ESCUELA SUPERIOR POLITECNICA DEL LITORAL FACULTAD DE INGENIERIA EN ELECTRICIDAD Y COMPUTACION PROPAGACION
Análisis de pérdidas causadas por vegetación en la propagación de ondas terrestres aplicadas al diseño de un Sistema de Comunicación Wi-Fi entre la Biblioteca Central de Ingenierías y Sweet and Coffee en ESPOL
Presentado por: Zambrano Bonilla Emilio Alejandro Avellán Beltrán Erick Gustavo
Guayaquil – Ecuador 2016
INTRODUCCION
En las últimas dos décadas, las redes de datos que operan con tecnología inalámbrica en la banda de frecuencias libres de 2,4 GHz han experimentado un amplio desarrollo, originando con ello una gran penetración de este tipo de redes y su utilización en distintas aplicaciones para la trasmisión de datos. Ello ha motivado al desarrollo de modelos, métodos, técnicas, etc., que permitan, por un lado, mayor precisión en la planificación y dimensionamiento de dichas redes, y por otro lado, el mejor desempeño de las mismas en términos de velocidad de transmisión, coexistencia con otras sistemas inalámbricos de comunicaciones, entre otros. En el caso específico de la planificación y dimensionamiento de las redes inalámbricas de datos, un importante aspecto es la predicción de su cobertura, para lo cual se requiere de modelos de propagación que contemplen la o las frecuencias de operación de interés. En el caso de ambientes exteriores, estos modelos toman en cuenta la morfología, topología, condiciones atmosféricas, entre otros, propias del o los ambientes para los cuales son desarrollados. El cálculo de las pérdidas causadas por la vegetación puede resultar tremendamente complejo, especialmente si se acude a técnicas analíticas como GTD/UTD (Geometrical and Uniform Theory of Diffraction). Afortunadamente, los métodos empíricos suelen ser suficientes en la mayor parte de los casos y ofrecen una buena precisión. La gran dificultad que entraña la definición de un modelo matemático para el cálculo de la atenuación por vegetación es que depende de gran cantidad de factores y parámetros físicos. Por una parte, tenemos el tipo de vegetación: especies, árboles, arbustos, hoja perenne o caduca, densidad del follaje, etc. Por otra parte, su disposición geométrica (número, posición, altura) y su variabilidad temporal (efectos del viento sobre hojas y ramas o crecimiento a largo plazo). Luego es evidente que tener en cuenta todas estas características resulta prácticamente imposible. En ese sentido, se consiguen un significativo número de modelos de propagación (macrocelda o microcelda) que pueden ser aplicados para la banda de 2,4 GHz, entre los cuales destacan: Young, Lee, Longley-Rice, Okumura, Okumura-Hata, Extendido de Hata o COST-231 Hata, Sakagami-Kuboi y Walfisch-Bertoni.
MARCO TEORICO
PERDIDAS EN LA TRAYECTORIA POR EL ESPACIO LIBRE La pérdida en la trayectoria por el espacio libre se suele definir como la pérdida sufrida por una onda electromagnética al propagarse en línea recta por un vacío, sin absorción ni reflexión de energía en objetos cercanos. La pérdida en la trayectoria por el espacio libre es una cantidad técnica artificial que se originó debido a la manipulación de las ecuaciones de presupuesto de un enlace de comunicaciones, que debe tener determinado formato en el que se incluye la ganancia de la antena transmisora, la pérdida por trayectoria en el espacio libre y el área efectiva de la antena receptora. En realidad no se pierde energía alguna sino se reparte al propagarse alejándose de la fuente y se produce una menor densidad de potencia en determinado punto a una determinada distancia de la fuente. La ecuación para calcular esta pérdida, cuando la frecuencia se expresa en GHz y la distancia en km es
L p [ dB ] =92.4 20 log f + 20 log D Donde:
L p [ dB ] D
= pérdida en la trayectoria por el espacio libre
= distancia [km]
f
= frecuencia [Hz]
ATENUACION POR VEGETACION Un factor importante de degradación en sistemas que operan a frecuencias milimétricas, lo constituye la vegetación existente en las inmediaciones de los radioenlaces. Estos sistemas se caracterizan por visión directa entre las antenas, pero en ciertas ocasiones puede verse accidentalmente obstruido por árboles o incluso por techos de edificios en entornos urbanos, en esta situación el campo electromagnético presente en la antena receptora puede modelarse como la suma de la onda proveniente directamente del transmisor, y una multitud de pequeñas ondas dispersar por los edificios adyacentes y por las hojas de los árboles cercanos. De acuerdo a la UIT-R P.833-4, la cual es la versión vigente en cuanto a atenuación debida a la vegetación los modelos que describen la gama de frecuencias comprendidas entre 30MHz y 60GHz son
Trayecto Terrenal con un terminal en zona boscosa Para un trayecto radioeléctrico terrenal, uno de cuyos terminales está situado en un bosque o en una zona similar de vegetación extensa, la pérdida adicional debida a la vegetación puede describirse en base a dos parámetros: – el índice de atenuación específica (dB/m) debida fundamentalmente a la dispersión de energía fuera del trayecto radioeléctrico, que se mediría en un trayecto muy corto; – la atenuación adicional total máxima debida a la vegetación en un trayecto radioeléctrico (dB) limitada por el efecto de otros mecanismos, entre ellos, la propagación de ondas de superficie por encima del medio vegetal y la dispersión dentro del mismo. En la Fig. 1, el transmisor está fuera de la zona boscosa y el receptor está a una cierta distancia, d, dentro de la misma. La atenuación excesiva, Aev, debida a la presencia de la vegetación viene dada por:
A ev =A m [ 1−e
−d∗γ Am
]
Donde: d : longitud del trayecto dentro de la zona boscosa [m]
γ
: atenuación específica para trayectos en vegetación muy cortos [dB/m]
A m : atenuación máxima cuando un terminal está dentro de una zona de vegetación de un tipo y profundidad específicos [dB] Es importante observar que en la definición de exceso de atenuación,
A ev
v
, se
incluye el exceso debido a todos los demás mecanismos, y no sólo la pérdida en espacio abierto. Por consiguiente, si la geometría del trayecto radioeléctrico fuese de tal forma que el despejamiento total de Fresnel del terreno no existiera,
A ev
sería el
exceso de atenuación producido tanto en espacio abierto como por la pérdida por difracción. De igual forma, si la frecuencia fuera suficientemente alta como para que la absorción gaseosa resultara significativa,
A ev sería también el exceso producido
por la absorción gaseosa. Debe observarse asimismo que Am es equivalente a la pérdida por ocupación del suelo observada frecuentemente en el caso de terminales obstruidos por alguna forma de cobertura del terreno u ocupación del suelo. Se hace hincapié en que la atenuación debida a la vegetación varía ampliamente debido a la naturaleza irregular del medio y a la gran variedad de especies, densidades y condiciones de humedad que se da en la práctica. Los valores que se muestran en la Fig. 2 deben considerarse únicamente como ejemplos.
FIGURA 2 Atenuación específica en zona boscosa 10
Atenuación específica (dB/m)
1
10–1
V 10–2 H
10–3 10 MHz
100 MHz
1 GHz
10 GHz
100 GHz
Frecuencia V: Polarización vertical H: Polarización horizontal
0833-02
A frecuencias del orden de 1 GHz, la atenuación específica en zonas de árboles con hojas es normalmente un 20% superior (dB/m) que en las zonas de árboles sin hojas. También puede haber variaciones de la atenuación debido al movimiento del follaje, por ejemplo a causa del viento. El valor de la atenuación máxima, Am, limitada por la dispersión de la onda de superficie, depende del tipo y la densidad de la vegetación, así como del diagrama de radiación de la antena del terminal que se encuentra dentro de la vegetación y de la distancia en vertical entre la antena y el punto más alto de la vegetación. La dependencia de la frecuencia de Am (dB):
Am A1 f
ENTORNO A ANALIZAR El escenario que se va a analizar comprende la Biblioteca Central de Ingenierías y el centro Sweet and Coffee entre los cuales se pretende crear un punto de conexión WiFi ubicándose el transmisor en la Biblioteca y el receptor en el Sweet and Coffee.
Como se puede apreciar en la imagen tomada desde el software de Google Earth existe la presencia de gran cantidad de vegetación debido a que el Campus Gustavo Galindo se encuentra en el Bosque Protector Prosperina el cual es un bosque seco. Entre el transmisor y receptor hay una distancia de 130m, de las cuales 122m presentan vegetación que corresponde a árboles. El área del Bosque Protector La Prosperina comprende bosque natural muy intervenido y pasto artificial en aproximadamente 74%, bosque natural medianamente intervenido en 8% y el restante 18% corresponde al área construida.
DESARROLLO DEL MODELO DE PROPAGACION Datos
d=128 [ m ] f =2.4 Ghz
Para este escenario hipotético se decidió utilizar una antena de 2.4 GHz con polarización vertical, gracias a la gráfica se puede obtener el valor de atenuación específica:
γ ≅ 0.50
[ db/m ]
Para poder calcular la atenuación máxima tomamos como referencia datos de estudios realizados en condiciones muy similares a las que presenta el terreno que comprende nuestro enlace, de la que se obtuvo:
A 1=1.25 [ db ]
α =0.5 8
Calculando atenuación máxima:
A m =A 1∗f
α
9 0.58
A m =( 1.25 )∗(2.4∗10 ) A m =344693.05
[ db ]
Una vez obtenida la atenuación máxima podemos calcular la pérdida causada por la vegetación que existe entre los puntos Tx y Rx de nuestro enlace hipotético:
[
(
Lveg =344693.05 1−exp
−(120 ) (0.50) 344693.05
)]
Lveg =¿ 60
[ db ]
Calculamos la perdida de camino
Lath pass =20 log
Lath pass =20 log
(
4 π ( 2.4∗10 9) (131) 3∗108
Lath pass =82.39 La Pérdida total
( 4 πfd c )
[ db ]
)
Lt=L ath pass + Lveg Lt=82.39
[ db ] +¿ 60 [ db ]
Lt=142.39 [ db ]
CONCLUSIONES
Como se puede apreciar el valor de la atenuación provocada por la vegetación es considerable para este escenario, resaltando la importancia de los modelos de propagación dependiendo de la profundidad y el tipo de terreno que nos encontremos, ya que estas pérdidas influyen de manera directa a cualquier tipo de enlace que vayamos a realizar siempre y cuando la altura de las torres no sea considerablemente superior a la distancia del enlace.
El conocimiento adquirido sobre las pérdidas en los enlaces de corta distancia que siguen algún modelo de propagación cercano a la Tierra podrá ser aplicado a futuro en cualquier implementación práctica que vayamos a realizar.
FUENTES BIBLIOGRAFICAS Atenuación por vegetación de radioenlace: http://www.radioenlaces.es/articulos/calculo-de-la-atenuacion-por-vegetacionen-un-radioenlace/ Parámetros de Atenuación en Propagación de ondas: http://bibdigital.epn.edu.ec/bitstream/15000/10988/1/T674.pdf Recomendación de la ITU vigente: https://www.itu.int/dms_pubrec/itu-r/rec/p/RREC-P.833-4-200304-S!!PDF-E.pdf Campus Gustavo Galindo Velasco: https://es.wikipedia.org/wiki/Campus_Gustavo_Galindo_Velasco Bosque Protector Prosperina: http://www.bosqueprotector.espol.edu.ec/Informate/informate.html http://www.bosqueprotector.espol.edu.ec/Informate/Flora/flora.html Análisis de Radio propagación: http://www.slideshare.net/nica2009/lecture-4analisis-radioprop-p2
