1. INTRODUCTION
3.2 System Model
3.2.6 Channel Selection Algorithms
La lluvia es un fenómeno capaz de afectar a las comunicaciones inalámbricas debido a que actúa como cortina entre el transmisor y receptor. Para el caso específico de la Escuela Politécnica del Ejército este parámetro es importante ya que se estima que el clima en el Campus es variado con un amplio nivel de lluvia en la tarde en la época de invierno, razón por la cual es relevante estudiar una expresión en la cual intervenga la atenuación por lluvia.
Siempre que una señal electromagnética atraviesa una zona de lluvia, se generará un problema de atenuación, esto es debido a la absorción de la energía de las ondas electromagnéticas por parte de las gotas de agua, la cual puede reducir considerablemente la potencia de la señal.
Este fenómeno se vuelve significativo a frecuencias mayores de 6 GHz ya que las pérdidas en frecuencias superiores son genera mayor absorción de la energía por el agua. Como se trabaja a una frecuencia cercana a 6 GHz, es primordial describir cada expresión que puede afectar a la red ya que la misma trabaja en la banda de 5 GHz con alto nivel de pérdidas ya que se necesita más potencia para transmitir y receptar señales. Por esta razón es muy importante tener en cuenta estas pérdidas y la forma de calcularlas al momento de diseñar enlaces de banda ancha inalámbricos en zonas como el Campus de la ESPE, donde la lluvia es una variable constante a lo largo del año.
Entre los factores que afectan a la red inalámbrica a estas frecuencias están la propagación de las señales de microondas en ambientes turbios, como la absorción por gases y vapor de agua, la atenuación por lluvia, la atenuación por vegetación, entre otras, pero la más importante es la atenuación en entornos de lluvia ya que siguiendo las recomendaciones ITU- R presenta una pérdida significativa que representa un porcentaje de atenuación para los modelos de propagación estudiados.
En la recomendación ITU-R P838-3 se describe la siguiente expresión considerando una tasa de distribución de lluvia R.
𝐴𝐿𝑙𝑢𝑣𝑖𝑎 = 𝑎𝑅𝑏[𝑑𝐵/𝑘𝑚] (Ecuación 2.50)
Donde:
𝐴𝐿𝑙𝑢𝑣𝑖𝑎 es la Atenuación por lluvias en dB/Km R es la tasa de lluvia de la región en mm/h
a y b son unas constantes que dependen de la frecuencia y de la polarización de la onda electromagnética.
Algunos valores de a y b para distintas frecuencias y polarizaciones lineales (horizontal y vertical) se muestran en la Rec. UIT-R 838. De la tabla se deduce que la atenuación es ligeramente superior para polarización horizontal que para vertical. Esto se debe simplemente a la forma que adquieren las gotas de lluvia por el rozamiento durante la caída. [16]
También se analizan los términos a y b de la siguiente manera:
𝑎𝐻, 𝑏𝐻: constantes para polarización horizontal. 𝑎𝑉, 𝑏𝑉: constantes para polarización vertical.
En general a y b tienen las siguientes expresiones para la banda de 5 GHz que es en la que trabaja la Radio Base y el sistema inalámbrico:
𝑎 = 4,21 × 10−5𝑓2,42 (Ecuación 2.51)
En la figura 2.9 se representan curvas de atenuación específica por lluvia en función de la frecuencia y para distintos valores de precipitación. Como puede observarse, la atenuación específica crece rápidamente para frecuencias por encima de 6 GHz.
Para una tasa de precipitación de R = 50 mm/h se obtienen valores de atenuación específica mayores de 10 dB/km para frecuencias superiores a 30 GHz. Por lo tanto, la lluvia es un problema serio en sistemas de radiocomunicaciones que operen a estas frecuencias.
Figura 2.9. Atenuación específica para distintas intensidades de lluvia
Para el caso de la ciudad de Sangolquí se considera una intensidad de lluvia de 25mm/h, que es un valor alto en esta parte del Ecuador y además se presentan en raras ocasiones, estos valores son comunes en algunas ciudades del centro y Región Sierra del país en los entornos adyacentes a la Cordillera de los Andes.
Para identificar el valor de pérdida por lluvia, se reemplaza los valores de las expresiones de los coeficientes R, a y b; también se toma en cuenta el valor de la frecuencia en GHz para analizar el valor de atenuación en el Campus. Se realiza este procedimiento en la ecuación 2.50.
Para f=5,5 GHz 𝐴𝐿𝑙𝑢𝑣𝑖𝑎 = 𝑎𝑅𝑏 [𝑑𝐵/𝐾𝑚] 𝐴𝐿𝑙𝑢𝑣𝑖𝑎 = 4,21 × 10−5𝑓2,42𝑅1,41𝑓−0,0779 𝐴𝐿𝑙𝑢𝑣𝑖𝑎 = 4,21 × 10−55,52,42251,415,5−0,0779 𝐴𝐿𝑙𝑢𝑣𝑖𝑎 = 2,606 × 10−3251,235 𝐴𝐿𝑙𝑢𝑣𝑖𝑎 = 0,139[dB/Km] (Ecuación 2.53)
Este valor de atenuación es mínimo para el total de pérdidas que los modelos de propagación nos proporcionan, cabe mencionar que el valor de 0,139 es por cada Km recorrido, si hablamos del perímetro total del Campus tenemos un radio máximo de 1 Km por lo tanto la pérdida por lluvia en la ESPE es insignificante, ya que no sobrepasa este límite de distancia. Por tal razón no debemos tomar en cuenta este parámetro para el cálculo del nuevo modelo de propagación y para los mencionados en este capítulo.
Para enlaces terrestres con trayectorias mayores a 0,6 Km, la atenuación debido a la distancia entre antenas es menor de lo que muestra esta cifra cuando la lluvia afecta sólo a una parte de la trayectoria del enlace. Por lo tanto es necesario aplicar un factor de reducción para la distancia efectiva del enlace, el cual está dado como:
𝑟 =90+4𝑑90 (Ecuación 2.54)
Donde:
r es el factor de reducción.
Por lo tanto la ecuación más exacta para el cálculo de la atenuación por lluvia es la expresión 2.55, a la cual reemplazamos los valores correspondientes para sacar un valor exacto de la atenuación: 𝐴𝐿𝑙𝑢𝑣𝑖𝑎 = 𝑎𝑅𝑏𝑑𝑟 [𝑑𝐵] (Ecuación 2.55) 𝐴𝐿𝑙𝑢𝑣𝑖𝑎 = 𝑎𝑅𝑏𝑑 90 90 + 4𝑑 𝐴𝐿𝑙𝑢𝑣𝑖𝑎 = 0,139 × 1 90 90 + 4 × 1 𝐴𝐿𝑙𝑢𝑣𝑖𝑎 = 0,133 [dB] (Ecuación 2.56)
d en esta expresión es 1 Km que es el límite del Campus y 𝐴𝐿𝑙𝑢𝑣𝑖𝑎 pertenece al máximo valor que puede tomar la atenuación por lluvia, el cual no representa mayor importancia para las expresiones de los diferentes modelos matemáticos, por lo tanto la atenuación por lluvia no es un parámetro que este dentro de las características de propagación de la red y los cambios que en ella produzca son mínimos. Por esta razón no se tomará en cuenta este tipo de pérdida en el sistema inalámbrico del presente estudio.
CAPÍTULO III
MATERIALES Y MÉTODOS
3.1. Materiales para la obtención y análisis de la medida de potencia
Como parte fundamental del estudio de propagación en este capítulo se analizará los equipos que intervienen al momento de realizar las medidas en el Campus Politécnico de la ESPE, además se identifican las herramientas necesarias para procesar toda la información adquirida con los dispositivos y finalmente obtener el modelo de propagación de potencia de la señal WiMAX a través de las herramientas de cálculo y simuladores.
Para la obtención de resultados eficientes hay que investigar una amplia gama de dispositivos de medición, herramientas de cálculo y simuladores con el objetivo principal de encontrar el equipo y el software con las características necesarias para el análisis de radiación de la antena.
Es necesario determinar cada uno de los dispositivos que intervienen en el análisis de la medida de potencia, a continuación se entrega un listado de los materiales que se utilizan para alcanzar el objetivo final en el presente estudio de propagación:
Dispositivo de medición de potencia
Dispositivo de ubicación geográfica y representación cartográfica
Herramienta de cálculo estadístico
Programa geo-estadístico