Váení zákazníci, dovolujeme si Vás upozornit, e na tuto ukázku knihy se vztahují autorská práva, tzv. copyright. To znamená, e ukázka má slouit výhradnì pro osobní potøebu potenciálního kupujícího (aby ètenáø vidìl, jakým zpùsobem je titul zpracován a mohl se také podle tohoto, jako jednoho z parametrù, rozhodnout, zda titul koupí èi ne). Z toho vyplývá, e není dovoleno tuto ukázku jakýmkoliv zpùsobem dále íøit, veøejnì èi neveøejnì napø. umisováním na datová média, na jiné internetové stránky (ani prostøednictvím odkazù) apod. redakce nakladatelství BEN technická literatura
[email protected]
2 kapitola
2
ÍØENÍ VLN V ZÁSTAVBÌ PRO MOBILNÍ BUÒKOVÉ SYSTÉMY 2.1
íøení vln v pásmu UHF ............................................. 10
2.2
Mobilní spoj ................................................................ 13
2.3
íøení v poloprostoru .................................................. 16
2.4
Mechanizmy íøení vlny v zástavbì........................... 18
2.5
Modelování íøení vln v zástavbì .............................. 21
2.6
Klasifikace modelù íøení vln v zástavbì .................. 24
2.7
Pøehled modelù ........................................................... 26
2.8
Pøíklad výpoètu pokrytí ............................................. 27
2.1 íøení vln v pásmu UHF Klasická teorie íøení elektromagnetických vln vychází z vlnové rovnice, která je odvozena pøímo z Maxwellových rovnic [22]. Pro potøeby plánování rádiových komunikaèních systémù je dùleitá teorie íøení vln v zemské atmosféøe ([21], [9]). Na obr. 2.1 je znázornìn jeden ze zpùsobù klasifikace íøení vlny pro pozemní rádiové systémy z hlediska prostorového uspoøádání spoje. Ionosférická a troposférická vlna se íøí s odrazy v atmosféøe, zatímco pøízemní povrchová vlna se íøí podél rozhraní zemìvzduch. Cílem naeho zájmu je tzv. pøízemní prostorová vlna, která se íøí v prostoru nad zemským povrchem.
Obr. 2.1
Prostorová klasifikace elektromagnetických vln pro pozemní rádiové spoje
Charakter chování elektromagnetické vlny urèuje primárnì pracovní frekvence, resp. vlnová délka. Délka vlny a rozmìry objektù v prostøedí, ve kterém se vlna íøí, toti determinují, jak se bude vlna pøi íøení tlumit, odráet, ohýbat a rozptylovat. Souèasné pozemní mobilní sluby pracují pøevánì v kmitoètovém pásmu decimetrových vln
Obr. 2.2
10
Oznaèení frekvenèních pásem pro rádiový pøenos dle ÈSN IEC 60050-713
Pavel Pechaè: Modely íøení vln v zástavbì
A
UHF (obr. 2.2). Dùvodem jsou velmi vhodné vlastnosti elektromagnetických vln pro daný typ komunikace na tìchto frekvencích: relativnì malé ztráty íøením, dobrá schopnost odráet se, ohýbat se a pronikat pøekákami v zástavbì. Vlnové délky umoòují konstrukci relativnì malých antén vhodných pro mobilní terminály. Jak naznaèuje diagram na obr. 2.1, pøízemní prostorová vlna se mùe íøit buï pøímo pøi pøímé optické viditelnosti mezi obìma anténami spoje nebo s odrazy, ohyby a rozptyly na pøekákách. Tyto jednotlivé mechanizmy íøení se uplatòují pøedevím podle typu okolního prostøedí, se kterým pøízemní prostorová vlna interaguje. Podle tohoto kritéria lze mluvit o vlnì íøící se ve volném prostoru, v poloprostoru nad rovinnou zemí, nad èlenitým terénem, nad terénem s vegetací a koneènì vlnì íøící se v mìstské zástavbì, kde odrazy, ohyby a rozptyl vlny zpùsobují pøekáky vytvoøené lidskou rukou. Aèkoli v reálném svìtì jsou vlivy jednotlivých typù prostøedí vìtinou neoddìlitelné a vzájemnì se kombinují (napø. vlna se íøí v zástavbì postavené na nerovném terénu s vegetací), otázka modelování íøení se více èi ménì øeí samostatnì. Tato práce je zamìøena na izolovanou problematiku íøení v zástavbì, tj. nezabývá se predikcí íøení vlny nad nerovným terénem, vegetací apod. Díky uvaovanému frekvenènímu pásmu UHF a relativnì krátkým spojùm v øádu maximálnì jednotek kilometrù je moné zanedbat dalí jevy pøi íøení vln v pøízemních vrstvách atmosféry, jako jsou troposférická refrakce, útlum hydrometeory, útlum atmosférických plynù aj. Pøedmìtem naeho zájmu je ta èást rádiového komunikaèního øetìzce mezi vysílaèem a pøijímaèem, která pøedstavuje pøemìnu elektromagnetické energie vedené (napø. napájecím kabelem) na energii vyzáøenou pomocí antény, její pøenos ve formì elektromagnetické vlny daným pøenosovým prostøedím a koneènì zpìtnou transformaci vlny vyzáøené na vlnu vedenou. Pro modelování bezdrátového pøenosu jsou urèující nejen druh spoje a vlastnosti pøenosového prostøedí, ale i typ a umístìní antén. Pro popis tzv. pokrytí, tj. v základním pojetí úroveò signálu generovaného základnovou (vysílací) anténou v daném bodì pozorování, existují dvì monosti. Úroveò signálu popíeme jako intenzitu elektrického pole v daném místì nebo jako výkonovou úroveò pøijatou referenèní anténou. Jako referenèní anténa se typicky volí ideálnì vesmìrová (isotropická) anténa s jednotkovým ziskem (0 dB). Pro zobrazení pokrytí se výkonová úroveò signálu pouívá velmi èasto, a to ani by se údaj o referenèní pøijímací anténì explicitnì uvádìl. Uveïme si nìkolik základních vztahù pro íøení vlny v idealizovaných podmínkách volného prostoru. Pro volný prostor platí
(HI = kde
A
Eef PV GV d
39 *9 G
(2.1)
je efektivní hodnota intenzity elektrického pole (V/m) v bodì pozorování výkon (W) na vstupu vysílací antény zisk vysílací antény () v pøísluném smìru vzdálenost (m) vysílací antény a bodu pøíjmu
2 íøení vln v zástavbì pro mobilní buòkové systémy
11
Je-li v bodì pøíjmu umístìna pøijímací anténa, lze pøi stavu impedanèního pøizpùsobení psát ideální pøenosovou rovnici
33 =
(HI *3 l » l ± = 39 *9 *3 ª ² p p ½ p G Õ
(2.2)
resp. vyjádøeno jako odstup od umu (výkonový pomìr pøijaté úrovnì a úrovnì umu)
33 39 *9 *3 » l ± = ª ² N7% ) N7% ½ p G Õ ) kde PP je výkon (W) pøijatý pøijímací anténou v bodì pozorování l vlnová délka (m) GP zisk pøijímací antény () v pøísluném smìru k Boltzmannova konstanta, k = 1,38·1023 J/K T teplota (K) B íøka pøenáeného frekvenèního pásma (Hz) F umové èíslo () pøijímaèe V praxi se témìø výhradnì pouívá vyjádøení v decibelech, tj.
kde
6153 =
(2.3)
33 = 39 + *9 + *3 - )6/ ( G ) - /
(2.4)
3 PP je pøijatý výkon (dBm), 3G%P = ORJ :- PV výkon na vstupu vysílací antény (dBm) GV, GP zisky antén (dB), *G% = ORJ *
«» p G ± á FSL(d) ztráty volným prostorem (dB), )6/ G G% = ORJ ê (2.5) ² ³ ì½ l Õ ³ã L ztráty íøením (dB) v daném prostøedí (ve volném prostoru jsou nulové), /G% = ORJ / Ztráty volným prostorem (free space loss) pøímo v dB lze také spoèítat podle
)6/ ( GNP ) = + ORJ ( I0+] ) + ORJ ( GNP )
(2.6)
kde je vzdálenost v km a frekvence v MHz. Pro pøevod intenzity elektrického pole na výkonovou úroveò pøijatou referenèní isotropickou anténou v daném místì platí 3G%P = (G%X - - ORJ I0+]
(2.7)
PdBm je výkon (dBm) pøijatý isotropickou anténou v bodì pøíjmu EdBu je intenzita elektrického pole (dBmV/m) v bodì pøíjmu, ( (G%X = ORJ 9P - fMHz frekvence (MHz) Odvození a podrobnìjí rozbor výe uvedených vztahù viz napø. [21] nebo [24]. kde
12
Pavel Pechaè: Modely íøení vln v zástavbì
A
2.2 Mobilní spoj Pøedpokládáme pouze mobilní spoj pozemního radiokomunikaèního systému v uspoøádání podle obr. 2.3, kdy je anténa základnové stanice pevnì umístìna vzhledem k povrchu zemì, zatímco anténa mobilního uivatele je pohyblivá.
Obr. 2.3
Geometrie mobilního spoje
Signál íøící se mezi pevnou a mobilní anténou v mìstském prostøedí je tlumen a kolísá pùsobením rùzných fyzikálních mechanizmù. Blokové schéma výkonové bilance pøenosu naznaèuje obr. 2.4.
Obr. 2.4
A
Mechanizmus modelování výkonové bilance rádiového pøenosu v zástavbì
2 íøení vln v zástavbì pro mobilní buòkové systémy
13
Na obou koncích spoje se uplatòuje zisk antén, kterým je nutné vynásobit výkonovou úroveò pøijímaného signálu. Na pøijímací stranì pøistupuje aditivní um, zpùsobený interferencemi a umem pøijímaèe. Vlastní útlum íøením daným prostøedím je pøedstavován tøemi multiplikativními slokami: Ztráty íøením (path loss) útlum závislý zejména na délce spoje a typu prostøedí. Tato èasovì nepromìnná sloka pøedstavuje støední hodnotu signálu v daném bodì pozorování a jeho okolí. Hodnota je dána prùmìrem velkého poètu mìøení okamité hodnoty úrovnì signálu uskuteènìných v dostateènì dlouhém èasovém intervalu na ploe o prùmìru øádovì nìkolika vlnových délek. Pomalé úniky (slow fading, long-term fading, shadowing) útlum zpùsobený zastínìním spoje (terénem, zástavbou, vegetací, lidmi apod.) pøi pohybu mobilní antény. Ke kolísání úrovnì signálu dochází z hlediska vlnové délky pomalu, tj. pøi zmìnì polohy o øádovì minimálnì desítky vlnových délek. Hloubka tìchto únikù, tj. pokles úrovnì signálu vùèi základnímu prùbìhu, mùe být velmi velká, napø. a desítky dB, podle konkrétní situace. Pomalé úniky vykazují logaritmicko-normální rozloení v èase s nulovou støední hodnotou. Rychlé úniky (fast fading, short-term fading, Rayleigh fading) zpùsobují velmi rychlé a hluboké kolísání úrovnì signálu. Jsou zpùsobeny pøedevím vícecestným íøením signálu a dopplerovským posuvem, který vzniká dùsledkem pohybu mobilní antény a okolních objektù. Elektromagnetická energie se mezi pevnou a mobilní anténou íøí té pomocí odrazù po mnoha rùzných drahách (paprscích). Díky vesmìrové mobilní anténì dochází pøi vícecestném íøení k fázovému sèítání velkého mnoství rùznì odraených paprskù z rùzných smìrù od rùzných objektù. Tím je vytváøeno v prostoru jakési stojaté vlnìní s minimy vzdálenými asi polovinu vlnové délky. Zpodìní odraených paprskù mùe být znaèné (napø. desítky ms) podle vzdálenosti objektù, od kterých se odráí. Dùleitou vlastností rychlých únikù je také skuteènost, e jsou silnì promìnné v èase, co je zpùsobeno jak pohybem uivatele, tak neustále se mìnícím pøenosovým prostøedím. Svojí povahou jsou v irokopásmových pøenosech rychlé úniky kmitoètovì selektivní, tj. hloubka úniku v daném okamiku a místì není z hlediska pøenosového pásma konstantní. Rychlé úniky vykazují Rayleighovo rozloení v èase s nulovou støední hodnotou. Pøi pøímé viditelnosti mezi pevnou a mobilní anténou, kdy je pøímý paprsek dominantní, se pak jedná o zvlátní pøípad Rayleighova rozloení Riceovo rozloení. Blií vysvìtlení jednotlivých pojmù (irokopásmový pøenos, logaritmicko-normální rozloení, Rayleighovo rozloení atd.) lze nalézt napø. v [39]. Kolísání prùbìhu pøijímané úrovnì signálu mobilního spoje pøi pohybu mobilní antény v mìstské zástavbì ilustruje obr. 2.5. Jednotlivé sloky pøenosových ztrát korespondují s blokovým schématem na obr. 2.4 a výe uvedeným popisem. Prùbìhy v diagramech odpovídají narùstající vzdálenosti mobilní antény od pevné v prostøedí mìstské makrobuòky, kdy je pevná anténa umístìna nad úrovní okolní zástavby.
14
Pavel Pechaè: Modely íøení vln v zástavbì
A
