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Graphic Tool for Wireless Networks Modeling, based in Indoor Signal Propagation Models

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  95 SISTEMAS& TELEMÁTICA ABSTRACT This paper describes the implementa-tion of an indoor propagation predic-tion model, based in the semiempiri-cal model of K. W. Cheung, J. H. M.Sau, y R. D. Murch [1], which includesthe Path Loss, the incidental angle overwalls and the associated attenuation,and the Fresnel zones.The information about the specificenvironment are taken from a DXFfile, that must follow an establishedformat. The attenuation factor of walls and the AP location are obtai-ned from the user. Also, a shadowing algorithm thatoptimize the simulation time is de-veloped.Finally, the contrast of the simulationresults against the data of a site sur-vey is showed. KEY WORDS Propagation Models, Wireless LAN,Wireless Systems, DXF, Attenuation,Shadowing Test. RESUMEN El presente artículo describe el pro-ceso de implementación de un mode-lo de predicción de la propagación deseñales en interiores, basado en elmodelo semiempírico de K. W. Che-ung, J. H. M. Sau, y R. D. Murch,[1]donde se tienen en cuenta la atenua-ción debida a la distancia, el ángulode incidencia sobre las paredes, la Sandra Paulina López splopez@ icesi.edu.co  Herramienta gráfica de modelado deredes inalámbricas basada en modelosde propagación de señales en interiores Juan David Osorio Betancur  juandoso@ correo.icesi.edu.co  Andrés Navarro Cadavid anavarro@ icesi.edu.co  Fecha de recepción: 27-05-2004Fecha de aceptación: 04-10-2004  96 SISTEMAS& TELEMÁTICA atenuación asociada a estas mismasy las zonas de Fresnel.Los datos del entorno a simular sontomados de un archivo DXF que debeseguir un formato establecido. Se ob-tienen del usuario la atenuación aso-ciada a cada tipo de pared y la ubica-ción del punto de acceso.También se desarrolla un algoritmo desombreado que optimiza el tiempo desimulación debido a su sencillez.Finalmente se muestra la compara-ción de los resultados de la simula-ción y los datos obtenidos en la prue-ba de campo. PALABRAS CLAVES Modelos de propagación, redes ina-lámbricas de área local, sistemas ina-lámbricos, DXF, atenuación, pruebasde sombreado. Clasificación Colciencias: A   97 SISTEMAS& TELEMÁTICA INTRODUCCIÓN El desempeño de las redes inalámbri-cas de área local (WLANs), o cual-quier otro sistema inalámbrico, se vefuertemente influenciado por las ca-racterísticas de sus puntos de acceso(antenas transmisoras), como lo sonsu cantidad, ubicación y potencia detransmisión. Por esta razón es muyimportante realizar una planeacióncuidadosa de estas característicaspara optimizar los recursos que setienen y brindar una mejor calidadde servicio, ya que estos dispositivosusualmente representan la mayorinversión en el montaje de unaWLAN, no sólo por su costo sino tam-bién por la instalación del cableadode energía y de datos que estos re-quieren.Con esta motivación se decidió reali-zar una herramienta gráfica basadaen un modelo de propagación ya exis-tente, que se adapte a las condicio-nes específicas para ambientes eninteriores.La herramienta aquí desarrollada nopretende modelar la propagación enexteriores. Además, el modelado serealizará para dos dimensiones, esdecir, a nivel de un piso. MODELO BASE Para esta herramienta se escogió elmodelo propuesto en [1] al cual se lerealizaron algunas simplificacionesy adaptaciones propias del entornolocal.Este modelo incorpora gran parte delos fenómenos de propagación que sonsugeridos por teorías electromagné-ticas como la UTD, pero retiene lasimplicidad de la aproximación em-pírica. Una ventaja potencial es quelos factores empíricos requeridos parael modelo pueden relacionarse conderivaciones teóricas de manera queajustar u optimizar el modelo a losdatos medidos puede no ser necesa-riamente requerido. Los tiempos decomputación se mantienen al míni-mo, de modo que las prediccionespuedan realizarse interactivamenteen un PC sin una reducción signifi-cativa en la precisión de la predicción.Este modelo puede verse como si es-tuviera en el medio entre las técni-cas empíricas y de trazado de rayos. Conceptos básicos Se define la pérdida debido a la tra-yectoria como PL ( d ) [dB] = 10 log  P r ( d o ) - 10 log  P r ( d )(1) Donde  P r ( d ) es la potencia recibida auna distancia d  del transmisor. Ladistancia de referencia d 0 , que aquíes tomada como 1 metro, es utilizadapara normalizar la pérdida de trayec-toria con la que ocurre a la distanciad 0  del transmisor de manera que sólose incluyan efectos de propagación.Las aproximaciones empíricas o es-tadísticas para predecir la pérdidapor trayectoria toman la forma(2)donde  P  y Q  son el número de pare-des y pisos respectivamente entre eltransmisor y el receptor. Los paráme-tros empíricos n, WAF(p)  y  FAF(q) son respectivamente el exponente depérdida por trayectoria, el factor deatenuación de pared y el factor deatenuación de piso. El valor de estos PL ( d ) [dB] =m10 log (   ) n  + ∑  WAF(  p ) + ∑  Q FAF ( q )  p    p = 1 ddo Q   q = 1  98 SISTEMAS& TELEMÁTICA PL bp  ( d ) [dB]  p    p = 1 + ∑  WAF(  p ) + ∑  FAF( q )   q  = 1 Q d bp do + 10 [ log (   )   + log (   )   ]   U  ( d - d bp ) n 1 n 2 dd bp = 10 log (   )   U   ( d bp  - d ) n 1 ddo parámetros se determina aproximan-do el modelo a los datos medidos enel edificio de interés. La precisión dela predicción puede ser pobre en cier-tas áreas del edificio, especialmentea grandes distancias del transmisor. El modelo empírico de propagaciónutilizado Para mejorar la precisión de estemodelo manteniendo su simplicidad,se incorporan efectos adicionales depropagación que han sido observadosy son sugeridos por la UTD.  A. Dependencia de la distancia del exponente de pérdida por trayectoria Se ha observado que la pérdida comofunción de la distancia tiene dos re-giones distintas. En la primera, lapérdida es similar a la que ocurre enel espacio libre, debido a que a dis-tancias cortas de la antena las obs-trucciones como paredes y pisos nointeractúan significativamente conlas ondas que se propagan. Sin em-bargo, a mayores distancias, en la si-guiente región, la pérdida se incre-menta significativamente a medidaque las ondas electromagnéticas seven más obstruidas por los techos yparedes de los cuartos en el edificio.La distancia a la cual se da esta tran-sición en la pérdida se refiere aquícomo el breakpoint  (terminología quese usa en el estudio de microceldas).El fenómeno del breakpoint  se incor-pora modificando la ecuación:donde d bp  es la distancia del trans-misor al breakpoint , n 1  y n  2  son losexponentes de pérdida por trayecto-ria en cada lado del breakpoint y U(*)es la función escalón unitario.Los parámetros adicionales d bp , n 1  y n  2  que han sido introducidos puedenobtenerse de las zonas de Fresnel.Considerando el tamaño de la prime-ra zona de Fresnel, puede calcularsela distancia d bp  a la cual ocurrirá laobstrucción de esta zona. El diáme-tro de la primera zona de Fresnel auna distancia d  del transmisor pue-de aproximarse porLos exponentes n 1  y n  2  también de-penden del entorno de propagaciónparticular. En general n 1  debe estarcerca del valor del espacio libre unavez que se remueven los efectos de laantena. El parámetro n  2  debe sermayor debido a que representa la pro-pagación cuando la primera zona deFresnel se ha obstruido.  B. Dependencia de los factoresde atenuación respecto al ángulo Cuando la radiación electromagnéti-ca incide oblicuamente en una paredo piso, se transmitirá menos energíaal otro lado de la misma que si laincidencia hubiera sido perpendicu-lar. Por esta razón se incorpora esteefecto al modelo haciendo que el WAF(p)  dependa del ángulo de inci-dencia.En general, las expresiones exactaspara la atenuación por pared son al-gebraicamente complejas, pero suesencia puede obtenerse usando unaaproximación simple. Para la inciden-cia horizontal se asume que la trans-misión es cero, mientras que para laincidencia perpendicular se toma lapérdida igual a WAF(p)  [o  FAF(q) ],(3)  99 SISTEMAS& TELEMÁTICA PL bp  ( d ) [dB]  p    p = 1 + ∑  WAF(  p )/ cos θ d bp do + 10 [ log (   )   + log (   )   ]   U  ( d - d bp ) n 1 n 2 dd bp = 10 log (   )   U   ( d bp  - d ) n 1 ddo  p que se obtiene de medidas de propaga-ción en el sitio. Para ángulos interme-dios, se interpolan estos valores usan-do una función coseno: WAF(p)[dB] / cos p , donde WAF(p)[dB]   se tomacomo el factor de atenuación para inci-dencia normal y p  es el ángulo de inci-dencia con respecto a la normal parala pared  p.  Los resultados de estaaproximación se muestran en la Fi-gura 1, donde también se puede ob-servar que se comporta bien, especial-mente si se compara con lo que sehubiera obtenido si no se hubieranincluido variaciones del WAF(p)  conrespecto al ángulo de incidencia (verFigura 1). OO (a) Pared sólida de 12.5 cm de ancho y = 3. (b) Pared hueca de yeso, con paneles de 1 cm de ancho, = 3, sepa-rados por 10 cm de aire. La línea só-lida representa la atenuación calcu-lada tratando la pared como un me-dio por capas, mientras que la línea punteada es la aproximación WAF/cos . Incorporando de esta forma los fac-tores de atenuación al modelo se lle-ga a un modelo mejorado con un muypequeño incremento en el esfuerzocomputacional.Debido a que este proyecto fue conce-bido para modelar la propagación deseñales a nivel de un piso, no se tie-nen en cuenta los efectos de propa-gación de un piso a otro, por lo cual elparámetro  FAF(q)  se eliminó de laecuación. WallLoss (dB)   WallLoss (dB) Incident Angle (Degrees)(a)Incident Angle (Degrees)(b) Figura 1.  Atenuación por pared como función del ángulo de incidencia parados estructuras de pared (tomado de [1]). O (4)En este modelo es necesario ajustarlos parámetros empíricos n 1  , n  2  y d bp ,que se toman como base, debido a quedependen de la frecuencia de opera-ción del transmisor (para el caso delas redes inalámbricas 802.11b es de2.4 GHz). ADQUISICIÓN DE DATOS Como formato para la adquisición dedatos sobre los ambientes a simular,

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Dec 10, 2018
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