EFECTOS DEL TRAFICO DE PERSONAS SOBRE LA

EFECTOS DEL TRAFICO DE PERSONAS SOBRE LA ATENUACION
EN EL CANAL DE PROPAGACION EN INTERIORES
CONSTANTINO PÉREZ VEGA. Mª. LUISA MEDIAVILLA L. Mª. DEL CARMEN DIEZ G.
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA DE COMUNICACIONES
UNIVERSIDAD DE CANTABRIA
AV. DE LOS CASTROS, S/N. 39005 - SANTANDER
ABSTRACT.
The effects of random human traffic on
path loss in the communications channel at 1.8
GHz have been experimentally measured, and the
results reported in this paper. Such effects amount
for an increase in path loss up to 5 dB when the
transmitting and receiving antennas are not in very
close proximity to the human body, and introduce
an additional fading component that must be taken
into account in the power budget of a
communications system.
1. INTRODUCCION
La
interacción
de
las
ondas
electromagnéticas con sistemas biológicos ha sido
y, continua siendo, objeto de numerosas
investigaciones. En algunos casos, como resultado
de la preocupación creciente, tanto por las
propiedades terapéuticas, como por los posibles
riesgos
potenciales
de
la
radiación
electromagnética sobre el cuerpo humano, interesa
cuantificar el efecto de aquélla sobre el tejido
biológico [1] - [7]. En otros casos, el interés es
inverso, es decir, se centra en el estudio de los
efectos del cuerpo humano sobre la energía
electromagnética y, particularmente, sobre las
propiedades de las antenas [8], ya que su
acoplamiento con los objetos y personas en el
entorno modifica sus características de radiación.
En el rango de frecuencias de 20 MHz a 1 GHz, el
cuerpo humano se comporta, de forma
predominante, como reflector con diversos grados
de eficiencia, a una antena delante de él, en tanto
que, en la parte posterior se tienen mínimos a causa
de la absorción [9].
Sin
embargo,
el
comportamiento
electromagnético del cuerpo depende de la
frecuencia, ángulo de incidencia y polarización de
la onda incidente en forma muy difícil de
cuantificar, por lo que no es posible intentar una
solución precisa en la práctica. Se han desarrollado
diversos modelos teóricos [2]-[4] para intentar
determinar la relación entre la densidad de
potencia incidente y la absorbida por el cuerpo y,
aún cuando la complejidad del problema
electromagnético es considerable, se ha llegado a
modelos simplificados gracias a los cuales ha sido
posible
comprender mejor los mecanismos
electromagnéticos involucrados. El enfoque de este
trabajo, es únicamente desde el punto de vista de la
cuantificación de la atenuación producida por
personas en movimiento en el medio de
propagación, efecto que contribuye a la atenuación
total y es causa adicional de desvanecimiento,
hecho que debe tenerse en cuenta en el
dimensionamiento de la potencia de sistemas de
comunicaciones. Los resultados que se presentan
son consecuencia de experimentos realizados en un
entorno específico, a la frecuencia de 1.8 GHz y no
deben, en principio, generalizarse a otras
frecuencias.
Sin
embargo,
concuerdan
razonablemente con los de otras investigaciones
similares [9] y ofrecen un indicativo a tener en
cuenta en la práctica.
2. DESCRIPCION DEL EXPERIMENTO
Los resultados de que se informa en este
artículo corresponden a experimentos realizados en
pasillos y en la cafetería de la Facultad de Ciencias
de la Universidad de Cantabria, en situaciones de
tráfico variable de personas, durante siete días y
con diversos emplazamientos de la antena
receptora, que se mantuvieron fijos durante cada
conjunto de mediciones. La frecuencia a la que se
realizó el experimento fue de 1.8 GHz, utilizando
como transmisor un generador de onda senoidal
continua con una potencia de salida de 14 dBm.
Como receptor se utilizó un analizador de espectro,
conectado directamente a la antena receptora,
constituida por un monopolo vertical de un cuarto
de longitud de onda sobre plano de tierra, colocado
a una altura de 1.5 m, que se mantuvo fijo durante
cada sesión de medidas. La antena transmisora, de
las mismas características, se mantuvo fija en el
centro del vestíbulo de la Facultad, fuera de la
zona de la cafetería, a una altura de 2 m. La
ganancia de ambas antenas es de 2 dB la
atenuación en las respectivas líneas de transmisión
utilizadas se midió por separado. Las muestras de
potencia se tomaron visualmente a intervalos de 10
segundos, ajustando para ello el control de tiempo
de barrido del analizador de espectro.
Los experimentos se llevaron a cabo con
polarización vertical y las mediciones se realizaron
en dos condiciones bien identificadas: la primera,
con línea de vista (LOS) entre las antenas
transmisora y receptora, en pasillos y espacios
amplios, en condiciones de tráfico de personas
escaso, medio y alto. La segunda, en condiciones
similares de tráfico, pero en espacios amplios con
obstrucción por paredes y columnas entre las
antenas (NLOS). Además, se efectuaron medidas
en ambas condiciones sin presencia de otras
personas, excepto la del operador, a fin de contar
con un patrón de comparación para las primeras.
3. RESULTADOS
LOS. Las mediciones se efectuaron, en
pasillos, a distancias de 8 m de separación entre
antenas y, en espacios amplios, en este caso la
cafetería, a distancias de 20 a 25 m. Previo a cada
sesión de mediciones, se tomaron muestras en área
local en ausencia de tráfico humano a fin de
conocer la atenuación en esas condiciones y
calcular luego la atenuación en exceso, respecto a
la atenuación media sin tráfico. Una situación
típica es la que se presenta en la figura 1, donde se
muestra el perfil de la atenuación en exceso en
condiciones LOS, en un pasillo en que las antenas
mantuvieron una separación constante de 8 m. Las
primeras 30 muestras corresponden a la situación
en área pequeña en ausencia de tráfico. Las
restantes 150, con circulación de personas que
puede definirse como moderada y continua.
Fig. 1. Perfil de atenuación en exceso debida al
tráfico humano en condiciones LOS en pasillos.
La atenuación media en ausencia de tráfico es
de 56.34 dB, 0.72 dB más que la del espacio
libre y, la desviación típica, de 1.92 dB. La
atenuación en exceso respecto a la media sin
tráfico, presenta los siguientes parámetros
estadísticos:
Atenuación media en exceso: 2.60 dB
Desviación típica:
2.09 dB
Atenuación mediana:
1.98 dB
Atenuación máxima en exceso: 9.18 dB
Atenuación mínima en exceso: -1.02 dB
La estadística que sigue la atenuación en exceso se
ajusta bien, para este caso, a las distribuciones de
Rayleigh, Gamma [10] y Weibull [11] en todas,
con errores inferiores a 0.05 en las funciones de
densidad de probabilidad (pdf) y menores de 0.03
en las distribuciones acumulativas (cdf). El ajuste a
la pdf Gamma se muestra en la figura 2.
Fig. 2. Comportamiento estadístico de la
atenuación en exceso, en términos de la
densidad de probabilidad Gamma
Las gráficas son muy similares para las otras dos
distribuciones y cabe mencionar que, las
distribuciones anteriores, se han utilizado
únicamente como herramientas matemáticas que
resultan adecuadas para describir, en este caso, la
atenuación en exceso y que, si bien el
comportamiento de la distribución de Rayleigh
puede explicarse desde un punto de vista físico
[12], no ocurre lo mismo con las de Weibull y
Gamma. En áreas abiertas, en este caso la cafetería
de la Facultad de Ciencias, los resultados
observados son muy similares: con tráfico de
escaso a moderado, la atenuación media en exceso
fue de 2.16 dB con una desviación típica de 2.67
dB y con tráfico intenso, muy variable, dicha
atenuación fue de 3.86 dB, con una desviación
típica de 4.79 dB.
NLOS. La atenuación media en exceso,
observada en condiciones NLOS alcanza valores
similares a los medidos en condiciones LOS (3.9
dB), lo que sugiere que la atenuación debida a la
presencia de personas en el entorno de
propagación es independiente de que las
condiciones sean LOS o NLOS. También el
comportamiento estadístico se describe bien
mediante las distribuciones mencionadas. En la
figura 3 se muestran las distribuciones
acumulativas de la atenuación en exceso para los
casos de tráfico escaso, moderado e intenso en que
esta última situación ofrece las peores condiciones
desde el punto de vista de diseño para el
dimensionamiento de potencia.
Fig. 3. Distribuciones acumulativas para la
atenuación en exceso, en condiciones de
tráfico humano escaso, moderado e intenso.
En la figura anterior se observa que, si bien la
atenuación media en exceso es del orden de 4 dB,
pueden esperarse desvanecimientos del orden de
10 dB en condiciones de tráfico moderado y
superiores a 15 dB en condiciones de tráfico
intenso que, en este último caso, representan una
condición relativamente severa para mantener la
calidad de la comunicación a distancias crecientes
del transmisor. Otros estudios [13] sobre la
influencia de la cercanía del cuerpo humano en la
atenuación, a 1.7 GHz, indican atenuaciones en
exceso de 6 a 8 dB en condiciones LOS en pasillos
y del orden de 8 dB en espacio abiertos. Las
diferencias con los valores observados en estos
experimentos se atribuyen a que, en el estudio
mencionado, las mediciones se llevaron a cabo con
el transmisor/receptor a pocos centímetros del
cuerpo, en tanto que en los experimentos de que se
informa aquí, la antena transmisora se mantuvo
distancias no inferiores a 3 m de las personas en el
entorno , la receptora, a distancias mínimas del
orden de 1.5 m.
7. comparison”. IEEE Trans. on Biomed. Eng.
Vol. BME-32, Nº 8, pp. 609-616. Aug. 1985.
8. Joines, W.T. and Spiegel, R. J. “Resonance
absorption of microwaves by the human skull”.
4. CONCLUSIONES
La presencia de personas en movimiento
en el canal de propagación en interiores introduce
un componente aleatorio adicional sobre la
atenuación media, que debe tenerse en cuenta para
el cálculo del margen de desvanecimiento total al
dimensionar la potencia de sistemas de
comunicaciones. Es de interés, no sólo el valor
medio de la atenuación en exceso, sino su
comportamiento estadístico, gracias al cual es
posible estimar la probabilidad de una determinada
profundidad de desvanecimiento. Las atenuaciones
medias, en exceso a la atenuación sin tráfico,
observadas en los experimentos van desde 2.16 dB
en condiciones de flujo escaso de personas, hasta
alrededor de 4 dB con flujo variable y,
relativamente, intenso. Resultados de otros
investigadores sugieren que la atenuación media es
de 3 a 4 dB mayor cuando el transmisor/receptor
está a muy corta distancia del cuerpo humano. La
caracterización estadística del proceso permite
predecir profundidades de desvanecimiento
cercanas a 15 dB en las peores condiciones. La
atenuación en exceso se describe bien mediante las
distribuciones de Rayleigh, Weibull y Gamma.
5. REFERENCIAS
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radiación electromagnética.
2. Weil, C. M. “Absorption characteristics of
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3. Barber, P. W. “Electromagnetic power
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and animals at resonance”. IEEE Trans. on
Biomed. Eng. Vol. BME-24, Nº 6, pp. 513521. Nov. 1977.
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absorbida en el cuerpo humano por campos
electromagnéticos”. Revista Mexicana de
Física. Vol. 42, Nº 6 (1966). págs. 1087-1098.
5. Kuster, N. and Bolzano, Q. “Energy absorption
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IEEE Trans. on Vehic. Techn. Vol. 41, Nº 1,
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6. Stuchly, M. A. et al. “Exposure of human
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IEEE Trans. on Biomed. Eng. Vol. BME-21,
Nº 1, pp. 46-48. Jan. 1974.
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radiation
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of
small-sized
communication systems”. IEEE Trans. on
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11. Pérez Vega C. “Estadística de la atenuación en
el canal de propagación en interiores”. Actas.
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pp. 109-112. Madrid, 1996.
12. Alonso A. y Pérez Vega, C. “Estimación de las
pérdidas de propagación y modelado del canal
de propagación en interiores mediante la
distribución de Weibull. Actas. XI Symposium
Nacional de la URSI, Vol II, pp. 93-96.
Madrid, 1996.
13. Clarke, R. H. “A statistical theory of mobileradio reception”. BTSJ. Vol. 47, pp. 957-1000.
Jul. 1968.
14. Karlsson, P. “Body effects and diversity
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MHz. COST 231, TD(93)/14. Barcelona, Jan.
1993.