Transcript Poglavlje 2
MOBILNE RADIOKOMUNIKACIJE MEHANIZMI PROSTIRANJA SIGNALA U MOBILNOM RADIO KANALU MEHANIZMI PROSTIRANJA SIGNALA U MOBILNOM RADIO KANALU • Osnovni mehanizmi prostiranja signala u mobilnom radio kanalu su: Refleksija Difrakcija Rasijanje • Prostiranje radio signala u realnim uslovima podrazumijeva sva tri mehanizma, a koji će od njih biti dominantan, zavisi od dužine veze MEHANIZMI PROSTIRANJA SIGNALA U MOBILNOM RADIO KANALU Radio horizont NLOS zona LOS zona Direktni signal plus više oslabljenih reflektovanih signala Difrakcija na tački horizonta Rasijanje na česticama u troposferi PROSTIRANJE U SLOBODNOM PROSTORU PtGt PrGr d Predajnik Prijemnik PtGt – efektivna izotropna izračena snaga (EIRP) PROSTIRANJE U SLOBODNOM PROSTORU • Snaga primljenog signala (Pr) opada sa kvadratom rastojanja (d) između predajnika i prijemnika (Friis-ova formula) Pr d Pt Gt Gr 2 4 2 2 d L , d 0 Pt – emitovana snaga Gt i Gr – dobitak predajne i prijemne antene, respektivno λ – radna talasna dužina L ≥ 1 – faktor koji predstavlja hardverske gubitke u sistemu koji nemaju veze sa propagacionim gubicima GUBITAK U SLOBODNOM PROSTORU Gt Gr 2 Pt L free dB 10log 10log 2 2 Pr 4 d L free dB 20log 4d (Gr=Gt=1) L free dB 32.44 20log f 20logd f u [MHz], d u [km] Gubitak u slobodnom prostoru u zavisnosti od rastojanja i radne frekvencije ZONA DALEKOG ZRAČENJA • Zona dalekog zračenja, ili Fraunhofer-ova zona, određena je Fraunhofer-ovim rastojanjem df. Ovaj parametar zavisi od najveće linearne dimenzije predajne antene D i radne talasne dužine λ df 2D 2 , df >> D, df >> λ Za d < df ne važi Friis-ova formula. OPŠTA RELACIJA ZA SNAGU PRIMLJENOG SIGNALA • Mjerenja sprovedena na konkretnim sistemima i u realnim uslovima pokazuju da snaga primljenog signala zavisi od rastojanja po zakonu Pr d v v – koeficijant slabljenja koji zavisi od okruženja i karakteristika sredine (2 ≤ v ≤ 6) • Opšta jednačina za snagu primljenog signala d ref Pr d dB 10logPr d ref 10v log d dref – referentno rastojanje Snaga primljenog signala u zavisnosti od rastojanja i parametra ν RADIO HORIZONT r 4re Zakrivljena putanja radio talasa re ≈ 6 370 km hei (poluprečnik Zemlje) dLsi Optički horizont Radio horizont Ka centru Zemlje (poluprečnik re) EKVIVALENTNI POLUPREČNIK ZEMLJE hei Ekvivalentna putanja radio talasa a kre re dLsi uzima se k = 4/3 a = 8 493 km Radio horizont Ka centru Zemlje (poluprečnik a=kre) RASTOJANJE DO RADIO HORIZONTA • Pretpostavljajući da je površina Zemlje glatka, rastojanje do radio horizonta može se izraziti sljedećom jednačinom: d Lsi odnosno a hei 2 a 2 2ahei d Lsi km 17hei m • Uticaj zakrivljenosti Zemlje neće doći do izražaja ako je: d d Ls d Lst d Lsr dLst i dLsr – rastojanje do radio horizonta gledano sa strane predajne i prijemne antene, respektivno RASTOJANJE DO RADIO HORIZONTA • U stvarnosti, rastojanje do radio horizonta je manje zbog profila terena i raznih objekata koji površinu Zemlje čine neravnom. Što je područje brdovitije i sa više visokih objekata, veća je vjerovatnoća da radio horizont bude zatvoreniji. • Uzimajući u obzir nepravilnost terena, rastojanje do radio horizonta u realnom slučaju može se izračunati pomoću empirijske formule: d Li d Lsi e 0.07 h / maxhei ,5 m Δh – "parametar nepravilnosti terena" Parametar nepravilnosti terena 10 % h 90 % 10 km Tip terena Δh [m] Vodena ili druga veoma ravna površina 0–5 Ravna površina 5 – 20 Blago neravan teren 20 – 40 Brežuljci 40 – 80 Brda 80 – 150 Planine 150 – 300 Grebenaste planine 300 – 700 Veoma grebenaste planine > 700 EFEKTIVNA VISINA ANTENE • Ako sa hgi označimo strukturnu visinu antene (rastojanje od tla do vrha antene), tada efektivnu visinu antene hei možemo definisati kao: hei maxhgi , hgi ha xi href xi hei>hgi hs<0 hs>0 hei=hgi Prosječna nadmorska visina terena Nadmorska visina terena EFEKTIVNA VISINA ANTENE MOBILNE JEDINICE • Ako je antena postavljena na slučajno izabranoj lokaciji (što je slučaj kod antene mobilne jedinice), onda je prosječna nadmorska visina terena na lokaciji antene jednaka referentnom nivou. U tom slučaju je efektivna visina antene jednaka strukturnoj visini, hei=hgi . EFEKTIVNA VISINA ANTENE BAZNE STANICE • Ako je antena postavljena na pažljivo izabranoj lokaciji (što je slučaj kod antene bazne stanice), razvijena je sljedeća empirijska formula za određivanje efektivne visine antene: hei hgi 1 c e -2h g i / h , za hgi ≤ 5 h gi 2 hgi / h e hei hgi 1 c sin , za hgi > 5 m 10 m Uzima se c=4 za pažljivo odabranu lokaciju antene, i c=9 za veoma pažljivo odabranu lokaciju Efektivna visina antene u funkciji njene strukturne visine Rastojanje do radio horizonta u funkciji strukturne visine antene PROSTIRANJE IZNAD RAVNE POVRŠINE ZEMLJE • Model prostiranja iznad ravne, djelimično provodne površine Zemlje, predstavlja dobar model za predikciju snage primljenog signala u LOS regionu. Analiza uključuje direktni, reflektovani i površinski talas (Bullington-ov princip). Relacija koja povezuje emitovanu i primljenu snagu je: Pr P0 1 Re j 1 R Ae j ... 2 P0 – očekivana snaga pri prostoranju u slobodnom prostoru R – kompleksni koeficijent refleksije A – koeficijent apsorpcije površinskog talasa Δ – fazna razlika direktnog i reflektovanog talasa PROSTIRANJE IZNAD RAVNE POVRŠINE ZEMLJE • Na VHF i UHF opsegu možemo zanemariti površinski talas, tako da se model svodi na direktni i reflektovani talas r1 ht r2 dt hr d dr PROSTIRANJE IZNAD RAVNE POVRŠINE ZEMLJE • Relacija koja povezuje emitovanu i primljenu snagu u ovom uprošćenom slučaju je: Pr P0 1 Re j 2 P0 1 R 2 R cos • Koeficijent refleksije R zavisi od upadnog ugla ψ, polarizacije talasa i karakteristika zemljišta na kome se dešava refleksija sin z R R e j sin z PROSTIRANJE IZNAD RAVNE POVRŠINE ZEMLJE • Razlika između dužina putanja direktnog i reflektovanog talasa: r2 r1 ht hr 2 d 2 ht hr 2 2ht hr d d 2 • Ova razlika dužina putanja prouzrokuje sljedeću faznu razliku: 2 r2 r1 4ht hr d • Za frekvencije iz UHF opsega i za male upadne uglove (ψ ≈ 0) R ≈ -1 tako da se primljena snaga može izraziti kao: 2 2ht hr Pr P0 21 cos P0 4 sin P0 4 sin 2 d 2 Dobitak pri LOS prostiranju iznad ravne površine Zemlje Dobitak pri LOS prostiranju iznad ravne površine Zemlje • Prethodna slika pokazuje da LOS prostiranje iznad ravne površine Zemlje rezultira: maksimalnim dobitkom od 6 dB u odnosu na prostiranje u slobodnom prostoru, u slučaju kada je Δ/2 neparan umnožak od π/2 poništenjem, u slučaju kada je Δ/2 umnožak od π Za ostale vrijednosti fazne razlike dobitak se kreće od 0 do 4 puta, što zavisi od efektivne visine predajne i prijemne antene i rastojanja između njih PROSTIRANJE IZNAD RAVNE POVRŠINE ZEMLJE • Uvrštavajući izraz za P0, snagu primljenog signala koji se prostire iznad ravne Zemljine površine, možemo izraziti kao: 2ht hr Pr Pt Gt Gr 4 sin d 4d 2 2 2 • Za Δ/2 < 0.3 rad može se napraviti aproksimacija sinx ≈ x, pa se gornja jednačina svodi na: 2ht hr ht hr Pr Pt Gt Gr 4 Pt Gt Gr 2 , d d' d 4d d 2 2 2 d ' 20ht hr / - rastojanje za koje je Δ/2 = 0.3 rad PROSTIRANJE IZNAD RAVNE POVRŠINE ZEMLJE • Iz prethodne jednačine se može zaključiti da snaga primljenog signala opada sa četvrtim stepenom rastojanja, odnosno slabljenje signala sa porastom rastojanja d se povećava 40 dB/dec, što je i eksperimentalno potvrđeno • Prethodna jednačina predstavlja dobar model za predikciju slabljenja u navedenim uprošćenim uslovima, mada ima određenih nedostataka koji se prije svega odnose na: nezavisnost slabljenja od radne talasne dužine, i netačnu zavisnost slabljenja od efektivne visine antene mobilne jedinice FRESNEL-OVE ZONE • Posmatrajmo slučaj kada je fazna razlika između direktnog i reflektovanog talasa: 4he hr n d n n • Rastojanje d > dn odgovara n-toj Fresnel-ovoj zoni Specijalno, d > d1 odgovara prvoj Fresnel-ovoj zoni • Analizirajuću prethodnu sliku dolazimo do zaključka da za d < d1 dolazi naizmjenično do konstruktivne i destruktivne interferencije između direktnog i reflektovanog talasa, dok je za d > d1 prisutna samo konstruktivna interferencija FRESNEL-OVE ZONE • Fresnel-ova zona n-tog reda se definiše kao elipsoid koji sadrži tačke refleksije za koje je razlika između dužina putanja direktnog i reflektovanog talasa manja od n-tog umnoška polovine radne talasne dužine ODREĐIVANJE POLUPREČNIKA PRVE FRESNEL-OVE ZONE T . R r1 dt dr d d t d r r1 dt d r 2 2 2 2 d t r1 d r r1 d r1 2 2 dt d r dt d r 2 DIFRAKCIJA NA "IVICI NOŽA" T hprep h>0 dt R dr Slučaj A T dt dr h<0 hprep Slučaj B R DIFRAKCIJA • Određivanje gubitaka usljed difrakcije ima smisla samo u slučaju kada je prva Fressnel-ova zona zauzeta, ili uz nešto strožiji kriterijum, kada nije slobodna neka od zona višeg reda • Jačina električnog polja Ed difraktovanog talasa u odnosu na jačinu električnog polja pri prostiranju u slobodnom prostoru E0, može se izračunati primjenom kompleksnog Fresnel-ovog integrala koji ima oblik: Ed 1 j 2 F p exp j t / 2 dt E0 2 p p – Fresnel-Kirchoff-ov difrakcioni parametar DIFRAKCIJA • Fresnel-Kirchoff-ov difrakcioni parametar je funkcija efektivne visine prepreke h i pozicije prepreke između predajnika i prijemnika 2d t d r ph d t d r • Efektivna visina prepreke se uzima kao pozitivna kada je vrh prepreke iznad linije direktne vidljivosti, tj. kada prepreka blokira tu liniju (slučaj A na slici), dok se u slučaju kada linija direktne vidljivosti nije ugrožena, efektivna visina prepreke uzima sa znakom minus (slučaj B na slici) DOBITAK USLJED DIFRAKCIJE DOBITAK USLJED DIFRAKCIJE • Dobitak usljed difrakcije može se izračunati prema relaciji: Gd dB 20log F p • Za praktične potrebe, kriva sa prethodne slike se aproksimira sljedećim jednačinama: Gd dB 0 , za p ≤ -1 Gd dB 20log0.5 0.62 p , za -1 ≤ p ≤ 0 Gd dB 20log0.5 exp 0.95p , za 0 ≤ p ≤ 1 2 Gd dB 20 log 0.4 0.1184 0.38 0.1 p , za 1 ≤ p ≤ 2.4 0.225 , za p > 2.4 Gd dB 20log p DVOSTRUKA DIFRAKCIJA NA "IVICI NOŽA" RASIJANJE • Glatke površine koje imaju mnogo veće dimenzije od radne talasne dužine mogu se modelovati samo kao refleksione površine. Grubost površine često produkuje prpagacione efekte koji su različiti od reflesije. • Da bi se korektno izračunala snaga primljenog signala koji se reflektuje od grube površine, koeficijent refleksije treba pomnožiti sa faktorom slabljenja zbog rasijanja ρS. rough S RASIJANJE • Ako se uzme da je visina neravnina na površini (h) slučajna promjenljiva sa Gauss-ovom raspodjelom, tada se faktor ρS može izračunati preko formule: h sin i 2 S exp σh – standardna devijacija visine neravnina oko srednje vrijednosti θi – upadni ugao • Modifikovana formula za koeficijent rasijanja koja se bolje poklapa sa eksperimentalnim rezultatima ima oblik: h sin i 2 h sin i 2 S exp 8 I 0 8