Χαρακτηρισμός Ραδιοδιαύλου στο Εσωτερικό Χώρο Αεροσκαφών ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ

Transcript

1 ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΣΧΟΛΗ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Χαρακτηρισμός Ραδιοδιαύλου στο Εσωτερικό Χώρο Αεροσκαφών ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ Αλέξανδρος, Χ. Καούρης Ματθαίος, Χ. Ζάρας Μαρία, Μ. Ρεβύθη Επιβλέπων : Φίλιππος, Κωνσταντίνου Καθηγητής ΕΜΠ Αθήνα, Ιανουάριος 8

2

3 ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΣΧΟΛΗ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Χαρακτηρισμός Ραδιοδιαύλου στο Εσωτερικό Χώρο Αεροσκαφών ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ Αλέξανδρος, Χ. Καούρης Ματθαίος, Χ. Ζάρας Μαρία, Μ. Ρεβύθη Επιβλέπων : Φίλιππος Κωνσταντίνου Καθηγητής ΕΜΠ Εγκρίθηκε από την τριμελή εξεταστική επιτροπή την 3 η Ιανουαρίου Φίλιππος Κωνσταντίνου Καθηγητής ΕΜΠ... Νικόλαος Ουζούνογλου Καθηγητής ΕΜΠ... Μιχαήλ Θεολόγου Καθηγητής ΕΜΠ Αθήνα, Ιανουάριος 8

4 ... Αλέξανδρος, Χ. Καούρης Ματθαίος, Χ. Ζάρας Μαρία, Μ. Ρεβύθη Copyright Αλέξανδρος, Χ. Καούρης, 8. Copyright Ματθαίος, Χ. Ζάρας, 8. Copyright Μαρία, Μ. Ρεβύθη, 8. Με επιφύλαξη παντός δικαιώματος. All rights reserved. Απαγορεύεται η αντιγραφή, αποθήκευση και διανομή της παρούσας εργασίας, εξ ολοκλήρου ή τμήματος αυτής, για εμπορικό σκοπό. Επιτρέπεται η ανατύπωση, αποθήκευση και διανομή για σκοπό μη κερδοσκοπικό, εκπαιδευτικής ή ερευνητικής φύσης, υπό την προϋπόθεση να αναφέρεται η πηγή προέλευσης και να διατηρείται το παρόν μήνυμα. Ερωτήματα που αφορούν τη χρήση της εργασίας για κερδοσκοπικό σκοπό πρέπει να απευθύνονται προς τον συγγραφέα. Οι απόψεις και τα συμπεράσματα που περιέχονται σε αυτό το έγγραφο εκφράζουν τον συγγραφέα και δεν πρέπει να ερμηνευθεί ότι αντιπροσωπεύουν τις επίσημες θέσεις του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου.

5 Πρόλογος Η παρούσα διπλωματική εργασία έχει ως σκοπό τον χαρακτηρισμό του ασύρματου διαύλου στο εσωτερικό χώρο των αεροσκαφών. Το συγκεκριμένο πεδίο επιστημονικής έρευνας παρουσιάζει έντονο ενδιαφέρον τα τελευταία χρόνια λόγω της αυξανόμενης ζήτησης τηλεπικοινωνιακών υπηρεσιών που προσφέρουν υψηλούς ρυθμούς μετάδοσης. Εξαιτίας της ιδιαίτερης γεωμετρίας της καμπίνας των αεροσκαφών, δεν μπορούμε να βασιστούμε σε παρόμοιες μελέτες που έχουν διεξαχθεί σε εσωτερικούς χώρους με διαφορετικά γεωμετρικά χαρακτηριστικά (γραφεία, διάδρομοι κτιρίων, τούνελ κ.α.). Επομένως είναι αναγκαία η διεξαγωγή νέων μετρήσεων και ο ακριβής χαρακτηρισμός του διαύλου, λαμβάνοντας υπόψη τις πραγματικές συνθήκες που συνήθως επικρατούν σε τέτοια περιβάλλοντα διάδοσης. Σε αυτό το σημείο θα θέλαμε να ευχαριστήσουμε τον καθηγητή του Ε.Μ.Π. κ. Φίλιππο Κωνσταντίνου για την δυνατότητα που μας έδωσε να ασχοληθούμε με ένα τόσο ενδιαφέρον αντικείμενο, τον Δρ. Νεκτάριο Μωραΐτη για την πολύτιμη βοήθεια και την συνεχή υποστήριξή του καθ όλη την διάρκεια πραγματοποίησης αυτής της μελέτης. Τέλος θα θέλαμε να ευχαριστήσουμε τον κ. Αθανάσιο Άρη, Γενικό Διευθυντή της Τεχνικής Βάσης της Ολυμπιακής Αεροπορίας, τον κ. Σωτήριο Κουράντη, Διευθυντή του Τομέα Συντήρησης Αεροσκαφών της Ολυμπιακής Αεροπορίας, καθώς και όλο το τεχνικό προσωπικό για την συνεργασία και εξυπηρέτηση ώστε να περατωθεί η εργασία αυτή. Προσωπικά, ευχαριστούμε θερμά τους γονείς μας, για την αγάπη και αμέριστη συμπαράστασή τους σε όλη την διάρκεια των σπουδών μας, χωρίς των οποίων δεν θα ήταν δυνατή η προσωπική μας πρόοδο, και τους αφιερώνουμε ολόψυχα την παρούσα διπλωματική εργασία. Αθήνα, Ιανουάριος 8

6 Περίληψη Ο σκοπός της παρούσας εργασίας είναι ο χαρακτηρισμός του ασύρματου διαύλου για τον εσωτερικό χώρο αεροσκάφους διεξάγοντας μετρήσεις στενής ζώνης σε τρεις διαφορετικές συχνότητες,.8,. και. GHz. Από τις μετρήσεις αυτές γίνεται η εξαγωγή των απαιτούμενων παραμέτρων για τον χαρακτηρισμό του διαύλου. Ο χαρακτηρισμός του διαύλου σε μεγάλη κλίμακα πραγματοποιήθηκε με τον υπολογισμό των απωλειών διάδοσης συναρτήσει της απόστασης και την εξαγωγή εμπειρικού μοντέλου που εκφράζει αυτές τις απώλειες με την καλύτερη δυνατή προσέγγιση. Πραγματοποιήθηκαν διάφορες μετρήσεις που προσομοιώνουν πραγματικά σενάρια τα οποία λαμβάνουν χώρα σε τέτοια περιβάλλοντα. Αυτές περιλαμβάνουν μετρήσεις με σταθερά τερματικά, μετρήσεις με κινούμενο δέκτη σε περιβάλλον χωρίς κινούμενους σκεδαστές και μετρήσεις με κινούμενους σκεδαστές για την μελέτη της χρονικής μεταβολής που υφίσταται ο δίαυλος υπό αυτές τις συνθήκες. Επίσης έγιναν μετρήσεις με το πομπό να βρίσκεται στο εξωτερικό χώρο του αεροσκάφους για να υπολογιστούν οι απώλειες που εισάγει η άτρακτος του αεροσκάφους στην διάδοση των κυμάτων που την διαπερνούν. Οι μετρήσεις αυτές διεξήχθησαν σε δυο αεροσκάφη, Boeing 737- και Airbus A3-3, παρέχοντας την δυνατότητα σύγκρισης των αποτελεσμάτων. Λέξεις κλειδιά Ραδιοδίαυλος, Αεροσκάφος, Μετρήσεις Στενής Ζώνης, Απώλειες Διάδοσης, Διαλείψεις, Ολίσθηση Doppler, Rayleigh, Rician.

7 Abstract The characterization of the radio propagation channel within aircraft cabins is essential for evaluating and designing a wireless communication system to be implemented onboard aircraft. Narrowband measurements are carried out for the frequencies.8,. and. GHz and the proper parameters are extracted for the characterization of the radio channel. The large scale characterization consists of finding the path loss model that provides the best signal strength prediction within the cabin. The short scale characterization consists on extracting the first and second order statistics of the fading envelope measured for various scenarios. The scenarios taken into account are measurements taken with static receiver and transmitter, with moving receiver, with moving persons between transmitter and receiver, measurements at several seats and out-cabin measurements for calculating the attenuation of the cabin inserted in the propagating signal and the effect that it has to the statistics of the fading envelope. The measurements were conducted on two kinds of aircrafts, Boeing 737- and Airbus A3-3 providing also the possibility of comparing the results. Keywords Radio Channel, In-cabin Propagation, Path Loss Model, Narrowband, Fading, Doppler Spread, Rayleigh, Rician PDF. 3

8 ΠΕΡΙΕΧOΜΕΝΑ Κεφάλαιο Εισαγωγή Αεροναυτικά συστήματα επικοινωνίας Προηγούμενες μελέτες... Κεφάλαιο Βασικές αρχές της ασύρματης διάδοσης και χαρακτηρισμός διαύλου εσωτερικών χώρων Μηχανισμοί διάδοσης Είδη διαλείψεων....3 Διαλείψεις μεγάλης κλίμακας.... Διαλείψεις μικρής κλίμακας Επίπεδες Διαλείψεις Συνάρτηση αυτοσυσχέτισης και Φασματική Πυκνότητα Ισχύος του λαμβανόμενου σήματος Συνάρτηση αυτοσυσχέτισης συναρτήσει της απόστασης Συναρτήσεις κατανομής του λαμβανόμενου σήματος Συνάρτηση κατανομής διαλείψεων Rayleigh Συνάρτηση κατανομής διαλείψεων Rician Ρυθμός Διέλευσης Κατωφλίου και Μέση Διάρκεια Διαλείψεων Ρυθμός Διέλευσης Κατωφλίου της περιβάλλουσας του σήματος Μέση Διάρκεια Διαλείψεων της περιβάλλουσας του σήματος Παράμετροι για τον χαρακτηρισμό χρονικά μεταβαλλόμενων διαύλων Παράμετροι για το χαρακτηρισμό διαύλου με χρονική διασπορά Κατηγοριοποίηση των διαλείψεων μικρής κλίμακας... 3 Κεφάλαιο 3 Μετρητικό Σύστημα και Μεθοδολογία Μετρήσεων Περιγραφή μετρητικού συστήματος Περιγραφή χώρου και μεθοδολογία μέτρησης... Κεφάλαιο Αποτελέσματα Boeing Μοντέλα απωλειών διάδοσης και στατιστικές παράμετροι διαλείψεων κατά μήκος της καμπίνας Χρονικές μεταβολές λόγω της ανθρώπινης κίνησης Χρονική μεταβολή διαύλου Αποτελέσματα μετρήσεων για διάφορες θέσεις της καμπίνας Αποτελέσματα μετρήσεων εξασθένισης της ατράκτου Κεφάλαιο 5 Αποτελέσματα Airbus Αποτελέσματα απωλειών διάδοσης και στατιστικές παράμετροι διαλείψεων στο εσωτερικό του αεροσκάφους Χρονικές μεταβολές λόγω κίνησης του δέκτη Χρονικές μεταβολές λόγω της ανθρώπινης κίνησης Χρονική μεταβολή διαύλου Αποτελέσματα μετρήσεων εξασθένισης της ατράκτου Κεφάλαιο 6 Συμπεράσματα Boeing Airbus Α Προτεινόμενα θέματα προς μελέτη... 7 Παράρτημα Α Διαγράμματα διαλείψεων και των αντίστοιχων κατανομών που αυτή ακολουθεί για αποστάσεις του δέκτη από τον πομπό, - m, κατά μήκος του διαδρόμου του Boeing

9 Παράρτημα Β Διαγράμματα διαλείψεων και των αντίστοιχων κατανομών που αυτή ακολουθεί για διαφορετικά καθίσματα στο εσωτερικό της καμπίνας του αεροσκάφους Boeing Παράρτημα Γ Διαγράμματα διαλείψεων και των αντίστοιχων κατανομών που αυτή ακολουθεί όταν ο πομπός εκπέμπει από το εξωτερικό της καμπίνας του Boeing Παράρτημα Δ Διαγράμματα λαμβανόμενης ισχύος στους δύο διαδρόμους του Airbus A3-3, συναρτήσει της απόστασης και τα αντίστοιχα μοντέλα απωλειών διάδοσης για διάφορα μήκη παραθύρων... 3 Βιβλιογραφία

10

11 Κεφάλαιο Εισαγωγή. Αεροναυτικά συστήματα επικοινωνίας Είναι εμφανής η συνεχώς αυξανόμενη ζήτηση μεγαλύτερου εύρους ζώνης στα ασύρματα συστήματα μετάδοσης και η παροχή υπηρεσιών υψηλού ρυθμού μετάδοσης πληροφορίας. Αυτή η τάση δεν θα μπορούσε να λείπει και από τον χώρο αεροπορικών μεταφορών. Τελευταία όλο και περισσότερες αεροπορικές εταιρίες παρέχουν στους επιβάτες υπηρεσίες πρόσβασης σε δεδομένα και προσωπικής επικοινωνίας. Ενώ στο παρελθόν χρησιμοποιούνταν ταχύτητες λίγων kb/s σήμερα είναι δυνατόν η διάθεση ταχυτήτων που φτάνουν μερικά Mb/s. Τα πλεονεκτήματα μιας τέτοιας εξέλιξης στην επικοινωνία πάνω από τα σύννεφα είναι η διευκόλυνση των επιβατών με την παροχή ενός διαύλου επικοινωνίας και πρόσβασης σε πληροφορίες που μπορούν να απολαύσουν κατά την διάρκεια όλης της πτήσης, η διευκόλυνση του προσωπικού κατά των εργασιών συντήρησης με το στήσιμο ασύρματου δικτύου αισθητήρων που θα παρέχουν χρήσιμες και κρίσιμες πληροφορίες για την κατάσταση του αεροσκάφους. Επιπλέον, η πρόσθετη ασφάλεια που ενδεχομένως προσφέρουν, μπορεί να χρησιμοποιηθεί από το προσωπικό του αεροσκάφους και τέλος μπορεί αποδειχθεί μια πιο φτηνή λύση υλοποίησης ενός δικτύου μέσα στο αεροσκάφος σε αντιδιαστολή με το πιο ακριβό ενσύρματο δίκτυο. Μελέτες έχουν δείξει πως η ανάγκη για υπηρεσίες ευρείας ζώνης μέσα στο αεροσκάφος είναι υπαρκτή και παρουσιάζει μια κατεύθυνση προς εφαρμογές ψυχαγωγίας. Αυτό μπορεί να γίνει περισσότερο κατανοητό αν αναλογιστούμε την συνεχώς αυξανόμενη χρήση και εξοικείωση των ανθρώπων με φορητές συσκευές όπως κινητά τηλέφωνα, PDA, Laptops κ.τ.λ. Σήμερα οι παρεχόμενες αεροναυτικές επικοινωνίες στους επιβάτες βασίζονται στην απλή τηλεφωνία χρησιμοποιώντας ένα απλό τηλέφωνο προσαρτημένο στο κάθισμα. Η αποδοχή αυτού του μέσου από τους επιβάτες είναι μικρή λόγω του ενδοιασμού που δείχνουν στην χρησιμοποίηση πιστωτικών καρτών, στην μη φιλική χρήση που παρουσιάζουν και στο υψηλό κόστος που έχουν. Διάφορες υπηρεσίες παρέχονται σήμερα όπως το Inmarsat Aero σύστημα για αεροπορικές δορυφορικές κινητές επικοινωνίες (AMSS, aeronautical mobile satellite services) και άλλα συστήματα για πρόσβαση στο επίγειο δίκτυο (AMTS, aeronautical mobile terrestrial services) όπως το Βόρειο Αμερικανικό Επίγειο Σύστημα (NATS, North American Terrestrial System). Επί του παρόντος, το AMSS παρέχει κανάλι φωνής δυο κατευθύνσεων, fax, και υπηρεσίες δεδομένων που καλύπτουν θεωρητικά κάθε μέρος του πλανήτη. Τα υπάρχοντα συστήματα είναι περιορισμένα ως προς το εύρος ζώνης και η τάση για διαδυκτιακές εφαρμογές που καταναλώνουν σημαντικό εύρος ζώνης δεν μπορεί να ικανοποιηθεί με τα σημερινά δεδομένα. Η προσπάθεια σήμερα στρέφεται προς δυο κατευθύνσεις: προς την βελτίωση της τεχνολογικής υποδομής του αεροσκάφους για την παροχή φιλικής προς τον χρήστη υπηρεσιών προσωπικής επικοινωνίας και πολυμεσικών εφαρμογών προς την βελτίωση του τμήματος αεροσκάφος-δορυφόρος για να επιτρέπει υψηλότερους ρυθμούς μετάδοσης 7

12 Διπλωματική Εργασία Χαρακτηρισμός Ραδιοδιαύλου στο Εσωτερικό Χώρο Αεροσκαφών Η ESA (European Space Agency) είναι αυτή που τυπικά χρηματοδοτεί σχετικά προγράμματα για την μελέτη, σχεδίαση και υλοποίηση εφαρμογών αεροναυτικών επικοινωνιών όπως τα BRAHMSS/THELES και ABROAD προγράμματα. Η Ευρωπαϊκή Επιτροπή συμπληρώνει αυτές τις δραστηριότητες με προγράμματα που στόχο έχουν την ολοκλήρωση των αεροναυτικών επικοινωνιών με τις υπάρχουσες επίγειες. Γενικά αυτά τα προγράμματα έχουν σαν στόχο την παροχή υπηρεσιών ευρείας ζώνης στους επιβάτες παρόμοιες με αυτές που είναι διαθέσιμες στα επίγεια συστήματα επικοινωνίας βασιζόμενες σε πολυεπίπεδα ασύρματα δίκτυα πρόσβασης, που θα ολοκληρώνουν υπηρεσίες όπως UMTS, IEEE 8.x ασύρματου δικτύου (WLAN) και Bluetooth και το οποία θα συνυπάρχουν με τυχόν IP LAN ενσύρματα δίκτυα. Η διασύνδεση του αεροσκάφους με το επίγειο δίκτυο γίνεται δια μέσω δορυφόρων. Προσπάθειες γίνονται για την αύξηση των ρυθμών μετάδοσης σε αυτό το τμήμα του διαύλου επικοινωνίας. Σήμερα χρησιμοποιούνται ομοιοκατευθυντικές κεραίες στη ζώνη συχνοτήτων L (- GHz) αλλά λόγω του περιορισμένου διαθέσιμου εύρους οι ρυθμοί μετάδοσης που μπορούν να επιτευχθούν δεν ξεπερνούν τα 5 kb/s, έτσι είναι αναγκαία η χρησιμοποίηση και άλλων ζωνών όπως οι Ka (-8 GHz), K (8-7 GHz) και Ku (7- GHz) δορυφορικές ζώνες συχνοτήτων που χρησιμοποιούνται επίσης για την αναλογική και ψηφιακή τηλεόραση και μπορούν να λειτουργήσουν επικουρικά στην L-ζώνη με την Ku-ζώνη να χρησιμοποιείται για την κάτω-ζεύξη (downlink) ενώ η L-ζώνη για την άνωζεύξη (uplink). Είναι αναγκαία επίσης η σχεδίαση καλύτερων κεραιών με καλύτερα χαρακτηριστικά και μεγαλύτερο κέρδος για την ζώνη Κu και πάνω, και κάποιες εταιρίες έχουν κινηθεί σ αυτήν την κατεύθυνση όπως η Connexion TM της Boeing που χρησιμοποιεί τέτοιους δορυφόρους στη ζώνη Ku για την παροχή επικοινωνίας δυο κατευθύνσεων (full duplex) και οι Βρετανικές αεροπορικές εταιρίες Lufthansa και SAS έχουν δοκιμάσει τέτοιες προσεγγίσεις. Στο παρακάτω σχήμα φαίνεται η αρχιτεκτονική πάνω στην οποία θα βασίζονται οι αεροναυτικές επικοινωνίες. Βασικά μέρη που συνθέτουν την υποδομή αυτή είναι: το τμήμα ασύρματης πρόσβασης GSM/UMTS, WLAN, Bluetooth και το τυπικό ενσύρματο IP LAN τα οποία θα συνυπάρχουν αρμονικά το δορυφορικό τμήμα (satellite segment) για την διασύνδεση του αεροσκάφους με τους επίγειους τηλεπικοινωνιακούς φορείς. Οι διάφορες υπηρεσίες στο αεροσκάφος πρέπει να ολοκληρώνονται και να αλληλοσυνδέονται με την βοήθεια ολοκληρωτή υπηρεσιών (SI - Service Integrator) που θα επιτρέπει τον διαχωρισμό και την μεταφορά των διάφορων υπηρεσιών πάνω σε ένα ή περισσότερους δορυφορικούς φορείς. και τέλος το τμήμα εξυπηρέτησης υπηρεσιών (Aircom Service Provider) που θα υποστηρίζει τις ολοκληρωμένες υπηρεσίες του αεροσκάφους. Θα φροντίζει για την πρόσβαση στις επίγειες ασύρματες κινητές επικοινωνίες, σταθερή τηλεφωνία και διαδίκτυο. 8

13 Κεφάλαιο Σχήμα.. Σενάριο για τον τρόπο που θα επικοινωνεί το ασύρματο δίκτυο του αεροσκάφους με το επίγειο δίκτυο. Σε αυτό το σενάριο το αεροσκάφος θεωρείται σαν μια κυψέλη με τον δικό της σταθμό βάσης που επικοινωνεί με το πλησιέστερα διαθέσιμο γεωστατικό δορυφόρο, ο οποίος με την σειρά του λειτουργεί σαν επαναλήπτης επιτρέποντας την διασύνδεση με τους επίγειους σταθμούς. Ένα άλλο σημαντικό θέμα είναι η ηλεκτρομαγνητική συμβατότητα των προσωπικών ηλεκτρικών συσκευών που φέρουν οι επιβάτες και που μπορεί να προκαλέσουν παρεμβολή στα συστήματα του αεροσκάφους. Αυτό το πρόβλημα αποφεύγεται με τους κανονισμούς που ισχύουν για το διαμοιρασμό του διαθέσιμου εύρους ζώνης στις διάφορες εφαρμογές. Μέχρι σήμερα, από δοκιμές που έχουν γίνει, δεν έχει παρατηρηθεί κάποια παρεμβολή που να προκαλείται από τέτοιες συσκευές, ακόμη και σε μη κρίσιμα συστήματα του αεροσκάφους που επιτελούν βασικές λειτουργίες. Από τα παραπάνω είναι εμφανές πως για την σχεδίαση και υλοποίηση των υποσχόμενων υπηρεσιών είναι αναγκαία και απαραίτητη η μελέτη και ο χαρακτηρισμός του διαύλου επικοινωνίας του εσωτερικού ενός αεροσκάφους. Στη παρούσα εργασία επιχειρείται ο χαρακτηρισμός στενής ζώνης του διαύλου μέσα στο αεροσκάφος. Συγκεκριμένα γίνεται η μέτρηση και η μοντελοποίηση των απωλειών διάδοσης για όλο το χώρο. Η μοντελοποίηση των απωλειών διάδοσης περιλαμβάνει την στατιστική επεξεργασία των διαλείψεων που υφίσταται το σήμα για την εξαγωγή χρήσιμων στατιστικών παραμέτρων. Αυτή η μοντελοποίηση μπορεί να χρησιμοποιηθεί αργότερα για την πρόβλεψη της ισχύος του σήματος που φτάνει σε διάφορα σημεία και μπορεί να βοηθήσει στον σωστό σχεδιασμό ενός ασύρματου δικτύου που θα καλύπτει ικανοποιητικά τον εσωτερικό χώρο υπό εξέταση αεροσκάφους και θα διατηρεί κάποιες ποιοτικές προδιαγραφές. Εξάγονται επίσης τιμές για τον χρόνο συνοχής και την διασπορά Doppler που υφίσταται ο δίαυλος όταν σε αυτόν υπάρχουν κινούμενοι σκεδαστές (άνθρωποι) και αποτελούν ένα μέτρο της χρονικής μεταβολής του διαύλου. Επίσης μετρούνται οι απώλειες που εισάγει η άτρακτος του αεροσκάφους, χρήσιμη παράμετρος για να λάβουμε υπόψη την παρεμβολή που τυχόν θα εισάγεται από το αεροναυτικό ασύρματο σύστημα επικοινωνίας στα επίγεια συστήματα. 9

14 Διπλωματική Εργασία Χαρακτηρισμός Ραδιοδιαύλου στο Εσωτερικό Χώρο Αεροσκαφών. Προηγούμενες μελέτες Πολλές μελέτες έχουν γίνει σχετικά με την ανάπτυξη και εκμετάλλευση των προσωπικών ασύρματων υπηρεσιών στο εσωτερικό χώρο ενός αεροσκάφους. Σχεδόν όλες οι μελέτες αυτές έχουν επικεντρωθεί σε: (i) ανάλυση συστήματος και δοκιμές πεδίου για την κινητή τηλεφωνία, ασύρματου Bluetooth και LAN δικτύων, (ii) στην προσομοίωση του εσωτερικού χώρου του αεροσκάφους με χρήση έτοιμων εργαλείων πρόβλεψης RF κάλυψης, (iii) μετρήσεις ραδιοκάλυψης και (iv) χαρακτηρισμός διαύλου ευρείας ζώνης μετρώντας τις κρουστικές αποκρίσεις του χρησιμοποιώντας κατάλληλη συσκευή μέτρησης. Η κατανόηση της συμπεριφοράς του διαύλου στο εσωτερικό ενός αεροσκάφους στις υψηλές συχνότητες δίνει την δυνατότητα ανάπτυξης πολυμεσικών εφαρμογών και παροχής διαδικτυακών υπηρεσιών για τους επιβάτες εν ώρα πτήσης. Επίσης διευκολύνεται και η καλύτερη λειτουργία και συντήρηση του αεροσκάφους χρησιμοποιώντας δίκτυα αισθητήρων τα οποία θα συνδέονται ασύρματα. Προηγούμενες έρευνες έχουν επικεντρωθεί σε αστικά, βιομηχανικά περιβάλλοντα και σε περιβάλλοντα γραφείου. Ωστόσο η καμπίνα του αεροσκάφους λόγω της ιδιαίτερης γεωμετρίας και της υψηλής πυκνότητας εμποδίων που βρίσκονται στο χώρο είναι πολύ διαφορετικό περιβάλλον από τα προαναφερόμενα. Σε μελέτη που πραγματοποιήθηκε στο [] έγινε μια προσπάθεια χαρακτηρισμού του διαύλου στην ζώνη συχνοτήτων GHz σε ένα Boeing Μελετήθηκαν τα χαρακτηριστικά ευρείας κλίμακας του διαύλου και έγιναν μετρήσεις με άδεια καμπίνα, με μισογεμάτη καμπίνα και με σχεδόν γεμάτη καμπίνα ώστε να μελετηθεί η επίδραση που έχει η ανθρώπινη παρουσία σε διάφορες παραμέτρους του διαύλου που εξήχθησαν από τις μετρήσεις. Οι παράμετροι αυτές είναι ) η χωρική εξάρτηση των απωλειών διάδοσης ) η εξάρτηση των απωλειών διάδοσης από την συχνότητα 3) ο λόγος της ενέργειας της απευθείας συνιστώσας (LOS) προς τις σκεδασμένες, ) η RMS διασπορά καθυστέρησης και 5) η θέση και η κατανομή των πόλων της συνάρτησης που προκύπτει από το μοντέλο του διαύλου στο πεδίο συχνοτήτων. Το αεροπλάνο στο οποίο ελήφθησαν οι μετρήσεις είναι μήκους m, πλάτους 3.5 m και ύψους. m. Ελήφθησαν μετρήσεις σε διάταξη σημείου προς πολλαπλά σημεία (pointto-multipoint) δηλαδή έχουμε μια κεντρική κεραία εκπομπής που τοποθετείται σε τρία σημεία του ταβανιού της καμπίνας και πολλές κεραίες λήψης που τοποθετούνται στο στήριγμα τις κεφαλής, στο στήριγμα του χεριών ή στο στήριγμα των ποδιών της κάθε θέσης. Για κεραία εκπομπής και λήψης χρησιμοποιήθηκε δικωνική κεραία. Για τις μετρήσεις χρησιμοποιήθηκε ένας Δικτυακός Αναλυτής (Vector Network Analyzer VNA) που ρυθμίστηκε να σαρώνει στο εύρος συχνοτήτων 3-.6 GHz σε 6 βήματα, να δίνει σήμα εκπομπής ισχύος 5 dbm και να καταγράφει το λαμβανόμενο σήμα χρησιμοποιώντας ενδιάμεση συχνότητα 3 khz. Η κεραία εκπομπής και λήψης συνδέονται με το VNA διαμέσου καλωδίου μήκους 5 m. Τo πλήθος των μετρήσεων που συλλέχθηκαν ήταν γύρω στις κρουστικές αποκρίσεις. Το μοντέλο για τις απώλειες διάδοσης όπως έχει υιοθετηθεί από την ΙΕΕΕ 8.5.α είναι: n κ d f P (, ) p d f = k (.) d f c

15 Κεφάλαιο όπου d και f είναι η απόσταση και η συχνότητα αντίστοιχα, d και f c είναι η απόσταση και συχνότητα αναφοράς αντίστοιχα, n και κ είναι συντελεστές απόστασης και συχνότητας αντίστοιχα και k είναι μια σταθερά. Οι απώλειες διάδοσης αυξάνουν με την αύξηση της απόστασης μεταξύ πομπού και δέκτη, με την αύξηση της συχνότητας και με την παρουσία εμποδίων (αντικείμενα, άνθρωποι). Από τις μετρήσεις που ελήφθησαν παρατηρήθηκε ότι οι απώλειες διάδοσης και ο συντελεστής απωλειών διάδοσης (n) αυξάνονταν όταν ο δέκτης τοποθετούταν σε χαμηλότερη θέση και όταν η πυκνότητα των ανθρώπων καθισμένων μέσα στην καμπίνα γινόταν μεγαλύτερη. Οι τιμές που βρέθηκαν για το συντελεστή n κυμαίνονταν από. έως.6 για σημεία λήψης πάνω στο στήριγμα κεφαλής, από. έως.5 για τα σημεία λήψης πάνω στο στήριγμα των χεριών και από.7 έως. για τις μετρήσεις στα στηρίγματα των πελμάτων. (α) (β) Σχήμα.. Κέρδος ισχύος συναρτήσει της απόστασης για τρία σημεία λήψης (στήριγμα κεφαλής, χεριών και πελμάτων), (α) όταν δεν υπάρχουν επιβάτες, (β) όταν η καμπίνα είναι γεμάτη, []. Αν και το παραπάνω μοντέλο που προτείνεται από την ΙΕΕΕ8.α για την μοντελοποίηση των απωλειών διάδοσης υποδηλώνει ανεξαρτησία της παραμέτρου κ από την απόσταση, στην μελέτη αυτή παρατηρήθηκε χωρική εξάρτηση της παραμέτρου αυτής σε όλες τις περιπτώσεις μετρήσεων. Συγκεκριμένα παρατηρήθηκε αύξηση της παραμέτρου κ σε σχέση με την απόσταση με διαφορετικούς ρυθμούς ανάλογα με την θέση τοποθέτησης του δέκτη. Σχετικά με τα προφίλ καθυστέρησης ισχύος (PDP) παρατηρήθηκε ότι είναι περισσότερο πιθανό να έχουμε απευθείας συνιστώσα στο δέκτη όταν ο δέκτης είναι τοποθετημένος στο ύψος της κεφαλής του επιβάτη. Στο επίπεδο των χεριών του επιβάτη, οι θέσεις που βρίσκονται κοντά στο διάδρομο, έχουν κάποια δυνατότητα να έχουν απευθείας ζεύξη με τον πομπό ενώ όταν ο δέκτης τοποθετείται στο σημείο στηρίγματος των πελμάτων συνήθως δεν υπάρχει μια τέτοια LOS διαδρομή. Επίσης μια αύξηση στην τιμή της RMS διασποράς καθυστέρησης παρατηρήθηκε όταν ο δέκτης μεταπηδά από το ύψος της κεφαλής προς χαμηλότερες θέσεις. Από τις αθροιστικές πιθανότητες (CDF) που υπολογίστηκαν για τον λόγο της απευθείας συνιστώσας προς τις σκεδασμένες συνιστώσες (K-factor) παρατηρήθηκε πως τα σημεία στο ύψος της κεφαλής παρουσιάζουν μεγαλύτερες τιμές αυτού του λόγου επιβεβαιώνοντας ότι οι θέσεις αυτές έχουν την καλύτερη ζεύξη με την κεραία εκπομπής.

16 Διπλωματική Εργασία Χαρακτηρισμός Ραδιοδιαύλου στο Εσωτερικό Χώρο Αεροσκαφών Μια άλλη μελέτη που διερευνά τα χαρακτηριστικά του διαύλου στο εσωτερικό ενός αεροσκάφους [], βασίζεται σε μετρήσεις στενής ζώνης. Συγκεκριμένα, οι μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν σε αεροπλάνο τύπου Airbus A39 στο Αμβούργο της Γερμανίας, έχοντας τους εξής σκοπούς: (i) την μελέτη των χαρακτηριστικών διάδοσης στο εσωτερικό αεροπλάνου και (ii) την αποτίμηση της παρεμβολής που παράγεται από το δίκτυο της καμπίνας ως προς τα επίγεια δίκτυα. Η όλη έρευνα επικεντρώθηκε στις GSM, UMTS και ISM ζώνες συχνοτήτων με σκοπό την παροχή αεροναυτικού συστήματος επικοινωνίας σε επιβάτες αεροπλάνου με κινητό IP μέσω WLAN και Bluetooth (που και τα δυο δουλεύουν στην ISM ζώνη) και προσωπικής κινητής τηλεφωνίας για υπηρεσίες GSM ή UMTS. Το μετρητικό σύστημα που χρησιμοποιήθηκε ήταν το ίδιο για το εσωτερικό και για το εξωτερικό του αεροπλάνου και αποτελούταν από μια κεραία εκπομπής η οποία τροφοδοτούνταν από μια γεννήτρια και από μια κεραία λήψης η οποία συνδέονταν με ένα αναλυτή φάσματος. Ως κεραίες εκπομπής χρησιμοποιήθηκαν κεραίες με κυκλική πόλωση εκτός από μια περίπτωση που χρησιμοποιήθηκε κεραία γνωστή ως "καλώδιο διαρροής" (leaky cable), ενώ για την προσομοίωση των τερματικών των χρηστών χρησιμοποιήθηκαν κυρίως κεραίες με γραμμική πόλωση. Σχήμα.3. Ομοαξονικό καλώδιο με τμήματα διαρροής (leaky cable), []. Οι μετρήσεις στο εσωτερικό του αεροπλάνου έδειξαν ότι η λαμβανόμενη ισχύς ελαττώνεται καθώς η συχνότητα εκπομπής αυξάνεται αφού οι απώλειες διάδοσης αυξάνουν με την συχνότητα. Ύστερα από μια σειρά δοκιμών και μετρήσεων με διαφορετικού τύπου κεραίες εξήχθη το συμπέρασμα ότι μια ομοιοκατευθυντική κεραία με ισχύ εκπομπής στα 6 dbm είναι αρκετή ώστε να παρέχει κάλυψη σε όλη την καμπίνα του αεροσκάφους. Αυτή η επιλογή προτιμάται από τη χρήση κατευθυντικών κεραιών είτε στην αρχή είτε στο τέλος της καμπίνας, εξαιτίας της ευαισθησίας της λαμβανόμενης ισχύς στην θέση των επιβατών συγκρινόμενη με τον προσανατολισμό που παρουσιάζουν οι κατευθυντικές κεραίες. Από την άλλη ένα "καλώδιο διαρροής" (leaky cable) δίνει μια πιο ομοιόμορφη κάλυψη. Ο σκοπός των μετρήσεων στο περιβάλλον εκτός του αεροπλάνου ήταν να προσδιοριστεί εάν οι εγκατεστημένες στη καμπίνα κεραίες προκαλούν παρεμβολή στα επίγεια δίκτυα. Τα αποτελέσματα των μετρήσεων έδειξαν ότι ένα επίπεδο παρεμβολής γύρω στα -3 dbm μπορεί να υπάρξει ως προς τα επίγεια δίκτυα και αφού αυτή η τιμή θεωρείται ακόμα αρκετά υψηλή, κάποια αντίμετρα πρέπει να ληφθούν. Το να μειωθεί η ισχύς εκπομπής δεν αποτελεί καλή λύση αφού θα απαιτούνται περισσότερα σημεία πρόσβασης (access points) για να καλύψουν όλη την καμπίνα. Αυτό θα ήταν επιτρεπτό μόνο εάν μας ενδιέφερε η κάλυψη συγκεκριμένων περιοχών στην καμπίνα, όπως για παράδειγμα οι πρώτες θέσεις (business class). Από την άλλη δεν αξίζει να σπαταλήσουμε ισχύ, έτσι δεν ωφελεί να εκπέμψουμε περισσότερα από 6 dbm, που ήταν και η τιμή της ισχύος εκπομπής κατά την διάρκεια των μετρήσεων.

17 Κεφάλαιο Μια άλλη δυνατότητα θα ήταν να ενισχύσουμε το κάλυμμα της καμπίνας με απορροφητικά υλικά, κυρίως για τα παράθυρα, ή να χρησιμοποιήσουμε απορροφητικά υλικά για τις θέσεις των επιβατών. Αυτή η λύση αν και τεχνικά εφικτή δεν προτιμάται από τις αεροπορικές εταιρίες εξαιτίας του οικονομικού κόστους. Επιπλέον, μια άλλη λύση θα μπορούσε να είναι η παραγωγή ενός κατώτατου επίπεδου θορύβου συγκεκριμένης πυκνότητας ισχύος από το αεροσκάφος. Αυτός ο θόρυβος θα είχε διπλή επίδραση: (i) την αποφυγή της πιθανότητας τα σήματα που εξέρχονται από την καμπίνα να προκαλέσουν παρεμβολή σε επίγεια δίκτυα, και (ii) την αποφυγή του ενδεχομένου, σήματα που προέρχονται από επίγειους σταθμούς βάσης να εισέλθουν στο δίκτυο της καμπίνας επιτρέποντας στους επιβάτες του αεροπλάνου να εγγραφούν σε άλλα δίκτυα από αυτό της πτήσης. Ωστόσο η δυνατότητα να επιτευχθεί η συγκεκριμένη ιδέα θα πρέπει να μελετηθεί περισσότερο. Κλείνοντας την αναφορά μας στην συγκεκριμένη μελέτη θα πρέπει να σημειώσουμε ότι η ακτινοβολούμενη ισχύς εκτός του αεροσκάφους, χρησιμοποιώντας ως κεραία εκπομπής το "καλώδιο διαρροής" (leaky cable), δεν βρέθηκε σημαντικά χαμηλότερη από ότι η ισχύς που ακτινοβολείται από τις συμβατικές κεραίες. Προφανώς τα ίδια με πριν αντίμετρα πρέπει να εφαρμοστούν και για αυτόν τον τύπο κεραίας. Μια άλλη ενδιαφέρουσα μελέτη σχετικά με τα RF χαρακτηριστικά των δικτύων κινητής επικοινωνίας στο εσωτερικό χώρο μιας καμπίνας διεξήχθει από τους Gregory A. Breit et al. [6]. Η εργασία αυτή επικεντρώθηκε στην μελέτη της συμβατότητας μεταξύ των φορητών συσκευών επικοινωνίας (transmitting portable electronic devices, T-PEDs) των επιβατών και το ενδεχόμενο αυτές να προκαλούν παρεμβολές στα συστήματα της καμπίνας ή στα επίγεια συστήματα επικοινωνίας. Πιο συγκεκριμένα σκοπός της μελέτης ήταν: ) ο προσδιορισμός ενός συντελεστή πολλαπλών συσκευών (Multiple Equipment Factor, MEF) ώστε να μπορεί να μοντελοποιηθεί μια πηγή εκπομπής που θα εκπέμπει μια ισοδύναμη ενέργεια με αυτή της λειτουργίας πολλαπλών συσκευών, ) να επιβεβαιωθεί ότι ο MEF μπορεί να υπολογιστεί αναλυτικά από τα εμπειρικά μοντέλα απωλειών διάδοσης γνωρίζοντας συγχρόνως την χωρική κατανομή των συσκευών εκπομπής μέσα στην καμπίνα, 3) να εκτιμηθεί η RF διαρροή ενέργειας στο εξωτερικό χώρο της καμπίνας ώστε να προσδιοριστούν οι παρεμβολές που μπορεί να εισάγονται στα επίγεια συστήματα τηλεπικοινωνίας και ) να προσδιοριστεί η επίδραση των ατόμων στα χαρακτηριστικά του διαύλου επικοινωνίας του εσωτερικού χώρου της καμπίνας. Για τους παραπάνω σκοπούς διεξήχθηκαν μετρήσεις μέσα σε ένα Boeing ΜD-9, που ήταν εφοδιασμένο με ένα σύστημα πικοκυψέλης που μπορούσε να υποστηρίξει ταυτόχρονα CDMA κλήσεις συσκευών κατανεμημένες ομοιόμορφα σε όλο το εσωτερικό χώρο της καμπίνας. Οι συσκευές μπορούσαν να λειτουργήσουν σε δύο ζώνες συχνοτήτων, 8 και 9 MHz με δύο τρόπους εκπομπής, α) χειροκίνητη λειτουργία με μέγιστη ενέργεια εκπομπής που καθιστά το χειρότερο σενάριο και β) ελεγχόμενη από την βάση επικοινωνία με τα επίπεδα ενέργειας εκπομπής να προσδιορίζονται στην ελάχιστη τιμή που είναι αναγκαία για την διατήρηση του ψηφιακού καναλιού. Η πικοκυψέλη λειτουργούσε στη ζώνη 8 MHz και δεν μπορούσε να υποστηρίξει την ζώνη 9 MHz. Για τα δύο αυτά σενάρια διεξήχθισαν μετρήσεις και για τις δύο συχνότητες κατά μήκος του διαδρόμου και έξω από την καμπίνα σε ακτίνα Km. Ο συντελεστής MEF Ν συσκευών ορίζεται σαν ο λόγος της μέγιστης ισχύος εκπομπής των Ν συσκευών προς την μέγιστη ισχύ μίας συσκευής. Αυτός είναι συνάρτηση του σημείου μέτρησης, της χωρικής κατανομής των συσκευών και των χαρακτηριστικών του διαύλου επικοινωνίας. Έγιναν μετρήσεις για διάφορα πλήθη συσκευών που εκπέμπανε με 3

18 Διπλωματική Εργασία Χαρακτηρισμός Ραδιοδιαύλου στο Εσωτερικό Χώρο Αεροσκαφών μέγιστη ισχύ και με ελεγχόμενη ισχύ. Αυτό έγινε και για τις δύο συχνότητες. Στο παρακάτω Σχήμα. φαίνεται η μετρούμενη ισχύς κατά μήκος του διαδρόμου για διάφορες ομάδες συσκευών. Σχήμα.. Μετρούμενη ισχύς κατά μήκος του διαδρόμου με τις συσκευές να εκπέμπουν στην μέγιστη ισχύ, [6]. Για την κάθε περίπτωση εκτιμήθηκε το μοντέλο απωλειών διάδοσης βασισμένο στη σχέση: PL ( d)[ db] = PL( d )[ db] + log( d / d ) + ad (.) που είχε προταθεί από τους Devasirvatham et al. [8] και που βρέθηκε να ταιριάζει πολύ καλά με την συγκεκριμένη περίπτωση. Το μοντέλο αυτό προβλέπει διάδοση ελευθέρου χώρου με ένα επιπλέον συντελεστή απωλειών που αυξάνει εκθετικά (γραμμικά σε db) με την απόσταση. Το μοντέλο αυτό δουλεύει καλά σε εσωτερικούς χώρους όπου τα εμπόδια είναι στοιχισμένα ομοιόμορφα σε όλο το χώρο, όπως συμβαίνει και με το εσωτερικό χώρο μιας καμπίνας του αεροσκάφους. Βρέθηκε επίσης ότι ο συντελεστής a μειώνεται καθώς αυξάνει η συχνότητα, πράγμα που συμφωνεί με τις παρατηρήσεις του Devasirvatham et al. Στην περίπτωση που εκπέμπανε πολλές συσκευές ταυτόχρονα το μοντέλο υπολογίστηκε από την γραμμική υπέρθεση όλων των προβλεπόμενων τιμών βασισμένων στις γραμμικές αποστάσεις όλων των συσκευών από το σημείο μέτρησης. Αυτό έγινε με την υπόθεση της ασυσχέτιστης πρόσθεσης του πεδίου που προτάθηκε από την RTCA και από την καλή συμφωνία των μοντέλων με τα πειραματικά δεδομένα προκύπτει πως η υπόθεση αυτή ισχύει. Στο παρακάτω Σχήμα.5 φαίνεται η μετρούμενη ισχύς κατά μήκος του διαδρόμου και η προβλεπόμενη από το μοντέλο ισχύς για την κάθε περίπτωση. Είναι εμφανής η καλή προσαρμογή του μοντέλου στις μετρούμενες τιμές. Επίσης βρέθηκε ότι η μέση ισχύς αυξάνει γραμμικά με την αύξηση του πλήθους των συσκευών σε αντίθεση με την μέγιστη ισχύ που δεν αυξάνει γραμμικά. Γενικά κάθε επιπλέον συσκευή εισάγει πάντα ίση ή μικρότερη ισχύ από την ποσότητα ισχύος που εισάγει η προηγούμενη συσκευή.

19 Κεφάλαιο Σχήμα.5. Μετρούμενη (σύμβολα) και προβλεπόμενη (γραμμές) ισχύς κατά μήκος του διαδρόμου και για διάφορες ομάδες συσκευών που λειτουργούν στην συχνότητα 8 MHz, [6]. Από τα προκύπτοντα εμπειρικά μοντέλα υπολογίστηκε ο συντελεστής πολλαπλών συσκευών (MEF) και βρέθηκε ότι είναι μια ποσότητα που παρουσιάζει μεγάλη μεταβολή ανά θέση μέτρησης. Στο Σχήμα.6 φαίνεται η μεταβολή αυτή σε σχέση με την απόσταση και σημειώνεται ότι η μεταβολή αυτή σχετίζεται άμεσα με την διάταξη των σειρών των καθισμάτων, με τον συντελεστή να παίρνει την τοπικά ελάχιστη τιμή δίπλα σε θέσεις που βρίσκεται συσκευή (τηλέφωνο) και την μέγιστη τοπική τιμή σε σημεία όπου βρίσκονται μακριά απ όλες τις πηγές εκπομπής. Αυτό ήταν αναμενόμενο από τον τρόπο που ορίστηκε ο συντελεστής MEF. Ο συντελεστής MEF δεν αυξάνει γραμμικά με το πλήθος των συσκευών αλλά παίρνει μικρότερες τιμές. Για παράδειγμα για συσκευές λαμβάνει την τιμή 9 db και όχι db όπως θα αναμενόταν. Από την στατιστική επεξεργασία των τιμών του συντελεστή MEF για τις μετρήσεις του διαδρόμου βρέθηκε ότι η μέγιστη τιμή του συντελεστή υπερέβαινε την τιμή 9% (9 th percentile) μόνο κατά db. Επίσης βρέθηκε ότι η τιμές του συντελεστή MEF ήταν σημαντικά μικρότερες σε θέσεις που βρίσκονται στην άκρη της καμπίνας, όπως η θέση στο παράθυρο. Αυτό εξηγήθηκε ως αποτέλεσμα του ότι σε τέτοιες θέσεις το σημείο μέτρησης δεν μπορεί να περικυκλωθεί εντελώς από τις άλλες συσκευές με αποτέλεσμα να έχουμε γενικά μεγαλύτερες αποστάσεις και απώλειες διάδοσης. Οι τιμές για αυτές τις θέσεις κυμαίνονται γύρο στα 6 db, 3 db χαμηλότερα από τα σημεία του διαδρόμου. Σχετικά με την αποτίμηση των παρεμβολών που μπορεί να εισάγει το δίκτυο της καμπίνας στα επίγεια συστήματα έγιναν μετρήσεις έξω από την καμπίνα για τρία σενάρια: ) λαμβανόμενη ισχύς από την ταυτόχρονη λειτουργία συσκευών εκπέμποντας στην μέγιστη ισχύ, ) λαμβανόμενη ισχύς από την ταυτόχρονη λειτουργία συσκευών εκπέμποντας με ελεγχόμενη ισχύ και 3) λαμβανόμενη ισχύ από την κάτω ζεύξη (downlink) της κυψέλης. 5

20 Διπλωματική Εργασία Χαρακτηρισμός Ραδιοδιαύλου στο Εσωτερικό Χώρο Αεροσκαφών Σχήμα.6. MEF διαδρόμου για,,, και κινητά τηλέφωνα, [6]. Στο παρακάτω Σχήμα.7 δείχνεται το επίπεδο της λαμβανόμενης ισχύος συναρτήσει της απόστασης από το κέντρο του αεροσκάφους όταν οι συσκευές εκπέμπουν με μέγιστη ισχύ (α) και με ελεγχόμενη ισχύ (β). Στην περίπτωση που έχουμε συσκευές να εκπέμπουν με ελεγχόμενη ισχύ η συνολική λαμβανόμενη ισχύς μειώθηκε κατά 6 db σε σχέση με την περίπτωση που έχουμε μέγιστη εκπομπή ισχύος. Πέρα από την απόσταση των m η καταγραφόμενη ισχύς ήταν πάρα πολύ μικρή όταν οι συσκευές εκπέμπανε ελεγχόμενα. Στις μετρήσεις για την λαμβανόμενη ισχύ που εκπέμπει ο σταθμός βάσης (κάτω ζεύξη) βρέθηκε ότι πέρα από την απόσταση των 5 m δεν ήταν δυνατή η εντόπιση του σήματος από την συσκευή λήψης. (α) (β) Σχήμα.7. Λαμβανόμενη ισχύς συναρτήσει της απόστασης σε θέσεις στο εξωτερικό του αεροσκάφους (α) όταν συσκευές εκπέμπουν με την μέγιστη ισχύ και (β) όταν συσκευές εκπέμπουν με ελεγχόμενη ισχύ, [6]. Τέλος από τις μετρήσεις που γίνανε με την παρουσία ατόμων μέσα στην καμπίνα βρέθηκε ότι στην περίπτωση που τα άτομα είναι καθισμένα η λαμβανόμενη ισχύ αποκλίνει κατά ±7 db από την τιμή της άδειας καμπίνας, ενώ η παρουσία όρθιων ατόμων στο διάδρομο εισάγει μια επιπλέον απώλεια της τάξης των.5 έως db για κάθε άτομο. Σημειώνεται ότι οι κεραίες εκπομπής και λήψης ήταν τοποθετημένες έτσι ώστε παρόλο 6

21 Κεφάλαιο την παρουσία όρθιων ατόμων να υπάρχει οπτική επαφή μεταξύ τους. Εάν η οπτική αυτή επαφή δεν διατηρείται πιθανώς να αναμένονται μεγαλύτερες τιμές των μετρούμενων απωλειών που οφείλονται στην παρουσία των ατόμων. Εκτός των μελετών που έχουν πραγματοποιηθεί λαμβάνοντας άμεσες μετρήσεις για το χαρακτηρισμό του διαύλου στο εσωτερικό χώρο αεροσκαφών, έχουν αναπτυχθεί μοντέλα προσομοίωσης της διάδοσης της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας χρησιμοποιώντας διάφορα λογισμικά πακέτα, με σκοπό την πρόβλεψη της ισχύος του μεταδιδόμενου σήματος σε εσωτερικούς χώρους γραφείων και κτηρίων. Αυτά τα εργαλεία μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως βάση για την εκτίμηση και σχεδιασμό ενός ασύρματου συστήματος επικοινωνίας στον εσωτερικό χώρο ενός αεροσκάφους. Αυτά τα μοντέλα μπορούν να ενισχύσουν στην κατανόηση του μηχανισμού διάδοσης της ισχύος στο εσωτερικό μιας καμπίνας του αεροσκάφους και να βοηθήσουν σε μελλοντική έρευνα. Τέτοια μοντέλα αναπτύχθηκαν χρησιμοποιώντας δύο εκ των αρκετών λογισμικών πακέτων που διατίθενται και σχετίζονται με την μοντελοποίηση και την προσομοίωση ασύρματων τηλεπικοινωνιακών δικτύων σε κτίρια με γραφεία, το SitePlanner και το EnterprisePlanner, εμπορικής χρήσεως λογισμικά πακέτα της εταιρίας Wireless Valley Communications. Η αξιοπιστία αυτών των μοντέλων εκτιμήθηκε μέσω της σύγκρισης τους με δεδομένα πραγματικών μετρήσεων που ελήφθησαν σε αεροσκάφη. Αυτή η σύγκριση οδήγησε στο συμπέρασμα ότι τα μοντέλα μπορούν με ακρίβεια να προβλέψουν την μετάδοση σήματος εντός των καμπινών των αεροσκαφών. Συγκεκριμένα, το SitePlanner [9] χρησιμοποιήθηκε για την δημιουργία μοντέλου που θα προσομοίωνε την μελέτη που πραγματοποιήθηκε σε πραγματικές συνθήκες την άνοιξη του 3, όπου εξετάστηκε η επίδοση του προτύπου ασύρματης επικοινωνίας 8. στα εξής αεροσκάφη: B77-, B767-3, B777- και A3-. Οι παράμετροι αυτής της μελέτης εξετάστηκαν αναλυτικά ώστε να συγκριθούν επακριβώς οι προβλεπόμενες με τις πειραματικές τιμές. Το SitePlanner είναι ένα εργαλείο που χρησιμοποιείται για την διαχείριση και σχεδιασμό ασύρματων δικτύων επικοινωνίας και συνδυάζει δυνατότητες AutoCAD. Επειδή οι δυνατότητες σχεδίασης και πρόβλεψης του SitePlanner δεν υποστηρίζουν ημικυλινδρικά σχήματα, όπως της καμπίνας του αεροσκάφους, σχεδιάστηκε μια προσέγγιση του πραγματικού σχήματος της καμπίνας θεωρώντας επίπεδα, όπου κάθε επίπεδο είχε ελαφρώς μικρότερο πλάτος από αυτό που βρίσκεται από κάτω του, όπως φαίνεται και από το Σχήμα.8. Επιπλέον, ένα ορθογώνιο πρίσμα με επιφάνεια διατομής παρόμοια με αυτήν της καμπίνας του αεροσκάφους δημιουργήθηκε για λόγους σύγκρισης. Σε καμία αναπαράσταση δεν υπήρχαν παράθυρα, πόρτες ή άλλοι εσωτερικοί χώροι, με σκοπό την απλοποίηση της μοντελοποίησης και των υπολογισμών πρόβλεψης. Το μοντέλο που χρησιμοποιήθηκε για την πρόβλεψη των απωλειών διάδοσης εκφράζεται από την σχέση: d PL( d) = PL( d + n d + Pi AFi + FAF d ) ( )log [( )( )] (.3) i όπου d είναι η απόσταση διαχωρισμού πομπού-δέκτη, n είναι ο συντελεστής απωλειών διάδοσης (που λαμβάνεται σαν συνάρτηση του d ή του πλήθους των διαχωριστικών επιπέδων) και FAF είναι η τιμή της εξασθένησης που σχετίζεται με τον αριθμό των διαχωριστικών επιπέδων. Ο αθροιστικός όρος αντιπροσωπεύει την απώλεια που υφίσταται το σήμα όταν τέμνει μια διαχωριστική επιφάνεια, και είναι γνωστός ως Παράγοντας Εξασθένησης Διαχωρισμού (Partition Attenuation Factor). Στο άθροισμα, το 7

22 Διπλωματική Εργασία Χαρακτηρισμός Ραδιοδιαύλου στο Εσωτερικό Χώρο Αεροσκαφών P i είναι ο αριθμός των διαχωρισμών (partition) τύπου i που τέμνονται, και παράγοντας εξασθένησης του διαχωρισμού τύπου i. AF i είναι ο Σχήμα.8. Ημικυλινδρικό σχέδιο της καμπίνας και ο τρόπος που προσεγγίστηκε, [9]. Με την επιλογή του μοντέλου απωλειών διάδοσης και την τοποθέτηση των σημείων πρόσβασης, έγινε η συλλογή των προβλεπόμενων τιμών ισχύος στα χωρικά σημεία που αντιστοιχούσαν στις πειραματικές μετρήσεις ώστε να είναι δυνατή η σύγκριση μεταξύ τους. Τα προβλεπόμενα αποτελέσματα απεικονίζονται γραφικά συγκρίνοντάς τα με τα πειραματικά δεδομένα που λήφθηκαν με δύο διαφορετικές συσκευές, όπως φαίνονται στο Σχήμα.9. Σχήμα.9. Κατανομή ισχύος 8.a στο εσωτερικό του B Με Station Number σημειώνεται το σημείο μέτρησης, [9]. Επίσης υπολογίστηκε η τυπική απόκλιση των προβλεπόμενων τιμών από τις πειραματικές μετρήσεις. Οι διαφορές μεταξύ των αποτελεσμάτων των δύο μετρητικών συσκευών (client card, Spectrum Analyzer) αποδίδονται στις διαφορετικές τεχνικές μέτρησης αυτών. Η χρήση μη βαθμονομημένων κεραιών στην περίπτωση του αναλυτή φάσματος είναι άλλη μια πηγή σφάλματος. Οι διαφορές μεταξύ του ορθογώνιου και του ημικυλινδρικού μοντέλου που φαίνονται στο Σχήμα.9 είναι μικρές, αλλά οι αποκλίσεις τους γίνονται εμφανέστερες όταν εξετάζονται οι τυπικές αποκλίσεις τους, οι οποίες συγκεντρώνονται στους παρακάτω Πίνακες -, -. Στις περισσότερες περιπτώσεις τα αποτελέσματα με την χρήση ημικυλινδρικού μοντέλου βρέθηκαν ελαφρώς πιο ακριβή από αυτά του ορθογώνιου μοντέλου. Το ημικυλινδρικό μοντέλο που χρησιμοποιήθηκε, δεν είναι ένας πραγματικός ημικύλινδρος, και για αυτό είναι πιθανόν να έχει παρόμοια αποτελέσματα με το ορθογώνιο μοντέλο. 8

23 Κεφάλαιο Πίνακας -. Τυπική απόκλιση των προβλεπόμενων 8.a δεδομένων, [9] Αεροσκάφος Ορθογώνιο Ημικυλινδρικό Πειραματικά δεδομένα Β N/A Client Card Β77.37 N/A Spectrum Analyzer Β Client Card Β Spectrum Analyzer Β Client Card Β Spectrum Analyzer Α Client Card Πίνακας -. Τυπική απόκλιση των προβλεπόμενων 8.b δεδομένων, [9] Αεροσκάφος Ορθογώνιο Ημικυλινδρικό Πειραματικά δεδομένα Β77.8 N/A Client Card Β77.8 N/A Spectrum Analyzer Β Client Card Β Spectrum Analyzer Β Client Card Β Spectrum Analyzer Α Client Card Συμπερασματικά, τα αποτελέσματα φανερώνουν ότι το SitePlanner μπορεί να συγκριθεί με τα πειραματικά δεδομένα παρά την απουσία εσωτερικών στοιχείων. Τα προβλεπόμενα γραφήματα ακολουθούν σε γενικές γραμμές την διάδοση του σήματος όπως αυτή βρέθηκε πειραματικά με τιμές της τυπικής απόκλισης να βρίσκονται στο διάστημα -5 db, καθιστώντας το Siteplanner αρκετά αποτελεσματικό εργαλείο. Το EnterprisePlanner [] χρησιμοποιήθηκε για την δημιουργία μοντέλου που θα προσομοίωνε τα αποτελέσματα που προέκυψαν από τις μετρήσεις που προαναφέρθηκαν παραπάνω. Το εργαλείο αυτό είναι παρόμοιο με το SitePlanner και παρουσιάζει τους ίδιους περιορισμούς ως προς την αναπαράσταση των εσωτερικών χώρων κάνοντας αναγκαία την προσέγγιση των γεωμετρικών σχημάτων για να συμβιβάζονται με τις υπολογιστικές και σχεδιαστικές ικανότητες του λογισμικού πακέτου. Ένα από τα αεροσκάφη που εξετάστηκε είναι το B777, το οποίο μοντελοποιήθηκε σαν μια ορθογώνια κατασκευή. Σε αυτήν την μελέτη μελετήθηκαν δύο μοντέλα, ένα το οποίο δεν θα περιλάμβανε εσωτερικά στοιχεία και παράθυρα και ένα άλλο που θα περιείχε παράθυρα, καθίσματα και εσωτερικούς χώρους με κάποια προσέγγιση ως προς τα ακριβή τους σχήματα. Ένα σημαντικό χαρακτηριστικό του EnterprisePlanner είναι ότι χρησιμοποιεί την μέθοδο Ανίχνευσης της Βασικής Ακτίνας (Primary Ray Tracing), για την πρόβλεψη των ραδιοκυμάτων. Αυτή η μέθοδος χρησιμοποιεί μια τροποποιημένη έκδοση της γραφικής ανίχνευσης ακτίνας για να προβλέψει την διάδοση των ραδιοκυμάτων και να προσδιορίσει τις απώλειες διάδοσης. Η γραφική ανίχνευση ακτίνας χρησιμοποιεί με την σειρά της την γεωμετρική οπτική (Geometrical Optics, GO) για την δημιουργία ενός διδιάστατου μοντέλου των τρισδιάστατων αντικειμένων, περιγράφοντας κάθε αντικείμενο με βάση την γεωμετρία του και την σκέδαση του φωτός που αυτό προκαλεί. Με αυτόν τον τρόπο το μοντέλο διάδοσης ραδιοκυμάτων, που βρίσκεται ενσωματωμένο στο EnterprisePlanner, χρησιμοποιεί την γεωμετρική οπτική για να ανιχνεύσει το μονοπάτι διάδοσης των απευθείας, των ανακλώμενων και των διαδιδόμενων ακτινών. Επίσης λαμβάνεται υπόψη μια περιθλώμενη συνιστώσα. Γενικά αυτή η μέθοδος είναι πολύ πιο ακριβής από τις συμβατικές στατιστικές μεθόδους πρόβλεψης. 9

24 Διπλωματική Εργασία Χαρακτηρισμός Ραδιοδιαύλου στο Εσωτερικό Χώρο Αεροσκαφών Για το EnterprisePlanner η κρουστική απόκριση του διαύλου υπολογίζεται με την μορφή του προφίλ καθυστέρησης ισχύος (PDP, Power Delay Profile), το οποίο στην συνέχεια μετατρέπεται σε δεδομένα απωλειών διάδοσης και τελικά σε πρόβλεψη της ισχύος του σήματος. Το μοντέλο που χρησιμοποιήθηκε για την πρόβλεψη των απωλειών διάδοσης είναι ίδιο με την προηγούμενη περίπτωση του Siteplanner και εκφράζεται από την σχέση (.3). Τα προβλεπόμενα αποτελέσματα απεικονίζονται γραφικά μαζί με τα πειραματικά δεδομένα, για λόγους σύγκρισης. Επιπροσθέτως, υπολογίστηκαν το Μέσο Απόλυτο Σφάλμα (MAE, Mean Absolute Error) και το Μέσο Τετραγωνικό Σφάλμα (RMSE, Root Mean-Squared Error), ώστε να εξαχθούν περαιτέρω συμπεράσματα για την προσομοίωση. PM PP MAE = (.) N RMSE = PM P N P (.5) όπου P M και P P και στις δύο περιπτώσεις είναι η μετρούμενη και προβλεπόμενη ισχύς αντίστοιχα και N είναι ο συνολικός αριθμός των μετρήσεων. Στο Σχήμα. παρουσιάζονται συγκρινόμενες οι τιμές των προσομοιωμένων και μετρούμενων δεδομένων. Οι μετρούμενες τιμές ελήφθησαν από δύο διαφορετικές συσκευές μέτρησης (client card, Spectrum Analyzer). Και για τα δύο πρότυπα ασύρματης επικοινωνίας, στην ρεαλιστική αναπαράσταση της καμπίνας του αεροσκάφους (interior στο σχήμα) που περιλαμβάνει τα εσωτερικά στοιχεία της καμπίνας, το σφάλμα του μοντέλου ήταν σημαντικά μειωμένο σχετικά με τις μετρήσεις που ελήφθησαν με την συσκευή client card. Αντιθέτως, το σφάλμα παρουσίασε δραματική αύξηση όταν οι προβλεπόμενες τιμές συγκρίθηκαν με τις μετρήσεις του αναλυτή φάσματος. Αυτή η διαφοροποίηση οφείλεται στις μεγάλες διαφορές που υπάρχουν μεταξύ αυτών των δύο συσκευών. Επίσης, οι μετρήσεις με την συσκευή client card θεωρούνται περισσότερο αξιόπιστες, λόγω της ανακρίβειας που παρατηρείται στον αναλυτή φάσματος που σχετίζεται με την μη βαθμονομημένη κεραία που χρησιμοποιεί σαν δέκτη. Σχήμα.. Κατανομή ισχύος 8.b στο εσωτερικό του B777. Με Station Number σημειώνεται το σημείο μέτρησης, [].

25 Κεφάλαιο Στον Πίνακα -3 παρουσιάζεται συνοπτικά η στατιστική ανάλυση των προσομοιωμένων δεδομένων. Πίνακας -3. Στατιστική ανάλυση της προσομοίωσης, []. Η στατιστική ανάλυση και η γραφική σύγκριση φανερώνουν ότι η προσομοίωση του αεροσκάφους συμπεριλαμβάνοντας τα εσωτερικά του στοιχεία είναι πιο ακριβής. Επιπροσθέτως, τα δεδομένα που παρουσιάστηκαν, δείχνουν ότι περιλαμβάνοντας εσωτερικά στοιχεία η προκύπτουσα καμπύλη προσεγγίζει ικανοποιητικά τα πειραματικά αποτελέσματα. Η φύση των RF μετρήσεων υποδηλώνει ότι μια προσέγγιση του γενικού σχήματος της καμπύλης των μετρούμενων δεδομένων, ίσως οδηγήσει σε μια πιο ακριβή προσομοίωση συγκρινόμενη με την στατιστική ανάλυση συγκεκριμένων τιμών, οι οποίες είναι πιθανόν να αλλάζουν από μελέτη σε μελέτη.

26

27 Κεφάλαιο Βασικές αρχές της ασύρματης διάδοσης και χαρακτηρισμός διαύλου εσωτερικών χώρων.. Μηχανισμοί διάδοσης Η λαμβανόμενη ισχύς στη κεραία του δέκτη προκύπτει σαν το αποτέλεσμα της διανυσματικής άθροισης διαφόρων ραδιοκυμάτων που καταφθάνουν στο δέκτη από διάφορες κατευθύνσεις και με διαφορετικές χρονικές καθυστερήσεις. Ο μηχανισμός αυτός αναφέρεται ως πολυδιαδρομική διάδοση (multipath propagation) και προκαλεί διακυμάνσεις της λαμβανόμενης ισχύος για μικρές μετατοπίσεις του δέκτη που οφείλεται στην ενισχυτική και αφαιρετική συμβολή των πολυδιαδρομικών συνιστωσών. Πιο συγκεκριμένα, το λαμβανόμενο σήμα είναι το αποτέλεσμα της απευθείας συνιστώσας, που υπάρχει όταν ικανοποιούνται συνθήκες οπτικής επαφής, και άλλων συνιστωσών που προκύπτουν από ανακλάσεις, περιθλάσεις και σκεδάσεις των μεταδιδόμενων κυμάτων. Έτσι εκτός από την απευθείας συνιστώσα, θα φτάσει στο δέκτη και ένα σύνολο καθυστερημένων ως προς το χρόνο συνιστωσών. Η ανάκλαση (reflection) συμβαίνει όταν το μεταδιδόμενο κύμα προσκρούει σε λεία επιφάνεια μεγάλων διαστάσεων συγκριτικά με το μήκος κύματος του σήματος. Η περίθλαση (diffraction) συμβαίνει όταν ανάμεσα στον πομπό και δέκτη υπάρχει μεγάλο, συγκριτικά με το λ, τεχνητό ή φυσικό εμπόδιο, το οποίο προκαλεί την εμφάνιση δευτερευόντων κυμάτων πίσω από αυτό. Αυτός ο μηχανισμός διάδοσης εξηγεί το γεγονός της μεταφοράς της ενέργειας από τον πομπό στον δέκτη ακόμη και όταν δεν υπάρχει άμεση οπτική επαφή. Η σκέδαση (scattering) συμβαίνει όταν ένα σήμα προσπίπτει σε μια μεγάλη τραχεία επιφάνεια, ή σε επιφάνεια της οποίας οι διαστάσεις είναι της τάξης του λ ή μικρότερες, με αποτέλεσμα η ανακλώμενη ενέργεια να διασκορπίζεται σε όλες τις κατευθύνσεις. Σε περιβάλλον εσωτερικών χώρων συνηθισμένοι σκεδαστές είναι τα έπιπλα και τα διάφορα μικροαντικείμενα που υπάρχουν. Στο εσωτερικό αεροσκαφών που μελετάμε, σκεδαστές είναι τα διάφορα μικροαντικείμενα των επιβατών, οι ίδιοι οι επιβάτες, τα καθίσματα κλπ. Αποτέλεσμα των παραπάνω μηχανισμών είναι ότι το εκπεμπόμενο σήμα μπορεί να φθάσει στον δέκτη από διαφορετικούς δρόμους. Οι πολυδιαδρομικές συνιστώσες καταφθάνουν με χαρακτηριστικά (πλάτος, φάση και χρόνο άφιξης) ολισθημένα ως προς εκείνα της απευθείας συνιστώσας με αποτέλεσμα στο σημείο που συμβάλλουν να εκδηλώνουν αθροιστική ή αφαιρετική συμβολή προκαλώντας την κατά τόπου μεταβολή της τιμής ισχύος. Η μεταβολή του πλάτους ή της ισχύος του λαμβανόμενου σήματος για μικρές μετατοπίσεις του δέκτη, είναι γνωστή ως φαινόμενο διαλείψεων (fading). Στην περίπτωση που ο πομπός και ο δέκτης είναι ακίνητοι, λέμε ότι έχουμε στατική πολυδιαδρομική διάδοση, ενώ στην περίπτωση που ο δέκτης, ο πομπός ή οι άνθρωποι κινούνται, λέμε ότι έχουμε ένα δυναμικό περιβάλλον πολυδιαδρομικής διάδοσης. Αυτό σημαίνει ότι υπάρχει συνεχής αλλαγή στο ηλεκτρικό μήκος των μονοπατιών διάδοσης και άρα οι σχετικές ολισθήσεις φάσης μεταξύ των συνισταμένων κυμάτων μεταβάλλονται με τη θέση. 3

28 Διπλωματική Εργασία Χαρακτηρισμός Ραδιοδιαύλου στο Εσωτερικό Χώρο Αεροσκαφών. Είδη διαλείψεων Γενικά, από άποψη κλίμακας, διακρίνουμε δύο είδη διαλείψεων που χαρακτηρίζουν τον δίαυλο σε ένα ασύρματο σύστημα κινητών επικοινωνιών, τις διαλείψεις μεγάλης κλίμακας (large-scale fading) και τις διαλείψεις μικρής κλίμακας (small-scale fading). Οι μεγάλης κλίμακας διαλείψεις εκφράζουν τη μέση εξασθένηση της ισχύος του λαμβανόμενου σήματος εξαιτίας της απομάκρυνσης του δέκτη από τον πομπό και εμπεριέχουν τα δύο από τα τέσσερα βασικά χαρακτηριστικά της διάδοσης: τις απώλειες διάδοσης (path loss), δηλαδή την μεταβολή της εξασθένισης σε σχέση με την απόσταση, και την σκίαση, δηλαδή την τυχαία μεταβολή της εξασθένισης για δεδομένη απόσταση λόγω της ύπαρξης κάποιου εμποδίου. Η στατιστική ανάλυση των διαλείψεων μεγάλης κλίμακας παρέχει έναν τρόπο υπολογισμού των απωλειών διάδοσης συναρτήσει της απόστασης ( L (d)). Αυτό περιγράφεται με τους όρους των μέσων απωλειών διάδοσης (mean path loss) και των μεταβολών του σήματος γύρω από την μέση τιμή. Οι διαλείψεις μικρής κλίμακας του διαύλου αναφέρονται στην μεγάλη μεταβολή των χαρακτηριστικών του λαμβανόμενου σήματος (πλάτους και φάσης), για μικρές μετατοπίσεις στον χώρο του κινούμενου δέκτη, της τάξης του λ/. Οι διαλείψεις μικρής κλίμακας οφείλονται: στην χρονική διασπορά του σήματος (time spreading) λόγω της πολυδιαδρομικής διάδοσης του μεταδιδόμενου σήματος και στον χρονικά μεταβαλλόμενο (time variant) δίαυλο, αφενός λόγω της κίνησης του δέκτη, και αφετέρου λόγω των κινούμενων σκεδαστών που συμμετέχουν στην διάδοση. Οι μικρής κλίμακας διαλείψεις χρησιμοποιούνται για να περιγράψουν τις γρήγορες διακυμάνσεις που παρατηρούνται στο πλάτος του λαμβανόμενου σήματος κατά τη διάρκεια ενός μικρού χρονικού διαστήματος ή μιας μικρής διανυόμενης από το δέκτη απόστασης. Κατά τη διάρκεια αυτή μπορεί να θεωρηθεί ότι η επίδραση των διαλείψεων μεγάλης κλίμακας αγνοείται..3 Διαλείψεις μεγάλης κλίμακας Οι διαλείψεις μεγάλης κλίμακας περιγράφονται από την σχέση που συνδέει τις απώλειες διάδοσης με την απόσταση. Σε πολλές συνηθισμένες εφαρμογές οι μέσες απώλειες διάδοσης ( L (d)), συναρτήσει της απόστασης d μεταξύ του πομπού και του δέκτη είναι ανάλογες της n-οστής δύναμης της απόστασης σε σχέση με μια απόσταση αναφοράς d : n d L( d) d (.) Οι απώλειες διάδοσης L (d) εκφράζονται συνήθως σε db και δίνονται από την σχέση: d L( d) = L + FS ( d ) n log (.) d

29 Κεφάλαιο Η απόσταση αναφοράς d αντιστοιχεί σε ένα σημείο που βρίσκεται στο μακρινό πεδίο της κεραίας. Οι απώλειες διάδοσης που δίνονται από την σχέση (.), είναι μέσες απώλειες διάδοσης για μια δεδομένη απόσταση d. Η τιμή του εκθέτη n εξαρτάται από την συχνότητα, τα ύψη των κεραιών και το περιβάλλον διάδοσης. Οι απώλειες διάδοσης L FS ( d ) στο σημείο αναφοράς d από τον πομπό, προκύπτουν συνήθως από μετρήσεις ή υπολογίζονται από τις απώλειες ελευθέρου χώρου: πd ( d ) = L FS (.3) λ όπου λ το μήκος κύματος. Η σχέση (.), μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την μοντελοποίηση των μέσων απωλειών διάδοσης σε εσωτερικούς χώρους τόσο για θέσεις οπτικής επαφής όσο και για θέσεις μη οπτικής επαφής. Για την μοντελοποίηση των απωλειών διάδοσης σε θέσεις μη οπτικής επαφής σε εσωτερικούς χώρους μπορεί να χρησιμοποιηθούν και μοντέλα που λαμβάνουν υπόψη τις επιπλέον απώλειες που εισάγουν τα διάφορα εμπόδια που παρεμβάλλονται, δίνοντας μια πιο ακριβή περιγραφή του μοντέλου αλλά αυτό ξεφεύγει από το σκοπό της παρούσας εργασίας.. Διαλείψεις μικρής κλίμακας Οι διαλείψεις μικρής κλίμακας του διαύλου, που οφείλονται αφενός στην πολυδιαδρομική διάδοση κι αφετέρου στην κίνηση του δέκτη και των σκεδαστών, προκαλούν συνέπειες όπως: πολύ γρήγορες μεταβολές της λαμβανόμενης ισχύος κατά τη διάρκεια μιας μικρής μετατόπισης του δέκτη ή ενός μικρού χρονικού διαστήματος, τυχαία διαμόρφωση συχνότητας (frequency modulation) εξαιτίας των διαφορετικών ολισθήσεων Doppler που υφίστανται οι πολυδιαδρομικές συνιστώσες, χρονική διασπορά η οποία προκαλείται από τις διαφορετικές καθυστερήσεις διάδοσης των συνιστωσών. Οι φυσικοί παράγοντες οι οποίοι επηρεάζουν τις διαλείψεις μικρής κλίμακας στον δίαυλο είναι: Η πολυδιαδρομική διάδοση. Η παρουσία ανακλαστήρων και σκεδαστών στον δίαυλο δημιουργεί ένα διαρκώς μεταβαλλόμενο περιβάλλον το οποίο διασπείρει την ενέργεια του σήματος σε πλάτος, φάση και χρόνο. Η ταχύτητα του κινούμενου δέκτη. Η σχετική κίνηση μεταξύ του σταθμού βάσης και του δέκτη έχει σαν αποτέλεσμα την τυχαία διαμόρφωση συχνότητας λόγω της διαφορετικής ολίσθησης Doppler σε κάθε μια από τις εκδόσεις του σήματος. Η ολίσθηση Doppler μπορεί να είναι θετική ή αρνητική ανάλογα με το αν ο δέκτης πλησιάζει η απομακρύνεται από το σταθμό βάσης. Η κίνηση των σκεδαστών στο περιβάλλον διάδοσης. Όταν τα αντικείμενα που υπάρχουν στον δίαυλο κινούνται, εισάγουν χρονικά μεταβαλλόμενη ολίσθηση Doppler στις διαφορετικές εκδόσεις του σήματος. Αν τα αντικείμενα κινούνται γρηγορότερα από τον δέκτη, επικρατεί το φαινόμενο των διαλείψεων μικρής 5

30 Διπλωματική Εργασία Χαρακτηρισμός Ραδιοδιαύλου στο Εσωτερικό Χώρο Αεροσκαφών κλίμακας. Διαφορετικά η κίνησή τους μπορεί να αγνοηθεί και πρέπει να λαμβάνουμε υπόψη μόνο την ταχύτητα του δέκτη. Το εύρος ζώνης του σήματος. Αν το εύρος ζώνης του μεταδιδόμενου σήματος είναι μεγαλύτερο από το εύρος ζώνης συνοχής του διαύλου (coherence bandwidth), το λαμβανόμενο σήμα θα υποστεί αλλοιώσεις, αλλά η ισχύς του δεν θα εξασθενήσει πολύ σε μια μικρή περιοχή. Το εύρος ζώνης συνοχής είναι ένα μέτρο της μέγιστης διαφοράς συχνότητας για την οποία τα σήματα είναι απόλυτα συσχετισμένα ως προς το πλάτος. Αν το μεταδιδόμενο σήμα είναι στενής ζώνης συγκρινόμενο με τον δίαυλο, το πλάτος του θα μεταβάλλεται γρήγορα, αλλά το σήμα δεν θα παραμορφώνεται με το χρόνο. Οι μικρής κλίμακας διαλείψεις οι οποίες οφείλονται στην χρονική διασπορά του σήματος χωρίζονται σε δυο υποκατηγορίες: διαλείψεις επιλεκτικές ως προς τη συχνότητα (frequency selective fading) και επίπεδες διαλείψεις (frequency non-selective or flat fading). Ενώ οι δύο υποκατηγορίες διαλείψεων μικρής κλίμακας οι οποίες οφείλονται στην χρονική μεταβολή του διαύλου είναι: γρήγορες διαλείψεις (fast fading) και αργές διαλείψεις (slow fading) Σημειώνουμε πως η χρονική διασπορά του διαύλου οφείλεται στον μηχανισμό πολυδιαδρομικής διάδοσης ενώ η χρονική μεταβολή του διαύλου προκαλείται από την κίνηση είτε του δέκτη είτε των σκεδαστών... Επίπεδες Διαλείψεις Ένας δίαυλος που υπόκειται σε επίπεδες διαλείψεις μπορεί να χαρακτηριστεί υποθέτοντας την μετάδοση ενός σήματος στενής ζώνης (narrowband) όπως ένα αδιαμόρφωτο φέρον (CW). Στην περίπτωση αυτή, που το εύρος ζώνης του σήματος είναι πολύ μικρό συγκριτικά με αυτό του διαύλου, συνηθίζεται να ονομάζουμε τον δίαυλο σαν στενής ζώνης. Το σήμα στην περίπτωση αυτή θα υφίσταται επίπεδες διαλείψεις, δηλ. όλες οι φασματικές του συχνότητες θα επηρεάζονται με τον ίδιο τρόπο από την συνάρτηση μεταφοράς του διαύλου. Η κίνηση του δέκτη προκαλεί ολίσθηση Doppler, ή διασπορά συχνότητας, στο προσπίπτων επίπεδο κύμα. Η διασπορά Doppler δίνεται σε Hz από την σχέση: όπου f f cosγ D, n = m n (.) f m = u / λ (..α) 6

31 Κεφάλαιο u η ταχύτητα του δέκτη σε m/s και λ το μήκος κύματος της συνιστώσας που προσπίπτει στον δέκτη, ενώ f είναι η μέγιστη συχνότητα Doppler που υφίσταται όταν m γ n =. Η γωνία γ n είναι η γωνία που δημιουργεί το n-οστό προσπίπτων κύμα με την κατεύθυνση κίνησης του δέκτη όπως φαίνεται και στο παρακάτω Σχήμα.. Σχήμα.. Επίπεδο κύμα που προσπίπτει στον δέκτη. Επίπεδα κύματα, που προσπίπτουν σύμφωνα με την κατεύθυνση κίνησης του δέκτη, θα υπόκεινται σε θετική ολίσθηση Doppler, ενώ επίπεδα κύματα που προσπίπτουν αντίθετα με την κατεύθυνση κίνησης του δέκτη, θα υπόκεινται σε αρνητική ολίσθηση Doppler. Η ολίσθηση Doppler μεταβάλλεται με τον χρόνο λόγω της μεταβολής της ταχύτητας των κινούμενων δεκτών. Η μεταβαλλόμενη ολίσθηση Doppler εισάγει μια διαμόρφωση FM στο σήμα, που προκαλεί αύξηση στο εύρος ζώνης κατά f D. Συνήθως αυτή η διασπορά του φάσματος λόγω του φαινομένου Doppler δεν αποτελεί πρόβλημα, αλλά προκαλεί μια αυτοσυσχέτιση του σήματος με χρονική περίοδο f. Αν όμως η ολίσθηση Doppler αποκτήσει σημαντική τιμή τότε αυτό ίσως προκαλέσει διασυμβολική παρεμβολή, πράγμα το οποίο προκαλεί αλλοίωση της χρήσιμης πληροφορίας. Γενικά κάθε φασματική συνιστώσα του σήματος θα παρουσιάζει διαφορετική ολίσθηση Doppler, γιατί όπως προκύπτει από την σχέση (.) αυτή εξαρτάται από την συχνότητα ή το μήκος κύματος. Στην περίπτωση του διαύλου στενής ζώνης πρακτικά θεωρούμε ότι όλες οι φασματικές συνιστώσες του σήματος επηρεάζονται με το ίδιο τρόπο. D.5 Συνάρτηση αυτοσυσχέτισης και Φασματική Πυκνότητα Ισχύος του λαμβανόμενου σήματος Για τον χαρακτηρισμό του διαύλου ως προς την χρονική μεταβολή του, χρήσιμες είναι οι συναρτήσεις αυτοσυσχέτισης και Φασματικής Πυκνότητας Ισχύος (Φ.Π.Ι). Από την συνάρτηση αυτοσυσχέτισης εξάγουμε την χρονική συνοχή (coherence time, T C) του διαύλου, που ορίζει ένα μέτρο για το χρονικό εύρος στο οποίο υπάρχει συσχέτιση μεταξύ της απόκρισης του διαύλου σε ένα ημίτονο που στέλνεται σε μια χρονική στιγμή t και στην απόκριση του διαύλου σε ένα ίδιο ημίτονο που στέλνεται σε μια άλλη χρονική στιγμή t + t. Από την άποψη της συνάρτησης μεταφοράς του διαύλου, ο χρόνος συνοχής δίνει την αναμενόμενη χρονική διάρκεια στην οποία η συνάρτηση αυτή, δηλαδή η απόκριση του διαύλου, παραμένει πρακτικά αμετάβλητη. Η συνάρτηση αυτοσυσχέτισης και ο χρόνος συνοχής παρέχουν πληροφορίες για την ταχύτητα διαλείψεων του διαύλου. 7

32 Διπλωματική Εργασία Χαρακτηρισμός Ραδιοδιαύλου στο Εσωτερικό Χώρο Αεροσκαφών Μικρότερες τιμές του χρόνου συνοχής σημαίνουν ότι ο δίαυλος γίνεται έντονα χρονικά μεταβαλλόμενος, ενώ μεγαλύτερες τιμές του χρόνου συνοχής ερμηνεύονται σαν πιο ήπιες χρονικές μεταβολές του διαύλου. Διάφορα μοντέλα έχουν προταθεί [6], [], για τον θεωρητικό υπολογισμό της συνάρτησης αυτοσυσχέτισης που βασίζονται στον μηχανισμό της σκέδασης. Μεταξύ τους διακρίνονται διδιάστατα μοντέλα που δεν λαμβάνουν υπόψη την διάδοση στην τρίτη διάσταση, όπως το μοντέλο του Clarke, μοντέλα για κατευθυντικές κεραίες που λαμβάνουν υπόψη το εύρος δέσμης της κεραίας και τρισδιάστατα μοντέλα που επιχειρούν μια πιο λεπτομερή ανάλυση του προβλήματος. Τα μοντέλα αυτά δίνουν μια ικανοποιητική περιγραφή σχέσεων που εκφράζουν τα στατιστικά πρώτης και δεύτερης τάξεως της περιβάλλουσας του σήματος και το φασματικό περιεχόμενό του. Μια πολύ καλή προσέγγιση για την μοντελοποίηση της πιθανότητας άφιξης των κυμάτων είναι η περίπτωση που θεωρούμε μια ισχυρή απευθείας συνιστώσα και μια συνιστώσα σκεδαζόμενων κυμάτων. Το μοντέλο αυτό ονομάζεται μοντέλο Rician. Στην περίπτωση αυτή το λαμβανόμενο σήμα στο δέκτη προκύπτει σαν άθροισμα μιας απευθείας ισχυρής συνιστώσας και άλλων σκεδαζόμενων συνιστωσών. Μια υποπερίπτωση του μοντέλου αυτού είναι το μοντέλο Raleigh όπου η συμβολή της απευθείας συνιστώσας είναι μικρή στο λαμβανόμενο σήμα. Για τους σκοπούς της παρούσας εργασίας η σχέση που χρησιμοποιήθηκε για τον υπολογισμό της συνάρτησης αυτοσυσχέτισης είναι η ακόλουθη: { a( t) a( t)}{ a( t + t) a( t + t)} ρ ( t) = (.5) { a( t) a( t)} { a( t + t} a( t + t)} Η σχέση (.5) δίνει τον συντελεστή συσχέτισης μεταξύ των δειγμάτων της περιβάλλουσας του σήματος που καταφθάνουν στον δέκτη με μια καθυστέρηση t. Στην παραπάνω σχέση, a (t) είναι το πλάτος της περιβάλλουσας την χρονική στιγμή t, a(t) η μέση τιμή του πλάτους της περιβάλλουσας την χρονική στιγμή t, a( t + t) το πλάτος της περιβάλλουσας την χρονική στιγμή t + t και a( t + t) η μέση τιμή του πλάτους της περιβάλλουσας την χρονική στιγμή t + t. Αυτή η σχέση ισχύει όταν η περιβάλλουσα είναι υλοποίηση μιας στατικής διαδικασίας. Μια διαδικασία μπορεί να θεωρηθεί χρονικά στάσιμη ή στατική όταν οι στατιστικές παράμετροι της διαδικασίας είναι αμετάβλητες συναρτήσει της χρονικής καθυστέρησης t και οι στατιστικοί μέσοι όροι ισούνται με τους χρονικούς μέσους όρους. Αυτό πρακτικά σημαίνει πως μια διαδικασία μπορεί να χαρακτηριστεί σαν στάσιμη υπό την ευρεία έννοια (WSS) όταν η συνάρτηση αυτοσυσχέτισης είναι ανεξάρτητη του t, δηλ. δεν μεταβάλλεται στο χρονικό διάστημα t. Στην χρονική αυτή διάρκεια λέμε ότι ο δίαυλος είναι στατικός. Έτσι ο χρόνος συνοχής του διαύλου προκύπτει από το επίπεδο συσχέτισης 5%, 75% ή 9%, ανάλογα με το πόσο αυστηρό κριτήριο στασιμότητας επιλέγει κανείς. Με μετασχηματισμό Fourier της συνάρτησης αυτοσυσχέτισης, λαμβάνουμε την συνάρτηση Φασματικής Πυκνότητας Ισχύος (Φ.Π.Ι.) που περιέχει την πληροφορία για την ολίσθηση Doppler που υφίσταται το σήμα κατά την διάδοση. Η Φ.Π.Ι. της περιβάλλουσας του λαμβανόμενου σήματος, όπως προκύπτει από διάφορα προτεινόμενα μοντέλα[6], είναι πάντοτε μια πραγματική, θετική και άρτια συνάρτηση γύρω από συχνότητα Ηz, με ένα φασματικό εύρος περίπου f, όπου m f m είναι η μέγιστη συχνότητα Doppler. Στην περίπτωση που έχουμε στατικό δίαυλο αυτό θα έχει ιδανικά μια σταθερή ως προς τον χρόνο συνάρτηση αυτοσυσχέτισης και επομένως, με Fourier μετασχηματισμό, η συνάρτηση Φ.Π.Ι. θα προκύπτει σαν μια κρουστική συνάρτηση σε μηδενική συχνότητα. 8

33 Κεφάλαιο Δηλ. η ολίσθηση Doppler σε αυτήν την περίπτωση θα είναι μηδενική, όπως και αναμένεται αφού δεν υπάρχει κινούμενος σκεδαστής που να προκαλεί μια τέτοια ολίσθηση στο πεδίο της συχνότητας..6 Συνάρτηση αυτοσυσχέτισης συναρτήσει της απόστασης Σε πολλά ασύρματα συστήματα, ειδικά για συχνότητες VHF και πάνω, χρησιμοποιείται χωρική διαφορικότητα κεραιών (space diversity) σαν ένας τρόπος να εξομαλυνθεί το έντονο φαινόμενο των διαλείψεων. Αυτό στηρίζεται στο σκεπτικό ότι άμα λάβουμε δύο ασυσχέτιστα δείγματα (εκδοχές) από μια τυχαία διαδικασία τότε αυτά θα παρουσιάζουν διαλείψεις που δεν σχετίζονται μεταξύ τους. Έτσι η πιθανότητα δύο ή περισσότερα δείγματα να είναι χαμηλότερα από κάποιο επίπεδο τιμής συγχρόνως, είναι πολύ μικρότερη από την πιθανότητα το κάθε δείγμα χωριστά να έχει τιμή μικρότερη από το ίδιο αυτό επίπεδο. Σαν αποτέλεσμα επιτυγχάνουμε καλύτερη συμπεριφορά ως προς τις διαλείψεις στο λαμβανόμενο σήμα όταν χρησιμοποιούμε διαφορική λήψη. Ο χρονικός διαχωρισμός - όπου η ελάχιστή του τιμή ισοδυναμεί με τον χρόνο συνοχής - που απαιτείται για να έχουμε ασυσχέτιστα δείγματα δίνεται από την συνάρτηση αυτοσυσχέτισης. Ο χωρικός διαχωρισμός μπορεί να προκύψει με κατάλληλο μετασχηματισμό τις χρονικής μεταβλητής. Συγκεκριμένα η σχέση που συνδέει τον χρόνο με την απόσταση δίνεται από την παρακάτω σχέση: f τ x m = (.6) λ όπου τ είναι η χρονική καθυστέρηση, f m η μέγιστη συχνότητα Doppler, x η απόσταση και λ το μήκος κύματος του σήματος. Μπορούμε να πούμε πως το f m τ εκφράζει την κανονικοποιημένη χρονική καθυστέρηση ενώ το x/λ εκφράζει την κανονικοποιημένη απόσταση. Από τον μετασχηματισμό αυτό μπορούμε να υπολογίσουμε την χωρική συνοχή (spatial coherence), που είναι η ελάχιστη απόσταση μεταξύ δύο σημείων ώστε τα δείγματα που λαμβάνουμε συγχρόνως από τα σημεία αυτά να παραμένουν ασυσχέτιστα. Στην πράξη μια απόσταση διαχωρισμού.λ είναι επαρκής για να εξασφαλίσουμε επαρκώς ασυσχέτιστα δείγματα..7 Συναρτήσεις κατανομής του λαμβανόμενου σήματος..7. Συνάρτηση κατανομής διαλείψεων Rayleigh Στην περίπτωση που το σήμα στο δέκτη προκύπτει σαν το άθροισμα πολλών επίπεδων κυμάτων με περίπου ίδιο πλάτος τότε είναι γνωστό ότι το σήμα ακολουθεί την κατανομή Rayleigh []. Η κατανομή Rayleigh εκφράζεται από την σχέση: x x p a ( x) = exp (.7) b b όπου b είναι η μέση λαμβανόμενη ισχύς ( P r ). Η πιθανότητα το σήμα να μην υπερβαίνει κάποια τιμή R θα δίνεται από την σχέση: 9

34 Διπλωματική Εργασία Χαρακτηρισμός Ραδιοδιαύλου στο Εσωτερικό Χώρο Αεροσκαφών ρ P( x R) = pa ( x) dx = e (.8) R με: R R ρ = (.9) b = P r Η υπόθεση της άφιξης πολλών πολυδιαδρομικών συνιστωσών παρόμοιου πλάτους ισχύει σε πολλά περιβάλλοντα διάδοσης γιατί συχνά δεν υπάρχει άμεση οπτική επαφή μεταξύ του πομπού και δέκτη..7. Συνάρτηση κατανομής διαλείψεων Rician Στις περιπτώσεις που μεταξύ πομπού και δέκτη υπάρχουν συνθήκες οπτικής επαφής ή στο σύνολο των συνιστωσών που συνθέτουν το σήμα υπάρχει μια επικρατούσα συνιστώσα, τότε η κατανομή που θα ακολουθεί το σήμα θα είναι η κατανομή Rician, η έκφραση της οποίας δίνεται από την σχέση: x x s xs p a ( x) = exp I (.) b b b όπου I () είναι η τροποποιημένη συνάρτηση Bessel μηδενικής τάξεως, s η ισχύς της επικρατούσας (ισχυρής) συνιστώσας και b η μέση τιμή των άλλων σκεδασμένων συνιστωσών. Ο παράγοντας Κ (Rician factor) ορίζεται σαν ο λόγος της ισχύος της επικρατούσας συνιστώσας s, προς την ισχύ της σκεδασμένης ακτινοβολίας b, και σε db εκφράζεται από την σχέση: s K ( db) = log (.) b Από την σχέση (.) βλέπουμε ότι για s =, που σημαίνει απουσία ισχυρής συνιστώσας, η κατανομή Rician μετατρέπεται σε κατανομή Raleigh. Στην πράξη, όταν ο παράγοντας K, τότε η κατανομή τείνει στην Rayleigh. Ενώ όταν K >>, τότε η κατανομή τείνει στην κανονική κατανομή (Gauss) με μέση τιμή s. Η πιθανότητα το σήμα να μην υπερβαίνει κάποιο επίπεδο ισχύος R σε db, προκύπτει από το ολοκλήρωμα []: R 3 ( K, ( K ) ) P( x R) = pa ( x) dx = Q + ρ (.) όπου Q(a,b) είναι η συνάρτηση Marqum-Q, ενώ το ρ δίνεται από την σχέση (.9). Η ύπαρξη ισχυρής ή απευθείας συνιστώσας, που προσπίπτει στον δέκτη οπό γωνία γ n σχετικά με το διάνυσμα της ταχύτητας κίνησης του δέκτη (βλέπε Σχήμα.), προκαλεί την εμφάνιση μιας κρουστικής συνιστώσας στο φασματικό περιεχόμενο του RF σήματος στην συχνοτική θέση f + cosγ, ενώ στο φασματικό περιεχόμενο της περιβάλλουσας c f m n ή του σήματος βασικής ζώνης (συνάρτηση Φ.Π.Ι της περιβάλλουσας) θα έχουμε την εμφάνιση κορυφών στις συχνότητες f ± cosγ ). m ( n

35 Κεφάλαιο.8 Ρυθμός Διέλευσης Κατωφλίου και Μέση Διάρκεια Διαλείψεων Δύο πολύ βασικές στατιστικές παράμετροι ης τάξης που αφορούν τις διαλείψεις της περιβάλλουσας του λαμβανόμενου σήματος είναι ο Ρυθμός Διέλευσης Κατωφλίου - Ρ.Δ.Κ. (δηλαδή πόσο συχνά η περιβάλλουσα διασχίζει ένα συγκεκριμένο επίπεδο) και η Μέση Διάρκεια Διαλείψεων - Μ.Δ.Δ. (πόσο χρόνο η περιβάλλουσα παραμένει κάτω από ένα καθορισμένο επίπεδο). Οι ποσότητες αυτές είναι στατιστικές παράμετροι ης τάξης γιατί δεν επηρεάζονται μόνο από το περιβάλλον διάδοσης αλλά και από την ταχύτητα του κινούμενου δέκτη ή των σκεδαστών. Οι παράμετροι Ρ.Δ.Κ. και Μ.Δ.Δ. είναι χρήσιμες για τον σχεδιασμό ελέγχου λαθών και τεχνικών διαφορικότητας (diversity). Κι αυτό γιατί είναι δυνατόν να συνδυάσουν τον χρονικό ρυθμό μεταβολής του λαμβανόμενου σήματος σε σχέση με κάποιο συγκεκριμένο επίπεδο ισχύος και την ταχύτητα του δέκτη ή των σκεδαστών..8. Ρυθμός Διέλευσης Κατωφλίου της περιβάλλουσας του σήματος Ο Ρ.Δ.Κ. της περιβάλλουσας LR για ένα συγκεκριμένο επίπεδο R, ορίζεται ως ο ρυθμός με τον οποίο η περιβάλλουσα διασχίζει ένα επίπεδο R, με θετική ή αρνητική κατεύθυνση. Η περιβάλλουσα θεωρείται κανονικοποιημένη στην RMS τιμή του σήματος. Ο Ρ.Δ.Κ. δίνεται από την σχέση: L R = K ( K + ) ρ π ( K + ) f ρe I m ( ρ K( K + ) ) (.3) όπου K είναι ο λόγος ισχύος της απευθείας προς τις σκεδαζόμενες συνιστώσες, f m είναι η μέγιστη συχνότητα Doppler, I ( ) είναι η τροποποιημένη συνάρτηση Bessel πρώτου είδους και μηδενικής τάξης και ρ δίνεται από την σχέση (.9). Για διαλείψεις Rayleigh (K = ) η συνάρτηση του Ρ.Δ.Κ. θα δίνεται από την σχέση: ρ LR = π fmρe (.) Ο Ρ.Δ.Κ. εξαρτάται από την ταχύτητα του δέκτη ή των σκεδαστών, λόγω της παραμέτρου f που υπάρχει στις σχέσεις υπολογισμού. Η περιβάλλουσα του σήματος σπάνια m υπόκειται σε διαλείψεις μεγάλου βάθους ( ρ < - db), έχοντας χαμηλό Ρ.Δ.Κ., ενώ διαλείψεις που έχουν μικρότερο βάθος ( ρ > - db) εμφανίζονται συχνότερα (υψηλό Ρ.Δ.Κ.). Επίσης ο Ρ.Δ.Κ. μειώνεται καθώς η τιμή του K αυξάνεται ενώ οι διαλείψεις παρουσιάζουν αρκετά μικρότερο βάθος. Έτσι η περιβάλλουσα του σήματος δεν υπόκειται σε μεγάλο αριθμό διαλείψεων αφού η συνεισφορά των κινούμενων σκεδαστών, που δημιουργούν και τις μεγαλύτερες διακυμάνσεις, είναι πολύ μικρή σε σχέση με την σταθερή απευθείας συνιστώσα που προκαλεί ελάχιστες διακυμάνσεις..8. Μέση Διάρκεια Διαλείψεων της περιβάλλουσας του σήματος Η Μ.Δ.Δ. είναι η μέση χρονική διάρκεια που η περιβάλλουσα του σήματος παραμένει κάτω από ένα καθορισμένο επίπεδο R. Παρόλο που η σ.π.π. της διάρκειας των διαλείψεων της περιβάλλουσας είναι άγνωστη, μπορούμε να υπολογίσουμε την μέση διάρκεια τους. 3

36 Διπλωματική Εργασία Χαρακτηρισμός Ραδιοδιαύλου στο Εσωτερικό Χώρο Αεροσκαφών Θεωρώντας ένα πολύ μεγάλο χρονικό διάστημα μήκους T και t i την χρονική διάρκεια της i-οστής διάλειψης κάτω από το επίπεδο R, η πιθανότητα το επίπεδο της λαμβανόμενης περιβάλλουσας να είναι μικρότερο από R είναι: P( x R) = t i (.5) T i ενώ η Μ.Δ.Δ. θα είναι: t P( x R) = (.6) L R Εάν η περιβάλλουσα έχει συνάρτηση κατανομής Rician, τότε από την σχέση (.), η Μ.Δ.Δ. θα προκύπτει: t = Q π ( K + ) f ( K, ( K + ) ρ ) m ρe K ( K + ) ρ I ( ρ K( K + ) ) (.7) ενώ εάν η περιβάλλουσα έχει κατανομή Rayleigh (K = ), τότε η Μ.Δ.Δ. θα δίνεται από την σχέση: t ρ e = (.8) ρ π f m Είναι φανερό ότι η Μ.Δ.Δ παρουσιάζει συμπεριφορά αντιστρόφως ανάλογη του Ρ.Δ.Κ., δηλαδή η τιμή της αυξάνεται καθώς η τιμή του K αυξάνεται, με αποτέλεσμα η περιβάλλουσα του σήματος να μην μένει για μεγάλο χρονικό διάστημα σε διάλειψη. Γενικά, για μεγάλες τιμές του K οι διαλείψεις έχουν μικρό βάθος και διαρκούν περισσότερο, ενώ για μικρές του K οι διαλείψεις έχουν μεγάλο βάθος και διαρκούν λιγότερο. Η Μ.Δ.Δ. του σήματος είναι χρήσιμη γιατί βοηθά στο να καθορίσουμε τον πιθανό αριθμό των bits που μπορεί να χαθούν κατά την διάρκεια μιας διάλειψης. Επίσης μπορεί να περιγράψει την εκρηκτικότητα των λανθασμένων bits, σε ένα χρονικά μεταβαλλόμενο δίαυλο, που χρησιμοποιείται για σχεδιασμό ψηφιακής παρεμβολής (interleaving design). Η Μ.Δ.Δ. εξαρτάται κυρίως από την ταχύτητα του δέκτη και μειώνεται καθώς η μέγιστη ολίσθηση Doppler αυξάνεται λόγω της παραμέτρου f m που υπάρχει στις σχέσεις υπολογισμού. Εάν υπάρχει συγκεκριμένο περιθώριο διάλειψης σε ένα ασύρματο σύστημα επικοινωνιών, είναι κατάλληλο να εκτιμήσουμε την επίδοση του δέκτη καθορίζοντας ένα ρυθμό για τον οποίο το σήμα εισόδου πέφτει κάτω από ένα δεδομένο επίπεδο R και πόσο χρόνο παραμένει κάτω από το επίπεδο αυτό. Έτσι μπορούμε να συσχετίσουμε το σηματοθορυβικό λόγο (SNR: Signal-to-Noise Ratio) κατά την διάρκεια μιας διάλειψης με το στιγμιαίο ρυθμό λαθών (BER: Bit Error Rate) που υφίσταται..9 Παράμετροι για τον χαρακτηρισμό χρονικά μεταβαλλόμενων διαύλων. Αν ο πομπός, ο δέκτης καθώς και όλοι οι άλλοι σκεδαστές που παρεμβάλλονται στο δίαυλο είναι ακίνητοι, το πλάτος και η φάση του λαμβανόμενου σήματος θα παραμένουν σταθερά, για ένα δεδομένο σημείο, και ο δίαυλος χαρακτηρίζεται ως χρονικά αμετάβλητος. Εφόσον τα χαρακτηριστικά του διαύλου θα εξαρτώνται από την θέση που 3

37 Κεφάλαιο βρίσκεται κάθε φορά ο πομπός και ο δέκτης, η χρονική μεταβολή των χαρακτηριστικών του διαύλου ισοδυναμεί με την μεταβολή τους λόγω χωρικής μεταβολής (κίνησης). Οι κυριότερες παράμετροι που περιγράφουν την χρονικά μεταβαλλόμενη φύση του διαύλου, σε μια περιοχή μικρής κλίμακας, είναι: Ο χρόνος συνοχής T c (Coherence Time) Η ολίσθηση Doppler ή διασπορά Doppler, f D (Doppler Spread) Ο χρόνος συνοχής προκύπτει από την συνάρτηση χρονικής συσχέτισης ή αυτοσυσχέτισης και μας παρέχει πληροφορίες για την ταχύτητα διαλείψεων του διαύλου. Η τιμή του T c προκύπτει για συγκεκριμένη τιμή του επιπέδου συσχέτισης που συνήθως λαμβάνεται.5 (5%). Ο χρόνος συνοχής είναι ένα στατιστικό μέτρο της χρονικής διάρκειας στην οποία η κρουστική απόκριση του διαύλου παραμένει αμετάβλητη. Η συνάρτηση αυτοσυσχέτισης προσδιορίζει ποσοτικά την ομοιότητα της κρουστικής απόκρισης του διαύλου σε διαφορετικές χρονικές στιγμές. Έτσι ο χρόνος συνοχής είναι η χρονική διάρκεια κατά την οποία δύο διαφορετικές εκδοχές του σήματος παραμένουν συσχετισμένες. Η γνώση της παραμέτρου αυτής είναι χρήσιμη για την αποτίμηση της επίδοσης διάφορων τεχνικών ψηφιακής κωδικοποίησης και της παρεμβολής. Επίσης δίνει πληροφορίες για την εγγενή χρονική διαφορικότητα (time diversity) του διαύλου. Το εύρος ζώνης του σήματος βασικής ζώνης ( B S) είναι ουσιαστικά το εύρος ζώνης της περιβάλλουσας του σήματος που περιέχει και την πληροφορία. Το αντίστροφο της τιμής αυτής μας δίνει προσεγγιστικά την διάρκεια του παλμού ( T S) του σήματος πληροφορίας, όταν έχουμε ψηφιακή μετάδοση. Όταν η διάρκεια του παλμού του σήματος πληροφορίας είναι μεγαλύτερη από το χρόνο T c, τότε ο δίαυλος θα μεταβάλλεται κατά την διάρκεια της μετάδοσης προκαλώντας παραμόρφωση του σήματος στον δέκτη με αποτέλεσμα να είναι εξαιρετικά δύσκολη η αποδιαμόρφωσή του. Η φασματική πυκνότητα ισχύος (Φ.Π.Ι) προκύπτει μετασχηματίζοντας κατά Fourier της συνάρτησης αυτοσυσχέτισης. Αυτή μας δίνει πληροφορίες για την φασματική εξάπλωση που προκαλείται στο σήμα λόγω του φαινομένου Doppler. Η διασπορά Doppler προκύπτει από την Φ.Π.Ι σαν το εύρος συχνοτήτων όπου η συνάρτηση είναι διάφορη του μηδενός. Η διασπορά Doppler ( f D) και ο χρόνος συνοχής ( T c) είναι αντίστροφα μεγέθη και μια προσεγγιστική σχέση που τα συνδέει είναι [9]: T c (.9) f Όταν, για τον υπολογισμό του χρόνου συνοχής, θεωρούμε επίπεδο συσχέτισης.5, ή σχέση που συνδέει τον χρόνο συνοχής με την διασπορά Doppler είναι η ακόλουθη [9]: T c D 9 = (.) 6πf Μια κοινή πρακτική για τις σύγχρονες ψηφιακές επικοινωνίες είναι να χρησιμοποιήσουμε σαν σχέση που συνδέει τον χρόνο συνοχής με την διασπορά Doppler το γεωμετρικό μέσο των δύο παραπάνω σχέσεων. Έτσι η σχέση που προκύπτει είναι: D D.3 Tc = (.) f 33

38 Διπλωματική Εργασία Χαρακτηρισμός Ραδιοδιαύλου στο Εσωτερικό Χώρο Αεροσκαφών Όπως προκύπτει από τα προαναφερόμενα, ο δίαυλος θα είναι σταθερός ή ίδιων χαρακτηριστικών κατά την χρονική περίοδο που ορίζεται από τον χρόνο συνοχής. Για να αποφύγουμε προβλήματα που προκύπτουν από την χρονική μεταβολή του διαύλου θα πρέπει να φροντίζουμε η διάρκεια του συμβόλου να είναι μικρότερη από τον χρόνο συνοχής ή αντίστοιχα το εύρος ζώνης του σήματος βασικής ζώνης να είναι μεγαλύτερο από την διασπορά Doppler. Τότε λέμε ότι έχουμε να κάνουμε με αργές διαλείψεις η οποίες επιδρούν μόνο στο σηματοθορυβικό λόγο (SNR) το οποίο μπορεί να αντιμετωπιστεί εύκολα. Στην περίπτωση που η διάρκεια του εκπεμπόμενου συμβόλου είναι μεγαλύτερη από τον χρόνο συνοχής τότε το σήμα θα υποστεί παραμόρφωση με αποτέλεσμα η επανάκτησή του να γίνει δύσκολη. Στο πεδίο της συχνότητας αυτό ισοδυναμεί με το εύρος ζώνης του σήματος βασικής ζώνης να είναι μικρότερο από την διασπορά Doppler. Στην περίπτωση αυτή λέμε ότι το σήμα υφίσταται γρήγορες διαλείψεις.. Παράμετροι για το χαρακτηρισμό διαύλου με χρονική διασπορά Η μελέτη και ο χαρακτηρισμός του διαύλου ως προς την χρονική του διασπορά απαιτεί την διεξαγωγή μετρήσεων ευρείας ζώνης και την επεξεργασία των κρουστικών αποκρίσεων του διαύλου όπου εξάγονται χρήσιμες παράμετροι για τον ποσοτικό του χαρακτηρισμό. Δύο κύριες παράμετροι που δίνουν έναν μέτρο της χρονικής διασποράς του διαύλου είναι η RMS διασπορά καθυστέρησης (στ, RMS delay spread) και το εύρος ζώνης συνοχής (Βc, Coherence Bandwidth) που προκύπτουν από το Προφίλ Καθυστέρησης Ισχύος (PDP) του λαμβανόμενου σήματος [7]. Για μια διαισθητική περιγραφή των μεγεθών αυτών μπορούμε να πούμε πως η RMS διασπορά καθυστέρησης προκύπτει από την μέση επιπρόσθετη καθυστέρηση (mτ) η οποία είναι ο χρόνος που χρειάζεται το πιο καθυστερημένο είδωλο, το πλάτος του οποίου υπερβαίνει κάποιο καθορισμένο κατώφλι, να φτάσει στον δέκτη. Εδώ με είδωλο εννοείται κάθε πολυδιαδρομική συνιστώσα του αρχικά εκπεμπόμενου σήματος, που καταφθάνει στον δέκτη ακολουθώντας μια ξεχωριστή διαδρομή. Ενώ σαν εύρος ζώνης συνοχής (Βc) λέμε το εύρος στο οποίο η συνάρτηση μεταφοράς του διαύλου παραμένει πρακτικά αμετάβλητη.. Κατηγοριοποίηση των διαλείψεων μικρής κλίμακας Συνοπτικά αναφέρουμε ότι η χρονική διασπορά του διαύλου, που προκαλείται από τον μηχανισμό της πολυδιαδρομικής διάδοσης, οφείλεται για τις επίπεδες ή επιλεκτικές ως προς την συχνότητα διαλείψεις, ενώ η χρονική μεταβολή του διαύλου προκαλεί τις αργές ή γρήγορες διαλείψεις που παρατηρούνται στο σήμα. Σε δίαυλο στενής ζώνης, που απασχολεί και την παρούσα εργασία, δεν τίθεται θέμα διαλείψεων επιλεκτικών ως προς την συχνότητα γιατί λόγω του μικρού εύρους ζώνης του σήματος όλες οι συχνότητες επηρεάζονται με τον ίδιο τρόπο και ως εκ τούτου το σήμα υφίσταται επίπεδες διαλείψεις σε συνδυασμό με γρήγορες ή αργές διαλείψεις. Έτσι οι διαλείψεις που εκδηλώνονται σε δίαυλο στενής ζώνης, και προκαλούνται από την χρονική μεταβολή του διαύλου, διακρίνονται σε γρήγορες διαλείψεις και αργές διαλείψεις. Γρήγορες διαλείψεις 3

39 Κεφάλαιο Είναι η διαλείψεις που προκύπτουν όταν η χρονική διάρκεια στην οποία ο δίαυλος συμπεριφέρεται με συσχετισμένο τρόπο (ή αλλιώς παραμένει αμετάβλητος), είναι μικρότερη από την χρονική διάρκεια του μεταδιδόμενου συμβόλου. Το αποτέλεσμα των διαλείψεων αυτών είναι η παραμόρφωση του σήματος βασικής ζώνης με αποτέλεσμα την απώλεια χρήσιμης πληροφορίας. Ο μηχανισμός αυτός δεν είναι εύκολο να αναστραφεί και εισάγει αμείωτο ρυθμό λαθών. Για τον λόγω αυτό πρέπει να φροντίζεται να μην ικανοποιούνται οι παρακάτω σχέσεις που δείχνουν τις συνθήκες που οδηγούν στις γρήγορες διαλείψεις.. B S < f D. T S > TC Πρακτικά οι γρήγορες διαλείψεις εμφανίζονται όταν έχουμε κίνηση σκεδαστών ή του δέκτη με μεγάλες ταχύτητες ή όταν ο ρυθμός μετάδοσης είναι πολύ χαμηλός. Αργές διαλείψεις Είναι οι διαλείψεις που προκύπτουν όταν ο ρυθμός με τον οποίο μεταβάλλεται η κρουστική απόκριση του διαύλου είναι πολύ χαμηλότερος από τον ρυθμό του εκπεμπόμενου σήματος. Στην περίπτωση αυτή ο δίαυλος μπορεί να θεωρηθεί στατικός (χρονικά αμετάβλητος) για το χρονικό διάστημα που ορίζει ο χρόνος συνοχής. Στο πεδίο της συχνότητας, οι αργές διαλείψεις υφίστανται όταν η διασπορά Doppler είναι πολύ μικρότερη από το εύρος ζώνης του εκπεμπόμενου σήματος. Έτσι ένα σήμα υφίσταται αργές διαλείψεις όταν:. B S > f D. T S < TC Από τις πάνω σχέσεις μπορούμε να δούμε ότι η ολίσθηση Doppler f D θέτει ένα κάτω όριο στον ρυθμό μετάδοσης ώστε να αποφύγουμε τις γρήγορες διαλείψεις. Το αποτέλεσμα των αργών διαλείψεων είναι η ελάττωση του SNR. Όταν δεν ικανοποιούνται οι παραπάνω συνθήκες τότε το σήμα υφίσταται γρήγορες διαλείψεις, οι οποίες εισάγουν μια τυχαία διαμόρφωση συχνότητας με αποτέλεσμα να περιορίζουν σημαντικά την απόδοση του συστήματος. Επίπεδες Διαλείψεις Οι δίαυλοι επίπεδων διαλείψεων προκαλούν ισχυρές διαλείψεις και μπορεί να απαιτούν ισχύ εκπομπής κατά -3 db μεγαλύτερη σε σχέση με συστήματα στα οποία οι δίαυλοι δεν παρουσιάζουν διαλείψεις. Tο πλάτος του μεταδιδόμενου σήματος στον δίαυλο μεταβάλλεται σύμφωνα με την κατανομή Rayleigh. Συμπερασματικά, ένα σήμα θα υποστεί επίπεδες διαλείψεις όταν ισχύουν οι συνθήκες:. B C > BS. T S > σ τ όπου T S η διάρκεια παλμού του μεταδιδόμενου σήματος, και B S το εύρος ζώνης του. 35

40 Διπλωματική Εργασία Χαρακτηρισμός Ραδιοδιαύλου στο Εσωτερικό Χώρο Αεροσκαφών Επιλεκτικές ως προς τη συχνότητα διαλείψεις Στην περίπτωση που το εύρος ζώνης του διαύλου B C, είναι μικρότερο από το εύρος ζώνης B S του μεταδιδόμενου σήματος, τότε οι φασματικές συνιστώσες του σήματος δεν επηρεάζονται όλες με τον ίδιο τρόπο από τον δίαυλο, και προκαλούνται στο λαμβανόμενο σήμα διαλείψεις επιλεκτικές ως προς τη συχνότητα. Μερικές από τις φασματικές συνιστώσες του σήματος θα βρίσκονται εκτός του εύρους ζώνης συνοχής του διαύλου και θα επηρεάζονται διαφορετικά και ανεξάρτητα σε σύγκριση με εκείνες τις συνιστώσες που θα βρίσκονται μέσα στο εύρος συσχέτισης του διαύλου. Κάτω από αυτές τις συνθήκες η κρουστική απόκριση του διαύλου έχει διασπορά καθυστέρησης μεγαλύτερη από T = B και το λαμβανόμενο σήμα αποτελείται από S S πολλαπλές εκδοχές του μεταδιδόμενου σήματος, οι οποίες έχουν υποστεί εξασθένιση και εμφανίζουν χρονική καθυστέρηση. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα το λαμβανόμενο σήμα στον δέκτη να είναι παραμορφωμένο σε σχέση με το σήμα που αρχικά μεταδόθηκε από τον πομπό. Οι δίαυλοι που προκαλούν στο μεταδιδόμενο σήμα διαλείψεις επιλεκτικές ως προς τη συχνότητα είναι επίσης γνωστοί και ως δίαυλοι ευρείας ζώνης καθώς το εύρος ζώνης του εκπεμπόμενου σήματος είναι μεγαλύτερο από το εύρος ζώνης της κρουστικής απόκρισης του διαύλου. Ο δίαυλος επηρεάζει με διαφορετικό τρόπο το πλάτος και την φάση των διαφόρων συνιστωσών του εκπεμπόμενου σήματος, με αποτέλεσμα την χρονικά μεταβαλλόμενη εξασθένιση του λαμβανόμενου σήματος. Συμπερασματικά, ένα σήμα θα υποστεί διαλείψεις επιλεκτικές ως προς τη συχνότητα όταν:. B S > BC. T S < σ τ Στην πράξη, ένας δίαυλος θεωρείται επιλεκτικός ως προς την συχνότητα όταν Τs στ, αν και αυτό εξαρτάται από το συγκεκριμένο είδος διαμόρφωσης που έχει χρησιμοποιηθεί. 36

41 Κεφάλαιο 3 Μετρητικό Σύστημα και Μεθοδολογία Μετρήσεων 3. Περιγραφή μετρητικού συστήματος Στο παρόν κεφάλαιο περιγράφεται τόσο το μετρητικό μας σύστημα, όσο ο χώρος και ο τρόπος με τον οποίο έγιναν οι μετρήσεις στο εσωτερικό και στο εξωτερικό των αεροπλάνων. Παρακάτω παρουσιάζεται το διάγραμμα του μετρητικού συστήματος που χρησιμοποιήσαμε: Σχήμα 3.. Μετρητικό σύστημα Από την πλευρά εκπομπής, η ισχύς εξόδου του πομπού ήταν - dbm πριν από την κεραία, ενώ τα κέρδη των κεραιών εκπομπής ήταν τα εξής: 7.5 dbi για την επίπεδη κεραία (planar antenna) που εξέπεμπε σε συχνότητα.8 GΗz, - dbi για την δικωνική ομοιοκατευθυντική κεραία όταν εξέπεμπε σε συχνότητα. GHz και dbi όταν εξέπεμπε σε συχνότητα. GHz. Το σύστημα του δέκτη ήταν τοποθετημένο πάνω σε μια ειδικά σχεδιασμένη κινητή μονάδα μέτρησης (καροτσάκι) η οποία ήταν κατάλληλη για την διευκόλυνση της μετακίνησης στους διαδρόμους των αεροσκαφών όπου διεξήχθησαν οι μετρήσεις. Ο δέκτης έχει ευαισθησία -8 dbm, ενώ τα κέρδη της κεραίας-δέκτη είναι:.53 dbi, -. dbi, -.5 dbi για τις συχνότητες.8,. και. GHz αντίστοιχα. Το λαμβανόμενο σήμα, αφού ενισχυθεί από έναν ενισχυτή χαμηλού θορύβου (LNA) με κέρδη 36.3 db, 39. db και 36. db (για τις συχνότητες.8,.,. GHz αντίστοιχα), καταγράφεται σε ένα αναλυτή φάσματος (spectrum analyzer) στον οποίο έχουμε τις ρυθμίσεις που φαίνονται στον Πίνακα 3-. Οι συνολικές μετρούμενες απώλειες του συστήματος από καλώδια, συνδετήρες κ.τ.λ. ήταν 3.7 db,.7 db, και 5.3 db, ενώ οι μέγιστες απώλειες διάδοσης που μπορούσαν να μετρηθούν από το σύστημα ήταν db, 3 db και db (για συχνότητες εκπομπής.8,.,. GHz αντίστοιχα). 37

42 Διπλωματική Εργασία Χαρακτηρισμός Ραδιοδιαύλου στο Εσωτερικό Χώρο Αεροσκαφών Πίνακας 3-. Ρυθμίσεις του Αναλυτή Φάσματος (Spectrum Analyzer). Επίπεδο αναφοράς (Reference level) - dbm Εξασθένηση (Attenuation) db Εύρος συχνότητας (Span) Διαχωρισμός Εύρους Ζώνης (Resolution 3 KHz Bandwidth) Απεικόνιση Εύρους Ζώνης KHz (Video Bandwidth) Sweep 5 msec Ο παρακάτω πίνακας παρουσιάζει τον υπολογισμό ζεύξης (link budget) του συστήματος μέτρησης όπου περιέχονται συγκεντρωμένα όλα τα προαναφερθέντα χαρακτηριστικά. Πίνακας 3-. Υπολογισμός ζεύξης του συστήματος μέτρησης. Πομπός Ισχύς εξόδου - dbm Κέρδος κεραίας 7.5 dbi - dbi dbi EIRP -.5 dbm - dbm - dbm Δέκτης Ευαισθησία δέκτη -9 dbm Κέρδος κεραίας.53 dbi -. dbi -.5 dbi Κέρδος ενισχυτή χαμηλού 36.3 db 39. db 36. db θορύβου(lna) Συνολικές απώλειες συστήματος 3.7 db.7 db 5.3 db Μετρούμενες Απώλειες Διάδοσης db 3 db db Η βίντεο έξοδος του αναλυτή φάσματος (Auxiliary Video Output) συνδέεται στην αναλογική είσοδο μιας κάρτας A/D και δειγματοληπτείται η τάση του εισερχόμενου σήματος με συχνότητα δειγματοληψίας (scan rate) δείγματα ανά δευτερόλεπτο ( KHz) και τα δείγματα αποθηκεύονται σε ένα φορητό υπολογιστή. Για την καταγραφή και απεικόνιση του λαμβανόμενου από τον δέκτη σήματος συναρτήσει του χρόνου, χρησιμοποιήσαμε το λογισμικό πακέτο LABVIEW, το οποίο απεικονίζεται στο Σχήμα 3.. Επίσης είχαμε την δυνατότητα να παρατηρήσουμε τις διαλείψεις του σήματος κατά την διάρκεια των μετρήσεων. Το κυρίως λογισμικό περιέχει μια διαδικασία κατά την οποία γίνεται η μετατροπή των τιμών τάσης από την έξοδο του δέκτη σε τιμές ισχύος μέσω μιας συνάρτησης, η οποία προκύπτει από την διαδικασία βαθμονόμησης (calibration) του δέκτη. 38

43 Κεφάλαιο 3 Σχήμα 3.. Λογισμικό καταγραφής μετρήσεων, LABVIEW. Σύμφωνα με την παραπάνω διαδικασία βαθμονόμησης, εφαρμόζεται στην είσοδο του δέκτη ένα σήμα από μια γεννήτρια ξεκινώντας από -8 dbm έως dbm, και συγχρόνως μετράται η έξοδος του δέκτη (σε Volts) σε συνάρτηση με την μεταβολή της ισχύος της γεννήτριας (σε dbm). Έτσι προκύπτει μια σχέση αντιστοίχησης των τιμών τάσεως του δέκτη με τις τιμές ισχύος της γεννήτριας. Στο Σχήμα 3.3 παρουσιάζεται η σχέση μεταξύ της ισχύος εισόδου στον δέκτη ως προς την τάση εξόδου, καθώς επίσης και η προσαρμογή (fitting) στα μετρούμενα δεδομένα, της πολυωνυμικής συνάρτησης που μας επιτρέπει την μετατροπή των τιμών τάσεως σε Volts που συλλέγονται από την κάρτα δειγματοληψίας σε αντίστοιχες μονάδες ισχύος dbm, για τις αντίστοιχες συχνότητες εκπομπής. 39