EFECTOS DEL TRAFICO DE PERSONAS SOBRE LA ATENUACION EN EL CANAL DE PROPAGACION EN INTERIORES CONSTANTINO PÉREZ VEGA. Mª. LUISA MEDIAVILLA L. Mª. DEL CARMEN DIEZ G. DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA DE COMUNICACIONES UNIVERSIDAD DE CANTABRIA AV. DE LOS CASTROS, S/N. 39005 - SANTANDER ABSTRACT. The effects of random human traffic on path loss in the communications channel at 1.8 GHz have been experimentally measured, and the results reported in this paper. Such effects amount for an increase in path loss up to 5 dB when the transmitting and receiving antennas are not in very close proximity to the human body, and introduce an additional fading component that must be taken into account in the power budget of a communications system. 1. INTRODUCCION La interacción de las ondas electromagnéticas con sistemas biológicos ha sido y, continua siendo, objeto de numerosas investigaciones. En algunos casos, como resultado de la preocupación creciente, tanto por las propiedades terapéuticas, como por los posibles riesgos potenciales de la radiación electromagnética sobre el cuerpo humano, interesa cuantificar el efecto de aquélla sobre el tejido biológico [1] - [7]. En otros casos, el interés es inverso, es decir, se centra en el estudio de los efectos del cuerpo humano sobre la energía electromagnética y, particularmente, sobre las propiedades de las antenas [8], ya que su acoplamiento con los objetos y personas en el entorno modifica sus características de radiación. En el rango de frecuencias de 20 MHz a 1 GHz, el cuerpo humano se comporta, de forma predominante, como reflector con diversos grados de eficiencia, a una antena delante de él, en tanto que, en la parte posterior se tienen mínimos a causa de la absorción [9]. Sin embargo, el comportamiento electromagnético del cuerpo depende de la frecuencia, ángulo de incidencia y polarización de la onda incidente en forma muy difícil de cuantificar, por lo que no es posible intentar una solución precisa en la práctica. Se han desarrollado diversos modelos teóricos [2]-[4] para intentar determinar la relación entre la densidad de potencia incidente y la absorbida por el cuerpo y, aún cuando la complejidad del problema electromagnético es considerable, se ha llegado a modelos simplificados gracias a los cuales ha sido posible comprender mejor los mecanismos electromagnéticos involucrados. El enfoque de este trabajo, es únicamente desde el punto de vista de la cuantificación de la atenuación producida por personas en movimiento en el medio de propagación, efecto que contribuye a la atenuación total y es causa adicional de desvanecimiento, hecho que debe tenerse en cuenta en el dimensionamiento de la potencia de sistemas de comunicaciones. Los resultados que se presentan son consecuencia de experimentos realizados en un entorno específico, a la frecuencia de 1.8 GHz y no deben, en principio, generalizarse a otras frecuencias. Sin embargo, concuerdan razonablemente con los de otras investigaciones similares [9] y ofrecen un indicativo a tener en cuenta en la práctica. 2. DESCRIPCION DEL EXPERIMENTO Los resultados de que se informa en este artículo corresponden a experimentos realizados en pasillos y en la cafetería de la Facultad de Ciencias de la Universidad de Cantabria, en situaciones de tráfico variable de personas, durante siete días y con diversos emplazamientos de la antena receptora, que se mantuvieron fijos durante cada conjunto de mediciones. La frecuencia a la que se realizó el experimento fue de 1.8 GHz, utilizando como transmisor un generador de onda senoidal continua con una potencia de salida de 14 dBm. Como receptor se utilizó un analizador de espectro, conectado directamente a la antena receptora, constituida por un monopolo vertical de un cuarto de longitud de onda sobre plano de tierra, colocado a una altura de 1.5 m, que se mantuvo fijo durante cada sesión de medidas. La antena transmisora, de las mismas características, se mantuvo fija en el centro del vestíbulo de la Facultad, fuera de la zona de la cafetería, a una altura de 2 m. La ganancia de ambas antenas es de 2 dB la atenuación en las respectivas líneas de transmisión utilizadas se midió por separado. Las muestras de potencia se tomaron visualmente a intervalos de 10 segundos, ajustando para ello el control de tiempo de barrido del analizador de espectro. Los experimentos se llevaron a cabo con polarización vertical y las mediciones se realizaron en dos condiciones bien identificadas: la primera, con línea de vista (LOS) entre las antenas transmisora y receptora, en pasillos y espacios amplios, en condiciones de tráfico de personas escaso, medio y alto. La segunda, en condiciones similares de tráfico, pero en espacios amplios con obstrucción por paredes y columnas entre las antenas (NLOS). Además, se efectuaron medidas en ambas condiciones sin presencia de otras personas, excepto la del operador, a fin de contar con un patrón de comparación para las primeras. 3. RESULTADOS LOS. Las mediciones se efectuaron, en pasillos, a distancias de 8 m de separación entre antenas y, en espacios amplios, en este caso la cafetería, a distancias de 20 a 25 m. Previo a cada sesión de mediciones, se tomaron muestras en área local en ausencia de tráfico humano a fin de conocer la atenuación en esas condiciones y calcular luego la atenuación en exceso, respecto a la atenuación media sin tráfico. Una situación típica es la que se presenta en la figura 1, donde se muestra el perfil de la atenuación en exceso en condiciones LOS, en un pasillo en que las antenas mantuvieron una separación constante de 8 m. Las primeras 30 muestras corresponden a la situación en área pequeña en ausencia de tráfico. Las restantes 150, con circulación de personas que puede definirse como moderada y continua. Fig. 1. Perfil de atenuación en exceso debida al tráfico humano en condiciones LOS en pasillos. La atenuación media en ausencia de tráfico es de 56.34 dB, 0.72 dB más que la del espacio libre y, la desviación típica, de 1.92 dB. La atenuación en exceso respecto a la media sin tráfico, presenta los siguientes parámetros estadísticos: Atenuación media en exceso: 2.60 dB Desviación típica: 2.09 dB Atenuación mediana: 1.98 dB Atenuación máxima en exceso: 9.18 dB Atenuación mínima en exceso: -1.02 dB La estadística que sigue la atenuación en exceso se ajusta bien, para este caso, a las distribuciones de Rayleigh, Gamma [10] y Weibull [11] en todas, con errores inferiores a 0.05 en las funciones de densidad de probabilidad (pdf) y menores de 0.03 en las distribuciones acumulativas (cdf). El ajuste a la pdf Gamma se muestra en la figura 2. Fig. 2. Comportamiento estadístico de la atenuación en exceso, en términos de la densidad de probabilidad Gamma Las gráficas son muy similares para las otras dos distribuciones y cabe mencionar que, las distribuciones anteriores, se han utilizado únicamente como herramientas matemáticas que resultan adecuadas para describir, en este caso, la atenuación en exceso y que, si bien el comportamiento de la distribución de Rayleigh puede explicarse desde un punto de vista físico [12], no ocurre lo mismo con las de Weibull y Gamma. En áreas abiertas, en este caso la cafetería de la Facultad de Ciencias, los resultados observados son muy similares: con tráfico de escaso a moderado, la atenuación media en exceso fue de 2.16 dB con una desviación típica de 2.67 dB y con tráfico intenso, muy variable, dicha atenuación fue de 3.86 dB, con una desviación típica de 4.79 dB. NLOS. La atenuación media en exceso, observada en condiciones NLOS alcanza valores similares a los medidos en condiciones LOS (3.9 dB), lo que sugiere que la atenuación debida a la presencia de personas en el entorno de propagación es independiente de que las condiciones sean LOS o NLOS. También el comportamiento estadístico se describe bien mediante las distribuciones mencionadas. En la figura 3 se muestran las distribuciones acumulativas de la atenuación en exceso para los casos de tráfico escaso, moderado e intenso en que esta última situación ofrece las peores condiciones desde el punto de vista de diseño para el dimensionamiento de potencia. Fig. 3. Distribuciones acumulativas para la atenuación en exceso, en condiciones de tráfico humano escaso, moderado e intenso. En la figura anterior se observa que, si bien la atenuación media en exceso es del orden de 4 dB, pueden esperarse desvanecimientos del orden de 10 dB en condiciones de tráfico moderado y superiores a 15 dB en condiciones de tráfico intenso que, en este último caso, representan una condición relativamente severa para mantener la calidad de la comunicación a distancias crecientes del transmisor. Otros estudios [13] sobre la influencia de la cercanía del cuerpo humano en la atenuación, a 1.7 GHz, indican atenuaciones en exceso de 6 a 8 dB en condiciones LOS en pasillos y del orden de 8 dB en espacio abiertos. Las diferencias con los valores observados en estos experimentos se atribuyen a que, en el estudio mencionado, las mediciones se llevaron a cabo con el transmisor/receptor a pocos centímetros del cuerpo, en tanto que en los experimentos de que se informa aquí, la antena transmisora se mantuvo distancias no inferiores a 3 m de las personas en el entorno , la receptora, a distancias mínimas del orden de 1.5 m. 7. comparison”. IEEE Trans. on Biomed. Eng. Vol. BME-32, Nº 8, pp. 609-616. Aug. 1985. 8. Joines, W.T. and Spiegel, R. J. “Resonance absorption of microwaves by the human skull”. 4. CONCLUSIONES La presencia de personas en movimiento en el canal de propagación en interiores introduce un componente aleatorio adicional sobre la atenuación media, que debe tenerse en cuenta para el cálculo del margen de desvanecimiento total al dimensionar la potencia de sistemas de comunicaciones. Es de interés, no sólo el valor medio de la atenuación en exceso, sino su comportamiento estadístico, gracias al cual es posible estimar la probabilidad de una determinada profundidad de desvanecimiento. Las atenuaciones medias, en exceso a la atenuación sin tráfico, observadas en los experimentos van desde 2.16 dB en condiciones de flujo escaso de personas, hasta alrededor de 4 dB con flujo variable y, relativamente, intenso. Resultados de otros investigadores sugieren que la atenuación media es de 3 a 4 dB mayor cuando el transmisor/receptor está a muy corta distancia del cuerpo humano. La caracterización estadística del proceso permite predecir profundidades de desvanecimiento cercanas a 15 dB en las peores condiciones. La atenuación en exceso se describe bien mediante las distribuciones de Rayleigh, Weibull y Gamma. 5. REFERENCIAS 1. Proc. IEEE, Vol. 68, Nº 1, Jan. 1968. Número especial dedicado a los efectos biológicos de la radiación electromagnética. 2. Weil, C. M. “Absorption characteristics of multilayered sphere models exposed to UHF/Microwave radiation”. IEEE Trans. on Biomed. Eng. Vol. BME-22, Nº 6, pp. 468476. No.1975. 3. Barber, P. W. “Electromagnetic power deposition in prolate spheroid models of man and animals at resonance”. IEEE Trans. on Biomed. Eng. Vol. BME-24, Nº 6, pp. 513521. Nov. 1977. 4. Jardón, H. et al. “Determinación de la energía absorbida en el cuerpo humano por campos electromagnéticos”. Revista Mexicana de Física. Vol. 42, Nº 6 (1966). págs. 1087-1098. 5. Kuster, N. and Bolzano, Q. “Energy absorption mechanisms by biological bodies in the near field of dipole antennas above 300 MHz”. IEEE Trans. on Vehic. Techn. Vol. 41, Nº 1, pp. 17-22, Feb. 1992. 6. Stuchly, M. A. et al. “Exposure of human models in the near and far fields. A IEEE Trans. on Biomed. Eng. Vol. BME-21, Nº 1, pp. 46-48. Jan. 1974. 9. Krupka, Z. “The effect of the human body on radiation properties of small-sized communication systems”. IEEE Trans. on Antennas and Prop. Vol AP-16, Nº 2, pp. 154163. March 1968. 10. Fujimoto, K. and James, J. R. Mobile Antenna Systems Handbook. Artech House, 1994. 11. Pérez Vega C. “Estadística de la atenuación en el canal de propagación en interiores”. Actas. XI Symposium Nacional de la URSI, Vol II, pp. 109-112. Madrid, 1996. 12. Alonso A. y Pérez Vega, C. “Estimación de las pérdidas de propagación y modelado del canal de propagación en interiores mediante la distribución de Weibull. Actas. XI Symposium Nacional de la URSI, Vol II, pp. 93-96. Madrid, 1996. 13. Clarke, R. H. “A statistical theory of mobileradio reception”. BTSJ. Vol. 47, pp. 957-1000. Jul. 1968. 14. Karlsson, P. “Body effects and diversity performance in indoor radio channels at 1700 MHz. COST 231, TD(93)/14. Barcelona, Jan. 1993.