A-MAC-HS: A-MAC with Destination Layer 2 address and Ac-

MATERIALES Y MÉTODOS.

El presente capitulo describe los aspectos relacionados con el cálculo de la cobertura- potencia y el valor de la distancia de reutilización para el caso de los sistemas TMA celular, haciendo uso de consideraciones previas que se describen para el cálculo de la cobertura radioeléctrica en los sistemas PMR. Se comienza con la determinación del valor de proyecto de la intensidad de campo en comunicaciones móviles, que es aquél que asegura la recepción de una señal con una cierta calidad, para una cobertura perimetral y duranteun porcentaje de tiempo determinados. Como el campo, varía de forma aleatoria, se ha convenido en tomar ese valor como la mediana estadística de los valores de campo y se denomina campo mediano necesario.

En el caso de sistemas limitados por ruido se obtiene el campo mediano necesario Ēn

medianteuno de los procedimientos siguientes, que dependerán del tipo de sistema móvil [6].

Para sistemas móviles de fonía el campo mediano necesario es igual a:

Ēn=Em. +ΔrE+

Δ

e

E

(2.1) donde:

− Em es el campo mínimo utilizable, ΔrE es la corrección por ruido multitrayecto y ∆eE es la corrección estadística.

2.1 Campo mínimo utilizable.

Si S(dBu) es la sensibilidad del receptor, la intensidad de campo necesaria para que en el interfaz de la antena del receptor haya una tensión igual a S, en condición de adaptación de impedancias, supuestas éstas resistivas, es:

6 , 33 ) ( log 10 ) ( log 20 ) ( ) ( 0 − − ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ + + = ∗ dB G R R MHz f dBu S dBu E d d m

(2.1.1) donde:

R d: Resistencia de radiación de la antena (normalmente R=73 ohm).

R0: Resistencia de entrada del receptor.

∗ d

G

: Ganancia neta de la antena de recepción con respecto al dipolo de λ/2.

Por ganancia neta se entiende la ganancia efectiva de potencia, incluyendo las pérdidas del alimentador y otras pérdidas. En consecuencia, podemos poner:

L

l

G

G

_d∗

=

_d

−α⋅

−

(2.1.2) donde:

Gd: Ganancia de potencia de la antena respecto al dipolo λ/2.

α,l: Atenuación unitaria(dB/m) y longitud(m) del alimentador de la antena respectivamente.

L: Pérdidas adicionales.

Para receptores de estaciones fijas y móviles, puede tomarse L=0. Paraequipos portátiles l=0, pero L no es nula y varia con la frecuencia, el tipo de antena y su posición con respecto al usuario.

En los sistemas móviles R toma el valor normalizado R0=50 ohnn. Por consiguiente, de (2.1.1) se obtiene:

32

)

(

)

(

log

20

)

(

)

(dBu

=

S

dBu

+

f

MHz

−G

∗

dB

−

E

_{m d} (2.1.2) 2.2 Corrección por ruido multitrayecto y corrección estadística.

2.2.1

Corrección por ruido multitrayecto ΔrE.

La propagación multitrayecto y el ruido artificial, sobre todo el ruido de encendido de los vehículos, constituyen una perturbación que degrada la calidad de funcionamiento de las comunicaciones móviles [6].

Cuando el vehículo se desplaza, ambos efectos se producen simultáneamente. En cambio, con el vehículo estacionario, solamente están presentes los efectos del ruido artificial. La separación entre vehículos es generalmente pequeña en condiciones de marcha lenta o con tráfico detenido, por lo que, sobre todo en frecuencias bajas, la degradación de la señal es mayor para un vehículo parado que cuando está en marcha. Se define la degradación como el incremento necesario de la señal de entrada deseada para restablecer un grado particular de calidad de recepción impuesto únicamente por el ruido del receptor [7].

Los valores de Δr E dependen de la nota de calidad, tipo de estación (fija o móvil),

frecuencia y condiciones ambientales (grado de ruido, densidad de trafico). Pueden obtenerse a partir de curvas empíricas, como las que se muestran a continuación, las cuales son correspondientes a la nota de calidad 4. Ver figuras 2.2.1.1 y 2.2.1.2

Las curvas de la figura 2.2.1.1 corresponden a la recepción en la estación base y las condiciones del entorno a que corresponden las letras, son:

A: Vehículo en movimiento. Densidad de tráfico, 2 vehículos/seg. B: Vehículo en movimiento. Densidad de tráfico, 1 vehículo/seg.

C: Vehículo en movimiento. No hay ruido de encendido ni ruido ambiental. D: Vehículo parado. Densidad de tráfico, 2 vehículos/seg.

E: Vehículo parado. Densidad de tráfico, 1 vehículo/seg.

Las curvas de la figura 2.2.1.2 se aplican a la recepción en el móvil. Las condiciones ambientales correspondientes a las letras son:

A: Vehículo parado en una zona de mucho ruido.

B Vehículo en movimiento en una zona de mucho ruido. C: Vehículo en movimiento en una zona de poco ruido.

Frecuencia f(MHz}) Figura 2.2.1.2

2.2.2

Corrección estadística

Δ

_e

E

.

En el servicio móvil, el campo experimenta variaciones con las ubicaciones y el tiempo, que se modelan mediante una distribución normal de los valores del campo en dB [7]. Esto implica que en algunos puntos de la zona de cobertura, o durante algunos momentos no se alcance el valor Em y, por consiguiente, no haya comunicación.

En consecuencia, se define la calidad de servicio dentro del área de cobertura como el porcentaje de emplazamientos L (%) en los que debe rebasarse el campo mínimo necesario durante un porcentaje de tiempo especificado T (%), L y T son datos de calidad de cobertura.

El cálculo se efectúa en el borde de la zona de cobertura (caso más desfavorable) y se refiere seguidamente al interior de dicha zona. Se habla en el primer caso de porcentaje perimetral y en el segundo de porcentaje zonal.

Supuesta una variación de la pérdida básica de propagación l b(d) con la distancia de la

forma:

l b(d)=K·d n (2.2.2.1)

La relación entre los porcentajes de cobertura zonal Z(%) y perimetral L(%) es:

⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ + ⋅ ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ + ⋅ + = y x erfc y xy L Z 50 exp 2 ₂ 1 1 (2.2.2.2) donde: 2 ) (P k x = y=3.071· n/σL

Para mayor comodidad, se facilitan en la Tabla siguiente los valores de k(P) para porcentajes utilizados habitualmente en comunicaciones móviles.

Tabla 2.2.2.1 Porcentajes utilizados habitualmente en comunicaciones móviles.

Para calcular Z mediante la ecuación (2.2.2.2), se evalúa k(P) para P = L (porcentaje perimetral).

El valor de la corrección estadística del campo, para los porcentajes L y T, es:

[

] [

]

{

_{2 2} 1/2

)

(

)

(

_{L T} e

E

=

k

l

⋅σ

+

k

T

⋅σ

Δ

}

(2.2.2.3)

La tabla 2.2.2.2 Facilita los valores de las desviaciones típicas de la variabilidad log-normal del campo con los emplazamientos y el tiempo .

Tabla 2.2.2.2

2.3

Obtención de Ēn según la clase de sistema.

2.3.1

Sistemas móviles de datos.

En este caso se obtiene la tensión de entrada de RF al receptor V (dBu) para la BER umbral mediante curvas como las de la figura 2.3.2.1 según las condiciones de trabajo del sistema móvil [10].

Figura 2.3.2.1 Las curvas representan los siguientes casos: A: Mediciones en el laboratorio.

B: Desvanecimiento Rayleigh.

C: Desvanecimiento Rayleigh y log-Normal σ = 6 dB. D: Desvanecimiento Rayleigh y log-Normal σ = 12 dB.

El valor del campo mediano necesario se determina utilizando la ecuación (2.1.2), sustituyendo S por el valor de la tensión encontrado anteriormente.

Como las curvas de BER ya incluyen los efectos del multitrayecto y variabilidad de la señal, no es necesario efectuar ninguna corrección ulterior del campo.

2.3.2

Sistemas móviles de voz digitalizada.

En estos sistemas suele trabajarse en términos de potencia recibida más que en términos de intensidad de campo [5]. No obstante, puede calcularse el valor mediano de la

intensidad de campo obteniendo en primer lugar la tensión de entrada V(dBu) correspondiente al valor de w. De la relación

b r

V

F

T

K

R

v

w

⋅

⋅

⋅

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

=

0 2 (2.3.2.1)

se deduce en dB, para R0 = 50 ohm:

(

dBu

)

=W

( )

dB +10logV (bit /s)+ F (dB)− 67

V _{b n} (2.3.2.2)

siendo Vb la velocidad binaria y Fr el factor de ruido del receptor.

Sustituyendo S en la ecuación (2.1.2) por este valor de V se obtiene el campo. Generalmente en las curvas que dan la BER en función de W ya se ha tenido en cuenta el efecto del desvanecimiento, por lo que únicamente deberá aplicarse al valor del campo obtenido la corrección estadística [10].

Para la transmisión de la voz digitalizada, se proporcionan curvas de variación de la BER en función de la relación W(dB), o de la relación portadora/ruido, C/N (dB), del tipo de modulación, características de filtrado y frecuencia Doppler, cuyo valor es, en Hz:

Fd=9.259⋅10-4⋅v⋅f (2.3.2.3)

donde:

v: Velocidad de] vehículo (km/ h). f: Frecuencia (MHz).

En la figura 2.3.2.1 se representan curvas de la BER en función de W= EbINO (Murota &

Hirade) para transmisión de voz digitalizada con velocidad Vb = 16 kbit/s, modulación

GMSK con filtro de premodulación gaussiano de anchura de banda Bb=4 KHz, para los

A: Mediciones en laboratorio (sin desvanecimiento). B: Desvanecimiento Rayleigh.

C: Desvanecimiento Rayleigh y efecto Doppler.

Figura 2.3.2.1

2.4 Cálculos de la cobertura radioeléctrica.

El proceso de cálculo de la cobertura radioeléctrica constituye una actividad generalmente interactiva en la que hay que coordinar asignaciones de potencia de transmisores, ganancia y alturas de las antenas, y otros parámetros secundarios para lograr la cobertura de una zona determinada con unas características de calidad especificadas [12].

Generalmente, los sistemas PMR se tratan como sistemas limitados por ruido. En este caso, el proceso de cálculo tiene dos vertientes alternativas:

1. Determinación de la cobertura que puede lograrse con unos equipos determinados en condiciones de propagación dadas.

2. Cálculo de los valores de los parámetros de equipos necesarios para alcanzar una cobertura dada.

Los valores de campo y atenuación que se utilizan son valores medianos en sentido estadístico. Se trata de la mediana obtenida promediando el desvanecimiento multitrayecto de tipo Rayleigh, es decir, una mediana sectorial.

Los sistemas TMA celular son limitados por interferencia [12]. Entonces, además de uno de los cálculos anteriores, es necesario evaluar la distancia de reutilización. Puede estudiarse la cobertura teniendo en cuenta una combinación de las perturbaciones de ruido e interferencia. Sin embargo, puede emplearse un método aproximado y más sencillo, que consiste en repartir el objetivo global de calidad de señal, asignando una fracción del mismo al ruido y la otra a la interferencia. Seguidamente, se calculan la potencia de los equipos y la distancia de reutilización por separado, para cada uno de esos objetivos parciales. Seguiremos aquí este enfoque metodológico, por lo que a continuación estudiaremos los dos temas bajo los epígrafes de cálculos de cobertura/potencia y cálculo de la distancia de reutilización [8].

A continuación se indican las principales magnitudes físicas y radioeléctricas que intervienen en el proceso de cálculo, clasificadas en tres grupos:

Parámetros ambientales

• Tipo de medio: Rural. Urbano. Mixto. • Ruido eléctrico local (ruido industrial). • Ondulación/pendiente del terreno.

• Pérdidas por difracción, vegetación, penetración en edificios, etc. Parámetros de sistema

• Frecuencia.

• Distancia de cobertura.

• Alturas efectivas del transmisor y del receptor. Parámetros de equipos

• Potencia del transmisor.

• Ganancias de antenas de transmisión y recepción. Sensibilidad del receptor. • Pérdidas en alimentadores y elementos pasivos del sistema radiante (duplexores,

2.4.1 Cálculos de cobertura / potencia.

El primer paso del estudio consiste en una investigación preliminar sobre las características de la zona de cobertura, realizada con ayuda de mapas topográficos. El objetivo del estudio es la preselección de posibles emplazamientos para las estaciones base, repetidoras y receptores satélites, así como la obtención de un conocimiento general del tipo de zona [9].

En esta fase se identifican también los tipos de zona: rural, urbana o mixta, a los que se aplicarán los diferentes modelos de predicción.

Dependiendo del tipo de sistema, se procede a continuación del modo siguiente:

1) Para sistemas PMR de fonía y datos, y sistemas TMA celulares analógicos definidos en términos de campo.

Se calcula el valor del campo mediano necesario Ēn según la sensibilidad de los

receptores, condiciones de ruido y características de calidad en cuanto a porcentajes de cobertura (L%) y tiempo (T%).

Seguidamente se determina la llamada pérdida “compensable”, que es el valor de la pérdida básica de propagación para el cual, con una potencia radiada aparente PRA(dBW) del transmisor, se tiene la intensidad de campo Ēn en el receptor.

) ( ) ( log 20 ) ( 4 . 109 ) (d PRA dBW f MHz E dBu L_b = + + − n (2.4.1.1)

La PRA se calcula mediante la expresión

PRA=Pt -lf··αf -Lpt+ Gtd (2.4.1.2)

donde:

Pt: Potencia del equipo transmisor, en dBW.

lf: Longitud del alimentador de la antena, en m.

Lpt: Pérdida en elementos pasivos del transmisor (si existen), en dB.

Gtd: Ganancia de la antena transmisora con respecto al dipolo de λ /2, en dBd.

2) Para sistemas de TMA analógica o digital, que se expresen en términos de potencia, se obtiene la pérdida compensable de la ecuación de balance del enlace: pr ri b

d

PIRE

S

dBm

G

L

L

(

)=

−

(

)+

−

(2.4.1.3) donde:

Lpr: Pérdida en los elementos pasivos del receptor.

PIRE: Potencia isótropa radiada equivalente del transmisor, cuyo valor es:

PIRE =Pt -lf ·αf-Lpt+Gti (2.4.1.4)

Los parámetros de la ecuación 2.4.1.4 son los de la ecuación 2.4.1.2, salvo la ganancia Gti que aquí se expresa en dB con respecto a la antena isótropa.

S: Sensibilidad del receptor, para el objetivo de BER umbral que se haya asignado al ruido y condiciones de trabajo y cobertura que se especifiquen, expresada en las mismas unidades que la PIRE (por ejemplo dBm).

Gti: Ganancia de la antena de recepción, en dB, con respecto a la antena isótropa.

Lpr: Pérdida en los elementos pasivos del receptor (si existen), en dB.

A continuación se elige el modelo de predicción que se empleará para la evaluación de la pérdida básica de propagación:

• Utilización de algún método empírico, que haga uso de fórmulas empíricas o curvas normalizadas de propagación. No se requiere, en general, el conocimiento del perfil del terreno sino, en todo caso, ciertas características del mismo, como su

ondulación y las alturas efectivas de las antenas [11]. El cálculo es simple y rápido, aunque no muy exacto. La dispersión media del error puede ser de unos 10-12 dB. Si se emplean curvas de propagación como las de la figura 2.4.1.1, no es necesario calcular la atenuación compensable. Basta aplicar la relación:

Ec(d)-30=Ēn- PRA (2.4.1.5)

donde:

Ec(d): Campo que se lee, a la distancia d, en la curva de campo apropiada a las

características del enlace (frecuencia, altura efectiva de la antena, etc). PRA (dBW): Potencia radiada aparente del transmisor [14].

Para aplicaciones de radiocomunicaciones móviles, Okumura obtuvo unas curvas estándar de propagación sobre la base de una amplia campaña de medidas efectuadas en Japón [13]. Las curvas normalizadas de Okumura proporcionan valores de la intensidad de campo, para medio urbano, diferentes alturas efectivas de antenas, bandas de 150 MHz, 450 MHz y 900 MHz y una PRA de 1 KW. La altura de la antena de recepción es 1.5 m, valor típico en aplicaciones móviles. la figura 2.4.1.1 muestra las curvas de Okumura para la banda 900 MHz.

Acompañan a la curva correcciones para tener en cuenta los efectos de ondulación del terreno ( h), pendiente del terreno, presencia de obstáculos significativos, heterogeneidad del terreno (trayectos mixtos tierra/mar), altura de antena receptora, potencia radiada aparente y orientación de calles y densidad de edificación, en caso de zonas urbanas. El método de Okumura es muy prolijo y, en algunos aspectos, subjetivo, pero proporciona resultados bastante acordes con las mediciones, por lo que viene siendo utilizado por numerosos usuarios de diferentes países.

Figura 2.4.1.1

Si se desea conocer la distancia con una PRA conocida, la ecuación 2.4.1.5 dará el valor de Ec(d) y, entrando por el eje de ordenadas en las curvas, se obtendrá d. Si se desea

conocer la PRA necesaria para la cobertura a distancia d, entrando por esta abscisa, la curva proporcionará Ec(d) y la ecuación 2.4.1.5 nos dará la PRA deseada [6].

La necesidad de informatizar el método, condujo a Hata al desarrollo de expresiones numéricas para las curvas normalizadas de propagación de Okumura, incluyendo, además, las correcciones más usuales utilizadas en las radiocomunicaciones móviles. Hata obtuvo, mediante análisis de regresión múltiple, una serie de expresiones que proporcionan la pérdida básica de propagación, Lb, para medios urbanos, suburbanos y rurales [13]. La fórmula fundamental de Hata, que da Lb para un medio urbano, y que

sirve de referencia para las demás, es la siguiente:

donde:

f: Frecuencia, MHz, en la gama 150

≤

f

≤

1. 500 MHz.

H t: Altura efectiva de la antena transmisora (m), en la gama 30

≤

h t 200 m.

≤

H m: Altura sobre el suelo de la antena receptora (m) en la gama 1

≤

h m

≤

10 m.

d: Distancia (km) en la gama 1

≤

d

≤

20 km.

La fórmula de Hata está especialmente concebida para aplicaciones a comunicaciones móviles [15]. De ahí el rango de alturas hm. Proporciona una pérdida básica de

propagación de tipo medio, para cualquier punto de la ciudad, ya que no tiene en cuenta los efectos del entorno del móvil.

El término a(hm) es una corrección que depende de la altura de la antena del móvil. Para

una altura de h= 1.5 m, a(h m) = 0. Para otras alturas, a(h m) depende del tipo de ciudad,

como sigue:

Ciudad media-pequeña:

a(h m)=(1.1⋅ log f –0.7) ⋅ hm -(l.56 log f –0.8) (2.4.1.7)

Ciudad grande:

a(h m)=3.2(log 11.75hm)2–4.97 f 400

≥

MHz (2.4.1.8)

Si el receptor se encuentra en una zona suburbana, caracterizada por edificaciones de baja altura y calles relativamente anchas, la atenuación es:

Lbs =Lb- 2⋅ [log (f/28)] 2 –5.4 (2.4.1.9)

Por último, si el receptor se encuentra en una zona rural, abierta, sin obstrucciones en su entorno inmediato, se tiene:

2.4.2 Cálculos de la distancia de reutilización.

Para el cálculo de la distancia de reutilización son necesarios dos datos de partida [14]: • Valor umbral de la relación de protección Rpth(dB), el cual puede conocerse por la

especificación del sistema o puede calcularse a partir de los objetivos de calidad. • Calidad perimetral, expresada por el porcentaje L % de ubicaciones en que se

desea que se rebase el valor anterior.

El valor mediano de la relación de protección es:

'

)

(

)

(

_{pth L} p

dB

R

k

L

R

=

+

⋅σ

(2.4.2.1) donde: k(L) es la función definida y es la desviación típica combinada de la diferencia entre los campos deseado e interferente. Generalmente se supone que ambos campos tienen igual desviación típica con ubicaciones σ

, L

σ

L , por lo que: L L

σ

σ

,

=

2⋅

(2.4.2.2)

Sean D y R las distancias de reutilización y cobertura, respectivamente. Supongamos, además, que los transmisores deseado e interferente tienen las mismas características de PRA y altura de la antena, y que la ley de variación de la pérdida básica de propagación es la misma para las señales deseada e interferente:

Lb=k·dn (2.4.2.3)

Para un solo transmisor interferente dominante, la distancia de reutilización es:

[

n

]

p r R D = ⋅1+ 1/ (2.4.2.4) donde: [ /10

10

Rp p

r

=

] (2.4.2.5)

En una configuración celular, en la que al transmisor deseado le rodean 6 transmisores cocanales, resulta:

[

n

]

p

r

R

D=

1+(6

)

1/ (2.4.2.6)

In document Hierarchical Charged Particle Filter for Multiple Target Tracking. (Page 189-192)