BME Mobil Innovációs Központ

Mobil Innovációs Központ

A rádiós lefedettség elméleti jellemzői és gyakorlati megvalósulása, elméleti alapok Professzionális Mobiltávközlési Nap 2010 Dr. Pap László egyetemi tanár, az MTA rendes tagja BME Mobil Innovációs Központ

2010.04.15.

1


A rádiókommunikáció alapjai

/ A rádiós átvitel minőségét az alábbi paraméterek határozzák meg: / A moduláció és demoduláció típusa / Az alkalmazott forrásforrás- és csatornakódolás / A vevő bemenetére jutó hasznos teljesítmény (adóteljesítmény, antenna nyereségek, antenna magasságok, terjedési viszonyok) / A vevő bemenetére jutó eredő zavaró teljesítmény (termikus zaj (fehér GaussGauss-zaj), interferencia, egyéb elektronikus zavaró jelek) / Az adó és vevő közötti közegben fellépő több utas terjedés, és annak statisztikus ingadozásai (időben változó lineáris csatorna, késleltetések és DopplerDopplerhatások) / A vevőkészülékben alkalmazott algoritmusok komplexitása, optimális (például minimális hibaarányú) vételi eljárások alkalmazása, vagy azok közelítése 2010.04.15.

2


A rádiós lefedettség alapjai, a vett teljesítmény becslése

/ A lefedettség meghatározási módszereinek a jellemzői: / A feladat igen komplex / A pontos terepadatok ismeretének hiánya / A hullámterjedési közeg pontos ismeretének hiánya

/ A vevő bemenetére jutó teljesítmény meghatározásának módszerei: / Elméleti modellek / Szabadtéri terjedés / Kétutas elméleti modell / Késél modellek

/ Az elméleti modelleken alapuló empirikus modellek / A kétutas modell módosított változata (Lee modell) / Másodlagos hatások (domborzat, takarások, alagutak, épületek, terjedési közeg, növényzet)

/ Csak méréseken alapuló empirikus modellek / OkumuraOkumura-Hata modell 2010.04.15.

3


Két idealizált elméleti modell (1)

/ A szabadtéri terjedés leírása: / Feltételek: / Adott egy adóantenna és egy vevőantenna, amiről feltételezzük, hogy minden irányban egyenletesen sugároz, illetve minden irányból egyenletesen vesz / Ekkor a vevő bemenetére jutó hasznos teljesítmény a 2

λ2  λ  PA AV = PV = ⋅ AV = PA ⋅   2 4π 4π d  4π d  kifejezéssel határozható meg, ahol AV az antenna hatásos felülete, d az antennák távolsága, λ a kisugárzott rádiós jel hullámhossza. / Ebből világosan látszik, hogy a vett teljesítmény a távolság négyzetével fordítottan és a hullámhossz négyzetével egyenesen arányos / Amennyiben az antennáknak nyeresége is van, azaz nem izotróp sugárzók, akkor a vett teljesítmény értéke  λ   PV = G A GV PA ⋅  4 π d   2010.04.15.

2

4



/ A kétutas terjedési modell (terjedés sík területen, ahol a jel a talajról visszaverődik) / Feltételek: / Adott a következő elrendezés:

Direkt hullám h1

Reflektált hullám

∆d = d 1 + d 2 - d 0

d0 d1

ϕ’ ϕ l1

d2

h2 l2

/ A jel az adótól a vevőig két úton terjed: a direkt jelúton és a földfelszínről visszaverődve. Az antennák magassága h1 és h2, az antennák távolsága l1+l2=d 2010.04.15.

5



/ A kétutas terjedési modell (terjedés sík területen, ahol a jel a talajról visszaverődik) / Ha a távolság az antennák magasságánál jóval nagyobb, akkor a vett jel teljesítményét közelítőleg a 2

h h  PV ≅ G AGV PA ⋅  1 22   d  kifejezéssel határozhatjuk meg, amiből világos, hogy ilyen feltételek esetén a csillapítás a távolságtól 40 dB/dekád meredekséggel függ, azaz a távolság negyedik hatványával fordítottan arányos a bázisállomás és a mobil állomás antennájának magasságától 20 dB/dekád meredekséggel függ, azaz azok négyzetével egyenesen arányos és az üzemi frekvenciától független / A valóságos rendszerekben ezek a törvényszerűségek pontosan nem teljesülnek (erre épül a kétutas modell módosított változata, az ún. Lee modell)

2010.04.15.

6


A terjedési modellek általános leírási módja

/ A terjedési modellek leírása logaritmikus mértékegységekkel / Feltételek: / A terjedési modelleket a rádiós gyakorlatban logaritmikus mértékegységekkel szokás leírni, mivel ezek két előnyös tulajdonsággal rendelkeznek Az egyes szakaszok csillapítása az átvitel során szorzódik, ami a logaritmikus skálán összeadódik egymással A csillapítás a paraméterek egy részének a hatványfüggvényével arányos, ami a logaritmikus skálán konstanssal való szorzásnak felel meg / Ez az ideális kétutas modell esetén az alábbi módon adható meg

 PA PV [dBm ] ≅ PVr [dBm ] + 10 ⋅ lg  PAr

G 10 ⋅ lg V  GVr 2010.04.15.

 h  + 20 ⋅ lg 1  h1r 

 G  + 10 ⋅ lg A   G Ar

 h  + 20 ⋅ lg 2   h2 r

  + 

 d  − 40 ⋅ lg   dr

   7


A terjedési modellek általános leírási módja

/ A terjedési modellek leírása logaritmikus mértékegységekkel / Hasonló változatok sokféle módon megadhatók

P PV [dBm ] ≅ PA [dBm ] + 10 ⋅ lg Vr  PAr G 10 ⋅ lg V  GVr

 h  + 20 ⋅ lg 1  h1r 

 G  + 10 ⋅ lg A   G Ar

 h  + 20 ⋅ lg 2   h2 r

  + 

 d  − 40 ⋅ lg   dr

  

vagy

PV [dBm] ≅ PAG AGV [dBm] − LP [dB]  PVr LP [dB] = −10 ⋅ lg  PAr G Ar GVr h − 20 ⋅ lg 2  h2 r 2010.04.15.

 d  + 40 ⋅ lg   dr

 h  − 20 ⋅ lg 1  h1r 

  

   8


A kétutas modell módosított változata, az ún. Lee modell (1)

/ A Lee modell négy alapvető paraméterrel korrigálja az egyszerű kétutas modellt / Feltételek: / Mérésekkel igazolható, hogy a terjedési csillapítás függ a frekvenciától / A terjedés a környezettől erősen függ, ezért tipikusan megkülönböztethetünk nyílt terepi, falusi, elővárosi, külvárosi és városi terjedést, ahol a távolságtól függés hatványkitevője és az alapcsillapítás értéke is változó / Mérésekkel az is igazolható, hogy a csillapítás az kisebb (mobil) antenna magasságától nem négyzetesen, hanem ettől eltérő módon függ Ezeket a hatásokat írja le a

d PV = PV 0   dr

  

−γ

−n

 f   h2       f r   h2 r 

v

korrekciós kifejezés, ami megmutatja, hogy a kétutas modellt az említett faktorokkal hogyan kell módosítani

2010.04.15.

9


A kétutas modell módosított változata, az ún. Lee modell (2)

jelerősség [dBm]

γ=2 –47.5 –50

szabad terület

4.3

nyílt terület –60 3.84 4.31 –70

3.68

külváros Newark

–80 3.05 Philadelphia –90 japán külváros

Tokio, Japán –100

PA = 40 dBm (10 Watt) Ant. ny.GA = 6 dB/dipól Ant. ny. GV = 6 dB/dipól h1 = 100 láb (bázis állomás) h2 = 10 láb (mobil vevő)

–110

2010.04.15.

0.5

1

2

4

6

8 10 d [mérföld]

10


A kétutas modell módosított változata, az ún. Lee modell (3) 70 városi terület h1 = 200 m h2 = 3 m

csillapítás [dB]

60 d [km] 100 50 80 70 60 40

50 40 32 dB

30 30 20

20

5 3 2

3 dB

1

2010.04.15.

10

70 100

~1 dB

200

300

500 700 1000

2000 3000 5000 Frekvencia f [MHz]

11


Az OkumuraOkumura-Hata modell felépítése

/ Az OkumuraOkumura-Hata modell / Ez a leggyakrabban használt méréseken alapuló modell, ami a

PV [dBm] ≅ PAG AGV [dBm] − LP [dB] A + B ⋅ lg(d ), városi   LP [dB] =  A + B ⋅ lg(d ) − C , külvárosi  A + B ⋅ lg(d ) − D, nyilt terepi  450 ≤ f [MHz ] ≤ 1000 1 ≤ d [km] ≤ 20 30 ≤ h1 [m] ≤ 200 1 ≤ h2 [m] ≤ 10 összefüggésekkel jellemezhető, ahol A, B, C, D a frekvencia és az antennamagasságok bonyolult függvénye 2010.04.15.

12


Egyéb hatások

/ Az említett modellek mellett a hullámterjedést egyéb hatások is befolyásolják / A hegyek és dombok hatása (effektív antennamagasság) / A terjedési útba eső közegek változása / A terjedési útba eső akadályok hatása (diffrakció, késél modellek) / A növények lombkoronája (évszak, polaritás, a növények típusa) / Az aluljárók és alagutak hatása / A jelútba eső épületek hatása / A városi útirányok csatorna effektusa (Manhattan hatás) / Az épületeken belüli hullámterjedés (ablakok, az épületek anyaga)

2010.04.15.

13


A több utas terjedés és a jel statisztikus ingadozása (fading)

/ A többutas terjedés hatása, a jelszint statisztikus ingadozása / A hullámterjedési modellek csak a vett jel átlagos teljesítményét képesek becsülni, emellett a csatorna és az ellátottság minőségét nagy mértékben befolyásolja a jelek statisztikus ingadozása / A fading jelenség oka az, hogy a különböző utakon terjedő jelek képesek kioltani egymást, ami miatt elhalkulás (fading) jön létre / A fading jelenség azt eredményezi, hogy a vevőben értelmezett effektív jeljel-zaj viszony nem állandó, hanem előre meg nem jósolhatóan változó értékű, azaz valószínűségi változó / Emellett mobil rendszerekben, ahol a rádiókészülékek tipikusan mozognak felléphet két másik jelenség is a Doppler szórás, amely hatására a vett rádiójel frekvenciája statisztikusan megváltozik, illetve az egyes jelutak késleltetésének szórása, amely statisztikusan megváltoztatja a vevőbe érkező jelek időzítését 2010.04.15.

14


A RayleighRayleigh- és RiceRice-fading statisztikája

/ A fading modellek közül két típus terjedt el leginkább / A Rayleigh modell, ami azt feltételezi, hogy az adó és a vevő között nincsen rálátás (direkt jelút), azaz a jel diszperzív módon jut el a vevő bemenetére / A Rice modell, aminél a hasznos jel teljesítményének egy része direkt jelúton, másik része pedig diszperzív úton terjed az adótól a vevőig / A két rendszerben a jeljel-zaj viszony statisztikáját az alábbi ábrán adjuk meg γ 0 f Γ (γ ) 1 c =0

c =10 c =5 c =2

c =1

2010.04.15.

1

2

3

4

5

6

7

γ γ0

15


A RayleighRayleigh- és RiceRice-fading hatása az átviteli hibára (1)

/ A jeljel-zaj viszony statisztikus ingadozása a digitális modulációs rendszerek hibaarányát jelentősen lerontja / Ezt illusztráljuk az alábbi ábrán bináris modulációs rendszerek esetében (Rayleigh(Rayleigh-fading) 1 Pb

10-1 fadinges 10

nemkoherens FSK

-2

PSK 10

DPSK

-3

PSK DPSK 10

-4

nemkoherens FSK 10

-5

fadingmentes 10

-6

2

2010.04.15.

4

6

8

10

12

14

16

18

fadingtartalék

20

22

24

26

28

30

γ 0 = E s / N 0 [dB]

16


A RayleighRayleigh- és RiceRice-fading hatása az átviteli hibára (2)

/ A jeljel-zaj viszony statisztikus ingadozása a digitális modulációs rendszerek hibaarányát jelentősen lerontja / Ezt illusztráljuk az alábbi ábrán BPSK modulációs rendszer esetében (Rice(Rice-fading) 1 Pb

Koherens PSK

10-1

-2

10

c=0 (Rayleigh) -3

10

c=2 (3 dB) -4

10

c=5 (7 dB) c=∞ Gauss

-5

c = 10 (10 dB)

10

-6

10

2010.04.15.

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

30

γ 0 = E s / N 0 [dB]

17


2010.04.15.

Tipikus ellátottsági térképek (1)

18


2010.04.15.


19


2010.04.15.


20


Összefoglalás

/ A területi ellátottság általános jellemzői / A területi ellátottság műszaki tervezése igen összetett feladat / Az ellátottság aktuális szintjét igen sok tényező befolyásolja / A méretezési eljárások elméleti alapokra épülnek, de gyakorlati módszerekhez jelentős mennyiségű empirikus adatra van szükség / Egy konkrét rendszer ellátottsági térképe állandóan változik, ezért az ellátottság folyamatos szinten tartásához a hálózatot állandóan ellenőrizni és fejleszteni kell / Az ellátottság mellett a rendszer paramétereit sztochasztikus hatások is befolyásolják / Mindez azt jelenti, hogy olyan hálózatot biztosan nem lehet elfogadható költséggel kiépíteni, amely az ország minden pontján, minden időpillanatban a legjobb minőségben képes szolgáltatást nyújtani 2010.04.15.

21


Köszönöm megtisztelő figyelmüket!

2010.04.15.

22

BME Mobil Innovációs Központ

Recommend Documents