Mobilne_Radiokomunikacije-predavanje02

10. listopad 2011.1 Mobilne radiokomunikacije

MOBILNE RADIOKOMUNIKACIJEpredavanje_02

ponedjeljak, 10. listopad 2011.2 Mobilne Radiokomunikacije

SADRŽAJ

UVOD U BEŽIČNE MREŽE> Uvod u bežične mreže> Elektromagnetsko zračenje> Pregled Frekvencijskih pojasa

UVOD U BEŽIČNE MREŽE> Snaga na zračnom sučeljuPRINCIPI PROPAGACIJE RADIJSKOG SIGNALA> Principi propagacije radijskog signala> Propagacijski modeli

TEHNIKE PRIJENOSA RADIJSKOG SIGNALA> Efekti koji narušavaju kvalitetu prijenosa signala na zračnom sučelju> Diverziti tehnike> Metode višestrukog pristupa

TEHNIKE PRIJENOSA RADIJSKOG SIGNALA> Analogni modulacijski postupci> Digitalni modulacijski postupci

ANTENE


UVOD U BEŽIČNE MREŽE Pravila logaritmiranja

> Pravila logaritmiranja:

b

bb

b

aab

ab

aa

aba

baba

baba

10)(loglog

log1loglog

loglog

loglog)log(

loglog)log(

1

1

=→→=

==

=

−=

+=×

−


UVOD U BEŽIČNE MREŽEŠto je to dB, dBm?

> Decibel (dB) je logaritamska mjerna jedinica koja izražava relativan odnos neke mjerene (X) fizikalne veličine u usporedbi sa specificiranom ili pretpostavljenom vrijednošću (Xo). Decibel ima široku primjenu u akustici, fizici, elektronici i nekim drugim znanstvenim disciplinama

> Logaritamska priroda omjera omogućava prikladan prikaz jako velikih, ali i jako malih omjera. Tako npr. povećanje od 3 dB odgovara udvostručenju snage, povećanje od 6 dB odgovara četverostrukom povećanju snage itd.

> Obzirom da se radi o omjeru, decibel je bezdimenzionalna veličina.

> dBm je stoga izmjerena razina snage u odnosu na 1mW:

> Primjeri:


UVOD U BEŽIČNE MREŽEdBm, dBμV/m, dBi i dBd

> dBmoznačava da je referentni nivo snage jedan mW, a to je upravo jedinica koju ćemo najčešće koristiti kod računanja propagacije radijskog signala.

> dBμV/m(dBμV/m) je mjera za relativnu jačinu elektromagnetskog polja u odnosu na 1 mikrovolt po metru.

> dBi i dBddBi- pokazuje koliko je dobitak u smjeru maksimalnog zračenja antene veće od dobitka kojeg bi ostvarili korištenjem izotropnog radijatoradBd- služi za praktično mjerenje dobitka obzirom da idealan izotrponi radijator ne postoji, a pokazuje koliko je dobitak u smjeru maksimalnog zračenja antene veće od dobitka kojeg bi ostvarili korištenjem poluvalnog dipola

301

log10

+=

=

dBWdBm

dBm

PPmWPP

mVEE mVdB /1

log20/ μμ =

15.2+= dBddBi XX


UVOD U BEŽIČNE MREŽEOdnos dB - W

> Odnos dB -W


UVOD U BEŽIČNE MREŽEdozvoljene snage odašiljanja-GSM

> Snaga u GSM sustavu (BTS i MS)

*BTS- Base Transciver Station*MS- Mobile Station


UVOD U BEŽIČNE MREŽEdozvoljene snage odašiljanja- UMTS

> Snaga u UMTS sustavu (nodeB i UE)U verziji R99 UMTS standarda postoji ograničenje za snagu makrobazne (NodeB) stanice (engl. General Purpose Class) i iznosi 43 dBm (20W). Prema zadnjoj verziji UMTS standarda (verzija 9) za tu klasu baznih stanica koja omogućava pokrivanje najvećeg geografskog područja (engl. Wide area Base Station) nema ograničenja u maksimalnoj dozvoljenoj snazi (Tabela 1.9).

S obzirom na snagu korisničke opreme (UE) za UMTS su prema 3GPP standardu definirane ukupno 4 klase, od čega se klase 3 i 4 najčešće koriste (tablica 1.10):

*UE- User Equipment



> DL Kapacitet u UMTS sustavu ograničen je raspoloživom snagom bazne stanice (NodeB)



> DL Kapacitet u UMTS sustavu ograničen je raspoloživom snagom bazne stanice (NodeB)


UVOD U BEŽIČNE MREŽEdozvoljene snage odašiljanja- WLAN

> WLAN> nelicencirani ili ISM (Industrial, Scientific, Medical – industrijski, znanstveni,medicinski) spektar (2400 - 2483,5. MHz)> dozvoljen za slobodnu upotrebu svakome, uz uvjet da ne krši pravilo o izlaznoj jačini. > U Hrvatskoj Zakon o telekomunikacijama predviđa slobodno umrežavanje na neprofitnoj osnovi sve dok zračena snaga

na anteni (EIRP) ne prelazi 100 miliwatta.> Specifičan primjer gdje su dozvoljene veće snage:

U Americi je u 3.6 GHz području iznimno za WLAN sustave dozvoljeno korištenje većih izlaznih snaga (maksimalno 20W EIRP). Na taj su način omogućili spajanje WLAN uređaja navećim udaljenostima (do 5 km).

EIRP Equivalent isotropically radiated power ili Effective isotropically radiated powerEIRP je snaga koju je potrebno privesti izotropnomzračećem elementu (koji nema nikakvog dobitka),da bi signal na prijemnoj anteni bio istoga nivoa kaoi sa antenom koju koristimo

Gubici (LCONN)Konektori<0.5dB

Gubicifeeder

Izlazna snaga (PT)BTS, NodeB, AP...

Dobitak antene(Ga)

(makro- tipično 13-18 dBi)

Gubici (LC)Feeder, jumper

aCONNCT GLLPEIRP +−−=


UVOD U BEŽIČNE MREŽEdozvoljene snage odašiljanja- Bluetooth

> Bluetooth> Niže su (Tabela 1.11) prikazane klase maksimalnih dozvoljenih snaga za Bluetooth bežične uređaje,

definirane standardom. Postoje ukupno 3 klase, za koje je približno definiran i domet koji ostvaruju.


UVOD U BEŽIČNE MREŽENačela propagacije radijskog signala

> Osnovni gubici propagacije u otvorenom prostoru

Otvoreni prostor> homogeni idealni dielektrički medij kojeg možemo smatrati beskonačnim u svim smjerovima> slučaj najmanjih gubitaka između predajnika i prijemnika

Realni medij> višestruko ograničen (diskontinuiteti zemlja –zrak, građevine – zrak, zemlja – svemir...)

Načela geometrijske optike> Koristimo ih za objašnjavanje određenih mehanizama širenja elektromagnetskih valova:

> refleksija> refrakcija


UVOD U BEŽIČNE MREŽERefleksija

Refleksija


UVOD U BEŽIČNE MREŽERefleksija

Refleksija> Elektromagnetski val pri nailasku na prepreku može biti reflektiran> Amplituda reflektiranog vala ovisi o frekvenciji i kutu upadnog vala te električkim karakteristikama same

prepreke> Snellov zakon refleksije daje odnos kuta upadne i reflektirane zrake:

> Amplitude reflektiranog vala dane su relativno prema amplitudi upadnog vala Fresnelovim koeficijentima refleksije R. Koeficijenti su različiti za slučaj kada je električno polje paralelno (indeks p) i okomito (indeks o) na ravninu raspršenja:

ru Θ=Θ

ur REE =


UVOD U BEŽIČNE MREŽERefrakcija

Refrakcija


UVOD U BEŽIČNE MREŽEPermeabilnost i permitivnost

Permeabilnost> Magnetska (propustljivost) permeabilnost (μ) je konstanta proporcionalnosti između magnetske indukcije i

intenziteta magnetskog polja, a možemo reći da je to sposobnost medija da koncentrira magnetski tok> Relativna magnetna permeabilnost (μr), je omjer permeabilnosti nekog medija i permeabilnosti vakuuma

Permitivnost> Dielektrik = grčki dia (kroz) + elektrik; dielektrik je materijal kroz koji prolazi električno polje, ali sam ne

provodi električne naboje> Relativna dielektrična konstanta εr je broj koji govori koliko puta neki

dielektrik smanjuje jakost električnog polja (elektrostatske sile) između dva nabijena tijela u odnosu na vakuum

or μ

μμ =

⎟⎠⎞⎜

⎝⎛×Π= −

27104

AN

oμ

or ε

εε = ( )VmAs

coo

o12

2 10854.81 −×==μ

ε



Refrakcija> Snellov zakon refrakcije (loma):

> Gornja jednadžba potvrđuje opažanja kako je fazna brzina vala u mediju veće permitivnosti i permeabilnosti (gušći medij) smanjena, uzrokujući tako zakretanje prenesene zrake od površine prepreke.

> Promjenu u brzini možemo izraziti u obliku indeksa loma n koji predstavlja omjer fazne brzine u vakuumu i mediju:

> frekvencija reflektiranog i prenesenog vala ostaje jednaka frekvenciji upadnog vala, tj. omjer valne brzine i valne duljine ostaje konstantan. Tako će val u gušćem mediju imati manju faznu brzinu i manju valnu duljinu nego u vakuumu.

> amplituda prenesenog vala dobiju se slično kao i jednadžbe reflektiranog vala, relativno prema amplitudi upadnog vala, Fresnelovim koeficijentima transmisije:

1

2

11

22sinsin

nn

t

i ==μεμε

θθ

rrvcn εμ

εμμε

===00

ut TEE =



Refrakcija> fazna brzina vala u mediju veće

permitivnosti i permeabilnosti (gušći medij) smanjena, uzrokujući tako zakretanje prenesene zrake od površine prepreke.

> Ta se činjenica može upotrijebiti u objašnjenju načina širenja elektromagnetskog vala kroz atmosferu. Dielektrička je konstanta ovisna o tlaku, vlažnosti i temperaturi atmosfere.Parametri se smanjuju s povećanjem visine, što uzrokuje povećanje valne brzine i zakretanje zrake prema zemlji. U horizontalnoj homogenoj atmosferi je vertikalna promjena metereoloških parametara slojevita i postupna (vrijedi i za dielektričku konstantu), uzrokujući tako trajno savijanje zrake. Zraka se savija od gušćih do rjeđih slojeva atmosfere, prateći tako zakrivljenost zemlje.


UVOD U BEŽIČNE MREŽEDifrakcija

Difrakcija> načela geometrijske optike daju potpuno pogrešne

rezultate predikcije kada se promatra polje iza prepreke, u tzv. zasjenjenom području, s obzirom da prema tim načelima ono ne postoji

> U praksi su mnoga mjerenja pokazala da ne postoji oštro razgraničenje i da se dio energije vala prenosi unutar zasjenjenog područja.

Huygensova načela> Difrakcija se može opisati koristeći Huygensova načela:

1. Svaki se element kružne valne fronte vala može u određenom vremenskom trenutku promatrati kao sekundarni izvori vala.

2. Položaj valne fronte u svakom trenutku predstavlja omotnicu međudjelovanja svih sekundarnih izvora



Fresnelove difrakcijski parametar i gubici propagacije> aproksimaciju oštrice noža (engl. knife-edge) možemo opisati kao oštricu savršenih apsorpcijskih svojstava koja

se prema dolje proteže u beskonačnost

> Fresnelov difrakcijski parametar (ν) može se definirati u okviru geometrijske optike (d1,d2>>h ) :

> gušenje polja uslijed difrakcije na rubu prepreke:

> specifična točka (Lke(0)=6 dB) prijemna snaga smanjuje 4 puta kada se rub prepreke nalazi točno na putanji (h`=0)između odašiljača i prijemnika.

( )( )21

21

21

21 22`dd

ddddddh

+=

+=

λα

λν

νπν255.0log20

21log20 −≈−≈keL



Fresnelove zone> Definicija: N-ta Fresnelova zona je područje unutar

elipsoida definirano skupinom točaka za koje vrijedi da je (a+b) veći od direktnog puta za n polovica valne duljine.

> Fresnelovu zonu možemo smatrati prostorom koji sadrži energiju propagacije vala. Doprinosi unutar prve zone su u fazi i zato svaka apsorbirajuća prepreka koja ne ulazi u prvu zonu ima zanemariv utjecaj na prijemni signal

> Prohodnost Fresnelove zone (h/rn) može se prikazati pomoću faktora difrakcije:

> prostor umnoška 0.6 x prva Fresnelova zona (r1) bez prepreka, tada je ν parametar aproksimativno – 0.8, a prema grafikonu (prethodni slide) su gubici uzrokovani opstrukcijom 0 dB.

( )n

rh

ddddh

n

22

21

21 =+

≈λ

ν


UVOD U BEŽIČNE MREŽEPropagacijski modeli

Podjela propagacijskih modela:> Empirijski> Fizikalni> Hibridni

EMPRIJSKI MODELI> Ne postoji nikakva povezanost sa fizikalnim mehanizmima propagacije prema kojima se širenje radiovala događa, a

zasnivaju se na mnogobrojnim terenskim mjerenjima jačine signala> Nedostatak: Teren na kojem želimo izvesti predikciju potrebno je klasificirati sukladno određenim kategorijama kao npr.

«urbana sredina», što za različite zemlje ima različito značenje> Okomura- Hata model, Cost 231 model, Lee model

FIZIKALNI MODELI> Zasnivaju se na ranije objašnjenim fizikalnim principima propagacije signala: refleksija, refrakcija, difrakcija> Zahtijevaju detaljne 3D karte područja na koja će se primjeniti model > Gušenje u otvorenom prostoru, model gušenja površine zemlje, Allsebrukov i Parsonov model, Ikegami model,

Walfisch - Bertoni model

HIBRIDNI MODELI> Kombinacija fizikalnih i empirijskih modela> Egli model



Gušenje u otvorenom prostoru

> Fizikalni model> gušenje otvorenog prostora (engl. Path Loss) između dviju antena u otvorenom prostoru opisano je Friisovom

jednadžbom:

> ukupno gušenja (path loss) definirano je omjerom između odaslane i primljene snage:

> ukupno gušenje puta u dB:

2

4⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

rGG

PP

bat

r

πλ

22 44⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛==

crfr

PGGPL

r

batF

πλπ

MHzkmdBF fRL log20log204.32)( ++=



Gušenje površine zemlje

> Fizikalni model> Elektromagnetsko polje opisuju tri sastavnice: direktni val, reflektirani val i površinski val. > Model uzima u obzir direktni i reflektirani val

> Model se koristi za jednostavne predikcije gušenja signala kada ne postoje prepreke između bazne i mobilne stanice i kada su one blizu. Ako je razmak među njima velik potrebno je uzeti u obzir i sfernuzakrivljenost zemlje.

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛−⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛=

rhhk

rPP bm

T

P 2cos14

22

πλ



EGLI model

> Hibridni model> Zasnovan na mnogobrojnim mjerenjima u raznim američkim gradovima > EGLI model objašnjava ukupno gušenje puta kao funkciju frekvencije

> frekvencija f unosi se u MHz.

> Može se koristiti za frekvencije veće od 40 MHz i vrijedi za nepravilan teren. Model je dosta neprecizan i može se koristiti samo za grubu predikciju kada su ostali podaci o terenu nepoznati. Model je sistematska interpretacija mjerenja koja pokrivaju široki spektar frekvencija.

( ) ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛+−=

40log20log20log40 fhhrL mbb



Primjeri predikcija dobivenih propagacijskim modelom



Primjeri predikcija dobivenih propagacijskim modelom

Documents

Mobilne_Radiokomunikacije-predavanje02