Analiza i porównanie modeli propagacyjnych dla środowiska wewnątrzbudynkowego

Transkrypt

1 Analiza i porównanie modeli propagacyjnych dla środowiska wewnątrzbudynkowego Łukasz Jasiński Wrocław, Polska, 2011 alvarus@alvarus.org, Abstract This electronic document analyzes and compares the indoor propagation models. Keywords: radio propagation; indoor; path loss, models I. WPROWADZENIE Sieci bezprzewodowe działające wewnątrz budynków obecne są już od ponad dekady. Największą popularność zdobyły lokalne sieci bezprzewodowe standardu IEEE działające w paśmie ISM 2,4 GHz. W przyszłości będzie powstawać coraz więcej tego typu sieci na użytek domowy i przemysłowo-biznesowy. Nie można również zapominać o femtokomórkach, które wraz z rozwojem sieci 4G będą instalowane w biurowcach i galeriach handlowych. Z punktu widzenia użytkownika korzystanie z szerokopasmowych sieci bezprzewodowych jest wygodne przede wszystkim ze względu na możliwość przemieszczania się i korzystania z urządzeń mobilnych takich jak telefony komórkowe czy tablety. Z poziomu projektanta optymalne zaprojektowanie sieci bezprzewodowej jest zadaniem trudnym ze względu na specyficzną propagację fal w środowisku wewnątrzbudynkowym. Dlatego też zaleca się korzystanie z modeli propagacyjnych przedstawionych w niniejszej pracy. II. PROPAGACJA FALI W ŚRODOWISKU WEWNĄTRZBUDYNKOWYM Propagacja fali w środowisku wewnątrzbudynkowym jest dosyć specyficzna ze względu na to, że jest to teren zamknięty i podzielony za pomocą ścian. Oprócz tego obecność ludzi i różnorodnego sprzętu w pomieszczeniach ma wpływ na warunki propagacji. W środowisku tym najczęściej nie da się zapewnić warunku bezpośredniej widoczności i bardzo często dochodzi do takich zjawisk jak tłumienie fali przenikającej przez ściany i stropy, odbicia fali od ścian, stropów i sprzętu znajdującego się w pomieszczeniach, a także dyfrakcja na ich krawędziach. Szczególnym zjawiskiem jest tzw. tunelowanie wielokrotne odbicia fali od ścian najczęściej w długim i wąskim korytarzu, które może nawet zwiększyć zasięg sieci. Z drugiej jednak strony wielokrotne odbicia wpływają na wzrost zjawiska wielodrogowości, które może powodować zakłócenia między symbolowe (Inter-Symbol Interference). W związku z tym projektując sieć bezprzewodową w budynku należy zaopatrzyć się w dokładny plan rozkładu pomieszczeń wraz z ich wymiarami. Należy znać grubość poszczególnych ścian i stropów i materiał z jakiego zostały one wykonane. Oprócz tego powinno się zapoznać z wyposażeniem pomieszczeń, ich umiejscowieniem i materiałem z jakiego zostały zrobione. Skompletowanie odpowiedniej dokumentacji dotyczącej pomieszczenia, przeanalizowanie jej i określenie problemu jest pierwszym etapem projektowania sieci. Kolejnym krokiem jest umiejscowienie punktów nadawczych, a tu z pomocą przyjdą omawiane w tej pracy modele propagacyjne. Ostatnim etapem jest wdrożenie systemu, przetestowaniem go i ewentualne wprowadzenie poprawek. III. BILANS ENERGETYCZNY [1] Bilans energetyczny łącza radiowego pozwala określić zasięg danego punktu dostępowego. Oprócz tego określenie poziomu mocy w punkcie, w którym znajduje się odbiornik umożliwia oszacowanie maksymalnej przepustowości (modulacji i sprawności kodowania), która ściśle związana jest z czułością odbiornika. Równanie na bilans energetyczny łącza radiowego w postaci logarytmicznej wygląda = + + (1) moc sygnału odbieranego [dbm] moc sygnału nadawanego [dbm] zysk anteny nadawczej [db] zysk anteny odbiorczej [db] tłumienie fali radiowej w środowisku propagacyjnym [db] tłumienie kabli i złączy [db] Wyznaczenie tłumienia fali radiowej w środowisku wewnątrzbudynkowym, jak już to zostało wspomniane wcześniej, jest rzeczą trudną i warto korzystać w tym przypadku z modeli propagacyjnych opisanych w dalszej części pracy. Pozostałe parametry potrzebne do wyznaczenia bilansu energetycznego powinny znajdować się w dokumentacji sprzętowej. IV. MODELE PROPAGACYJNE Model propagacyjny to wzór matematyczny, który z pewnym przybliżeniem opisuje propagacje fal radiowych uwzględniając takie czynniki jak częstotliwość, odległość czy wysokość zawieszenia anteny. Generalnie modele propagacyjne można podzielić na empiryczne, deterministyczne i inne będące najczęściej połączeniem obu wcześniejszych. W niniejszej pracy autor zwrócił uwagę

2 jedynie na empiryczne modele propagacyjne dla środowiska wewnątrzbudynkowego. A. Tłumienie swobodnej przestrzeni [2] W przypadku projektowania sieci bezprzewodowych w hali lub tylko w jednym pomieszczeniu można posłużyć się modelem tłumienia w swobodnej przestrzeni, który to jest funkcją dwóch zmiennych odległości i częstotliwości. = 27, (2) L tłumienie swobodnej przestrzeni (db) f częstotliwość pracy systemu (MHz) d odległość pomiędzy antenami (m) Wyniki tłumienia uzyskane z modelu swobodnej przestrzeni mogą posłużyć jako wyniki odniesienia w przypadku porównywania różnych modeli propagacyjnych. B. ITU-R P.1238 [3] Organizacja ITU-R stworzyła model propagacyjny, który uwzględnia podstawowe czynniki propagacyjne mające wpływ na tłumienie fali w środowisku wewnątrzbudynkowym, a są nimi: częstotliwość, odległość i tłumienie przeszkód. Postać logarytmiczna modelu wygląda =20 log+ log+ 28 (3) częstotliwość pracy systemu [MHz] odległościowy współczynnik tłumienia odległość pomiędzy antenami [m] (>1 ) współczynnik tłumienia stropów [db] ilość pięter pomiędzy urządzeniami Parametry N i L f określane są eksperymentalnie, przy czym ITU podaje pomocnicze wartości tych parametrów, które przedstawione zostały w tabeli nr 1 i 2. TABELA 1 WARTOŚCI ODLEGŁOŚCIOWEGO WSPÓŁCZYNNIKA TŁUMIENIA ZALECANE PRZEZ ITU-T Częstotliwość Bud. mieszkalny Bud. biurowy Bud. komercyjny 900 MHz ,2 1,3 GHz ,8 2 GHz GHz ,2 GHz GHz GHz Model zaproponowany przez ITU-T przeznaczony jest dla systemów pracujących na częstotliwości 900 MHz i wyżej, przy czym dla częstotliwości 60 i 70 GHz zakres stosowania ogranicza się do jednego pomieszczenia lub do 100 m. TABELA 2 WARTOŚĆI WSPÓŁCZYNNIKA TŁUMIENIA STROPÓW ZALECANE PRZEZ ITU-T Częstotliwość Bud. mieszkalny Bud. biurowy Bud. komercyjny 900 MHz - 9 (1 piętro) 19 (2 piętra) 24 (3 piętra) 1,8 2 GHz 4n (n - 1) 6 + 3(n 1) 5,2 GHz - 16 (1 piętro) - C. Model One-Slope [4] Jednym z najprostszych modeli propagacyjnych jest model One-Slope, zwany inaczej modelem jednościeżkowym, ponieważ nie uwzględnia on istotnych elementów środowiska wewnątrzbudynkowego ścian, stropów i materiałów z jakich zostały one wykonane. = +10 (4) tłumienie odniesienia w odległości 1 m [db] indeks odległościowego zaniku mocy odległość pomiędzy antenami [m] Model jednościeżkowy zależy przede wszystkim od odległości pomiędzy urządzeniami. Indeks γ dobiera się eksperymentalnie, jednak typowa wartość dla swobodnej przestrzeni wynosi γ = 2, natomiast dla środowiska wewnątrzbudynkowego γ zawiera się w przedziale od 3,5 do 6. Tłumienie odniesienia w odległości 1 m od anteny nadawczej dobiera się w sposób empiryczny lub gdy nie jest to możliwe można posłużyć się modelem swobodnej przestrzeni (2). Model ten wykorzystywany jest przede wszystkim do oszacowania tłumienia propagacyjnego w obrębie tej samej kondygnacji lub pomieszczenia. D. Model liniowy [5] Model liniowy jest bardzo podobny do modelu One-Slope opisanego wcześniej, tutaj również nie uwzględnia się przeszkód w postaci ścian i stropów. = + (5) tłumienie swobodnej przestrzeni pomiędzy nadajnikiem tłumienie dodatkowe odległość pomiędzy antenami [m] Podobnie jak model jednościeżkowy, model liniowy, używany jest do określenia tłumienia w obrębie tej samej kondygnacji lub jednego pomieszczenia. -

3 E. Model Motleya-Keenana [6] Model Motleya-Keenana jest modelem rozbudowany, ponieważ uwzględnia on propagacje fali radiowej przez kolejne ściany i stropy budynku. Postać logarytmiczna równania wygląda = + + (6) tłumienie swobodnej przestrzeni pomiędzy nadajnikiem liczba ścian na drodze propagacji tłumienie ściany [db] liczba stropów na drodze propagacji tłumienie stropu [db] Model ten choć uwzględnia tłumienie ścian i stropów jest bardzo uproszczony, ponieważ zakłada jedną kategorię tych przeszkód. Problemem może być brak znajomości tłumienia ścian i stropów. W takiej sytuacji warto dobrać zalecane wartości. W tabeli nr 3 przedstawiono tłumienie poszczególnych elementów w paśmie 2,4 GHz. TABELA 3 TŁUMIENIE POSZCZEGÓLNYCH CHARAKTERYSTYCZNYCH ELEMENTÓW W ŚRODOWISKU WEWNĄTRZBUDYNKOWYM W PAŚMIE 2,4 GHz [7] Nazwa elementu Ściana wewnętrzna Ściana zewnętrzna Ściana działowa Materiał Grubość [cm] Tłumienie Cegła 10 7 db Cegła 30 9 db Rigips i wełna szklana 7 2 db Strop Beton db Okno Szkło 2 x szyba + 1 cm przerwy 4,5 db Drzwi Drewno 4 2,5 db F. Model Multi-Wall [1][5] Najpopularniejszym i obecnie najczęściej używanym modelem empirycznym dla omawianego środowiska jest Multi-Wall. Model Multi-Wall jest niejako połączeniem dwóch poprzednio opisywanych modeli One-Slope i Motleya-Keenana, uwzględnia on tłumienie ścian i stropów przy czym przeszkody te podzielone są na odpowiednie kategorie (np. ściana zewnętrza, działowa, itp.). Zapis decybelowy liniowego modelu Multi-Wall wygląda (7) = +10log+ + tłumienie odniesienia w odległości 1 m [db] indeks odległościowego zaniku mocy odległość pomiędzy antenami [m] liczba ścian kategorii i tłumienie ściany kategorii i liczba stropów kategorii j tłumienie stropu kategorii j W Europie w ramach projektu COST231 powstał nieliniowy model Multi-Wall, którego postać wygląda = (8) tłumienie swobodnej przestrzeni pomiędzy nadajnikiem stała tłumienia (najczęściej bliska zeru) [db] liczba ścian kategorii i tłumienie ściany kategorii i liczba stropów parametr empiryczny tłumienie stropu Model Multi-Wall ze względu na uwzględnienie różnych kategorii przeszkód, które charakteryzują się różnym tłumieniem fali radiowej powinien teoretycznie dawać wyniki najbardziej zbliżone do rzeczywistych w porównaniu z innymi modelami empirycznymi dla środowiska wewnątrzbudynkowego. V. POMIARY I PORÓWNANIE MODELI PROPAGACYJNCYH A. Narzędzia i środowisko pomiarowe W celu wykonania pomiarów skorzystano z punktu dostępowego firmy Linksys i laptopa firmy ASUS, wyposażonego w bezprzewodową kartę sieciową, z zainstalowanym systemem Linux oraz programem airodump-ng zawartym w pakiecie aircrack-ng. Pomiarów dokonano w 20-letnim, czteropiętrowym budynku mieszkalnym znajdującym się w Jaworzynie Śląskiej przy ulicy Ceglanej 9. Wcześniej zostały dokonane w tym miejscu pomiary tłumienia poszczególnych elementów charakterystycznych dla środowiska wewnątrzbudynkowego. Wyniki tych pomiarów zostały zaprezentowane w pracy [7]. B. Sposób dokonania pomiarów Pomiarów tłumienia propagacji fali radiowej dokonano na częstotliwości 2,437 GHz (na 6 kanale w paśmie ISM). Wybrano tą częstotliwość z powodu obecności w pobliżu innych sieci bezprzewodowych, kanał ten był względem nich niezależny. Zbadano dwa przypadki - gdy punkt dostępowy i odbiornik oddzielały dwie ściany wewnętrzna i działowa (A) i przypadek, gdy oba te urządzenia rozdzielała ściana zewnętrzna i strop (B). W pierwszym przypadku odległość pomiędzy antenami wynosiła 5 m, w drugim natomiast 4 m. Urządzenia umieszczono mniej więcej na środku pomieszczenia w jakim się znajdowały i starano się je

4 umiejscowić na tej samej wysokości od ziemi. Oba te przypadki ilustruje rysunek nr 1.. TABELA 5 WYNIKI POMIARU I MODELI PROPAGACYJNYCH DLA SCENARIUSZA B Model propagacyjny Wynik Parametr(y) Swobodna przestrzeń 52 db B C. Wyniki pomiarów i wnioski Rys. 1 Schemat układu pomiarowego W opisany wcześniej sposób dokonano pomiarów, których wyniki mogą posłużyć do porównania poszczególnych modeli propagacyjnych dla fal radiowych rozchodzących się w pomieszczeniach. Wyniki pomiarów i modeli propagacyjnych przedstawiono, osobno dla każdego scenariusza, w tabelach nr 4 i 5. Oprócz tego, dla modeli, które tego wymagały, zawarto w nich również dobrane niezbędne parametry. TABELA 4 WYNIKI POMIARU I MODELI PROPAGACYJNYCH DLA SCENARIUSZA A Model propagacyjny Wynik Parametr(y) Swobodna przestrzeń 54 db ITU-R P db N = 28 One-Slope 74 db γ = 4 Liniowy 74 db α = 4 Motleya-Keenana 63 db Multi-Wall 69 db γ = 2 COST 231 Multi-Wall 63 db L c = 0 db Wynik pomiaru: 71 db W przypadku pierwszego scenariusza model, którego wynik znajdował się najbliższej rzeczywistej wartości tłumienia jest Multi-Wall. Najgorszym natomiast okazał się model zalecany przez ITU-R. Należy zwrócić również uwagę na fakt, że model Multi-Wall i jego odpowiednik zaproponowany przez Europejczyków znacznie się różnią (przy założeniu, że stała tłumienia wynosi 0). Oprócz tego wyniki przedstawione w tabelach potwierdzają podobieństwo pomiędzy modelem One-Slope a modelem Liniowym. W modelu Motleya-Keenana, który uwzględnia tylko jedną kategorię ścian, za tłumienie ściany przyjęto wartość średnią tłumienia obu ścian (działowej i wewnętrznej). A ITU-R P db N = 28 One-Slope 76 db γ = 5 Liniowy 72 db α = 5 Motleya-Keenana 81 db Multi-Wall COST 231 Multi-Wall Wynik pomiaru: 80 db 72 db γ = 2 L c = 0 db b = 2 78 db W przypadku drugiego scenariusza najbliższym również okazał się model Multi-Wall, natomiast najgorszym ITU-R P Z racji, że propagacja fali odbywała się przez ścianę zewnętrzną i strop, co oczywiście wprowadza większe tłumienie niż w przypadku pierwszego scenariusza, parametr γ w modelu One-Slope i Liniowym zwiększono o 1. Ten sam parametr w modelu Multi-Wall pozostał bez zmian, co świadczy o tym, porównując wyniki, że jest to optymalna wartość. W scenariuszu B propagacja odbywa się jedynie przez jeden strop, więc parametr b nie ma w tym przypadku wpływu na wynik, występuje jednak prosta zależność im większy zostanie przyjęty parametr b tym mniejsze będzie tłumienie. Parametr L 0, czyli tłumienie w odległości 1 m od nadajnika, dobrano empirycznie według wcześniej przeprowadzonych pomiarów, które opublikowane zostały w pracy [7]. W sytuacji, gdy pomiar jest ten niemożliwy można skorzystać z tłumienia swobodnej przestrzeni, jednak może to mieć spory wpływ na rezultat końcowy modelu. VI. PODSUMOWANIE Oszacowanie tłumienia fali radiowej rozchodzącej się w pomieszczeniach jest zadaniem trudnym ze względu na różne przeszkody na drodze propagacji, które wprowadzają różne tłumienie. Dlatego zaleca się korzystać z modeli propagacyjnych przeznaczonych specjalnie dla tego środowiska. Modelem, który daje wyniki najbardziej zbliżone do rzeczywistego tłumienia jest model liniowy Multi-Wall, który uwzględnia wszystkie największe przeszkody na trasie propagacji ściany jak i stropy, a także klasyfikuje je na odpowiednie kategorie. Model One-Slope i Liniowy, które w przedstawionej w tej pracy scenariuszach, dawały bardzo dobre wyniki, dla innych scenariuszy (np. z propagacja przez większą ilość ścian i stropów) nie sprawdzą się już tak dobrze, dlatego uznaje się je za modele dające optymistyczne wyniki.

5 LITERATURA [1] Ryszard J. Katulski, Propagacja fal radiowych w telekomunikacji bezprzewodowej, Wydadnie I, Wydawnictwo Komunikacji i Łączności, Warszawa, [2] J.D. Parsons, The mobile radio propagation channel, 2nd ed., John Wiley & Sons Ltd, Chichester, [3] Recommendation ITU-R P , Propagation data and prediction methods for the planning of indoor radiocommunication systems and radio local area networks in the frequency range 900 MHz to 100 GHz, [4] Bernhard H. Walke, Stefan Mangold, Lars Berlemann, IEEE 802 Wireless Systems Protocols, Multi-hop Mesh/Relaying, Performance and Spectrum Coexistence, John Willey & Sons Ltd., Chichester, [5] COST Action 231, Digital Mobile Radio Towards Furture Generation Systems, Final Raport, [6] J.M. Keenan, A.J. Motley, Radio covarage in buildings, British Telecom Technology Journal, [7] Ł. Jasiński, Pomiar tłumienia ścian i innych elementów charakterystycznych dla środowiska wewnątrzbudynkowego w paśmie 2,4 GHz, Wrocław, 2011