HY 532 Συστηματα Ασυρματων Επικοινωνιων Αποστολος Τραγανίτης Ενοτητα 2 Διαδοση Η/Μ κυματων

1. HY 532 Συστηματα Ασυρματων Επικοινωνιων Αποστολος Τραγανίτης Ενοτητα 2 Διαδοση Η/Μ κυματων E-mail: tragani@csd.uoc.gr Τηλ. : 0810 393553 Σημειώσεις στο:www.csd.uoc.gr/~hy532

2. Ενοτητα 3 Διαδοση Ηλεκτρομαγνητικων (Η/Μ) κυματων Περιληψη Ο στοχος αυτης της ενοτητας ειναιη παρουσιαση των βασικων εννοιων που σχετιζονται με τα χαρακτηριστικα μεταδοσης μεγαλης κλιμακας του ασυρματου καναλιου

3. Περιεχομενα 3.1 Βασικες ιδιοτητες 3.2 Μοντελο δυο ακτινων 3.3 Σκιαση 3.4 Μοντελα διαδοσης

4. Ασυρματη επικοινωνια Tx Rx • πως διαδιδεται το σημα ? • ποση αποσβεση υφισταται ? • Πως φτανει το σημα στον δεκτη ?

5. Διαδοση Η/Μ κυματων • Η διαδοση των Η/Μ κυματων γινεται με τρεις μηχανισμους • Ανακλαση από αντικειμενα μεγαλυτερα του μηκους κυματος λ • Περιθλαση (diffraction)γυρω από τις γωνιες αντικειμενων • Σκεδαση (scattering)από αντικειμενα μικροτερα του λ Scattering λ >> D Diffraction λ  D Reflection λ << D Η συμπεριφορα ενος Η/Μ σηματος εξαρταται οχι μονο απο την θεση του στο Η/Μ φασμα αλλα και απο το ευρος φασματος που καταλαμβανει

6. Διαδοση στην πραξη Ενα Η/Μ σημα μπορει Να απορροφηθει Να διαπερασει Να ανακλασθει Να καμφθει

7. Διαδοση Η/Μ κυματων • Τρια είναι τα σημαντικα φαινομενα που παρατηρουνται • Απωλειες διαδρομης (path losses) = αποσβεση λογω αποστασης • Σκιαση (shadowing) = αποσβεση λογω μεγαλων εμποδιων • Διαλειψεις (fading) = μεταβολες μικρης χρονικης κλιμακας που οφειλονται στο περιβαλλον

8. Διαλειψεις λογω πολλαπλης διοδευσης (multipath fading) είναι η εποικοδομητικη / καταστροφικησυμβολη των ηλεκτρομαγνητικων κυματων στην κεραια ληψεως.

9. Μια από τις διαδρομες είναι μεταβαλλομενη

10. Παραγοντες που επηρρεαζουν την διαδοση των Η/Μ κυματων hills girders rain hallways windows vehicles trees walls

11. A αποτελεσματα μεγαλης κλιμακας - Απωλειες διαδρομης • B αποτελεσματα μεσαιας κλιμακας- σκιασηλογω εμποδιων • C αποτελεσματα μικρης κλιμακας – ταχειες διακυμανσεις του πλατους του σηματος (small scale fading)

12. Το ραδιοφωνικο καναλι ειναι δυσκολο να μοντελοποιηθει. Καταφευγουμε στον στατιστικο χαρακτηρισμό του. • Αμεσως πιο κατω θεωρουμε μοντελα διαδοσης μεγαλης κλιμακας.

13. Ισχυς εκπομπης Απωλειες διαδοσης Ισχυς ληψης Απαιτουμενο SNR Ισχυς θορυβου στον δεκτη Επιδραση του Θορυβου • Οι επιδοσεις ενος τηλεπικοινωνιακου συστηματος καθοριζονται απο την σηματοθορυβικη σχεση (signal-to-noise ratio - SNR). • Μερικες φορες αναφερεται και σαν λογος φεροντος προς θορυβο (carrier-to-noise ratio) • Για την επιτευξη του επιθυμητου SNR στον δεκτη πρεπει: • Να υπολογισουμε την ισχυ του θορυβου • Να εκπεμψουμε ικανοποιητικη ισχυ με τον πομπο Διαγραμμα ισχυος

14. Δεκτης • Ο SNR εκφραζεται σε decibels (dB) • Συνηθεις τιμες του SNR : • Ηχος τηλεφωνικης ποιοτητας: 26 dB (= 400 φορες) • Ηχος hi-fi: 60 dB (= 106 φορες) • Τερματικο κινητης τηλεφωνιας: 14 - 18 dB (= 25 – 63 φορες) • Ολα τα ηλεκτρικα κυκλωματα παραγουν θορυβο: • Ο SNR στη εξοδο τους ειναι παντοτε μικροτερος απο τον λογο στην εισοδο =παραγων θορυβου (noise figure)

15. DECIBELS • Μοναδα συγκρισης (κυριως ενεργειων και ισχυων) • Χρησιμη : • Οταν τα μεγεθη μεταβαλλονται κατα αρκετες ταξεις μεγεθους • Οταν μας ενδιαφερει κυριως η σχεση (ο λογος ) δυο μεγεθων • Για συγκρισεις ενεργειων ή ισχυων: db = 10 log10(P1/P2) • Mερικες φορες ειναι χρησιμη η συγκριση της ισχυος ενος σηματος με μια ισχυ αναφορας 1Watt (1W) ή 1 miliWatt (1mW). • dbW= 10 log10(P1/ 1W) • dbm= 10 log10(P1/ 1mW) • Παραδειγματα: Ρ1=1mW =0dbm, Ρ1=10mW =10 dbm, Ρ1=100mW =20dbm, Ρ1=1000mW =30dbm, Ρ1=2mW =3dbm, Ρ1=4mW =6dbm, Ρ1=8mW =9dbm, Ρ1=5mW =7dbm, Ρ1=2.5mW =4dbm, Ρ1=1.25mW =1dbm

16. Θερμικος θορυβοςΘερμοκρασια ισοδυναμου θορυβου Φασματικη πυκνοτητα ισχυος του θερμικου θορυβου

17. Ενέργεια του θορύβου στον δέκτη:σε μοναδες Joules = Wattsxsec Σταθερα Boltzmann Θερμοκρασια δωματιου σε βαθμους K(elvin) : Παραγων θορυβου, τυπικα 6 - 10 dB (=4 εως 10 φορες) • Η ισχυς μετριεται με Watts Οπου B ειναι το ευρος φασματος του δεκτη • Η ισχυςP wattsειναι σε dB: • Ισχυς αναφορας το 1W • Ισχυς αναφορας το 1mW =10-3 W

18. Ασυρματο συστημα επικοινωνιας Κερδος κεραιας εκπομπης GT Ισχυς εκπομπης ΡΤ Προβληματα μεταδοσης: Παραμορφωση, διαλειψεις, θορυβος... Oι επιδοσεις εξαρτωνται απο την σηματοθορυβικη σχεση Εb/Ν0 Κερδος κεραιας ληψης GR Θερμοκρασια θορυβου δεκτη Teq

19. Διαδοση στον ελευθερο χωρο

20. Μελετη της διαδοσης Η/Μ κυματων • Στοχοι • Εκτιμηση της περιοχης καλυψης • Εκτιμηση ποιοτητας ζευξης • Εκτιμηση παραμετρων σχεδιασης • ενος δικτυου • Πομποι και η θεση • εγκαταστασης τους • Ισχυς εκπομπης • Τυπος κεραιας

21. Ενδιαφερουσες περιπτωσεις Σε ποιες θεσεις θα εχουμε καλη ληψη?

22. Βασικοι τυποι κεραιων Κερδος κεραιας High gain Directional Κατευθυντικη υψηλου κερδους Dipole Διπολικη Isotropic Ισοτροπικη 0 dBi 2.2 dBi 14 dBi

23. Ισοτροπικη κεραια Η ισοτροπικη κεραια ακτινοβολει ενεργεια με τον ιδιο τροπο προς ολες τις κατευθυνσεις

24. Διαγραμμα ακτινοβολιας κεραιας

25. Πραγματικη κεραια Οι πραγματικες κεραιες εκπεμπουν μεγαλυτερη ισχυ προς ορισμενες κατευθυνσεις Κερδος κεραιας εκπομπης

26. Μοντελο διαδοσης στον ελευθερο χωρο Ισοτροπικη πυκνοτητα ισχυος Πυκνοτητα ισχυος στην κατευθυνση της μεγιστης ακτινοβολουμενης ισχυος Ισχυς που φθανει στην κεραια PR d PT Υπολογισμος της ισχυος του λαμβανομενου σηματος οταν ο πομπος και ο δεκτης εχουν οπτικη επαφη Γνωστη και ως εξισωση του Friis για την διαδοση στον ελευθερο χωρο

27. Ισχυς ληψης

28. Απωλειες διαδρομης (σχετικο μετρο) f is in MHz d is in Km Απωλειες διαδρομης (Path Loss) ειναι η αποσβεση του σηματος (μετρημενη σε dB) δηλαδη ο λογος της εκπεμπομενης ως προς την λαμβανομενη ισχυ (χωρις να ληφθουν υπ’ οψη τα κερδη των κεραιων). PR Pt

29. Απωλειες διαδρομης - παραδειγμα 59 20 (για d = 10) -20 (για d = 0.1) Οι κεραιες ειναι ισοτροπικες. Ποια ειναι η λαμβανομενη ισχυς PR (σε dBm) σε αποσταση 100m απο την κεραια εκπομπης? Ποια ειναι η PRστα 10Km? PR Pt 50 W = 47 dBm

30. Απωλειες διαδρομης – παραδειγμα 2ο

31. Απωλειες διαδρομης – παραδειγμα 3ο

32. Διαδοση Η/Μ κυματων : Απωλειες διαδρομης   r3.3 r2 εγγυς πεδιο Απωλειες διαδρομης στα 2.4 Ghz Pr r  8m r > 8m Pt μακρινο πεδιο εγγυς πεδιο r Pr path loss = 10 log (4r2/) r  8m = 58.3 + 10 log (r3.3 /8) r > 8m

33. Μετρηση σηματος εσωτερικου χωρου

34. Μετρηση σηματος ζευξης Ρ2Ρ εξωτερικου χωρου

35. Διαδοση ελευθερου χωρου -Συνοψη • Κατα την διαδοση στον ελευθερο χωρο (με οπτικη επαφη = =line-of-sight = LOS), η λαμβανομενη ισχυς σε αποσταση dαπο την πηγη διδεται απο την σχεση : οπου Ειναι η εκπεμπομενη ισχυς Ειναι το κερδος της κεραιας εκπομπης Ειναι το κερδος της κεραιας ληψεως Ειναι το μηκος κυματος του φεροντος, cειναι η ταχυτητα του φωτος και f0ειναι η συχνοτητα του φεροντος. Για f0=900ΜΗz ειναι λ=1/3 m=33 cm Ειναιεναςσυντελεστηςαπωλειων που λαμβανειυπ’οψηδιαφορεςαπωλειες που δεν σχετιζονται με την διαδοσηελευθερουχωρου(καλωδια, connectors…)

36. Παρατηρουμε οτι • Η απωλεια διαδρομης (path loss) ειναι • Αυτες οι σχεσεις ισχυουν για το μακρινό πεδιο, δηλαδη για την περιοχη oπου το μετωπο του κυματος ειναι επιπεδο Το μακρινό πεδιο μιας κεραιας ειναι η περιοχη περαν μιας αποστασης Οπου D ειναι το ανοιγμα της κεραιας

37. Στην πραξη, η ισχυς μπορει να μετρηθει στην αποσταση d0 και να υπολογισθει στην αποσταση d με την σχεση: Pr(d0) d0 Pr(d) d

38. 10 W P1 dB = 10 log (----) P2 101 Power 1 mW 10-3 10,000 times 1,000 times 1 W 40 dB 30 dB 10-6 d1 source d2 Path loss in dB Path loss from source to d2 = 70dB

39. 10 W P1 dBm = 10 log (-------) 1mW 101 Power 1 mW 10-3 1 W 10-6 d1 source d2 dBm ( absolute measure of power) = 40 dBm + 10,000 times = 0 dBm - 1,000 times = -30 dBm

40. Παραδειγμα Pt = 1 W, κερδος κεραιας εκπομπης = 1, f = 900 MHz. Να βρεθει η Prσε d = 100 m, 10 km.

41. Να συγκριθουναυτες οι ισχεις σηματος με τον θορυβο: οπου Σταθερα Boltzmann’s T0 = θερμοκρασια περιβαλλοντος 290 - 300°K Ευρος φασματος Παραγων θορυβου Για ενα συστημα TDMA, οπου ειναι B=30kHz, F=9 dB. ο θορυβος στον δεκτηείναι: για την μετατροπη σε dBm

42. Μοντελο δυο ακτινων d • Το μοντελο διαδοσης ελευθερου χωρου δεν λαμβανει υπ’οψη τις ανακλασεις του σηματος. Το σημα που εκπεμπεται απο μια επιγεια κεραια λαμβανεται απο μια αλλη επιγεια κεραια παρουσια ισχυρων ανακλασεων απο το εδαφος. Το ακολουθο μοντελο ειναι αρκετα ακριβες για την προβλεψη της ισχυος του λαμβανομενου σηματος απο υψηλες κεραιες μετα απο διαδρομη αρκετων χιλιομετρων.

43. Πρεπει να μελετησουμε την ενταση του πεδιου αντι την ισχυ του. Η ισχυς ειναι αναλογη του d-2. Η ενταση του πεδιου ειναι αναλογη με την τετραγωνικη ριζα της ισχυος, δηλαδη τουd-1. Η ενταση του πεδιου καθοριζει την ταση, μετρο και φαση, του σηματος στην κεραια ληψης ΟπουEtot ειναι το συνολικο πεδιο , Elosειναι το πεδιο που δημιουργει η συνιστωσα οπτικης επαφης (LOS), και Egειναι το πεδιο που οφειλεταιστην ανακλαση του εδαφους.Στις επομενες σχεσεις η d0 ειναι μια αυθαιρετη αποσταση αναφορας στο μακρινό πεδιο της κεραιας. • Το πεδιο LOS είναι ένα ημιτονοειδες σημα του οποιου η στιγμιαια ενταση δινεται απο την σχεση: (d' > d0)

44. Ομοιως η ενταση του πεδιου του εξ ανακλασεως κυματος ειναι οπου ειναι ο συντελεστης ανακλασεως του εδαφους και επομενως • Για μικρη γωνια προσπτωσης ειναι • Απο τα γεωμετρικα δεδομενα (δες προηγουμενη εικονα) η διαφορα της ευθειας και της εξ ανακλασεως διαδρομης ειναι:

45. Με την προσεγγιση , λαμβανουμε • Η διαφορα φασης μεταξυ των δυο διαδρομων ειναι και ειναι μικρη • Η κυρια διαφορα ειναι μεταξυ των φασεων. Για δυο συνημιτονα ισου πλατους αλλα με διαφορα φασης , εχουμε: • Για μεγάλη αποσταση d, η διαφορα πλατους μεταξυ

46. Εχουμε Για μικρη διαφορα φασης ειναι

47. Επομενως • Επειδη η ισχυς ειναι: προκυπτει οτι • Από την θεωρια του Η/Μ πεδιου εχουμε την σχεση ειναι το προσπιπτον πεδιο και ειναι η ενεργος οπου επιφανειατης κεραιας ληψεως.

48. Λαμβανουμε • Μετα απο πραξεις , μπορουμε να δειξουμε οτι Αυτο σημαινει οτι με το μοντελο δυο ακτινων η ισχυς ληψης φθινει με το d -4 αντι με τοd -2 (οπως στον ελευθερο χωρο). Η λαμβανομενη ισχυς φθινει με ρυθμο 40 db για καθε δεκαπλασιασμο της αποστασης • Και αλλοι παραγοντες επηρεάζουν την ισχυ ληψης εκτος απο τις ανακλασεις.( π.χ. ηπεριθλαση -Fresnel Zone)

49. Παραδειγμα Ενα κινητο απεχει 5 km απο τον BS και χρησιμοποιει μιακεραια λ/4με κερδος 2.55dB. Η κεραια εκπομπης εχει υψοςh=50m. H ενταση του ηλεκτρικου πεδιου σε αποσταση 1km απο τον πομποειναι 10-3V/m. H συχνοτητα φεροντος ειναι f0 = 900MHz a. Μηκος και κερδος της κεραιας λ/4 Μηκος κυματοςλ = c / f0 = 0.333m Κερδος = 102.55/10 = 1.8 b. Η ισχυς του λαμβανομενου σηματος στα 5km με κεραια σε υψος ειναι

50. Απωλειες διαδοσης (1) • Στον ελευθερο χωρο: οποτε οι απωλειες διαδοσης είναι: • Μοντελο δυο ακτινων: οποτε οι απωλειες διαδοσης είναι: