Clase 1-Propagación

Ej. Un auto moviéndose a 100km/h recibiendo una señal de 1GHz de una antena fija delante de recibirá la señal con un corrimiento en frecuencia de 93Hz

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Clase 1-Propagación

Federico Pugliese

Fresnel

• Efecto de los obstáculos
• zonas de Fresnel

Radiación Electromagnética

• Definición

• Espectro electromagnético

• Rango espectro radioeléctrico

• Radiofrecuencia

Fenómenos electromagnéticos

Modelos de Propagación

• Pérdidas en el vacío
• Pérdida media
• Short-term fading
• Long term-fading

• Absorción
• Reflexión
• Refracción
• Difracción
• Efecto doppler
• Multipath
• Interferencia constructiva-destructiva
• Principio de Huygens

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Clase 1-Propagación

Radiación Electromagnética

• 1864- Maxwell predice la existencia de ondas electromagnéticas a través de las ecuaciones de Maxwell

Espectro Electromagnético

• 1888- Heinrich Rudolf Hertz demuestra la existencia de las ondas

Definición

¿Qué hay a diferentes frecuencias y que parte usan las redes ?

Espectro Electromagnético

• Construye aparato para generar y detectar ondas electromagnéticas

La radiación electromagnética es un tipo de campo electromagnético variable, es decir, una combinación de campos eléctricos y magnéticos oscilantes, que se propagan a través del espacio transportando energía de un lugar a otro.

• Se extiende desde la radiación de menor longitud de onda, pasando por los rayos gamma y X.
• Pasando por la ultravioleta, la luz visible y rayos infrarrojos.
• hasta las ondas de mayor longitud de onda, como son las ondas de radio.

E-Campo Eléctrico

B-Campo Magnético

Dir. propagación

E y B son perpendiculares entre sí y a su vez a la dirección de propagación

Espectro Electromagnético

• Una onda EM de una longitud λ tiene asociada una frecuencia f (HZ).

• Las ondas EM se dividen en bandas:

• En Radiofrecuencia las ondas se clasifican por sus siglas en inglés:

• La ecuación que vincula estas unidades es:
• c=λ.f
• c velocidad de la luz en el vacío, 299.792.458 m/s.

FM

• Ondas con λ pequeño tienen una frecuencia alta.

• Ondas con λ grande tienen menor frecuencia.

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Clase 1-Propagación

Fenómenos Electromagnéticos

ángulo incidente

ángulo reflejado

Reflexión

rayo reflejado

Fenómenos Electromagnéticos

• Reflexión: cambio en la dirección de propagación

rayo incidente

Fenómenos Electromagnéticos

• Las ondas EM pueden viajar grandes distancias

índice de refracción

• ángulo incidente es igual al ángulo reflejado

• Hay distintos fenómenos que posibilitan este comportamiento.

índice de refracción

rayo refractado o transmitido

• Las ondas van a tener un camino directo, pero además pueden llegan "rebotes" de esta onda.

• rayo incidente, reflejado y la normal en el mismo plano

• ¿Qué fenómenos posibilitan que las ondas EM cubran grandes distancias?

n: índice de refracción, determina el cambio o reducción en la velocidad de propagación de una onda al pasar de un medio a otro

angulo transmitido

Fenómenos Electromagnéticos

Un espejo refleja casi la totalidad de la luz que incide, vemos la imagen reflejada

Refracción

Fenómenos Electromagnéticos

Principio de Huygens

• Frente de onda: lugar geométrico de los puntos del espacio donde la fase del campo EM es la misma

• Se puede explicar por Huygens:

• Cambio en la dirección que experimenta una onda al pasar de un medio material a otro

• Huygens: "Cualquier punto de frente de onda puede ser considerado una fuente puntual"

n=c/v

• Ley de Snell:

Difracción

si n1 > n2, entonces θ2 > θ1. Eso significa que cuando θ1 aumenta, θ2 llega a 90° antes que θ1. El rayo refractado (o transmitido) sale paralelo a la frontera

• "Capacidad de las ondas de eludir los obstáculos o desviarse al encontrase con ellos"

• Cuanto mayor es λ, mayor la difracción

• Radio AM: f=1MHZ, λ=300m, no hay problemas con obstáculos

Fenómenos Electromagnéticos

Multicamino

Fenómenos Electromagnéticos

• Efecto en el tiempo, debido a que llegan varias señales

Fenómenos Electromagnéticos

• Interferencia constructiva-destructiva

Efecto Doppler

• ¿Como afecta esto la recepción?

Absorción

Efecto Doppler

• ¿Como afecta esto la recepción?

Debido al multicamino en el tiempo tambien hay consecuencias

• Cambio aparente en la frecuencia de la onda cuando existe movimiento relativo entre emisor y receptor

• Los materiales, objetos, etc. absorben la energía de las ondas EM, para ondas de radio se traduce en perdidas.

Puede complicar las cosas dependiendo del ancho de banda de la señal y de cuántas señales le lleguen al receptor

• Depende de la frecuencia

• ondas sonoras: el sonido se hace mas agudo si la fuente se acerca y mas grave cuando se aleja

• La energía se transforma, típicamente en calor

El efecto global es que la señal recibida da sufre de una atenuación, un cambio en la fase y en el ángulo con el que llega al móvil. El resultado conjunto es un desvanecimiento de la señal o fading.

• horno microondas (2,45GHZ)
• moléculas de agua al vibrar, chocan.

Absorción Atmosférica

atenuación en dB/km

• A mayor velocidad relativa mayor sera la variación en la frecuencia de la onda recibida.

Doppler Spread esta relacionado con el tiempo en que el canal se considera estable o que no varia con t, Tc-Coherence Time

Delay Spread: es el máximo retardo correspondiente al último multitrayecto

• Δf =-(v/c)*f

Variación en la frecuencia

es una representación en frecuencia de la variación de la densidad espectral de potencia debida al desplazamiento del móvil.

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Fresnel

Clase 1-Propagación

• Radio zona n:

0dB Idem espacio libre

1.4dB Ganancia

d1 distancia desde Tx al punto de corte entre LOS y la recta a 90 grados que une punta obstáculo

d2 distancia desde Tx al punto de corte entre LOS y la recta a 90 grados que une punta obstáculo

Fresnel

h distancia desde LOS

a punta obstáculo

Atenuación(dB)

Obstáculo

• Zonas de Fresnel: Anillos circulares (salvo el primero) que corresponden a diferencias de fase de n.λ/2 (n entero)

Fresnel

• Las contribuciones de zonas adyacentes se cancelan (fase opuesta)

Fresnel

• Se puede demostrar: al sumar todas las contribuciones que el campo oscila cada vez con menor amplitud entorno a un valor final

0.6

• Obstáculos: Atenuación por obstrucción e interferencia

Mampara

0.8

• Para microondas, se necesita linea de vista

• Cuando h/r1 = 0.8, Pr es 1.4 db mayor que en espacio libre (desobstruccion del 80% zona 1)

l1

• El valor final es aprox. la mitad de lo que se obtendría si solo consideramos la primera zona.

• Zonas de Fresnel

l

l2

• idea: obstriur las zonas pares, fase opuesta a la primera zona

• Cuando h/r1 = 0.6, P es igual que en espacio libre (desobstrucción del 60% de Zona1)

• Dos frentes de onda distanciados l, tienen un desfasaje (2.π/λ).Δl

• Elipsoides de fresnel:

Elipsoide de Fresnel zona 1

• Por Huygens al sacar pantalla infinitos elementos que irradian

• Lograr LOS (Line of sight) puede llegar a ser caro y complicado, puntos en altura, torres altas

radio zona 1

2π

l2=l+λ

2π

π

l1=l+λ/2

π

l

• Fresnel permite determinar el efecto de obstáculos, se puede obtener mejores resultados permitiendo un cierto margen de obstrucción que en LOS

l1=l+λ/2

π

2π

π

l2=l+λ

2π

Perdidas en el vacío

• Dada una fuente puntual en el vacío:

Perdidas en el vacío

Modelo de Propagación

• A=4.π.d^2 (superficie esfera)

d

Modelos de Propagación

• Un modelo de propagación sirve predecir la perdida de potencia entre dos puntos en función de la distancia

• Antena transmisora de ganancia Gt y antena receptora a distancia d, con area efectiva Aeff

Empíricos, formulas se ajustan en base a medidas

• Pérdida media

semi-Empíricos, características del entorno y medidas en campo

• Conclusiones importantes:
• caída cuadrática con la distancia, por dispersión de la energía
• caída cuadrática con la frecuencia, por área efectiva de la antena

• Se divide en 3 partes:
• Pérdida media, es función de la distancia, altura de las antenas y datos del entorno (urbano, suburbano)
• Long-term fading: los obstáculos como edificios, cambian la potencia en recepción de un móvil dependiendo de su ubicación
• Short-term fading: objetos mas pequeños pueden cambiar la potencia recibida, autos, personas, hojas de los arboles, etc.

Físicos, usan teoría de rayos, gran nivel de detalle

• en función de la frecuencia:

• Esta formula se usa mucho para calcular las perdidas de cada rayo, "Ray tracing"

• Short-term fading

Rayleigh

Rician

• Long-term fading

Log normal

• Con los modelos de fading y la perdida media podemos estimar si vamos a estar por debajo de cierto umbral

Modelo de Propagación

¿Preguntas?

Modelo de Propagación

Pérdida media:

Modelo de Propagación

Pérdida media:

Okumura

Pérdida media:

atenuación

Okumura COST 231

Conclusiones

Bibliografía:

• Antenna Theory - Analysis and Design (Constantine A. Balanis) (2nd Ed) [John Willey]
• Material curso Antenas y Propagacion-Fing UdelaR
• “Antenas”. Cardana-Jofre-Rius-Romeu-Blanch. Alfaomega

• Midió la atenuación en Tokio, obtuvo curvas. se tiene en cuenta altura TX y RX, distancia, entorno y f

• Cada modelo tiene hipótesis que hay que verificar

distancia (Km)

• Extensión del modelo Okumura-Hata para frecuencias entre 1500 y 2000 MHZ

Okumura-Hata

• Es la version analitica de Okumura, a partir de esto se pueden hacer simulaciones, se obtiene una formula

Walfish-Ikegami

• por ejemplo:
• Frecuencia de operación
• altura de la antena (si esta por arriba o por abajo de los edificios vecinos)
• distancia mínima y máxima entre antenas
• LOS o NLOS
• etc

• Es importante entender los mecanismos básicos de propagación para anticiparse a problemas en lo que es la capa física de la red
• Más que un cálculo exacto de la potencia de recepción, a nosotros nos interesa una estimación más o menos precisa de la misma
• Los modelos nunca sustituyen las medidas de campo: la verificación in-situ es necesaria

• Surge de un análisis de los principales mecanismos de propagación en un medio urbano, incluye mas factores que okumura-hata, orientación de la antena, ancho de la calle, altura de los edificios

A

• Las formulas que se obtienen para cualquiera de los modelos son del tipo:

dependen del modelo y del entorno, pero como regla general alfa esta entre 2 y 4