Ottimizzazione della radiocopertura in ambienti interni

CAPITOLO 1
Introduzione
Lo scopo di questa tesi è quello di simulare mediante un opportuno software la
copertura del campo elettromagnetico di una rete wireless in un ambiente interno.
In particolare, il programma in uso è Radiowave Propagation Simulator, nella
versione disponibile gratuitamente per gli studenti e installabile su un Pc fornito
delsistemaoperativoWindows7, mentrecomeambienteindoorinesamesièscelto
disimulareilDipartimento di Ingegneria dell’Informazione, inmododariprodurne
la struttura reale e la copertura del campo.
Il termine wireless in informatica indica una comunicazione tra dispositivi che
fa uso del mezzo radio o etere, quindi estendendo questa definizione in modo da
avere un concetto più concreto, vengono chiamati wireless tutti quei dispositivi
elettronici o sistemi che permettono tale modalità di comunicazione, trovando
diretta applicazione nelle radiocomunicazioni. L’obiettivo principale di una rete
wireless è quello di permettere all’utente di usufruire del servizio con un adeguato
grado di qualità e in qualunque zona del territorio coperto dalla rete, in modo
da non essere vincolati dalla presenza di cavi o di portanti fisici che ne limitino
l’utilizzo. Un ulteriore vantaggio è quello legato ai costi, la messa in posa di
portanti fisici delle reti wired risulta infatti essere molto più onerosa a livello
economico.
I canali di tipo indoor sono caratterizzati dal fenomeno di dense multipath,
ovvero dalla presenza di cammini multipli che complicano notevolmente l’indivi-
duazione dei vari arrivi al ricevitore. Nell’ipotesi che il mezzo sia isotropo ed
1 Introduzione 2
omogeneo, la radiazione elettromagnetica si propaga seguendo traiettorie rettilinee
a tratti, dette raggi.
L’analisi e la simulazione di campi elettromagnetici ha oggigiorno un ruolo
cruciale nella progettazione di reti wireless in ambienti interni. Prendiamo come e-
sempiounasituazionediemergenza: essahabisognodiunapianificazioneadeguata
al fine di garantire un servizio affidabile in termini di qualità e fiducia.
Proprio per la complessità del problema, esistono opportuni software come
quello da noi utilizzato che consentono, mediante degli algoritmi deterministici di
modellizzazione del canale, di simulare la copertura della rete wireless, fornendo
una previsione rigorosa derivata dall’applicazione dei modelli fisici unita ad un’ac-
curata conoscenza dell’ambiente radio. Tali metodi deterministici sommano tutti
i contributi originati dalla propagazione attraverso i differenti percorsi che dal
trasmettitore giungono al ricevitore. Necessitano però dell’ausilio di elaboratori
di elevata potenza di calcolo e sono maggiormente utilizzati nella previsione in
sistemi micro-cellulari, i quali hanno un raggio di calcolo inferiore al chilometro.
Ciò li distingue dai cosiddetti metodi statistici, che si basano su parametri
statistici globali e vengono utilizzati in prevalenza per i sistemi macrocellulari con
raggio di calcolo superiore ai 5 km. Questi ultimi hanno però il vantaggio della
semplicità di implementazione e della velocità di computazione.
Come si può facilmente immaginare, la geometria è responsabile del multipath:
ogni qualvolta un raggio elettromagnetico incontra un ostacolo viene riflesso e
cambia direzione. La prima cosa da fare, nonchè una delle più importanti, è
perciò cercare di riprodurre nel miglior modo possibile la struttura dell’ambiente
in esame: la fedeltà con cui l’ambiente viene riprodotto influirà infatti sulla bontà
della simulazione.
Una volta simulata la copertura del campo elettromagnetico, si è provato a
modificare alcuni dei parametri della struttura (spessore delle pareti, utilizzo di
materiali differenti e cambio delle angolazioni delle antenne trasmittenti), in modo
da verificare l’influenza di tali parametri sulla copertura wireless dell’ambiente
indoor.
Infine, un ultimo passo è stato cercare un metodo valido per confrontare tali
risultati con ciò che succede nella realtà per avere dei riscontri concreti del lavoro
eseguito dal software, attraverso delle misure di campo.
CAPITOLO 2
Il metodo Ray Tracing
Indice
2.1 Il metodo delle immagini . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.1.1 Riflessione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.1.2 Determinazione delle traiettorie di riflessione singola . . 9
2.1.3 Riflessioni multiple . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.2 Diffrazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
Il Ray Tracing è un metodo deterministico di modellizzazione del canale me-
diante il quale si può ottenere una precisa simulazione punto a punto della coper-
tura della rete wireless dell’ambiente in esame. Il compito del simulatore è quello
di determinare i percorsi di propagazione che possono contribuire al segnale rice-
vuto in una determinata posizione rispetto al punto di trasmissione, punto nel
quale vengono generate le onde elettromagnetiche che si propagano nello spazio
circostante.
Gli algoritmi di simulazione di Ray Tracing si basano su metodi di ottica geo-
metrica (GO, Geometrical Optics) sfruttando il metodo delle immagini e sulla teo-
riageometricadelladiffrazione(GTD,GeometricalTheoryofDiffraction). Oltreal
calcolo geometrico, vengono determinate anche le perdite durante la propagazione
e ciò viene fatto separatemente per ogni raggio.
Durante la simulazione, un numero finito di raggi è lanciato da una posizione di
trasmissione. Quando uno di questi raggi incontra degli ostacoli, viene suddiviso in
unaparteriflessa, unapartediffrattaedeventualmenteunapartepenetrante, come
2 Il metodo Ray Tracing 4
Figura 2.1: Esempio di interazione tra i raggi trasmessi ed un oggetto.
si può vedere in figura 2.1. Tale procedura va avanti finchè non viene superato il
path loss massimo prestabilito.
Il path loss è la riduzione della densità di potenza del segnale e ci dice come si
attenual’ondaelettromagneticadurantelapropagazioneattraversolospazio, risul-
tando quindi una componente molto importante nell’analisi e nella progettazione
di un determinato sistema di telecomunicazione.
Il path loss è influenzato da molti fattori come:
• oggetti fisici ed ostacoli presenti lungo il percorso (come pareti, porte e
persone);
• distanza fra trasmettitore e ricevitore;
• altezza e localizzazione delle antenne;
• tipologia delle antenne trasmittenti e rispettivi parametri, quali potenza in
trasmissione e guadagno;
• mezzo di propagazione (aria secca o umida), che risulta però un parametro
non rilevante nella propagazione in ambienti indoor.
Ogni raggio che viene lanciato è rappresentato da un particolare ray tube, come
mostrato in figura 2.2.
I raggi lanciati in ray tubes adiacenti divergono con il crescere della distan-
za dalla posizione del trasmettitore. Quindi la risoluzione spaziale è decrescente.
2 Il metodo Ray Tracing 5
Figura 2.2: Raggio lanciato da un trasmettitore e relativo ray tube.
Tale effetto viene minimizzato dal programma di simulazione mediante il cosid-
detto ray splitting, che mantiene la risoluzione dei ray tubes approssimativamente
costante.
Quindi il path loss tiene conto normalmente delle perdite di propagazione
causate dalla naturale espansione delle onde radio nello spazio libero (che di solito
prendono la forma di una sfera con raggio crescente), delle perdite di assorbimento
(a volte chiamate perdite di penetrazione) nel caso in cui il segnale passi attraverso
mezzi di comunicazione non trasparenti, delle perdite di diffrazione quando una
parte dell’onda è ostacolata da un oggetto opaco, e delle perdite causate da altri
fenomeni.
Come già detto in precedenza, la propagazione elettromagnetica in ambien-
ti interni è anche soggetta a fenomeni di multipath. Il segnale irradiato da un
trasmettitore può utilizzare dei cammini multipli per raggiungere il ricevitore e
ciò complica notevolmente l’individuazione dei vari contributi. Il multipath può
aumentare o diminuire la potenza del segnale ricevuto, a seconda che i multipath
dei singoli fronti d’onda interferiscano in modo costruttivo o distruttivo.
Si possono distinguere due tipi di collegamenti differenti:
• i collegamenti in visibilità (detti anche L.O.S., Line Of Sight), qualora i
raggi provenienti dal trasmettitore incidano sul ricevitore senza che siano
ostacolati da alcun oggetto, come si può vedere nella figura 2.3.
• i collegamenti non in visibilità (N.L.O.S., Non Line Of Sight), quando è pre-
sente una schermatura dei raggi provenienti dal trasmettitore, per mezzo di
pareti ed ostacoli di varia natura, che quindi riescono a raggiungere l’anten-
2.1 Il metodo delle immagini 6
na ricevente solo dopo un certo numero di riflessioni. Tale collegamento è
visibile in figura 2.4.
Figura 2.3: Collegamento in visibilità (Line Of Sight).
Figura 2.4: Collegamento non in visibilità (Non Line Of Sight).
2.1 Il metodo delle immagini
Tale metodo è una tecnica di ottica geometrica che considera tutti gli ostacoli,
presentinelpercorsotratrasmettitoreericevitore, comepossibiliriflettoriecalcola
illoroeffettousandoil“principiodelleimmagini”, tenendocontosiadelleriflessioni
singole che di quelle doppie.
Si ha la necessità di fissare preventivamente il numero massimo delle riflessioni
successive. Nel nostro caso, è stata fatta la scelta di considerare i contributi dovuti
2.1 Il metodo delle immagini 7
soloariflessionisingoleedoppie, inquantounordinepiùelevatocomporterebbeun
aumento notevole della complessità computazionale. Inoltre, i contributi dovuti
a riflessioni di ordine superiore risulterebbero trascurabili ai fini del calcolo del
campo complessivo.
2.1.1 Riflessione
Si prenda in considerazione il caso di un collegamento reale tra trasmettitore
e ricevitore. Anche nella situazione in cui si avesse un collegamento in visibi-
lità (L.O.S.), sarebbero presenti degli ostacoli che interferirebbero con il segnale
trasmesso, come ad esempio il terreno o il pavimento sottostante, le pareti in
ambientiinterniedoggettidivarianatura. Questiostacolipossonocrearefenomeni
di riflessione e di diffrazione, come già anticipato precedentemente.
Figura 2.5: Fenomeni di riflessione e rifrazione.
Il fenomeno di riflessione è tale per cui all’antenna ricevente giunge l’onda
diretta insieme al contributo dell’onda riflessa, ritardata rispetto alla prima perché
deve compiere un percorso più lungo.
Gli andamenti della potenza del campo riflesso Er e di quello incidente Ei
possono essere descritti dal coefficiente di riflessione Γ.
Le condizioni al contorno richiedono che le componenti del campo orientate
parallelamente e perpendicolarmente al piano di incidenza (TE e TM) vengano de-