antena transmisora

Ganancia de potencia de la antena receptora

Consideraciones y observaciones:

trttsg

aratts

rtbt

LLLL

LLLL

GGLL

0

0

ar

at

L

L

rr

tt

GG

GG

rtbt GGLL

cagG

M

TH

Ganancia con control automático

Margen de enlace

Umbral o sensibilidad del Rx

Balance de potencia

etPttL

bLtG

rGtrL cagG

Transmisor Receptor

Hipsograma

Entorno

• Variación del nivel de señal a lo largo del trayecto (hipsograma)– Peor caso con desvanecimiento “F” (Fading)– CAG para entregar un nivel fijo de señal al demodulador

drP

F

rP

rP

TH

THPM dr

PIRE


tP

trL

Peor caso cagG

Balance de potencia

• Sensibilidad del receptor (umbral) - TH– Nivel mínimo de señal que se debe recibir para obtener una

determinada calidad en la comunicación.

Estación base

Terminalmóvil

Alcance /cobertura del sistema

Potencia transmitida

Señal útil Potencia mínima de laSeñal recibida para un

correcto funcionamiento(sensibilidad)

Ruido e interferencia


Balance de potencia

Elementos de potencia y pérdidas de balance de potencia de un radioenlace

(+) Pet (dBm) Potencia de salida del transmisor

(-) Ltt (dB) Pérdidas en circuitos de acoplamiento (branching) a la antena del Tx.

(+) Gt (dB) Ganancias de las antenas del Tx (isotrópica).

(=) PIRE Potencia Isotrópica Radiada Equivalente.

(-) Lb (dB) Pérdida básica de propagación.

(-) F(dB) Desvanecimiento profundo (diversos factores: vegetación, multitrayectoria, etc.)

(+) Gr (dB) Ganancias de las antenas del Rx (isotrópica).

(=) Pr (dBm) Potencia recibida por la antena receptora.

(-) Ltr (dB) Pérdidas en circuitos de acoplamiento (branching) a la antena del Rx.

(=) Pdr (dBm) Potencia recibida en el receptor.

TH (dBm) Umbral o sensibilidad del receptor.

M(dB) Margen de desvanecimiento o de enlace (M=Pdr – TH)


Balance de potencia

Ejemplo numérico:

+ 20 dBm Potencia de salida del transmisor

- 2 dB Pérdidas en circuitos de acoplamiento (branching) a la antena del Tx.

+ 10 dB Ganancias de las antenas del Tx (isotrópica).

= 28 dBm Potencia Isotrópica Radiada Equivalente.

- 114 dB Pérdida básica de propagación.

- 0 dB Desvanecimiento profundo (diversos factores: vegetación, multitrayectoria, etc.)

+ 14 (dB) Ganancias de las antenas del Rx (isotrópica).

= -72 dBm Potencia recibida por la antena receptora.

- 2 dB Pérdidas en circuitos de acoplamiento (branching) a la antena del Rx.

= -74 dBm Potencia recibida en el receptor.

-82 dBm Umbral o sensibilidad del receptor.

= 8 dB Margen de desvanecimiento o de enlace


Balance de potencia


= -74 dBm

= 8 dB

Ejemplo numérico:

)()()()()()()( dBLdBGdBLdBGdBLdBmPdBmP trtbtttetdr

• Pérdidas de duplexores, circuladores y filtros (LDFT, LDFR en dB)• Pérdidas en los alimentadores de antena (Lx) (t, r en dB/m)

i

ibfb LLdBL )(

Pérdidas de espacio libre Pérdidas adicionales:Reflexión

Difracción

Dispersión

Vegetación

Hidrometeoros

Desvanecimientos

Potencia recibida Pérdidas básicas de propagación

Pérdidas de acoplamiento (branching)

)()/()()( mdmdBdBLdBL ttDFTtt

Balance de Potencia: Las pérdidas básicas


)()/()()( mdmdBdBLdBL rrDFRtr

Tipos de modelos de predicción

• Modelos de análisis de un radioenlace: Una herramienta para cada situación

Ecuaciones de Maxwell MUY COMPLEJO (Matemático) e impráctico

Óptica de Geométrica Espacio Libre, Uso de “Rayos”, Ej: Modelo de 2- rayos para reflexión a Tierra, Tierra Curva, Obstáculo Simple, etc.

Expresiones (Modelos) Empíricos, semiempíricos o curvas de propagación normalizadas

Modelos estadísticos Muy útiles en comunicaciones móviles

¿Cómo determinar las pérdidas básicas para diversos entornos?


Densidad de potencia recibida y Campo eléctrico

(r)Z(r)e or Z

(r)e(r)

o

r

2

• La relación entre campo eléctrico recibido (en antena receptora) y densidad de potencia:

Ley de Ohm de CEM

Ω πε

μZ

o

oo 377120

) (ε

ms/V Aπ

m

F

πεo

0

99

libre espacio del a)dieléctric (constante adpermitivid36

10

36

10

ms/A Vπ x H/m π x μ -o

libre espacio del dadpermeabili

104104 77


:(r):(r)er

Zo :

Densidad de potencia en antena receptoraCampo eléctrico en antena receptora

Impedancia característica del aire

Entonces, la potencia máxima utilizable en el receptor está dado por:

rreqr g(r)e

π

λg (r)s(r)p r

1204

22

2,107)(log20)()( 10 MHzfdBuEdBWP rr

:eqs Superficie equivalente de la antena receptora.

Las pérdidas básicas de propagación se obtienen de:

generalen ,)(41

1204

4

120

)(

)( 2

22

22

22

(r)e

rer

ggg

(r)eλ

g

rre

rp

p

rr

o

rt

r

t

o

r

t

Pérdidas excedentesPérdidas de espacio libre


Pérdidas básicas de propagación

)(rp

p

r

t

22 44)(

r

gp

r

PIREr tt

o Se sabe que:

tot g

rrp

24)(

Por tanto, las pérdidas se hallan como:

t

ot g

r(r)ep

24

120

generalen ,)(41

)( 2

22

(r)e

rer

ggrp

p

r

o

rtr

t

FORMULA DE FRIIS

(r)e

(r)e

λ

π rlL

r

obb 101010 log20

4log20)(log10

V/mr

pire

r

g p

ππ

gpπ (r)Z(r)e

tt

ttoo

3030

4120

2


Pérdidas básicas de propagación

(r)e

rerl

r

ob 2

22 )(4

i

ibfb LLdBL )(

Pérdidas excedentesPérdidas de espacio libre

Pérdidas de espacio libre (LOS):

MHz

Kmbf /f.

r,π

λ

π r L

8299

00014log20

4log20 1010

Con:

f en MHz

r en Km

)(f)(r dB.L MHzKmbf 1010 log20log204532 dr

hh

d

rt

),(

NOTA:

Otras relaciones de espacio libre:

Modelo de propagación de Espacio Libre (LOS)

Tx Rx

Línea de Vista (LOS)

• Caso ideal : total visibilidad/sin obstáculos de consideración (dentro de zona de Fresnel)

• Válido en región de campo lejano (Fraunhofer) : d• Aplicaciones: comunicación satelital/enlaces de microondas con LOS.• Fórmula de Friis : Fórmula de espacio libre.

d: distancia entre estaciones base

r: separación de antenas


dr m100d para

)(f)(r dB.L MHzKmbf 1010 log20log204532

Ejercicios resueltos

Un satélite geoestacionario con órbita a 35,786 Km de altitud transmite una PIRE de 52dBW. Calcule el diámetro de la antena parabólica que se debe colocar, para una eficiencia de apertura del 70%, para recibir una potencia de -84.6dBm

Solución:Partimos del hecho que la distancia y la altura del satélite son suficiente para considerar una propagación de espacio libre, y que obviamente el satélite se encuentra en la región de Franhoufer o de campo lejano por lo que planteamos la expresión para la potencia recibida en términos del área efectiva de captura equivalente de la antena receptora:

phyapeqr sr

pires

r

pirerp

22 44)(

7.010

103578641010

4)(

10

52

23310

6.842

W

mW

pire

rrps

aprphy

2503.0 msphy 2

2

Dsphy m

msD phy 8.0

5.022

2


(Sphy: es la superficie física de la antena.)

Ejercicios resueltos

Determine la potencia de salida de una antena receptora que tiene una ganancia directiva de 5, con una eficiencia de 80%, que se encuentra a 20Km de una antena que tiene potencia de entrada de 40W y ganancia directiva de 4 con eficiencia de 70%. La frecuencia de operación es de 150MHz.

Solución:Podemos ilustrar la situación como se muestra abajo:

TX RX

4Td%70rad

5Rd%80rad

MHzf 150Wpt 40 ?rp

Kmr 20

Aplicamos la ecuación siguiente:2

4

rgg

p

prt

t

r

2

4

rggpp rttr

2

,, 4))((

rddpp rrradttradtr

268

000,204

10150/103)58.0)(47.0(40

xxpr

Wxpr81038.2

dBmpr 23.46


rrradrttradt dgdg ,, y

Ejercicios propuestos

Determine la potencia capturada por una antena receptora para los siguientes parámetros:• Potencia de entrada a la antena: 50W• Ganancia directiva de la antena transmisora: 1,250• Eficiencia de radiación antena transmisora: 80%• Ganancia directiva de la antena receptora: 1,000• Eficiencia de radiación antena receptora: 90%• Separación entre antenas: 20Km• Frecuencia de trabajo: 600MHz


A continuación se muestra un ejemplo de cálculo en el caso de un enlace punto a punto a 2,45 GHz: Potencia de salida del transmisor = 15 dBm Pérdidas en cables y conectores del transmisor = 4 dB Ganancia de la antena transmisora = 8 dBi Distancia entre transmisor y receptor = 1 km Ganancia de la antena receptora = 15 dBi Pérdidas en cables y conectores del receptor = 3 dB Sensibilidad del receptor = –82 dBm @ 11 Mbit/s Pérdidas adicionales (despolarización, desapuntamiento, obstáculos) = 3 dB

Realice el presupuesto de potencia y calcule las pérdidas básicas asumiendo espacio libre, la potencia recibida, y el margen de enlace.

• Lectura Obligatoria• Wireless Communications

• Capítulo 4Secciones 4.1 al 4.3 inclusive

• Transmisión por Radio• Capítulo 2

• Secciones 2.3.1, 2.6, 2.7.1 al 2.7.3, 2.9.1 al 2.9.4


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