Caracterización experimental y modelado del canal de propagación inalámbrico a 5.8 ghz en entornos marinos

Resumen

Las tecnologías inalámbricas actualmente empleadas en aplicaciones marinas están basadas principalmente en sistemas propietarios VHF, sistemas de comunicaciones móviles celulares (GSM, GPRS, UMTS, etc.) y sistemas de comunicaciones por satélite (INMARSAT, VSAT, etc.). Sin embargo, estos sistemas conllevan una serie de limitaciones tales como: baja capacidad de red y reducidos anchos de banda disponibles (sistemas GSM, VHF y sat élite), corto alcance (sistemas de comunicaciones móviles celulares), alto coste para ciertas aplicaciones (sistemas de comunicaciones móviles celulares y de satélite), y gran tamaño y peso de antenas y hardware de transceptores (sistemas VHF). Estas limitaciones han motivado una nueva línea de investigación cuyo objetivo general es diseñar y desarrollar un sistema de comunicación inalámbrico de banda ancha que soporte aplicaciones emergentes como, por ejemplo, aquellas relacionadas con la monitorización en tiempo real del entorno marino a través de medidas de múltiples parámetros físicos del mismo. Una red inalámbrica de sensores (WSN) basada en la tecnología WiMAX podría ser una buena opción para llevar a cabo dicho objetivo. Las WSN ofrecen un nuevo paradigma en aplicaciones de monitorización del medio marino. Pueden ser un tipo de red auto organizada y autónoma, compuesta por nodos sensores inteligentes que se pueden instalar a bordo de buques, boyas o plataformas flotantes, de tal manera que al menos uno de los nodos actúa como estación base de la red marítima, y el resto de los nodos se pueden apoyar entre sí para que todos los datos recogidos lleguen a su destino -la estación base- con el fin de monitorizar y procesar los datos de la red. WiMAX es una tecnología en desarrollo originalmente diseñada para operar en entornos terrestres, donde su buen rendimiento ha sido extensamente demostrado. Dentro de las bandas de frecuencias propuestas en el estándar IEEE 802.16 para la explotación de esta tecnología, la banda de frecuencia de 5 GHz es especialmente interesante para despliegues en mercados con baja densidad de usuarios, como el marítimo. Se trata de una banda destinada a aplicaciones industriales, científicas y médicas (ISM) de uso común disponible mundialmente. En particular, la sub-banda alta (5.725 GHz-5.850 GHz) es la más atractiva debido al hecho de que muchos países permiten potencias transmitidas superiores en comparación con otras bandas, por lo que el coste de despliegue de una WSN se reduce atendiendo al menor número de nodos necesarios en la red para cubrir un área de cobertura determinada. Además, cabe destacar que se han obtenido tasas de transmisión de datos del orden de varias decenas de Mbps y rangos de cobertura de hasta varias decenas de km. Todas estas características pueden ser útiles en el intento de superar las limitaciones e inconvenientes que presentan los sistemas inalámbricos marinos actuales. Sin embargo, el rendimiento de redes WiMAX no es óptimo en entornos marítimos debido a los diferentes condicionantes que impone el entorno a la propagación de las señales. Por lo tanto, es necesario adaptar la tecnología WiMAX para que su aplicación a escenarios marítimos sea de interés. Para ello, una tarea inicial y de vital importancia es investigar el comportamiento de las ondas de radio cuando se propagan por el canal físico de transmisión, en estos entornos, en la banda de frecuencia de interés. Hasta la fecha, diversos modelos de propagación y multitud de campañas de medidas experimentales han sido analizados en entornos terrestres tradicionales. Para enlaces radio marítimos, algunos estudios experimentales previos destacan características de propagación para diferentes condiciones y configuraciones. Sin embargo, dichos estudios no contemplan las condiciones cubiertas por el presente trabajo. En particular, el canal de propagación a 5.8 GHz en entornos marinos no ha sido investigado aún en profundidad para configuraciones con alturas bajas de los elementos radiantes respecto al nivel medio del mar. Esta Tesis Doctoral proporciona modelos del canal de propagación inalámbrico a partir de la caracterización estadística del mismo en entornos marinos a 5.8 GHz, basado en medidas experimentales de banda estrecha y banda ancha. Se presentan medidas de propagación experimentales para enlaces boya-buque, boya-bote, barco-costa y boya-costa. Las propiedades de un canal inalámbrico se pueden describir mediante varios parámetros. Aunque se investigan otros parámetros, la atención se centra en la pérdida de transmisión y en las características de dispersión del retardo, para caracterizar trayectos LOS y NLOS. Se han llevado a cabo tres campañas de medidas, que contemplan diferentes condiciones operacionales, empleando señales de sondeo de banda estrecha para caracterizar la pérdida de transmisión. Esta característica proporciona la información necesaria para establecer el balance de potencias del enlace y predecir la cobertura de un sistema inalámbrico. Se han identificado tres causas principales que afectan a la pérdida de transmisión: la distancia entre transmisor y receptor, la obstrucción de la señal, y el multitrayecto. Dichas causas imponen tres tasas de variación a la pérdida de transmisión: variaciones muy lentas y lentas (gran escala), y rápidas (pequeña escala). La caracterización de los parámetros de banda estrecha permite llevar a cabo tareas de despliegue de sistemas WiMAX en estos entornos tan complejos. Para separar las variaciones a pequeña escala de las variaciones a gran escala se ha promediado la señal recibida utilizando ventanas espaciales. Así, se estiman los valores de potencia media local en función de la distancia. Dichos valores reflejan las variaciones lentas y muy lentas de la potencia de la señal recibida (gran escala). Las variaciones muy lentas de la potencia media local se deben principalmente a la distancia, y se caracterizan generalmente mediante modelos de pérdida de trayecto. El exponente de pérdidas es el parámetro principal del modelo. Por otra parte, se ha observado que las variaciones de los niveles medios locales, respecto de su valor esperado con la distancia, siguen aproximadamente una distribución Gaussiana. La desviaci ón estándar del proceso aleatorio caracteriza dichas variaciones. En general, se ha observado que cuanto mayor es el nivel de obstrucción que impone el escenario, mayores valores para el exponente de pérdidas y la desviación est ándar se obtienen. Asimismo, se ha observado que la pérdida de trayecto experimental se ajusta bien al modelo de dos rayos en condiciones LOS. Sin embargo, cuando diversos obstáculos -como por ejemplo, edificios, grandes infraestructuras y embarcaciones- bloquean la señal transmitida, se ha observado que la señal recibida sufre una mayor atenuación. Se incluyen, también, resultados que contemplan situaciones en las que el receptor se encuentra en condiciones NLOS. Específicamente, se describen los efectos de la obstrucción debidos a buques, puentes y edificios, que se interponen en la línea de vista entre transmisor y receptor, resultando en desvanecimientos a gran escala de más de 22 dB. En general, en estas zonas, se han observado mayores pérdidas de señal y valores de desviación estándar, como consecuencia de los mecanismos severos de absorción, difracción y dispersión. Dichos efectos pueden limitar sobremanera la zona de cobertura de redes WiMAX. Por lo tanto, se requiere prestar especial atención a la planificación de la red con el objeto de asegurar los enlaces de banda ancha de forma ubicua sobre el mar. Respecto a las variaciones a pequeña escala, se ha observado que la distribución de las variaciones de los niveles de la señal recibida se ajusta a la función de distribución de Valor Extremo. Este análisis contempla condiciones de propagación LOS y NLOS. Los estudios realizados en escenarios en los que domina la condición NLOS, muestran que la función de Rayleigh es más apropiada para describir las variaciones a pequeña escala de la envolvente de la señal recibida. Sin embargo, la función de Rice se presenta como la que mejor ajusta dichas variaciones en el caso de que exista una componente dominante LOS. Las tareas de modelado del canal inalámbrico, además de predecir la pérdida de transmisión, requieren caracterizar la respuesta impulsiva del canal. Dicha caracterización permite a los diseñadores predecir el comportamiento en frecuencia de la señal transmitida, lo que ayuda a diseñar transmisores y receptores más eficientes. Este proceso se suele realizar típicamente cuantificando la dispersión del retardo que experimenta la señal en propagación, mediante el sondeo del canal con señales de banda ancha. En particular, el sondeo de canal se ha llevado a cabo mediante una señal periódica pulsada. Las características dipersivas del canal se cuantifican generalmente mediante el análisis estadístico de los parámetros de dispersión del retardo (el retardo medio y la dispersión eficaz del retardo, principalmente). La dispersión eficaz del retardo es útil para estimar la tasa de datos máxima de un canal sin la necesidad de implementar técnicas de procesado de señal adicionales como, por ejemplo, ecualización. Estos parámetros se extraen de los perfiles del retardo de potencia (PDP), que es la medida de interés de acuerdo al diseño del sistema de medida propuesto. Además, se analiza la dependencia de los parámetros del retardo con el entorno de propagación y otros aspectos, tales como las condiciones operacionales y los patrones de radiación de las antenas. Como principales resultados, cabe destacar el hecho de que los perfiles del retardo de potencia presentan una forma discontinua, en forma de picos, pudiéndose explicar por la geometría del escenario. Además, se ha observado que la forma de dichos perfiles depende de la estabilidad de los elementos que sustentan los sistemas radiantes sobre la mar, por lo tanto el diagrama de radiación de las antenas se presenta como una característica de vital importancia para este tipo de sistemas. Para el escenario bajo estudio, los valores de los parámetros de dispersión del retardo son tan bajos que el canal se podría modelar como un canal de banda estrecha, dependiendo del ancho de banda de la señal transmitida. Por otra parte, se han estimado valores elevados para el ancho de banda de coherencia, indicando que estos canales podrían soportar altas tasas de transmisión de datos. Finalmente, se ha observado que dichos valores están inversamente relacionados con los correspondientes a la dispersión eficaz del retardo.