Caracterización del Canal Radio con la técnica de contramedida de

Caracterización del Canal Radio con la
técnica de contramedida de diversidad
por polarización para un ambiente en
interiores a 2.4GHz
M.C. Urania Ceseña Borbón
M.C. Ramón Muraoka E.
M.C. Edith García C.
Dr. David Covarrubias R.
Curso: Comunicaciones Analógicas
Marzo 2006
Plan de presentación

Introducción.

Objetivo.

Características del escenario.

Onda Electromagnética (OEM),
Polarización y
(O
Antenas.

Mediciones.

Resultados.

Imágenes y datos capturados.

Niveles de potencia.

Conclusiones.

Referencias.
2
Introducción
La señal de propagación sobre el canal radio
implementado en un ambiente cerrado presenta
pérdidas de la señal por factores como atenuación
por propagación, obstáculos, desvanecimientos cortos
y largos debido a señales multitrayectoria etc.
Para compensar estas pérdidas se encuentran
las contramedidas del canal radio como diversidad
espacial, por frecuencia, por tiempo, por polarización y
en el receptor RAKE.
En el presente trabajaremos con la técnica de
Diversidad por polarización en el receptor.
receptor
3
Introducción
En la diversidad de polarización la frecuencia es transmitida
en una polarización y recibida con una antena formada
por dos elementos de antena, uno orientado a una
polarización vertical o el otro orientado a una polarización
horizontal. Comúnmente se conoce a este tipo de antenas como
”antena crosspolarizada”.
Se considera que con esta técnica la ganancia es
significativa en comparación a la recepción de
antenas de una sola orientación. Ya que
independientemente de la posición del
móvil al menos una de ellas tiene la misma
polarización que el transmisor.
4
Objetivo
Evaluar el Canal Radio (CR) en ambiente cerrado para
el 3er piso
de Física Aplicada del Centro de
Investigación CICESE con el
estándar 802.11b
utilizando una contramedida como lo es la
diversidad por polarización.
El propósito fundamental es además de mostrar
una aplicación real de esta contramedida para
el CR, demostrar que experimentalmente este tipo de
técnicas contribuye con el móvil en la recepción de
una mejor señal a pesar de los desvanecimientos por
obstáculos de la misma.
5
Características del escenario

Se presentan situaciones de LoS y NLoS.

Altura 3er piso del edificios FA de 2.4m.
Distancia máxima de Tx-Rx de 48.15m.

Altura del Tx =2m.

Tx es un generador de señal Rohde&Schwarz
modelo SMIQ03B a 2.4GHz @ 13dBm.
(simulando un punto de acceso modelo
DI764).

Rx es un analizador de spectros Agilent
modelo E4402B.

Microcelular [0m – 100m].

6
OEM, Polarización y Antenas
Una onda Electromagnética (OEM) se compone de campo
Eléctrico y campo Magnético.
Estos campos son
Magnético
perpendiculares entre sí , están en fase y son
perpendiculares a la dirección de propagación.
7
OEM, Polarización y Antenas
La polarización de una antena la define la dirección del
campo eléctrico máximo.
En este ejemplo se tiene
una polarización lineal a
45 grados.
Para este caso, una antena receptora con polarización vertical,
captaría la componente Ey del campo eléctrico resultante E, a
su vez, una antena con polarización horizontal haría lo mismo
con la componente Ex.
8
OEM, Polarización y Antenas
E
E
E
E
?
! El canal radio es un
ambiente hostil !
Tx
Rx
9
Esquemas de medición
10
OEM, Polarización y Antenas
Caracterización de las antenas
Para conocer el patrón de radiación de las antenas diseñadas, se
llevaron acabo mediciones de potencia alrededor de la antena
Objetivo: conocer el ancho y
nivel de su lóbulo principal y el
de los lóbulos laterales.
La máxima radiación nos
define la polarización de la
antena.
11
Videos de medición del patrón de radiación
Movimientos para la antena con pol-H
Espectro del movimientos de la
antena con pol-H
Movimientos para la antena con pol-V
Espectro del movimientos de la
antena con pol-V
Movimientos para la antena con pol-H-V
Espectro del movimientos de la
antena con pol-H-V
12
Patrones de radiación
13
Patrón de Radiación
14
Factores de desvanecimiento en la
propagación del CR en interiores









Pisos.
Techos.
Paredes.
Divisiones.
Distancias.
Frecuencia.
Posición de escritorios.
Puertas abiertas o cerradas.
Movimiento de personas.
15
Sitios de adquisición de datos
1.98m
2.13m
37.49m
4.26m
Aula
electró nica
1.98m
19.20m
1.82m
Figura . Puntos de medición para 2.4GHz.
LOS,
NLOS
16
Tx
Rx
Canal Radio
Esquema
Transmisión-Recepción
17
Resultados Antena Rx con Polarización
Horizontal
3er Piso de FA
Antena Rx Horizontal
0
-10
3er piso de FA
Ala izquierda
Antena Rx Horizontal
10
15
20
25
30
35
40
45
50
-10
-20
-30
Potencia (dBm)
a)
10
15
-40
-50
-60
-70
-80
-90
c)
Ala izquierda
-60
-70
-80
-90
Distancia (mt)
Radiación en Rx con antena en
polarización Horizontal
dBm
1.98m
15
20
25
30
35
-50
0
10
30
Ala derecha
3er piso de FA
Ala derecha
Antena Rx Horizontal
5
25
-40
Distancia (mt)
0
20
-30
Potencia (dBm)
5
5
-20
0
0
0
35
40
45
50
-20
Potencia (dBm)
-60
d)
2.13m
37.49m
b)
-40
-80
4.26m
-100
-120
Distancia (mt)
Aula
electrónica
1.98m
19.20m
1.82m
18
Resultados Antena Rx con Polarización Vertical
3er piso de FA
Antena Rx Vertical
0
3er piso de FA
Ala derecha
Antena Rx Vertical
-10
0
5
10
15
20
25
30
35
40
-20
0
-10
0
5
10
15
20
25
30
35
40
Potencia (dBm)
-20
c)
-30
-40
-50
-60
-70
Potencia (dBm)
a)
-30
-40
Ala Derecha
-50
Ala Izquierda
-60
-70
-80
-80
-90
Distancia (mt)
-90
Distancia (mt)
Radiación en Rx con antena en
polarización Vertical
3er piso de FA
Ala izquierda
Antena Rx Vertical
dBm
1.98m
0
-10
0
5
10
15
20
25
30
35
40
b)
d)
-30
-40
2.13m
37.49m
Potencia (dBm)
-20
-50
-60
-70
4.26m
-80
-90
1.98m
Distancia (mt)
Aula
electrónica
19.20m
1.82m
19
Resultados Antena Rx con Polarización cruzada
3er piso de FA
Antena Rx polarización cruzada
3er piso de FA
Ala derecha
Antena Rx polarización cruzada
0
-10
0
a)
-10
0
5
10
15
20
25
30
35
0
5
10
15
20
25
30
35
-20
-30
c)
-40
-50
-60
-70
Potencia (dBm)
Potencia (dBm)
-20
-30
Ala derecha
-40
Ala izquierda
-50
-60
-80
-70
Distancia (mt)
-80
3er piso de FA
Ala izquierda
Antena Rx polarización cruzada
Distancia (mt)
0
-10
0
5
10
15
20
25
30
Radiación en Rx con antena en
polarización Horizontal - Vertical
35
dBm
Potencia (dBm)
b)
1.98m
-20
-30
-40
d)
-50
-60
2.13m
-70
37.49m
-80
Distancia (mt)
4.26m
Aula
electrónica
1.98m
19.20m
1.82m
20
Resultados
Pérdidas por propagación Distancia vs. Potencia (dbm)
utilizando una frecuencia de 2.4GHz
0
-10
0
10
20
30
40
50
-20
Potencia (dBm)
-30
-40
Rx Horizontal
-50
Rx Cross Polarización
Rx Vertical
-60
-70
-80
-90
-100
Distancia (mt)
21
Conclusiones

Este trabajo muestra la evaluación del canal radio del estándar 802.11b en
ambientes cerrados utilizando como técnica de contramedidas la
diversidad por polarización.

Nuestras mediciones revelaron una interesante e importante propagación
para un ambiente microcelular a 2.4Ghz. Los resultados de la señal de
propagación consiste en LOS, NLOS, reflejos en pisos, reflejos en
paredes, en techos, difracción en esquinas entre otros.

El numero de multitrayectorias en el receptor es generalmente grande y la
potencia de cada trayectoria es diferente debido a la diferencia de
las longitudes que recorre la señal, causados por los mecanismos
de propagación, difracción y reflexión.

El transmisor y el receptor estuvieron estáticos en cada punto de
adquisición de nuestras muestras.

Cada muestra de nuestro experimento fue medida en una separación de
3.04m a lo largo del sitio de medición. La potencia máxima recibida es
-33.81 dBm y la mínima fue de -75.06 dBm
22
Conclusiones

El patrón de radiación de la antena ‘crosspolarizada’ mostró un
comportamiento más uniforme con respecto a las antenas con
polarización vertical u horizontal solamente.

De acuerdo a los datos obtenidos, se observan mayores pérdidas en
las mediciones del lado izquierdo del 3er piso, conforme se aleja el
Rx del Tx. Esto se atribuye a que existen mayor cantidad de obstáculos
(paredes, objetos en el pasillo, etc) que del lado derecho.

La potencia sufre una reducción notoria cuando el receptor no se
encuentra en camino de visibilidad directa.

Las Pérdidas por propagación Distancia vs. Potencia (dBm) son
menores cuando se utilizan los dos elementos de antena, es decir, con la
Diversidad de polarización en el Receptor.

Diagrama de niveles de potencia muestran de forma grafica como la
caída de potencia es critica conforme el receptor se aleja del transmisor. Y
como la máxima recepción se presenta cuando tanto el receptor como el
transmisor se encuentran en línea de vista.
23
Trabajo Futuro
En el presente trabajo se llevaron a cabo la Diversidad por polarización
en el Receptor,
Receptor pero en la literatura la mayoría de los autores sugieren
que esta técnica sea implementada en la estación base, debido a su

inmovilidad, ya que con el móvil el usuario se ajusta a la mejor recepción de la
señal.
En el trabajo presentado se evaluó la señal recibida con diferentes tipos
de antenas para demostrar de forma experimental la ganancia que
presenta el receptor con antenas con polarización cruzada, pero sería
interesante por ejemplo medir el retardo por desvanecimiento, es decir
el delay spread, cuando se envía una unidad de información.
Seriía interesante también comparar los resultados con algún modelo
teórico que evalué esta contramedida del canal radio.

Primer resultado: Artículo aceptado en el Congreso Electro2005 en
Chihuahua. Octubre de 2005

24
Referencias
[1]
Raymond Steele, Lajos Hanzo “Mobile Radio Communications” Second Edition 1999, ISBN 0 471
97806 X.
[2]
Agilent Technologies, Inc. “Testing and Troubleshooting Digital RF Communications Receiver
Designs”, Application Note 1314, 2002 .
[3]
Theodore S. Rappaport, “Wireless communications : principles and practice” Prenntice Hall
communications engineering and emerging technologies, 2. ed. , 2002.
[4]
Regis Bates, “Wireless broadband handbook” McGraw-Hill, 2001.
[5]
Jerry D. Gibson, “The Mobile Communications handbook” , CRC, 1996.
[6]
Mohamed Otmani, Michael Lecours .Indoor Radio Impulse Response Measurements with polarization
diversity. IEEE.
[7]
Huey-Ru Chuang, Liang-Chen Kuo. 3-D FDTD Design Análisis of a 2.4 GHz Polarization-Diversity
Printed Dipole Antenna with Integrated Balun and Polarization-Switching Circuit for WLAN and
Wireless Communication Applications. IEEE Transactions on Microwave Theory an Techniques. Vol.
51. No. 2. February 2003. pp 374-381.
[8]
Jay Weitzen, Mark Wallace. Analysis of Diversity Performance of Space Diversity and Cross
Polarization for PCS Base Sations. 0-7803-4872-9/98 IEEE.
[9]
María José Salmerón. Radiación, propagación y antenas. Para onda larga, onda corta y microondas.
Editorial Trillas, México, 1981.
25