A generic doubly-selective 3D vegetation model using point scatterers

Abstract

Mobile and fixed radio communication systems, and thus services, have experienced an explosive growth in the last two decades. Such phenomenon was due to the significant increase of radio users, particularly in mobile communications, which in turn, forced the development of a plethora of services, not only in voice communications, but also in broadband applications and multimedia services. The design and implementation of such systems rely on the availability of appropriate radio channel models for propagation and coverage deployment scenarios. With the increasing system complexity required for new services, predicting tools are thus required to provide relatively good estimates of the radio signal behavior in such complex media. In the particular case of terrestrial mobile networks and/or wireless sensor networks in rural areas, the presence of trees and vegetation areas will substantially contribute to a degradation of the radio communication systems performance, causing signal attenuation (absorption), scattering and (de)polarization. Therefore, understanding the millimeter wave (mmWave) propagation phenomena in the presence of vegetation will be critical for next generation radio system design and deployment. The work reported in this thesis describes detailed studies aimed at the characterization of propagation mechanisms arising in the presence single trees of various types and at various signal frequencies. The thesis provides also a novel 3D ray-tracing based method to characterize and model the electromagnetic behavior of trees and vegetation volumes. This model uses various point scatterers with specific radiation characteristics, distributed within a computational volume, to describe the effect of the trees present in the radio propagation path. The performance of the proposed model was assessed against results from an extensive range of experimental data obtained in different environments, which included typical re-radiation (isolated trees), path-loss (line-of-trees) and directional spectra (tree formation) scenarios. This measurement campaign also included both indoor and outdoor measurement scenarios, which confirmed the good overall model performance in predicting the absorption and scattering effects caused by the presence of vegetation in the radio path at micro- and millimeter wave frequency bands. Additionally, the proposed propagation model was successively assessed against other modeling approaches present in the literature, namely the radiative energy transfer (RET) which is the basis of the current ITU-R recommendation for propagation in the presence of vegetation, and the discrete RET (dRET) for tree formation scenarios. The relationship between the model complexity and its accuracy on the propagation phenomena predictions achieved by the proposed propagation model, and the absence of readily plug-in ray-tracing based models for propagation through and/or around vegetation, makes this new modeling approach interesting for radio planning purposes.

Los sistemas de comunicaciones por radio fijos y móviles, y los respectivos servicios, tuvieron un crecimiento explosivo en la última década. Este fenómeno se debió al aumento significativo de los usuarios de radio, especialmente en las comunicaciones móviles, que obligó a desarrollar una gran cantidad de servicios, no sólo en las comunicaciones de voz, también en las aplicaciones de banda ancha y los servicios multimedia. El dise˜no y la implementación de estos sistemas se basan en la disponibilidad de modelos de canal, para el desarrollo de mapas de propagación y cobertura. Con la creciente complejidad del sistema requerida para los nuevos servicios, necesitamos, por tanto, que las herramientas de predicción proporcionen estimaciones relativamente buenas del comportamiento de la se˜nal de radio en tales medios complejos. En el caso particular de las redes móviles terrenales y/o de las redes de sensores inalámbricos en las zonas rurales, la presencia de árboles y zonas de vegetación contribuirá sustancialmente para la degradación del rendimiento de los sistemas de radiocomunicación, provocando la dispersión, atenuación y (des)polarización de la se˜nal. Por lo tanto, la comprensión de los fenómenos de propagación de ondas milimétricas en la presencia de vegetación será fundamental para el desarrollo de la próxima generación de sistemas de radio. El trabajo presentado en esta tesis describe estudios detallados dirigidos a la caracterización de mecanismos de propagación que surgen en la presencia de árboles únicos de diversos tipos, y a diferentes frecuencias de se˜nal. La tesis proporciona también un nuevo método 3D basado en trazado de rayos para caracterizar y modelar el comportamiento electromagnético de árboles y volúmenes de vegetación. Este modelo utiliza varios dispersores de punto, con características de radiación específicas, distribuidos dentro de un volumen computacional, para describir el efecto de los árboles presentes en la trayectoria de propagación de ondas de radio. El rendimiento del modelo propuesto se evaluó en función de los resultados de una amplia gama de datos experimentales, obtenidos en diferentes entornos, que incluyeron escenarios de radiación (árboles aislados), pérdida de trayecto (línea de árboles) y espectros direccionales (formación de árboles). Esta campa˜na de mediciones también incluyó escenarios de medición interiores y exteriores. Tanto las mediciones en ambientes interiores como exteriores confirmaron el buen comportamiento general del modelo, en la predicción de los efectos de absorción y dispersión causados por la presencia de vegetación, en la vía de radio, en bandas de frecuencias de ondas micro y milimétricas. Además, el modelo de propagación propuesto se evaluó sucesivamente frente a otros enfoques de modelización presentes en la literatura, a saber, la transferencia de energía radiativa (RET), que es la base de la actual recomendación del ITU-R para la propagación en presencia de vegetación, y lo RET discreto (dRET) para escenarios de formación de árboles. La relación entre la complejidad del modelo y su exactitud en las predicciones de los fenómenos de propagación alcanzados por el modelo de propagación propuesto y la ausencia de modelos de propagación de rayos trazadores fácilmente introducidos en herramientas de planificación de radio, hacen con que este nuevo enfoque de modelado sea interesante para fines de planificación de radio.

Os sistemas de comunicacións de radio fixo e móbil, e os respectivos servizos, tiveron un crecemento explosivo na última década. Este fenómeno foi debido ao aumento impacto significativo en usuarios de radio, especialmente en comunicacións móbiles, que obrigado a desenvolver unha gran cantidade de servizos, non só nas comunicacións de voz, tamén en aplicacións de banda ancha e servizos multimedia. O deseño e A implementación destes sistemas baséase na dispoñibilidade de modelos de canles, para o desenvolvemento de mapas de propagación e cobertura. Coa crecente complexidade de sistema necesario para novos servizos, necesitamos, polo tanto, que as ferramentas da predicción proporcionan estimacións relativamente boas do comportamento de o sinal de radio en medios tan complexos. No caso particular de redes móbiles terrestres e / ou redes de sensores sen fíos Nas zonas rurais, a presenza de árbores e zonas de vexetación contribuirá substancialmente para a degradación do rendemento dos sistemas de comunicación por radio, causando dispersión, atenuación e (de) polarización do sinal. Polo tanto, o comprensión dos fenómenos de propagación de ondas milimétricas en presenza de a vexetación será esencial para o desenvolvemento da próxima xeración de radio. O traballo presentado nesta tese describe estudos detallados dirixidos á caracterización de mecanismos de propagación que xorden na presenza de árbores únicas varios tipos e en distintas frecuencias de sinal. A tese tamén ofrece un novo Método 3D baseado no seguimento de raios para caracterizar e modelar o comportamento electromagnético de árbores e volumes de vexetación. Este modelo usa varios dispersores de punto, con características de radiación específicas, distribuídas dentro dunha volume computacional, para describir o efecto das árbores presentes na traxectoria de propagación de ondas de radio. Valorouse o rendemento do modelo proposto función dos resultados dunha ampla gama de datos experimentais, obtidos en Ambientes diferentes, que incluían escenarios de radiación (árbores illadas), perda de camiño (liña de árbores) e espectros direccionais (formación de árbores). Este A campaña de medición tamén incluíu escenarios de medición indoor e outdoor. Ambas as medicións en ambientes interiores e exteriores confirmaron o bo comportamento do modelo, na predición dos efectos da absorción e dispersión causada pola presenza de vexetación, no camiño da radio, en bandas de frecuencia ondas micro e milimétricas. Ademais, o modelo de propagación proposto foi avaliado sucesivamente contra outros Enfoques de modelización presentes na literatura, é dicir, a transferencia de enerxía Radiación radiativa (RET), que é a base da recomendación actual do UIT-R para propagación en presenza de vexetación e discretos RET (dRET) para escenarios de formación de árbores. A relación entre a complexidade do modelo ea súa precisión no predicións dos fenómenos de propagación alcanzados polo modelo de propagación proposto e ausencia de modelos de propagación de raios de trazador facilmente introducidos En ferramentas de planificación radiofónica, fan este novo enfoque A modelización é interesante para fins de planificación radiofónica.