Ocena wybranych empirycznych modeli propagacyjnych do projektowania sieci WLAN wewnątrz budynków

Transkrypt

1 Piotr Gajewski Instytut Telekomunikacji Wojskowa Akademia Techniczna Stanisław Wszelak Wydział Nauk Społecznych i Technicznych Wyższa Szkoła Humanistyczno-Ekonomiczna we Włocławku Ocena wybranych empirycznych modeli propagacyjnych do projektowania sieci WLAN wewnątrz budynków Streszczenie: W artykule dokonano oceny przydatności wybranych trzech modeli empirycznych: One-Slope, Multi-Wal i COST 13 (zalecany przez ITU-R) w projektowaniu sieci WLAN wewnątrz budynków. Ocenę tych modeli przeprowadzono w oparciu o wybrane środowiska propagacyjne, różniące się między sobą. Przebadano duże pomieszczenia, z pominięciem przenikania fal przez ściany i stropy oraz pomieszczenia, uwzględniając wpływ ścian ii stropów na poziom sygnału w punkcie odbioru. Poziom mocy użytecznej w wybranych punktach przestrzeni zamkniętej pomierzono układem pomiarowym z wykorzystaniem oprogramowania komputerowego OmniPeek. 1. WPROWADZENIE Wewnątrz budynków, w pomieszczeniach takich jak: duże aule, pomieszczenia biurowe, sale wykładowe, itp, fale radiowe zakresu centymetrowego poddawane są różnym zjawiskom, przede wszystkim odbiciom, rozproszeniu, a także przenikają przez ściany pomieszczeń. Architektura budynków i wyposażenie wnętrz różnicuje środowisko propagacyjne, czyniąc je niepowtarzalnym i trudnym do odwzorowania za pomocą uniwersalnych modeli propagacyjnych. Takie przestrzenie charakteryzują się przede wszystkim małymi odległościami pomiędzy przeszkodami i komunikującymi się urządzeniami, różnorodnością i zmiennością przeszkód, zmiennością warunków propagacji. Fale radiowe ulegają wielokrotnemu odbiciu od podłogi, sufitu, ścian i przedmiotów, co powoduje interferencje pogarszające jakość transmisji sygnału. Dla obszarów zamkniętych opracowano wiele modeli propagacyjnych [1]. W artykule do badań wybrano trzy, najbardziej rozpowszechnione modele empiryczne: One-Slope, Multi-Wall i model nieliniowy COST 31 - zalecany przez ITU-R. Do badania ich funkcjonalności i użyteczności w projektowaniu sieci WLAN wybrano duże pomieszczenie, jakim jest aula wykładowa oraz pomieszczenia mniejsze: pomieszczenia biurowe i typowe sale dydaktyczne z dużym zagęszczeniem przedmiotów i osób.. UKŁAD POMIAROWY Pomiary mocy na wejściu odbiornika wykonano oprogramowaniem OmniPeek w wersji 5.0 zainstalowanym na komputerze przenośnym, z dwiema kartami WLAN, posiadającym rozbudowane narzędzia diagnostyczne i statystyczne dla różnych typów sieci. Jedną kartę (Cisco AIR-CB1AG-E-K9) wykorzystano jako pomiarowo-skanującą, natomiast drugą (Edimax EW- 7318USg) jako transmisyjną. Karta Cisco AIR-CB1AG-E-K9 oparta jest na chipsecie Atheros AR51, który zapewnia współpracę z praktycznie wszystkimi aplikacjami do monitorowania sieci WLAN. Możliwe jest to poprzez przełączenie karty w tryb Monitor mode i przechwytywanie wszystkich ramek, które transmitowane są w badanym obszarze. Karta zastała zmodyfikowana do niniejszych badań, zamontowano złącze antenowe, dzięki czemu zaistniała możliwość dołączenia

2 do układu anteny zewnętrznej. Na punkt dostępowy wybrano urządzenie nadawczo-odbiorczych TONZE-AW6660, wykorzystując tryb pracy punkt-wielopunkt, ograniczając przepustowość do 11Mb/s. W bardzo dużych pomieszczeniach ze standardowym wyposażeniem (aule wykładowe, hale) za empiryczny poziom odniesienia przyjmuje się odległość 1m od źródła promieniowania. Na odcinkach do 1m tłumienie trasy można przyjąć tak jak w wolnej przestrzeni, tzn. proporcjonalnie rośnie do kwadratu stosunku d/λ (1): 4π d L( d < 1) db = λ (1) Dla standardów 80.11bgn, wyrażenie (1) przybiera postać: 4π L( d < 1) db = 10 log( d) = 0 log(100d ) = log( d) 0,15 () L0 (1) = 40dB, dla f =,45 GHz Powyżej 1m tłumienie znacznie rośnie, proporcjonalnie do potęgi n, przy czym n jest wartością empiryczną, podobnie jak poziom odniesienia: L( d > 1) db = L0 (1) + n 10 log( d) (3) gdzie: L 0 tłumienie w odległości 1m, n współczynnik korekcyjny, d - odległość między nadajnikiem a odbiornikiem. Parametr n przyjmuje wartość z przedziału od 1, do, w zależności od rodzaju pomieszczenia (tabela 1). Dla odległości powyżej poziomu odniesienia następuje ostre zagięcie charakterystyki tłumienia, gdyż zmienia się wykładnik potęgi z na i, pomijając wykładnik 1, dla korytarzy. W przypadku propagacji w korytarzach występuje zjawisko rozprzestrzeniania się fali w tunelu, które powoduje wzmocnienie sygnału []. Tabela 1. Ogólne parametry dla modeli wewnątrz budynku f [GHz] N Zastosowanie,40 Wnętrza z dużą gęstością użytkowników i przedmiotów ( A),40 Budynki biurowe i mieszkalne (B),40 Duże puste pomieszczenia (C),40 1, Korytarze Tłumienie jednostkowe L 0 zmienia się również wraz ze zmiana pasma i kanałów radiowych, dla pasma wyższego, np. f = 5,4 GHz wynosi: L 0 (1) = 47,17 db. Rys. 1. Przykładowy oscylogram poziomu sygnału w kanale

3 Dla każdej z relacji wykonano pięć pomiarów, przy czym wynik z pomiarów uśredniono W punktach pomiarowych wybrano opcję AP to Client (rys. 1), mierząc moc na wejściu odbiornika pochodzącą od wybranego AP. 3. MODEL EMPIRYCZNY JEDNOŚCIEŻKOWY ONE-SLOPE Model O-S jest najprostszym modelem stosowanym dla pomieszczeń nie uwzględniając tłumienia wynikającego z przenikania fal przez ściany i stropy. Jego użyteczność przebadano dla dużej auli na 380 miejsc, wyposażonej tylko w fotele. Wybrano charakterystyczne punkty (rys. ) i pomierzono poziom sygnału w tych punktach. Rys.. Architektura środowiska propagacyjnego w badaniach modelu O-S Poziomy mocy pomierzone zostały porównane z poziomami wyznaczonymi w oparciu o przyjęty model propagacyjny. Dla porównania jak i projektowania jednym z kluczowych elementów jest określenie bilansu energetycznego linii radiowej, który pozwala wyznaczyć całkowite wzmocnienie systemu oraz poziom mocy w punkcie odbioru: P = P + G + G ( L + L L) (4) Rx Tx Tx Rx Tx Rx + gdzie: P Rx - moc na wejściu odbiornika [dbm], P Tx - moc nadawana [dbm], G Tx - zysk energetyczny anteny nadawczej, G Rx - zysk energetyczny anteny odbiorczej, L Tx - starty w kablu anteny nadawczej, L Rx - straty w kablu anteny odbiorczej, L - tłumienie trasy. Tabela. Poziom sygnału w punktach pomiarowych P Tx = 14 dbm, G Rx = 4 dbi, G Tx = dbi L Rx = 0, L Tx = 0 Relacje Wartości pomierzone Wartości wyznaczone P Rx [dbm] L[dB] (n = ) P Rx [dbm] BS-A (4 m) BS-B (8m) BS-C (1m) BS-D (16m) Dla większych odległości występują rozbieżności wyników, pomierzonych i oszacowanych. Przyjęto katalogowe parametry urządzeń, które nie zawsze pokrywają się z parametrami rzeczywistymi. Poza tym należy liczyć się z niedokładnością pomiarów, które wynikają z uproszczeń w algorytmie oprogramowania aplikacji. Dla większych odległości zauważa się większy wpływ zakłóceń spowodowany zjawiskiem wielodrogowości, które osłabiają sygnał użyteczny

4 pochodzący ze źródła promieniowania. Zauważą się, że te relacje mają odmienny charakter ponieważ wraz ze wzrostem odległości wrasta liczba przedmiotów w kierunku promieniowania bezpośredniego oraz inny jest ich rozstaw. 4. MODELE EMPIRYCZNE WIELOŚCIENNE: MULTI-WALL I COST 31 W budynkach piętrowych z licznymi pomieszczeniami, tłumienie sygnału w zasięgu komórki zależy również od ilości kondygnacji, ilości ścian działowych, rodzaju materiałów, z jakich stropy i ściany są wykonane oraz od architektury usytuowania pomieszczeń. Dla takich obiektów należy posługiwać się modelami empirycznymi, deterministycznymi i złożonymi, będącymi kombinacją modeli razem wziętych. Modele te również opracowano na podstawie pomiarów i obserwacji, wykonanych w różnorodnych warunkach. Wśród modeli wykorzystywanych do projektowania sieci w tym również projektowania aplikacyjnego wyróżniamy Multi-Wall i COST 31 ITU-R. W celu sprawdzenia użyteczności tych modeli opracowano fragment sieci ze zróżnicowanym środowiskiem, uwzględniając ściany działowe i stropy (rys. 3). Rys. 3. Architektura środowiska propagacyjnego w badaniach modeli: MW i COST 31 Parametry modelu zestawiono w tabeli 3. Pomiary poziomu mocy w wybranych punktach wykonano za pomocą tych samych metod i narzędzi jak w poprzednim środowisku. Tłumienie wybranych relacji określono na dwa sposoby, modelem wielościennym Multi-Wall i COST 31 zalecanym przez ITU-R (ang. International Telecommunication Union Radiocommunication). 4.1 Liniowy model M-W, w którym tłumienie wnoszone na bezpośredniej drodze propagacji pomiędzy nadajnikiem a odbiornikiem wyraża się zależnością[4]: L M W n [ db] = L n log( d) + N wn Lwn + N fm L fm, (5) gdzie: L 0 - tłumienie w odległości 1m, n -parametr zależny od rozpatrywanego modelu, d- odległość, N wn -liczba ścian o jednakowej konstrukcji, N fm -liczba stropów o jednakowej konstrukcji, L wn -tłumienie ścian i-tego rodzaju, L fm -tłumienie stropów j-tego rodzaju Parametry L 0, L wn, L fm, n dla tego modelu zostały przyjęte na podstawie badań empirycznych [1], parametr n z przedziału n <, >, L 0 = 40dB (f =,4 GHz), L w = db dla ścian lekkich gipsowych, 7 db dla ścian murowanych, L f = 0 db dla stropów o grubości do 0 cm. 4.. Europejski model COST 31: L COST 31 db] fs n i= 1 wi i= 1 wi m j= 1 N f + ( b) f N f + 1 [ = L + L + N L + N L (6) 0 f

5 gdzie: L fs - tłumienie wolnej przestrzeni, L 0 - stała tłumienia (tłumienie w odległości 1m), N wi - liczba ścian na trasie propagacji i-tego typu, N f liczba stropów na trasie propagacji, L wi - tłumienie ściany i-tego typu, L f - tłumienie stropu, b - parametr empiryczny Tłumienie wolnej przestrzeni określa się z zależności (1), L 0 przyjmuje wartość w zależności od rozpatrywanego pasma częstotliwości: 40 db,4ghz, 47,17 db 5,4GHz, b- parametr empiryczny, przyjmowany [5] jako b = 0,45. Tabela 3. Parametry badanego środowiska oraz tłumienie tras dla przyjętych modeli: M-W i COST 31 d L M-W Relacja [m] N w N f [db] n =,0 n = n = L COST 31 [db] A-1 6, , ,40 B ,08 87,40 96,94 113,08 C ,58 111,77 115,56 135,58 D ,60 109,30 13,10 18,60 Badane odcinki są zróżnicowane, pierwszy A-1 to trasa w sali z zagęszczoną liczbą stanowisk komputerowych, przedzielony ścianą działową z cegły ceramicznej, której współczynnik tłumienia przyjęto L fm = 7 db. Drugi B-1, to trasa przecinająca korytarz i gabinet obsługi administracyjnej, zagęszczony meblami i sprzętem,, oddzielony podwójną ścianą od źródła promieniowania, znajdujący się na tej samej konstrukcji. Kolejny C-1 odcinek, w którym promień bezpośredni dociera przez strop i dwie ściany poprzeczne. Ostatni badany odcinek to droga promienia bezpośredniego przez trzy sale dydaktyczne w ciągu komunikacyjnym na tej samej kondygnacji. Ten obszar testowany jest już na skraju zasięgu promieniowania AP. Dla tak zróżnicowanego środowiska decydującym parametrem w projektowaniu jest współczynnik rozkładu mocy n, którego wybór nie jest jednoznaczny. Jego dokładną wartość można przyjąć dopiero po wykonanej serii pomiarów na danym obszarze. Zgrubnie przyjmuje się w z zależności od rozpatrywanego środowiska (tabela 1). Wartość poziomów wyznaczonych i pomierzonych przedstawiono w tabeli 4. Tabela 4. Poziom sygnałów użytecznych, pomierzonych i określonych w wybranych punktach sieci P Tx = 14 dbm, G Rx = 4 dbi, G Tx = dbi L Rx = 0, L Tx = 0 Wartości Wartości Wartości Relacja wyznaczone wyznaczone pomierzone n M-W COST 31 P Rx [dbm] A-1-63 B-1-74 C-1-83 D-1-81 P Rx [dbm] P Rx [dbm] -83,40-93,08-115,58-108,60 Dla tras przesłoniętych tylko ścianami działowymi (A-1, B-1, D-1) tłumienie sygnału poprawnie określa model M-W, przyjmując współczynnik rozproszenia mocy zgodnie z modelem wnętrza (tabela 1). Dla dłuższych tras (D-1), zauważa się lekką zmianę wykładnika potęgi, który

6 zmierza w stronę niższych wartości (z na ). Można uzasadnić to w ten sposób, że dla dłuższych dystansów, w takim rozkładzie pomieszczeń i wyposażenia wpływ maja promienie odbite, które wzmacniają sygnał, dając wrażenie jakby pomieszczenia mniej tłumiły sygnał użyteczny. Obszary z udziałem stropów zbadano tylko dla jednego przypadku, gdyż propagacja z udziałem większej liczby kondygnacji wiąże się z większymi odległościami i pokaźnymi stratami sygnału na każdym sklepieniu. Dla niewielkich odległości można przyjąć model M-W z współczynnikiem n = 3. Wyniki uzyskane z pomiarów i wyliczone metodą COST 31 znacząco różnią się od siebie, co wskazuje na wadę i bezużyteczność drugiej metody w projektowaniu tego typu sieci. 5. PODSUMOWANIE Przedstawione modele pozwalają usprawnić proces projektowania sieci komunikacji bezprzewodowej wewnątrz budynków. Wymienione modele a w szczególności dwa ostatnie uwzględniają wpływ ścian na tłumienie fali radiowej jedynie na bezpośredniej trasie transmisji nadajnik-odbiornik. Takie środowiska często powodują, że sygnał bezpośredni nie jest sygnałem dominującym. W modelu jednościeżkowym O-S wraz ze wzrostem odległości wzrasta dyfrakcja i rozproszenie przez co wartości pomierzone są gorsze od teoretycznych, natomiast w wielościennym jest odwrotnie, gdyż promienie odbite od ściany, podłogi i stropy uczestniczą w transmisji sygnałów. Należałoby uwzględnić promienie odbite i promienie dyfrakcyjne, wykorzystując modele deterministyczne, jak np. Dominant Path [4] czy Ray Launching [7]. LITERATURA 1. S. Zvankovec, P. Pechac, M. Klepal: Wireless LAN Networks Design, Site Survey or Propagation Modeling, Praha K. Wesołowski, H. Bogucka, R. Krenz, Z. Długaszewski: Lokalne, bezprzewodowe sieci komputerowe, Krajowa Konferencja Radiotelekomunikacji, Radiofonii i Telewizji, str , Poznań, Maj 001. Instytut Elektroniki i Telekomunikacji, Politechnika Poznańska. 3. D. Eljasz, P. Powroźnik: Wykorzystanie bezprzewodowych sieci komputerowych do przesyłania danych pomiarowych, VI Konferencja Naukowa Systemy Pomiarowe, Pomiary Automatyka Robotyka 7-8/ G. Wölfle: Radio Network Planning and Propagation Models for Urban and Indoor Wireless Communication Networks, Millennium Conference on Antennas & Propagation (AP000), Davos, April ITU-R M.15, Guidelines for evaluation of radio transmission technologies for IMT-000, Mustafa Ergen, Baris Dundar, Pravin Varaiya: Throughput Analysis of an Extended Service Set in IEEE 80.11, Dept. of EECS at University of California Berkeley. 7. R. Hoppe, Advanced Ray Optical Wave Propagation Modelling for Urban and Indoor Scenarios Including Wideband Properties, 003