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Caracterización experimental y Modelado del Canal de Propagación inalámbrico A 5.8 GHZ en entornos marinos

Tesis Doctoral / Disertación 2013 281 Páginas

Ciencias de la computación - Aplicada

Extracto

Indice

Agradecimientos

Resumen

Abstract

Prefacio

Lista de acronimos

1. Introduccion
1.1. Contexto y motivation
1.2. Objetivos
1.3. Revision de la literatura
1.4. Estructura de la Tesis

2. Modelado de canales de propagacion inalambricos
2.1. Introduccion
2.2. Meeanismos de propagacion de una onda eleetromagnetiea . .
2.3. Metodos de modelado de canal
2.4. Caraeterizaeion de canales inalambricos
2.4.1. Modelo de canal lineal v variante on el tiempo
2.4.2. Modelos de canal de banda estrecha y banda ancha
2.5. Banda estrecha: variaeiones de la potencia de la serial recibida
2.5.1. Modelo de desvanecimiento a gran eseala: perdida detrayecto
2.5.2. Modelo de desvanecimiento a gran eseala: distributionde los niveles medios locales de la serial recibida
2,5,3. Modelos do desvanecimiento a pequena escala
2,6. Banda aneha: parametros do eanales multitrayecto
2.6.1. Retardo medio
2.6.2. Dispersion (valor eficaz) del retardo
2.6.3. Aneho de banda de eohereneia

3. Sondeo de canal: medidas de propagacion
3.1. Introduction
3.2. Deseripeion del eseenario de propagacion
3.3. Elementos del sistema de medida: boya y embareaeiones , , ,
3.4. Sistema de medida de banda estreeha
3.5. Sistema de medida de banda aneha

4. Caracterizacion en banda estreeha
4.1. Introdneeion
4.2. Planifieaeion de las eampanas de medidas
4.2.1. Campana experimental Boya-Bnqne
4.2.2. Campana experimental Boya-Bote
4.2.3. Campana experimental Bareo-Costa
4.3. Modelos teoricos de referenda
4.4. Resnltados experimentales, Campana Boya-Bote
4.4.1. Modelo a gran escala
4.4.2. Modelo a pequena escala
4.5. Resultados experimentales, Campana Boya-Buque
4.5.1. Modelo a gran escala
4.5.2. Modelo a pequena escala
4.6. Resultados experimentales, Campana Bareo-Costa
4.6.1. Modelo a gran escala
4.6.2. Modelo a pequena escala
4.7. Resumen de resultados
4.7.1. Modelo a gran escala
4.7.2. Modelo a pequena escala

5. Caracterizacion en banda aneha
5.1. Introduction
5.2. Planifieaeion de la campana de medidas
5.3. Analisis preliminar
5.3.1. Definieion do los intervales do analisis
5.3.2. Proeesado do los perfiles Ill
5.4. Resnltados
5.4.1. Poteneia media de la serial reeibida
5.4.2. Caraeterizaeion a pequena eseala
5.4.3. Caraeterizaeion a gran eseala

6. Conclusiones y lineas futuras de investigation
6.1. Conelnsiones
6.2. Trabajos futures

A. Codigo Matlab. Caraeterizaeion en banda estrecha
A.l.Introduction
A.2. Modelo de dos raves
A.3. Analisis del desvaneeimiento a gran eseala
A.4. Analisis del desvaneeimiento a pequena eseala

B. Codigo Matlab. Caraeterizaeion en banda ancha
B.l. Introduction
B 2. Obteneion de parametros multitrayeeto

C. Resultados complementarios al estudio de banda estrecha
C.l. Introdueeion
C.2. Simulation de parametros del modelo de dos raves
C.3. Analisis del desvaneeimiento a gran eseala
C.3.1. Campana Boya-Buque
C.3.2. Campana Boya-Bote
C.3.3. Campana Bareo-Costa
C.4. Analisis del desvaneeimiento a pequena eseala

D. Resultados complementarios al estudio de banda ancha
D.l. Introdueeion
D.2. Estudios de correlation
D.3. Perfiles del retar do de poteneia

Bibliografia

Agradecimientos

En esta memoria presento los resultados obtenidos tras los diferentes tra- bajos do investigacion realizados durante los ultimos anos en la Universidad de Cadiz, Tengo que admitir que pese al duro trabajo, han side unos anos de gran satisfaeeion personal y profesional. Sin duda alguna, esto no hubiera sido posible sin la eolaboraeion de un gran mimero personas, Por ello, es un plaeer dediear las siguientes lineas a las personas que, de un modo u otro, me han apoyado durante todo este tiempo.

Muehas graeias a D, Luis Antonio Mariseal, mi director de Tesis, Su paeieneia y eonstante dedication en tareas tecnicas y de gestion vineuladas al presente trabajo han sido impreseindibles, Agradezeo enormemente tambien su forma de ser.

Al grupo de investigacion Oceanografia Fisica: Dindmica. Especial mcn- cion mereeen los doeentes e investigadores D, Miguel Bruno y D, Oscar Al­varez, eomo responsables del grupo de investigacion, a lo largo de estos anos, han apoyado los trabajos de investigacion derivados de la linea de trabajo en la que so enmarea esta Tesis Doctoral, Ademas, la ayuda desinteresada de los investigadores D, Carlos Dastis, D, Juan Jesus Gomiz y D, Juan Vidal ha sido de vital importaneia para la planiheaeion y desarrollo de las eampanas marinas.

Al Institute Hidrograheo de la Marina (IHM) de la Armada Espanola, En particular, al Jefe de Oeeanografia, D, Jose Quijano, por su eolaboraeion y apoyo en la logistiea de las pruebas de eampo, Su implieaeion para la dispo- sieion de las embareaeiones fue enorme, Ademas, la eolaboraeion de personal del buque Antares y Rige.l (desde los militares de tropa y marineria a los oficiles y subofeiales) result/) indispensable para la organizaeion y ejecuccion de las pruebas de campo.

A Agilent Technologies Espana y todo el personal involuerado, Espe- eialmente a los Ingenieros de Aplieaeiones, D, Hector Carreno y D, Julian Arribas, por su constants asesoramiento, interns y apoyo on la configuration y pucsta a punto do los equipos utilizados on las campanas expcrimcntalcs.

A la empresa Aquabiotcchnology, por su apoyo con patroncs do embar- cacion quo participaron on parte do las campanas, El hecho do quo dichos cnsayos resultasen trcmcndamcntc satisfactorios so debio, en gran parte, a la inestimable ayuda de mi companero Pablo Rodriguez, por su entusiasmo y apoyo en tareas experimentales.

A todos los investigadores que he tenido el placer de eonoeer durante mis estancias en centres de investigation y en congresos cientificos interna- cionales, En especial, a los investigadores Zvonomir Sipus, Radovan Zentner, Pavel Xajman y Kun Yang, Sus comentarios y sugerencias han enriquecido sustancialmente este trabajo.

A1 docente e investigador D, Manuel Bethencourt, por su pasion e im­plication en las campanas experimentales, Su experieneia como patron de embarcacion en la primera campana result/) muy util y enriquecedora para mi y para todos los investigadores implicados.

A D, Juan Jose Murillo y D, F, Javier Payan, docentes e investigadores del Departamento de Teoria de la Serial y Comunicaciones de la Universidad de Sevilla, Gracias a ellos, me embarque en tareas de investigation relaeionadas con las comunicaciones inalambrieas.

A los hermanos Gomez Martin, Marco Antonio y Pedro Pablo, por crear la plant ilia de LaTeX en la que se basa el presente trabajo.

A mi familia, sin ella no seria la persona que soy.

A Ma Tere, La he dejando para el final inteneionalmente, Xo se si real- mente es consciente de lo agradeeido que me siento por el mero hecho de tenerla a mi lado.

Jose Carlos Reyes Guerrero Cadiz, 2013.

Este trabajo do investigacion ha side finaneiado por la Univorsidad do Cadiz (beca do Formaeion do Personal Investigador, refereneia PU2009-076- FPI) y la AECID (Ageneia Espanola do Cooperaeion Internacional para el Desarrollo), a traves de dos proyeetos de cooperaeion internacional (Proyectos A/024601/09 y A/030750/10) on el area de teenologia electronica y de las comunicaciones.

Resumen

Las teenologias inalambrieas aetualmente empleadas on aplicaciones ma­rinas estan basadas prineipalmente on sistemas propietarios VHF, sistemas do eomunieaeiones moviles colularos (GSM, GPRS, UMTS, etc.) y sistemas do comunicaciones por satelite (INMARSAT, VS AT, etc,). Sin embargo, es- tos sistemas eonllevan una serie de limitaeiones tales eomo: baja eapaeidad de red y redueidos anehos de banda disponibles (sistemas GSM, VHF y sa­telite), eorto aleanee (sistemas de comunicaciones moviles colularos), alto eoste para eiertas aplicaciones (sistemas de eomunieaeiones moviles eelulares y de satelite), y gran tamano y peso de antenas y hardware de transeep- tores (sistemas VHF), Estas limitaeiones han motivado una nueva linea de investigaeion euyo objetivo general es disenar y desarrollar un sistema de eo- munieaeion inalambrieo de banda aneha quo soporte aplicaciones emergentes eomo, por ejemplo, aquellas relaeionadas eon la monitorizaeion on tiempo real del entorno marino a traves de medidas de multiples parametros fisieos del mismo.

Una red inalambriea de sensores (WSX) basada on la teenologia WiMAX podria ser una buena opcion para llevar a eabo dieho objetivo. Las WSX ofreeen un nuevo paradigma on aplicaciones de monitorizaeion del medio marino, Pueden ser un tipo de red auto organizada y autonoma, eompuesta por nodos sensores inteligentes quo so pueden instalar a bordo de buques, boyas o plataformas flotantes, de tal manera quo al monos uno de los nodos aetua eomo estaeion base de la red mantima, y el resto de los nodos so pue­den apoyar entre si para quo todos los datos reeogidos lleguen a su destino -la estaeion base- eon el fin de monitorizar y proeesar los datos de la red, WiMAX es una teenologia on desarrollo originalmente disenada para ope- rar on entornos terrestres, donde su buen rendimiento ha sido extensamente demostrado, Dentro de las bandas de freeueneias propuestas on el estandar IEEE 802,16 para la explotaeion de esta teenologia, la banda de freeueneia do 5 GHz os ospooialmonto intorosanto para despliegues on moroados con baja donsidad do usuarios, eomo ol maritime. So trata do una banda dostinada a aplieaeiones industrialos, eientiheas y medieas (ISM) do use comun disponi- ble mundialmonto. En particular, la sub-banda alt a (5,725 GHz-5,850 GHz) os la mas atractiva dobido al hocho do quo muchos paisos pormiton potoncias transmitidas suporioros en comparacion con otras bandas, per lo quo el eoste de despliegue de una WSX se reduce atendiendo al menor numero de nodes neeesarios en la red para eubrir un area de cobertura determinada, Ademas, cabe destacar quo se han obtenido tasas de transmision de dates del orden de varias decenas de Mbps y ranges de cobertura de hasta varias decenas de km, Todas estas caracteristicas pueden ser utiles en el intento de superar las limitaciones e inconvenientes quo presentan los sistemas inalambricos mari­nes aetuales. Sin embargo, el rendimiento de redes WiMAX no es optimo en entornos maritimos dobido a los diferentes condicionantes quo impone el entorno a la propagation de las senales. Per lo tanto, es neeesario adaptar la tecnologia WiMAX para quo su aplicacion a eseenarios maritimos sea de interes, Para olio, una tarea initial y de vital importancia es investigar el comportamiento de las ondas de radio cuando se propagan per el canal fisieo de transmision, en estos entornos, en la banda de freeueneia de interes.

Hasta la feeha, diversos modelos de propagation y multitud de campa- nas de medidas experimentales han sido analizados en entornos terrestres tradieionales, Para enlaces radio maritimos, algunos estudios experimentales previos destacan caracteristicas de propagation para diferentes conditioner y configuracionos. Sin embargo, dichos estudios no eontemplan las condiciones cubiertas por el presente trabajo, En particular, el canal de propagation a 5,8 GHz en entornos marinos no ha sido investigado aun en profundidad para configuraciones con alturas bajas de los elementos radiantes respecto al nivel medio del mar.

Esta Tesis Doctoral proporciona modelos del canal de propagation inalam- brico a partir de la caracterizacion estadistica del mismo en entornos marinos a 5,8 GHz, basado en medidas experimentales de banda estrecha y banda an- cha, Se presentan medidas de propagation experimentales para enlaces boya- buque, boya-bote, barco-costa y boya-costa. Las propiedades de un canal inalambrico se pueden deseribir mediante varios parametros, Aunque se in- vestigan otros parametros, la atencion se centra en la perdida de transmision y en las caracteristicas de dispersion del retardo, para caracterizar trayectos LOS v XL OS.

So han llevado a eabo tros campanas do medidas, quo contemplan di- ferentes eondieiones operaeionales, empleando senales do sendee do banda estreeha para earaeterizar la perdida do transmision, Esta earaeteristiea pro- poreiona la informaeion neeesaria para estableeer el balanee de poteneias del enlaee y predeeir la eobertura de un sistema inalambrieo, Se han identifieado tres eansas prineipales que afeetan a la perdida de transmision: la distaneia entre transmisor y receptor, la obstruccion de la serial, y el multitrayecto. Diehas eansas imponen tres tasas de variation a la perdida de transmision: variaeiones muy lentas y lentas (gran eseala), y rapidas (pequena eseala). La caracterizacion de los parametros de banda estreeha permite llevar a eabo tareas de despliegue de sistemas WiMAX en estos entornos tan eomplejos.

Para separar las variaeiones a pequena eseala de las variaeiones a gran eseala se ha promediado la senal reeibida utilizando ventanas espaeiales, Asi, se estiman los valores de poteneia media local en funcion de la distaneia, Di- ehos valores reflejan las variaeiones lentas y muy lentas de la poteneia de la senal reeibida (gran eseala). Las variaeiones muy lentas de la poteneia media local se deben prineipalmente a la distaneia, y se earaeterizan generalmen- te mediante modelos de perdida de trayeeto, El exponente de perdidas es el parametro principal del modelo, Por otra parte, se ha observado que las variaeiones de los niveles medios locales, respeeto de su valor esperado eon la distaneia, siguen aproximadamente una distribution Gaussiana. La desvia­cion estandar del proeeso aleatorio earaeteriza diehas variaeiones, En general, se ha observado que euanto mayor es el nivel de obstruccion que impone el escenario, mayores valores para el exponente de perdidas y la desviacion es­tandar se obtienen.

Asimismo, se ha observado que la perdida de trayeeto experimental se ajusta bien al modelo de dos rayos en eondieiones LOS, Sin embargo, cuando diversos obstaeulos -eomo por ejemplo, edificios, grandes infraestructuras y embarcaciones- bloquean la senal transmitida, se ha observado que la senal reeibida sufre una mayor atenuacion. Se incluyen, tambien, resultados que contemplan situaciones en las que el receptor se encuentra en eondieiones XLOS, Espeeffieamente, se describen los efectos de la obstruccion debidos a buques, puentes y edificios, que se interponen en la linea de vista entre transmisor y receptor, resultando en desvanecimientos a gran eseala de mas de 22 dB, En general, en estas zonas, se han observado mayores perdidas de senal y valores de desviacion estandar, eomo consecuencia de los mecanismos severos de absorcion, difraccion y dispersion, Diehos efectos pueden limitar sobremanera la zona do eobertura do redes WiMAX, Por lo tanto, se requiere prestar espeeial atencion a la planiheaeion de la red eon el objeto de asegurar los enlaees de banda aneha de forma nbiena sobre el mar.

Respeeto a las variaeiones a pequena eseala, se ha observado que la dis­tribution de las variaeiones de los niveles de la serial reeibida se ajusta a la funcion de distribution de Valor Extremo. Este analisis eontempla eondieio- nes de propagation LOS y XLOS, Los estudios realizados en eseenarios en los que domina la condition XLOS, muestran que la funcion de Rayleigh es mas apropiada para deseribir las variaeiones a pequena eseala de la envolvente de la serial reeibida. Sin embargo, la funcion de Rice se presenta eomo la que mejor ajusta diehas variaeiones en el east) de que exist a una eomponente dominante LOS.

Las tareas de modelado del canal inalambrieo, ademas de predeeir la per- dida de transmision, requieren earaeterizar la respuesta impulsiva del canal, Dieha caracterizacion permite a los disenadores predeeir el eomportamiento en freeueneia de la serial transmitida, lo que ayuda a disenar transmisores y reeeptores mas eheientes, Este proeeso se suele realizar tipieamente cuan- tiheando la dispersion del retardo que experimenta la senal en propagation, mediante el sondeo del canal eon senales de banda aneha, En particular, el sondeo de canal se ha llevado a eabo mediante una senal periodica pulsada. Las caracteristicas dipersivas del canal se euantihean generalmente mediante el analisis estadistieo de los parametros de dispersion del retardo (el retar­do medio y la dispersion eheaz del retardo, prineipalmente). La dispersion eheaz del retardo es util para estimar la tasa de datos maxima de un canal sin la neeesidad de implementar tecnicas de proeesado de senal adieionales eomo, por ejemplo, ecualizacion. Estos parametros se extraen de los perhles del retardo de poteneia (PDP), que es la medida de interns de aeuerdo al diseno del sistema de medida propuesto, Ademas, se analiza la dependeneia de los parametros del retardo eon el entorno de propagation y otros aspeetos, tales eomo las conditioner operacionales y los patrones de radiation de las antenas.

Como principales resultados, cabe destacar el hecho de que los perhles del retardo de poteneia presentan una forma discontinua, en forma de pieos, pudiendose explicar por la geometria del escenario. Ademas, se ha observado que la forma de diehos perhles depende de la estabilidad de los elementos que sustentan los sistemas radiantes sobre la mar, por lo tanto el diagrama de radiation de las antenas se presenta eomo una caracteristica de vital impor- taneia para osto tipo do sistemas. Para el eseenario bajo estudio, los valores do los parametros do dispersion del retardo son tan bajos que el eanal se podria modelar eomo un eanal de banda estreeha, dependiendo del aneho de ban­da de la serial transmitida. Por otra parte, se han estimado valores elevados para el aneho de banda de eohereneia, indieando que estos eanales podrian soportar alt as tasas de transmision de datos. Finalmente, se ha observado que diehos valores estan inversamente relaeionados eon los eorrespondientes a la dispersion eheaz del retardo.

Abstract

Current wireless technologies used in marine applications are mainly ba­sed on VHF, cellular mobile telecommunication systems (GSM, GPRS, UMTS, etc.) and satellite communication systems (INMARSAT, VSAT, etc.). Ho­wever, these systems suffer from lots of weaknesses like low bandwidth and capacity (GSM, Satellite and VHF systems), short range (cellular mobile te­lecommunication systems), high cost for certain applications (satellite and cellular mobile telecommunication systems) and large size and weight of antennas and hardware transceivers (VHF systems). These limitations ha­ve motivated a new research activity aiming to design and develop a novel broadband wireless communication system to perform applications like those related to real-time monitoring of the marine environment through sensing multiple physical parameters.

A Wireless Sensor Network (WSN) based on WiMAX technology could be a good candidate to accomplish that task. WSNs offer a new paradigm for marine monitoring. It may be a type of autonomous, self-organized ad-hoe network composed of sensor nodes which could be generally buoys, ships or stable platforms over sea which, in their turn, transmit the data wirelessly to a sink node (the base station) by using multihop communications; i.e., a node could send the measured data to the base station through interme­diate nodes for processing and monitoring purposes. WiMAX is an evolving technology optimized to operate on land environments where its good perfor­mance has been extensively demonstrated. Several frequency bands can be used for deploying this system. The license-exempt 5 GHz band is of interest to WiMAX, because it is generally available worldwide and free for anyone to use, i.e. it could enable deployments in underserved markets like the ma­ritime ones. In particular, it is the upper 5.725 GHz-5.850 GHz band that is most attractive due to the fact that many countries allow higher power output compared to other bands. This facilitates less costly deployments.

Regarding range and peak data rates, field tests, on land, have shown tens of kilometers and Mbps, respectively. All these potential characteristics overco­me the weaknesses described above. However, the performance of WiMAX networks in marine environments is not optimum due to the different radio propagation conditions. Hence, the main goal is to optimize the WiMAX technology for maritime applications. As a first step, knowledge of 5.8 GHz radio propagation over sea is required.

Propagation measurements for land have been discussed extensively. Furt­her works in this field have been done in urban and suburban environments. In maritime radio links, experimental propagation characteristics, for dif­ferent radio conditions and configurations, were shown in previous studies. However, they do not apply to conditions covered by our study. To the best of the authors’ knowledge, propagation characteristics of wireless links over sea at 5.8 GHz have not been investigated in depth for that configurations where low-height antennas are used.

This thesis work provides statistical characterization and modeling of wi­reless propagation channels in marine environments at 5.8 GHz based on narrowband and wideband experimental measurements. Experimental pro­pagation measurements over sea for buoy-to-ship, buoy-to-boat, boat-to-land and buoy-to-land radio channels are presented. The propagation properties of a radio channel can be described by many parameters. Although other parameters are investigated, we focus on transmission loss and time delay characteristics for characterizing both, LOS (Line-Of-Sight) and XLOS (Xon- Line-Of-Sight) paths.

Three extensive measurement campaigns were made for different ope­rational conditions using continuous-wave (GW) signals to characterize the transmission loss. Transmission loss is considered since it provides a means to plan a wireless link budget and to predict coverage of a wireless sys­tem. We can identify three main effects affecting the estimated transmission loss: distance between transmitter and receiver, shadowing and multipath. These effects impose, in their turn, three different rates of change on the transmission loss: very slow variations, slow or large-scale fading (large-scale variations) and fast or small-scale fading (small-scale variations), respecti­vely. Characterization of narrowband parameters are helpful, among others, to deploy WiMAX systems in these challenges scenarios.

Measured instantaneous received signal from a GW transmission does not only present the range dependent and shadowing effects (large-scale varia­ tions), but also multipath effects (small-scale variations). We need to separate both types of variations in order to perform an independent study. The se­paration is performed by means of a spatial window that is slid through the data and calculates the local mean power over distance. Due to ship natu­ral movements on the sea and speed, the mean operation was made over a distance of several wavelengths. The local mean power values include path loss and shadowing effects. We show averaged received power values along the three planned routes.

Very slow variations mainly due to range are commonly characterized th­rough path loss models. The path loss exponent is the main parameter of this type of model. On other hand, the distribution of large-scale fading measu­rements was found to approximate the Gaussian distribution. The standard deviation of the shadowing random process is the main parameter. It was found that the more obstructed the propagation environment was, the higher values for the path loss exponent and the standard deviation were estimated. Specifically, the path loss exponent varies from 2,6 to 5,6, and the standard deviation varies from 4,9 to 6,4.

It was also found that path loss measurements fit reasonably well the two-ray model while LOS condition remains. However, when several obsta­cles, e.g, buildings, large infrastructures and ships, block the transmitted signal, the received signal was found to attenuate at a higher rate. Results that determine the propagation characteristics to shadow sensor nodes are also shown. Specifically, shadowing effects due to moving ships crossing the LOS path, large bridges and buildings are presented, indicating that they can impose a signal fading of more than 22 dB below path loss. Generally, higher looses and values of the standard deviation were found along the­se zones. This is likely due to severe absorption, diffraction and scattering mechanisms. All these effects can limit the coverage zone of WiMAX net­works, Therefore, careful networking planning is needed in order to ensure broadband connectivity everywhere over sea.

The distribution of small-scale fading measurements (log power values) was found to approximate the Extreme Value distribution function, LOS and XLOS propagation conditions were included in that analysis. The Rayleigh distribution was found to be more appropriated for fading measurements (vol­tage values) along locations which are heavily shadowed by surrounding scat­ters, However, for locations in which a strong multipath component reaches the receiver dominating the received signal, the Rice distribution function was found to approximate the measurement results better.

Wireless propagation channel modeling requires not only predicting the transmission loss but also characterizing the impulse response of the channel. The characterization of the channel impulse response enables designers to predict the range of behaviors of the received signal, and this helps the design of better and more efficient transmitters and receivers. It is typically done by quantifying the delay spread experienced by the propagating signal. The time dependence of the received signal has been characterized by sounding the channel with a wideband signal. In particular, it has been measured when the channel is excited by a periodic pulse signal. Delay dispersion characteristics are characterized through time delay parameters (rms delay spread and mean delay spread) statistical analysis, Rms delay spread is useful for determining the maximum data rate of a channel without additional signal processing, e.g, a channel equalizer. These parameters are extracted from Power Delay Profiles (PDP), which is the measured quantity according to our designed system.

We discuss how all those statistical quantities that characterize the radio channel depend on the propagation environment and other issues, such as operational conditions and antenna patterns. In general, when the transmit­ter, the receiver, or both are close to the shore or a large vessel or building, the number of reflections is high and relatively strong. Estimated PDPs were found with a spiky shape that can be explained by the nature of the chan­nel, This result is significantly different from the ones found for traditional environments, where a continues shape can generally describe the PDP.

It was also found that the delay parameters are quite different, for diffe­rent sea states, even when they were obtained in similar operational condi­tions, Therefore, the antenna radiation patterns should be chosen carefully due to they can affect PDP estimations significantly. For the measured sce­nario, values for the rms delay spread parameter reach 0,3 p.s, For certain propagation conditions, delay parameters remain small. Thus, depending on the signal bandwidth of a wireless system operating in this channel, the fa­ding can be regarded as flat and, hence, the channel could be modeled as narrowband. On the other hand, coherence bandwidth values vary from 800 KHz to 17,2 MHz, and the estimated median value is 8 MHz, Therefore, these channels are feasible to support relatively high transmission rates. Moreover, in general, coherence bandwidth values were found to be inversely related to rms delay spread values. Particularly, the median value for the estimated factor is about 10.

According to the presented results, and taking into account the obtained results for traditional environments, we may conclude that systems opera­ting at 5,8 GHz can experience good propagation conditions over sea in this frequency band as long as a strong component is present.

Prefacio

Este documento conforma la memoria do la Tesis Doctoral titulada CA­RA CTERIZA Cl ON EXPERIMENTAL Y MODEL ADO DEL CANAL DE PROPA GA CION INALlMBRICO ,4 5.8 GHZ EN ENTORNOS MARINOS, realizada por D, Jose Carlos Reyes Guerrero, y dirigida por D, Luis Antonio Mariseal Rico.

Parte del trabajo de investigaeion se ha desarrollado en otras institueiones externas a la Universidad de Cadiz, En eonereto, el autor ha llevado estaneias de investigaeion, de 3 meses de duration eada una, en los siguientes centres de investigaeion:

- Departamento de Comunieaeiones Inalambrieas, Faeultad de Ingenieria Eleetriea y Computation, Universidad de Zagreb (Croaeia), Supervisor: Dr, D, Zvonimir Sipus.
- Departamento de Teona de la Serial y Comunieaeiones, Eseuela Supe­rior de Ingenieros, Universidad de Sevilla (Espana), Supervisor: Dr, D, Juan Jose Murillo Fuentes.

Sobre la base de lo anterior y el eumplimiento del resto de los requisites neeesarios, establecidos en la regulation propia de la Universidad de Cadiz al respecto, para optar a la mention de Doctorado Europeo/Internacional, se eonsidera oportuno solicitar dieha mencion a la presente Tesis.

En este contexto, dado que uno de los requisites exige la evaluation de la Tesis por parte de al menos dos investigadores doetores, diferentes a los supervisores de la estancia, pertenecientes a centres de ensenanza o institu­tes de investigaeion de dos paises europeos, se ha eonsiderado eonveniente preparar un resumen de la Tesis en ingles que ineluya los resultados mas relevantes y las eonelusiones, Ademas, parte de los resultados ineluidos en el presente trabajo han side presentados y publicados en diversos eongresos cientificos internacionales de reeonoeido prestigio.

Lista de acronimos

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Indice de figuras

1.1. Arquiteetura general de una WSX mantima sobre el mar

1.2. Componentes de un node sensor integrados en una boya

2.1. Sistema de eomunieaeion inalambrieo

2.2. El canal de propagation multitrayecto maritime

2.3. Filtro lineal variante en el tiempo

2.4. Desvanecimiento a pequena y gran eseala

3.1. Vista aerea de la eiudad de Cadiz

3.2. Buque hidrografieo Antares (A-23)

3.3. Bote hidrografieo, Embareaeion auxiliar del buque Antares

3.4. Embareaeion Bryan Prime.ro en una de las eampanas

3.5. Boya oeeanografiea Waveride.r

3.6. Instalaeion de la antena en la embareaeion Bryan Prime.ro

3.7. Instalaeion de la antena en la embareaeion Antares

3.8. Diagrama de bloques del sistema de medida

3.9. Elementos del transmisor instalados en la embareaeion

3.10. Ejemplo de traza de PDP instantaneo

4.1. Boya y derrota del Antares en la eampana Boya-Buque

4.2. Boya y derrota del bote en la eampana Boya-Bote

4.3. Campana de medidas de banda estreeha Bareo-Costa

4.4. Diagrama del modelo de dos rayos

4.5. Atenuaeion quo sufre el rayo reflejado respeeto al rayo direeto,

4.6. Modulo y fase del eoefieiente de reflexion

4.7. Perdida de transmision modelos de dos rayos y espaeio fibre

4.8. Analisis de regresion eampana Boya-Bote

4.9. Funeion de distribueion variaeiones lentas Boya-Bote

4.10. PDF y CDF pequena eseala Boya-Bote

4.11. PDF y CDF pequena eseala tramo XLOS

4.12. PDF y CDF pequena eseala tramo LOS

4.13. PDF y CDF pequena eseala tramo LOS intenso

4.14. Analisis de regresion eampana Boya-Buque

4.15. Funeion de distribueion variaeiones lentas Boya-Buque

4.16. Xivel medio reeibido primera parte Boya-Buque

4.17. PDF y CDF pequena eseala Boya-Buque

4.18. Analisis de regresion eampana Bareo-Costa

4.19. Funeion de distribueion variaeiones lentas Bareo-Costa

4.20. Xiveles medios y evento puntual Bareo-Costa

4.21. PDF y CDF pequena eseala Bareo-Costa

4.22. CDF y PDF todas las variaeiones lentas normalizadas

4.23. PDFs variaeiones rapidas para las 3 eampanas

4.24. CDF y PDF pequena eseala todas las eampanas

5.1. Ubicacion receptor y ubieaeiones transmisor banda aneha

5.2. Coefieiente de correlation de tipo A para dos intervalos

5.3. Coefieiente de correlation de tipo B, Intervalo=0,5 ms

5.4. Ubieaeiones validas del transmisor

5.5. Balance de potencias eampana de banda aneha

5.6. Primer PDP on trazas 33 y 34

5.7. PDP y funeion de correlation de frecuencias

5.8. CDF para el retardo medio y dispersion rms on 33 y 34

5.9. CDF para el ancho de banda de eoliereneia on 33 y 34

5.10. CDF gran eseala: retardo medio y dispersion rms

5.11. CDF gran eseala: ancho de banda de coherencia y X

C.l. Diferencia de recorridos y angulo de incidencia

C.2. Potencia recibida (dBm) modelo dos rayos

C.3. Detalle derrota eampana Boya-Buque

C.4. Variaeiones lentas y PDF eampana Boya-Buque

C.5. Variaeiones lentas y PDF eampana Boya-Bote

C.6. Variaeiones lentas y PDF eampana Bareo-Costa

C.7. Poteneia recibida on tramos LOS y XLOS

C.8. Poteneia recibida y variaeiones lentas LOS y XLOS

C.9. Variaeiones pequena eseala LOS y XLOS

C.10.CDF variaeiones a pequena eseala LOS y XLOS

C.11.CDF y PDF variaeiones a pequena eseala LOS y XLOS

D.l. Ejemplo coeficiente de correlacion entre PDP tres intervalos

D.2. Coeficiente de correlacion de tipo A, Ubicacion TX1

D.3. Coeficiente de correlacion de tipo B, Ubicacion TX1

D.4. Coeficiente de correlacion de tipo A, Ubicacion TX2

D.5. Coeficiente de correlacion de tipo B, Ubicacion TX2

D.6. Coeficiente de correlacion de tipo A, Ubicacion TX3

D.7. Coeficiente de correlacion de tipo B, Ubicacion TX3

D.8. Coeficiente de correlacion de tipo A, Ubicacion TX4

D.9. Coeficiente de correlacion de tipo B, Ubicacion TX4

D.10.Coeficiente de correlacion de tipo A, Ubicacion TX5

D.11.Coeficiente de correlacion de tipo B, Ubicacion TX5

D.12.Coeficiente de correlacion de tipo A, Ubicacion TX6

D.13.Coeficiente de correlacion de tipo B, Ubicacion TX6

D.14.Coeficiente de correlacion de tipo A, Ubicacion TX7

D.15.Coeficiente de correlacion de tipo B, Ubicacion TX7

D.16.Coeficiente de correlacion de tipo A, Ubicacion TX8

D.17.Coeficiente de correlacion de tipo B, Ubicacion TX8

D.18.Coeficiente de correlacion de tipo A, Ubicacion TX9

D.19.Coeficiente de correlacion de tipo B, Ubicacion TX9

D.20.Coeficiente de correlacion de tipo A, Ubicacion TX10

D.21.Coeficiente de correlacion de tipo B, Ubicacion TX10

D.22.Coeficiente de correlacion de tipo A, Ubicacion TX11

D.23.Coeficiente de correlacion de tipo B, Ubicacion TX11

D.24.Coeficiente de correlacion de tipo A, Ubicacion TX12

D.25.Coeficiente de correlacion de tipo B, Ubicacion TX12

D.26.Coeficiente de correlacion de tipo A, Ubicacion TX13

D.27.Coeficiente de correlacion de tipo B, Ubicacion TX13

D.28.Coeficiente de correlacion de tipo A, Ubicacion TX14

D.29.Coeficiente de correlacion de tipo B, Ubicacion TX14

D.30.Coefieiente de eorrelaeion de tipo A. Ubieaeion TX15

D.31.Coefieiente de eorrelaeion de tipo B. Ubieaeion TX15

D.32.Coefieiente de eorrelaeion de tipo A. Ubieaeion TX16

D.33.Coefieiente de eorrelaeion de tipo B. Ubieaeion TX16

D.34.Coefieiente de eorrelaeion de tipo A. Ubieaeion TX17

D.35.Coefieiente de eorrelaeion de tipo B. Ubieaeion TX17

D.36.Coefieiente de eorrelaeion de tipo A. Ubieaeion TX18

D.37.Coefieiente de eorrelaeion de tipo B. Ubieaeion TX18

D.38.Coefieiente de eorrelaeion de tipo A. Ubieaeion TX19

D.39.Coefieiente de eorrelaeion de tipo B. Ubieaeion TX19

D.40.Coefieiente de eorrelaeion de tipo A. Ubieaeion TX20

D.41.Coefieiente de eorrelaeion de tipo B. Ubieaeion TX20

D.42.Coefieiente de eorrelaeion de tipo A. Ubieaeion TX21

D.43.Coefieiente de eorrelaeion de tipo B. Ubieaeion TX21

D.44.Coefieiente de eorrelaeion de tipo A. Ubieaeion TX22

D.45.Coefieiente de eorrelaeion de tipo B. Ubieaeion TX22

D.46.Coefieiente de eorrelaeion de tipo A. Ubieaeion TX23

D.47.Coefieiente de eorrelaeion de tipo B. Ubieaeion TX23

D.48.Coefieiente de eorrelaeion de tipo A. Ubieaeion TX24

D.49.Coefieiente de eorrelaeion de tipo B. Ubieaeion TX24

D.50.Coefieiente de eorrelaeion de tipo A. Ubieaeion TX25

D.51.Coofidonto de eorrelaeion de tipo B. Ubieaeion TX25

D.52.Coefieiente de eorrelaeion de tipo A. Ubieaeion TX26

D.53.Coefieiente de eorrelaeion de tipo B. Ubieaeion TX26

D.54.Coefieiente de eorrelaeion de tipo A. Ubieaeion TX27

D.55.Coefieiente de eorrelaeion de tipo B. Ubieaeion TX27

D.56.Coefieiente de eorrelaeion de tipo A. Ubieaeion TX28

D.57.Coefieiente de eorrelaeion de tipo B. Ubieaeion TX28

D.58.Coefieiente de eorrelaeion de tipo A. Ubieaeion TX29

D.59.Coefieiente de eorrelaeion de tipo B. Ubieaeion TX29

D.GO.Coefieiente de eorrelaeion de tipo A. Ubieaeion TX30

D.Gl.Coefieiente de eorrelaeion de tipo B. Ubieaeion TX30

D.62.Coefieiente de eorrelaeion de tipo A. Ubieaeion TX31

D.63.Coefieiente de eorrelaeion de tipo B. Ubieaeion TX31

D.64.Coefieiente de eorrelaeion de tipo A. Ubieaeion TX32

D.65.Coefieiente de eorrelaeion de tipo B. Ubieaeion TX32

D.66.Coefieiente de eorrelaeion de tipo A. Ubieaeion TX33

D.67.Coefieiente de eorrelaeion de tipo B. Ubieaeion TX33

D.68.Coefieiente de eorrelaeion de tipo A. Ubieaeion TX34

D.69.Coefieiente de eorrelaeion de tipo B. Ubieaeion TX34

D.70.Coefieiente de eorrelaeion de tipo A. Ubieaeion TX35

D.71.Coefieiente de eorrelaeion de tipo B. Ubieaeion TX35

D.72.Coefieiente de eorrelaeion de tipo A. Ubieaeion TX36

D.73.Coefieiente de eorrelaeion de tipo B. Ubieaeion TX36

D.74.Coefieiente de eorrelaeion de tipo A. Ubieaeion TX37

D.75.Coefieiente de eorrelaeion de tipo B. Ubieaeion TX37

D.76.Coefieiente de eorrelaeion de tipo A. Ubieaeion TX38

D.77.Coefieiente de eorrelaeion de tipo B. Ubieaeion TX38

D.78.Coefieiente de eorrelaeion de tipo A. Ubieaeion TX39

D.79.Coefieiente de eorrelaeion de tipo B. Ubieaeion TX39

D.SO.Coefieiente de eorrelaeion de tipo A. Ubieaeion TX40

D.Sl.Coefieiente de eorrelaeion de tipo B. Ubieaeion TX40

D.82.Coefieiente de eorrelaeion de tipo A. Ubieaeion TX41

D.83.Coefieiente de eorrelaeion de tipo B. Ubieaeion TX41

D.84.Coefieiente de eorrelaeion de tipo A. Ubieaeion TX42

D.85.Coefieiente de eorrelaeion de tipo B. Ubieaeion TX42

D.86.Primer perfil del retardo de poteneia, Ubieaeion TX

D.87.Primer perfil del retardo de poteneia, Ubieaeion TX

D.88.Primer perfil del retardo de poteneia, Ubieaeion TX

D.89.Primer perfil del retardo de poteneia, Ubieaeion TX

D.90.Primer perfil del retardo de poteneia, Ubieaeion TX

D.91.Primer perfil del retardo de poteneia, Ubieaeion TX

D.92.Primer perfil del retardo de poteneia, Ubieaeion TX

D.93.Primer perfil del retardo de poteneia, Ubieaeion TX

D.94.Primer perfil del retardo de poteneia, Ubieaeion TX

D.95.Primer perfil del retardo de poteneia, Ubieaeion TX

D.96.Primer perfil del retardo de poteneia, Ubieaeion TX

D.97.Primer perfil del retardo de poteneia, Ubieaeion TX

D.98.Primer perfil del retardo de poteneia, Ubieaeion TX

D.99.Primer perfil del retardo de poteneia, Ubieaeion TX

D.100.Primer perfil del retardo de poteneia. Ubieaeion TX15

D.101.Primer perfil del retardo de poteneia. Ubieaeion TX16

D.102.Primer perfil del retardo de poteneia. Ubieaeion TX17

D.103.Primer perfil del retardo de poteneia. Ubieaeion TX18

D.104.Primer perfil del retardo de poteneia. Ubieaeion TX19

D.105.Primer perfil del retardo de poteneia. Ubieaeion TX20

D.106.Primer perfil del retardo de poteneia. Ubieaeion TX21

D.107.Primer perfil del retardo de poteneia. Ubieaeion TX22

D.108.Primer perfil del retardo de poteneia. Ubieaeion TX23

D.109.Primer perfil del retardo de poteneia. Ubieaeion TX24

D.110.Primer perfil del retardo de poteneia. Ubieaeion TX25

D.111.Primer perfil del retardo de poteneia. Ubieaeion TX26

D.112.Primer perfil del retardo de poteneia. Ubieaeion TX27

D.113. Primer perfil del retardo de poteneia. Ubieaeion TX28

D.114.Primer perfil del retardo de poteneia. Ubieaeion TX29

D.115.Primer perfil del retardo de poteneia. Ubieaeion TX30

D.116.Primer perfil del retardo de poteneia. Ubieaeion TX31

D.117.Primer perfil del retardo de poteneia. Ubieaeion TX32

D.118.Primer perfil del retardo de poteneia. Ubieaeion TX33

D.119.Primer perfil del retardo de poteneia. Ubieaeion TX34

D.120.Primer perfil del retardo de poteneia. Ubieaeion TX35

D.121.Primer perfil del retardo de poteneia. Ubieaeion TX36

D.122.Primer perfil del retardo de poteneia. Ubieaeion TX37

D.123. Primer perfil del retardo de poteneia. Ubieaeion TX38

D.124.Primer perfil del retardo de poteneia. Ubieaeion TX39

D.125.Primer perfil del retardo de poteneia. Ubieaeion TX40

D.126.Primer perfil del retardo de poteneia. Ubieaeion TX41

D.127.Primer perfil del retardo de poteneia. Ubieaeion TX42

Indice de Tablas

3.1. Algunas earaeteristieas de interns del buque Antares

3.2. Parametros del sistema de medida de banda estreeha

3.3. Parametros obtenidos en eada traza de medidas

3.4. Parametros del sistema de medida de banda aneha

4.1. Valores de los parametros utilizados en el balance de poteneias

4.2. Parametros modelo peqnena eseala, Campana Boya-Bote

4.3. Parametros modelo peqnena eseala, Campana Boya-Buque

4.4. Parametros modelo peqnena eseala, Campana Bareo-Costa

4.5. Parametros obtenidos para el modelo a gran eseala

4.6. Parametros obtenidos para el modelo a peqnena eseala

4.7. Parametros del modelo global de peqnena eseala

5.1. Parametros elimatologieos registrados durante la campana

5.2. Modo de transmision en eada nbieaeion de la campana

5.3. Xotas tomadas durante la campana experimental

5.4. Valores de los parametros utilizados en el balance de poteneias

Capftulo 1 Introduccion

Estudia el pasado si quieres pronosticar el future.

Confueio.

1.1. Contexto y motivation

El origon y los primeros pasos do la teenologfa inalambriea estan mti- mamente ligados a aplieaeiones marftimas, Aunquo no exento do polemiea, Gugliolmo Marconi os quion ha pasado a la historia como el inventor del pri­mer transeeptor de radio operativo, patentado en 1896, Despues de realizar diversos experimentos en tierra a eorta distaneia, en 1897 eonsiguio realizar transmisiones experimentales entre navios de guerra italianos y una estaeion terrestre quo instalo en el puerto de La Spezia, donde se pudieron inteream- biar mensajes entre equipos separados por una distaneia de hasta 12 millas aproximadamente. Mas tarde, en 1899 logro eomuniear la loealidad franeesa de Wimereux eon el faro ingles de South Foreland, eulminando asi el trabajo inieiado varios anos atras en el canal de la Mancha, Sin embargo, fue en 1901 cuando Marconi eonsiguio el hito mas importante por el quo se le reeuerda, al llevar a eabo la primera transmision transoeeaniea de la historia, Desde una antena instalada en Poldhu, en la costa inglesa de Cornualles, transmitio un mensaje en Morse quo se reeibio en Terranova (Canada), a unos 3400 km de distaneia (Esteban-Yago, 2005), Desde entonees, a pesar del enorme de- sarrollo de las teenologias inalambrieas, los avances teenologieos de las redes de eomunieaeiones marftimas se han quedado elaramente muy atras respeeto a los avanees do sus homologas terrestres.

La industria inalambrica no solo so ha convcrtido on el sector do mayor ereeimiento del eampo do la teleeomunieaeiones on los ultimos anos, sino quo su evolution esta siendo espeetaeular desde diferentes puntos do vista, Desde un enfoque puramente cientifico los avanees han sido ciertamente enormes, siendo neeesaria una revision continua do nuevas tecnologias emergentes, co­mo por ejemplo las recientes tccnicas do antena do multiples elementos, los sistemas do codification mediante codigos LDPC y turbocodigos, el sistema do modulation OFDM, y un largo etcetera, Todos estos nuevos conceptos han pasado do ser mera materia do debate para la comunidad cientifica a consti- tuir las bases do diseno y desarrollo do los nuevos sistemas do comunicaciones inalambrieos, Por otro lado, desde una perspectiva industrial, la proliferation do nuevas empresas del sector, y la consolidation do otras muchas, desarro- llando nuevos dispositivos eon eada vez mas y mejores prestaciones, ha sido una constante. Logicamente, todo ello no hubiera sido posible sin una gran aceptacion por parte do los usuarios, Y es quo el impacto en la sociedad do las tecnologias inalambrieas ha sido notorio, sobre todo en los ultimos anos.

Hoy en dia praetieamente cualquier persona en el mundo es usuaria, do una manera u otra, do la tecnologia inalambrica, Tanto es asi quo la fa­miliarization eon el uso do muchos dispositivos, quo hasta no hace mucho resultaba impensable, es easi total, Xo hay mas quo observar el modo en el quo so utilizan los terminales do los sistemas do telefonia movil (por ejem­plo, GSM/GPRS, UMTS, HSPA y LTE); las redes do area local inalambri­eas (WLAX); las redes do area personal inalambrieas (WPAX), cuya gama do dispositivos y periferieos estandarizados, eomo por ejemplo Bluetooth, es muy variada; o las nuevas redes do sensores inalambrieas (WSX), quo es- tan empezando a ser desplegadas a escala mundial en aplicaciones do muy diversa indole, En definitiva, estamos, eada vez mas, rodeados do dispositi­vos inalambrieos quo estan eambiando nuestros habitos do vida, tanto en el ambito social eomo en el laboral, Xo obstante, el impacto do las nuevas tecnologias inalambrieas en el sec­tor maritimo ha sido manor, debido principalmente a la baja rentabilidad quo los operadores han venido obteniendo por los servicios ofertados, prae­tieamente, desde la aparicion do las comunicaciones maritimas (Fjprtoft et ah, 2009), Sin embargo, el desarrollo do nuevos equipos y dispositivos do comunicacion eon diferentes formatos y configuraciones esta favoreciendo la viabilidad do nuevos modelos do negocio para este tipo do escenarios, donde un creciente numoro do usuarios domandan soluciones praetieas a sus nece- sidades espeeffieas, Reeientemente, numorosos estudios han identificado una domanda omorgonto do servicios do telecomunicaciones marines quo requie- ren el use do tecnologfas inalambrieas para su implementation (Bekkadal, 2009), Este hecho so refleja on el gran numoro do grupos do investigation y eompanfas del sector quo trabaja actualmente en este eampo, Se podrfa realizar una primera clasificacion basiea de las aplieaeiones de las tecnologfas inalambrieas en el ambito marine atendiendo a si los sistemas inalambrieos eorrespondientes operan sobre la superfieie del mar o bajo esta, Es deeir, per un lade se tendrfan los sistemas instalados sobre la plataforma marina, euyo medio de propagaeion es el aire, y per otro los sistemas quo operan en el medio submarine, euyo medio de transmision es fundamental- monte el agua marina, El hecho de quo la naturaleza de ambos medics de transmision sea tan dispar impone desaffos de diferente indole a oientffioos e ingenieros en todas las fases del proeeso de diseno, construction y validation de la red inalambriea. La oonseouenoia es quo los sistemas de telecomunica- oion eorrespondientes inoluyen tconioas de transmision y reception adaptadas al medio de propagaeion, En esta Tesis se estudia el canal inalambrieo marf- timo sobre el mar en unas oondioiones espeoffioas.

El numoro de aplieaeiones quo domandan una transmision remota y eheaz de dates sobre la plataforma marina es actualmente muy amplio, algunas de ellas estan adquiriendo especial intercs para la oomunidad oientffioa. Este es el ease, per ejemplo, de aquellas relaoionadas eon la monitorizaeion en tiem- po real del entorno a traves de medidas de multiples parametros ffsieos del mismo, A pesar de quo el numoro y el tipo de parametros de intercs depen- de en ultima instancia de la aplicacion hnal a la quo se destina el sistema de monitorizaeion -per ejemplo, parametros ffsieos, qufmieos y/o biologicos (temperatura, pH, salinidad, turbidez, etc.)- diehos sistemas son muy simila- res en la mayorfa de los eases, Especfficamente, estos estan compuestos per diferentes nodes sensores -generalmente boyas, buques y estaciones estables sobre la superfieie marina- quo transmiten los dates de intercs via radio a una estacion de control o centre de proeesado de dates, Dieha estacion de control se puede instalar en tierra o a bordo de un buque, siendo este ultimo ease particularmente interesante en aplieaeiones relaoionadas eon eampanas oeeanografieas (Figura 1,1).

Actualmente, las tecnologfas inalambrieas empleadas en los enlaces radio- elcctricos sobre la plataforma marina estan basadas principalmente en siste-mas propietarios VHF, sistemas de comunicaciones moviles celulares (GSM, GPRS, UMTS, etc.) y sistemas de comunicaciones por satelite (INMARSAT, VS AT, etc.).

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Figura 1.1: Arquitectura general de una WSN marftima sobre el mar.

Numerosos organismos internacionales disponen actualmente de boyas fondeadas en diferentes puntos del globo con diferentes propositos. Norrnal- mente se tratan de boyas cost-eras operando en aguas poco profundas o, a lo sumo, intermedias, quo comunican los datos de interes a una estacion costera mediante enlaces punto a punto quo utilizan las bandas de radio de VHF y UHF. Adernas, las estaciones ubicadas a no mas de algunas rnillas de la costa generalmente incorporan un enlace de respaldo via GSM/GPRS. Otras aplicaciones requieren de estaciones fondeadas en aguas profundas, corno por ejemplo los sistemas de detection temprana de condiciones meteorologicas peligrosas. Estos sistemas necesitan enlaces de satelite para comunicar sus datos.

Los sistemas radioelectricos marinos actuates conllevan una serie de difi cultades v limitaciones para la transmision do dates (Bekkadal v Yang, 2010), come per ejemplo: baja eapaeidad do red y redueidos anehos do banda dis- ponibles, on el ease de GSM, los sistemas VHF y de satellite; eorto aleanee, en el ease de sistemas de eomunieaeiones moviles eelulares, eon ranges de eobertnra que no van mas alia de varias millas de la costa; alto eoste para eiertas aplieaeiones, en el ease de sistemas de eomunieaeiones moviles celu- lares y de satellite, impucsto per los operadorcs y per el coste de la puesta en orbita y la necesidad de estabilizadores en los sistemas de abordo; y gran tamano, peso y perfil de antenas y hardware de transceptores, en cl ease) de los sistemas VHF, que pueden llegar a limitar sobremanera la operation de una boya.

Todas estas limitaciones justifiean las nuevas lineas de; investigation y de- sarrollo abiertas, que; van encaminadas a la busqueda de; nuevas soluciones tecnologicas que; mejoren el rendimiento de; los radioenlaces que; discurren, total o parcialmente, sobre plataformas marinas o fluvialcs. El objetivo gene­ral es disenar y desarrollar un sistema de; comunicacion inalambrieo de; banda aneha que; soporte aplieaeiones emergentes eomo las eitadas anteriormente. En este contexto, una red inalambriea de; sensores (WSX) (Dargie y Poella- bauer, 2010) basada en el estandar WiMAX (Andrews et ah, 2007) podria sen una buena option para llevar a eabo este; objetivo, tal y eomo senalan numerosas propuestas por parte; de; la comunidad cientifica e; industrial (por ejemplo, Pathmasuntliaram et al,, 2007; Be;kkadal y Yang, 2010; Garroppo et al., 2008; Zhou et al., 2007; Tie; et al., 2010).

Del mismo mode) que; ha quedado probado que; las WSXs son idoneas para infmidad de; aplieaeiones e;n entornos terrestres aislade)s de; dificil aeeeso y agresivos, este; tipo de; redes ofrecen un nuevo paradigma e;n aplieaeiones de; monitorizacion del medio marine). Las WSXs pueden estar eompuestas por decenas, centenas o incluso miles de; nodos sensores inteligentes, que; constituyen una re;d auto organizada y autonoma, eon el objeto, entre otros, de; monitorizar diversidad de; variables de; intern's e;n grandes areas ge;ograheas, En la Figura 1,1 se; ilustra la arquitectura de; este; tipo de; redes eon topologia mallada, Le)s nodos se; pueden instalar a bordo de; buques, boyas o plataformas flotantes, de; tal mane;ra que; al me;ne)S uno de; los nodos actua eomo estacion base; de; la re;d maritima, y el resto de; los nodos se; pueden apoyar entre si para que; todos los datos reeogidos lleguen a su destine), la estacion base;, Este; ultimo node) puede toner recursos adieionales de; comunicacion, eomo por ejemplo enlaces de; respaldo GSM/GPRS eon estaeiones costeras o enlaces de; satellite.

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Figura 1,2: Componcntcs de un node sensor integrados en una boya.

En una WSX, los nodes sensores no estan compuestos unieamente per los subsistemas de sensores, sine que ademas poseen otros subsistemas: sistemas de procesado de information, de alimentation, de eomunieaeiones inalambri- eas y de almaeenamiento, En la Figura 1,2 so muestra la disposition de estos componentes integrados en una boya marina, Todos los reeursos presentes en un node sensor son limitados per la propia naturaleza de este tipo de redes, per lo que su diseno sigue unas pautas claramente difereneiadas respecto a las existentes en redes tradieionales.

Ademas, estas espeeifieaeiones de diseno son a su vez diferentes para WSXs que operan en entornos marines, debido a que este medio impone nuevos retos respecto a los ya eonoeidos en eseenarios terrestres, Espeeffiea- mente, los condicionantes mas importantes que apareeen en el diseno, imple­mentation y despliegue de una WSX marina son los siguientes (Albaladejo ct al., 2010):

- El consume do energfa os la principal restriction on el diseno do los nodes v sus componontos. El roquorimionto energetieo es gonoralmonto alto, debido a quo normalmonto es deseable eubrir grandes distancias y transmitir un gran volumen de dates.
- Se requieren altos niveles de protection de los dispositivos debido a la degradation quo impone el medio marine, Este aspecto influye directa- mente en el coste de los elementos de la red.
- La influeneia del movimiento continue y con patrones muy especfficos de los nodes (per ejemplo, debido al oleaje, corrientes, asi come a otras eondieiones climaticas) en el rendimiento de la red tiene quo ser es- tudiado en profundidad, no siendo validos estudios anteriores de estas caracteristicas en entornos terrestres.
- Otros problemas anadidos en las fases de despliegue y mantenimiento de la red son eonseeueneia de la integration de los nodes sensores en plataformas marinas concretas, come per ejemplo boyas con sus corres- pondientes dispositivos de flotation, amarre, etc.

La tecnologfa WIMAX, basada en la familia de estandares IEEE 802,16, ha irrumpido con exito en el mereado de los radioenlaces terrestres, El empleo de dicha tecnologfa se ha demostrado muy eheaz en diehos entornos y se postula come candidata en el diseno y desarrollo de los modernos subsistemas de comunicaciones marinas.

Dentro de las bandas de freeueneias propuestas en el estandar IEEE 802,16 para la explotacion de esta tecnologfa, la banda de freeueneia de 5 GHz es especialmente interesante para despliegues en mercados con baja densidad de usuarios, como el marftimo, Se trata de una banda destinada a aplicaciones industriales, cientfhcas y medicas (ISM) de uso comun disponi- ble mundialmente, En particular, la sub-banda alt a (5,725 GHz-5,850 GHz) es la mas atractiva debido al hecho de que muchos pafses permiten potencias transmitidas superiores en comparacion con otras bandas, por lo que el coste de despliegue de una WSX se reduce atendiendo al menor numero de nodos neeesarios en la red para eubrir un area de cobertura determinada, Asimis- mo, dada la alt a freeueneia de operation, el tamano de las antenas y de los transeeptores disminuye eonsiderablemente.

Numerosos tests de eampo en multitud de entornos terrestres han mos- trado earaeterfstieas muy atraetivas de esta tecnologfa, En particular, eabe destaear quo so han obtcnido tasas do transmision do dates del orden do va- rias deeenas do Mbps y ranges do cobcrtura do hasta varias deeenas do km (Andrews et al, 2007).

En resumen, las caracteristicas meneionadas anteriormente pueden ser utiles en el intento de superar las limitaeiones e inconvenientes que presentan los sistemas inalambrieos marines aetuales, Es per ello, per lo que el empleo de este tipo de sistemas de aeeeso inalambrieo de banda aneha, en eseenarios maritimos, esta despertando un gran interes entre la comunidad cientifica e industrial. Sin embargo, el rendimiento de redes WiMAX no es optimo en entornos maritimos debido a los diferentes eondieionantes que impone el enter no a la propagation de las senales.

1.2. Objetivos

Segun se ha expuesto en el apartado anterior, es neeesario adaptar el es- tandar WiMAX para que su aplicacion a eseenarios maritimos sea de interes, Una tarea inieial y de vital importancia, para la optimization de este estandar en eseenarios marines, es investigar el eomportamiento de las ondas de radio euando se propagan per el canal fisieo de transmision, en estos entornos, en la banda de freeueneia de interes.

En general, la information obtenida sobre el eomportamiento del radio­canal resulta crucial para el diseno de transmisores y receptores del sistema, Asi, tras earaeterizar el canal radioeleetrieo, es posible predecir los valores de los parametros mas relevantes de un enlace: cobcrtura, ancho de banda de transmision, etc. La election del esquema final del sistema de radiocomuni- cacion se hace eon la mirada puesta en la optimization de dichos parametros.

Con todo ello, el objetivo general de este trabajo de investigation es la ob- tencion de modelos de propagation que puedan ser utilizados en el diseno de redes de radiocomunicaciones cuyo despliegue se realiza en entornos marinos, En esta Tesis se caracterizan experimentalmente, v se modelan, canales de propagation inalambrieos en la banda de 5,8 GHz en eseenarios maritimos, bajo condiciones que no han sido estudiadas hasta la fecha. En concreto, en este trabajo se estudian enlaces boya-buque, boya-bote, barco-costa y boya- costa, Para ello, se disena e integra un sistema de medida especifico y se planifican las campanas experimentales acorde al escenario de estudio selec- cionado.

En definitiva, este trabajo constituye un primer paso para el estudio en profundidad de eanales inalambrieos no investigados hasta la feeha, El pro- posito es, piles, estableeer unas bases teoricas y praetieas, a partir del nuevo eonoeimiento eientifieo generado sobre la base de los estudios y ensayos reali- zados, que faeiliten las tareas de diseno, simulation y planifieaeion de nuevas redes de eomnnieaeiones inalambrieas en el sector maritimo. Respecto a estu­dios similares, difieren la banda de freeueneia, el tipo de terminal inalambrieo involuerado, la tecnica de medida utilizada, y el eseenario concreto de ensa­yos.

1.3. Revision de la literatura

Existen modelos que faeilitan los ealeulos de los enlaces para diferentes tipos de eanales radioelectricos. Estos eanales han sido medidos experimen- talmente a distintas freeueneias de mieroondas, teniendo en euenta las ea- racteristicas de los mismos, Hasta la feeha, diversos modelos de propagaeion y multitud de campanas de medidas experimentales han sido analizados en entornos terrestres tradieionales (Rappaport, 2002), En particular, so han realizado numerosos estudios, tanto teoricos eomo experimentales, en areas geograheas terrestres densamente pobladas y bajo diferentes eondieiones de propagaeion (por ejemplo, Ereeg et ah, 2003, 1999).

Con respecto a trabajos realizados en eseenarios terrestres que contem- plan transmisiones a la freeueneia de operation de 5,8 GHz, (Sehwengler y Glbert, 2000) presenta, entre otros, varios tests de eampo realizados en una area resideneial eon el objeto de analizar los niveles medios de poteneia de serial reeibida en eonhguraeiones tipieas de los sistemas de eomunieaeiones moviles eelulares, Cabo destaear las similitudes eneontradas eon los modelos tradieionales, Para transmisiones LOS, el exponente de perdidas estimado es de 2, mientras que la desviacion estandar de las fluetuaeiones respecto al valor esperado es de 6,9, Para transmisiones XLOS, diehos valores resultan 3,5 y 9,5, respeetivamente.

Otros estudios de propagaeion estan motivados por la aplicacion de nue- vos sistemas, Asi, por ejemplo, para impulsar nuevas aplieaeiones de eomu­nieaeiones moviles y personales de eorto aleanee, la Union Internaeional de Teleeomunieaeiones (ITU) proporeiona datos de propagaeion y metodos de prediction para la planifieaeion de sistemas de radioeomunieaeiones de exte- riores, on ranges do distaneias infcriorcs a 1 km, on la gama do frecuencias do 300 MHz a 100 GHz (ITU, 2012), En cambio, otros cstudios so centran on evaluar el impacto do algunos agentes meteorologieos, Este es el ease de (Kesavan et al,, 2012), donde se llevan a eabo estudios experimentales que analizan el efeeto de la lluvia en enlaces de mieroondas terrestres punto a punto a 5,8 GHz, indicando que su efeeto sobre los niveles de la serial reeibi- da es despreeiable.

En los ultimos anos, el intercs per nuevos sistemas que operan en la banda de 5,8 GHz ha ereeido enormemente, Dada la amplia diversidad de entornos de aplieaeion, se han llevado a eabo nuevos estudios teoricos y experimentales en los mismos, En (Cuinas et al,, 2010), se presentan estudios de propagation en dos eseenarios boseosos de diversa naturaleza. Las medidas se realizan en eondieiones LOS y XLOS para diferentes eonfiguraeiones, Se miden niveles de serial reeibida a lo largo de varios radiales, siendo la distancia maxima 110 metros aproximadamente. La atencion se centra en estimar el exponente de perdidas para analizar el rango de eobertura del transmisor, eon el objeto de optimizar el despliegue de los nodos de red, Se obtienen valores, segrin el tipo de bosque y la configuration, eomprendidos entre 1,9 y 2,9 para transmi- siones LOS, y 1,8 y 2,5 para transmisiones XLOS, Diehos autores presentan estudios similares para rangos de distaneias mas eortos en (Cuinas et al,, 2009), estimando valores para el exponente de perdidas que oseilan entre 3,3 y 3,6, segrin el tipo de bosque, Ensayos en este mismo tipo de entornos se ineluyen en (Phaebua et al,, 2008), En este easo, las medidas se realizan en eondieiones LOS en diferentes eonfiguraeiones, Se miden niveles de serial re­eibida en varias ubieaeiones, siendo la distancia maxima de 104 metros, El analisis se centra en estimar el parametro K de Rice, eon el objeto de evaluar el rendimiento de enlaces punto a punto en redes inalambrieas de sensores, Se obtienen valores eomprendidos entre 2,6 dB y 12,8 dB, Conforme aumenta la distancia entre transmisor y receptor, los niveles medios de serial reeibidos disminuyen de forma significativa, y las fluetuaeiones sobre el nivel medio esperado aumentan.

Otros eseenarios que han suseitado un intercs reciente son los tuneles subterraneos, ya scan utilizados para el trasporte de personas y mereaneras, o para la explot acion de minas, En (Masson et ah, 2011), se presentan re- sultados experimentales, y simulaeiones teorieas, eon el objetivo de disenar nuevos metodos teoricos que ayuden a comprender major este tipo de ea- nales, En relation a los estudios anteriores, los autores presentan resultados experimentales derivados del sendee del eanal MIMO (Masson et al,, 2012), Del mismo mode, en (Alonso et al,, 2009) se presentan resnltados experi­mentales en eondieiones similares, para el mismo tipo de aplieaeiones, para sistemas SISO y MIMO, Con respeeto a eseenario mineros, (Boutin et al,, 2008) es un ejemplo de estudio en el que se destaean algunas partienlaridades que presentan este tipo de eanales tras analizar los resnltados experimentales obtenidos.

Centrando la ateneion en eseenarios maritimos, es importante destaear que, hasta el memento, poeos estudios han side realizados en la banda de 5,8 GHz, eereanos a la costa o en alt a mar, Aun asi, es interesante destaear diehos estudios y algunos resultados relevantes obtenidos en estos eseenarios a otras freeueneias de operation.

(An, 2004) presenta caracteristicas de los eanales de propagation marines a 1,8 GHz, y se centra en estudiar el desvanecimiento a pequena eseala del nivel de la serial reeibida ante diferentes estados de la mar. Las alturas del transmisor y del receptor son de 45 y de 3,6 metros, respectivamente, y la distaneia de separation se fija en 235 metros, Como resultado mas relevante, eabe destaear que la envolvente de la serial reeibida sigue una distribution mixta entre una funeion de Rice y una funeion Log-normal.

En (Maliatsos et al,, 2006a) y otros trabajos derivados (Maliatsos et al,, 2006b,e,d), se presentan resultados obtenidos a 1,9 GHz en una amplia di- versidad de eseenarios maritimos. Las alturas de las antenas utilizadas son superiores a 8 metros, y la distaneia maxima eubierta por las eampanas al- eanza los 30 km, En relation a la earaeterizaeion del eanal a gran eseala, para transmisiones LOS, se ha estimado un valor proximo a 3 para el expo- nente de perdidas, y un valor que oseila entre 1,5 dB y 4 dB, dependiendo del eseenario, para la desviacion estandar, Para transmisiones XLOS, se es- timan valores mayores: 3,6 y 4,5 dB para el exponente de perdidas y para la desviacion estandar, respectivamente, Ademas, eabe destaear el ajuste que presentan las medidas al modelo teorico de dos rayos en determinados rangos de distaneias, Respeeto a la earaeterizaeion a pequena eseala, las variaeiones de la envolvente de la serial reeibida siguen una estadistiea de Rice (parame- tro K estimado en torno a 18 dB para las medidas presentadas) y Rayleigh, en eondieiones LOS y XLOS, respectivamente, Por otro lado, en relation eon las caracteristicas dispersivas del eanal, se destaea la forma diseontinua que pre­sentan los perhles del retardo de poteneia, asi eomo los valores tan bajos que se obtienen de los parametros de dispersion del retardo para transmisiones LOS.

En (Yang et al, 2011b) y otros trabajos rclacionados (Yang ct al, 2010b,c,a, 2011a), so presentan cstudios do canal medidos a 2 GHz. La altura minima do las antcnas utilizadas esta en torno a 10 metros. La estacion base se instala en la costa y el transmisor en un buque. Algunos ensayos contemplan medidas a 45 km de distancia en condiciones LOS. Se identifiea, experimentalmente, el mejor emplazamiento para la antena en el buque, segun los materiales consti- tutivos del mismo. Algunos emplazamientos imponen una severa obstruccion a la serial transmitida (en torno a 6 dB para los ensayos presentados), Los ensayos permiten validar la efectividad de tecnicas de diversidad espaeial, a distancias cortas, mediante el uso de dos antenas separadas vertiealmente, Ademas, cabe destacar la validez del modelo de dos rayos en dicho rango de distancias.

En (Garroppo et al., 2008, 2009) se presentan transmisiones experimen- tales a 2.5 GHz, junto con pruebas de rendimiento de equipos comerciales basados en la teenologia WiMAX. La estacion base se instala en la costa a 30 metros de altura, y la altura del receptor en el bareo se fija en 10 metros. En los ensayos de propagation, se muestra un buen ajuste del nivel medio de la serial reeibida a los niveles prediehos por el modelo de dos rayos, hasta una distancia de 14.5 km. Particularmente llamativo resulta el buen ajuste en las zonas en las que se registran picos de atenuacion.

En (Yvon-Marie et al., 2009), se presentan resultados experimentales ob- tenidos con equipos disenados para caracterizar el canal marino a 3.5 GHz, centrando la atencion en el impacto que provocan las olas, y la obstruccion que provocan el relieve eostero y algunas islas. Se muestran dos tipos de en­sayos: costa-barco y costa-costa, recogiendo series de datos de larga duration. En el primero de los ensayos, el receptor se instala en la costa a una altura de 52 metros, y el transmisor se instala en una embarcacion a dos alturas diferentes: 3 y 12 metros sobre el nivel medio del mar. Los valores de poteneia media de serial reeibida se eomparan eon el modelo de dos rayos, mostrando un buen ajuste, exeepto ante efeetos de obstruction provoeados por algunos islotes y accidentes eosteros, En el segundo experimento, se muestra la in- flueneia del oleaje sobre el nivel de eampo reeibido para un enlace fijo punto a punto que transeurre sobre la plataforma marina. Resulta destaeable la difereneia, de easi 20 dB, existente entre los valores maximo y mrnimo en una serie temporal inferior a 48 horas.

Entre los trabajos experimentales llevados a eabo a 5.8 GHz en eseenarios maritimos destaean (Joe et al,, 2007a,b) v (Zhou et al,, 2006), Los autores eentran la ateneion on modular las earaeteristieas do gran eseala del eanal, Los ensayos so basan on transmisiones desde una estaeion base instalada on tierra a tres diferentes alturas: 4, 76 y 185 metros, El receptor so instala on una embareaeion, a una altura sobre el nivel medio del mar do 8 metros. La distaneia maxima entre transmisor y receptor on los ensayos es do 18 km, El exponente do perdidas oseila entre 2,1 y 2,5, mientras quo la desviaeion estandar varia entre 3,4 y 10,1 dB, En el eseenario bajo estudio, eonforme so aumentan las alturas do las antenas, los valores do los parametros del modelo do eanal disminuyen, indieando mejores eondieiones do propagaeion.

Como so ha expuesto, la mayoria do los trabajos so eentran en el analisis del enlace entre una estaeion base instalada en la costa y una embareaeion, Ademas, es do destaear quo no so han eneontrado trabajos relevantes quo estudien el eanal do propagaeion marino en la banda do 5,8 GHz, para enlaces en los quo el transmisor este instalado en una boya marina, Este tipo do enlaces operan sobre trayeetos eon angulos do elevation muy bajos, respeeto a la plataforma marina, Por tanto, los efeetos do dispersion y reflexion debidos a las irregularidades quo presenta dieha plataforma pueden resultar severos. Estos eondieionantes no estan presentes en la mayoria do los estudios llevados a eabo por los investigadores en este eampo, Elio justifiea la neeesidad do estudiar este tipo do enlaces, quo imponen unas eondieiones muy partieulares. So haeen neeesarios, pues, estudios teorieos y ensayos experimentales do propagaeion quo permitan determinar modelos fiables para el eanal marino en estas eondieiones, do modo quo ayuden a predeeir el aleanee do eobertura do los sistemas y a identifiear mejoras en el rendimiento do los radioenlaees, por ejemplo, mediante la aplieaeion do teenieas do diversidad y/o do sistemas do antenas inteligentes.

1.4. Estruetura de la Tesis

Esta memoria so estruetura en seis eapitulos eomo sigue: el Capitulo 1 introduce la Tesis, ineluyendo la motivation, los objetivos y la revision de la literatura, En el Capitulo 2, so tratan aspeetos de modelado de eanales de propagaeion inalambrieos, destaeando las partieularidades de los eanales maritimos; indieando los retos quo imponen a los sistemas radioeleetrieos, Ademas, so introdueen las bases teorieas y los modelos sobre los quo so apoya cl presente trabajo, En el Capftulo 3, se analizan las teenieas de sendee de canal existentes, y se detallan la teenieas utilizadas en este trabajo, asf eomo la metodologfa seguida, En los Capftulos 4 y 5, se presentan los resultados obtenidos. En particular, el Capftulo 4 se centra en la earaeterizaeion del canal en banda estreeha a partir del analisis de la potencia de la serial reeibida, mientras quo el Capftulo 5 se centra en la earaeterizaeion en banda aneha, donde se estudian las earaeterfstieas dispersivas del canal, analizando los perfiles del retardo de potencia medidos en el eseenario de propagation bajo estudio. Finalmente, el Capftulo 6 presenta las eonelusiones y los posibles trabajos a desarrollar a partir de este trabajo.

El trabajo ineluye, ademas, euatro apendiees, Los Apendiees 1 y 2 expli- ean e incluyen el codigo en lenguaje Mat lab(cj) desarrollado para obtener los resultados mostrados en el Capftulo 4 y el Capftulo 5, respeetivamente, En los Apendiees 3 y 4, se aportan resultados quo complementan los estudios presentados en el Capftulo 4 y en el Capftulo 5, respeetivamente.

Capftulo 2

Modelado de canales de propagation inalambricos

I do not think that the wireless waves I have discovered will have any practical application Heinrich R. Hertz

2.1. Intro duccion

El canal de propagation inalambrieo -on adelante simplemente canal- es el medio que enlaza un extremo transmisor con otro receptor de un sistema de eomunieaeion inalambrieo, Espeeffieamente, es el medio entre las antenas de ambos extremes (Figura 2,1), Las eomunieaeiones fiables a traves de un canal, eon tasas de transmision de dates eada vez mas elevadas, presentan numerosos retos a eientifieos e ingenieros en todas las fases del proeeso de diseno de una red de eomunieaeion inalambriea.

Las propiedades del canal determinan el rendimiento ultimo de las eomu­nieaeiones inalambrieas, tal y come demostro Shannon (Shannon, 1948), En concrete, el canal impone un limite teorieo a la eapaeidad de transmision de la information, Este heeho justifiea per si mismo la realization de estudios en profundidad para eonoeer y entender su eomportamiento en determinadas situaeiones de propagation. Los resultados de diehos estudios son eseneiales para asegurar la operatividad de los sistemas inalambricos y emprender eon exito el diseno de los mismos, De heeho, un determinado diseno que no uti-lice un modelo de canal lo suficientemente aproximado al eseenario real de propagacion difieilmente podra funeionar, una vez implementado, on dieho entorno de operation.

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Figura 2,1: Diagrama de bloques generieo de un sistema de comunicacion inalambrieo.

Pero, para quo el modelo propuesto sea, on general, eompaeto y eficiente, y resulte de utilidad praetiea, este debe ser eapaz de deseribir el canal de forma simplifieada, Elio eonlleva, necesariamente, una perdida de precision on la prediction del modelo, pues el proeeso de propagacion de una onda electromagnetica puede llegar a ser de una enorme eomplejidad, Por lo tanto, el modelado del canal sera siempre un eompromiso, Por un lado, el modelo debe ser tan preeiso eomo sea posible, sin embargo, por otro lado, el modelo debe ser lo suficientemente simple eomo para resultar util e interpretable on la fase de diseno para la quo este destinado.

Buseando este objetivo, no so puede pretender eneontrar un unieo modelo de canal quo explique la amplia variedad de eseenarios de propagacion y efeetos quo so dan on la praetiea, En eambio, determinados modelos so apliean on diferentes fases de diseno de un sistema inalambrieo, Por ejemplo, eomo so expondra a lo largo de este capitulo, un cierto modelo permite analizar el rango de cobertura de un transmisor, mientras quo mediante otro, so pueden establecer las tasas de transmision maximas del mismo sin emplear tccnicas de procesado de serial adicionales. Incluso para el analisis de los rangos de cobertura, no es posible proponer un unieo modelo iitil para disenar cualquier tipo de sistema, El modelo dependera de las frecuencias portadoras quo utilice el sistema, del entorno especffico en el quo opere, e incluso del tipo de senal transmitida, entre otros muchos factores.

Como ya so ha mencionado, la evolution do los sistemas inalambrieos on los ultimos anos esta siendo espeetaeular, Este heeho esta provoeando quo los modelos tambien lo hagan eon la mision de sentar las bases de diseno de los sistemas futuros. Por ejemplo, los sistemas MIMO neeesitan modelos que reeojan las propiedades del eanal en diferentes direeeiones del espaeio.

Respeeto de los entornos de aplicacion de los nuevos sistemas de comuni- cation inalambrieos, eabe deeir que son eada vez mas variados, Estos entor­nos requieren nuevos modelos y, por lo tanto, nuevas medidas experimentales que validen dichos modelos, y que deseriban las caracteristicas singulares y especificas de los mismos, Los modelos de eanales utilizados por los siste­mas moviles celulares y por las redes de area local inalambrieas han tenido eomo primer objetivo la optimization de las ubicaciones de las estaciones base. Sin embargo, los terminales de algunos sistemas inalambrieos que so estan desarrollando en la actualidad, eomo por ejemplo las redes de sensores inalambrieas (WSX), deben ubicarse alia donde los sensores necesiten estar para recoger los datos de interns. Elio provoca la necesidad de estudiar los eanales desde una perspectiva diferente, no considerada anteriormente.

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Detalles

Páginas
281
Año
2013
ISBN (Ebook)
9783656457763
ISBN (Libro)
9783656458418
Tamaño de fichero
18.5 MB
Idioma
Español
No. de catálogo
v229957
Instituto / Universidad
University of Cádiz
Calificación
Apto Cum Laude
Etiqueta
caracterización modelado canal propagación

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Título: Caracterización experimental y Modelado del Canal de Propagación inalámbrico A 5.8 GHZ en entornos marinos