EL EFECTO DOPPLER Y LAS REDES DE COMUNICACIÓN INALAMBRICAS
Autor: N.MENDOZA
Dirección: De Monroy a Puente Victoria. Av. Sur 11.
Edf. 33. Pque. carabobo. Tecnoconsult
Resumen
En este trabajo se realiza un análisis del comportamiento de la propagación Doppler en los canales de comunicación de la telefonía personal, propagación generada por el trafico, por los movimientos de los terminales receptores y transmisores, y por la influencia de entes que se encuentran alrededor de los terminales.
Abstract
In this work an analysis of behaviour of the Doppler Spread in the communication channels of personal telephones is made, phenomenon generated by the traffic, by the terminal receptor/transmittor movements, and because of the influence of things which are found around the terminals.
Palabra clave: Doppler
INTRODUCCION
Cuando una fuente generadora de ondas se mueve relativamente a un observador, o cuando un observador se mueve relativamente a la fuente, existe entonces un apreciable desplazamiento en la frecuencia.
Si la distancia entre el observador y la fuente aumenta, el desplazamiento en la frecuencia disminuye, y viceversa.
La relación del efecto Doppler para una fuente en movimiento es dada por:
f2=f1 v/(v+-vs)
Donde f2 es la frecuencia apreciada, y f1 es la frecuencia emitida por la fuente, v es la velocidad del sonido en el medio, vs es la velocidad de la fuente (el signo negativo es usado si la fuente se esta moviendo hacia el observador).
La relación que describe el desplazamiento Doppler para un observador moviéndose es:
fo=fs v+-vo/v
Donde fo es la frecuencia del observador, fs es la frecuencia de la fuente, v es la velocidad del sonido en el medio y vo es la velocidad del observador (el signo negativo es usado si el observador se esta moviendo hacia la fuente.
La siguiente relación de estado describe que el desplazamiento Doppler puede ser combinado como:
fo = fs (1 +/- vo/v)/(1 -/+ vs/v).
Donde las variables son definidas previamente. Los signos de arriba se utilizan si la fuente/observador se aproximan entre sí, y los signos de abajo son usados si ellos se alejan.
El Efecto Doppler explica el aparente cambio de tono (sonido) de un automóvil que pasa por un punto. Un Efecto similar (Efecto Doppler para la luz) puede también ser usado para determinar la velocidad de una estrella con relación a la tierra. El desplazamiento rojo del espectro de la estrella indica que la distancia entre un observador de la estrella y la tierra puede estar incrementándose.
El desplazamiento Doppler para la luz describe un cambio en la longitud de onda y no un cambio en la frecuencia como en el sonido.
Un dispositivo de Radar de rango corto usa el principio de desplazamiento Doppler. Un cambio en la frecuencia entre los pulsos emitidos y los de retorno puede ser usado para encontrar la velocidad relativa.
La propagación Doppler.
La propagación Doppler es relacionada al conjunto de desplazamientos Doppler de los componentes multicanal, cada desplazamiento es Vm/
l , donde Vm es la velocidad aproximada de la trayectoria y l es la longitud de onda de la frecuencia portadora. La propagación del retardo del multicanal rms limita la rata de transmisión R de una simple técnica de modulación a un valor aproximado: R = 0.1/t rms. En general, las medidas son desarrolladas usando técnicas y equipos de banda ancha y banda corta y los resultados son usados para desarrollar modelos de banda ancha y banda corta respectivamente.En esta presentación se describirán técnicas de medida y modelaje usadas para determinar características de banda corta de la propagación de radio y se presentan algunos resultados obtenidos en tales medidas. Las medidas de banda corta son hechas cuando la rata de transmisión de la aplicación esta por debajo del ancho de banda del canal. El ancho de banda coherente dentro del canal de radio para distancias menores de 100 metros entre el transmisor y receptor esta alrededor de unos pocos Mhz, lo cual significa que la rata de transmisión esta sobre varios cientos de Kbits/sg que son considerados de banda corta . Para aplicaciones digitales inalámbricas la rata de transmisión esta siempre por debajo de estos valores. Como resultado, las aplicaciones de telefonía han dado la principal motivación para las medidas y modelaje de banda corta en áreas internas.
La potencia recibida siempre varia con pequeños cambios locales, sobre el orden de la longitud de onda de la frecuencia portadora, en la ubicación del transmisor y receptor o en el movimiento de los objetos cercanos. Sin embargo, el promedio de la potencia recibida sobre una pequeña área es relacionada a la distancia desde el transmisor al centro de las áreas de recepción. Las características del canal extraída desde las medidas del canal de banda corta son:
1) La relación entre la distancia y el promedio de la potencia recibida, 2) Las estadísticas de las fluctuaciones en la potencia de la señal recibida en las áreas local y extendida, 3) La propagación Doppler la cual provee una medida de la rata de desvanecimiento del canal .
Los "modem" son diseñados para operar con cierta tolerancia a las fluctuaciones en la potencia de la señal recibida . El rango de operación del receptor y, consecuentemente, el tamaño de las celdas en una arquitectura celular, depende de la relación distancia potencia. Esta relación en áreas dentro de las casas depende de las paredes y materiales utilizados para su construcción. Las estadísticas de las fluctuaciones de amplitud proveen información del calculo de la probabilidad de error y la probabilidad de ruptura de la comunicación para diferentes técnicas de modulación. La propagación Doppler es útil en las especificaciones y diseño de algoritmos tales como control de la ganancia automática y circuitos de recuperación de fase o tiempo y diseño de algoritmos tales como control de la ganancia automática y circuitos de recuperación de fase o tiempo.
Medida de la propagación Doppler.
Ahora se presentan algunos resultados de la medida de la propagación Doppler sobre canales de radio dentro de las casas, causadas por el trafico y los movimientos locales de los terminales de comunicación. Hubo experimentos controlados en los cuales los únicos movimientos fueron aquellos para los cuales se trato de determinar los resultados de la propagación Doppler así que se vieron las características del canal influenciadas por la existencia de fuertes rutas LOS, y así se consideraron los experimentos LOS y los OLOS. Las medidas reportadas aquí se realizaron en el piso 3 de los laboratorios ATWATER KENT en el Instituto Politécnico WORCESTER.
Para determinar la propagación Doppler en el canal de radio se requirió un sistema capaz de medir las variaciones cortas del canal. El sistema debería estar capacitado para muestrear la amplitud de la señal recibida en la rata de Nyquist asociada con el mas alto desplazamiento Doppler causado por el movimiento del equipo o de los objetos cercanos .
Un simple y preciso método de medición de las variaciones cortas de las características de banda corta del canal de radio dentro de una casa es usar un analizador de red en una configuración experimental. Ahí una señal de 910 Mhz. generada por el analizado de red es un divisor de potencia y usada como la entrada de referencia al analizado de red y, después es pasada a través de un cable coaxial de 100 pies, y pasada por un transmisor RF de amplificación de 45 dB de ganancia. La salida del amplificador de potencia RF es irradiada por la antena del dipolo de transmisión. La señal desde la antena del dipolo de recepción es pasada a través de un atenuador y una serie de amplificadores con una ganancia total de 60 dB. La salida de la cadena del amplificador es retornada al analizado de red , donde las variaciones del tiempo del canal relativo a la referencia fija de entrada son medidas. Las medidas de los archivos de datos son entonces leídas y almacenadas en un PC controlador para análisis subsecuentes. En un intervalo de 32 segs, el analizado de red muestrea la amplitud y la fase recibida en una rata de 25 muestreos/seg., por lo tanto, el máximo desplazamiento Doppler medido es de 12,5 Hz. y la resolución es de 0.03125 Hz. Este mismo sistema pero con un configuración del analizado de red diferente , es usado para medidas de banda ancha.
Mientras que para el caso de radio móvil el espectro Doppler tiene la forma relativamente regular del Figura 1, el espectro Doppler para otras aplicaciones inalámbricas tiene una variedad de formas. Los usuarios de redes de área local inalámbricas de radios en el caso de un pequeño salón pueden observar un canal estacionario sin propagación Doppler. Sin embargo, el mismo usuario puede observar un efecto Doppler asociado con los movimientos de gente alrededor del transmisor y receptor si el sistema opera en uno de las mas típicas áreas como viviendas u oficinas. Un usuario de teléfono inalámbrico observa un espectro Doppler asociado con los movimientos aleatorios del dispositivo así como de la persona que esta hablando por teléfono.
La tabla 1 resume los valores de los parámetros encontrados en la medida LOS11 la cual fue hecha en un laboratorio electrónico. Los resultados son ordenados incrementando la distancia entre el transmisor y el receptor. Para proveer una referencia, la medida 1 fue tomada a un metro sin movimientos, tres medidas fueron tomadas en cada una de las tres distancias 2 mts, 6 mts y 12 mts. Las medidas 2, 5, y 8 fueron tomadas con gente en movimiento en la ruta entre el transmisor y el receptor. Las medidas 3, 6, y 9 fueron tomadas con un trafico de peatones acercándose al transmisor y al receptor. Las medidas 4, 7 y 10 fueron tomadas con un pequeño movimiento cíclico del transmisor. La medida 11 fue tomada a 12 mts. de separación con el movimiento aleatorio del transmisor, para simular el movimiento típico de un usuario de teléfono inalámbrico para la medición OLOS, el receptor fue colocado en el Laboratorio de Investigación y Comunicación (CLR). Un total de 10 medidas, totalizadas en la tabla 1, fueron tomadas en diferentes sitios. El Lugar 1 fue en el corredor próximo al Clr, con una pared de por medio entre el transmisor y el receptor. Lugar 2 fue en el laboratorio de microondas al otro lado del corredor, con dos paredes separando el transmisor del receptor. Lugar 3 fue en el laboratorio electrónico adyacente al laboratorio de microondas, con tres paredes separando al transmisor del receptor. Las medidas 1, 4 y 7 fueron tomadas con un trafico cercano al transmisor. Medidas 2, 5, y 8 fueron tomadas con un trafico cercano al receptor. Las medidas 3, 6 y 9 fueron tomadas con un pequeño movimiento cíclico de el transmisor. La medida 10 fue tomada en el tercer lugar con trafico entre el transmisor y el receptor, pero no en el mismo salón.
Tabla 1.
|
|
LOS
|
OLOS
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|||||||
|
Número |
Distancia (m) |
BD-rms (Hz) |
BD (Hz) |
Energía (dB) |
Distancia (m) |
BD-rms (Hz) |
B D (Hz) |
Power (dB) |
|
|
1 |
1 |
0.016 |
0.0 |
0 |
4 |
0.373 |
5.7 |
20 |
|
|
2 |
3 |
0.610 |
6.1 |
30 |
4 |
0.190 |
5.1 |
10 |
|
|
3 |
3 |
0.424 |
4.8 |
35 |
4 |
0.199 |
4.7 |
4 |
|
|
4 |
3 |
0.092 |
0.4 |
4 |
8 |
0.873 |
4.9 |
30 |
|
|
5 |
6 |
0.665 |
1.9 |
25 |
8 |
0.559 |
3.6 |
35 |
|
|
6 |
6 |
0.424 |
3.3 |
30 |
8 |
0.761 |
4.8 |
8 |
|
|
7 |
6 |
0.236 |
0.3 |
3 |
13 |
0.461 |
4.4 |
25 |
|
|
8 |
12 |
0.217 |
2.0 |
15 |
13 |
0.257 |
3.0 |
10 |
|
|
9 |
12 |
0.247 |
3.9 |
20 |
13 |
0.649 |
5.2 |
10 |
|
|
10 |
12 |
0.130 |
4.9 |
4 |
13 |
0.288 |
1.0 |
8 |
|
La Propagación Doppler y el Doppler rms de Banda Ancha.
El máximo desplazamiento de la frecuencia Doppler impartida a una portadora no modulada es relacionada a la velocidad del movimiento vm y longitud de onda de la portadora
l por fd = vm/ l. Si se utiliza esta ecuación como una aproximación para la propagación Doppler BD del canal de radio casero, una persona caminando a 3 millas/hr (1.34 m/seg.) producirá un máximo desplazamiento Doppler de +-4 Hz a una frecuencia de 910 Hz. Estos valores coinciden con la propagación Doppler BD mostrada en la tabla 1.Para relacionar los resultados del modelo WSSUS (Wide-sense Stacionary Uncorrelated Scatering), se nota que la medida de nuestro dominio en el tiempo se representa por H (fc; t). La compleja función de autocorrelacion de H (fc;t) es Rhh (0,
t), y el espectro del poder Doppler viene definido por:¥
D(
l) = RHH (0; l) = ò- ¥ RHh(0; t) e -j2 p l t d(t) = H ú (fc; l)ú 2¥
H (fc; l) = Hò-¥ H(fc ; t ) e-j 2 p l t d(t)
En resumen, para determinar la energía del espectro Doppler, D(
l),se transmite un sencillo tono de frecuencia fc y se mide la amplitud de las fluctuaciones de la señal recibida en el tiempo.Para una distribución de la envolvente de desvanecimiento Rayeigh el numero promedio de inclinaciones descendente de nivel A por seg., N es dada por:
N(r) = (Ö2p)BD-rms r e-r 2
N(
r)/fm
r (
dB)Figura 1
donde r = A/Am es el radio del nivel umbral para la amplitud rms de la envoltura de desvanecimiento y BD-rms es el desplazamiento Doppler rms de la señal. Se define como rata de desvanecimiento al promedio de la rata de declinación de la media
(A=(Ö2ln2)Arms del nivel de la señal. El promedio de la duración de desvanecimiento para un umbral dado r es:
t (r)
= Prob [a<r] / N(r) = er2- 1/ rBD-rms Ö2p
t (r)
fm
r (
dB)
Figura 2
REFERENCIA
Pahlavan , Kaveh & Levesque, Allen H. Wireless Information Networks.
http://www.sasked.gov.sk.ca/docs/physics/u5c32phy.html. The Doppler Effect.
Nerio Mendoza. Nacido en Maracaibo-Edo, Zulia el 27/01/66
Ingeniero de Sistemas.