Risultati sperimentali
V.1 Introduzione
Fino a questo punto è stato verificato che in termini di attenuazione, dispersione temporale e dispersione angolare il simulatore fornisce risultati verosimili. Tali valori infatti confermano i modelli di propagazione sperimentali ricavati attraverso numerose campagne di misura. Per meglio comprendere la validità del simulatore di propagazione deterministico, si confrontano nello specifico i risultati ottenuti da misure sperimentali con quelli ottenuti per simulazione.
Con lo scopo di approfondire le conoscenze relative ai meccanismi di propagazione elettromagnetica alla frequenza delle microonde in ambiente urbano, in condizioni sia LOS che NLOS, sono state condotte delle misure dal laboratorio di ricerca tecnologico YRP – Yokosuka Research Park – Giappone. Grazie alla regolarità dello scenario in cui sono state effettuate tali misure, è stato possibile riprodurre con semplicità la configurazione nell’interaccia grafica del simulatore EMvironment.
Sono inoltre note tutte le informazioni relative alle dimensioni ed ai materiali degli edifici [23].
V.2
Descrizione dello scenario
Le misure sono stato condotte in una vasta area residenziale della città di Yokosuka, in Giappone. Le abitazioni sono disposte ordinatamente in blocchi di 22 case, costituiti da due file parallele di 11 case. L’altezza media delle case è di 8m.
Il materiale delle case è il cemento (ε = 15 e σ = 0.005 S/m). Le strade sono in asfalto ( ε = 9; σ = 0.005 S/m ) e sono larghe 6m.
Per la continua esigenza di trasmissioni sempre più veloci la ricerca si è spinta ad analizzare nuove frequenza disponibili nella banda delle microonde. Le caratteristiche di propagazione del segnale radiomobile a queste frequenze non è stato ancora sufficientemente studiata. Per progettare sistemi che sopportino elevate velocità ed elevata qualità sono quindi necessarie misure per descrivere la propagazione del segnale in aree residenziali. Le misure sono state effettuate con una antenna trasmittente ad una altezza di 4m che trasmette alla frequenza di 3.35GHz con potenza pari a 10W.
Il ricevitore è posizionato al disopra di un veicolo ad una altezza di 2.7m. Sia in trasmissione che ricezione è stato utilizzato un dipolo verticale a mezz’onda. Le misure relative alle perdite di propagazione sono state valutate tramite onda continua. Mentre i valori di dispersione temporale sono stati misurati trasmettendo con modulazione BPSK con simboli codificati con velocità pari a 50 Mchip/sec. Sono stati analizzati 5 percorsi: uno in condizioni di visibilità ottica, gli altri in condizioni no line of sight.
Figura V.2.1 – Area residenziale di Yokosuka – percorso A in visibilità ottica Come si osserva dalla fig. V.2.1 i blocchi di 22 case sono molti. Se per ciascun blocco si vanno a disegnare le 22 case si rischia di allungare eccessivamente i tempi di calcolo. Infatti in fase di ray-tracing il simulatore effettua un controllo per ciascun edificio e per ciascuna piastra. Inoltre è evidente che per la vicinanza delle case, eventuali raggi che si propagano lungo gli spazi tra le abitazioni, subiscono molte riflessioni e diffrazioni, apportando perciò valori di potenza molto bassi e quindi trascurabili. Sono stati perciò disegnati blocchi in cemento di dimensioni 114m x 22m e altezza 8m
Figura V.2.2 – Scenario sul simulatore relativamente al percorso A 117
Oltre al percorso A sono stati valutati altri quattro percorsi in condizioni NLOS.
Figura V.2.3 – Scenario del percorso B reale e simulato
A seconda del percorso che si va a simulare è conveniente togliere alcuni edifici.
Secondo le regole dell’ottica geometrica è intuitivo che gli edifici della parte più bassa non influenzano i risultati, è quindi conveniente eliminarli riducendo quindi i tempi di calcolo. Il percorso B è lungo 170m e il ricevitore più vicino dista dal trasmettitore
460m.
Figura V.2.4 – Scenario del percorso C reale e simulato
In questo caso sono stati tolti gli edifici della parte superiore perché possono essere trascurati nel ray-tracing. Il percorso C è lungo 200m ed il ricevitore più vicino dista dal trasmettitore 460m, come nel percorso B.
Figura V.2.5 – Scenario del percorso D reale e simulato
Sono stati eliminati gli edifici della parte inferiore. Il percorso D è lungo 170m come il percorso B, ma la distanza minima dal trasmettitore è di 340m.
Figura V.2.6 – Scenario percorso E reale e simulato
Come il percorso C, il tratto E è lungo 200m e il ricevitore più vicino dista 340m dal trasmettitore.
V.3
V.3.1
Risultati
Caratteristiche di attenuazione
In prima analisi si vuole confrontare il modello di attenuazione misurato con i risultati forniti dal simulatore.
Percorso A - LOS
L’unico percorso in condizioni di visibilità ottica è il percorso A. Valori di potenza sono stati misurati proseguendo a passi di 1m, a partire dalla distanza minima di 1m dal trasmettitore fini ad una distanza massima di 460m. E’ stato valutato il Path Loss in funzione della distanza trasmettitore-ricevitore.
Dalle misure è stato valutato un coefficiente di attenuazione γ = , valore che si 2 ottiene in condizioni di spazio libero, E’ stato però verificato che valori di γ ≤ si 2 possono verificare lungo strade strette con edifici alti rispetto al trasmettitore.
Figura V.3.1 – Caratteristica di Path Loss misurato – Percorso A
Relativamente al percorso A è stato valutato il path loss effettuando due diverse simulazioni: sono stati considerati i contributi di terzo e quinto ordine.
100 101 102 10 40 60 80 100 120 140 160 Distanza [m] P a th L o s s [d B ] α = 1.4339 Percorso A
Figura V.3.2 – Simulazione – contributi terzo ordine
I risultati simulati possono ritenersi già abbastanza corretti considerando solo i contributi fino al terzo ordine. L’attenuazione passa da valori minimi di 50 dB a valori massimi di 80dB alla distanza di 460m.
100 101 102 103 40 60 80 100 120 140 160 Distanza [m] P a th L o s s [d B ] α = 1.2884 Percorso A
Figura V.3.3 - Simulazione – contributi quinto ordine
Considerando fino ai contributi di quinto ordine non si osservano grosse variazioni. Ciò che cambia è il coefficiente di attenuazione che passa da 1.4339 a 1.4. I due grafici precedenti infatti forniscono valori di attenuazione trascurando il termine di fase del campo elettrico, se si considera anche il termine di fase si ottengono giustamente valori più dispersi attorno alla retta.
10 0 101 102 103 40 60 80 100 120 140 160 Distanza [m] P a th Lo ss [ d B ] α = 1.4 Percorso A
Figura V.3.4 – Simulazione – contributo della fase
Considerando anche il contributo della fase si ottengono risultati soddisfacenti. Sia dalle misure che dalle simulazioni, si osserva che alla distanza di 250m si ha un aumento di attenuazione di potenza. Questo calo si verifica in prossimità di una zone di spazio aperto. Lo scenario infatti risulta molto regolare, per cui un cambiamento delle condizioni di propagazione dei raggi è direttamente osservabile dai risultati.
Percorsi B - NLOS
Sono stati analizzati quattro percorsi NLOS. In questo caso non siamo in presenza del raggio diretto, per cui passando dal percorso principale A, ad uno dei quattro NLOS si verifica attenuazione definita Corner Loss, infatti mancando il raggio diretto avremo una calo netto di potenza. E’ stato misurato che nei nostri casi si verificano Corner
Losses dai 30dB ai 35dB. Tali valori sono confermati dal simulatore.
Il percorso B è il tratto più lontano dal trasmettitore, la distanza massima dal trasmettitore è di 500m. Le curve di Path Loss riportate descrivono l’attenuazione in funzione della distanza rispetto al primo punto NLOS più vicino al trasmettitore in cui sono state effettuate le misure. Dalle misure si ricava che il Path Loss aumenta con la distanza secondo un coefficiente di attenuazione pari a 2.
Figura V.3.5 – Caratteristiche di Path Loss misurato – Percorso B
Le simulazioni anche in questo caso sono state fatte considerando i soli contributi di terzo ordine. Si ricava un coefficiente di attenuazione più piccolo di 2, si ricava
0.95
α = .
10 0 101 102 10 40 60 80 100 120 140 160 Distanza [m] P a th L o s s [d B ] α = 0.95 Percorso B
Figura V.3.6 – Simulazione – contributi terzo ordine
10 0 101 102 103 40 60 80 100 120 140 160 Distanza [m] P a th L o s s [d B ] α = 0.94 Percorso B
Figura V.3.7 – Simulazione – contributo della fase
Considerando il contributo della fase si ottengono risultati ancora più soddisfacenti. Si ricavano valori minimi di attenuazione di 100dB fino a valori massimi di 140dB.
Percorso D - NLOS
Il percorso D è un tratto parallelo al percorso B ma più vicino al trasmettitore, si raggiunge una distanza massima di 400m. In questo caso nello scenario disegnato nel simulatore è stata messa in evidenza una zona di spazio aperto. Ci si aspettano valori di attenuazione minori per i primi punti. Essi non sono in condizioni di visibilità ottica, ma ci aspettiamo un passaggio più graduale dai punti LOS a quelli NLOS.
Dalle misure si parte da valori minimi di attenuazione pari a 90dB e si osserva una lieve oscillazione nei primi punti, cosa che non si verificava per il percorso B. Valore massimo di attenuazioni è pari a 135dB. La simulazione fornisce risultati soddisfacenti fermandoci ai contributi di terzo ordine. Dalle misure si valuta coefficiente di attenuazione pari a 2, dalle simulazioni si ha γ =1.6. Dal grafico simulato è evidente le fluttuazione iniziale causata dalla zone di spazio aperto.
Figura V.3.8 – Caratteristica di Path Loss misurato – Precorso D
10 0 101 102 103 40 60 80 100 120 140 160 Distanza [m] P a th Los s [ d B ] Percorso D α = 0.93
Figura V.3.8– Simulazione – contributi terzo ordine
Percorso C - NLOS
Il percorso C è situato a sud del percorso B. Rispetto al tratto B la condizione di propagazione dei raggi cambia, a causa della presenza di una zona di spazio aperto direttamente a sud della BTS (parco pubblico) ed un'altra ad est (parcheggio). Questi due spazi cono stati adeguatamente disegnati nella configurazione del simulatore.
Figura V.3.9– Caratteristiche di Path Loss misurato – Percorso C
Come si osserva dalla figura il coefficiente di attenuazione non vale più 2 ma si abbassa a 0.25. Questo può essere spiegato per la presenza degli spazi aperti che consentono il passaggio di raggi lungo le strade orizzontali che tagliano perpendicolarmente il percorso C ed attraverso gli spazi tra le case. Per questo motivo si verifica una fluttuazione dei valori in corrispondenza degli incroci con le strade.
Dai risultati simulati si calcola γ =0.8. Il coefficiente di attenuazione si abbassa ma non fino a 0.25. Infatti nella configurazione del simulatore sono disegnate con precisione le strade e i possibili spazi aperti, ma non sono stati considerati i possibili spazi tra le case. L’eventuale disegno nel dettaglio avrebbe comportato tempi di calcolo eccessivi. Dai risultati di fig…. si possono ritenere soddisfacenti i valori di Path Loss ottenuti. Si parte da valori minimi di attenuazione di 120dB a valori massimi di 135dB.
100 101 102 103 40 60 80 100 120 140 160 Distanza [m] Pa th L o s s [ d B ] Percorso C α = 0.8 Figura V.3.10– Simulazione – contributi terzo ordine
Percorso E – NLOS
Il percorso E è parallelo al percorso C però più vicino al trasmettitore, si verificano perciò le stesse condizioni di propagazione del tratto C. Anche in questo caso dalle caratteristiche simulate si osservano oscillazioni causate dalle strade e dagli spazi tra le case, oscillazioni meno marcate nel modello simulato. Il coefficiente di attenuazione misurato vale 0.66, nel nostro caso vale 0.99. I valori di attenuazione sono in entrambi i casi compresi tra 120dB e 130dB.
Figura V.3.11 – Caratteristica di Path Loss misurato – Percorso E
101 102 103 40 60 80 100 120 140 160 Distanza [m] P at h Lo ss [d B ] Percorso E α = 0.86
Figura V.3.12– Simulazione – contributi terzo ordine
Percorso LOS/NLOS Path Loss Minimo Path Loss Massimo Corner Loss Path Loss Exponent A. misure LOS 50 dB 85 dB 2 simulazione 51 dB 80 dB 1.4 B. misure NLOS 100 dB 140dB 35 dB 2 simulazione 117 dB 133 dB 40 dB 0.94 D. misure NLOS 90 dB 135 dB 30 dB 2 simulazione 81 dB 134dB 39 dB 0.93 C. misure NLOS 120dB 135 dB 35 dB 0.25 simulazione 117 dB 132 dB 40 dB 0.8 E. misure NLOS 118 dB 130 dB 35 dB 0.66 simulazione 114 dB 132 dB 39 dB 0.86
Tabella V.3.1 – Riassunto dei risultati – confronto tra misure e simulazioni Dai risultati ottenuti si può affermare che il simulatore fornisce risultati soddisfacenti rispettando le diverse condizioni di propagazione: si verificano maggiori attenuazioni per i percorsi più lontani, il coefficiente di attenuazione assume valori più bassi per i percorsi C ed E, sono rispettate le perdite di Corner Loss.
V.2.2 Caratteristiche
di dispersione temporale
Dopo aver valutato l’affidabilità sulle caratteristiche di attenuazione, si analizzano i valori di RMS Delay Spread. L’avere capito che i valori di potenza simulati sono corretti è un aspetto fondamentale per il calcolo della dispersione temporale. Infatti è noto nel calcolo del delay spread i vari ritardi vengono pesati per la potenza di ciascun raggio. Si vanno ad analizzare i cinque percorsi, distinguendo i percorsi LOS e NLOS.
Percorso A – LOS
Dalle misure si valuta che l’RMS delay spread cresce lievemente con la distanza ccn una pendenza di 0.1 nsec/m, si mantengono valori inferiori 100nsec ad eccezione di alcuni picchi di 200nsec.
Figura V.3.13 – Caratteristica di RMS Delay Spread – Percorso A 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 0 100 200 300 400 500 600 Distanza [m] D e la y spr e a d [ n s ec] Percorso A
Figura V.3.14 – Simulazione – contributi terzo ordine
Come si osserva dalla fig. V.3.14 la dispersine temporale si mantiene sempre al di sotto dei 100nsec, come i risultati sperimentali. Non si riescono però a calcolare i picchi dispersione di 200nsec, probabilmente causati da particolari dello scenario che non siamo in grado di riprodurre. E’ noto che tipicamente la dispersione temporale cresce con la distanza, dai nostri risultati si verifica però una decrescita. In particolare fino alla distanza di 270m del trasmettitore il delay spread cresce con una pendenza di
0.1nsec/m, si comporta perciò come i valori misurati. Oltre questa distanza il delay
spread inizia a calare, il coefficiente di attenuazione si abbassa fino ad una pendenza negativa di -0.05nsec/m. 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 0 100 200 300 400 500 600 Distanza [m] D e la y sp re a d [ n se c] Percorso A 0.1 ns/m
Figura V.3.15– Distanza massima entro cui il delay spread cresce
Spostandoci già a 280m la pendenza cala a 0.0947nsec/m. Spingendoci ai contributi di quinto ordine non si verificano grossi cambiamenti. Non siamo quindi in grado di valutare correttamente oltre una certa distanza. E’ vero però che in configurazioni di Viareggio e Manhattan ci siamo spinti a distane di 400m con risultati attendibili.
A causa dell’elevato numero di edifici non siamo in grado di spingersi a distanze superiori ai 275m. Inoltre lo scenario è stato notevolmente semplificato, le 22 case sono state sintetizzate in un unico blocco, essendo la BTS al di sotto degli edifici i la propagazione del segnale risente dei particolari che non abbiamo riprodotto. La semplificazione dello scenario è stata necessaria per ridurre i tempi di calcolo per
poterci spingere ad ordini dei contributi maggiori. D’altra parte però ordini maggiori non forniscono risultati accurati se lo scenario è stato semplificato.
Per i percorsi NLOS i risultati non sono corretti, in tutti i casi siamo infatti ad una distanza maggiore di 270m, il punto più vicino dista 340m del trasmettitore.
Figura V.3.16 – Misure – Caratteristiche di delay spread per due percorsi NLOS
Ad esempio per il percorso B, considerando fino si contributi di quinto ordine si ricavano i seguenti risultati:
Figura V.3.17 – Simulazione – percorso NLOS 134
I risultati non descrivono correttamente l’andamento del delay spread, si ricavano valori molto più piccoli possiamo trovare diverse cause. La semplificazione dello scenario per l’incapacità di riprodurre correttamente lo scenario originale probabilmente modifica i nostri risultati, inoltre riprodurre lo scenario originale provoca un aumenti delle piastre, da cui un aumento notevole dei tempi di calcolo. L’eventuale presenza di ostacoli lontani che non conosciamo, infatti dalle misure sono stati ricavati picchi di
delay spread di 1000nsec che significano percorsi di diversa lunghezza che differiscano almeno di 300m.
