Lecture 4 analisis radioprop p2

Eo 0421 - RADIOCOMUNICACIONES

Conferencia 4: Análisis de Radiopropagación

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

Telecomunicaciones. Universidad Nacional de Ingeniería

I Sem 2015

Objetivos

Explicar modelos prácticos para estimar las pérdidas por absorción en trayectos con vegetación

Explicar modelos para estimar las pérdidas por absorción en trayectos por influencia hidrometeórica.

Comentar sobre otros fenómenos meteóricos que afectan la propagación de ondas de radio.

2I. Zamora Unidad II: Análisis de Radiopropagación

Contenido

• Atenuación en vegetación• Modelo de Obstrucción vegetal única (UIT)• Modelo de Weissberger• Modelo COST 235

• Absorción por fenómenos hidrometeóricos• Modelo de pérdidas por vapores y gases

• Método de la Rec. ITU-R P.676• Enlaces terrestres

• Modelo de pérdidas por lluvia• Método estadístico-analítico• Método determinístico: Rec. ITU-R P.530 y P.838

• Enlaces terrestres


Atenuación por VEGETACIÓN

La mayoría de los sistemas de comunicaciones terrestres requiere que la señales pasen a través de follajes o campos de vegetación (boscoso) en algún punto, particularmente, cerca del receptor.



1. Modelo de Obstrucción vegetal única (UIT R P.833-2)• Caso 1: Variante aplicable a frecuencias entre 30MHz y 60GHz• Considera que un extremo (Tx o Rx) y parte de la trayectoria LOS está dentro de la

vegetación o zonas arboladas.

• Caso 2a: Variante aplicable a frecuencias hasta 3GHz Considera que ninguno de los extremos (Tx y Rx) están en zonas arboladas pero hay vegetación en alguna parte de la trayectoria.

• Caso 2b: Útil para frecuencias mayores de 3GHz Cuando ni el transmisor ni el receptor están en zonas arboladas pero hay vegetación en alguna parte de la trayectoria, medida en metros.

2. Modelo de Weissberger• Modelo de caída exponencial en general 230MHz hasta 95GHz.• Aplica donde la trayectoria es bloqueada por árboles densos, secos o lleno de hojas.

3. Modelo COST235• Útil para freduencias entre 9.6GHz hasta 57.6GHz.• Aplica para arboledas pequeñas, menores de 200m.



Modelo de Obstrucción vegetal única (UIT R P.833-2)• Caso 1: Útil entre 30MHz y 60GHz• Modelo de Obstrucción con un extremo (Tx o Rx) dentro de la vegetación o zonas arboladas

y parte del trayecto LOS está también dentro de vegetación.

m

veg

A

d

mveg eAA

1

Aveg: Pérdidas en exceso por vegetación (dB)

Am: es la pérdida máxima para un terminal dentro de un tipo y

profundidad específica de vegetación (dB)dveg: es la parte de la trayectoria afectada por el bosque (m)

: Atenuación específica para un trayecto muy corto de vegetación (dB/m)

dveg

fAAm 1 Frecuencia de f = 900-1900MHz: A1 = 0.18 dB y =0.752, para árboles con altura media de 15m, antena de receptor a una altura de 2.4m

Frecuencia de f= 900-2200MHz: A1 = 1.15 dB y =0.43, para árboles con altura media de 15m, antena de receptor a una altura de 1.6m, antena transmisora a una altura de 25m.

f: en MHz



Ate

nuac

ión

por

veg

etac

ión

ITU

-R P

.833

-2A

tenu

ació

n es

pecí

fica e

n zo

na b

osco

sa

Polarización Vertical

Polarización Horizontal


Ejemplo

El sistema de comunicación de microondas mostrado abajo opera en la banda ISM de 2.5 GHz. Determine la atenuación en exceso debido a vegetación según sea el caso.

Solución:En este caso uno de los extremos se encuentra dentro de la vegetación. Por tanto, aplicamos:

Donde la distancia dentro de la vegetación es 5.9Km. La atenuación específica se obtiene nuevamente de la gráfica provista en la recomendación ITU-R P.833-6 (ver siguiente diapositiva), allí ubicamos el valor de =0.5dB/m para f=2.5GHz.

5.9 Km4.5 Km

m

veg

A

d

mveg eAA

1 A1 = 1.15 dB y =0.43fAAm 1


Asumimos este caso.

Ejemplo

De la gráfica se observa que para la frecuencia de 2.5GHz:=0.5dB/m

Polarización Vertical

Polarización Horizontal

=0.5dB/m

f=2.5GHz


Ejemplo

Ahora, f se introduce en MHz para obtener Am:

Ahora evaluamos la expresión particular para este escenario:

25.33250015.115.1 43.043.0 MHzm fA

dB 125.331 25.33

)/5.0)(5900(

dB

mdBmA

d

mveg eeAA m

veg

dB 25.33 125.33 vegA

A1 = 1.15 dB y =0.43



Modelo de Obstrucción vegetal única (UIT R.833-2)Caso 2a: Útil para frecuencias hasta 3GHz Cuando ni el transmisor ni el receptor están en zonas arboladas pero hay vegetación en alguna parte de la trayectoria

vegveg dAPérdidas totales de exceso de vegetación (dB)

Recorrido bajo vegetación (m)

Atenuación específica por vegetación (dB/m)

dveg

Si esta atenuación resulta ser alta, como sucede a frecuencias elevadas, debe considerarse otras fuentes de pérdidas, como difracción. A frecuencias mayores de 1GHz puede verse difracción, dispersión, reflexión, etc.



veg

c

cvegbaveg dk

WRR

W

kd

Wf

RA 0exp1

Modelo de Obstrucción vegetal única (UIT R.833-2)Caso 2b: Útil para frecuencias mayores de 3GHz Cuando ni el transmisor ni el receptor están en zonas arboladas pero hay vegetación en alguna parte de la trayectoria, medida en metros.

• f: es la frecuencia en GHz• a,b,c,k, R0, y R son

constantes, según la tabla de la derecha

Parámetro Constante Con follaje Sin follaje

a 0.7 0.64

b 0.81 0.43

c 0.37 0.97

k 68.8 114.7

R0 16.7 6.59

R 8.77 3.89



Modelo de Obstrucción vegetal única (UIT R.833-2)Caso 2b: (continuación)• A fin de considerar la geometría del lugar, debemos tomar en cuenta la extensión de la

iluminación de la vegetación, caracterizada por el ancho W (ver figura).• W es la máxima dimensión horizontal dentro de la vegetación que es común a ambos

anchos de haces de las antenas del transmisor y receptor.• El modelo aplica cuando 1m W 50m.

rd

T RtB rBW

tdvegd

• Bt: Ancho de haz de antena transmisora• Br: Ancho de haz de antena receptora

• : Ancho físico de la vegetación• dveg: Distancia de profundidad de la vegetación• dt: Distancia desde la vegetación al transmisor• dr: Distancia desde la vegetación al receptor

Se asume que el receptor está mas cerca a la vegetación.



Modelo de Obstrucción vegetal única (UIT R.833-2)Caso 2b: (continuación)• W es la máxima ancho de acoplo efectivo entre las antenas transmisoras y receptoras

que descansa dentro del medio de vegetación, definido como:

tan

tan

tantan

tantan

rrveg

tvegt

rt

rtrvegt

Bdd

Bdd

BB

BBddd

mínW

• En práctica dtdr y el ancho de haz de el receptor, Br, se espera que sea solo unos pocos grados. Bajo estas condiciones las expresiones de la matriz de arriba que contienen dr normalmente no serán requeridas.



Modelo de Obstrucción vegetal única (ITU R.833-2)Caso 2b: (continuación)• En las gráficas de abajo se muestran tres casos de vegetación de ancho W para tres frecuencias 20, 30 y

40GHz para vegetación con o sin follaje. Este modelo puede incorporarse dentro de modelos determinísticos para predicciones mas realistas de la extensión de cobertura para una ubicación dada de un transmisor.


Con follaje

Sin follaje

Ejemplo

El sistema de comunicación de microondas mostrado abajo opera en la banda ISM de 5.7 GHz a través de vegetación con follaje. Determine la atenuación por vegetación según sea el caso para las condiciones mostradas abajo si ambas antenas están a la misma altura y con ancho de haz de 30º. El ancho físico de la vegetación puede tomarse como 50m.

Solución:El escenario mostrado corresponde al caso en que ninguno, ni el transmisor ni receptor, están dentro de la vegetación a una frecuencia mayor de 3GHz. Aplicamos el modelo de la recomendación ITU-R P.833-2. Por tanto, la atenuación viene dado por:

1.5Km2.8Km 0.5Km

veg

c

cvegbaveg dk

WRR

W

kd

Wf

RA 0exp1


Ejemplo

Donde:

• f: es la frecuencia en GHz• a,b,c,k, R0, y R son

constantes, según la tabla de la derecha

Parámetro Constante Con follaje Sin follaje

a 0.7 0.64

b 0.81 0.43

c 0.37 0.97

k 68.8 114.7

R0 16.7 6.59

R 8.77 3.89

Del escenario, tenemos que:• Bt: Ancho de haz de antena transmisora igual a 30º.• Br: Ancho de haz de antena receptora igual a 30º.

• : Ancho físico de la vegetación igual a 15m.• dveg: Distancia de profundidad de la vegetación igual a 1500m. • dt: Distancia desde la vegetación al transmisor igual a 2800m.• dr: Distancia desde la vegetación al receptor igual a 500m.


Ejemplo

Comprobamos el valor de W (1m-50m):

0m5

30tan5001500

30tan15002800

30tan30tan

30tan30tan50015002800

tan

tan

tantan

tantan

o

o

oo

oo

rrveg

tvegt

rt

rtrvegt

mm

mmmín

Bdd

Bdd

BB

BBddd

mínW

mm

m

m

mínW 50

0m5

7.1154

61.2482

64.1385

1500

7.114

5089.359.6exp1

50

7.1141500

507.5

89.3 97.0

97.043.064.0vegA

Introduciendo los valores correspondientes, tenemos:

dBAveg 29.69558.271.692


Modelo de Weissberger:El modelo funciona en el rango de 230MHz hasta 95GHz. Se supone que la trayectoria directa está bloqueada por la vegetaciónEl modelo propone una caída exponencial dada por:

md df.

md df.A

ff.

f.

f.

veg140450

400143312840

58802840

Donde:df :es la profundidad en la vegetación a lo largo de la trayectoria LOS en metrosf: es la frecuencia en GHz

La atenuación estimada por Weissberger es adicional a las pérdidas de espacio libre y cualquier otra pérdida no debida a la vegetación.



Modelo COST235:El modelo funciona en el rango de 9.6 GHz hasta 57.6 GHz. Supone que la trayectoria directa está bloqueada por la vegetación a través de arboledas pequeñas, menores de 200 m. Está dado por:

follaje con árboles

follaje sin árboles

df

dfA

f.

.f

.

veg 26.00090

5020

6.15

6.26

Donde:df :es la profundidad en la vegetación a lo largo de la trayectoria LOS en metrosf: es la frecuencia en GHz


Absorción de energía electromagnética debida a:


moléculas de vapor de agua moléculas de oxígeno agua en forma de lluvia, nieve, niebla, o nubes polvo, etc.

Absorción tiene impacto a frecuencias mayores de 10GHz

Modelo de la Rec. ITU-R P.676:

• Aplica a enlaces terrestres de muy cercana altitud• Frecuencia de aplicación: > 10GHz, • Absorción tiende a ser casi constante (dB/Km): a

LOSaa dA Absorción total en la trayectoria:dLOS : distancia (LOS) en Km

a : absorción específica de la atmósfera en dB/Km.

wa 0

Donde la atenuación específica de la atmósfera es: w :atenuaciones específica debido al vapor de agua

o :atenuaciones específica debido al oxígeno

Absorción Atmosférica: Vapor y gases

La recomendación ITU-R P.836 provee mapas de densidad de vapor de agua paradistintas regiones del planeta.


• Enlaces microondas Terrestres• Aproximaciones empleadas en la recomendación ITU-R P.676 :

• Atenuación específica del oxígeno o (aire seco) y el vapor de agua w, en dB/Km

GHzf 57 32

2210

44.257

5.7

35.0

27.7

fffo

GHzfGHz 801 57

42

25.0432 10

81.923.22

79.3107.71067.11027.3

www ff

f

• w : densidad de vapor de agua (g/m3)

42

2 103.73.22

3067.0

ff

ww


w :

den

sid

ad d

e va

po

r d

e ag

ua

(g/m

3 )





Evitar picos muy grandes a las frecuencias de resonancia: 22.23GHz y 190GHz para H2O y 60GHz y 120GHz para O2

Usar bandas de frecuencias “ventanas de transmisión”

Las zonas de lluvia, nieve, etc. producen una cierta atenuación: Importancia a partir de frecuencias superiores a 6GHz (efecto Joules y dispersión)

Problema de estimación de la atenuación por lluvia es de gran complejidad: Datos estadísticos sobre precipitaciones Impacta en el desvanecimiento la señal Alternativa: datos y mapas de estadísticas de precipitaciones de la recomendación

ITU-R P.837.


Absorción Atmosférica: Lluvia

Rec. ITU-R P.530 y P.838 (modelo determinístico)Determina atenuación por la lluvia rebasada durante un porcentaje de tiempo igual al p%, en enlaces terrestres a frecuencias > 6 GHz:

effRp dA

deff (km)

pRfR ,Donde (R,p) es la atenuación específica en dB/Km para la intensidad de lluvia Rp(mm/h) y el porcentaje de tiempo p(%) y deff (km) es la longitud efectiva del trayecto bajo lluvia.

La Recomendación ITU-R P.838 establece la atenuación específica en función de la intensidad de lluvia mediante la ley potencial:


)/( KmdBkRR

Valores estadísticos para R puede encontrarse en el recomendación Rec. ITU-R PN.837 de UIT.


D 01- s c

Nicaragua

Intensidad de lluvia R (mm/h), rebasada durante diferentes porcentajes de tiempo de en promedio de un año, depende de cada región.

effp dkRA


Valores de Intensidad de lluvia R (mm/h), rebasada durante diferentes porcentajes de tiempo de en promedio de un año, según la región.

Porcentaje de tiempo

(%)

A B C D E F G H J K L M N P Q

1,0 < 0,1 20,5 20,7 12,1 10,6 01,7 13 12 18 101,5 102 114 115 112 124

0,3 < 0,8 22,0 22,8 14,5 12,4 04,5 17 14 13 104,2 107 111 115 134 149

0,1 < 2,8 23,5 25,5 18,5 16,5 08,5 12 10 20 012,5 115 122 135 165 172

0,03 < 5,8 26,5 29,5 13,5 12,5 15,5 20 18 28 023,5 133 140 165 105 196

0,01 < 8,8 12,5 15,5 19,5 22,5 28,5 30 32 35 042,5 160 163 195 145 115

0,003 14,8 21,5 26,5 29,5 41,5 54,5 45 55 45 070,5 105 195 140 200 142

0,001 22,8 32,5 42,5 42,5 70,5 78,5 65 83 55 100,5 150 120 180 250 170


Datos estadísticos sobre precipitaciones


Otra alternativa para estimar la

Atenuación específica debido a la lluvia se muestra en la gráfica, para una distribución por tamaño de gotas, índice de refracción del agua a 20ªC, gotas esféricas.


Para las polarizaciones elípticas y circular, se estiman k y a partir de los valores de la tabla de la Rec. ITU-R P.838, empleando las expresiones siguientes:


(Revisar Rec. ITU-R P.838. considerar las tablas para los coeficientes.)

2

2coscos2 VHVH kkkkk

k

kkkk VVHHVVHH

2

2coscos2

Donde es el ángulo de elevación del trayecto y es el ángulo de inclinación de la polarización con respecto a la horizontal ( =45º para polarización circular).



Algunos valores de k y para polarización horizontal y vertical según la Rec. ITU P.838.3


Tabla continúa a frecuencias muy altas

Donde:


Para radioenlaces Terrenales:

La intensidad de lluvia, R(mm/h) para el p=0.01% del tiempo y la atenuación específica, R (dB/Km) se obtiene mediante gráficas o utilizando ecuaciones anteriores.

La atenuación excedida durante el p=0.01% del tiempo viene dada por la expresión:

dB );(01.0 KmdA effR

deff: Longitud efectiva del vanod: Longitud real de vanodo: parámetro de normalización que tienen en cuenta el tamaño de las células de lluviao

eff

dd

dd

1

deff (km)

d (km)


dddd eff 0

Absorción Atmosférica, por Lluvia

Para enlaces terrenales, si se conoce la atenuación excedida el 0.01% del tiempo, puede calcularse su valor para otros porcentajes de tiempo p, en la gama de 0.001% a 1%, mediante la expresión:

Aplicable a radioenlaces situados a latitudes superiores a 300 (N o S), o bien:

Aplicable a radioenlaces situados a latitudes debajo de 300 (N o S).

01.0

01.0

015.00 35 R

Aed

mm/h Rmm/h,

mm/hR, RR

%.

%.%.%. 100100

100

010

010010010 si

si de real lectura

pp pA

A log043.0546.0

01.0

12.0

pp pA

A log139.0855.0

01.0

07.0

Para el p=0.01% del tiempo y una intensidad de lluvia menor que 100mm/h tenemos:


Puede calcularse el valor de p correspondiente a un valor determinado de Ap a partir de la recíproca de la ecuación anterior:


Cuando se dispone de valores de atenuación para una polarización (vertical u horizontal) en un enlace dado, puede estimarse la atenuación para polarización opuesta, en el mismo enlace, utilizando las siguientes expresiones:

(dB) 335

300

H

HV A

AA

(dB)

300

335

V

VH A

AA

pAAp

/12.0log172.0298.0546.0628.11 01.010

Para conocer el valor de la atenuación rebasado durante un porcentaje de tiempo, pw, del mes mas desfavorable en el que se supera un determinado margen bruto debido a la lluvia se da en la recomendación ITU-R P.841:

18.130.0 wpp

150010 .A

A

p

.

12.119.0 wpp Clima tropical, subtropical y templado con lluvias frecuentes

Clima templado seco, polares y desérticos.


Ejemplo

Determine el desvanecimiento (atenuación excedida) para el p=0.01% del tiempo por causa de precipitación un enlace de microondas terrestre de 10Km debido a la lluvia si el sistema opera a la frecuencia de 35GHz, con polarización vertical y para una intensidad de precipitación media anual definida en el territorio nacional.

Solución:Para el caso de un radioenlace terrestre, para un p=0.01% tenemos la expresión siguiente:

Necesitamos determinar la atenuación específica y la distancia efectiva. Para la atenuación específica recurrimos a la expresión:

dB );(01.0 KmdA effR

)/( KmdBkRR

Donde los factores k y se obtienen de la recomendación ITU-R P.838, a través de las tablas o gráficas mostradas para polarización vertical.

deff (km)


Ejemplo

De acuerdo con los mapas de la Rec. ITU P.837, Nicaragua se ubica en la región P.


D 0 1- s c

Nicaragua

Ejemplo

En dicha región P, según la tabla de abajo, tenemos que R0.01=145mm/h.

Porcentaje de tiempo

(%)

A B C D E F G H J K L M N P Q

1,0 < 0,1 20,5 20,7 12,1 10,6 01,7 13 12 18 101,5 102 114 115 112 124

0,3 < 0,8 22,0 22,8 14,5 12,4 04,5 17 14 13 104,2 107 111 115 134 149

0,1 < 2,8 23,5 25,5 18,5 16,5 08,5 12 10 20 012,5 115 122 135 165 172

0,03 < 5,8 26,5 29,5 13,5 12,5 15,5 20 18 28 023,5 133 140 165 105 196

0,01 < 8,8 12,5 15,5 19,5 22,5 28,5 30 32 35 042,5 160 163 195 145 115

0,003 14,8 21,5 26,5 29,5 41,5 54,5 45 55 45 070,5 105 195 140 200 142

0,001 22,8 32,5 42,5 42,5 70,5 78,5 65 83 55 100,5 150 120 180 250 170


EjemploDe dicha recomendación tenemos, a 35GHz:

Con esto, y tomando que R0.01=145mm/h, podemos estimar la atenuación específica como:

3224.0Vk 8761.0V

KmdBRk VVR / 23.251450.3224 8761.0

Ahora, determinamos la distancia efectiva modificada por causa de la lluvia para el caso de este enlace terrestre:

o

eff

dd

dd

1

01.0015.035 Ro ed con

para polarización vertical:



Partimos de do para R0.01=100mm/h, con lo que tenemos:

Km

dd

dd

o

eff 36.4

81.710

1

10

1

Kmeed Ro 81.73535 5.1015.0 01.0

Ahora podemos hallar deff como:

Finalmente, la atenuación excedida en el 0.01% del tiempo por causa de la lluvia se estima como:

dBKmKmdBdA effR 02.11036.423.2501.0

Como R0.01 145mm/h se toma el valor tope de R0.01= 100mm/h



Si se dispone de valores fiables de atenuación para una frecuencia, pueden convertirse a valores en otra frecuencia, en la gama 7-50GHz para el mismo enlace e idéntica región climática, usando las relaciones de abajo:

121 ,,(1

1

212

AH

AA

2,1 101 24

2

if

ff

i

ii

55.011

5.0

1

23121 1012.1,, AAH

donde


• Lectura Obligatoria• Transmisión por Radio

• Capítulo 3Secciones 3.12, 3.13 y 3.14

• Lectura Recomendada

• Recomendaciones de UIT • Visitar sitio Web de asignatura para detalles.


Engineering

Lecture 4 analisis radioprop p2