Seminario 2 (2014)

Resumen Español
Universidad Universidad Politécnica de Cataluña (UPC)
Grado Ingeniería Telemática - 3º curso
Asignatura MXS
Profesor C.G.
Año del apunte 2014
Páginas 5
Fecha de subida 28/03/2015
Descargas 18
Subido por

Descripción

Resumen de los seminarios de MXS en Castellano.

Vista previa del texto

David Sesto Castilla Resumen Seminario 2 Seminario 2 - Resumen MEDIDAS DE PROPAGACIÓN Y MODELOS PARA CANALES DE COMUNICACIONES WIRELESS Las comunicaciones Wireless se pueden llevar a cabo por distintos medios, pasando por ondas de sonido, radio y luz, aunque se centra entre 100s MHz y unos pocos GHz. Hay parámetros muy importantes a tener en cuenta, como la potencia media (ni muy alta ni muy elevada, para no provocar interferencias entre canales) y la distribución estadística.
LA FÍSICA DE LA PROPAGACIÓN Hay 3 mecanismos básicos de propagación: reflexión, difracción y dispersión.
- Reflexión: sucede cuando una onda electromagnética choca con un obstáculo de dimensiones más grandes que su longitud de onda. Provoca interferencias constructivas o destructivas.
- Difracción: sucede cuando el camino entre tx y rx está obstruido por un obstáculo impenetrable. Por el principio de Huygens, se forma una onda secundaria detrás del obstáculo incluso si no hay LOS (Line-Of-Sight) entre tx y rx.
- Dispersión: sucede cuando el canal contiene objetos con dimensiones =< λ. La dispersión hace que la energía del tx sea re-radiada en múltiples direcciones. Es el fenómeno más difícil de predecir.
En los sistemas de radio, los ingenieros se centran en dos problemas principales: link budget (cantidad de potencia recibida que se espera a una distancia determinada del tx; determina aspectos como la P de tx, áreas de cobertura o duración de la batería) y time dispersion (fenómeno que hace que un rx reciba la misma señal con diversos retardos debido a los efectos de propagación anteriores; determina aspectos como el ratio máximo de tx de datos).
Parámetros de propagación - Path loss: en las comunicaciones móviles, las limitaciones de interferencia son más significativas que las limitaciones por SNR. Path loss es la potencia media local recibida en relación con la P tx.
- Multipath delay spread: ya que la dispersión temporal es un fenómeno relativamente aleatorio, los ingenieros suelen trabajar con modelos estadísticos como el rms medio o los valores de peor-caso. Aunque pueden darse casos exagerados, lo más habitual es que los ecos con 10 dB sobre el pico de señal se encuentren en menos de 25µs. Conclusiones: si una señal digital tiene una duración de símbolo > 10*rms, no hace falta ecualizador para errores de bit mejores que 10-3.
PROPAGACIÓN EN EL EXTERIOR Aunque la teoría suele dividir las zonas de cobertura en celdas hexagonales, las condiciones de interferencia no permiten hacer un uso óptimo de estos sistemas. Las celdas se dividen en: Macroceldas Son los orígenes de las primeras sistemas de radio, basados en una antena de broadcasting situada en el algún punto alto y que da cobertura a varios km. El problema que supone es extraer un modelo matemático adecuado para esa gran variedad topográfica. Empíricamente se ha David Sesto Castilla Resumen Seminario 2 demostrado que los efectos de la propagación tienen que ver con la frecuencia, altura de la antena, etc., aunque no ha habido muchos más avances.
Microceldas - Sistemas microcelulares: las microceldas están ganando adeptos porque pueden acomodar más suscriptores por unidad de área de servicio que las macroceldas, y permiten el acceso a dispositivos portátiles de baja potencia. Tienen un multipath delay spread más bajo, lo que permite unos bit rates más elevados.
- Microceldas de calle: se basa en antenas con una altura inferior a la de los edificios que la rodean, de manera que la potencia se propaga por las calles. En calles con LOS, la P rx cae con un factor n = 2 (como en campo abierto) hasta que llega a un breakpoint y empieza a caer con factor 4. En calles sin LOS (NLOS), la P rx sufre una caída repentina de unos 20dB.
- Modelado y predicción: existen varios modelos válidos: 4-rayos (directo, suelo, edificios), 6-rayos (más de los edificios)… y cuánto mayor es el nº de rayos tenido en cuenta, mejores son las predicciones, a costa de un mayor coste computacional. La difracción en las esquinas de los edificios es otro fenómeno que se tiene muy en cuenta.
PROPAGACIÓN EN EL INTERIOR – D. 2 Los sistemas de comunicación por radio cada vez son más importantes para transmitir información en el lugar de trabajo, así que son muchos los clientes que piden a sus compañías telefónicas un avance en las comunicaciones wireless en interiores. Los sistemas interiores se pueden separar en 3 clases principales: sistemas telefónicos sin cables, sistemas de celdas para edificios y redes de área local (LANs).
Hay muchos parámetros a tener en cuenta, como las interferencias entre usuarios, la distancia entre servidores, un link budget adecuado… Así que ahora analizaremos algunos de esos fenómenos: Propagación en edificios de una sola planta – D. 3, 4 Investigaciones desarrolladas por empresas de telecomunicaciones, laboratorios independientes y otras entidades, demuestran que el tipo de vivienda afecta de forma directa a las características en los fenómenos de propagación. Así que para diferenciar los fenómenos de propagación, los investigadores suelen dividir los edificios en las siguientes categorías: casas residenciales en áreas urbanas, edificios antiguos de oficinas con paredes fijas (particiones duras), edificios con paredes móviles (particiones blandas), edificios industriales, supermercados, tiendas y centros deportivos. Sin embargo, hay diferentes categorías de edificios que, por su distribución y materiales de construcción podrían ser tratados como iguales, ya que comparten ciertas características similares.
Las particiones duras se refieren a paredes y pasillos, obstáculos que no pueden ser evitados.
Las particiones blandas son objetos móviles (por ejemplo mobiliario) de altura inferior a la altura del techo.
Dentro de los edificios, los modelos de propagación se pueden diferenciar en LOS (visión directa entre tx y rx) o OBS (existen obstáculos sobre la LOS).
Como ya hemos visto con anterioridad en las presentaciones anteriores de nuestros compañeros, hay diversos parámetros que hay que tener en cuenta, y que se analizan a continuación: David Sesto Castilla Resumen Seminario 2 - Debilitación temporal para terminales fijos y móviles: sobre los terminales fijos, se ha demostrado que el movimiento de la gente por edificio crea un fading con un ratio de 10dB entre la P de la señal y los efectos del multipath explicado con anterioridad.
Por otra parte, un rx móvil experimenta un fading de tipo Rayleigh para propagación en caminos OBS (obstruidos) y de tipo Ricean para caminos con visión directa (LOS), sin importar el tipo de edificio. Por otro lado, la estructura del edificio y el número de recepciones multicamino afecta también al fading de la señal.
- Extensión del retraso multicamino: los edificios que tienen pocas particiones duras y elementos metálicos disfrutan de un retardo multicamino bastante pequeño (entre los 30 y los 60 ns), lo que permite trabajar con un bit rate de varios Mbps sin necesidad de añadir un ecualizador. Por otra parte, edificios más grandes y que no cumplen las características anteriores, pueden sufrir una expansión del retraso de hasta 300ns, lo que implica que, si no queremos añadir un ecualizador, el bit rate se verá limitado a unos pocos cientos de Kbps.
- Path loss: como ya hemos visto con anterioridad, el path loss mide la atenuación media de la Radio Frecuencia en un edificio, y se obtiene promediando la P de señal recibida en función de diferentes longitudes de onda utilizadas. Aplicando la ecuación general de cálculo del path loss (la cual resulta útil para análisis de sistemas con muchos usuarios en un edificio), cabe destacar que una sigma (σ) de valor más pequeño proporciona una mejor aproximación a la predicción de pérdidas en un edificio. La tabla que aquí vemos (añadir tabla al PowerPoint) muestra algunos valores estandarizados que se han medido en el pasado.
Propagación entre plantas – D. 5 Se ha demostrado que predecir la cobertura de radio entre diferentes plantas de un mismo edificio no es algo trivial, aunque sí que existen algunas normas generales que se pueden aplicar.
Para evitar las interferencias en canales adyacentes, es necesario reutilizar frecuencias en diferentes plantas, por lo que hay muchos factores que afectan a la atenuación en RF: desde el material de construcción utilizado entre plantas, pasando por la forma de la planta (un piso de forma cuadrada tiene una atenuación mayor que uno de forma rectangular), o incluso ventanas que utilicen tintes metálicos dificultan la tx entre plantas de un edificio.
También hay muchos otros parámetros curiosos a la vez que esenciales a la hora de planificar un sistema de comunicación sin cables en un edificio. Por ejemplo, se ha demostrado que la atenuación entre plantas no aumenta de forma lineal en función de la distancia, sino que el mayor factor de atenuación se produce si el tx y el rx se sitúan en plantas consecutivas, mientras que conforme la separación en plantas aumenta, el factor de atenuación se va suavizando. Se cree que este fenómeno podría ser debido a la difracción por los laterales del edificio o incluso la dispersión por edificios adyacentes. De esta manera, en esta gráfica (dibujar gráfica en la pizarra, con una exponencial negativa) vemos cómo para una planta de separación, la atenuación típica es de unos 15 dB, entre 2 y 4 plantas, la atenuación aumenta entre 6 y 10 dB y a partir de las 5 plantas de distancia, la atenuación sólo aumenta en unos pocos dBs.
Diseño de predicciones de propagación en edificios con asistencia computacional – D. 6,7 Las innovaciones tecnológicas permiten facilitar la labor a los ingenieros mediante software específico para cálculos de predicciones de modelos de propagación en entornos de edificios.
Por motivos económicos, las estaciones bases y receptores tienen que estar colocados en lugares estratégicos para proporcionar cobertura únicamente a las zonas del edificio que se David Sesto Castilla Resumen Seminario 2 desee. Por ese motivo, existen herramientas de CAD que permiten al diseñador de sistemas de radio modificar los entornos para generar un amplio abanico de escenarios con los que trabajar, en los cuales las estaciones baso se pueden añadir, recolocar o eliminar hasta obtener el resultado requerido. Además, muchos otros parámetros como los límites de SNR se pueden ajustar para ver simulaciones con más opciones.
Herramientas como AutoCAD permiten mostrar edificios tanto de una única planta como multiplanta, y asignar a las particiones ciertos valores para obtener modelos de propagación más realistas. Algunas investigaciones han demostrado que existe una manera bastante precisa a la vez que sencilla de predecir el path loss en sistemas RF, la cual consiste en dibujar una línea entre tx y rx y contar las particiones que vayamos encontrando en ese camino. De esta manera, añadiendo factores de atenuación medidos de forma empírica, se pueden obtener modelos bastante precisos.
Esta imagen muestra un ejemplo concreto de predicción por ordenador, en el que se muestra la comparación entre la predicción a priori y las medidas a posteriori, y como podemos observar, se consiguió un modelo bastante muy realista, con un error inferior a 3dB en cerca de un 80% del plano.
Por último en este punto, cabe destacar que en los últimos años se están introduciendo nuevas técnicas de predicción computacional, que incluyen las reflexiones producidas por las paredes del propio edificio, de manera que se prevé conseguir modelos aún más precisos con el paso del tiempo.
PENETRACIÓN DE LA RF EN LOS EDIFICIOS – D. 7, 8 Finalmente, hay otro parámetro que hay que tener muy en cuenta a la hora de diseñar este tipo de sistemas, y es la potencia de la señal recibida en el interior de un edificio cuando la fuente se encuentra en el exterior. ¿Por qué es esto importante? Porque hay muchos sistemas que comparten frecuencias con edificios vecinos o incluso con sistemas exteriores, por lo que hay que evitar las interferencias.
Aunque son pocos los experimentos que se han desarrollado y han salido a la luz, y que al igual que con la propagación entre plantas, es difícil predecir los modelos de propagación entre el interior y el exterior de un edificio, sí que se conocen algunas guías que nos pueden ayudar a entender este fenómeno.
Por norma general, la atenuación disminuye conforme la altura aumenta. Esto sucede porque el movimiento o “barullo” urbano (que incluye el movimiento de la gente, los vehículos, mobiliario urbano, etc) se sitúa a ras de suelo, de manera que se introduce una gran atenuación y los niveles de señal recibidos en una planta baja son muy inferiores. Sin embargo, para los pisos más altos, aparte de que este movimiento urbano no afecta de forma directa, quizá exista una LOS “limpia” que permita así reducir la atenuación.
Hay diversos experimentos que lo demuestran: (añadir 2 gráficos de pérdidas de penetración con altura) el primero de ellos muestra una caída de las pérdidas de penetración de 1.9dB por planta hasta la planta 15, y a partir de ahí se produce un aumento de las pérdidas, básicamente debido a un efecto de shadowing con los edificios colindantes. Por su parte, el segundo experimento muestra una caída de 2dB por planta hasta la planta 9 y un aumento de ahí para arriba.
David Sesto Castilla Resumen Seminario 2 Por otro lado, algunos experimentos en Liverpool han mostrado que a mayor frecuencia, mayor es la penetración. Y también se observan 6dB menos de pérdidas de penetración si las medidas se realizan frente a una ventana que frente a una pared, aunque la atenuación es mayor si la ventana contiene tintes metálicos (entre 3 y 30 dB de atenuación extra) que si no los tienes. Por último, el ángulo de incidencia de la señal transmitida sobre la superficie del edificio también puede afectar.
Así que, como hemos visto, son muchos los parámetros que hay que tener en cuenta a la hora de montar un sistema de radio tanto en interiores como en exteriores de edificios.
...