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Outline

• Introduction

• Problem description

• Snow cover signal propagation model

• Field tests

• Experimental results

• Conclusions and future work

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Motivation

• More than 150 lives worldwide every year by snow avalanches

• Burial time is crucial

M. Falk, M. Brugger, and L. Adler-Kastner, Avalanche survival chances, Nature, 368 (1), 21, 1994

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Avalanche rescue systems

RECCO

Avalanche beacons

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Avalanche rescue systems

RECCO

Avalanche beacons

Limited in range an accuracy Complex usage Training required

Problems

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GPS and communications in rescue systems

GPS

• Transmission of victim location

• Commercial system (PIEPS Vector)

Data communications

• Location, orientation or vital signs

• Commercial systems (PULSE, ARVA-LINK)

Zona de la avalancha - Detección e identificación de accidentados

En la pulsera se registra la información básica del accidentado

Pulsera RFID encada rescatado

Personal de rescate con dispositivo RFID

y ZigBee/IEEE 802.15.4

Heridos muy graves, graves, leves y

víctimas mortales

En los dispositivos móviles de los equipos médicos se guarda más

información del accidentado

Zona de la avalancha – Red mallada multi-salto del personal de rescateConocimiento distribuido / Posibilidad múltiple de salidaPersonal equipado de PDA/Smartphone con Asistente Personal Experto

Gateway de salida vía Satéliteo WiMax

Los dispositivos móviles intercambian

información sobre todos los pacientes de

forma automática y todos son capaces de

interactuar con el gateway de salida

En entornos con cobertura posibilidad de usar GPRS/UMTS/HSxPA

Móviles con conectividad ZigBee o similar sobre IEEE 802.15.4 para detección de accidentados con

baliza compatible

Accidentados equipados de balizas ZigBee o similar

sobre IEEE 802.15.4 Zona de la avalancha – Asistencia de GNSS para la detección e identificación de accidentados

Centro de control - Plataforma avanzada de monitorización y soporte de decisión

No accidentados equipados de balizas ZigBee o similar sobre IEEE 802.15.4 que

pasan a modo “receptor”

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SICRA project

Señal GPS

GW

Superficie después de Avalancha

Cooperative System for Rescue in Avalanches

ISM-band links

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Problem description

Vertical electric dipoles TX and RX

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Problem description

Vertical electric dipoles TX and RX

Source

Receiver

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Propagation models

Three layered model

Snow model

Air model

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Propagation models

Three layered model

Snow model

Air model

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Propagation models

Three layered model

Snow model

Air model

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Propagation models

D. Liao and K. Sarabandi, Near-Earth Wave Propagation Characteristics of Electric Dipole in Presence of Vegetation or Snow Layer, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 53 (11), 2005

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Propagation models

D. Liao and K. Sarabandi, Near-Earth Wave Propagation Characteristics of Electric Dipole in Presence of Vegetation or Snow Layer, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 53 (11), 2005

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Propagation models

D. Liao and K. Sarabandi, Near-Earth Wave Propagation Characteristics of Electric Dipole in Presence of Vegetation or Snow Layer, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 53 (11), 2005

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Solving methods

Numerical solution of exact propagation expressions (MATLAB)

Geometrical optics

Finite element method (COMSOL)

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Solving methods

Numerical solution of exact propagation expressions (MATLAB)

Geometrical optics

Finite element method (COMSOL)

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Solving methods

Numerical solution of exact propagation expressions (MATLAB)

Geometrical optics

Finite element method (COMSOL)

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COMSOL model

2D axialsimetry

Truncated geometry

• Perfect match layers

• Scattering boundary conditions

Underlying soil truncated

• Perfect electric boundary condition

Magnetic current point

Solution points

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Field test

Formigal Ski Resort (Huesca, Spain)

• RF-explorer module (433 MHz)

• IEEE 802.11 node (2.45 GHz)

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Field test

Snow and soil characterization by TDR

• Measured parameters

• Simulated parameters

Medium 433 MHz 2.45 GHz Snow 2.72-j0.02 2.69-j0.1

Soil 10.35-j0.37 5.26-j0.58

Medium 433 MHz 2.45 GHz Dry snow 1.129-j0.0001 1.12-j0.0001

Wet snow 3.37-j0.0324 3.2-j0.067

Dry soil 17.35-j0.693 3.33-j0.172

Wet soil 35.64-j1.523 9.98-j1.76

H. Looyenga, Dielectric constants of heterogeneous mixtures, Physica, 31,401-406, 1965

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Experimental results

10 20 30 40 50 60 70 80-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

(m)

Rece

ived P

ow

er

dBm

Through-the-snow propagation models and methods comparative

Data measured

Air model (COMSOL)

Snow model (COMSOL)

3-layered model (COMSOL)

Air model (Matlab)

Snow model (Matlab)

3-layered model (Matlab)

Geometrical optics

Through-the-snow propagation models at 433 MHz

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Experimental results

10 20 30 40 50 60 70 80-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

(m)

Rece

ived P

ow

er

dBm

Through-the-snow propagation models and methods comparative

Data measured

Air model (COMSOL)

Snow model (COMSOL)

3-layered model (COMSOL)

Air model (Matlab)

Snow model (Matlab)

3-layered model (Matlab)

Geometrical optics

Through-the-snow propagation models at 433 MHz

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Experimental results (II)

0 10 20 30 40 50 60 70 80

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

(m)

Receiv

ed P

ow

er d

Bm

COMSOL simulation of through-the-snow electric field propagation models

Air propagation

Snow propagation

3-layered model

Realistic model 2º slope, 30% humidity

Realistic model 5º slope, 10% humidity

Medidas

• Snow depth

• Soil slope

• Soil humidity

Realistic COMSOL model

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Experimental results(III)

Through-the-snow propagation models at 2.45 GHz

5 10 15 20 25 30-110

-100

-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

(m)

Receiv

ed p

ow

er

(dBm

)

Through-the-snow electric field propagation at 2.45 GHz

Data measured

Air propagation

Snow propagation

3-layered model

Geometrical optics

Realistic model

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Experimental results(IV)

Through-the-snow propagation comparative

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100-120

-110

-100

-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

(m)

Receiv

ed p

ow

er

(dBm

)

Through-the-snow electric field propagations simulation

433 MHz dry snow

433 MHz wet snow

2.45 GHz dry snow

2.45 GHz wet snow

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Conclusions and future work

Conclusions

• Channel model for through-the-snow propagation

• Realistic model in COMSOL

• 433 MHz vs 2.45 GHz

• Lower snow attenuation

• Lower sensibility to snow conditions

Future work

• 3D COMSOL model with digital terrain map

• Different dipole orientations

• Field tests with more controlled soil topology

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