Peer to peer propagation in vegetation media

Resumen

The use of wireless networks have been evolving in the last 5 years to many outdoors environments, as for instance several rural and forested situations, where, initially, they were not supposed to be used. These wireless networks usually work at two ISM frequency bands, 2.4 and 5.8 GHz, and even in a licensed frequency, such as 3.5 GHz. One of the main characteristics of the wireless networks is that both transmitter and receiver usually work at the same height, and this is normally low. This situation is typically identified as a peer to peer scenario, which seems to be quite different from the classical master-slave scenario, where the transmitter is in a predominant position over the receiver. Literature contains several papers analyzing the propagation of radio signal through vegetation, but they generally focused on the classical master-slave scenario, or the frequency band analyzed was very different and results appears to be not valid. Thus, the necessity of propagation models under peer to peer conditions to facilitate the installation of these wireless networks in these new outdoor environments is greater every day. Based on these arguments, this PhD Thesis focuses on the path-loss modeling and short-term variation analysis of the signal propagated in four different kind of forests, and two types of meadows. Measurements were performed under peer to peer conditions with an antenna height below 1.6 meters. In this PhD Thesis a complete mathematical model is presented for a system configuration that was not usually considered until now. This model not only includes the path-loss evolution with the distance between transmitter and receiver, but also defines how the short-term variations are with the distance. Furthermore, these studies have been performed the three frequency bands previously presented. The obtained results were compared with existing models such as the one from the ITU-R, in order to justify the research performed in this area. Finally, three application examples of these measurement campaigns are presented, including the development of a WSN in a vineyard to predict plagues and diseases, the design and test of an electronic cowbell for outdoor animal tracking, and the installation of a WSN in a forest for fire monitoring and environmental control.En los últimos años, la extensión del uso de redes inalámbricas está siendo tan rápida que las nuevas aplicaciones están llegando antes que los modelos de propagación que permitan apoyar el despliegue, prediciendo cómo se atenúa la señal con la distancia entre emisor y receptor en entornos que anteriormente no se consideraban entre los posibles escenarios para un sistema radio. Los modelos de propagación de señal radioeléctrica más habituales se centran en esquemas maestro-esclavo, donde el transmisor se encuentra varios metros (incluso decenas) por encima de la posición típica del receptor. Sin embargo, las nuevas aplicaciones de las redes inalámbricas se están orientando cada vez más hacia modelos de igual a igual, en los que tanto el transmisor como el receptor se encuentran a la misma altura, generalmente cercana a la estatura media de una persona. Además de avanzar cada vez más en estos sistemas de igual a igual, las redes inalámbricas ya no sólo se usan en entornos domésticos, sino que cada vez más sus usos se extienden a entornos al aire libre, sobre todo rurales, bosques y zonas vegetadas en general. Las bandas de frecuencia más comúnmente usadas en las redes inalámbricas incluyen dos bandas ISM (Industrial, Scientific and Medical), 2.4 y 5.8 GHz, de uso libre, sin licencia, y otra banda licenciada, 3.5 GHz. Son muchos los estándares inalámbricos y los sistemas que operan en estas bandas, como por ejemplo WiFi, WiMAX, Bluetooth, ZigBee y un largo etcétera. Tras realizar un extenso trabajo explorando los modelos de predicción para entornos vegetados, se ha detectado un nicho de investigación en sistemas de igual a igual, con antenas a baja elevación sobre el nivel del suelo, donde ambos extremos del sistema de radiocomunicación se encuentran inmersos en una zona vegetada, bien sea un bosque bien un entorno rural en general, como una pradera o una zona de maleza. Se ha constatado además que tampoco parecen existir modelos de propagación bajo estas características para las bandas de frecuencia anteriormente mencionadas y, dada la constante proliferación de estos sistemas inalámbricos, la necesidad de modelos de predicción que faciliten el despliegue de todo tipo de redes en estas bandas de frecuencia es acuciante. El objetivo de esta Tesis es, entonces, llenar este hueco, el del análisis de la propagación de igual a igual, en entorno vegetados, a las bandas de frecuencia de las redes inalámbricas: 2.4, 3,5 y 5.8 GHz.