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LABORATORIO DE REDES INALAMBRICAS
INTRODUCCION A PLANEACION
Y RADIO PROPAGACIN EN REDES MOVILES
Dr. Marvin Snchez Garache PhD. in Radio Coommunication
Systems
Maestra en Gestin de TIC Universidad Nacional de Ingeniera
Managua, Nicaragua Agosto, 2014
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INTRODUCCIN Una parte fundamental en el diseo y despliegue de
redes de radio comunicaciones mviles es el planeamiento de la
radiocobertura, es decir, asegurar que se recibir la suficiente
intensidad de campo dentro del rea geogrfica donde el servicio ser
ofrecido. En los primeros das de la radio comunicacin, el
planeamiento de cobertura se basaba en reglas de estimacin tales
como "entre mayor la potencia radiada mejor" y as, en esos das las
redes de radio difusin nacional fueron construidas con transmisores
de gran potencia ubicados en localizaciones de gran altura.
Conforme el nmero de redes de radio independientes que ofrecan
nuevos servicios (desde los sistemas militares hasta la telefona
pblica mvil) se incrementaba, se reconoci que la tcnica de la gran
cobertura desde un solo sitio usando alta potencia (brute force) no
era eficiente ya que el incremento del nivel de interferencia
forzaba a que nuevas redes usaran aun ms potencia para dominar sus
reas de cobertura conllevando adicionales ineficiencias y
conflictos. En la actualidad, el espectro radio elctrico es
considerado un recurso natural finito y compartido por todos los
pases. Ya que las ondas de radio no se detienen ante lmites
fronterizos, el espectro compartido est sujeto a negociaciones
internacionales. El espectro total esta dividido cuidadosamente en
bandas de frecuencias, y cada banda se reserva para prestar cierto
tipo de servicio en uno o ms pases. Adems de la divisin del
espectro, se regula de forma estricta la interferencia permitida
entre diferentes redes coexistentes a niveles tanto nacionales como
internacionales. El presente y futuro indican una demanda creciente
por nuevos servicios inalmbricos (existentes y aun por existir) que
requieren mucho mayores anchos de banda. Para satisfacer las
demandas actuales y futuras de asignaciones de espectro hay dos
direcciones complementarias :
1. Extender el uso de este recurso utilizando cada vez mayores
rangos de frecuencias utilizables (no-ionizantes)
2. Utilizar de forma ms eficiente los recursos existentes La
segunda opcin resulta en aplicar tcnicas de control y supresin del
nivel de interferencia con el objeto de maximizar el reuso de
frecuencias. El alcance de tales metas debe tenerse en cuenta al
disear la cobertura para todo nuevo servicio. El empleo de mtodos
de planeamiento de cobertura soportados por computadora, si se
utilizan apropiadamente, pueden asegurar que los requerimientos de
cobertura se logren utilizando la mnima cantidad de potencia
radiada, minimizando a la vez los niveles de interferencia
intra-banda e inter-banda de frecuencia (las emisiones out-of-band,
al ser seales espurias contribuyen a la contaminacin
electromagntica del espectro). As, las redes actuales se
caracterizan usualmente por la utilizacin de transmisores
dimensionalmente pequeos transmitiendo con la mnima potencia
requerida para cubrir un rea geogrfica ptima.
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Este laboratorio introducir los principales elementos en el
planeamiento de cobertura computarizado empleado en las redes
modernas. Principalmente, entender los siguientes aspectos en el
diseo: El impacto de los diferentes parmetros de transmisores sobre
el rea de cobertura
(patrones de radiacin de antenas, potencia, altura de antenas).
Planeamiento de cobertura empleando bases de datos digitales de
terrenos. Limitaciones de cobertura por ruido e interferencia. Los
ejercicios de este laboratorio se realizan con ayuda de Atoll,
introduciendo su utilizacin durante el ejercicio.
I. TRABAJO PREVIO: Leer previamente las tareas de este
laboratorio. Leer preferentemente la ayuda sobre la utilizacin de
Atoll. II. FUNDAMENTOS BASICOS
Los modelos usados en el presente laboratorio se describen a
continuacin. TRANSMISORES Para proporcionar suficiente cobertura,
un sistema de radio comunicaciones debe de contener cierto nmero de
transmisores distribuidos sobre el rea de servicio. Consideraremos
aqu solamente los sistemas que contienen transmisores para el
servicio de telefona mvil GSM (en este ltimo solamente se considera
la cobertura en el Downlink). Redes de tal tipo se define por el
nmero de transmisores y sus respectivos parmetros como son:
Identificador del transmisor Localizacin (posicin geogrfica) del
transmisor Altura de antena (relativa a la superficie de la tierra)
Potencia de transmisin Frecuencia empleada (canales de frecuencia)
Patrn de radiacin de antena y Ganancia de antena Direccin de antena
(azimuth), inclinacin (Mechanical Tilt & Electrical Tilt). Cada
transmisor contribuye a la cobertura total (rea de servicio) con su
propia rea de cobertura. El solapamiento entre reas de cobertura no
puede evitarse, as, transmisores vecinos deben operar a diferentes
frecuencias, de otra forma causarn niveles de interferencia
inaceptable. De hecho, la interferencia causada puede ser
considerable aun por transmisores colocados en reas no contiguas,
de forma que los transmisores de la red deben ser separados tanto
en frecuencia como en espacio (distancia). Debido al corto espectro
de frecuencia disponible para proporcionar el servicio, es deseable
reusar la misma frecuencia en tantos transmisores como sea posible
sobre el rea de servicio.
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Cuando el nmero de transmisores y todos sus parmetros han sido
definidos, el resultado se denomina configuracin de red (algunos
operadores y proveedores del servicio de diseo se refieren a esta
configuracin de red como RND, Radio Network Design). En este
laboratorio se realiza la prediccin de cobertura basado en el canal
de broadcast de GSM denominado BCCH (Broad Cast Control Channel),
sin embargo, Atoll permite el clculo de Interferencias incluyendo
canales de TCH ( Traffic Channels) incluyendo Frequency
Hopping.
MODELO DE PROPAGACIN DE ONDAS El planeamiento de cobertura
moderno se basa en modelos de propagacin de ondas computarizados
para calcular las prdidas de trayectoria desde el transmisor al
receptor, tomando en cuenta el perfil del terreno. Las prdidas de
propagacin que utiliza Atoll pueden seleccionarse dentro de un set
disponible, seleccionables por el usuario. En esta prctica de
Laboratorio utilizaremos el modelo de Okumura-Hata para estimar los
niveles de recepcin en el rea de cobertura. Otros modelos empleados
en redes mviles disponibles y que pueden sintonizarse mediante
mediciones de campo son disponibles como el Standard Propagation
Model (SPM) el cual es un modelo modificado de Okumura Hata que
permite incluir componentes de difraccin por ejemplo el modelo de
difraccin de Epstein-Peterson estudiando en el curso de redes
inalmbricas. MODELOS DE TERRENO Los clculos computarizados de
propagacin de onda hacen posible utilizar informacin detallada
sobre el rea de servicio, esta se colecta en una base de datos
digital del terreno. La base de datos del terreno contiene
informacin topogrfica de altitud con cierta resolucin (~5m 1Km),
opcionalmente se incluye informacin morfolgica de datos denominados
clutter (rea urbanas, rea suburbanas, rea rural, rea industrial,
bosques, agua, etc), e informacin vectorizada (denominada vectors)
sobre otros objetos naturales o artificiales tales como carreteras,
edificios, aeropuertos, ros, etc. Los mtodos de prediccin de
prdidas de radio-propagacin extraen el perfil del terreno entre el
transmisor y el receptor a partir de la base de datos del terreno.
Adicionalmente, la informacin del tipo de clutter puede emplearse
para el clculo de prdidas adicionales y con ello diferenciar una
zona con respecto a otra.
La tarea primordial en el planeamiento de cobertura es encontrar
una configuracin de red (preferentemente ptima) de todas las
configuraciones posibles (tericamente existe un nmero infinito) que
satisfaga los requerimientos de cobertura especificados.
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LIMITANTES DE SERVICIO Hay dos consideraciones que deben
cumplirse con el objeto de proporcionar una adecuada calidad de
servicio en una localizacin dada del terreno: La potencia recibida
(o intensidad de campo) en la antena del receptor debe exceder
un
umbral pre-establecido (esta asociada normalmente con la
sensibilidad del receptor).
Razn Seal a Interferencia (SIR o C/I) la cual debe ser mayor que
una mnima SIR establecida.
Estos parmetros cuantitativos son especficos del sistema y
servicio. En este laboratorio se asume que el receptor posee una
antena omnidireccional con una altura de 1.5m y 0dB de ganancia, la
cual es el valor por defecto empleado por Atoll. INTERFERENCIA Con
el objeto de calcular la Razn seal a Interferencia (SIR), debido a
la reutilizacin de canales, se debe de calcular la potencia de la
seal recibida por la celda servidora y el nivel de interferencia en
el receptor. Hay dos tipos de interferencia encontrados en una red:
1. Auto-interferencia: Causada por transmisores del mismo servicio
utilizando la misma
frecuencia o frecuencias adyacentes. 2. Interferencia Externa:
Causada por otras redes operando en los mismos rangos de
frecuencia. Hay un tercer tipo de interferencia que debe ser
tambin considerado: 3. Interferencia Causada: Es la interferencia
causada por nuestra red sobre otras redes. Adicionalmente, en redes
celulares, la Auto-interferencia puede ser: Intracell o Intercel
interferente. En redes GSM, Intracell interferente ocurre por el
uso de canales adyacentes (o si incorrectamente se ha asignado
co-canales en el mismo sitio). La Interferencia Intercell puede
incluir interferencia de canales adyacentes e interferencia
co-canal. MEDIDA DEL GRADO DE COBERTURA El grado de cobertura
usualmente se expresa por parmetros estadsticos: Porcentaje de
Tiempo: La probabilidad de que los requerimientos de servicio
sean
satisfechos en cierta localizacin de receptor por un periodo de
tiempo. Porcentaje de localizacines: La probabilidad de que los
requerimientos de servicio se
satisfagan durante un porcentaje de tiempo dado calculado sobre
el rea de servicio total.
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El porcentaje de tiempo es normalmente incluido en los modelos
de propagacin, tal que durante el planeamiento de cobertura se
enfoca la atencin en el porcentaje de localizaciones, llamada
probabilidad de servicio . El complemento de la probabilidad de
servicio se denomina probabilidad de corte (outage probability) .
El planeamiento de cobertura por computadora predice la
probabilidad de servicio verificando que se satisfagan los
requerimientos de servicio en un nmero finito de puntos del rea de
servicio, as, la probabilidad de servicio se estima por:
En este laboratorio, los requerimientos de servicio se verifican
en cada punto del terreno dentro del rea de servicio mediante la
huella de la celda mediante la potencia recibida.. PROCESO DE
PLANEAMIENTO DE COBERTURA El planeamiento de cobertura de redes de
radio usualmente es un proceso iterativo, el cual involucra los
siguientes pasos: 1. Definir/ cambiar la configuracin de
transmisores en la red. 2. Evaluar la cobertura (probabilidad de
servicio). Los pasos anteriores se repiten hasta que una
configuracin satisfaga la probabilidad de servicio pre-establecida
. En el planeamiento de cobertura interactivo, los cambios de
configuracin se realizan manualmente basados en la experiencia o
algunas veces en la intuicin. Es posible el planeamiento de
cobertura completamente automtico en el cual se deja a la
computadora el buscar configuraciones apropiadas tomando en cuenta
algunos objetivos de optimizacin. Este laboratorio se concentra en
el planeamiento de cobertura interactivo. III. CREACION DEL
PROYECTO EN ATOLL La Fig.1 muestra la interfaz grfica de Atoll
3.2
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Fig.1. Interfaz Grfica de Atoll 3.2 Antes de iniciar la creacin
del proyecto se debe prepara la siguiente informacin: Equipos de
Radio: sites, transmitters, antennas, repeaters, feeders, TMA y
cualquier otro a ser empleados.
Datos de RF: bandas de frecuencias, parmetros especficos de la
tecnologa empleada (e.g. BCCHs en GSM), sistemas de coordenadas,
etc..
Datos geogrficos: Para la utilizacin y creacin del proyecto en
Atoll debemos contar con la base de altura del terreno (height del
DTM), clutter classes, clutter heights, , population maps, etc.
Una vez que se ha colectado esta informacin se puede crear el
proyecto en Atoll. En este Lab. se utilizan datos geogrficos para
Nicaragua, los cuales se encuentran en la carpeta de Laboratorio
MapNicaragua (height, vector & Clutters).. En la informacin de
equipos, los patrones de radiacin de las antenas a ser utilizadas
en el proyecto son antenas Kathrein que se detallan durante el
proceso y se encuentran en la carpeta Antenas. La banda de operacin
ser Banda A 1900 (DL:1850-1865/UL:1930-1945) en Nicaragua. Las
asignaciones de banda de Nicaragua para PCS 1900 se muestran en la
siguiente tabla .
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CREACION DEL PROYECTO Se importar la base de datos digital de
Nicaragua, con resolucin de 30 metros. Esta base de Datos se
encuentra en la carpeta del Laboratorio llamada
1. Cree un nuevo proyecto en Atoll.
Fig.2 Crear New Project from Template. Para usar el template de
GSM usar GSM GPRS EDGE:
Fig.3: Seleccin de Template a ser utilizado.
IMPORTACION DE TERRENO DIGITAL
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Utilizaremos el terreno Digital de Nicaragua con resolucin 30
metros con proyeccin WGS84. 2. Para indicar la proyeccin
seleccionar Documents -> properties. Aparece el cuadro de dilogo
mostrado abajo. Presionar el boton a la par de Projection y en find
in seleccionar WGS84 UTM zones.
Fig.4: Seleccin de proyeccin WGS84. 2. Para seleccionar la zona
UTM, sabemos que Nicaragua se encuentra en la regin
que incluye Latitud 10.6o a 15o Norte y Longitudes entre 83o y
87.8o Oestes. Por tanto, debemos seleccionar UTM zone 16N, la cual
se muestra en la figura.
Fig.5: Seleccin de zona UTM en la que se encuentra
Nicaragua.
3. Para la muestra de coordenadas, seleccione WGS84 Lat/Lon. 4.
Guarde su proyecto, utilizando File-> Save, utilice un nombre
apropiado para el
proyecto, ejemplo LabUniNet.atl 6. Para cargar la base de datos
del terreno (heights), cutters & vectors:
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a. Alturas del terreno: Seleccione File-> import y en la base
de datos del terreno localice la carpete MapNicaraguaAtoll y la
carpeta de terreno con resolucin 30metros (Map Data_30m) y dentro
de esta seleccione la carpeta Heights->HEIGHT COMPLETO ->
index.
En el cuadro de dilogo que aparece, seleccione Altitude dado que
son alturas del terreno.
Fig.6:Seleccin para Heights. b. Vectores: Seleccione File->
import y en la base de datos del terreno localice
la carpete MapNicaraguaAtoll y la carpeta de resolucion de
30metros ( Map Data_30m), luego seleccione la carpeta
vectors->Tab_Nicaragua y seleccione todos los archivos dentro de
esta carpeta (Shifht + Cursor para seleccionar los archivos.
c. Clutters: Seleccione File-> import y en la base de datos
del terreno localice la carpete MapNicaraguaAtoll y la carpeta de
resolucion de 30metros ( Map Data_30m), luego seleccione la carpeta
Clutter->CLUTTER COMPLETO-> index. En la caja de dialogos que
aparece seleccione Clutter Classes
Fig.7: Seleccin para Clutter Classes.
7. Editando colores de Clutter para localizar poblacin: Es
deseable identificar con
colores particulares el uso de algunas reas, por ejemplo
poblaciones. Para editar los colores de clutter seleccione la
pestaa Geo, luego click derecho sobre Clutter Classes y seleccione
Properties.
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Fig.8: Properties de Clutter Classes.
Fig.9: Editando colores de Clutters para identificar zonas de
poblacin.
8. Guarde el proyecto File -> Save.
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ANTENAS DISPONIBLES Y FEEDER En esta prctica utilizaremos las
antenas Kathrein 742266V02 (Dualban 850MHz/1900MHz) y la antena
Kathrein 84010510 (Dual band 850MHz/1900). Las estaciones base
usaran Cable Heliax 1-5/8 tipo LDF-750 que, en la Banda de 1900
MHz, tiene prdidas de 0.05dB/m (las especificaciones indican
1.4dB/100 pies) y las prdidas de los jumpers y conectores en cada
extremos de 0.5dB, es decir 1dB total de prdidas en transmisin y en
recepcin. Adicionalmente, la longitud total del feeder es 5 metros
mayor a la altura de la antena (por ejemplo, si la altura de la
antena es 40 metros, la longitud del feeder empleado ser de 45
metros).
9. Definir los parmetros del feeder en nuestro proyecto. Para
ello seleccione la pestaa Parameters como se muestra en la figura.
Cree las especificaciones para el Feeder 1-5/8 at 1900MHz como se
ilustra en la tabla con las prdidas de conectores de 1dB y la
atenuacin indicada de 0.05dB/m.
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Fig.
10. La figura de Ruido para la BTS se definen en Transmitter
Equipment, por defecto se encuentra definido BTS con NF de 4dBs el
cual utilizaremos en la creacin de las celdas. Confirme que este
tipo de BTS se encuentra definido en su proyecto.
11. Para importar los patrones de radiacin de antena , : a. haga
click derecho sobre la carpeta Antennas y seleccione open table
como se muestra a
continuacin:
. b. Haga click derecho sobre la tabla y seleccione import y
localice en la carpeta del laboratorio
dentro de la carpeta Antennas -> 84010510 para importar los
patrones de radiacin de la antena omnidireccional.
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c. Aparecer una tabla indicando el mapeo de encabezados
identificados por Atoll, asegurese de que cada campo corresponde al
parmetro de antena correspondiente como se muestra en la figura
para la Ganancia. H-WIDTH corresponde al HPBW Horizontal, lo cual
debe seleccionarse.
c. Repita los pasos anteriores para importar la antena
742266V02. CREACION DE SITIOS/ BTS En Atoll una BTS (Base
Transmitter Station) consiste de un sitio con uno o ms Transmisores
(correspondientes a cada sector) compartiendo las mismas
propiedades. La red mvil UNINet tendr los sitios cuya configuracin
de RND Bsico se muestra en la Tabla 2. Tabla 2: RND Bsico de la red
mvil UNINet SITE NAME SECTOR LATITUDE LONGITUDE DATUM ANTENNA
AZIMUTH ET MT HEIGHT Power(dBm) Pista Metro UNI0003A 12.1348889
-86.26916667 WGS84
742266V02 30 2 8 42 46
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Centro
Pista Metro Centro UNI0003B 12.1348889 -86.26916667 WGS84
742266V02 150 2 6 42 46
Pista Metro Centro UNI0003C 12.1348889 -86.26916667 WGS84
742266V02 300 2 4 42 46
UNI_BAC UNI0005A 12.121 -86.26288889 WGS84 742266V02 20 2 6 45
46
UNI_BAC UNI0005B 12.121 -86.26288889 WGS84 742266V02 130 2 3 45
46
UNI_BAC UNI0005C 12.121 -86.26288889 WGS84 742266V02 250 3 3 45
46
UNI_UCA UNI0028A 12.1240278 -86.27297222 WGS84 742266V02 60 4 0
30 46
UNI_UCA UNI0028B 12.1240278 -86.27297222 WGS84 742266V02 180 4 0
30 46
UNI_UCA UNI0028C 12.1240278 -86.27297222 WGS84 742266V02 275 4 0
30 46
UNI_Pist Simon Bolivar UNI0037A 12.1333333 -86.27480556
WGS84
742266V02 60 2 9 42 46
UNI_Pist Simon Bolivar UNI0037B 12.1333333 -86.27480556
WGS84
742266V02 170 2 10 42 46
UNI_Pist Simon Bolivar UNI0037C 12.1333333 -86.27480556
WGS84
742266V02 300 2 6 42 46
3. Dado que la banda de operacin es Banda A 1900
(DL:1850-1865/UL:1930-1945), para crear la
configuracin bsica del primer sitio en RadioPlanning toolbar
seleccione EGPRS 1800 Urban, la cual ser el template a ser
utilizado para crear los sitios.
3. Presione el botn New Transmitter or Station
4. Mueva el cursor cerca de la posicin donde quiere ubicar la
BTS en la regin prxima a las coordenadas
de la UNI, cerca de la laguna de Tiscapa en Managua.
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5. Para crear la localizacin de un sitio y los parmetros de
transmission podemos utilizar la barra de herramientas, pero dado
que contamos con el RND de los sitios utilizaremos una plantilla de
texto que puede ser importada por Atoll. 6. Dado que las
coordenadas en nuestro RND se encuentran en grados decimales,
cambiar el formato de
grados en Document_>properties como se muestra en la
siguiente figura:
7. Ahora podemos modificar la posicin de la BTS a las
coordenadas de nuestro RND. Para ello haga doble
click en el sitio (en el centro) y coloque los datos del RND
como se muestra en la figura
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8. Como puede apreciarse, cada sector tiene las orientaciones
0,120 240. Para adecuar los parmetros de
cada sector acorde a nuestro RND, expanda la carpeta de
Transmitters, esta contiene tres sectores y de dobel click en el
sector 1 (tambien puede hacer doble click sobre el sector en el
grfico para modificar los parmetros).
9. En la ventana de dialogo modifique la potencia, altura,
azimuth y los parmetros de antena a lo indicado
en el el RND, antena 742266V02. Dado que la red opera en la
banda A, seleccionar la frecuencia ms proxima a la frecuencia
central en el Downlink, 1857.5MHz (ello dado que en Banda A
DL:1850-1865/UL:1930-1945). Esto se ilustra en la figura abajo
(seleccione aplicar sin salir de la configuracin de las propiedades
del transmisor (Note que dejaremos activo este sector, check en
Active).
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10. Modifique los parmetros de Feeder & TMA a los indicados
y presione Commit. La longitud del Feeder es 5m adicionales a la
altura como se muestra en la figura.
10. Cambie el Label del sector de UNI0003_1 a UNI003A, como
indica el RND.
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11. Seleccione el modelo de propagacin a ser empleado por este
sector. Para ello seleccione la pestaa
Propagation y configure Okumura-Hata para ser utilizado para el
sector , el radio de calculo a 20kms y la resolucin 30m se muestra
en la figura. Presione luego aceptar para salir de la configuracin
de parmetros.
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12. Debemos ajustar los cluster para ser empleados por el modelo
de Okumura Hata. Para ello seleccione la
pestaa de Parameters, expanda Propagation Models y haga doble
clisk en Okumurta-Hata como se ilustra en la figura.
12. Configure las prdidas a los valores indicados en la figura
abajo para los diferentes tipos de cluster.
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13. Como puede notar, los sectores se ven oscuros. Para
modificar la apariencia del sector seleccione la
pestaa Network y luego transmitters. Haga click derecho sobre
transmitters y seleccione Properties. En la pestaa de display
configure las propiedades como se muestra en la figura y presione
aceptar para que cada sector sea identificado con diferente
color.
14. Para realizar la prediccin de cobertura del sector recien
configurado, haga click sobre el sector (el sector
debe estar activo), seleccione Calculations -> Create New
Prediction.
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15. Para la prediccin de cobertura del sector seleccione
Covergae by Signal Level(DL), la cual nos
reflejar en nivel de potencia recibido en el Downlink y presione
Calculate.
16. Ahora debemos adecuar los rangos de forma que sea mas fcil
identificar los rangos de calidad de
recepcin en el rea. Para ello, seleccione en prediccin la
prediccin actual, correspondiente a UNI003A para que aparezcan los
rangos actuales:
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17. Modifique los rangos de forma que reflejen los rangos para
cobertura Urban, Suburban & Rural, los cuales definimos en
UniNet a los indicados en la figura:
18. Guardaremos esta leyenda de rangos a fin de reutilizarla en
los prximos plots. Para ello seleccione
Actions -> display configuration ->Save y guardela con el
nombre UniNet_SignalLevels.
19. Repita los procedimientos anteriores para configurar los
tres sectores del sitio AN0003 conforme al
RND dado. 20. Una vez configurados los tres sectores, coloque el
cursor sobre la carpeta Transmitters y seleccione
Calculations -> create new prediction para predecir la
cobertura de los sectores marcados de AN0003.
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21. Para utilizar los rangos guardados, en la pestaa display
seleccionar Actions, Display Configuration -> load and Apply y
seleccione el archivo de rangos guardado previamente
(UniNet_SignalLevels) y luego aceptar.
21. En prediccin, localice la el nombre de la prediccin, e.g.
Coverage by Signal Level (DL) , haga clic
izquierdo y seleccione Calculate para generar el Plot de
prediccin como se muestra en la figura.
22. Agregue todos los dems sectores del RND y genere la
prediccin de nivel de potencia recibido en toda
la zona.