12 GHz-en végzett hullámterjedési mérések eredményeinek kiértékelése DR. BOGNÁR ZOLTÁN CZAPÁRY ANDRÁS Közlekedési és Távközlési Műszaki Főiskola Távközlési és Automatizálási Intézet
ÖSSZEFOGLALÁS A 12 G H z - e s i n d í t a n d ó h u l l á m t e r j e d é s i m é r é s t ismerteti a c i k k . E g y i d e j ű s z a k a s z c s i l l a p í t á s t , keresztpolarizációs csillapítást és e s ő i n t e n z i t á s t m é r ü n k egy a d ó é s egy v e v ő f e l h a s z n á l á s á v a l . A z e s ő m é r ő gyors m ű k ö d é s ű é s j ó f e l b o n t á s t tesz l e h e t ő v é . A m é r t 5 p a r a m é t e r b ő l 4 t o v á b b i t á l l í t u n k e l ő a d a t s z e l e k c i ó v a l , hogy i n f o r m á c i ó t g y ű j t s ü n k a töbrjutas terjedésről. A nyert adatok kiértékelése a k é t d i m e n z i ó s s ű r ű s é g f ü g g v é n y e k előállításával kezdődik, amelyek a H é s V p o l a r i z á c i ó b a n m é r t c s i l l a p í t á s o k a H V é s V H keresztpolari záciős csillapítások, valamint az eső havi eloszlásfüggvényeit szolgál t a t j á k - A k o r r e l á c i ó s t é n y e z ő k e t is m e g h a t á r o z z u k . A m i k r o p r o c e s z szoros a d a t f e l d o l g o z ó rendszer k i n y o m t a t j a a z ó r á s m a x i m u m , m i n i m u m é s m é d i á n é r t é k e k e t is.
1. Bevezetés A mikrohullámú távközlési csatornák tervezéséhez, ezen keresztül a frekvenciasávok legjobb kihasználá sához szerte a világon számos hullámterjedési m é r é s t végeztek. Ezekből sok tapasztalat g y ű l t össze, melyek a l a p v e t ő ú t m u t a t á s t adnak arra, hogy milyen p a r a m é t e r e k e t kell mérni, milyen jelenségeket kell vizsgálni, ha az ország t e r ü l e t é n vagy annak egy kisebb részén jellemző információkat akarunk kapni a tervezéshez A m i k r o h u l l á m ú csatornák beruhá zási költségeit ismerve nyilvánvaló, hogy nem lehet p u s z t á n olvasmányokra t á m a s z k o d v a tervezni. A 12 GHz-es s á v b a n először a Posta Kísérleti Jntézet végzett Budapest területén méréseket, majd vizsgálatokat az ország más részein. Méréseinket ezek t o v á b b f o l y t a t á s a k é n t szerveztük a T u d o m á n y szervezési és Informatikai Intézet anyagi t á m o g a t á sával. A szervezést és kivitelezést a Távközlési és Automatizálási I n t é z e t Vezetéknélküli Távközlési Osztálya végzi Czapáry András, Szabó Zsolt, Kolos Tibor, Kalász Gyula és Oláh Ferenc főiskolai ad junktusok részvételével. Az állami megbízásként folyó m u n k á t dr. B o g n á r Z o l t á n főiskolai docens irányítja.
DR. BOGNÁR ZOLTÁN 1962-ben szerzett okleve let a BME Villamosmér nöki Karán. Az Orionban fejlesztőmér nökként 1971-ig, köz ben évekig a Távközlési Kutató Intézetben és a Finommechanikai Válla latnál a mikrohullámú rendszerek fejlesztésén dolgozott. 1965—66-ban mikrohullámú szakmér nöki tanfolyamot végzett a BME-n. 1971-1980ig a Postavezérigazgató ság Vezetéknélküli Táv
t e k i n t h e t ő . Ezt az indokolja, hogy 100 dB/s sebes ségű fading esetén is legfeljebb 0,4 dB-t v á l t o z h a t n a k a m i n t a a m p l i t ú d ó k , ami jelentősen kisebb a terve zett felbontásnál (1. 1. t á b l á z a t ) . A t á b l á z a t a m é rési t a r t o m á n y o k a t is mutatja. Az esőintenzitást saját készítésű műszerrel mérjük (2). A mérési adatok feldolgozását egy 2 processzoros a d a t g y ű j t ő rendszer végzi, melyet az a l á b b i a k b a n ismertetünk: A mikrohullámú adó P1N diódás kapcsolója 2 ms-ig 10 kHz-cel szaggatott H polarizációjú jelet, 2 ms-ig V polarizációjú jelet j u t t a t az ADÁS oldali parabola a n t e n n á r a . A V É T E L oldalon a parabola antenna jele t á p v o n a l a k k ö z b e i k t a t á s á v a l PIN dió dás kapcsolókkal realizált polarizáció kapcsolóra j u t , amely felváltva a mindenkori vett H polarizációjú és vett V polarizációjú jelet kapcsolja az USU—3 mérővevő bemenetére. A PLV-diódás kapcsolókat m ű k ö d t e t ő S és S kapcsoló vezérlő jeleket a szűrő és szinkron egység állítja elő a mindenkori vett jelből. A m i n t a v e v ő és előfeldolgozó egység egyik bemene tére az USU—3 vevő AM-DET kimenete kapcsoló dik (jele A l ) , amely t e h á t időmultiplex jel. Az idő multiplex jelből helyes i d ő p o n t b a n t ö r t é n ő minta vétel időzítésére szolgál a SYNC1 és SYNCá jelű csatorna. Az F fading és a P polarizációs csillapí t á s m i n t a v é t e l e és mérése a megfelelő 1 ms-os időrés 8-ik 100 (j.s-jában t ö r t é n i k . Az F fading es a *VH polarizációs csillapítás mintavétele és mérése a meg felelő 1 ms-os időrés 3-ik 100 u,s-jában t ö r t é n i k . A m i n t a v e v ő és előfeldolgozó egység másik bemene tére az esőintenzitás mérő kimenete kapcsolódik (jele R). Az R jel időben lassan változik, mintavétele H
2. A mérőrendszer felépítése A felépítést a kivitelezés folyamán kissé módosítot t u k , hogy a mérések a lehető legtöbb szükséges információt n y ú j t s á k a szakaszról. Az 1. á b r á n lát h a t ó a rendszer v á z l a t a . Az adó és vevő oldali RF részeket részletesen i s m e r t e t t ü k (1), így i t t csak az adás és vétel i d ő d i a g r a m j á t mutatjuk be (2. á b r a ) . L á t h a t ó , hogy a vett jelből egy 4 ms-os periódusban veszünk m i n t á t , így valamennyi azonos idejűnek * B e é r k e z e t t : 1985. I I . 12.)
246
közlési Szakosztályán dol gozott a mikrohullámú rendszerek szakterületén. 1973-ban védte meg dok tori disszertációját, mely nek témája „Rádiócsa tornák megbízhatósága valóságos terjedési felté telek mellett". 1976—77ben Zambiában oktatott, oktatássszeruezési tevé kenységet végzett a Nem zetközi Távközlési Egye sület megbízásából. 1980tól a Közlekedési és Táv közlési Műszaki Főiskola docense, a Vezeték Nél küli Távközlési Osztály vezetője.
v
H
HV
v
Híradástechnika
XXXVI.
évfolyam
1985.
6.
szám
GYÍ1R
GYdR
MIKRO -
KTMF
HULLÁMI!) ÁLLOMÁS
J
POLARIZÁ CIÓ KAPCS.
D-ép.
POLARIZA CIO KAPCS.
( 4,8
MIKROH.
MERT
ADÓ
1
km SZAKASZ AM- DET
MIKROHULLÁMÚ VEVŐ
SZÚR*-
ÉS
SZINKRONEGYSÉQ
1-13 GHz USU - 3
MINTAVEVŐ ELÜFELDOLGOZÓ EGYSÉG
£ 2 MByte txMP6400
R S 232C 9600 Bd
TÁROLÓVEZÉRLÍI KIÉRTÉKELŐ EGYSÉG
CD VDT S2100
H33-T 1. ábra. A mérőrendszer vázlata és mérése az F fading 1 ms-os időrésének a 8-ik 100 [zs-jában t ö r t é n i k . A m i n t a v e v ő és előfeldolgozó egység MC6802 CPU-val, 50 k B y t e RAM, 12 k B y t e EPROM memóriával rendelkező mikroprocesszoros egység, ESZR m é r e t ű rackfiókban helyezkedik el. P á r h u z a m o s printer interfésszel, videoterminál csat l a k o z t a t á s á r a alkalmas soros 1200 B d sebességű, RS232C interfésszel, valamint a d a t á t v i t e l i rendelte tésű soros 9600 B d sebességű, 2?S232C interfésszel rendelkezik. 25 jxs konverziós idejű AD572 típusú, Analóg Devices g y á r t m á n y ú A/D Konvertert alkal mazunk analóg/digitál á t a l a k í t ó k é n t . A m i n t a v é t e l egyidejűsége 2,55 ms, a konverzió 12 bites a nagyobb pontosság érdekében. v
Híradástechnika
XXXVI.
évfolyam
1985.
6.
szám
A m i n t a v e v ő és előfeldolgozó egység k é t fontosabb funkciója: — Az ú n . órás feldolgozáshoz a H, V, HV, VH, R jellemzőket reprezentáló 8 bites alapadatokat gyűjti 8 ms felbontásban. Maximum, m i n i m u m és m é d i á n m e g h a t á r o z á s o k a t végez, az e r e d m é n y e k e t nyomtatja. — Az ú n . havi feldolgozáshoz a H, V, HV, VH, R jellemzőket reprezentáló 8 bites alapadatokat 0,5 s felbontásban gyűjti és átmenetileg 1 órára tárolja. Az 1 órás a d a t m e n n y i s é g e t az adat átviteli interfészen mintegy 1 perc alatt á t küldi a tárolóvezérlő és kiértékelő egységhez.
247
H
H
V 1 ms
V 1ms
1ms
1ms
ADÁS 1 2 3 1 . 5 6 7 8 9 1 0 1 2
ICOJJS
3 t
5
6
7
8
9
10
Jl
SYNCt
J L . 2.
1.
Ha idében j ö t t , elézé f. m i n t a érvényes!
Mérhet* j e l van !
Jl
Jl
SYNC1
Jl
Jl
1/3
1/4
1/2
1/1
JL. 2/1
2,55 rnsec H
H
VÉTEL A1 MINTAVÉTELI 1DÍP0NT0K Fading
[dB]
f
( 0
Polarizációs csillapítás [dB]
I t
v-v
H~V
0
M, HV
P
HV J
=
F
T I V-~H M VH
VH
H~ HV M
=
F, — M V VR
Eséintenzltös [mm/éra]
H
VH
HV
H33-2 2. ábra. Mintavételi időpontok
A tárolóvezérlő és kiértékelő egység Í8085 CPU-vsl, 56 k B y t e (bankelhető) RAM memóriával, 6 k B y t e EPROM memóriával rendelkező mikroprocesszoros egység, ESZR méretű rackfiókban helyezkedik el. P á r h u z a m o s printer interfésszel, videoterminál csat l a k o z t a t á s á r a alkalmas soros 1200 B d sebességű, RS232C interfésszel, valamint a d a t á t v i t e l i rendelte tésű soros 9600 B d sebességű, RS232C interfésszel rendelkezik. A 4 db M F 6 4 0 0 típusú MOM floppy-diszk 2 MByte tárolási kapacitással a havi feldolgozások tárolási igényének, valamint az archivált adatok feldolgozási igényének kielégítését szolgálja. A berendezéshez EPROM és PROM égető c s a t l a k o z t a t h a t ó .
248
A tárolóvezérlő és kiértékelő egység fontosabb funkciói: — A m i n t a v e v ő és előfeldolgozó egységtől á t v e t t 1 órás adatmennyiség időbeli eloszlásainak meghatározása, n y o m t a t á s a , á t m e n e t i t á r o lása. — H a v i kétdimenziós sűrűségfüggvények állítása 6 bites felbontásban.
elő
— Eső i d ő t a r t a m eloszlásainak meghatározása. — Kétdimenziós sűrűségfüggvényeket alapul vevő különféle feldolgozások. Híradástechnika
XXXVI.
évfolyam
1985.
6.
szám
Alapparaméter
Méíési
minták
tartomány
síkpolarizadís
50 dB
csillapítás (HésV)
polarizációs
1 dB
30 dB
1 dB
5- 200 mm/6
5 mm/e
csillap! t á s (V—H
é s H—V)
es6intenzit4s
CZAPÁRY
(R) I. táblázat
I . táblázat.
technika Szakán. 1978ban digitális elektronikai szakmérnöki képesítést szerzett. 1973—75 között a BEAG Elektroakusz tikai Gyárban dolgozott, mint fejlesztőmérnök. Társszerzője több szaba dalomnak. 1978 óta mik roprocesszorok alkalma zásával, hardver és szoft ver tervezési kérdéseivel foglalkozik. A Főiskolán oktatói munkája során számos jegyzetet írt. Az utóbbi években szakmai érdeklődése és munkája mikroprocesszoros belé pésellenőrző és riasztó rendszerek tervezése. Tag ja a HTE Mikroszámí tógépes programnyelvek és Operációs Szakosztály Vezetőségének.
Felb ontas
Mérési
ANDRÁS,
a Közlekedési és Távköz lési Műszaki Főiskola Távközlési és Automati zálási Intézetének ad junktusa. 1973-ban vég zett a BME Villamos mérnöki Kar Híradás
alapparaméterek
Mérési alapparaméterek
3. Mért jellemzők és kiértékelésük Síkpolarizált jelekkel végezzük a mérést, amikor is ezek csillapítását és a k ö z ö t t ü k levő polarizációs csillapítást mérjük. Szétválasztjuk a m é r t jeleket esős és esőmentes időben m é r t jellemzőkre, így t a n u l m á n y o z h a t j u k az eső, illetve t ö b b utas terjedés ha t á s á t . A feldolgozás során előállítjuk a csillapítások és polarizációs csillapítások havi eloszlásfüggvényét, az órás max, m i n és m é d i á n é r t é k e k e t , egyes korrelációs e g y ü t t h a t ó k a t és regressziós görbéket az alábbiak szerint: H I I ^V V V-H R
a 9 v. v . havi eloszlás függvénye a 9 v. v. órás max, m i n és m é d i á n értéke
primer adatok
Korrelációs e g y ü t t h a t ó k : . esős i d ő b e n : H, V; H, '-*VH; H, R; V, HV; V, R; VH, R; HV, R. esőmentes időben adatszelekcióval esőmentes i d ő b e n : H, V; H H, VH; V, H V H-+V V regressziós görbe A kiértékelés a l a p j á t a korrelációs e g y ü t t h a t ó n á l a fent f e l t ü n t e t e t t v. v. párok kétdimenziós hiszt o g r a m j á n a k előállítása képezi. Tekintve, hogy diszkrét eloszlásról van szó, az együttes hisztogramot egy-egy kétdimenziós S XS , S XS , S XS , i l l . S XS m é r e t ű m á t r i x képviseli. Az S-ek i t t a felbontást jelentik, melyek végleges é r t é k é t a mérőrendszer kiépítettsége korlátozza, de fennáll, hogy H
H
P
VH
V
H
S , S a:50, S s : 3 0 , S a=áO. H
VH
R
v
VH
R
Híradástechnika
2^HiVj
XXXVI.
és b )V
2 HiVj (=1 b
•
évfolyam 1985. 6. szám
S
H
i=i
h .
b = Bv=Z
VJ
Hi
(3)
Az egydimenziós hisztogramokból az eloszlásfüggvé nyek az alábbiak szerint állíthatók elő, p l . : F
H
( h ) ~
2
b,
(4)
Hi
ahol h végigfut a H teljes f a d i n g t a r t o m á n y o n (50 dB), melyet a h diszkrét értékek képeznek. Az el oszlások jellemzői az alábbiak szerint s z á m í t h a t ó k : várható érték: t
M(fl) = j g - Z M .Ht H
(5)
t
szórás:
—2h^b -M{Hf. B
£>(#):
Hi
(6)
Fentiek ismeretében m e g h a t á r o z h a t ó a k é t v. v. korrelációs e g y ü t t h a t ó j a is:
H
H,
v —
2 2 hp b -M(fi).M(y) l j l D(H)-D{V). J
BB r
V
i =
HlV1
=
(7)
Az e g y ü t t e s eloszlások ismerete lehetőséget ad egyes eseményekre vonatkoztatott feltételes eloszlások előállítására is, p l . : F (h)=—— HlR=0
HiV
=
B =Í
Zt>m*-o-
(8)
(1)
A feldolgozás ismertetéséhez t e k i n t s ü k csak a H, V hisztogramot, melynek elemei b j-k. E b b ő l az egyedi H és V hisztogramokat a ^Hl
Természetesen az is fennáll, hogy a teljes h a v i minta szám
(2)
Ez természetesen azonos eloszlást ad, m i n t az eső mentes időben adatszelekcióval nyert H, V vagy H, VH együttes hisztogramból (2), (3) és (4) szerinti peremeloszlás. K é t v. v . együttes eloszlásának ismeretében sta tisztikai becslést is adhatunk a k e t t ő közötti függ-
249
vényszerű kapcsolatra, p l . a H polarizációban m é r t csillapítás (A ) és az esőintenzitás (R) k ö z ö t t : H
A„(fí)=M(|„|Í =R)
(9)
R
alakú regresszió képzésével, ahol M a v á r h a t ó érték képzést jelöli. A (9) alakú függvényt f - n a k l^-re vonatkoztatott regressziójának nevezzük [3]. E z t alkalmazva: H
S
H
2 i HiRK h b
A (RK)=~ H
(10)
empirikus függvényt kapjuk. Az esőcsillapítás eloszlásának meteorológiai m é résekből való becslése céljából 30 mp, 1, 5, 10 perces, 1 órás átlagolással is veszünk fel esőintenzitás el oszlásfüggvényt. A CCIR által ajánlott (4) 1 órás feldolgozást is végzünk abból a célból, hogy vizsgálható legyen a p a r a m é t e r e k napi változása. Ennek a l a p j á n fel vehető a nap m e g h a t á r o z o t t órájában valamelyik p a r a m é t e r éves eloszlása vagy az órás maximumok, minimumok vagy mediánértékek havi eloszlása. A mérőrendszer lehetővé teszi az egyidőben m é r t p a r a m é t e r e k k i n y o m t a t á s á t , mellyel p l . a regressziós becslés jósága szemléletesen ellenőrizhető. Az eső jellegét naplózással rögzítjük.
nyekkel lehet megkísérelni. Vizsgálhatók a para méterek a „legrosszabb h ó n a p " kiválasztása céljá ból is. A CCIR-ben ajánlott (5), a mélyfadingekre vo n a t k o z ó p K-Q e g y ü t t h a t ó k is m e g h a t á r o z h a t ó k , melyek a mélyfadingek megjelenési valószínűségét, a klimatikus és domborzati h a t á s t jelentik. Méréseinknek k o r l á t a i is vannak. Az esőintenzitás és a csillapításadatok k ö z ö t t akkor t u d n á n k felállí tani szorosabb függvénykapcsolatot, ha az esőinten zitást a szakasz t ö b b pontján m é r h e t n é n k . Ezt nem v á l l a l h a t t u k a tetemes költségnövekedés miatt. T o v á b b i korlát, hogy jóllehet a csillapítások tulaj donságainak vizsgálata megmutatja a t ö b b utas ter jedés h a t á s á t , ennek mérését a légkör tulajdonságai nak (p, e, T vagy A és AN) mérésével kellene k í sérni, ami m á r a meteorológiai jellemzőkből való becslést is lehetővé t e n n é . Mindezek ellenére ú g y véljük, hogy méréseink hasznos, új alapinformációkkal j á r u l n a k hozzá a hazai hullámterjedési k u t a t á s o k h o z . A z i t t alkalma zott mérési elv m á s frekvenciasávokra is alkalmaz h a t ó a későbbi vizsgálatokhoz. A szerzők és a mérőcsoport tagjai köszönetet mon danak a Főiskolán, a Magyar P o s t á n á l , Távközlési K u t a t ó Intézetnél, Tudományszervezési és Informa t i k a i Intézetnél és m á s u t t dolgozó kollégáknak az eddigiekben n y ú j t o t t segítségükért és t á m o g a t á sukért. M
r
0
IRODALOM Összefoglalás A fentiekben ismertetett mérés l á t h a t ó a n számos alapinformációt ad a távközlési csatornák tervezésé hez. Az empirikus eredmények felhasználását to v á b b könnyíti, ha illeszkedő függvényeket keresünk az eloszlásfüggvényekhez. Az eloszlásfüggvények k ö zelítését elsősorban Nakagami-m eloszlásfüggvé
[1] Kolos
[2] [3] [4] [5]
Tibor—dr.
Bognár
Zoltán:
Hullámterjedési
mérések a 12 GHz-es sávban. K T M F . Tud. Ülés szak, 1984. V. 13-15. Dr. Bognár—Kalász—Szabó: Nagy sebességű eső intenzitás-mérés hullámterjedési vizsgálatok céljáraPrékopa András: Valószínűségelmélet, Műszaki Könyvkiadó, Bp. 1972. C C I R Rec. 3 1 1 - 4 Genf, 1982. C C I R Rec. 3 3 8 - 4 Genf, 1982.
