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1 EMLAB Wireless propagations

1 EMLAB Wireless propagations. 2 EMLAB channel RF DSP 데이터 송신 RF DSP 수신 데이터 1. Wireless channel model 무선 통신 기기 사이의 전파 송수신 예측 어려움

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EMLAB

Wireless propagations

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2

EMLAB

channelRFDSP데이터

송신

RF DSP

수신

데이터

1. Wireless channel model

• 무선 통신 기기 사이의 전파 송수신 예측 어려움 .

• 단말기 설계를 위해 channel 특성 파악 필요 .

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3

EMLAB

근사 모델 #1: Free space model

2

4

RGGPP RTTR

R

Rc

j

RT eR

GGH

4)(

(Friis formula)

• 거리 감쇄 효과만 고려 .

• 초기 설계에 유용 .

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4

EMLAB

Antenna modeling

)/(4

cRtR

R

)ˆˆ(),(4 hT,vT, TT

jkR

TTTT

in hhR

eG

P

E

안테나에서 나온 신호는 거리 R 떨어진 지점에서 진폭이 1/R로 줄어들고 시간 지연이 R/c 만큼 생긴다 .

)(t

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EMLAB

Field test route (outdoor)

Guidelines for drive testing to accurately estimate average cell radius or for tun-ing a path loss model.

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EMLAB

Field test route (indoor)

Typical in-building measurement route and signal strength.

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EMLAB

Measured path loss

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9

EMLAB

Propagation channel model

tfjtfjii

iiR

cic eettstx 2)(2)]([)(Re

Impu

lse

resp

onse

Time

Spec

tru

m

Frequency

Amplitude variation

time spread

Mathematical model

αi(t), τi(t) 가 channel 특성 결정 .

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EMLAB

Hierarchical fading process : statistical model

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EMLAB

The three scales of mobile signal variation

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EMLAB

(1) Large scale fading

)/()(][)( 00 dddPLdBdPL

( 거리와 path loss 를 fitting 하여 β 값을 찾음 .)

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EMLAB

근사 모델 #2 : Two-ray Ground Reflection

21

21

4)(

R

eR

R

eGGH

Rc

j

S

Rc

j

RT

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EMLAB

• Measure PL(d0) or calculate Free Space Path Loss.

• Take measurements and derive empirically.

근사 모델 #3 : Log-Distance Model

Environment Exponent (β)

Free space 2

Urban area 2.7~3.5

Shadowed urban area 3~5

Indoor LOS 1.6~1.8

Indoor non-LOS 4~6

)/()(][)( 00 dddPLdBdPL

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EMLAB

Classification of large scale propagation models1. Macro cell model

① Empirical model

a. Log-distance path loss

b. Okumura-Hata

② Physical model

a. COST231/Walfisch-Ikegami Model

③ ITU-R model

2. Micro cell model

④ Empirical model

a. Dual slope model

⑤ Physical model

a. Two-ray model

b. Street canyon model

c. Random waveguide model

d. Ray tracing model

⑥ ITU-R model

3. Pico cell model

⑦ Empirical model

⑧ Physical model

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EMLAB

Okumura-Hata model (COST207)

1. 150MHz~1.5GHz 에서 유용 .

2. 측정을 통해 얻은 데이터임 .

3. Open area, Suburban area, Urban area 로 분류함 .

ERBALdB log

CRBALdB log

DRBALdB log

1.1)56.0log56.1()7.0log1.1(

3001.1))54.1(log(29.8

30097.4))75.11(log(2.3

94.40log33.18)(log78.4

4.5))28/(log(*2

log55.69.44

log82.13log16.2655.69

2

2

2

2

CmC

Cm

Cm

CC

C

b

bC

fhfE

MHzfh

MHzfhE

ffD

fC

hB

hfA

For large cities

For medium to small cities

frequencycarrier :[MHz]f

mobile andstation base

between distance circlegreat :R[km]

1.5m) (oftemheight

antennastation mobile:][

C

mhm

Urban areas :

Suburban areas :

Open areas :

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EMLAB

COST231-Hata model

GERBFLdB log

areasan metropolit3

areassuburban and cities sized medium0

log82.13log9.333.46

G

hfF bC

1. 1.5GHz~2GHz 로 Hata 모델 확장

2. 측정을 통해 얻은 데이터임 .

3. Open area, Suburban area, Urban area 로 분류함 .

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EMLAB

Walfisch-Ikegami Propagation Model

sdmsdFdB LLLL Lf : free space loss

Lmsd:multiple knife edge diffraction

Lsd : single diffraction

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EMLAB

(2) Medium scale model : shadowing

SdB LLL 50

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EMLAB

Typical variation of shadowing with mobile position at fixed BS distance

Probability density function of shad-owing. Measured values are pro-duced by subtracting the empirical model.

Log-normal distribution : shadowing

2

2

2exp

2

1)(

S

S

L

S

LLp

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EMLAB

LzxSz SS

zQdx

xdLLpzL

L /

2

2exp

2

1)(Pr

Shadowing effect on coverage

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EMLAB

(3) Small scale fading

tfjc

cetuttftats 2)(Re)(2cos)()(

)()()()( )( tjytxetatu tj

Probability density function of real part of NLOS fading signal→ Gaussian

Multi-path fading : NLOS

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EMLAB

Complex samples of NLOS fading signal Theoretical and experimental Rayleigh distributions

Rayleigh fading

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EMLAB

Rician fading

2

2 2/

s

P

Pk

NLOS

LOS

kr

Ieer

rp kr 2)( 0

)2/(2

22

Rice factor :

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EMLAB

c

,1

12

)cos1()( υk

][ || tυrrr

c

kkk ||

][|| HυEEE

][|| EυHHH

HE,

HE ,k

υ

동일한 전자기 현상이지만 관찰자의 상대적 운동에 의해 E, H, k, 주파수 등이 변한다

2c

ttrυ

Frequency shift by Doppler effect

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EMLAB

1f

2f

Beat frequency due to Doppler effect

)cos1( ff

υ

다중 경로 신호의 주파수가 달라져 beat frequency 관찰됨 .

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EMLAB

The received signal of a time varying channel where the transmitted signal is a time-harmonic signal with frequency f =10Hz.

Time varying channel – Doppler shift

Dc f

T16

9

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EMLAB

Time varying channel : auto-correlation

Power spectral density

)2()()( 0* Dlll fJPtataE

otherwise0

if)/(1

2

)2()( 20

D

DDD

ffffffJFfS

( fD : maximum Doppler frequency.)

( )S F

Dff

Jakes model

For time delay profile

Dc f

T16

9Coherence time :

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EMLAB

Wideband fast fading

c

rr 21

]1[

)()(])([

1

])([2

])([1

11

2211

jtj

tjtj

eea

eaeaH

)]cos(1[2)( 1 aH

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EMLAB

Multi-path Fading

Impu

lse

resp

onse

Time

• Flat fading :

• low data rate.

• Ex) AMPS, ASK, ...

Time

Impu

lse

resp

onse

Sd T

• Frequency selective fading :

• high data rate 인 경우에 생김 .

• Ex) WCDMA, DMB 등 ...

Sd TInter-symbol interference

ST

STSymbol Time

d

d

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EMLAB

Multi-path Fading

Multi-path Fading 의 영향

•협대역 신호인 경우 영향이 작다 .

광대역 신호인 경우 신호 spec-trum 에 미치는 영향이 크다 .

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EMLAB

l

tffjll

llcetxtaty ))((2)()(Re)(

…shift in time …

…shift in frequency …

… attenuation…

(this causes small scale time variations)

paths

Wide-band fast fading channel model

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EMLAB

Channel sounding

n

iii

T

PP

10

n

iii

Trms P

P20

21

rmscB 2

3

Coherent B. W. :

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EMLAB

Overcoming narrow band fading

Diversity

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EMLAB

Overcoming wide band fading

Linear equalizer

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EMLAB

Adaptive equalizer

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EMLAB

OFDM receivers

OFDM Subcarriers in the Frequency Domain

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EMLAB

. . .

0w 1w 2Nw 1Nw

12

각도 추정

.

.

.0w 1w 2Nw 1Nw

RF, modem

다중 빔 안테나

각도 추정 알고리즘 다중 빔 생성

Adaptive antenna