Caracterización del canal de radio de banda ancha en entornos interiores

En este artículo se realiza una caracterización general del canal de radio en interiores para su correcta utilización. Para realizar la misma, primeramente se hace un estudio teórico de los parámetros que pueden afectar de una manera u otra la calidad de las señales transmitidas por el mismo, además se hace un breve estudio del método que se utilizó para realizar las mediciones.

Por último, basándonos en los valores obtenidos de algunas mediciones que fueron realizadas en nuestro Centro en otros años se hace un análisis del mismo y se mencionan algunos métodos que se utilizan en la actualidad para mitigar el efecto de desvanecimiento por la multitrayectoria que presenta el canal, facilitando así un buen aprovechamiento del mismo.

Palabras Claves: Canal de radio, Desvanecimiento, Multitrayectoria.

ASTRACT:

In this paper there is a general characterization of the radio channel indoors for their proper use. To make it first drew up an outline of the theoretical parameters that can affect one way or another quality of signals transmitted by it. In addition, a brief study of the method that was used for measurement. Lastly, based on values obtained from some measurements were made on our environment in other years there is an analysis of it and mentioned some methods currently used to mitigate the effect of fading by introducing the channel multipath effect, thus facilitating a good use of it.

Key words: Radio channel, Desvanecimiento, Multitrayectoria.

Introducción.

El campo de las comunicaciones móviles e inalámbricas está creciendo a una tasa explosiva inesperada por los diseñadores de los sistemas actuales, los cuales empiezan a quedarse cortos en recursos de ancho de banda. Esto es considerado

un grave problema, porque en la actualidad los servicios de comunicaciones móviles e inalámbricas que se brindan requieren de una gran velocidad de datos en demanda y la escasez de ancho de banda limita la velocidad de transmisión de datos y voz. Para darle una solución a este problema es que surgen los sistemas de comunicaciones de tercera y cuarta generación.

Cualquier sistema de comunicaciones encuentra dificultades causadas por el medio de comunicación. Para un sistema de comunicaciones inalámbricas, el medio es un canal Multitrayecto donde, debido a los fenómenos de la propagación, la señal transmitida sufre interferencia, desvanecimiento y ruido. Por lo tanto una adecuada caracterización del canal es indispensable para cualquier sistema de comunicaciones. Las limitaciones de velocidad de un enlace inalámbrico son impuestas por las propiedades del canal. Analizar el canal de radio se torna un poco complicado ya que por el viajan todas las ondas que utilicen el espacio libre como medio de transmisión.

Sin embargo es importante estudiar el canal de radio, lo que implica conocer los mecanismos fundamentales de propagación de las señales de radio, los factores de atenuación y las fuentes de distorsión. Con esta información se puede modelar matemáticamente dicho canal, y a su vez, utilizarle para diseñar apropiadamente sistemas moduladores y codificadores de canal.

En este artículo presentaremos los resultados obtenidos mediante una caracterización estadística del canal de radio en entornos de interiores, dichos resultados son aplicables al estudio de la calidad de los sistemas de comunicaciones inalámbricas. Ya que conociendo las características del canal se podrá diseñar el sistema utilizando las técnicas más convenientes, y por lo tanto obtener una mayor confiabilidad y fiabilidad del mismo.

Estudiar el canal radio implica conocer los mecanismos fundamentales de propagación de las señales de radio, los factores de atenuación y las fuentes de distorsión. Con esta información, se puede modelar matemáticamente el canal radio y a su vez, el modelo permite diseñar apropiadamente algunos sistemas importantes como son los moduladores y codificadores de canal.

Canal de Radio Móvil. Al medio físico utilizado para enviar señales desde un Transmisor hacia un Receptor se le conoce como Canal de Comunicación y el canal de radio no es más que el canal de comunicación que utiliza el espacio libre y la atmósfera como medios de transmisión, dicho canal se caracteriza porque al menos una de las terminales involucradas en la comunicación se encuentra en movimiento. En el caso de las redes radio celulares, las estaciones base son fijas, mientras que las terminales que utilizan los usuarios tienen libertad de movimiento. El Canal de Radio es un concepto muy amplio ya que cualquier información que se transmite a través del espacio libre cae dentro de esta categoría tal es el caso de las transmisiones en interiores de edificios y en exteriores, las transmisiones a través de terminales fijas y en movimiento, las transmisiones dentro y fuera de la atmósfera terrestre, entre otras. El Canal de Radio es extremadamente aleatorio y de análisis complicado ya que la ruta de transmisión entre el Transmisor y Receptor puede variar de una visión directa (LOS; Line Of Sight) a otra severamente obstruida por edificios, montañas y vegetación. Los mecanismos de propagación de las señales de radio pueden atribuirse principalmente a la reflexión, difracción y dispersión. La mayoría de los sistemas celulares operan en áreas urbanas y las múltiples reflexiones de las señales de radio en edificios y estructuras hacen que la estación móvil reciba una gran cantidad de versiones de la señal transmitida, en lugar de una sola. De hecho, cada versión de la señal transmitida llega a la estación móvil con un retardo de tiempo, un desfasamiento de amplitud, fase y frecuencia determinados por la trayectoria seguida por la señal desde la estación base hacia la estación móvil. En consecuencia, las señales recibidas por las estaciones móviles son sustancialmente diferentes a las versiones transmitidas. El nivel de la señal recibida se mejora cuando las señales de las diferentes trayectorias interfieren constructivamente en la antena de la estación móvil, sin embargo ocurre lo contrario cuando interfieren destructivamente, a este fenómeno de atenuación se le conoce como Desvanecimiento Multitrayectorias y puede ser tan profundo que la señal recibida sea nula. Es importante considerar las frecuencias de operación ya que las condiciones ambientales afectan a las señales de manera diferente en función de su frecuencia. Algunos fenómenos metereológicos como la niebla, la lluvia y la nieve deterioran en mayor medida a las transmisiones de altas frecuencia.

Mecanismos básicos de Propagación.

Los tres mecanismos básicos de propagación de las señales de radio son la Reflexión, la Difracción y la Dispersión. Estos mecanismos dan origen a desvanecimientos, pérdidas de trayectoria y distorsiones (Efecto Doppler), lo que a su vez se traduce en una reducción de la relación señal a ruido SNR (Signal to Noise Ratio) y un aumento en la tasa de errores BER.

• Reflexión: La señal de radio frecuencia (RF) es reflejada cuando incide sobre una superficie de mayor longitud que su longitud de onda, por ejemplo la superficie terrestre, paredes y edificios. Cuando una señal de radio que se propaga a través de un medio incide en otro medio de propiedades eléctricas diferentes, es parcialmente reflejada y parcialmente transmitida.
• Difracción: El fenómeno de difracción permite que las señales de radio se propaguen sobre la superficie curva de la Tierra y a través de obstáculos. Se puede decir que la señal de RF se flexiona para vencer obstáculos entre el transmisor y receptor.
• Dispersión: La señal recibida en un canal móvil es siempre más intensa de lo que se pudiera predecir a través de los fenómenos de reflexión y difracción. Esto es debido a que la energía reflejada es distribuida hacia todas direcciones cuando una onda de radio incide sobre una superficie rugosa (Superficie de menor tamaño que la longitud de onda de la señal incidente). Algunos objetos tales como postes de iluminación, árboles, y anuncios de tránsito tienden a distribuir la energía hacia todas direcciones.

Los mecanismos descritos anteriormente solo actúan en la señal recibida por diferentes vías, si hay una línea de visibilidad directa entre el Transmisor y el Receptor la dispersión y la difracción no van a ser factores dominantes en la propagación de la onda, sin embargo en ausencia de una línea de visibilidad directa entre el Transmisor y el Receptor la dispersión y la difracción se convierten en factores dominantes en la propagación, la intensidad de la señal recibida fluctúa rápidamente con respecto al tiempo y al desplazamiento del Transmisor y el Receptor. La señal transmitida que experimenta la influencia de la Dispersión, Reflexión y la difracción llega al Receptor por diferentes trayectos y a este fenómeno es llamado Propagación por Multitrayecto y se representa en la figura 1, en la misma aparece que cada replica de la señal que llega al Receptor ha viajado por diferentes distancias y además ha sufrido diferentes atenuaciones en fase, amplitud y llegan con diferentes tiempos de retardos. Figura 1. Propagación por Multitrayecto. La Propagación por Multitrayecto puede causar diferentes efectos, para ellos se realiza un análisis en el Tiempo y la Frecuencia.

Estructura de las Mediciones del canal.

La estructura que se utilizó en las mediciones fue dividida en dos partes fundamentales: La parte Trasmisora y la Parte Receptora, esto se muestra en la figura X donde la parte transmisora consta de un Generador de Radiofrecuencias (RF) AVCOM, un Amplificador de Potencia de RF Mini-Circuit TIA-1000-1RB, un atenuador a la salida de este último con el objetivo de proteger el Diodo que se utilizo como Antena Transmisora. El Diodo utilizado fue un MP651A de 50 ohm de entrada calibrado en Polarización Vertical, el Generador de RF trabaja de 0.1Mhz a 1000Mhz posibilitando que se pudieran realizar mediciones en el rango de frecuencias de 800Mhz a 1000Mhz, la potencia con que fue alimentada la antena es 12mW, la parte Receptora está compuesta por una antena con similares características que la de la parte Transmisora a ella se conecta un medidor de frecuencia que en este caso es un analizador de espectro Anritsu Ms-2601, el cual fue conectado a través de la interfaz RS232 a una computadora, donde se recogen los datos de las mediciones realizadas.

Figura 2. Estructura para establecer las mediciones.

Campaña de mediciones.

Como el objetivo de las mediciones es caracterizar general del canal de radio, se deben realizar un cierto número de mediciones para dar una valida descripción estadística del canal, por lo que las mediciones fueron realizadas en diferentes locales en Interiores apoyándose en trayectorias LOS como NLOS, las mediciones fueron realizadas en el entorno del edifico 1B del ISPJAE. [Referencia] Aunque las mediciones fueron desarrolladas en diferentes medios el procedimiento a seguir fue el mismo, para cada sitio las mediciones se dividieron en áreas locales siendo estas circunferencias de 2metros de diámetros cada una, las cuales se encuentran separadas entre sí a una distancia considerable entre sí para evitar una posible correlación entre ellas. [3]

Procesamiento de los datos.

Estimación de la óptima separación de umbral.

Para obtener una mejor aproximación en el cálculo del se propone la determinación de la óptima separación de umbral, para calcular la estimación del error de diferentes separaciones de umbrales se utiliza el criterio de error de los mismos medios cuadráticos y para cada separación en particular de umbral el error se calcula según la siguiente ecuación:

(1)

Donde:

Vector que contiene los valores de referencia.

Vector que contiene los valores de referencia.

El cálculo es efectuado para dos casos especiales, el primero cuando se toma un solo umbral por encima del estándar y el segundo cuando son tomados dos umbrales colocados simétricamente encima y debajo del umbral estándar. Las curvas de error (MMSE) se muestran el la figura 3 a partir de las gráficas se pueden obtener la óptima reparación de umbral, los resultados del filtrado para la óptima separación de umbrales se muestran en la figura 4 y 5 y los gráficos de dispersión para ambos casos son mostrados en la figura 6.

Figura 3. Estimación de las curvas de error parar diferentes separaciones de umbral.

Figura 4. Valores de RDS obtenidos netamente de las mediciones a las que se añade ruido y luego son filtradas por un filtro con ventana de media deslizante.

Figura 5. Resultados de la estimación con el filtro para óptima separación de umbral.

Figura 6. Gráfico de Dispersión para los valores de RDS estimados con: A.) Un umbral. B.) Dos umbrales.

Se puede observar que el método planteado puede estimar valores de RDS que son bastantes similares a los valores de referencia, como puede verse hay una pequeña diferencia entre los resultados basados en el método de un solo umbral y el de dos umbrales, el método de filtrado basado en un solo umbral da un error de y el error para el método basado en dos umbrales es de De la figura X se puede observar que el método de filtrado basado en dos umbrales parece menos sensible a la separación de umbral y al aumentar la distancia de separación de umbrales la pendiente de la estimación del error es menor que si tuviese un solo umbral, ambos casos sin embargo brindan una buena estimación de los valores RDS con respecto a los valores RDS de referencia.

La diferencia entre ambos métodos se puede explicar de la siguiente manera: Teniendo dos umbrales adicionales conociendo que el ruido puede afectar la señal en ambas direcciones, la estimación de los niveles de cruce estará más acorde para poder estimar los valores de RDS y por ende que estos sean lo más parecido posible a los de referencia, por lo que si se tiene un solo umbral adicional la presencia de ruido puede llevar a la estimación errónea de los niveles de cruce, siendo más confiable el método de los dos umbrales adicionales, siendo este el método aplicable para el procesamiento de los datos.

Esparcimiento por demoras en sitios con Visibilidad Directa.

Para ello se realizaron las mediciones en lugares donde existían entre el Transmisor y el Receptor una línea de Visibilidad Directa, estos sitios son: Aula 1A302, laboratorio de Antena y el Pasillo Central. Los valores de potencia medidos oscilaban entre -2.70dBm y 50,12dBm [Referencia], en la figura 7 se muestra los espectros de potencia medidos en cada uno de estos sitios, donde la influencia de ruido para cada uno de estos locales estaba entre -68.8dBm y 70.7dBm como se muestra en la figura 8.

Figura 7. Espectro de Potencia en los sitios con LOS. a) Aula 1A302, b) Laboratorio de antena y c) Pasillo Central.

Figura 8. Espectro de Ruido en los sitios con LOS. a) Aula 1A302, b) Laboratorio de antena y c) Pasillo Central.

Como se menciono anteriormente la estimación del se basa en la obtención de los niveles de cruce, los cuales estan dados por los Desvanecimientos del canal debido a las multitrayectoria del mismo y a la influencia del ruido, de acuerdo a los valores analizados de este ultimo se llego a la conclusión de que su influencia no era muy determinante y a continuación en la tabla 1 se mostraran los valores de para el caso de 2 umbrales adicionales y para el caso de un umbral adicional.

Tabla 1. Valores de Trms correspondientes a sitios LOS.

Esparcimiento por demoras en sitios sin Visibilidad Directa.

Para estos lugares los valores de Potencia medidos oscilaban entre -11.48dBm y -51.08dBm, donde los espectros promedios se mostraran en la figura 9, en la misma aparece que la influencia del ruido es mas o menos similar al medido en los sitios con LOS, aunque en este caso se puede ver también que los Desvanecimientos por Multitrayectoria degradan aun mas la señal.

Figura 9. Espectro de Potencia Promedio en los sitios con NLOS. a) Aula 1A302, b) Laboratorio de antena y c) Pasillo Central.

A continuación mostraremos la tabla 2 donde se representaran los valores estimados de RDS pudiéndose comprobar que son superiores a los de los sitios con LOS, a la vez que se puede observar la pequeña diferencia que hay entre la utilización de uno o mas umbrales de separación.

Tabla 2. Valores de Trms correspondientes a sitios NLOS.

Análisis general de los resultados estimados de RDS.

En las figuras 10 y 11 se mostraran el comportamiento para un umbral y parra dos umbrales converge en gran medida para una misma probabilidad de ocurrencia de ambas curvas en sitios con LOS y en sitios NLOS respectivamente

Figura 10. CDF de los RDS LOS. a) Con un umbral.

b) Con dos umbrales.

Figura 11. CDF de los RDS NLOS. a) Con un umbral.

b) Con dos umbrales.

Los valores obtenidos estan acordes a los esperados de acuerdo a las características y dimensiones de los locales [3], las menores demoras corresponden al aula 1A302 que esta despejada completamente además la pared trasera es de cristal, disminuyendo asi considerablemente la Multitrayectoria del canal, en el caso del pasillo central posee rejas distribuidas a lo largo del mismo y a esta longitud de onda el comportamiento de la Multitrayectoria se asemeja al provocado por una quía de onda. Para el caso de las mediciones realizadas en un entorno interior-exterior era de esperar un valor alto en la demora por las diferencias que existen entre ambos medios.

A continuación se mostrara la tabla 3 donde se representa el comportamiento general de las RDS tanto para sitios con LOS como para sitios con NLOS

Tabla 3. Resumen de los RDS.

El ancho de banda de coherencia del sistema estará dado por el máximo valor de obtenido garantizando asi que Bc sea mínimo y como el ancho de banda de Transmisión debe ser mayor a este, garantizando la no ocurrencia de Interferencia Intersímbolos. Este ancho de banda de coherencia corresponde a una máxima velocidad de símbolos confiable de 2.54MBaudios lo cual garantiza también el peor caso de Transmisión [2], para aumentar la velocidad del símbolo se utilizan técnicas de ecualización del canal.

Análisis de los resultados del Factor de Rycian. (K)

El Factor K se analiza en la figura 12 a partir de su CDF para cada sitio donde se realizaron las mediciones.

Figura 12. CDF del Factor Rycian K. a) Sitios con LOS.

b) Sitios con NLOS.

La diferencia entre situaciones con LOS y NLOS se puede observar en la figura anterior, donde el valor promedio del factor K en sitios LOS es de 19.46dB mientras que en sitios NLOS es de 12.48dB [3], a partir de estos valores se deduce el comportamiento del canal para ambos sitios, viendo que en el caso para NLOS el comportamiento no es Rayleigh como indica la teoría, pero si analizamos entre aulas su valor este sera de 15.88dB lo cual es un valor elevado teniendo en cuenta que el Transmisor y el Receptor no se encuentran en una línea de Visibilidad Directa, aunque no es tampoco un comportamiento para sitios LOS. De aquí se puede deducir que la pared que separaba al Receptor del Transmisor no obstruía totalmente la señal, por ello en sitios LOS la Visibilidad Directa es predominante en cada punto de recepción, esto provoca que el Factor de Rycian K sea de un valor elevado, se conoce que para K mucho mayor que 1 el canal se puede ajustar a una Distribución Gaussiana o normal, aunque existen Desvanecimientos acentuados el canal bien puede ajustarse a una Distribución Log-Normal, por el contrario si hay perdidas de la componente dominante el Factor K tiende a 0 y el canal tendría un comportamiento de Rayleigh.

Conclusiones.

En el presente artículo se realizo un estudio y análisis de los principales parámetros que caracterizan el canal y damos algunas de las soluciones mas utilizadas y efectivas para mitigar o aprovechar los efectos que causa el Desvanecimiento provocado por el Multitrayecto, se realizaron cálculos de la separación umbral, los niveles de cruce y el análisis estadístico para de esta manera concluir en que el canal presenta Desvanecimiento Rycian.

Referencias.

[1] Marante Rizo Francisco, Caracterización del canal de radio, Parte 1. (PPT)

[2] Marante Rizo Francisco, Caracterización del canal de radio, Parte 2. (PPT)

[3] Bohdanowicz Adrian, Wideband Indoor and Outdoor Radio Channel Measurements.

[4] Witrial Klaus. Bohdaniwicz Adrian, Influence of noise on a novel RMS delay Spread estimation method. Delt University of technology, Netherlands.

[5] Sklar Bernard, Digital Communications. Fundamentals and Application, Prentice-Hall, New Jersey USA 1988.

[6] Wiley Jon, The mobile radio propagation channel Second edition J.D Parsons 2000.

[7] Glisic Savo G. Advanced Wireless Networks, University of Oulu. Finland.

Autor:

Ing. Maytée Odette López Catalá

Ing. Saul Izaquirre Leach

Centro de Dirección Nacional Telecomunicaciones-ETECSA, Ciudad Habana, Cuba.