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==Comparison of Path Loss Models for Vehicular Communications in TV White Spaces==
https://ceur-ws.org/Vol-2178/SSN2018_paper_8.pdf
Comparison of Path Loss Models for Vehicular
Communications in TV White Spaces
Tomás Lara* Adriana Arteaga* Sandra Céspedes*†
tomas.lara@ing.uchile.cl aarteaga@ing.uchile.cl scespedes@ing.uchile.cl
*Departamento de Ingeniería Eléctrica,Universidad de Chile, Chile.
†NIC Chile Research Labs, Chile.
vehicular. Este aumento puede no ser tolerable en cier-
tas aplicaciones críticas de seguridad vial como la di-
Abstract fusión de mensajes de advertencia o alertas, lo que
lleva a pensar en medidas para mitigar estos proble-
This work presents the main observations ob- mas y garantizar la fiabilidad de las comunicaciones.
tained from the study of several path loss Una alternativa que permite disminuir la saturación
models in the context of vehicular communi- de las bandas de frecuencias establecidas para comu-
cations that employ frequency bands of TV nicaciones vehiculares corresponde al uso de Acceso
White Spaces. We have simulated vehicular Dinámico de Espectro (DSA) con el objetivo de ocu-
communications in different urban and subur- par otras bandas de frecuencia de manera oportunista
ban scenarios in order to compare the mag- [Alt11][Che15]. En este sentido, las frecuencias uti-
nitude of the losses exhibited by the follow- lizadas en la transmisión de televisión son de especial
ing models: Okumura-Hata, COST-Walfisch- interés, tanto por ser bandas de mayor longitud de
Ikegami, Xia-Bertoni, WINNER+, and ITM onda, como por su disponibilidad, puesto que la tran-
(Longley-Rice), for both V2I and V2V interac- sición desde la televisión análoga a digital liberó es-
tions. Results show important differences be- pectro en esta zona, además de que su ocupación varía
tween these models and demonstrate the need con la geografía, lo que genera espacios de frecuen-
for a standard model for vehicular communi- cia no utilizados, conocidos como TV White Spaces
cations employing TV frequency bands. (TVWS). El uso oportunista de estas frecuencias ha
sido permitido progresivamente por distintos países,
1 Introducción donde una de las principales restricciones corresponde
Los escenarios de comunicación entre vehículos (V2V) a evitar la interferencia con los usuarios titulares, tam-
y entre vehículos y elementos de infraestructura (V2I) bién denominados usuarios primarios [Che15].
corresponden a un eje fundamental en el desarrollo Con el fin de aprovechar estas frecuencias de manera
de los Sistemas de Transporte Inteligente (ITS), con oportunista, es importante estudiar su potencial dadas
aplicaciones que van desde la difusión de mensajes de las condiciones existentes en comunicaciones V2V y
alerta, al entretenimiento [Kar11]. Actualmente, los V2I, tales como antenas de baja altura instaladas en
cuerpos reguladores de distintos países han establecido vehículos (aprox.1.5 metros de altura), además de ele-
rangos de frecuencias a utilizar en este tipo de inter- mentos de infraestructura que puedan estar instalados
acciones, como la tecnología DSRC (Dedicated Short a alturas considerablemente más bajas que las ante-
Range Communication) en la banda de 5.9 GHz, con nas típicas de televisión, como es el caso de antenas
alcances de hasta 300 metros para comunicación V2V ubicadas en postes de alumbrado público, semáforos,
y hasta un kilómetro en V2I. entre otros.
La masificación de este tipo de comunicación, con el Con el objetivo de determinar las condiciones de
consiguiente aumento en el tráfico de datos y el trá- propagación en estas frecuencias, así como para
fico vehicular, podría generar un aumento del nivel de cumplir la restricción de no interferir con los usuarios
retardos, especialmente en escenarios urbanos y subur- primarios, es importante estimar el nivel de señal en su
banos, donde se produce un mayor nivel de congestión recorrido, para lo que se utilizan modelos de pérdidas
de propagación (path loss) [Phi13]. Existen variados
This work has been partially funded by project ERANET-LAC
ELAC2015/T10-0761
modelos de propagación útiles en bandas de televisión,
donde cada uno posee diferentes restricciones para ser
Copyright c by the paper’s authors. Copying permitted for
private and academic purposes. utilizado (frecuencia, altura de antenas, etc.), sin em-
bargo, no existe un consenso acerca de su utilidad para
In Proceedings of the IV School of Systems and Networks
(SSN2018), Valdivia, Chile, October 29-31,2018. Published at modelar comunicaciones vehiculares, por lo que este
http://ceur-ws.org trabajo buscar comparar algunos de estos modelos con
el fin de evaluar su utilidad en estos tipos de comuni- la misma iniciativa [Cic93]. Este abarca frecuencias
cación. desde los 800 MHz a los 2 GHz y altura de receptores
El presente documento se organiza de la siguiente man- desde uno a cuatro metros. Para el caso de antena
era: en la sección 2, se realiza una descripción general emisora, las alturas soportadas son de 4 m a 50 m,
de los modelos estudiados. Posteriormente la sección 3 lo que permitiría su uso en comunicación V2I. Si bien
presenta una comparación de estos en diferentes esce- la utilidad de este modelo es limitada dado su rango
narios vehiculares. Finalmente, la sección 4 presenta de frecuencias, posee un respaldo fuerte, por lo que su
las conclusiones principales de este estudio preliminar. utilidad debe ser analizada.
2 Descripción General de Modelos de 2.4 Longley-Rice (ITM)
Propagación El modelo ITS Irregular Terrain Model (ITM) o
Longley-Rice, corresponde a un modelo desarrollado
Las frecuencias habilitadas para Acceso Dinámico de
por NTIA desde 1968. Este modelo da importancia
Espectro en la banda de TVWS se concentran, en la
principalmente al efecto que el terreno pueda tener
mayoría de los países con regulación al respecto, en el
en la propagación, siendo una de sus características el
rango entre los 450 MHz y los 790 MHz. Sumado a
amplio rango de parámetros para el que puede ser uti-
lo anterior, se espera que las zonas donde sea posible
lizado. Con relación a la frecuencia, este abarca desde
obtener el máximo provecho al uso de este espectro
20 MHz a 20 GHz y a distancias que van desde 1 a
correspondan a zonas urbanas y suburbanas dado el
2000 kilómetros con antenas que pueden ir desde 0.5
alto tráfico vehicular existente.
m a 3000 m. Este modelo se encuentra principalmente
A continuación, se realiza una revisión de los mode-
orientado al estudio de transmisiones a larga distancia,
los de pérdidas de propagación que cumplan con las
considerando receptores móviles, por lo que su estudio
condiciones de aplicabilidad mencionadas.
en comunicaciones V2X cobra relevancia [Huf02].
2.1 Okumura-Hata 2.5 WINNER+
Modelo empírico formulado por Hata [Hat80], basado Desarrollado por la iniciativa CELTIC PLUS, este
en las mediciones realizadas por Okumura en y alrede- modelo pretende dar cobertura a un rango de frecuen-
dor de la ciudad de Tokio. Este posee una gran di- cia entre 450 MHz y 2 GHz, donde los escenarios de
fusión, tanto por su capacidad de predicción, como por interés corresponden a macro-celdas urbanas y subur-
la simplicidad de sus parámetros. El modelo puede banas. Pese a que las alturas estándar indicadas para
ser utilizado en un rango de frecuencias desde los 100 la estación base son de 25 metros, el modelo tiene un
MHz a los 1500 MHz, con una distancia máxima de 20 enfoque en antenas receptoras de baja altura, por lo
kilómetros entre terminales. Sobre la altura de las an- que se considera de utilidad en este estudio [Mei10].
tenas, para las estaciones móviles permite alturas de 1
a 10 metros. En el caso de la estación base, se presenta
una restricción importante, permitiendo un mínimo de 3 Resultados preliminares: Simulación
30 metros. Dada esta última restricción el modelo es de pérdidas de propagación
de interés en escenarios V2I. Para realizar una comparación entre las distintas pér-
didas de propagación predichas se procede a implemen-
2.2 Xia-Bertoni tar los modelos y simularlos en MATLAB. Pese a que
El modelo de Xia-Bertoni, desarrollado con el objetivo estos podrían ser utilizados tanto en un contexto ur-
de estudiar la banda de UHF, corresponde a un mod- bano como suburbano, se decide realizar simulaciones
elo teórico cuyo uso se centra en ambientes urbanos y en un escenario urbano, por considerarse un escenario
suburbanos [Xia92]. Este opera utilizando un esquema de congestión vehicular más probable. Se indican las
de ciudad, el que requiere información general del es- pérdidas de 120 dB como un umbral de sensibilidad
cenario real en estudio. El modelo utilizado en este referencial para el receptor.
documento corresponde a la versión desarrollada por Para la realización de la simulación se considera el
Xia [Xia97], la que considera los casos en que la an- modelo de ciudad presentado en [Xia92],[Cic93]. Con-
tena emisora se encuentra bajo, sobre o a una altura siderando un centro urbano con edificios de en prome-
cercana a los edificios circundantes. dio 20 pisos (60 metros). Se realizan simulaciones en
Dada sus características en frecuencia, este modelo po- tres escenarios, donde adicionalmente a los modelos
dría ser de utilidad para el estudio de TVWS, sin em- mencionados se incluyen las pérdidas de espacio libre
bargo, debe evaluarse su desempeño en condiciones de con fines de comparación.
comunicación V2V. En primer lugar, se realiza una comparación de mod-
elos en un escenario urbano con estaciones base (de-
nominadas Road Side Units para tecnología DSRC)
2.3 COST-Walfisch-Ikegami
ubicadas en postes de alumbrado público o semáforos
Este modelo, presente en el reporte final de la iniciativa y una frecuencia de 700 MHz, por lo que no se incluye
COST 231, fusiona los modelos de Walfisch-Bertoni los modelos Hata y COST-Walfisch-Ikegami, respecti-
e Ikegami, junto a mediciones realizadas dentro de vamente (ver Fig.1).
Pérdidas: Escenario Urbano - Antenas bajas
250 que una de las limitaciones en su uso es el compor-
tamiento plano de este, lo que no permitiría un es-
Pérdidas [dB] 200 tudio de pequeñas variaciones, si no que de tenden-
cia. Finalmente, la utilidad del modelo WINNER+ en
150
situaciones de antenas bajas debe ser cuestionad.
100
4 Conclusiones
50
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 En el presente trabajo se analizaron y compararon
Distancia [km] posibles modelos de pérdidas a utilizar en el estudio
Free-Space Xia-Bertoni WINNER+ ITM
de comunicaciones vehiculares que usen bandas de fre-
cuencia de manera oportunista en TV White Spaces.
A partir de los resultados se observa la utilidad de
Figura 1: V2I, estación base 9 metros diferentes modelos dependiendo del escenario evalu-
ado, sin embargo, debe seleccionarse el que mejor rep-
A continuación, se evalúa el nivel de pérdidas con- resente la propagación real de la onda. Finalmente se
siderando estaciones base a 60 metros de altura, cor- observa una diferencia considerable del modelo Xia-
respondiente a la situación en que estas se instalen Bertoni con respecto a otros, por lo que tanto sus
en la fachada de edificios descritos anteriormente (ver parámetros como utilidad deben ser evaluados en el
Fig.2). trabajo futuro.
Pérdidas: Escenario Urbano - Antenas en Fachada
180
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de comunicación V2V, donde tanto para transmisor 325.
como receptor se considera una altura de 1.5 m (ver [Huf02] George A Hufford. “The its irregular terrain model,
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Figura 3: Comparación de pérdidas, V2V urbano [Xia92] Howard H Xia and Henry L Bertoni. “Diffraction of
cylindrical and plane waves by an array of absorbing
A raíz de los resultados obtenidos, se observan pér- half-screens”. In: IEEE Transactions on Antennas
and Propagation 40.2 (1992), pp. 170–177.
didas similares en los modelos WINNER+, Hata e
ITM, mientras Xia-Bertoni presenta un nivel mayor. [Xia97] Howard H Xia. “A simplified analytical model for
predicting path loss in urban and suburban environ-
Por lo anterior, se debe cuestionar tanto su utilidad ments”. In: IEEE Transactions on Vehicular Tech-
en este contexto, como la relación de los parámet- nology 46.4 (1997), pp. 1040–1046.
ros utilizados en este modelo con respecto a los otros.
En relación con el modelo ITM, es posible observar