OUTDOOR PROPAGATION MODEL PADA SISTEM CELLULAR
KLASIFIKASI DAERAH 1. DAERAH URBAN ( PERKOTAAN ) * SMALL or MEDIUM sized CITY. Jika lingkungan berupa gedung bertingkat dengan tinggi rata-rata kurang dari 5 tingkat, lebar jalan kurang dari 15 m. * LARGE CITY. Jika lingkungan berupa gedung bertingkat dengan tinggi rata-rata lebih dari 5 tingkat lebar jalan lebih dari 15 m.
2. DAERAH SUB-URBAN (PEDESAAN). Dengan lingkungan area rural dengan pemantulan (scater) rumah dan pepohonan. 3. DAERAH RURAL (OPEN AREA) Dengan lingkungan sawah, padang rumput.
Karakteristik propagasi pada jaringan bergerak (seluler) berbeda dibandingkan dengan karakteristik propagasi pada jaringan tetap. Pada jaringan bergerak fading yang terjadi lebih hebat dan fluktuatif dibandingkan dengan jaringan tetap. Untuk menghitung path loss pada propagasi jaringan seluler telah banyak dilaakukan percobaan dan penelitian. Beberapa diantaranya yang sering dipakai adalah
Model Hata Model Walfisch-Ikegami ( COST-231 ) Model Okumura dll
PROPAGATION MODEL Macrocells
• In early days, the models were based on emprical studies • Okumura did comprehesive measurements in 1968 and came up with a model. • Discovered that a good model for path loss was a simple power law where the exponent n is a function of the frequency, antenna heights, etc. • Valid for frequencies in: 100MHz – 1920 MHz for distances: 1km – 100km
Cellular radio planning: Path Loss in dB: Pt 2 PL ( dB ) 10 log 10 log 2 2 Pr Lfs = 32.44 + 20 log f (MHz) + 20 log d (km) 4 d L
Okumura Model • L50(d)(dB) = LF(d)+ Amu(f,d) – G(hte) – G(hre) – GAREA – – – – – –
L50: 50th percentile (i.e., median) of path loss LF(d): free space propagation pathloss. Amu(f,d): median attenuation relative to free space • Can be obtained from Okumura’s emprical plots shown in the book (Rappaport), page 151. G(hte): base station antenna heigh gain factor G(hre): mobile antenna height gain factor GAREA: gain due to type of environment • • •
G(hte) = 20log(hte/200) 1000m > hte > 30m G(hre) = 10log(hre/3) hre <= 3m G(hre) = 20log(hre/3) 10m > hre > 3m » hte: transmitter antenna height » hre: receiver antenna height
Cellular radio planning: Path Loss in dB: Lfs = 32.44 + 20 log f (MHz) + 20 log d (km)
Pt 2 PL ( dB ) 10 log 10 log 2 2 Pr 4 d L
Hata Model
• Valid from 150MHz to 1500MHz • A standard formula • For urban areas the formula is:
– L50(urban,d)(dB) = 69.55 + 26.16logfc - 13.82loghte – a(hre) + (44.9 – 6.55loghte) log d where
fc is the ferquency in MHz hte is effective transmitter antenna height in meters (30-200m) hre is effective receiver antenna height in meters (1-10m) d is T-R separation in km a(hre) is the correction factor for effective mobile antenna height which is a function of coverage area a(hre) = (1.1logfc – 0.7)hre – (1.56logfc – 0.8) dB for a small to medium sized city
Daerah urban Model Hata pada daerah urban berlaku rumus sbb : L50(u) = C1+ C2 log ( f ) - 13,82 log (hb) – a (hm) + { 44,9 – 6,55log (hb) } log (d). Dimana : f hb hm d C1
= frekuensi (MHz) = tinggi antena BTS (m) = tinggi antena MS (m) = jarak antara BTS – MS (km) = 69,55 untuk 400 f 1500 = 46,3 untuk 1500 < f 2000 C2 = 26,16 untuk 400 f 1500 = 33,9 untuk 1500 < f 2000 a(hm) = {1,1log (f) - 0,7} hm – {1,56 log(f) – 0,8 }
Daerah dense urban Model Hata pada daerah urban berlaku rumus sbb : L50(du) = C1+C2 log ( f )-13,82 log (hb) – a (hm)+{ 44,9 – 6,55log (hb) } log (d)+Cm Dimana : f hb hm d C1
= frekuensi (MHz) = tinggi antena BTS (m) = tinggi antena MS (m) = jarak antara BTS – MS = 69,55 untuk 400 f = 46,3 untuk 1500 < f C2 = 26,16 untuk 400 f = 33,9 untuk 1500 < f Cm = 3 dB a(hm) = 3,2{ log(11,75hm) }
2
(km) 1500 2000 1500 2000
– 4,97
Daerah suburban L50(su) = L50(u) – 2{log(f/28)}2 – 5,4 Daerah rural terbuka L50(rt) = L50(u) – 4,78{log(f)}2 + 18,33log(f) – 40,94
Prediction Model
Okumura-Hata Prediction Model
Kelebihan : mudah digunakan ( langsung dimasukkan pada rumus jadi ) Kekurangan: tidak ada parameter eksak yang tegas antara daerah kota, daerah suburban, maupun daerah terbuka Daerah kota Lu = 69,55 + 26,16log fC – 13,83log hT – a(hR) + [44,9 – 6,55 log hT ] log d Dimana ,
150 fC 1500 MHz 30 hT 200 m , 1 hr 10 m 1 d 20 km a(hR) adalah faktor koreksi antenna mobile yang nilainya adalah sebagai berikut : • Untuk kota kecil dan menengah, a(hR) = (1,1 log fC – 0,7 )hR – (1,56 log fC – 0,8 ) dB, dimana, 1 hR 10 m • Untuk kota besar,
a(hR) = 8,29 (log 1,54hR )2 – 1,1 dB fC 300 MHz a(hR) = 3,2 (log 11,75hR )2 – 4,97 dB fC > 300 MHz
Okumura-Hata Prediction Model Daerah Suburban
f 2 C L su L u 2 log 5 ,4 28 Daerah Open Area
L o L u 4 ,78 (log f c ) 2 18 ,33 log f c 40 ,94
Prediction Model
COST-231 ( PCS Extension Hata Model) Merupakan formula pengembangan rumus Okumura Hata untuk frekuensi PCS ( 2GHz)
Lu 46,3 33,9 logfc 13,82 loghT a(hR ) (44,9 6,55loghT )logd CM 1500 MHz fC 2000 MHz 30 m hT 200 m , 1 m hR 10 m 1 d 20 km a(hR) adalah faktor koreksi antena mobile yang nilainya sebagai berikut :
dimana ,
• Untuk kota kecil dan menengah, a(hR) = (1,1 log fC – 0,7 )hR – (1,56 log fC – 0,8 ) dB dimana, 1 hR 10 m • Untuk kota besar, a(hR) = 8,29 (log 1,54hR )2 – 1,1 dB fC 300 MHz a(hR) = 3,2 (log 11,75hR )2 – 4,97 dB fC 300 MHz
dan, CM =
0 dB untuk kota menengah dan kota suburban 3 dB untuk pusat kota metropolitan
Prediction Model
COST231 Walfish Ikegami Model
Cost231 Walfish Ikegami Model digunakan untuk estimasi pathloss untuk lingkungan urban untuk range frekuensi seluler 800 hingga 2000 MHz. Wallfisch/Ikegami model terdiri dari 3 komponen : • Free Space Loss (Lf) • Roof to street diffraction and scatter loss (LRTS) • Multiscreen loss (Lms)
LC =
Lf + LRTS + Lms Lf ; untuk LRTS + Lms < 0
• Lf = 32.4 + 20 log10 R + 20 log10 fc
dimana R (km); fc (MHz)
• LRTS = -16.9 + 10 log10 W + 20 log10 fc + 20 log10 hm + L
di mana L =
-10 + 0.354 2.5 + 0.075( - 35) 4.0 – 0.114( - 55)
; 0 < < 35 ; 35 < < 55 ; 55 < < 90
Prediction Model COST231 Walfish Ikegami Model • Lms = Lbsh + ka + kd log10 R + kf log10 fc - 9 log10 b dimana Lbsh =
ka =
-18 + log10 (1 + hm ) 54 54 + 0.8hb 54 + 0.8 hb . R
; hb < hr ; hb > hr
; hb > hr ; d > 500 m hb < hr ; 55 < < 90
Catatan : Lsh dan ka meningkatkan path loss untuk hb yang lebih rendah.
kd =
18 18 – 15 (hb/hr ) 4 + 0.7 (fc/925 - 1
kf =
; hb > hr ; hb < hr ; Untuk kota ukuran sedang dan suburban dengan kerapatan pohon cukup moderat
4 + 1.5 (fc/925 - 1) ; Pusat kota metropolitan
Model ini valid ; d ≤ 5km, hb ≤ 50m, micro cell, data base gedung dan jalan yang lengkap Pada prinsipnya model ini terdiri dari 3 elemen yaitu : - Free Space Loss, - Rooftop to Street Diffraction Scatter Loss, - Multi Screen Loss, seperti rumus berikut : L50 = Lf + Lrts + Lms L50 = Lf , jika
Lrts + Lms ≤ 0
Lf = free space loss, Lrts = rooftop to street diffraction & scatter dan Lms = multi screen loss Seperti disinggung di depan Lf dapat dihitung dengan rumus Lf = 32,4+ 20log r + 20 log fc (dB)
Lrts dapat dihitung dengan rumus Lrts = - 16,9 -10log W + 10log fc + 20log hm + L0 (dB) Variable yang mendukung rumus di atas ditunjukan seperti gambar berikut
R
hb
hb
hm
hr
hm b
W lebar jalan (m) dan hm = hr – hm (m) Lrst = 0
jika hm ≤ 0
w
building
building
building
building L0 = -10 +0,354
dB
untuk
00 < 350
L0 = 2,5 + 0,075(-35) dB
untuk
350≤ < 550
L0 = 4 - 0,114(-55)
untuk
550≤ ≤ 900
dB
Lms dapat dihitung dengan rumus Lms = Lbsh + ka + kd log r + kflog fc – 9logb Lbsh = -18log(1+ hb )
Untuk
hb
>0
= 0
Untuk
hb
≤0
Ka = 54
Untuk
hb
>0
(dB)
Untuk
r 0,5 dan
Ka = 54 – 1,6 hb r
Untuk
r < 0,5 dan hb ≤ 0
Kd = 18
Untuk
hb
>0
Untuk
hb
≤0
Ka = 54 – 0,8 hb
Kd = 18 -15 (
hb
) hr
hb
≤0
Kf = -4 +0,7 ( 925 -1 )
f
Untuk urban dan suburban
Kf = -4 +1,5 ( 925 -1 )
f
Untuk dense urban
Tentukan loss propagasi dengan menggunakan model Hata dan COST 231 antara BTS dan MS pada daerah dense urban jika diketahui data-data sbb : f = 1887 MHz, hm = 1,5 m , hb = 30 m, r = 3km , hr = 30 m = 900 , b = 30 m, W = 15 m
SOLUSI DENGAN MODEL HATA • Daerah dense urban a(hm) = 3,2{ log(11,75hm )}2 - 4,97 =0 L50(du)=C1+C2log(f)-13,82log(hb)-a(hm) + {44,9-6,55log(hb)}log(r) +Cm = 46,3 + 33,9log(1887) – 13,82log(30) – 0 + {44,9 – 6,55log(30)}log(3) + 3 = 156,7 dB • Daerah urban L50 = L50(du) - Cm = 156,7 – 3 = 153,7 dB • Daerah suburban L50(su) = L50(u) – 2{log(1887/28)}2 – 5,4 = 141,6 dB
SOLUSI DENGAN MODEL COST – 231 • Menentukan Free space loss ( Lf ) Lf = 32,4 + 20log(f) + 20log(r) = 32,4 + 65,5 + 9,54 = 107,44 dB • Menentukan Lrts Lrts = -16,9 – 10log(W) + 10log(f) + 20log(∆h) + L0 = 33,2 • Lms = Lbsh + Ka + Kdlog(r) + Kflog(f) – 9log(b) = 0 + 54 + 8,59 -10,8 -13,29 = 38,5 dB • L50 = Lf + Lrts + Lms = 107,44 + 33,2 + 38,5 = 179,14 dB
Prediction Model
Lee’s Prediction Model
ro = 1mil = 1,6 km
Pr = Pro = = =
n
o
=
Pro
r
Pr
Dalam persamaan linear, n
r f Pr Pro . . .o ro fo
Dalam persamaan logaritmik (dB),
r f Pr Pro .10log n.10log o ro fo
Daya terima pada jarak r dari transmitter. Daya terima pada jarak ro = 1 mil dari transmitter. Slope / kemiringan Path Loss Faktor koreksi, digunakan apabila ada perbedaan frekuensi antara kondisi saat eksperimen dengan kondisi sebenarnya. Faktor koreksi, digunakan apabila ada perbedaan keadaan antara kondisi saat eksperimen dengan kondisi sebenarnya.
Kondisi saat eksperimen dilakukan, 1. Operating Frequency = 900 MHz. 2. RBS antenna = 30.48 m 3. MS antenna = 3 m 4. RF Tx Power = 10 watt 5. RBS antenna Gain = 6 dB over dipole l/2. 6. MS antenna Gain = 0 dB over dipole l/2.
Lee Models LLee L0 log d F0
• L0 and where
are obtained from table
F0 F1 F2 F3 F4 F5 2
h F1 b hb in m 30.5 P PT in W F2 T 10
Gb F3 4
L0 [dB] 91.3 91.3 104.0
20 43.5 38
128.0 112.8 106.3
30 36.8 43.1
Gb = BS antenna gain in scalar
h F4 m 3 f F5 c f0
Environment Free Space Open (Rural) Suburban Urban: Tokyo Philadelpia Newark
2
n
Modul 3 Large Scale Fading
hm in m fc = carrier frequency in MHz f0 = In an 900 MHz frequency reference n=2-3 35
Log Distance Path Loss Model • L [dB]=L (d0)+10 log (d/d0) from table 3.2 (Rappa, pp 104) Environment Free Space Urban Shadowed Urban in building LOS in building Obstructed in factories Obstructed
Modul 3 Large Scale Fading
Pathloss Exponent 2 2.7 - 3.5 3.0 - 5.0 1.6 - 1.8 4.0 - 6.0 2.0 - 3.0
36
Log-normal Shadowing • • • •
L [dB]=L (d0)+10 log (d/d0) + X Shadowing effect + fading margin + availability
• (Rappa, pp 104)
Modul 3 Large Scale Fading
37
Lee’s Prediction Model ao = faktor koreksi
Pro and
didapat dari data hasil percobaan
o
in urban area (Philadelphia), in free space, Pro = 10-4.5 mWatts Pro = 10-7 mWatts g = 3.68 g =2 in an open area, in urban area (Tokyo), -4.9 Pro = 10 mWatts Pro = 10-8.4 mWatts g = 4.35 g = 3.05 in sub urban area, Pro = 10-6.17 mWatts g = 3.84
=
1.
2.
3.
4.
5
tinggi antena base station riil (m) 1 30 . 48 (m)
2
tinggi antenna mobile unit riil (m) 2 3 (m)
v
daya pemancar riil (watts) 10 (watts)
3
gain antena base station riil tdh antena dipole 2 4
4
gain antena mobile unit riil thd. antena dipole 2 1
54
Lee’s Prediction Model n diperoleh dari percobaan / empiris
20 dB / dec n 30 dB / dec Harga n diperoleh dari hasil percobaan yang dilakukan oleh Okumura dan Young Berdasarkan eksperimen oleh Okumura n=30 dB/dec untuk Urban Area. Berdasarkan eksperimen oleh Young n=20 dB/dec untuk Sub.Urban Area atau Open Area n hanya berlaku untuk frekuensi operasi 30 sd. 2,000 MHz
Correction factor to determine v in a2
v = 2,
for new mobile-unit antenna heigh > 10 m
v = 1,
for new mobile-unit antenna heigh < 3 m
Lee’s Prediction Model 82
-50 Open Area (P
-60
62
52
42
Op en Ar ea (
-70 Signal strength in dBm
Signal strength in dB(mikroVolt)
72
Su bu rba n( Ph ila de lph ia
-80
(P
-90
32
-100
22
-110
12
-120
1
2
o=
Po
Po
=
=
-4 9
-6 1.7
Ne wa rk
dB m
,
dB m
o=
- 45
dBm ,
=2 0 dB /dec )
=4 3.5 dB /de c)
,
=3 8.4 dB /de -6 dB c) 4 m, dB = m 36 , .8 =4 dB /de 3.1 c) dB /de To c) kyo , Jap Ne an w Yo (P o= rk - 84 Ci ty dB m, (P = o= 30. -7 5d 7d B/d ec Bm ) , =4 8d B/ de c)
-7 0
3
(P
o=
4
Jarak dalam mil
5
6
7 8
9 10
Lee’s Pathloss Formula Untuk Berbagai Jenis Kondisi Lingkungan
ro = 1mil = 1,6 km
area 1
r2
r
Pro
r1
area 2
Pr
area 1
area 2
r1
1.6 km
r1 Pr Pro . ro persamaan umum,
1
r . r1
2
r1 Pr Pro . ro
n
f . .o fo
1
r2 . r1
2
o
=
r
1.
2.
r2 3.
4.
5
r . .... rN1
N
n
f . .o fo
Microcells • Propagation differs significantly – Milder propagation characteristics – Small multipath delay spread and shallow fading imply the feasibility of higher data-rate transmission – Mostly used in crowded urban areas – If transmitter antenna is lower than the surrounding building than the signals propagate along the streets: Street Microcells
Macrocells versus Microcells Item
Macrocell
Microcell
Cell Radius
1 to 20km
0.1 to 1km
Tx Power
1 to 10W
0.1 to 1W
Fading
Rayleigh
Nakgami-Rice
0.1 to 10 s
10 to 100ns
0.3 Mbps
1 Mbps
RMS Delay Spread Max. Bit Rate
Street Microcells • Most of the signal power propagates along the street. • The sigals may reach with LOS paths if the receiver is along the same street with the transmitter • The signals may reach via indirect propagation mechanisms if the receiver turns to another street.
Street Microcells D
Building Blocks
C
B
A
Breakpoint
received power (dB)
A
n=2
received power (dB) Breakpoint
C log (distance)
n=4
A
n=2
B
n=4~8
15~20dB
D
log (distance)
Diagram Parameter Building
Building MOBILE
Building
Incident Wave
hb
Building
hb
= incident angle relative to street
R
hm hm
hr Mobile
GROUND
Cell site
b
w
Model Rugi-Rugi Propogasi ( Khusus Free Space Loss ) Pengaruh pada Komunikasi Bergerak
MODEL 1. OKUMURA’S model : * Frek : 150 – 2000 MHz. * Jarak : 1 – 100 km. * hTx : 30-300 m. * hRx : >3 m. 2. SAKAGMI and KUBOI model : * Frek : 450 – 2200 MHz. * Jarak : 0,5 – 10 km. * hTx : 20 – 100 m. * Lebar jalan : 5 – 50 m. * Tinggi gedung : 5 – 80 m.
3. HATA’S model : * Frek : 150 – 1500 MHz. * Jarak : 1 – 20 km. * hTx : 30 – 200 m. * hRx : 1 – 10 m. 4. M.F.IBRAHIM and J.D.PARSONS model : * Frek : 168 – 900 MHz * jarak : 2 – 10 km. * hRx < 3m. 5. W.C.Y LEE model : * Frek : 900 Mhz. *
