TUTORIAL LTE

LTE

Parámetros de propagación

Los parámetros relativos a la propagación no tienen relación con los sistemas técnicos o los proveedores de equipos. Las ganancias o pérdidas de propagación son constantes, y relativas al entorno radio. Tales parámetros incluyen, perdidas por penetración, perdidas del cuerpo, perdidas de alimentación, y ruido de fondo. Para obtener un valor objetivo cuando comparamos el cálculo del enlace de dos proveedores, debemos configurar unos parámetros de propagación iguales.

Modelo de canal

Los modelos de canal utilizados para LTE están definidos en el 3GPP TS 36.101, donde se especifica la condición de prueba. Los productos cubiertos incluyen multipath, fading, y la velocidad de movimiento del terminal. Los modelos más comunes son la velocidad a 3km/h, 30km/h, 60km/h y 120km/h. Pueden existir condiciones especiales de velocidad de acuerdo necesidades específicas.

EPA3 y ETU3 son aplicables a los servicios fijos o de movimiento de personas. ETU30, ETU60, ETU120, eva30, EVA60 y EVA 120 son aplicables a los servicios vehiculares. Modelos de canal comunes en sistemas LTE incluyen EPA (Extended Peatonal A), EVA (Extended Vehicular Modelo A) y ETU3 (modelo urbano típico extendido en 3km/h).

En la siguiente tabla podemos ver un modelo típico:

Valores 3GPP para multipath y efecto Doppler

La siguiente tabla muestra algunas de las condiciones de propagación que se utilizan para medir el rendimiento en multipath fading en bajas, medias y altas frecuencias Doppler.

En la siguiente vamos a ver la posible variación de la potencia recibida en un entorno de multipath fading bajo distintas condiciones de retardo de dispersión (Extended Pedestrican A Model – EPA):

También podemos ver cambio de trayectoria Doppler en un tren de alta velocidad

La hipótesis de este modelo es que Ds/2 es la distancia inicial del tren al eNodoB y Dmin es la distancia actual, ambos en metros, y V es la velocidad del tren en m/seg.

Modelos de propagación

El camino que recorre la señal por el aire, desde la antena transmisora hasta la receptora, puede tener diversas características, desde una línea vista, una línea obstruida por algún cerro o un camino interrumpido por árboles o edificios.

Existen tres mecanismos de propagación básicos son:

• Las Reflexiones ocurren cuando las ondas electromagnéticas chocan contra objetos de  dimensiones muy grandes comparadas con su longitud de onda. Originan trayectos de propagación de diversas longitudes, potencias diferentes y retardados unos respecto de otros, produciendo el desvanecimiento (fading) de la señal.
• La Difracción aparece cuando el trayecto de propagación radio, entre transmisor y receptor  está obstruido por un obstáculo que presenta irregularidades agudas (aristas, esquinas), tales  como montañas y edificios.
• A altas frecuencias, la difracción y la reflexión dependen de la geometría del objeto, además de la amplitud, fase y polarización de la señal incidente.
• La Dispersión ocurre cuando el medio a través de la cual viaja la señal consiste de objetos con dimensiones pequeñas comparadas con la longitud de onda, y donde el número de obstáculos por unidad de volumen es grande (arbustos, postes, señales de tráfico, superficies rugosas, etc).

Dependiendo de las condiciones del medio se debe modelar el sistema. Para lograr estimar la cobertura de un sistema inalámbrico se deben implementar modelos, mediante los cuales se puede obtener una primera aproximación del alcance de un sistema de microondas. Los modelos de propagación buscan establecer de la manera más precisa posible el alcance de una señal según condiciones específicas.  

El modelado de sistemas radioeléctricos es una de las partes más complicadas en la planificación de estos sistemas. Existen numerosos  modelos, los cuales se deben revisar y estimar cuales se amoldan mejor al entorno y las frecuencias que se quieren modelar.

Existen numerosos modelos de propagación. Para la correcta implementación del sistema se requiere revisar un modelo que interprete la mayor cantidad de variables posibles, y así poder configurarlo lo más posible a la situación real.

Todos los modelos de propagación que vamos a ver tienen una alta tolerancia, lo que le resta cierta validez a los resultados entregados por dichos modelos. La forma más efectiva para estimar las distancias de los enlaces es mediante modelos de propagación y luego pruebas en terreno. En resumen, los modelos de propagación son la primera aproximación del resultado real.

Modelo de propagación en el espacio libre

Son las pérdidas producidas sólo en el aire en condiciones de línea vista y sin problemas producidos por el ambiente (multipath o multitrayectoria). Las pérdidas de espacio libres, serían como las pérdidas que existirían entre dos antenas enfrentadas sin obstáculo alguno.

La ecuación que lo representa es:

Donde:
d: Distancia entre antena transmisora y receptora, en metros.
f: Frecuencia de la portadora, en Hz.
c: Velocidad de la luz: c=3*108m/s

Si se convierten las pérdidas de veces en decibelesy dando valores a las constantes (c y π) se simplifican los cálculos, entonces la ecuación queda:

Con distancia en kilómetros y frecuencia en MHz.

En condiciones ideales se podría usar esta fórmula, pero las situaciones difícilmente son así.

Modelo de propagación Okumura

Este es uno de los modelos más utilizados en la predicción de señales en ambientes urbanos, en sistemas móviles.

Se basa en unas curvas desarrolladas por Okumura, las cuales entregan la atenuación relativa al espacio libre. Estas curvas fueron obtenidas en base a numerosas pruebas de propagación hechas por Okumura en ambientes urbanos con un terreno casi plano.

Para frecuencias entre 100 MHz y 3000 MHz y distancias entre 1 km. y 100 km.

Donde:
L: Atenuación por trayectoria.
Lf: Atenuación espacio libre.
Amu(f,d): Atenuación relativa promedio (curvas).
G(htx): Ganancia de la antena de transmisión con altura htx.
G(hrx): Ganancia de la antena de recepción con altura hrx.
GAREA: Ganancia debido al tipo de ambiente.

Las pruebas realizadas por Okumura demostraron que la ganancia de la altura de la antena de transmisión varía a un índice de 20 dB por década y la ganancia de la antena receptora varía a un índice de 10 dB por década para alturas menores a 3 m, por lo que queda:

Basándose en curvas de pérdidas obtenidas en pruebas, Okumura desarrolló el modelo, en el cual también consideró el tipo de terreno. Pese a que es un modelo simple, es muy utilizado por su buenas predicciones en ambientes poblados. Este modelo no funciona bien para ambientes rurales. En general las predicciones de este modelo presentan errores con una desviación estándar de entre un 7% a un 10%.

Modelo de propagación Okumura-Hata

Massaharu Hata alteró el modelo de Okumura para ambientes urbanos. Es modelo valido para frecuencias de hasta 1500 MHz, por lo cual no será utilizado en este estudio, sólo es mencionado por ser la base del modelo COST 231.

Modelo COST 231

Es un modelo desarrollado por la Cooperativa Europea para Investigación Científica y Técnica (COST viene de sus siglas en francés, Coopération Européenne dans le domaine de la Recherche Scientifique et Technique). Extensión en frecuencia del modelo de propagación Okumura – Hata. Este modelo generalmente es utilizado para frecuencias menores a 2000 MHz, aunque es usado también en predicciones para 2.5GHz. Igualmente el modelo puede ser extrapolable a 3.5 GHz asumiendo una menor precisión de los resultados.

El modelo indica las pérdidas con la siguiente ecuación:

CM es un factor de corrección para adecuar el modelo extendiendo el rango de la frecuencia para el que opera el modelo. El factor de corrección se basa en pruebas empíricas, las cuales demuestran que a para grandes ciudades es mayor que para áreas suburbanas. Entonces CM puede tomar los siguientes valores:

CM= 0dB para ciudades medianas y áreas suburbanas.
CM= 3dB para centros metropolitanos

Este modelo tiene el mayor precisión en distancias entre 1 km y 20 km.