Transcript Chapter 2

CDMA 이동통신 공학
CH2. 전파 전파 (Radio Propagation)
Contents
 링크분석 (Link Analysis)
 전파손실 (Propagation Loss)
 전파음영 (Shadowing)
 페이딩 (Fading)
 다중경로 지연확산
14 Sep 2006
링크분석 (1/2)

C/N (Carrier-to-noise ratio)




반송파 전력 대 잡음 전력비
통신 시스템의 성능을 나타내는 지수
채널상에서 잡음 전력에 비하여 신호전력이 얼마나 큰가를 나타내는 파라미터
링크 방정식


( ERP ) L p Gr
C/N 계산을 위한 수식 :
N

ERP : 송신 안테나로부터 유효방사 전력

Lp : 채널에서의 전파손실, 설계자에 의해 제어 불가능

Gr : 수신 안테나의 이득

N : 잡음 전력
ERP = PtLcGt

Pt : 송신기 전력증폭기 출력단의 전력

Lc : 전력증폭기와 송신 안테나 사이의 케이블 손실

Gt : 송신 안테나 이득
14 Sep 2006
링크분석 (2/2)

N=kTW
k : 볼쯔만 상수 (1.38×10-23 W/Hz/K)
 T : 수신단의 잡음 온도
 W : 시스템의 대역폭

 C/I (Carrier-to-interference ratio)


반송파 전력 대 간섭 전력비
분모가 열 잡음 전력뿐만 아니라, 다른 간섭원으
로 부터의 간섭 전력도 포함
14 Sep 2006
전파손실 (1/5)


전파손실

신호가 송신기로부터 수신기까지 전송되면서 받게 되는 모든 손실

경로손실 예측 모델
 자유공간 모델
 Lee 모델
 Hata 모델
자유공간 모델

송신기와 수신기 사이에 장애물이 존재하지 않고 가시선(LOS : Line Of
Sight)을 따라서 전파가 전파되는 모델

자유공간에서 전파가 전송될 때 전파의 전력을 기준으로 모델링

자유공간을 통해 전송되는 위성 및 우주 통신 시스템에 이용

자유공간 상에서의 경로손실

Lp  (
 2
)
4d
[d : 송수신기 사이의 거리 /  : 신호의 파장]
L p  32.4  20 log( f )  20 log( d )
[f : 수신 주파수]
 곡선의 기울기 : -20 dB/decade
14 Sep 2006
전파손실 (2/5)

Lee 모델

전파가 자유공간을 통해 직접 전파되지 않고 빌딩, 나무, 언덕 등으로 인해 회
절과 반사를 반복하여 수신점에 도달하는 경우 경로 손실이 발생하는 모델

종류

지역-지역 경로손실 예측 모델 : 특정 지형에 관계없이 일반적인 평탄한
지형에서의 전파경로에 대한 손실

점-점 경로손실 예측 모델 : 지역-지역 경로손실 예측 모델을 보정

육상의 Macro cell에 적용

간이식

L p  1.14 10
13
h2
[d : 기지국과 이동국 사이의 거리 / h : 기지국 안테나 높이]
d 3.84
L p  129.45  38.4 log( d )  20 log( h)
 곡선의 기울기 : -38.4 dB/decade
14 Sep 2006
전파손실 (3/5)

Hata 모델

전파가 자유공간을 통해 직접 전파되지 않고 빌딩, 나무, 언덕 등으로 인해 회
절과 반사를 반복하여 수신점에 도달하는 경우 경로 손실이 발생하는 모델

도심지역 전파 경로 손실 표준화 공식을 제공, 다른 환경으로의 응용이 가능하
도록 수정 공식을 도입

육상의 Macro cell / 도시환경의 Macro Cell에 적용

수식
L   K  K log( f )  13.82 log( h )  a (h )  [44.9  6.55 log( h )] log( d )  K
p
1
2
b
m
b
0
[f : 반송주파수 / hb : 기지국 안테나 높이(30~200m)
hm : 이동국 안테나 높이 (1~10m) / d : 기지국과 이동국 사이의 거리 (1~20km)

 곡선의 기울기 : -[44.9-6.55log(hb)] dB/decade
파라메타 종류

a(hm)
 도심지역 : a(hm)=[1.1log(f)-0.7]hm-[1.56log(f)-0.8]
 밀집지역 : a(hm)=3.2[log(11.75hm)]2-4.97
14 Sep 2006
전파손실 (4/5)

K0



K1



150MHz ≤ f ≤ 1000MHz : K1=69.55
1500MHz ≤ f ≤ 2000MHz : K1=46.3
K2



도시지역 : K0=0
밀집지역 : K0=3
150MHz ≤ f ≤ 1000MHz : K1=26.16
1500MHz ≤ f ≤ 2000MHz : K1=33.9
전파모델 비교

전파모델의 일반 방정식

Lp = -L0 - rlog(d) [r : 기울기]

기울기 : 신호전력이 거리에 따라 얼마나 심하게 감소하는지는 보여주는 계수

기지국 안테나 높이 : 30m

자유공간 모델 : -20 dB/decade

Lee 모델 : -38.4 dB/decade

Hata 모델 : -38.4 dB/decade
14 Sep 2006
전파손실 (5/5)

전파예측 모델의 거리에 따른 경호손실 비교

안테나 높이 : 30m
 송신 주파수 : 881.5 MHz
 Hata 모델의 안테나 높이 : 1.5m
14 Sep 2006
Fading (페이딩) (1/6)

개념


수신되는 전파가 지나온 매질의 변화에 따라 그 수신전파의 강도가 급격하게 변동되
는 현상
분류
페이딩 (Fading)
대규모 페이딩
경로손실

소규모 페이딩
음영손실
다중경로
도플러 현상
대규모 페이딩 (Large scale fading)

경로손실 (Path Loss)

송수신측간의 거리와 사용 주파수에 따라 기본적으로 발생하는 손실

이동국은 기지국에서 멀어짐에 따라 평균 수신 전력이 감소

느린 페이딩 (Slow Fading)
 수신전력의 감소 주기는 반송파의 수 파장 동안 발생
 평균전력과 표준편차를 갖는 대수-정규분포로 모델링
14 Sep 2006
Fading (페이딩) (2/6)

음영손실 (Shadow Loss)

비교적 긴 범위의 전파경로상에서 건물, 언덕, 나무 등과 같은 장애물에 의
해 신호의 평균 레벨이 변화하는 손실

느린 페이딩 (Slow Fading)
 수신 전력의 감소 주기는 여러 파장 동안 발생하는 평균 동안 발생
 대수-정규 확률분포로 모델링
<음영손실의 도식화>
14 Sep 2006
Fading (페이딩) (3/6)

소규모 페이딩 (Small scale fading)

다중경로 페이딩 (Multipath Fading)

수신측에 이르는 여러 전파경로로 인해 생기는 왜곡 현상

서로 다른 경로를 통한 후 수신된 신호 : 도착하는 시간이 다소 차이가 있
으며 각각의 크기 및 위상이 차이
<다중경로 페이딩의 도식화>
14 Sep 2006
Fading (페이딩) (4/6)

도플러 (Doppler) 현상에 의한 페이딩

이동체가 수신측으로 빠르게 이동하거나, 반대로 멀어지면서 생기는 수신전파의 신
호 대역폭 변화
<도플러 현상>

반사파들은 다른 시간, 다른 크기, 다른 위상으로 수신
N

수신된 신호 :
r (t )   Rn cos( 2ft  2f D ,n t )
n 1
[N : 반사파 개수 / Rn : 반사경로의 크기/ f : 반송 주파수 / fD,n : 각 반사파의 주파수 천이]

신호가 이동국의 이동방향과 평행하게 전송

14 Sep 2006
도플러 주파수 천이 :
f D ,n 
v

[v : 이동체의 속도]
Fading (페이딩) (5/6)

수신된 신호의 동상성분과 직교위상 성분에 의한 표현식

r (t )  RI (t ) cos( 2ft )  RQ (t ) sin( 2ft )
N

동상성분 :
RI (t )   Rn cos 2f D ,nt
n 1
N

직교위상 성분 :
RQ (t )   Rn sin 2f D ,nt
n 1

신호의 포락선 :
R(t )  RI2 (t )  RQ2 (t )
 레일리(Rayleigh) 분포를
가짐


확률밀도함수 :
p( R) 
R

R2
e 2 ,0  R
2
기지국이 일정한 포락선을 갖는 무 변조된 반송파를 전송
 레일리 분포에 따른 포락선 변화

14 Sep 2006
포락선의 변화에 따른 점유 대역폭은 이동국이 움직일 때 발생하는 최대 도플러
주파수 천이에 의해 결정
Fading (페이딩) (6/6)

기지국에서 전송한 전자장이 서로 합쳐져서 주위에 정재파 형성
 이동국이 이 영역을 이동함에 따라, 수신 신호의 진폭이 주기적으로 작
아지는 페이드가 발생
 수신기가 이 영역을 이동 : 수신된 크기와 위상의 변화율은 반송 주파
수와 수신기의 이동속도에 영향을 받음
<반송 주파수-페이드 사이의 간격>

14 Sep 2006
정재파 패턴은 크기가 동일 위상차가 180인 두 개의 신호를 합할
때 발생
다중경로 지연 확산 (1/5)

다중경로

송신기에서 발생한 신호가 수신기에 직·간접적으로 도달할 때 발생

직접 경로와 반사 경로 사이의 경로차로 인해 수신기에 도착하는 시간이 차이
남
(a) 4-산란인 경우
(b) N-산란인 경우
- 송신측 : 하나의 delta 함수 송신
- 수신측 : 수신전력 감소하여 하나
의 부드러운 펄스 발생
 Pulse Delay spread
 Frequency Delay spread
<다중경로 지연 개념>
14 Sep 2006
다중경로 지연 확산 (2/5)

Time domain :


14 Sep 2006

T
( : delaysprea d / T : 심볼시간)
Small : 심볼간 간섭 무시 가능
Large : 심볼간 over-lapping 발생 (Intersymbol Interference : ISI)
다중경로 지연 확산 (3/5)

Frequency domain :

T

( : delaysprea d / T : 심볼시간)
Small : flat fading
 상관대역폭(Bc) > 신호대역폭(Bd) : 신호대역폭 내에서 페이지 특성 변하지 않음

Large : frequency-selective fading
 상관대역폭(Bc) < 신호대역폭(Bd) : 신호대역폭 내에서 페이지 특성 변함

14 Sep 2006
간단한 모델

동일한 크기 A를 갖는 두 개의 다중경로가 존재

그 중 하나의 다중경로는 다른 것과 비교하여
 만큼 지연
다중경로 지연 확산 (4/5)

시간차가


14 Sep 2006
 인 두 개의 다중경로 성분
수신된 신호 :
R( f )  AS ( f )  AS ( f )e  j 2f
r(t)의 스펙트럼 :
R( f )  AS ( f )[1  e  j 2f ]  AS ( f ) H ( f )
r (t )  As(t )  As(t   )
다중경로 지연 확산 (5/5)

H(f) :
H ( f )  1  e  j 2f  e  j 2f ( / 2) [e j 2f ( / 2)  e  j 2f ( / 2)
 2e  j 2f ( / 2) cos( 2f ( / 2))
 원래 신호 AS(f)를 변형시킨 채널의 전달함수

|H(f)| : | H ( f ) | 2 cos( 2f ( / 2))
 전달함수의 크기

주파수 선택적 페이딩은 전달함수의 크기가 영으로 되는 것을 보면 명확히 알 수
있는데, 이는 다중경로 지연 때문에 발생된 것
14 Sep 2006