Evaluación de los efectos de interacción en ambos sentidos entre el ser humano y los sistemas de comunicaciones móviles

Resumen

La presente tesis doctoral se ha dividido en dos partes principales. Por un lado, se ha abordado la evaluación de los efectos de interacción de los sistemas de comunicaciones móviles en el ser humano. Por otro lado, el estudio de los efectos de interacción del ser humano en los sistemas de comunicaciones móviles. Respecto a la evaluación de los efectos de interacción de los sistemas de comunicaciones móviles en el ser humano, se ha estudiado el riesgo para la salud que conlleva para un ser humano la exposición a excesivos campos electromagnéticos y los incrementos de temperatura que dicha exposición conlleva. Es importante mencionar que un incremento de más de 1 ºC en cualquier parte del cerebro provocaría stress térmico o incluso un shock térmico [ICNIRP, 1988][ACGIH, 1996] y un incremento de 0.2-0.3 ºC en la región del hipotálamo alteraría el comportamiento termorregulatorio [Adair, 1984]. Asimismo, la dosimetría de campo electromagnético con exposición a campo cercano/lejano se ha convertido en una necesidad creciente en nuestra moderna sociedad debido al uso extensivo de dispositivos electrónicos. En particular, el surgimiento de las comunicaciones por teléfono móvil han disparado la necesidad de redefinir los límites de seguridad respecto a la exposición humana a campo electromagnético en el régimen de campo cercano y la necesidad de definir procedimientos de evaluación precisos [IEC, 2005]. Tomar medidas de los valores de restricción básica en voluntarios no siempre es posible por motivos éticos respecto a la implantación de sondas de temperatura de cuerpo profundo y la escasez de voluntarios, y los experimentos en animales son una aproximación pobre al escenario humano real. La evaluación de la conformidad con los límites de seguridad se logra normalmente midiendo la TAE con sistemas automatizados y modelos anatómicos (maniquíes que emulan al ser humano o phantoms) rellenos homogéneamente. El cuerpo humano, sin embargo, es heterogéneo por naturaleza, y sólo puede emplearse mediante simulaciones. De hecho, ahora está claro que la TAE sola no puede proporcionar una descripción adecuada del entorno térmico regional [Mason, 2000]. A pesar de que las propiedades dieléctricas del líquido o gel del maniquí que emula al ser humano se promedian normalmente sobre aquellas de un modelo heterogéneo más realista [Gandhi, 1996], se han propuesto factores de corrección arbitrarios [CENELEC, 2002]. Se ha demostrado ya que estos factores de corrección son erróneos para antenas de estaciones base de GSM típicas [Joseph, 2003]. Además, se ha demostrado en un estudio reciente [Christ, 2006] que la exposición humana a campo electromagnético de una antena de estación base utilizando un modelo heterogéneo realista es un problema que depende fuertemente de la estructura específica de tejido humano expuesta y de la topología de antena. Esto hace que un factor único no sea posible para una descripción precisa del problema cuando se usan modelos homogéneos. En consecuencia, y debido a la reciente disponibilidad de potentes ordenadores, el cálculo directo de umbrales térmicos con exposición a campo electromagnético ha recibido considerable atención recientemente [Bernardi, 1998]. Para enfrentarse a este aspecto de la exposición a campo electromagnético, se han desarrollado modelos más realistas y por tanto complejos basados en la unión de las ecuaciones de Maxwell, la teoría de conducción térmica y los datos biológicos humanos. La cabeza humana se representa de forma efectiva como un modelo multicapa donde cada capa se corresponde con diferentes tipos de tejidos humanos con sus propias características térmicas y electromagnéticas. Sobre estos refinamientos, se ha empleado también un modelo termorregulatorio para aproximar los escenarios de exposición real tanto como se pueda. En esta parte de la tesis, esbozada en [García-Fernández, 2007] y ampliada en [Garcia Fernandez, 2009], se ha demostrado que el cráneo humano actúa como el escudo protector más adaptado contra campo electromagnético en el régimen de campo cercano, a una frecuencia de 1800 MHz. Esta protección ayuda a evitar daño térmico de tejidos encefálicos sensibles, manteniendo al sujeto a salvo de procesos de sobrecalentamiento. La naturaleza protectora se produce por la combinación de la estructura multicapa, la posición específica y las características térmicas de los tejidos que conforman el cráneo. Esta naturaleza protectora es tan importante que un paciente quirúrgico sufriría una reducción de 50 a sólo 4.33 en el factor de seguridad para público general respecto a la exposición a campo electromagnético de alta frecuencia tras una craneotomía, esto es, si se quitara el cráneo y acto seguido su lugar se rellenara con tejido conectivo. Esto representa una novedad en la literatura científica. Cabe destacar que el factor de seguridad mencionado es el conocido ratio entre la TAE que provoca efectos biológicos nocivos para la salud y la TAE escogida como la restricción que proporciona una adecuada protección ante la exposición del público general [ICNIRP, 1988]. Asimismo, para la realización de este trabajo hubo que formular las ecuaciones que describen el campo cercano radiado por un dipolo de longitud arbitraria, que sería utilizado como fuente de excitación durante el estudio. Además, anteriormente se barajó como alternativa utilizar como fuente de radiación un hilo de longitud infinita, formulando a su vez las ecuaciones que describen el campo cercano radiado por el mismo. Esta opción se descartó finalmente para el trabajo anterior, al tratarse de una antena teórica, no realista, pero sus ecuaciones sirvieron para plantear otro estudio: la computación rápida de la efectividad de apantallamiento de encapsulados metálicos con aperturas y elementos internos. En dicho estudio se ha evaluado la inmunidad de radiación y de emisión de una caja metálica con aperturas a través de una aproximación rápida. Como es bien sabido, los sistemas electrónicos se alojan normalmente en encapsulados con muchas funciones: protección física, imagen estética, apantallamiento electromagnético; esta última funcionalidad es de particular relevancia en entornos donde el espectro electromagnético está contaminado por muchas fuentes radiantes, siendo la circuitería digital de alta velocidad una de las más importantes fuentes de interferencias. Muchos autores han analizado el efecto de aperturas en la superficie de un encapsulado metálico en presencia de interferencias electromagnéticas (electromagnetic interferences, EMI) usando diferentes técnicas. Las soluciones analíticas son muy rápidas pero no pueden manejar elementos internos arbitrarios. Simulaciones de onda completa mediante métodos numéricos permiten configuraciones con varias aperturas y elementos internos para evaluar el efecto de placas circuitos impresos (printed circuit boards, PCBs) o absorbentes, pero el coste computacional es demasiado elevado y los procedimientos de diseño y optimización requieren largos tiempos de computación. El uso de polímeros conductivos en la fabricación de encapsulados para proteger dispositivos electrónicos de las interferencias electromagnéticas se ha convertido en una alternativa muy interesante a las tradicionales cabinas metálicas. Sin embargo, se ha escrito poca información respecto al comportamiento de estos materiales en configuraciones de encapsulado. Los materiales plásticos tienen muchas ventajas sobre los metálicos: los plásticos son más ligeros, no hay problemas asociados con corrosión y, para producción en masa, los procesos de fabricación y el producto final se vuelve más barato. En esta parte de la tesis, se ha estudiado la influencia de placas de circuito impreso dentro de los encapsulados, así como el efecto de colocar láminas de polímero conductivo en el interior para caracterizar el comportamiento de estos materiales usados actualmente para cabinas de apantallamiento. Las medidas se han llevado a cabo en cámara anecoica para evaluar la técnica aproximada mostrando sus limitaciones y ventajas. Ya que se ha encontrado buen parecido entre las simulaciones y las medidas, esta aproximación puede usarse con fines de diseño y optimización con la principal ventaja de tiempos de cálculo reducidos. En este trabajo, la efectividad de apantallamiento se ha obtenido para el campo eléctrico: SE (dB) = 20 log 10|Ei /Et| Para el análisis de inmunidad radiada, una onda plana vulnera el encapsulado y se mide el campo eléctrico dentro del interior. Para el análisis de emisión radiada, se ha modelado un hilo infinito. Este hilo se ha colocado dentro del encapsulado y actúa como la fuente emisora de interferencias. SE se obtiene para este caso como el ratio entre el nivel de campo eléctrico producido por el hilo sin apantallamiento a 3 m de la fuente y el nivel de campo eléctrico obtenido con la estructura protectora en el mismo punto. Se obtuvieron niveles muy similares de efectividad de apantallamiento (SE) en ambos casos. Respecto a la segunda parte de la tesis, la evaluación de los efectos de interacción del ser humano en los sistemas de comunicaciones móviles, se han llevado a cabo numerosos estudios que han culminado en artículos de revista internacional, tres de los cuales se presentan compilados en la presente tesis doctoral. En ellos se analizan diferentes aspectos de los sistemas de comunicaciones que emplean múltiples antenas en transmisión y en recepción, los sistemas MIMO (Multiple Input, Multiple Output), entre ellos: el papel de la diversidad de polarización para los sistemas MIMO bajo entornos de desvanecimiento Rayleigh; la influencia de la eficiencia en la diversidad en recepción y en la capacidad MIMO para canales de desvanecimiento Rayleigh; y finalmente, la evaluación de una novedosa técnica, llamada auténtica diversidad de polarización, para sistemas MIMO. La diversidad de polarización ha demostrado su potencial para mejorar la capacidad de los sistemas de comunicaciones inalámbricos, a pesar de algunas predicciones prematuras decepcionantes [Smith, 1993]. Debido a la significativa diferencia en nivel de señal medio recibido entre las ramas co-polarizada y cross-polarizada cuando se emite una polarización, se ha prestado considerablemente más atención a la diversidad espacial. El efecto de (des)acoplo entre diferentes polarizaciones es un mecanismo complicado de simular, lo que a su vez ha limitado la investigación sobre verdadera diversidad de polarización (true polarization diversity, TPD). Sin embargo, debido a que se necesitan distancias de separación de al menos 20¿ en horizontal y 15¿ en vertical para una diversidad espacial de exterior eficiente en la práctica, la diversidad de polarización ha ganado atención recientemente. Sin embargo, en escenarios de comunicaciones móviles, para una polarización dada, la dispersión múltiple puede no ser suficiente para desacoplar la mitad de su potencia hacia la componente de polarización ortogonal [Vaughan, 1990]. El comportamiento de canal es por tanto diferente para diferentes estados de polarización [Vaughan, 1990] y atenuar correlaciones cruzadas puede incluso incrementar la capacidad ergódica más allá del caso de canales independientes [Oestges, 2004a]. De ahí que los resultados de investigación sobre diversidad basados en estados de polarización ortogonales no pueden ser generalizados a estados de (verdadera) polarización arbitraria para sistemas TxR MIMO más generales. Por otro lado, los sistemas MIMO no requieren señales perfectamente incorreladas para funcionar cerca de su capacidad plena, y se podrían usar de forma eficiente más de dos polarizaciones ortogonales [Waldschmidt, 2003]. Por tanto, se ha estudiado en profundidad una novedosa técnica de diversidad de polarización (TPD) que emplea diferentes estados no necesariamente ortogonales. En esta parte de la tesis, se ha investigado el papel de la verdadera diversidad de polarización para sistemas MIMO en escenarios de desvanecimiento Rayleigh a través de simulaciones y medidas en una cámara de reverberación. Ya que la verdadera diversidad de polarización puede ser combinada con éxito con otros esquemas de diversidad, los cuales podrían limitarse debido a restricciones espaciales o de ancho de banda coherente, los resultados presentados en este trabajo son de particular importancia para futuros sistemas MIMO de diversidad combinada. Se ha definido por tanto una nueva forma de diversidad equivalente a la espacial y especialmente importante para escenarios como MIMO en el terminal inalámbrico. Asimismo, se han llevado a cabo muchos estudios para optimizar la máxima capacidad lograda con sistemas de entrada múltiple y salida múltiple (MIMO). Generalmente, esto se hace consiguiendo alta ganancia por diversidad, la cual requiere una baja correlación entre las ramas de diversidad. Los diversos factores que afectan a la ganancia por diversidad [Turkmani, 1995][Ying, 2005][Winters, 2001][Karaboikis, 2003] y capacidad MIMO [Kang, 2006a][Lozano, 2002] se han estudiado profunda pero independientemente en la literatura, con el objetivo de reducir los coeficientes de correlación entre señales. Se ha escrito sobre diversidad espacial [Shin, 2003][Chiani, 2003], angular [Lindmark, 2001][Vaughan, 1990], de diagrama de radiación [Vaughan, 1999] o una combinación de estas [Valenzuela-Valdés, 2006]. Sin embargo, en estos estudios generalmente se emplean eficiencias de radiación ideales. En la práctica, las eficiencias de antenas de terminales móviles son bajas [Hallbjörner, 2005][Ogawa, 2001a]. Además, actualmente se ha asumido durante algún tiempo que no hay necesidad de usar más antenas receptoras (R) que transmisoras (T) [Lozano, 2002][Shin, 2003]. Esto se debe a una predicción de mejora de capacidad minúscula, pero todavía bajo condiciones limitadoras de ruido y una gran dispersión angular de potencia (~360°), que tal vez no puedan asumirse en presencia del usuario. Por consiguiente, existía la necesidad de investigar si la eficiencia de radiación podría reducir significativamente el potencial de sistemas MIMO noveles en la vecindad cercana del usuario. En esta tesis se ha demostrado que efectivamente la eficiencia de radiación juega un importante papel en comunicaciones inalámbricas, llegando a abolir conocidas fórmulas de diseño que no la tenían en cuenta. En resumen, la intensa actividad de investigación sobre MIMO ha apuntado nuevos temas relacionados con el impacto de las propiedades de las antenas en el funcionamiento de los sistemas MIMO. Con los novedosos sistemas MIMO propuestos para el escenario de un terminal móvil en proximidad cercana (en contacto) con el usuario, es esencial mejorar el actual conocimiento en los efectos de la eficiencia en la funcionalidad de un sistema MIMO. Esto a cambio será útil para predecir si se pueden esperar canales MIMO incorrelados para estos nuevos escenarios, y pueda posiblemente traer luz a la todavía desconocida mejor topología de formación (array) en términos de maximizar la capacidad [Loyka, 2002]. http://repositorio.bib.upct.es/dspace/