MOBILNE KOMUNIKACIJE

1. MOBILNE KOMUNIKACIJE 8. Model kanala

2. Fizikalni utjecaji kod propagacije radio vala 2 • Refleksija • Na granici dva medija s različitim elektrodinamičkim svojstvima dio vala se reflektira, a drugi dio prolazi u drugo sredstvo (refrakcija) • Kut refleksije je pri tome jednak upadnom kutu, a upadni i reflektirani val leže u istoj ravnini s okomicom na granicu između dva medija • radio valovi se reflektiraju od slojeva ionosfere i troposfere, površine Zemlje, objekata (zgrada, automobila, itd.) • Difrakcija • Na preprekama dolazi do difrekcije ili ogiba radio vala, što omogućava prijem i iza prepreke • Val je pri tome prigušen, a veličina gušenja ovisi o veličini i obliku prepreke te valnoj duljini vala

3. 3 • Refrakcija • Promjena smjera EMV-a zbog promjene elektrodinamičkih svojstava medija • Disperzija (raspršenje) • Nastaja kod istovremene pojave refrakcije, difrakcije i refleksije (obično na nepravilnim objektima, na hrapavim površinama i sl.) • Apsorpcija • Gubici energije EMV-a zbog pretvaranja u drugi oblik (npr. toplina) pri prolasku kroz tvari (npr. na kapljicama kiše, kod prolaska kroz zid ili neku drugu prepreku) • Interferencija • Nastaje kada se dva ili više valova iste frekvencije i polarizacije šire istovremeno kroz neki medij • Na prijemnoj anteni polja tih valova se superponiraju • Pri tome osnovni val može biti pojačan (ako su razlike u fazama približne cijelom broju valnih duljina) ili prigušen (ako su razlike u fazama približno jednake neparnom broju polovina valnih duljina • Ako interferiraju dva vala iste frekvencije, ali iz različitih izvora (Istokalna interferencija) smetajući signal može ugroziti komunikaciju korisnim signalom (kod projektiranja mreže odašiljača o tome se posebno mora voditi računa)

4. 4 • Feding (eng. fading) • Pojava promjene jakosti polja na mjestu prijema • Može nastati zbog: • Višestaznog prostiranja radio vala • Refleksije vala od tla i objekata- izraženo kod mobilnih komunikacija • Pojava stepenastog indeksa refrakcije u atmosferi koja dijeli radio val na više zraka koje putuju različitim putanjama (često za ljetnjih večeri) • Apsorpcije na kapljicama kiše, magle snijega • Raste s frekvencijom, izraženo iznad 1GHz • Raste s intezitetom padavina i duljinom trase radio vala obuhvaćenom padavinama

5. 5 • Feding može biti • frekvencijski selektivan - značajno gušenje užeg frekvencijskog područja • Usljed višestaznog prostiranja • Stvara probleme širokopojasnim sustavima • Frekvencijski neselektivan – podjednako gušenje šireg frekvencijskog područja (flat fading) • Usljed padavina • Uzima se u obzir pri projektiranju veze u GHz-nom području preko meteoroloških podataka o padavinama • Razlikuje se kratkotrajni (brzi) i dugotrajni (spori) feding

6. Mobilne komunikacije – značajke propagacije vala 6 • Veza točka-površina • Ruralna područja- LOS sa refleksijom od tla • Urbana područja – LOS sa refleksijom od tla i susjednih objekata, refrakcijom difrakcijom, ali i non-LOS (NLOS) • Visina antene • bazna postaja – visine 30-tak metara • omni-direkciona – kružni horizontalni dijagram zračenja • sektorske antene – horizontalni kut usmjerenosti 600 ili 1200 • mobilna postaja - 1.5 do 3 metra, neusmjerena

7. 7 • Problem prepreka • zgrade, kuće reda veličine nekoliko metara do nekoliko desetaka metara • drveće i grupa drveća • prepreke su reda veličine ili veće od valne duljine radio vala (za VHF područje  je reda nekoliko metara, za UHF područje  je reda nekoliko decimetara) - mogu blokirati signal ili reflektirati ga • reflektirani signal može doprijeti do antene mobilne postaje po više staza (multipath propagacija) uz direktni signal • Posebnosti propagacije u mobilnim vezama • Sjena -smanjenje snage signala iza prepreke • efekt višestaznog prostiranja • može uzrokovati gušenje i izobličenje signala • ili postojanje signala u sjeni (reflektirani signal od neke prepreke) • Dopplerov efekt – pomak radne frekvencije • mobilna postaja se kreće u odnosu na radio val

8. Polje kao funkcija vremena i prostora 8 • Polje nije konstantno u vremenu • Zbog promjena temperature, vlažnosti, tlaka mijenjaju indeks refrakcije, a padavine unose gušenja na višim frekvencijama. Jakost polja na prijemnoj anteni oscilira u odnosu na proračunato polje u uvjetima prostiranja u slobodnom prostoru • Promjene polja predstavljaju se statističkim veličinama – modeliraju se teorijskim razdiobama (promjene polja u vremenu obično Gaussovom) • Polje se mijenja prostorno • Važno kod sustava točka-površina. Kod mobilnih komunikacija mobilna postaja prolazi kroz područja s različitim uvjetima propagacije radio vala • Osigurava se određeni postotak pokrivanja lokacija s minimalno potrebnom jakošću polja (npr. 90% lokacija) • Raspodjela ovisi o tipu terena i okoliša (ruralno, prigradsko, gradsko) i modelira se empirijskim modelima

9. Višestazna propagacija • U mobilnim komunikacijama na antenu mobilnog uređaja u pravilu dolazi signal iz više smjerova - usljed višestazne propagacije (multipath propagation). • Uzroci su refleksije od tla i od okolnih objekata koji okružuju mobilnu postaju. • Za analizu i projektiranje veze koriste se statistički modeli varijacije anvelope signala.

10. Dva ekstremna scenarija Uz jak direktni signal (line-of-sight LOS) postoji više slabijih uslijed višestaznog prostiranja otvorena cesta, trgovi i ostala mjesta sa dobrom vidljivosti prema baznoj postaji varijacija anvelope signala modelira se sa Rice-ovom distribucijom Više slabijih signala dolazi na antenu mobilne postaje, ali nema direktnog signala (NLOS) područje sa visokim zgradama, na cesti kroz šumu varijacija anvelope signala modelira se sa Rayleigh-ovom distribucijom 10

11. Signal na prijemniku 11

12. Riceov fading • Ako uz više signala slabije snage (različite refleksije) na prijemnu antenu stiže i jedan snažan signal (direktni val) -LOS uvjeti propagacije, tada govorimo o Rice-ovom fadingu • Anvelopa signala, r,ima Riceovu distribuciju • gdje je I0 Basselova funkcija nultog reda • Uz a = 0 (nema direktnog signala) ova funkcija prelazi u Rayleighovu • Uz veliki a (jedan dominantni signal) ova funkcija prelazi u Gaussovu

13. Rayleighov fading • Nema dominantnog vala, nego više slabijih komponenti iz različitih pravaca – NLOS uvjeti • Anvelopa signala, r, ima Rayleighovu raspodjelu, odnson gustoću vjerojatnosti • U ovom slučaju očekivanje (srednja vrijednost) jakosti signala je značajno manja od one kod propagacije u slobodnom prostoru, s dubokim fedinzima (od 20-30 dB)

15. Karakteristike varijacije signala Signal e(t) se može prikazati kao suma sporih ili dugoročnih (long-term) varijacija m(t) i brzih (short-term) varijacija r0(t) Spore varijacije, m(t) se izdvajaju iz ukupnog signala niskopropusnim filtriranjem koje se primjenjuje na uzorke signala izmjerene na trasi duljine nekoliko desetaka  (20-40 ) (small area) za 900 MHz ( =0.33m) vezu to znači 7-14 m za lokaciju x to je lokalno očekivanje m(x) promjene lokalnog očekivanja promatraju se na trasi duljine od 100m do 2 km 15

16. 16

17. Eksperimentalno je utvrđeno da lokalno očekivanje m(t), odnosno m(x) slijedi log-normalnu raspodjelu. To znači da ako se izrazi u logaritamskom mjerilu M(x) će imati normalnu raspodjelu Standardni propagacijski modeli ne daju informaciju o brzim promjenama, nego daju medijan E(M(x)) i standardnu devijaciju Lpromjene lokalnih očekivanja M(x) Promjene lokalnog očekivanja promatraju se na trasi duljine od 100m do 2 km Brze promjene se promatraju na malom područjui imajuRayleighovu ili Riceovu distibuciju 17

18. Dopplerov pomak 18

19. Kod kretanja mobilnog uređaja brzinom v uslijed Dopplerovog pomaka mijenja se frekvencije ovisno o kutu , brzini vozila i valnoj duljini sa maksimumom Kod N radio valova koji pristižu na prijemnu antenu pod kutem n 19

20. Kada se uzme u obzir i elevacijski kut  dobije se spektar 20

21. Primjeri višestazne propagacije

22. Dopplerov efekt • pri tome anvelopa signala se ne mijenja, ali se mijenja frekvencija (npr. na 1.8 GHz uz brzinu auta 100 km/h promjena frekvencije je do 166.7 Hz, na 900 MHz promjena frekvencije je do 83.3 Hz )

23. Refleksija iz smjera kretanja • Kod pojave refleksije od zgrade iz smjera kretanja automobila • rezultat je stojni val amplitude koja varira od 0 do 2e0

25. Dvije refleksije • U slučaju da dva reflektirana signala podjednakih amplituda dostižu antenu mobilnog prijemnika pod kutevima 00 i i rezultantni signal je • uz x = t v vidimo da postoji i amplitudna i frekvencijska promjena ovisna o brzini mobilnog uređaja. Amplituda signala se mijenja sa kosinusom a frekvencija promjene je dana s

27. Višestruke refleksije • Općenito višestruke refleksije mogu pristizati iz različitih pravaca

29. Frekvencijski selektivan feding • Kod uskopojasnog signala sve frekvencijske komponente kasnit će na prijemnu antenu sa podjednakim faznim kašnjenjem i u slučaju višestaznog prostiranja - flat fading. • Za širokopojasni signal razlike u fazi koje su proporcionalne mogu za dvije frekvencijske komponente biti i nekoliko radijana. • Signal koji zauzima veći frekvencijski pojas bit će izobličen - frekvencijski selektivan feding i u slučaju višestaznog prostiranja uzrokovat će neuniformni frekvencijski odziv.

30. Minimalni frekvencijski pojas na kojem se ne pojavljuje selektivni feding naziva se pojas koherencije. • U multipath slučaju osim kašnjenja pojedine komponente (eha) potrebno je znati i kut pod kojim dostiže prijemnu antenu. • U slučaju digitalnog signala replike koje stižu sa kašnjenjem uzrokuju intersimbolnu interferenciju koja povećava vjerojatnost pogreške. Povećanje snage ovdje ne pomaže već se uvode ekvalizatori.

31. Frekvencijski selektivan feding

32. Modeliranje kanala • Radio kanal kod višestaznog prostiranja se može modelirati kao linearni vremenski promjenjivi filtar sa impulsnim odzivom • Na ovakav način može se razmatrati kanal deterministički uz poznavanje terena i objekata koji uzrokuju refleksije

33. Međutim zbog složenosti problema obično se to rješava statistički uz poznavanje PDF-a varijabli od značaja (,t,f, ) • U praksi se koriste tri jednostavne funkcije • Pofil kašnjenja snage - power delay profile (PDP) • Frekvencijska korelacijska funkcija • Funkcija raspršenja (scattering) • PDP- Ph() daje distribuciju amplituda i kašnjenja primljenih refleksija

34. Profil kašnjenja snage - PDP PDP za prigradsko naselje

35. Iz PDP funkcije Fourierovom transformacijom se dobija frekvencijska korelacijska funkcija • Korelacija između dvije frekvencije razmaknute za f ovisi o mnogo faktora, između ostalog i upotrebljenoj modulaciji. • Pojas koherencije se obično definira kao područje frekvencija unutar kojega je korelacijasignala veća od 0.9 (ili 0.5) • Unutar pojasa koherencije signali će biti podjednako prigušeni – nema selektivnog fadinga

36. Frekvencijska korelacija

38. Funkcija raspršenja • Funkcija raspršenja predstavljena je matricom S(,) • Daje kašnjenja i Dopplerov pomak (ili kut pristizanja) za refleksije pristigle na prijemnu antenu • Propagacijski kanal možemo klasificirati prema • Frekvencijskoj disperziji: spore i brze promjene • Vremenskoj disperziji: frekvencijski selektivni i neselektivni kanali

39. Širokopojasni kanal - funkcija raspršenja

40. Primjer 1:

41. Primjer 2. • Primjer: • f = 900 MHz • v = 40 km/h • A) neusmjerena antena • B) usmjerena antena sa kosinusnim dijagramom zračenja • udaljenost od odašiljača 10 km • udaljenost od reflektora 1 km • udaljenost od “raspršivača” 100 m • Amplitude pojedinih komponenti bit će iskazane relativno u odnosu na direktni signal

43. PDP modeli • COST 207 preporuča modele za digitalne mobilne sustave (pogotovo GSM) • trokutastu distribuciju log snage u odnosu na kašnjenje za različite tipove područja • Modelsa negativnom eksponencijalom • daje vjerojatnost pristizanja refleksije u ovisnosti o kašnjenju

44. COST 207 PDP modeli Typical case for rural (nonhilly) area (RA) hilly