Universidad Técnica Federico Santa María Departamento de Electrónica

“Análisis de cobertura de telefonía celular GSM 1900 en

ambientes con elevada pérdida de penetración electromagnética” Francisco Márquez Astorga. Memoria para optar al título de Ingeniero Civil Electrónico, Mención Comunicaciones

Julio, 2006

Profesor guía: Walter Grote

“Desarrollo de modelo de predicción de

atenuación de telefonía celular GSM 1900 para enlaces urbanos con repetidores” Francisco Márquez Astorga. Memoria para optar al título de Ingeniero Civil Electrónico, Mención Comunicaciones 2006 Profesor guía: Walter Grote RESUMEN Un aspecto importante para los proveedores de servicios de comunicaciones móviles es ofrecer una máxima cobertura para los clientes. Esta cobertura está asociada a la propagación electromagnética de las señales y también a las capacidades de la infraestructura instalada. Este trabajo contribuye a resolver el problema de falta de cobertura en ambientes que presentan pérdidas por excesiva atenuación de la señal transmitida mediante la formulación de un modelo predictivo basado en mediciones experimentales. En particular se busca proveer una solución para situaciones donde un repetidor puede resultar de utilidad. En este caso debe realizarse un enlace punto a punto, con el propósito de instalar antenas repetidoras que den cobertura celular en ambientes interiores de difícil acceso, como es el caso de túneles peatonales, galerías muy profundas, sin cobertura celular, estacionamientos bajo tierra en centros comerciales cubiertos y edificios corporativos. Para desarrollar este modelo, se realizarán mediciones en enlaces fijos, siguiendo un procedimiento que ya ha sido utilizado con éxito en memorias de titulación realizadas previamente por otros alumnos en condiciones diferentes (objetivos diferentes o frecuencia de transmisión diferente).

Palabras claves: Telecomunicaciones, telefonía celular, GSM, propagación electromagnética, cobertura

2

ÍNDICE Resumen

…………………………………………………………

2

Índice de contenidos Capítulo I 1.1 Introducción ………………………………………………………………………… 1.2 Análisis de la tecnología actual………………………………............. 1.3 Descripción de celdas GSM…………………………………………………….

4 4-5 5-7

Capítulo II 2.1. Descripción del escenario de trabajo………………………………….. 8-9 2.2 Modelos de propagación de señales electromagnéticas…….. 10 y técnicas de medición. 2.3 Problema a resolver…………………………………………………………….. 11-13 2.4 Uso del repetidor pasivo………………………………………………………. 13-14 Referencias ……………………………………………..………………

15

Índice de Figuras Fig Fig Fig Fig

1. 2. 3. 4.

Macro, Micro y Picoceldas…………………………………………………… Ángulo de incidencia de la señal………………………………………… Repetidor pasivo exterior…………………………………………………… Repetidor pasivo Interior…………………………………………………….

6 12 14 14

Índice de Tablas

3

Capitulo 1 1.1

Introducción

La medición de propagación de señales electromagnéticas en ambientes confinados, es un desafío que aumenta cada vez más debido al crecimiento de los sistemas inalámbricos. Este problema ataca directamente al servicio que proveen las compañías de comunicaciones móviles, ya que en ambientes interiores, los obstáculos que se presentan en la propagación son más frecuentes y más significativos, por lo mismo, introduciendo atenuación de la señal. En el presente trabajo se pretende estimar la atenuación en el nivel de señales de telefonía móvil en la banda de 1900 [MHz] al interior de edificios, con respecto al nivel que tiene la señal en el exterior. Para lograr esto, se realizaron mediciones en distintas localidades de la ciudad de Valparaíso de Chile, con el propósito de registrar los valores de atenuación obtenidos y poder identificar que factores influyen con un mayor grado a la señal. Una vez realizada las mediciones, más estudios realizados en la universidad y análisis de otros focos de investigación que trabajan en el tema, se busca desarrollar un modelo que provea una solución, en donde un repetidor puede ser de utilidad, para el problema de cobertura en ambientes interiores de difícil acceso, como es el caso de túneles peatonales y estacionamientos subterráneos y centros comerciales cubiertos. 1.2

Análisis de la tecnología actual.

GSM es un sistema celular de segunda generación que fue desarrollado para resolver el problema que se presentaba en Europa al adoptar cada país un estándar diferente de telefonía celular. Debido a esto no era posible que un usuario utilizara un mismo terminal en distintos países de Europa. Con este objetivo en mente se comenzó a trabajar en un nuevo sistema que además permitiera el desarrollo de nuevos servicios utilizando la Red Digital de Servicios Integrados (ISDN). De esta forma surgió el primer sistema celular que utilizaba modulación digital. Desde entonces GSM ha tenido un crecimiento asombroso y se ha convertido en uno de los sistemas más populares para telefonía móvil para las bandas de frecuencias 800, 900, 1800 y 1900 [MHz]. El sistema GSM ofrece numerosos servicios entre los que se cuentan servicios telefónicos como llamadas de emergencia y fax; 4

servicios de transmisión de datos a distintas velocidades; y servicios ISDN suplementarios, que incluyen transferencia de llamadas, identificación de la persona que llama, grupos de usuarios y transmisión de pequeños mensajes de texto. GSM utiliza una combinación de TDMA y FDMA como método de acceso múltiple en los enlaces entre las estaciones móviles y sus bases. Se dividen las bandas asignadas en canales de 200 KHz llamados ARFCN (Absolute Radio Frequency Channel Number) los que a su vez son divididos en ranuras de tiempo según un esquema TDMA, para que cada canal ARFCN soporte hasta ocho comunicaciones simultáneas. Para la transmisión bidireccional se adoptó el método de FDD (Frequency Division Duplexing), los canales de subida (del móvil a la base) y bajada (de la base al móvil) son separados en 45 MHz en la banda de 800 MHz y 80 MHz en la banda de 1900 MHz.[6] Los sistemas de telefonía celular GSM 1900 se basan en la división del área de cobertura de un operador en lo que se denomina celdas. Éstas celdas se caracterizan por su tamaño que viene determinado por la potencia del transmisor pero de un modo muy particular ya que lo que se persigue siempre en los sistemas celulares es que la potencia de transmisión sea lo más baja posible a fin de poder reutilizar el mayor número de frecuencias. 1.3

Descripción de celdas GSM.

Para la propagación en ambientes urbanos, existen tres modelos de celdas que pueden ser usados. Éstas son las macroceldas, microceldas y las picoceldas (figura 1). En las macroceldas, la estación base se encuentra sobre la altura promedio de los techos de los edificios, mientras que para las microceldas la estación base está se ubica por debajo de la altura promedio de los techos. En las macroceldas la propagación es dominada casi en su totalidad por el efecto de los techos mientras que en las microceldas, la reflexión y difracción de la señal en las construcciones y calles dominan el patrón de la propagación. Por lo tanto, se distinguen: • • •

Redes celulares con macro-celdas de radio 1-30 [km]. Redes celulares con micro-celdas de radio 200-2000 [mt]. Redes celulares con pico-celdas de radio 4-200 [mt].

El decremento del tamaño de las celdas según [1] tiene como resultado: •

Aumento en la capacidad de atención de usuarios. 5

• • •

Incremento en el número de HandOver por llamada. Aumento de la complejidad para localizar al suscriptor. Bajo consumo de potencia en los celulares, lo que provoca el aumento de la vida de la batería.

Para el caso de la pico-celdas o ambientes de interiores, nuevos retos aparecen ya que los modelos de propagación y las herramientas de simulación no predicen de una forma eficaz y confiable el efecto de la atenuación en la propagación de la señal debido a que se suman más factores, que dependen de cada ambiente interior, que por ende, dificultan el desarrollo fehaciente de un modelo.

Figura 1. Macro, Micro y Picoceldas, [8]

Asegurar una adecuada cobertura de la señal en áreas interiores es un importante problema de los sistemas celulares. En ocasiones, la cobertura de espacios interiores se establece debido a que las señales electromagnéticas atraviesan construcciones con puertas y ventanas o simplemente penetran los muros. Esto ocurre usualmente cuando la estación base se presenta en las vecindades de la construcción en cuestión. Pero generalmente las construcciones tienen muros que atenúan fuertemente la señal electromagnética, provocando que no se puedan realizar ni recibir llamadas. La medición de propagación de señales electromagnéticas en ambientes confinados tiene un atractivo tanto en el ámbito de las empresas porque tiene por objetivo el mejoramiento de la cobertura del servicio celular, como por el lado académico ya que se pueden desarrollar herramientas informáticas que ayudan en la planeación de la cobertura de un lugar en particular a bajo costo. En el contexto de la planificación de celdas y predicción de su área de cobertura, se desea desarrollar la habilidad para obtener resultados que garanticen como mínimo un determinado nivel de calidad. Interesa poder determinar la mejor ubicación de una antena base, establecer de antemano cuánta atenuación experimentará la señal al propagarse en una sala, atravesar paredes, reflejarse en ellas o en otros objetos y difractarse en obstáculos. 6

Actualmente, existen varios programas informáticos que simulan enlaces y el efecto de la atenuación sobre la señal [2], con el objeto de saber donde se podría instalar un repetidor o amplificador para mejorar la cobertura. Además de esto, existen en la literatura de las telecomunicaciones, modelos que predicen, en base a estimaciones empíricas, el efecto de las pérdidas sobre la propagación de la señal para ambientes urbanos, como es el caso del Modelo de Okumura. Okumura-Hata, Walfish-Bertoni. [6]

7

Capítulo II 2.1

Descripción del escenario de trabajo.

Las empresas de comunicaciones móviles, dedican gran parte de su trabajo al planeamiento de cobertura celular para zonas urbanas, debido a que existe una gran densidad de usuarios (microceldas), no así como en las zonas rurales. Los obstáculos que se presentan en este escenario, como lo son edificios, calles, árboles, tráfico vehicular, producen desvanecimiento y rebotes, que implican multitrayectorias e interferencias de la señal, degradando la calidad del servicio. Al interior de las construcciones se presenta una gran atenuación con respecto del exterior, lo que es un problema no menor y de importancia para su estudio ya que factores como el tipo de construcción, tipo de piso, techo, ancho de las murallas , entre otros, se suman a los efectos del exterior anteriormente mencionados. La estimación del nivel de señal recibido en el interior de un edificio es un tema sumamente importante en el diseño de una red de telefonía móvil. Para los proveedores del servicio es vital ofrecer una excelente cobertura en áreas urbanas densamente pobladas, en donde una cantidad importante de los usuarios se encuentra dentro de edificios, ya sea en oficinas, centros comerciales, centros de convenciones o residencias particulares. Las soluciones que se presentan para este tipo de problemas son variadas. La más simple, aunque menos eficiente, es el diseñar la red de manera que la señal transmitida por la estación base sea suficientemente fuerte para brindar buena calidad de servicio en el interior de los edificios a pesar de la atenuación introducida por éstos y por la propagación en el espacio, además de otros obstáculos. También hay que tener en cuenta el canal de subida, ya que generalmente la limitación está en la potencia máxima transmitida por el terminal móvil, que en algunos casos no es suficiente para llegar a la estación con el nivel mínimo necesario para una buena recepción debido a la alta pérdida total del canal. Por ello, el uso de repetidores en edificios con gran densidad de usuarios, es una buena solución que permite mejorar considerablemente la calidad de servicio ofrecida dentro de ellos. Si bien el costo de estos sistemas es relativamente bajo, su uso se limita a algunos puntos de concurrencia masiva y donde se detectan pérdidas muy altas que afectan la cobertura.

8

Si bien estas alternativas solucionan el problema de la atenuación introducida por el edificio, sigue siendo importante su cálculo ya que se necesita saber su magnitud para evitar interferencias con los sistemas exteriores. En este trabajo se desea contrastar los modelos de predicción de la propagación de señales electromagnéticas con mediciones empíricas de enlaces, de modo que se pueda elaborar un modelo simple basado en los de la literatura para el diseño de enlaces fijos en la banda de celulares. El propósito de este ejercicio es el de poder predecir los niveles de señal decepcionado en ambientes urbanos con enlaces en línea de vista. Se busca proveer una solución para situaciones donde un repetidor puede resultar de utilidad. En este caso debe realizarse un enlace punto a punto, con el propósito de instalar antenas repetidoras que den cobertura celular en ambientes interiores de difícil acceso, como es el caso de túneles peatonales, galerías muy profundas, sin cobertura celular, estacionamientos bajo tierra en centros comerciales cubiertos y edificios corporativos. Para desarrollar este modelo, se realizarán mediciones en enlaces fijos, siguiendo un procedimiento que ya ha sido utilizado con éxito en memorias de titulación realizadas previamente por otros alumnos en condiciones diferentes. [10] Los resultados obtenidos proveerán de un modelo predictivo para cobertura celular en ambientes exteriores como fue el caso de galerías techadas y en algunos casos, cobertura de interiores usando repetidores pasivos, [9]. Con esto se determinará la efectividad de los repetidores pasivos para cubrir áreas límites. El uso de los repetidores es justificado si la potencia de la señal es fuerte en algún punto de las afueras de la construcción en cuestión (-50dbm o mas) y la atenuación de la señal es fuerte en el interior (25 [db] o más), [7]. Estos dispositivos son una buena solución de costo versus beneficio para áreas coberturas de áreas pequeñas, además por tener sus costos de instalación y mantenimiento bajos con respecto a los repetidores activos. Existen una gran variedad de investigaciones para estimar la potencia de la señal que es esperada dada una distancia desde la estación base al móvil. Algunas referencias se presentan en [6].

9

2.2

Modelos de propagación de señales electromagnéticas y técnicas de medición.

Un modelo de propagación es un conjunto de expresiones matemáticas, diagramas y algoritmos usados para representar las características de radio de un ambiente dado, [6]. Generalmente los modelos de predicción se pueden clasificar en empíricos, teóricos o una combinación de estos dos (semi-empíricos), [6]. Mientras que los modelos empíricos se basan en mediciones, los modelos teóricos se basan en los principios fundamentales de los fenómenos de propagación de ondas de radio. Los modelos de propagación predicen la pérdida por trayectoria que una señal de de radio frecuencia pueda tener entre una estación base y un receptor sea móvil o fijo, [6]. La ventaja de modelar radio canales teniendo en cuenta las características de la trayectoria entre Transmisor (Tx) y Receptor (Rx), es conocer la viabilidad de los proyectos que se deseen planear en determinados sectores, de esta manera se podrá hacer una estimación acerca de la necesidad, costos y capacidad de los equipos requeridos (especificaciones técnicas). De acuerdo a la metodología descrita en [3], se puede trabajar realizando mediciones en banda angosta o en banda ancha. En mediciones de banda angosta se requiere de un generador de señales en el rango de frecuencias en que se realizarán las mediciones, una antena como por ejemplo un dipolo de λ / 2 , una anillo o circular. El receptor, puede ser un analizador de espectros [4]. La técnica de medición en banda ancha consiste en enviar un pulso de radiofrecuencia desde el transmisor y detectar en el extremo receptor los múltiples pulsos que son producto de la multitrayectoria, [3]. La ventaja de esta técnica es que permite identificar las contribuciones a la señal recibida, pero su inconveniente es la implementación, debido a que se trata de una técnica de banda ancha, requiere de equipamiento apropiado en el transmisor, en el receptor y antenas de banda ancha para obtener una buena medición. Para poder desarrollar un modelo predictivo que nos ayude a analizar la cobertura para sistemas GSM 1900 se realizarán mediciones en alrededor de 30 localizaciones de la ciudad de Valparaíso, Chile. La técnica a utilizar será la de banda ancha por las prestaciones anteriormente descritas.

10

2.3

Problema a resolver.

Algunos antecedentes interesantes que cabe mencionar para comenzar con el presente trabajo es el de la referencia [5]. El objetivo de dicho estudio fue analizar el comportamiento de la potencia una señal electromagnética en diferentes pisos y determinar la característica principal sobre la cobertura celular y las pérdidas debido al efecto de los pisos, techos y muros, que se dan en esta construcción. Estos factores son de importancia a la hora de considerar el espacio de trabajo en que se realizarán las mediciones. Entre dichas pérdidas están: Perdidas por penetración: diferencia entre el promedio de la potencia de la señal en las afueras de la construcción y el promedio de la potencia de la señal medida en el primer piso. Pérdidas por habitación: diferencia entre el promedio de la potencia de la señal medida entre una habitación y otra. Factor de la altura de piso: a mayor piso la potencia de la señal es más fuerte, esto puede provocar altas interferencias en las celdas GSM. A pesar de que los resultados de las pruebas realizadas difieren por el hecho de que han sido efectuadas en construcciones con diferentes características, pueden obtenerse algunas conclusiones generales. En los pisos superiores de un edificio se tiene un nivel de señal más alto que en los pisos bajos. Los estudios efectuados en [5] y [6], demuestran que las pérdidas por penetración van disminuyendo a razón de unos 2 [dB] por piso a medida que se va subiendo dentro del edificio, aunque llega un punto en que la tendencia se revierte y las pérdidas comienzan a aumentar. Este hecho sugiere que el caso más crítico se da en el primer piso del edificio. Esto se atribuye a que en las áreas urbanas los niveles inferiores son los más afectados por edificios circundantes, mientras que los pisos superiores pueden tener un camino sin obstáculos, o al menos más despejado, hasta la antena transmisora. Además del tipo de construcción, de acuerdo al estudio realizado por Alfredo Zavala en su memoria de título [10], existen diversos factores que influyen en las pérdidas por penetración. Entre ellos, el ángulo de incidencia de la señal es uno de los más relevantes (figura 2). Este efecto es predecible, ya que mientras mayor sea el ángulo de incidencia, las aberturas en una construcción tendrán una

11

menor área efectiva y por consiguiente habrá mayor espacio en su interior sin un camino directo desde el transmisor.

Figura 2. Ángulo de incidencia de la señal. [10]

Otro factor importante según [10] que hay que tener en cuenta, es la cantidad de aberturas o ventanas que existen en el edificio. Este fenómeno es relevante, dado que en las frecuencias donde se trabaja, la penetración de las señales a través de las paredes es muy baja, por lo que el nivel de señal que se registra en el interior proviene casi totalmente de rayos que ingresan por las aberturas. Existen otras características de la construcción que tienen incidencia en la atenuación de la señal. Por ejemplo si el primer nivel del edificio consiste en un hall bien amplio, que puede tener más de un piso de altura, las pérdidas son menores que si está formado por ambientes estrechos rodeados de paredes, [10]. Pequeños detalles también pueden contribuir considerablemente. La polarización de los vidrios en las ventanas mediante capas con sustancias metálicas puede aumentar las pérdidas entre 3 y 30 dB, [6]. Todos estos factores hacen que la predicción de los niveles de potencia de la señal en construcciones de difícil acceso sea complejo, por lo que se hace necesario de un método práctico que permita hacer una estimación del servicio, y así poder comparar los niveles de la señal, basándose en la potencia medida en el exterior, con el objeto de demostrar si el uso de un repetidor mejorará la potencia en dichas locaciones. La señal del exterior generalmente es conocida al realizar pruebas de “drive test”, [13], que consisten en la medición del nivel de señal en calles y rutas del área de cobertura, y se efectúa utilizando vehículos equipados con instrumentos apropiados para este fin. En el caso de que no se cuente con esta información, existen herramientas de predicción, que son ampliamente utilizadas por las empresas encargadas de montar la red, y que entregan una buena aproximación al nivel de señal real, tomando en cuenta numerosas variables como la topografía, distancias, si el área es urbana, rural, etc.

12

Conociendo el nivel de señal presente en cada punto de interés, además del mínimo necesario para obtener la calidad de servicio que se quiere ofrecer, es posible conocer el área de cobertura efectiva de la red. Este sistema ha sido adoptado por la mayoría de operadores de telefonía celular, ya que si se cuenta con el equipamiento necesario, es posible recolectar información de un área extensa en relativamente poco tiempo. Para el caso de de ambientes con elevada pérdida electromagnética el panorama cambia, ya que en este caso deberían realizarse a pie, transportando los equipos personalmente, y solicitando las autorizaciones correspondientes en cada uno de ellos. Esto resulta un trabajo sumamente extenso en grandes centros urbanos, que es justamente donde estos datos son de mayor utilidad. Por ello, de acuerdo a [10], generalmente se opta por realizar los drive tests solamente en el exterior y para estimar la cobertura en el interior se utiliza una magnitud de pérdida aproximada que generalmente se obtiene empíricamente, en algunos casos con un muestreo en edificios dentro del área de la red de interés y otras veces con datos obtenidos en otros estudios. De aquí la importancia de contar con datos específicos del lugar preciso, ya que como se ha hecho notar anteriormente, las pérdidas por penetración dependen fuertemente del tipo de construcción utilizado en cada lugar y de otros factores relativos a una red en particular. 2.4

Uso del Repetidor pasivo como solución.

De acuerdo a [9], las compañías de de telecomunicaciones no muestran mucho interés en la cobertura al interior de edificios de difícil acceso, como es el caso de túneles peatonales, estacionamientos subterráneos, ascensores o escalera, en donde el nivel de recepción no es bueno, debido a que el beneficio es muy pequeño comparado con el costo de la inversión necesaria para lograrlo. Por estas razones, algunas empresas han optado por sacrificar el servicio en estas zonas; otras han optado por la instalación de repetidores activos o microestaciones que brindan buenos niveles de señal en algunas de estas zonas, pero que resulta poco comercial desde el punto de vista de la recuperación de la inversión 0. Debido a esto se requiere de una solución que no implique grandes inversiones ni tampoco un alto costo de instalación y

13

mantención. El uso de repetidores pasivos, es una opción factible ya que requiere de un menor costo que el uso de microceldas activas. Según el estudio realizado por Carlos Báez y Francisco Mejías, [9], se destacan dos tipos de repetidores pasivos para microondas. Aquellos donde el repetidor es un reflector, que se usa para ángulos más cerrados; y aquellos donde el repetidor está formado por dos antenas en configuración “back to back” o “de espalda. De acuerdo a esto, la configuración “back to back” es la requerida para el desarrollo de la solución del presente trabajo.(ver figura 3 Y 4) Los resultados obtenidos en [9] demuestran una mejora considerable en la calidad de la señal recibida en el móvil. Sin el repetidor, se observó que la calidad de la señal recibida era bastante deficiente, con intermitencias y ruido. Con el repetidor en funcionamiento, la calidad mejora ostensiblemente, se terminan las intermitencias y el ruido.

Figura 3. Repetidor exterior, [9]

Figura 4. Repetidor Interior, [9]

14

Referencias. [1] http://wireless.per.nl/reference/chaptr04/cellplan/cellsize.htm [2] www.westplex.co.za/CellView.html www.belllabs.com/org/wireless/wisext.html. [3] R. Feick, W. Grote y H. Hristov, “Criterios y procedimientos para mediciones de propagación electromagnética en ambientes confinados”.pp 3-5. [4] F.Lobos & C. Rojas, “Sistema Automático de Medición para Señales de Alta Frecuencia”, Memoria de Título, UTFSM, 2000. [5] E.F.T. Martijn y M.H.A.J. Revén, “Characterization of Radio Wave Propagation Into Buildings at 1800 MHz”. 2003. [6] T. Rappaport, edition 2002.

“Wireless Communication”, Prentice Hall, 2 nd

[7] W. Grote, “Providing Outdoor To Indoor Celullar Signal Coverage”. Publicación presentada a Andescon 2006, Quito, Ecuador. [8] http://www.three-g.net/3g_technology.html [9] Carlos Báez y Francisco Mejías, “Repetidores celulares pasivos para modelar cobertura en sistemas de telefonía móvil”.Memoria de Título, UTFSM, Noviembre 2003. [10] Alfredo Zavala J, “Atenuación de señales de telefonía celular hacia el interior de edificios de Santiago Centro”, Memoria de Título, UTFSM, Julio 2001. [11] R.C.Johnson, 3rd ed, “Antena Engineering Handbook”, NY: McGraw Hill, 1984. [12] Eclipse Cellular, “Twin Booster Antenna Passive Repeater for Portable Cellular Phones”, http://eclipsecellular.com [13]http://www.soluziona.es/htdocs/areas/cyma/servicios/pdf/teleco/ Drive_test_sp.pdf

15