Subido por Richar Arturo

aplicacion en la banda de los THz

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Canal de radio comunicaciones en altas frecuencias
Draft TG3d Channel Modelling Document (CMD)
Daniel Patricio Yautbug Apugllon, Richar Arturo Yungan Guaman
Ingenieria en Electronica y Telecomunicaciones
Universidad Nacional de Chimborazo
060150
dpyautibug.efi@unach.edu.ec, rayungan.efi@unach.edu.ec
Resumen- The CMD contains descriptions of the
propagation characteristics and channel models of the
operational environments relevant for the considered
applications
I. INTRODUCCIÓN
Figura 1: KIOSK use case
A. Caracterización del canal
La proximidad cercana P2P (300 GHz) con respecto al
modelo de uso de comunicaciones inalámbricas P2P de
proximidad cercana, se supone que el canal es una
propagación de línea de vista en ondas milimétricas, banda de
300 GHz.
En general, el modelo TSV se introduce en los sistemas
PAN/LAN de ondas milimétricas en IEEE802.15.3c e
IEEE802.11ad que funcionan a ambos a 60 GHz. Para el uso
de comunicaciones de proximidad, se observan reflexiones
dentro de los terminales y en la superficie de los terminales,
etc. El modelo del canal se modificará para representar dichos
mecanismos de propagación y la banda de frecuencia a 300
GHz.
Front cover (window)
Tx terminal
Rx handset
tx
Figura 2: Wave propagation in KIOSK
B. Peculiaridades de la propagación de ondas en KIOSK.
En el caso de uso de KIOSK, existen las siguientes
peculiaridades.
Link is pear to pear and LOS
La distancia de propagación de la onda es relativamente corta
menos de 1 metro, la portada (ventana) existe entre Tx y Rx.
El módulo Rx usa una antena de ganancia relativamente baja
porque está equipado con teléfonos móviles.
C. Metodología de medición
Para aclarar un modelo de canal del caso de uso de KIOSK,
se llevan a cabo algunos experimentos con el Vector Network
Analyzer (VNA) calibrado de 2 puertos en 220 220 340 GHz.
En los experimentos, las antenas de 25 dB disponibles en el
mercado se utilizan como antenas Tx y Rx. Los parámetros S
(S21) se miden cambiando la distancia Tx-Rx hasta 1,8 m
utilizando una etapa automática.
300 GHz VNA heads
La caja de Rx (caja del teléfono móvil) está hecha
ocasionalmente por metal. Tx usa una antena de ganancia
relativamente alta para evitar la pérdida de propagación.
Tx se establece en un entorno bastante bien controlado como
rodeado por un absorbente de onda.
Automatic stage
Figura 3: Configuración experimental
1.8ns
t0
5.4ns
2t0
2t0
8.9ns
Figura 4: Dos tipos de antenas de 25dB
D. Pérdida de trayectoria de espacio libre
Al principio, se miden las pérdidas de la trayectoria de
espacio libre en varias frecuencias. El exponente de pérdida
de 1.8 ~ 2.2 se deriva. Esto significa que no hay un efecto de
desvanecimiento evidente en el enlace. Sin embargo, las
pérdidas de trayectoria tienen variaciones de potencia en el
máximo de ± 2.5 dB. Se piensa que estos vienen de
reflexiones múltiples entre Tx y Rx.
Figura 8: Amplitud (A) y retardo (B) de la trayectoria directa
(cuadrado rojo) y la primera trayectoria reflejada múltiple
(triángulo azul)
La primera trayectoria reflejada múltiple de la Fig. 8 (A)
muestra la disminución drástica a la distancia de unos 500
mm. Esto significa que una parte de la onda EM de la Tx no
se refleja desde la placa de metal debido a su tamaño limitado
en la distancia. La hora de llegada de la ruta directa (t0) y la
diferencia entre los tiempos de llegada de la ruta reflejada y
la ruta directa (2t0) es 1: 2, respectivamente. Estos resultados
indican que la propagación de ondas en KIOSK se puede
modelar como ruta directa y múltiples rutas reflejadas entre
Tx y Rx.
A. Suprimiendo la reflexión
Figura 5: Pérdidas en la trayectoria del espacio libre en varias
frecuencias (220, 240, 260, 280, 300, 320, 340 GHz)
Para suprimir la reflexión, la placa metálica de la antena Rx se
inclina. Las múltiples trayectorias reflejadas se reducen
drásticamente al inclinar la placa metálica en la antena Rx
como se muestra en la Fig. 8. Por lo tanto, se observa que la
inclinación de la placa metálica que refleja la onda EM de Tx
es efectiva para suprimir las reflexiones múltiples.
(A)
II.
RETARDO DE POTENCIA
Para confirmar el efecto de la reflexión, las placas de metal
(20x20cm2) se unen a la antena Tx y la antena Rx como se
muestra en la siguiente figura.
Metal plate (20x20cm2)
Figura 6: Placas metálicas unidas a la antena Tx y la antena
Rx
La siguiente muestra el perfil de retardo de potencia
medido usando estas antenas.
(B)
Figura 9: Mide los perfiles de retardo de potencia.
Hay una cubierta frontal (ventana) entre Tx y Rx en
KIOSK. De este modo, se inserta una placa de PET
(polietileno-telftalato) de 2 mm de espesor entre Tx y Rx, y
se miden los perfiles de retardo de potencia.
La Figura 9 muestra los resultados de los casos en que las
placas metálicas y las placas PET no están inclinadas (i), solo
la placa PET está inclinada (ii), y tanto la placa PET como la
placa metálica en Rx están inclinadas (iii).
(i)
dispositivo alcanzan hasta casi 100 Gbps. Además, será
posible el uso de multiplexación espacial y de dominio de
frecuencia. El entorno operativo está restringido a unos 10 cm
y generalmente atrapado por una carcasa de dispositivo. En
consecuencia, podría explotarse un amplio rango de
frecuencias, por ejemplo, entre 270 GHz y 320 GHz.
A. Metodología de medición y peculiaridades generales del
canal.
(ii)
B. En lo que sigue, las peculiaridades del canal de propagación
dentro del dispositivo se introducirán mediante un conjunto de
mediciones en un entorno de comunicación de placa a placa. El
canal de transmisión consiste en dos antenas montadas en superficies
opuestas muy cerca, sin obstrucciones entre las antenas.
(iii)
Figura 10: Perfiles de retardo de potencia de los casos en que
las placas de metal y la placa de PET
La Figura 10 (i) muestra que aparecen los dos nuevos picos (A,
B) y cuyos valores de retardo dependen de las distancias desde las
antenas. Estos provienen de múltiples reflexiones entre la placa
metálica y la placa PET, lo que se confirma al inclinar la placa PET
(ii). Cuando ambas placas de metal en el Rx y la placa de PET están
inclinadas, las reflexiones se suprimen (iii).
III. SISTEMA POTENCIAL KIOSK
A partir de las mediciones anteriores relacionadas con la
propagación de la onda en KIOSK, se puede pensar en el
sistema KIOSK potencial como se muestra en la figura 4.10,
es decir, Tx está rodeado por el absorbente de onda, la
cubierta frontal (ventana) de la Tx está inclinada y se toca la
caja Rx en la tapa frontal inclinada.
Tx antenna
Front cover (window)
Tx
Rx
Figura 11: Escenario de comunicación de placa a placa
Con esta configuración, se ha realizado una serie de mediciones
ejemplares para obtener una primera visión de las características del
canal. Las mediciones se han basado en una configuración que
comprende un analizador vectorial de red junto con los módulos de
extensión de frecuencia necesarios para alcanzar la banda de
frecuencia entre 270 GHz y 320 GHz. La información sobre la
configuración y la disposición mecánica. Como se ve en la Figura
12 a continuación, se han medido cuatro configuraciones con
posicionamiento de antena diagonal. Las medidas comprenden dos
tamaños de caja diferentes d, así como dos configuraciones de caja,
una que incluye placas de circuito impreso (PCB) en la parte frontal
y posterior y otra sin.
Rx antenna & cases
Tx
Rx
Figura 11: Sistema potencial kiosk
Figura 12: Escenarios medidos de tabla a tabla
A. Modelo de perdida de trayectoria
La atenuación molecular puede ignorarse porque la distancia
de transmisión a lo largo del uso de la aplicación es de un
rango corto de hasta 50 milímetros.
IV. COMUNICACIÓN INTA-DISPOSTIVO
Según lo previsto en el ARD, las velocidades de transmisión
deseadas para la comunicación inalámbrica dentro del
En particular, se ha investigado el impacto de las placas de
circuito impreso y el comportamiento del canal para las posibles
subbandas. La Figura 13 muestra a modo de ejemplo un resultado
de medición sobre el ancho de banda completo junto con los efectos
que surgen cuando solo se evalúa una subbanda del canal completo.
correspondientes. La estructura de las estadísticas del canal
empleado se muestra en la Figura 15.
Figura 13: Función de transferencia de canal medida (CTF) y
respuesta de impulso de canal (CIR)
La función de transferencia de canal (CTF) sobre el ancho de
banda completo muestra el perfil típico de una ruta de propagación
fuerte que interfiere con algunos ecos atenuados. Su transformada
de Fourier, la respuesta de impulso de canal (CIR), revela un fuerte
pico correspondiente a la trayectoria directa entre Tx y Rx, seguido
de los ecos de señal esperados de las reflexiones dentro de la
carcasa.
Comparando el CIR del ancho de banda completo con el CIR de la
banda de subbandas 1 entre 270 GHz y 280 GHz y la banda 3 entre
290 GHz y 300 GHz, se puede observar un canal variable para las
dos bandas. Para la banda 1, el canal de propagación parece ser casi
libre de ecos; los picos observados en el CTF de ancho de banda
completo se reducen casi hasta el piso de fuga de FFT.
A. Generacion de las funciones de transferencia de canal
Las funciones de transferencia de canal (CTF) son generadas
por una herramienta específica para generar funciones de
transferencia de canal que se denomina generador de realización de
canal (CRG). El CRG evalúa un conjunto de interdependencias
estocásticas para las propiedades del canal que subyacen a la
función de transferencia del canal, como la composición del grupo,
los perfiles angulares en Tx y Rx, las pérdidas de trayectoria, los
tiempos de llegada y las propiedades de polarización.
Figura 15: Estructura de las estadísticas del canal subyacente
B. Cluster Composition
El componente más importante del CRG es la composición del
clúster de cada canal. La composición del clúster es el conjunto real
de componentes multitrayecto que se producen en la realización de
un canal. Es obvio que una suposición incorrecta con respecto a la
composición del clúster dará lugar a realizaciones de canal no
válidas. La composición del grupo contiene implícitamente la
estructura geométrica de las simulaciones de trazado de rayos
subyacentes. Por ejemplo, el análisis de un largo pasillo conducirá a
un conjunto diferente de agrupaciones e interrelaciones de
agrupaciones que una habitación de oficina de forma cuadrada con
divisores de habitación que, en algunos casos, pueden bloquear la
línea de visión.
El modelo de canal se deriva de un enfoque de trazado de rayos
que se ha desarrollado para dar cuenta de las peculiaridades de las
comunicaciones de proximidad e intra-dispositivo en el rango THz.
Incluye la influencia electromagnética de plastic layers, metals and
printed circuit boards. Moreover, the characteristics of Gaussian
antenna profiles are included.
Figure 16: Cluster composition
C. Hora de llegada
Figura 14: Trazado de rayos ponderado con perfiles de
antena gaussianos
A partir de los resultados del trazado de rayos, que se visualizan
a modo de ejemplo, se extraen las características del canal con
respecto a la composición del grupo, la pérdida de trayectoria y las
propiedades de polarización, así como los perfiles angulares y
temporales. Estas características se utilizan para configurar el CRG
que se utiliza para generar un gran número de realizaciones de canal
realistas (es decir, respuestas de frecuencia) para los casos de uso
Después de generar la composición del clúster, se genera el
tiempo de propagación de cada ruta (Hora de llegada, ToA). Se
supone que los retrasos de propagación de los distintos tipos de
clúster siguen las distribuciones normales. Para los clústeres de
trayectoria directa, los tiempos de propagación se modelan
directamente en función de su retraso a partir de los resultados
del trazado de rayos.
Para las rutas reflejadas, el retraso se modela en función de la
demora relativa de la ruta directa correspondiente.
De esta manera, se asegura que no se generan clústeres
reflejados que tengan un tiempo de propagación más corto que
el camino directo, lo que sería físicamente poco realista. La
Figura 5 muestra dos distribuciones ejemplares que se han
generado para agrupamientos de propagación mixta desde un
escenario de comunicación específico.
Figura
Figura 17: Distribuciones de retardo ejemplares de dos grupos de
segundo orden
19
.
D. Perdida de trayectoria media
En función de los tiempos de llegada del clúster, se genera la
pérdida de ruta media de cada clúster. La pérdida de trayectoria
media se define como el valor absoluto medio sobre la
frecuencia para las respuestas de frecuencia de trazado de rayos
de cada grupo.
La pérdida de trayectoria media se evalúa para ambas
polarizaciones. Se considera físicamente significativo que la
pérdida de ruta es una función del retardo de ruta. Para la
pérdida de ruta y todas las demás características que se modelan
como relaciones funcionales, la forma subyacente de las
funciones son polinomios de segundo orden.
Aunque algunas dependencias pueden seguir diferentes formas
funcionales a gran escala (por ejemplo, se considera que la
pérdida de trayectoria en un canal sigue una relación
exponencial negativa con el retardo de propagación), los
polinomios de segundo orden son una manera suficiente de
modelar las relaciones para Rangos de valores relativamente
pequeños.
Figura 18: pérdida de ruta de un componente LOS ejemplar
E. Angulos de reflexion
De la misma manera que los retrasos de ruta, los ángulos de
reflexión iniciales de todas las rutas reflejadas se modelan como
funciones del retraso de ruta.
Sin embargo, no es necesario que estas funciones estén
disminuyendo monótonamente. En cambio, diferentes geometrías
pueden llevar a diversos tipos de relaciones, como se ilustra: en la
REFERENCIAS
[1]
T. Kürner, I. Kallfass, K. Ajito, A. Kasamatsu, D. Britz, S. Priebe:
“What’s next? Wireless Communication beyond 60 GHz (Tutorial IG
THz),” IEEE 802 Plenary Session, IEEE 802.15 Document 15-120320-01-0thz,
San
Diego,
July
2012,
https://mentor.ieee.org/802.15/dcn/12/15-12-0320-01-0thz-what-snext-wireless-communication-beyond-60-ghz-tutorial-ig-thz.pdf
[2] S. Priebe, Towards THz Communications: Propagation Studies, Indoor
Channel Modeling and Interference Investigation, Dissertation,
Technische Universität Braunschweig 2013, Shaker Verlag 2013
Google Scholar
[3] Itziar Maestrojuan, Iñigo Ederra and Ramón Gonzalo. “Use of COC
Substrates for Millimetre-wave Devices”, Microwave and Optical
Technology Letters, AID MOP28848.
La tesis Development of Terahertz Systems for Imaging Applications ha sido
dirigida por el catedrático de Teoría de la Señal y Comunicaciones,
Ramón Gonzalo García, y se ha defendido ante profesionales de EE UU
(Virginia Diodes), Alemania (ACST) y Holanda (Agencia Espacial
Europea).
[4] A. S. Meijer, G. Berden, D. D. Arslanov, M. Ozerov, R. T. Jongma, W. J.
van der Zande: An ultrawide-bandwidth single-sideband modulator for
terahertz
frequencies.
Nature
Photonics
(2016).
DOI:
10.1038/nphoton.2016.182
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