Μελέτη Μοντέλων Διάδοσης και Κάλυψης στις Μιλλιμετρικές Ζώνες Συχνοτήτων για Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών 5 ης Γενιάς

Transcript

1 Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης Σχολή Θετικών Επιστημών Τμήμα Φυσικής Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών Ηλεκτρονικής Φυσικής (Ραδιοηλεκτρολογίας) Διπλωματική Εργασία Μελέτη Μοντέλων Διάδοσης και Κάλυψης στις Μιλλιμετρικές Ζώνες Συχνοτήτων για Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών 5 ης Γενιάς Χρήστος Καϊτατζής Επιβλέπων: Σωτήριος Κ. Γούδος, Επ. Καθηγητής Θεσσαλονίκη 2016

2

3 Περίληψη Οι μιλλιμετρικές ζώνες συχνοτήτων καταλαμβάνουν το συχνοτικό εύρος μεταξύ των 30 και 300 GHz. Μέχρι σήμερα έχει υπάρξει μικρής κλίμακας χρήση της περιοχής μιλλιμετρικών συχνοτήτων σε ασύρματα τηλεπικοινωνιακά συστήματα που βρίσκονται σε λειτουργία. Ωστόσο, αναμένεται αυξημένη χρήση των μιλλιμετρικών συχνοτήτων τα επόμενα χρόνια όταν θα ξεκινήσουν να λειτουργούν κυψελωτά δίκτυα κινητής επικοινωνίας 5 ης γενιάς στην αρχή της δεκαετίας του Ασύρματα τηλεπικοινωνιακά συστήματα στα οποία θα γίνεται εφαρμογή των μιλλιμετρικών συχνοτήτων υπόσχονται σημαντικές βελτιώσεις όπως μεγαλύτερο εύρος ζώνης και χωρητικότητα, μειωμένη απόκριση και αναβαθμισμένες υπηρεσίες σε σχέση με προγενέστερα ασύρματα τηλεπικοινωνιακά συστήματα τα οποία χρησιμοποιούσαν συχνότητες στην περιοχή της UHF ζώνης συχνοτήτων. Για να διασφαλιστεί ότι θα μπορεί να επιτευχθεί η απαιτούμενη κάλυψη δικτύου στην περίπτωση χρήσης μιλλιμετρικών συχνοτήτων, τα μοντέλα διάδοσης για τις μιλλιμετρικές ζώνες συχνοτήτων θα είναι το κυρίαρχο εργαλείο για την εκτίμηση της αναμενόμενης κάλυψης και του απαιτούμενο αριθμού σταθμών βάσης για την επιλεγόμενη προς κάλυψη περιοχή. Στο 1 ο κεφάλαιο περιγράφονται βασικά στοιχεία για την διάδοση των ραδιοκυμάτων, κατηγοριοποιούνται τα μοντέλα διάδοσης και τα περιβάλλοντα που συναντώνται συνήθως και αναφέρονται οι κατηγορίες κυψελίδων που χρησιμοποιούνται στα κυψελωτά δίκτυα. Στο 2 ο κεφάλαιο γίνεται ανάλυση της διάδοσης στις μιλλιμετρικές ζώνες συχνοτήτων, μελετάται η ατμοσφαιρική εξασθένιση που εμφανίζεται στην μιλλιμετρική περιοχή, περιγράφονται τα Close-in και ABG μοντέλα διάδοσης, γίνεται εκτίμηση της ακτίνας και του εμβαδού της κυψελίδας ανάλογα με την περιοχή προς κάλυψη και τέλος αναφέρονται οι μέγιστες εκτιμώμενες αποστάσεις ζεύξεων για εφαρμογές υπηρεσιών κορμού με εφαρμογή μιλλιμετρικών συχνοτήτων. Στην συνέχεια, στο 3 ο κεφάλαιο γίνεται εκτίμηση του απαιτούμενου αριθμού σταθμών βάσης για την περιοχή του Χονγκ Κονγκ και παρουσιάζεται ο χάρτης κάλυψης για τις συχνότητες των 28, 38 και 73 GHz. Επίσης, περιγράφονται βασικά σημεία του κώδικα που αναπτύχθηκε σε γλώσσα προγραμματισμού Java για την διαδικασία εκτίμησης κάλυψης με χρήση των βιβλιοθηκών Geotools. Στο 4 ο κεφάλαιο γίνεται σύγκριση μεταξύ της μιλλιμετρικής και της UHF ζώνης συχνοτήτων. Παρουσιάζεται επίσης χάρτης που περιλαμβάνει τους σταθμούς βάσης δικτύου τεχνολογίας LTE που λειτουργεί στην περιοχή του Χονγκ Κονγκ, ο οποίος χρησιμοποιείται για εκτίμηση των επιπλέον σταθμών βάσης που θα απαιτούνταν για την λειτουργία ενός δικτύου στο οποίο θα εφαρμόζονταν μιλλιμετρικές συχνότητες. Τέλος, στο 5 ο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα συμπεράσματα που προέκυψαν σε σχέση με την προσδοκώμενη χρήση των μιλλιμετρικών συχνοτήτων σε ασύρματα τηλεπικοινωνιακά συστήματα νέας γενιάς. iii

4 Abstract Millimeter wave bands occupy the spectrum range between 30 and 300 GHz. Until today, there has been slight utilization of millimeter wave bands in operational communication systems. However, increased usage of millimeter wave bands is expected to take place in the near future when fifth generation cellular networks will be launched on the brink of Communication systems that will utilize millimeter wave bands are promising great improvements such as higher available bandwidth and capacity, reduced latency and better services in comparison to previous generation communication systems that used UHF band radio waves. To ensure that required network coverage is achieved when cellular networks utilizing millimeter wave bands begin to operate, radio propagation path loss models suitable for millimeter wave bands can be the dominant tool for the estimation of the expected coverage and the number of required base stations within a chosen area. In the 1 st Chapter, basic characteristics about radio wave propagation are described, radio wave propagation path loss models and the environment types are categorized and the categories of cells used in cellular networks are presented. In the 2 nd Chapter an analysis of propagation in millimeter wave bands is given, the atmospheric attenuation observed in millimeter wave bands is studied and Close-in Free Space Reference and ABG path loss models are described. Also, an estimation is given of the cell radius and area according to the environment to be covered and the maximum estimated distances of backhaul links that would utilize millimeter wave bands are presented. Moreover, in the 3 rd Chapter the required estimated number of base stations in the region of Hong Kong is calculated and the coverage maps for the frequencies of 28, 38 and 73 GHz are presented. Also, basic points of the Java code that was created for the estimation process using Geotools libraries are described. In the 4 th Chapter millimeter and UHF bands are compared and a map including the base stations of a LTE cellular network operating in Hong Kong area is presented. The map is used to estimate the additional number of base stations required for a network to operate using millimeter wave bands. Finally, in the 5 th Chapter conclusions are presented in relation to the expected utilization of millimeter frequencies in new generation wireless telecommunication systems. iv

5 Περιεχόμενα Περίληψη... iii Abstract... iv Διαγράμματα... vii Πίνακες... viii Ακρωνύμια και Συντομογραφίες... ix 1 Διάδοση Ραδιοκυμάτων Εισαγωγή Μηχανισμοί διάδοσης Απώλειες διαδρομής ραδιοκυμάτων Σκίαση (Shadowing) Φαινόμενα πολλαπλών διαδρομών Κατηγορίες μοντέλων διάδοσης Κατηγορίες περιβάλλοντος Τύποι κυψελίδων Ορισμοί μεγεθών Διάδοση στις Μιλλιμετρικές Ζώνες Συχνοτήτων Ατμοσφαιρική εξασθένιση Μοντέλα διάδοσης ραδιοκυμάτων Μοντέλο διάδοσης ελεύθερου χώρου Close-in μοντέλο διάδοσης ABG μοντέλο διάδοσης Εκτίμηση ακτίνας και έκτασης της κυψελίδας Μέγιστη επιτρεπτή απώλεια διαδρομής (MAPL) Εμβαδόν κυψελίδας Ακτίνα κυψελίδας βάση του Close-in μοντέλου διάδοσης Ακτίνα κυψελίδας βάση του ABG μοντέλου διάδοσης Εκτίμηση μέγιστης απόστασης για ζεύξη υπηρεσιών κορμού Εκτίμηση του Απαιτούμενου Αριθμού Σταθμών Βάσης για την Κάλυψη της Περιοχής του Χονγκ Κονγκ Χάρτης κάλυψης Εκτίμηση απαιτούμενων σταθμών βάσης με χρήση μιλλιμετρικών συχνοτήτων 31 v

6 3.3 Kώδικας Java με χρήση των βιβλιοθηκών Geotools Σύγκριση μεταξύ Μιλλιμετρικής και UHF Ζώνης Συχνοτήτων Μοντέλο διάδοσης COST 231 Walfisch-Ikegami Θεωρητικός υπολογισμός ακτίνας κυψελίδας στην UHF ζώνη συχνοτήτων Σταθμοί βάσης δικτύου τεχνολογίας LTE στην περιοχή του Χονγκ Κονγκ Σύγκριση απαιτούμενων σταθμών βάσης μιλλιμετρικής και UHF ζώνης συχνοτήτων Απώλειες λόγω διείσδυσης σε κτίρια Χρήση μιλλιμετρικών συχνοτήτων σε ετερογενή δίκτυα Σύγκριση χωρητικότητας Συμπεράσματα Αναφορές vi

7 Διαγράμματα Διάγραμμα 1: Ατμοσφαιρική εξασθένιση ανά συχνότητα Διάγραμμα 2: Καμπύλες απωλειών διαδρομής ελεύθερου χώρου για τις συχνότητες των 0.1, 1, 10 και 100 GHz Διάγραμμα 3: Καμπύλες απωλειών διαδρομής ανά κατηγορία περιβάλλοντος σύμφωνα με το Close-in μοντέλο για την συχνότητα των 28 GHz Διάγραμμα 4: Καμπύλες απωλειών διαδρομής σύμφωνα με το Close-in μοντέλο για την συχνότητα των 38 GHz Διάγραμμα 5: Καμπύλες απωλειών διαδρομής σύμφωνα με το Close-in μοντέλο για την συχνότητα των 73 GHz Διάγραμμα 6: Καμπύλες απωλειών διαδρομής ανά κατηγορία περιβάλλοντος σύμφωνα με το ABG μοντέλο για την συχνότητα των 28 GHz Διάγραμμα 7: Καμπύλες απωλειών διαδρομής σύμφωνα με το ABG μοντέλο για την συχνότητα των 38 GHz Διάγραμμα 8: Καμπύλες απωλειών διαδρομής σύμφωνα με το ABG μοντέλο για την συχνότητα των 73 GHz vii

8 Πίνακες Πίνακας 1: Περιγραφή χαρακτηριστικών ανα κατηγορία περιβάλλοντος... 6 Πίνακας 2: Τυπικές ταχύτητες χρηστών ανά κατηγορία περιβάλλοντος... 7 Πίνακας 3: Ακτίνα και τυπική θέση του σταθμού βάσης ανά τύπο κυψελίδας... 9 Πίνακας 4: Προτεινόμενες τιμές εκθετικού απωλειών και του παράγοντα διαλείψεων σκίασης Close-in μοντέλου σε συνθήκες LoS Πίνακας 5: Προτεινόμενες τιμές εκθετικού απωλειών και του παράγοντα διαλείψεων σκίασης Close-in μοντέλου σε συνθήκες nlos Πίνακας 6: Προτεινόμενες τιμές παραμέτρων ABG μοντέλου σε συνθήκες nlos Πίνακας 7: Υπολογισμός Link Budget και ΜΑPL για την περίπτωση του Downlink Πίνακας 8: Υπολογισμός Link Budget και ΜΑPL για την περίπτωση του Uplink Πίνακας 9: Ακτίνα, εμβαδόν κυψελίδας και σταθμοί βάσης ανά τετρ. χλμ. σύμφωνα με το Closein μοντέλο στα 28 GHz Πίνακας 10: Ακτίνα, εμβαδόν κυψελίδας και σταθμοί βάσης ανά τετρ. χλμ. σύμφωνα με το Close-in μοντέλο στα 38 GHz Πίνακας 11: Ακτίνα, εμβαδόν κυψελίδας και σταθμοί βάσης ανά τετρ. χλμ. σύμφωνα με το Close-in μοντέλο στα 73 GHz Πίνακας 12: Ακτίνα, εμβαδόν κυψελίδας και σταθμοί βάσης ανά τετρ. χλμ. σύμφωνα με το ABG μοντέλο στα 28 GHz Πίνακας 13: Ακτίνα, εμβαδόν κυψελίδας και σταθμοί βάσης ανά τετρ. χλμ. σύμφωνα με το ABG μοντέλο στα 38 GHz Πίνακας 14: Ακτίνα, εμβαδόν κυψελίδας και σταθμοί βάσης ανά τετρ. χλμ. σύμφωνα με το ABG μοντέλο στα 73 GHz Πίνακας 15: Υπολογισμός Link Budget και ΜΑPL για την περίπτωση backhaul ζεύξης σε συνθήκες LoS Πίνακας 16: Υπολογισμός Link Budget και ΜΑPL για την περίπτωση backhaul ζεύξης σε συνθήκες nlos Πίνακας 17: Μέγιστη εκτιμώμενη απόσταση backhaul ζεύξης σε συνθήκες LoS και nlos Πίνακας 18: Εκτίμηση απαιτούμενων σταθμών βάσης για την συχνότητα των 28 GHz Πίνακας 19: Εκτίμηση απαιτούμενων σταθμών βάσης για την συχνότητα των 38 GHz Πίνακας 20: Εκτίμηση απαιτούμενων σταθμών βάσης για την συχνότητα των 73 GHz Πίνακας 21: Ακτίνα, εμβαδόν κυψελίδας και σταθμοί βάσης ανά 10 τετρ. χλμ. σύμφωνα με το COST 231 Walfisch-Ikegami μοντέλο αντίστοιχα με την κατηγορία περιβάλλοντος και τον τύπο κυψελίδας για τα 1.8 GHz Πίνακας 22: Σταθμοί βάσης δικτύου 4 ης γενιάς ανά περιοχή Πίνακας 23: Πυκνότητα σταθμών βάσης δικτύου 4 ης γενιάς ανά περιοχή Πίνακας 24: Σύγκριση απαιτούμενων σταθμών βάσης δικτύου όπου εφαρμόζονται μιλλιμετρικές συχνότητες σε σχέση με τον αριθμό σταθμών βάσης δικτύου 4 ης γενιάς viii

9 Ακρωνύμια και Συντομογραφίες DL: Downlink ECI: E-UTRAN Code Identifier enb: enodeb EIRP: Equivalent Isotropic Radiated Power FSPL: Free Space Path Loss ITU: International Telecommunication Union LoS: Line-of-Sight LCID: Local Cell ID LTE: Long Term Evolution MAPL: Maximum Allowed Path Loss MCC: Mobile Country Code MNC: Mobile Network Code nlos: non Line-of-Sight NF: Noise Figure RuMa: Rural Macro SNR: Signal to Noise Ratio UL: Uplink UMa: Urban Macro UMiOS: Urban Microcellular Open Square UMiSC: Urban Microcellular Street Canyon UTD: Uniform Theory of Diffraction WGS: World Geodetic System ix

10 Κεφάλαιο 1 ο 1 Διάδοση Ραδιοκυμάτων 1.1 Εισαγωγή Στα ασύρματα τηλεπικοινωνιακά συστήματα χρησιμοποιούνται διαδιδόμενα ραδιοκύματα για την μετάδοση της πληροφορίας. Ανάλογα με τα χαρακτηριστικά των ραδιοκυμάτων και του περιβάλλοντος στο οποίο διαδίδονται, παρατηρείται απώλεια ισχύος κατά την διάδοση με κύρια αίτια τις απώλειες διαδρομής και τα φαινόμενα της σκίασης (shadowing) και των πολλαπλών διαδρομών. Στο κεφάλαιο αυτό περιγράφονται οι όροι των απωλειών διαδρομής, της σκίασης και του φαινομένου πολλαπλών διαδρομών, αναφέρονται οι μηχανισμοί διάδοσης των ραδιοκυμάτων, γίνεται κατηγοριοποίηση των μοντέλων διάδοσης και περιβαλλόντων που συναντώνται ενώ αναφέρονται οι τύποι κυψελίδων στα κυψελωτά δίκτυα κινητής επικοινωνίας και δίνονται οι ορισμοί μεγεθών που θα χρησιμοποιηθούν στα επόμενα κεφάλαια. 1

11 1.2 Μηχανισμοί διάδοσης Ανάκλαση Η ανάκλαση συμβαίνει όταν ένα διαδιδόμενο ηλεκτρομαγνητικό κύμα συναντά αντικείμενο του οποίου οι διαστάσεις είναι μεγαλύτερες του μήκους κύματος του σήματος. Ανακλώμενα κύματα μπορούν να παραχθούν όταν βρεθεί στην πορεία του κύματος η επιφάνεια του εδάφους, κτίρια, βλάστηση αλλά και οχήματα. Ως αποτέλεσμα, εμφανίζονται μεταβολές στο πλάτος και στη φάση του λαμβανόμενου σήματος στον δέκτη σε σχέση με το πλάτος και την φάση του αρχικού σήματος που εκπέμφθηκε από την κεραία εκπομπής. Περίθλαση Όταν το μέτωπο ενός κύματος συναντά ένα αντικείμενο ή σχισμή με παρόμοιες διαστάσεις με αυτές του μήκους κύματος τότε παράγονται κύματα τα οποία απλώνονται προς όλες τις κατευθύνσεις, όπως περιγράφει η αρχή του Huygens. Λόγω του φαινομένου της περίθλασης, το διαδιδόμενο κύμα μπορεί να φτάσει σε περιοχές όπου δεν υπάρχει οπτική επαφή (nlos) μεταξύ του πομπού και του δέκτη. Συνήθως, η περίθλαση συμβαίνει όταν ένα κύμα συναντήσει τις ακμές ενός κτιρίου. Σκέδαση Το φαινόμενο της σκέδασης παρατηρείται όταν ένα αντικείμενο παρεμβάλλεται στην διαδρομή ενός διαδιδόμενου κύματος και οι διαστάσεις του αντικειμένου είναι μικρότερες του μήκους κύματος. Συμβαίνει όταν το κύμα συναντήσει τραχείς επιφάνειες και μπορεί να οδηγήσει στην διάδοση του σήματος σε σημεία όπου δεν υπάρχει οπτική επαφή μεταξύ πομπού και δέκτη. Διάδοση στον ελεύθερο χώρο Αν θεωρήσουμε ότι ένα κύμα διαδίδεται στον ελεύθερο χώρο, τότε η ισχύς του σήματος P R που λαμβάνει η κεραία του δέκτη μπορεί να υπολογιστεί από την σχέση του Friis: P R = P T G T G R λ 2 (4πR) 2 (1.1) όπου P T είναι η εκπεμπόμενη ισχύς, G T η απολαβή του πομπού, G R η απολαβή του δέκτη, λ το μήκος κύματος και R η απόσταση μεταξύ της κεραίας του πομπού και του δέκτη. Όταν υπάρχει οπτική επαφή (LοS) μεταξύ του πομπού και του δέκτη και το ηλεκτρομαγνητικό κύμα διαδίδεται μέσω της ατμόσφαιρας τότε η σχέση του Friis μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να εκτιμηθεί η λαμβανόμενη ισχύς στην κεραία του δέκτη. 2

12 1.3 Απώλειες διαδρομής ραδιοκυμάτων Σε ένα ασύρματο τηλεπικοινωνιακό σύστημα, η μετάδοση της πληροφορίας επιτυγχάνεται με την χρήση διαδιδόμενων ραδιοκυμάτων. Τα ραδιοκύματα αποτελούν διαδιδόμενη ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία. Κατά την διάδοση των ραδιοκυμάτων, τα κύματα επηρεάζονται σημαντικά από το περιβάλλον μέσα στο οποίο διαδίδονται με αποτέλεσμα να εμφανίζονται φαινόμενα που μεταβάλλουν τα χαρακτηριστικά των ραδιοκυμάτων. Ως αποτέλεσμα, η λαμβανόμενη ισχύς σήματος στην κεραία του δέκτη είναι χαμηλότερη από την εκπεμπόμενη ισχύ στον πομπό. Το φαινόμενο αυτό που παρατηρείται σε ασύρματα συστήματα τηλεπικοινωνιών αναφέρεται ως απώλεια διαδρομής ραδιοκυμάτων. Η απώλεια διαδρομής μπορεί να εκφραστεί από την σχέση: P T PL[ db] 10log PT[ db] PR[ db] PR (1.2) όπου P T η ισχύς που εκπέμπεται από την κεραία του πομπού και P R λαμβανόμενη ισχύς στην κεραία του δέκτη. [13] Κατά την διαδικασία σχεδιασμού ενός ασύρματου δικτύου κινητών επικοινωνιών, λαμβάνονται υπόψη οι απώλειες διαδρομής των ραδιοκυμάτων έτσι ώστε να υπολογιστεί ο απαιτούμενος αριθμός σταθμών βάσης και να επιλεχθούν οι κατάλληλες θέσεις στις οποίες θα τοποθετηθούν οι σταθμοί βάσης για να επιτευχθεί επαρκής κάλυψη της επιλεγόμενης προς κάλυψη περιοχής. 1.4 Σκίαση (Shadowing) Το φαινόμενο της σκίασης προκαλείται από εμπόδια που μπορούν να βρεθούν μεταξύ του πομπού και του δέκτη με αποτέλεσμα την απορρόφηση ενέργειας της διαδιδόμενης ακτινοβολίας. Μεταβολές ισχύος του σήματος λόγω σκίασης συμβαίνουν σε αποστάσεις ανάλογες του μεγέθους των αντικειμένων που τις προκαλούν (αποστάσεις μ. για περιπτώσεις εξωτερικών χώρων λόγω των κτιρίων). Οι μεταβολές εξαιτίας του φαινομένου της σκίασης αλλά και των απωλειών διαδρομής συμβαίνουν σε σχετικά μεγάλες αποστάσεις. Για τον λόγο αυτό, τα φαινόμενα της σκίασης και των απωλειών διαδρομής αναφέρονται ως φαινόμενα διάδοσης μεγάλης κλίμακας [23]. 1.5 Φαινόμενα πολλαπλών διαδρομών Κατά την διάδοση ραδιοκυμάτων σε περιβάλλοντα όπου υπάρχουν εμπόδια, εμφανίζονται φαινόμενα πολλαπλών διαδρομών από παραγόμενα σήματα τα οποία προκύπτουν λόγω ανάκλασης, περίθλασης ή σκέδασης. Τα σήματα αυτά συνήθως εμφανίζουν χαμηλότερη 3

13 ισχύ, καθυστερούν σε χρόνο και έχουν πιθανώς μετατοπιστεί κατά φάση και συχνότητα σε σχέση με το σήμα που φθάνει στο δέκτη όταν υπάρχει οπτική επαφή με τον πομπό. Το μεταδιδόμενο σήμα αλλά και τα σήματα λόγω πολλαπλών διαδρομών αθροίζονται στον δέκτη με αποτέλεσμα να παρατηρείται καταστροφική αλλά όμως και ενισχυτική συμβολή. Τελικά εξαιτίας της συμβολής αυτής μπορούν να παρατηρηθούν διαλείψεις λόγω πολλαπλών διαδρομών. Οι μεταβολές λόγω των φαινομένων πολλαπλών διαδρομών παρατηρούνται σε σχετικά μικρές αποστάσεις συγκρινόμενες με το μήκος κύματος της διαδιδόμενης ακτινοβολίας και έτσι τα φαινόμενα πολλαπλών διαδρομών αναφέρονται ως φαινόμενα μικρής κλίμακας. 1.6 Κατηγορίες μοντέλων διάδοσης Σύμφωνα με το συγκεκριμένο περιβάλλον και την έκταση της περιοχής που απαιτείται να καλυφθεί, διαφορετικές μέθοδοι και τεχνικές εκτίμησης κάλυψης μπορούν να ακολουθηθούν. Ένας αριθμός μοντέλων διάδοσης ραδιοκυμάτων αποτελούν τα εργαλεία που χρησιμοποιούνται συχνότερα στην διαδικασία υπολογισμού της περιοχής όπου υπάρχει η απαιτούμενη στάθμη ισχύος στον δέκτη και για την εκτίμηση του απαιτούμενου αριθμού σταθμών βάσης έτσι ώστε να επιτυγχάνεται κατάλληλη κάλυψη. Οι δύο βασικές κατηγορίες μοντέλων διάδοσης ραδιοκυμάτων είναι αυτές των ντετερμινιστικών μοντέλων και των εμπειρικών μοντέλων διάδοσης. Τα ημιεμπειρικά μοντέλα είναι άλλη μία κατηγορία μοντέλων διάδοσης, στα οποία υιοθετούνται στοιχεία και από τις δύο προηγούμενες κατηγορίες. Ντετερμινιστικά μοντέλα διάδοσης Όταν απαιτείται εκτίμηση μεγάλης ακρίβειας, η καταλληλότερη επιλογή είναι αυτή των ντετερμινιστικών μοντέλων διάδοσης. Στην περίπτωση αυτή λαμβάνονται υπόψη όσα το δυνατόν περισσότερα αντικείμενα και χαρακτηριστικά που μπορούν να βρεθούν και να περιγράψουν τον χώρο ο οποίος μελετάται έτσι ώστε να προβλεφθούν οι διαδρομές που θα ακολουθήσουν τα διαδιδόμενα κύματα. Τα κτίρια και το σύνολο των κατασκευών, η τοπογραφία της περιοχής, η βλάστηση αλλά και τα οχήματα πρέπει να ληφθούν υπόψη όταν ζητείται η εκτίμηση της κάλυψης εξωτερικών χώρων. Σε περιπτώσεις εσωτερικών χώρων, πρέπει να προβλεφθούν οι επιπτώσεις που προκύπτουν λόγω των αντικειμένων που υπάρχουν στον χώρο. Λόγω των σημαντικού αριθμού παραμέτρων που πρέπει να εξεταστούν, απαιτείται μεγάλη προσπάθεια όταν χρησιμοποιείται ένα ντετερμινιστικό μοντέλο διάδοσης. Συνεπώς, τα ντετερμινιστικά μοντέλα διάδοσης είναι καταλληλότερα για μελέτη εσωτερικών χώρων και περιβάλλοντα μικρής έκτασης. Για την ανάπτυξη ντετερμινιστικών μοντέλων έχουν χρησιμοποιηθεί η ομοιόμορφη Θεωρία της Περίθλασης (UTD) και τεχνικές ray tracing. 4

14 Εμπειρικά μοντέλα διάδοσης Τα εμπειρικά μοντέλα διάδοσης βασίζονται σε πραγματικές μετρήσεις οι οποίες λαμβάνονται για διάφορες κατηγορίες περιβάλλοντος και εξαρτώνται από παραμέτρους οι οποίες υπολογίζονται αντίστοιχα με το περιβάλλον για το οποίο προορίζεται η χρήση του μοντέλου. Η ακρίβεια των εμπειρικών μοντέλων είναι μικρότερη σε σχέση με τα ντετερμινιστικά μοντέλα διάδοσης όμως παρουσιάζουν το πλεονέκτημα της μεγαλύτερης ευκολίας στην χρήση τους λόγω του ότι απαιτούν λιγότερες παραμέτρους αντίστοιχα με το περιβάλλον που μελετάται. Τα εμπειρικά μοντέλα είναι καταλληλότερα για εκτίμηση μεγάλης κλίμακας και χρησιμοποιούνται αρκετά συχνά στην διαδικασία σχεδιασμού ασύρματων δικτύων. Ημιεμπειρικά μοντέλα διάδοσης Τα ημιεμπειρικά μοντέλα διάδοσης συνδυάζουν στοιχεία από τα ντετερμινιστικά αλλά και τα εμπειρικά μοντέλα διάδοσης. Αυτό που συμβαίνει είναι να λαμβάνονται υπόψη τιμές παραμέτρων οι οποίες έχουν προκύψει από μετρήσεις πραγματικού περιβάλλοντος όμως συνδυαστικά γίνεται χρήση παραμέτρων οι οποίες αντιστοιχούν στο περιβάλλον προς κάλυψη. Χρησιμοποιούνται επίσης συχνά για την εκτίμηση κάλυψης ασύρματων δικτύων ακόμα και για περιοχές μεγάλης κλίμακας. 1.7 Κατηγορίες περιβάλλοντος Για την διαδικασία πρόβλεψης και σχεδιασμού ασύρματων τηλεπικοινωνιακών συστημάτων είναι χρήσιμη η αναγνώριση των πιο συχνών κατηγοριών περιβάλλοντος που συναντώνται σε πραγματικές συνθήκες. Το τμήμα Ραδιοεπικοινωνιών της Διεθνούς Ένωσης Τηλεπικοινωνιών (ITU-R) έχει εκδώσει σύσταση στην οποία περιγράφονται πέντε κατηγορίες περιβάλλοντος που συναντώνται συνήθως ανάλογα με την πυκνότητα δόμησης και το ύψος κτιρίων [10]. Στον παρακάτω πίνακα δίνεται η περιγραφή των χαρακτηριστικών των πέντε κατηγοριών περιβάλλοντος : Κατηγορία περιβάλλοντος Αστικό περιβάλλον πολύ μεγάλου ύψους Περιγραφή Χαρακτηρίζεται από την ύπαρξη κτιρίων δεκάδων ορόφων όπου σε συνδυασμό με την παρουσία δρόμων στον ενδιάμεσο χώρο δημιουργούν συνθήκες φαραγγιού. Πυκνή δόμηση και πολύ ψηλά κτίρια συντελούν σε ισχυρά φαινόμενα σκέδασης σε συνθήκες nlos 5

15 Κατηγορία περιβάλλοντος Περιγραφή Κτίρια σε σειρά έχουν ως αποτέλεσμα την πιθανότητα μεγάλων καθυστερήσεων του σήματος. Οχήματα και σημαντικός αριθμός κατοίκων και επισκεπτών δρουν ως ανακλαστήρες συντελώντας στην εμφάνιση φαινομένου Doppler Δέντρα γύρω από τους δρόμους προκαλούν φαινόμενα δυναμικού shadowing Συνθήκες φαραγγιού λόγω ψηλών κτιρίων και δρόμων στον ενδιάμεσο χώρο Αστικό περιβάλλον μεγάλου ύψους Το σημαντικό ύψος των κτιρίων έχει ως αποτέλεσμα να υπάρχει χαμηλή πιθανότητα για την διάδοση σήματος πάνω από τις κορυφές των κτιρίων Οι σειρές ψηλών κτιρίων οδηγούν σε σημαντικές καθυστερήσεις σήματος. Παρατηρείται φαινόμενο Doppler λόγω των οχημάτων που δρουν ως ανακλαστήρες Χαρακτηρίζεται από δρόμους μεγάλου πλάτους Αστικό περιβάλλον χαμηλού ύψους/προάστια Τα κτίρια έχουν γενικά ύψος μικρότερο των τριών ορόφων με αποτέλεσμα να υπάρχει σημαντική πιθανότητα για περίθλαση πάνω από τις οροφές των κτιρίων Ανακλάσεις και φαινόμενα shadowing μπορεί να παρατηρηθούν συχνά Εμφανίζονται σημαντικές καθυστερήσεις και φαινόμενα Doppler μικρής κλίμακας Χαρακτηρίζεται από την ύπαρξη χαμηλών κατοικιών Περιοχές κατοικιών Οι δρόμοι είναι συνήθως δύο λωρίδων ενώ υπάρχουν παρκαρισμένα αυτοκίνητα και στις δύο πλευρές του δρόμου Είναι πιθανό να παρατηρηθεί έως και σημαντική βλάστηση Η κίνηση που εμφανίζεται στους δρόμους είναι χαμηλή Μικρά σπίτια και ύπαρξη μεγάλης έκτασης κήπων Ύπαιθρος Το ανάγλυφο της περιοχής πρέπει να λαμβάνεται υπόψη λόγω των μεταβολών του ύψους του εδάφους Υπάρχει αρκετό φύλλωμα δέντρων και σημαντική βλάστηση Μπορεί να παρατηρηθεί έως και σημαντική κίνηση στους δρόμους Πίνακας 1: Περιγραφή χαρακτηριστικών ανα κατηγορία περιβάλλοντος 6

16 Επίσης θεωρούνται δύο πιθανά σενάρια σε σχέση με την ταχύτητα των χρηστών και αναφέρονται τυπικές ταχύτητες για κάθε τύπο περιβάλλοντος: Κατηγορία περιβάλλοντος Αστικό περιβάλλον πολύ μεγάλου/μεγάλου ύψους Αστικό περιβάλλον χαμηλού ύψους/προάστια Ταχύτητα πεζών (m/s) Ταχύτητα κινούμενων χρηστών Τυπικές ταχύτητες σε κέντρα πόλεων περίπου 50 km/h (14 m/s) Περίπου 50 km/h (14 m/s) Κεντρικοί δρόμοι μέχρι και 100 km/h (28 m/s) Περιοχές κατοικιών 1.5 Περίπου 40 km/h (11 m/s) Ύπαιθρος km/h (22-28 m/s) Πίνακας 2: Τυπικές ταχύτητες χρηστών ανά κατηγορία περιβάλλοντος Από τις παραπάνω κατηγορίες μπορεί να γίνει σύνοψη σε τρεις βασικές κατηγορίες περιβάλλοντος. Οι τρεις αυτές κατηγορίες είναι οι κατηγορίες αστικού περιβάλλοντος, περιβάλλοντος προαστίων και τέλος περιβάλλοντος υπαίθρου. Τα χαρακτηριστικά των τριών κατηγοριών περιγράφονται παρακάτω: Αστικό περιβάλλον Σε αστικό περιβάλλον, μεγάλο ποσοστό της συνολικής έκτασης καταλαμβάνεται από κτίρια διαφορετικού ύψους. Μπορεί να υπάρχουν κτίρια αρκετών ορόφων σε αστικές περιοχές μεγάλου ύψους η ακόμα και δεκάδων ορόφων σε περιοχές πολύ μεγάλου ύψους. Υπάρχει μεγάλη πυκνότητα δόμησης λόγω της οποίας εμφανίζονται έντονα φαινόμενα σκέδασης κατά την διάδοση των σημάτων σε συνθήκες όπου δεν υπάρχει οπτική επαφή πομπού και δέκτη (nlos). Λόγω του μεγάλου ύψους των κτιρίων, η διάδοση πάνω από τις κορυφές των κτιρίων είναι μικρής κλίμακας. Επίσης, μεγάλες καθυστερήσεις σήματος πρέπει να αναμένονται λόγω της ύπαρξης κτιρίων τοποθετημένων το ένα δίπλα στο άλλο. Πρέπει να λαμβάνεται υπόψη η κίνηση των οχημάτων η οποία μπορεί να είναι από μέτρια έως και σημαντική. Τέλος, παρατηρούνται φαινόμενα Doppler λόγω των ανακλώμενων κυμάτων πάνω σε κινούμενα οχήματα. Γενικά, οι συνθήκες φαραγγιού που συναντώνται σε αστικά περιβάλλοντα μεγάλου και πολύ μεγάλου ύψους ορίζουν τέτοιες συνθήκες περιβάλλοντος όπου πρέπει να αναμένονται μεγάλες απώλειες κατά την διάδοση. 7

17 Περιβάλλον προαστίων Αυτή η κατηγορία περιοχών χαρακτηρίζεται από δρόμους μεγάλου πλάτους και από την ύπαρξη κτιρίων χαμηλού ύψους μέχρι και τριών ορόφων συνήθως. Ως αποτέλεσμα υπάρχει μεγάλη πιθανότητα εμφάνισης περίθλασης πάνω από τις οροφές των κτιρίων. Μπορεί να συμβούν ανακλάσεις και να εμφανιστούν φαινόμενα shadowing ενώ πρέπει να λαμβάνονται υπόψη και φαινόμενα Doppler. Οι περιοχές κατοικιών μπορούν να συμπεριληφθούν στην κατηγορία περιβάλλοντος προαστίων. Τα χαρακτηριστικά που περιγράφουν περιοχές κατοικιών είναι η ύπαρξη κατοικιών μέχρι και δύο ορόφων συνήθως ενώ οι δρόμοι έχουν δύο λωρίδες με αυτοκίνητα να βρίσκονται παρκαρισμένα και από τις δύο πλευρές. Επίσης, υπάρχει συνήθως μέτρια έως και σημαντική βλάστηση και φύλλωμα δέντρων ενώ η κίνηση των οχημάτων είναι χαμηλή. Σε ένα περιβάλλον προαστίων αναμένονται μέτριες απώλειες κατά την διάδοση των σημάτων. Περιβάλλον υπαίθρου Στις περιοχές υπαίθρου συναντώνται χαμηλά σπίτια που περιβάλλονται από κήπους μεγάλης έκτασης ενώ υπάρχουν σημαντικές μεταβολές στο ύψος του εδάφους που πρέπει να λαμβάνονται υπόψη. Μπορεί να υπάρχει ελαφριά έως και σημαντική βλάστηση. Επίσης αναμένεται να υπάρχει μέση έως και μεγάλη κίνηση οχημάτων στους δρόμους. Λόγω την απουσίας κτιρίων και εμποδίων, οι απώλειες είναι συνήθως χαμηλές ενώ υπάρχει μεγάλη πιθανότητα ύπαρξης οπτικής επαφής (LoS) μεταξύ του πομπού και του δέκτη. 1.8 Τύποι κυψελίδων Ανάλογα με την ακτίνα της κυψελίδας μπορεί να γίνει διαχωρισμός των κυψελίδων σε συγκεκριμένες κατηγορίες [9]. Οι βασικότερες από αυτές είναι οι εξής: Μακροκυψελίδες (Macrocells) Είναι καταλληλότερες για κάλυψη υπαίθριων ή προαστιακών περιοχών, όπου εμφανίζεται μέτρια απώλεια ισχύος λόγω δόμησης ενώ είναι συνήθως σημαντικές οι απώλειες λόγω βλάστησης. Η ακτίνα των μακροκυψελίδων μπορεί να φτάσει ακόμα και τα 35 χλμ. αν χρησιμοποιούνται κεραίες υψηλής απολαβής και μεγάλης ισχύος. Η ταχύτητα των χρηστών που εξυπηρετούνται από μια μακροκυψελίδα μπορεί να είναι πολύ υψηλή και να φτάσει ακόμα και τα 350 km/h [11]. 8

18 Μικροκυψελίδες (Microcells) Καλύπτουν όπως και οι μακροκυψελίδες εξωτερικούς χώρους και είναι κατάλληλες για αστικές περιοχές. Η ακτίνα μιας μικροκυψελίδας δεν είναι συνήθως μεγαλύτερη από 1χλμ. Χαρακτηρίζονται από μέτρια έως και υψηλή κίνηση δεδομένων ενώ η τυπική ταχύτητα των χρηστών αναμένεται να είναι μικρότερη των 100 km/h. Παρατηρούνται μεγάλες απώλειες ισχύος των ραδιοκυμάτων κατά την διάδοση λόγω πυκνής δόμησης. Πικοκυψελίδες (Picocells) Οι πικοκυψελίδες εμφανίζουν ακτίνες μικρότερες των 50μ. ενώ καλύπτουν συνήθως εσωτερικούς χώρους. Έχουν την δυνατότητα να παρέχουν υψηλή χωρητικότητα αλλά σε μικρό αριθμό χρηστών. Παρατηρείται σε αυτές μέτρια έως μεγάλη κίνηση δεδομένων ενώ οι ταχύτητες των χρηστών είναι συνήθως μικρότερες των 10 km/h. Στην σύσταση M.1035 της ITU [9] περιγράφεται η τυπική τιμή ακτίνας για κάθε τύπο κυψελίδας και η συνήθης θέση τοποθέτησης: Τύπος κυψελίδας Macrocell Microcell Picocell Ακτίνα μέχρι 35 km μέχρι 1 km μέχρι 50 m Τυπική θέση του σταθμού βάσης Εξωτερικός χώρος Τοποθέτηση σε μεγαλύτερο ύψος σε σχέση με το ύψος των κτιρίων Μπορεί να υπάρξουν κτίρια με ύψος μεγαλύτερο του ύψους που είναι τοποθετημένος ο σταθμός βάσης Εξωτερικός χώρος Τοποθέτηση σε μεγαλύτερο ύψος σε σχέση με το ύψος των κτιρίων Μπορεί να υπάρξουν κτίρια με ύψος μεγαλύτερο του ύψους που είναι τοποθετημένος ο σταθμός βάσης Εσωτερικός ή εξωτερικός χώρος Τοποθέτηση σε μικρότερο ύψος σε σχέση με το ύψος των κτιρίων Πίνακας 3: Ακτίνα και τυπική θέση του σταθμού βάσης ανά τύπο κυψελίδας 9

19 1.9 Ορισμοί μεγεθών Απολαβή Κεραίας Η απολαβή κεραίας G(, ) ισούται με τον λόγο της ακτινοβολούμενης ισχύος ανά μονάδα στερεάς γωνίας επί 4 προς την συνολική ισχύ εισόδου. Η απολαβή εκφράζεται συνήθως σε decibel σε σχέση με μια ισοτροπική κεραία ( dbi ). Η σχέση που ορίζει την απολαβή είναι η παρακάτω: 4 dpr G(, ) P d in (1.3) όπου, οι γωνίες σε ένα πολικό σύστημα συντεταγμένων, P r η ακτινοβολούμενη ισχύς προς την κατεύθυνση (, ), P in η συνολική ισχύς εισόδου και η στοιχειώδης στερεά γωνία κατά την κατεύθυνση παρατήρησης [22]. Κατευθυντικότητα Η κατευθυντικότητα ορίζεται ως ο λόγος της εκπεμπόμενης ισχύος ανά μονάδα στερεάς γωνίας προς την μέση εκπεμπόμενη ισχύ ανά μονάδα στερεάς γωνίας. Iσοτροπικά Ισοδύναμη Ακτινοβολούμενη Ισχύς (EIRP) Αντιστοιχεί στο γινόμενο της παρεχόμενης ισχύος και της μέγιστης απολαβής της κεραίας σε σχέση με μια ισοτροπική κεραία. EIRP P G t t (1.4) Λόγος Σήματος προς Θόρυβο (SNR) Η τιμή SNR ορίζεται ως ο λόγος της ισχύος σήματος P r που φθάνει στην είσοδο του δέκτη προς την ισχύ θορύβου ktb, όπου k η σταθερά του Boltzmann, T η θερμοκρασία και B το εύρος ζώνης θορύβου. Τελικά η σχέση που εκφράζει τον λόγο σήματος προς θόρυβο είναι η εξής: P r SNR ktb (1.5) 10

20 Μέγιστη Επιτρεπτή Απώλεια Διαδρομής (MAPL) Ορίζεται σε db και αντιστοιχεί στην απώλεια ισχύος σήματος μεταξύ πομπού και δέκτη. Η τιμή MAPL είναι συνήθως διαφορετική για τις περιπτώσεις του downlink ( DL) και του uplink ( UL ). Ο υπολογισμός της μέγιστης ακτίνας μιας κυψελίδας γίνεται με βάση συγκεκριμένης MAPL τιμής η οποία επιλέγεται λαμβάνοντας υπόψη παραμέτρους όπως η εκπεμπόμενη ισχύς, η απολαβή της κεραίας πομπού και δέκτη και συγκεκριμένο κατώφλι ισχύος στον δέκτη. Παράγοντας Θορύβου Ο παράγοντας θορύβου NF ορίζεται ως ο λόγος μεταξύ των τιμών SNR εισόδου και εξόδου μιας συσκευής. Η σχέση ορισμού του παράγοντα θορύβου σε db είναι η εξής: NF[ db] SNR [ db] SNR [ db] in out (1.6) Ευαισθησία Αντιστοιχεί στην ελάχιστη ισχύ που έχει την δυνατότητα να ανιχνεύει ο δέκτης έτσι ώστε να εξασφαλίζεται σήμα εξόδου με επαρκή λόγο σήματος προς θόρυβο. Εκφράζεται συνήθως σε dbm. Η ευαισθησία δέκτη μπορεί να υπολογιστεί από την παρακάτω σχέση: S ( SNR )( kt B)( NF) min min 0 (1.7) όπου SNR min ο ελάχιστος απαιτούμενος λόγος σήματος προς θόρυβο, kt0 B η ισχύς θορύβου για θερμοκρασία T και εύρος ζώνης B και NF ο παράγοντας θορύβου του δέκτη. 0 11

21 Κεφάλαιο 2 ο 2 Διάδοση στις Μιλλιμετρικές Ζώνες Συχνοτήτων 2.1 Ατμοσφαιρική εξασθένιση Κατά την διάδοση των ραδιοκυμάτων στην ατμόσφαιρα παρατηρείται μείωση της έντασης της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας λόγω απορρόφησης αλλά και σκέδασης. Το φαινόμενο αυτό ονομάζεται ατμοσφαιρική εξασθένιση η οποία όμως είναι εντονότερη για συγκεκριμένες περιοχές συχνοτήτων ενώ ασθενέστερη για κάποιες άλλες. Οι φασματικές περιοχές στις οποίες εμφανίζεται χαμηλή ατμοσφαιρική εξασθένιση ονομάζονται παράθυρα. Λόγω του φαινομένου της ατμοσφαιρικής εξασθένισης είναι προτιμότερο να επιλεχθούν συχνοτικές ζώνες για χρήση σε ασύρματα τηλεπικοινωνιακά συστήματα οι οποίες βρίσκονται μέσα στα παρατηρούμενα παράθυρα όπου η ατμοσφαιρική εξασθένιση είναι χαμηλή. Στο διάγραμμα 1 παρατηρούμε τις περιοχές συχνοτήτων στις οποίες καταγράφεται ισχυρή εξασθένιση. Εμφανείς είναι οι κορυφές στις συχνότητες των 22 και 60 GHz λόγω της απορρόφησης από τα μόρια του νερού (Η 2Ο) και του οξυγόνου (Ο 2) αντίστοιχα. 12

22 Specific Attenuation [db/km] Frequency [GHz] Διάγραμμα 1: Ατμοσφαιρική εξασθένιση ανά συχνότητα Οι περιοχές συχνοτήτων κάτω των 100 GHz στις οποίες δεν εμφανίζεται σχετικά μεγάλη εξασθένιση είναι κατάλληλες για χρήση σε ασύρματα τηλεπικοινωνιακά συστήματα. Οι συχνοτικές περιοχές των GHz αλλά και η περιοχή των 73 GHz μπορούν να επιλεγούν για να χρησιμοποιηθούν σε συστήματα κινητών επικοινωνιών 5 ης γενιάς στα οποία θα απαιτείται να υπάρχει μεγάλο διαθέσιμο εύρος ζώνης ενώ διεξάγονται ήδη μελέτες για την χρήση των συχνοτήτων αυτών [16]. Ενδιαφέρον υπάρχει ακόμη και για τις περιοχές συχνοτήτων όπου εμφανίζονται κορυφές μεγάλης εξασθένισης όπως για τις συχνότητες των 22 και 60 GHz. Οι συχνότητες αυτές θα μπορούσαν να αξιοποιηθούν για περιπτώσεις χρήσεων σε εσωτερικούς χώρους [16]. 13

23 2.2 Μοντέλα διάδοσης ραδιοκυμάτων Μοντέλο διάδοσης ελεύθερου χώρου To μοντέλο απωλειών διαδρομής ελεύθερου χώρου υπολογίζει τις απώλειες που συμβαίνουν κατά την διάδοση σε περιβάλλον όπου δεν υπάρχουν εμπόδια με τα οποία να αλληλεπιδράσει η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί όταν έχουμε διάδοση ραδιοκυμάτων στην ατμόσφαιρα και υπάρχει οπτική επαφή μεταξύ πομπού και δέκτη: FSPL(f, d) = ( 4πfd 2 ) c (2.1) Οι απώλειες μπορούν να υπολογιστούν και σε db αν η σχέση εκφραστεί ως: FSPL(f, d)[db] = 20log 10 (d) + 20log 10 (f) (2.2) όπου f η συχνότητα και d η απόσταση μεταξύ πομπού και δέκτη Free Space Path Loss [db] T-R separation [km] 100 GHz 10 GHz 1 GHz 100 MHz Διάγραμμα 2: Καμπύλες απωλειών διαδρομής ελεύθερου χώρου για τις συχνότητες των 0.1, 1, 10 και 100 GHz Αν ληφθούν υπόψη και τα χαρακτηριστικά των κεραιών του πομπού και του δέκτη, τότε η σχέση υπολογισμού απωλειών ελεύθερου χώρου αποκτά την μορφή της σχέσης του Friis με την οποία μπορεί να υπολογιστεί η λαμβανόμενη ισχύς σήματος στον δέκτη: P r = P t G t G r ( c 2 4πfd ) (2.3) 14

24 Η ισχύς μπορεί να υπολογιστεί και σε db αν η σχέση γραφτεί ως: P r [dbm] = P t [dbm] + G t [dbi] + G r [dbi] + 20log 10 ( c 4πfd ) (2.4) Close-in μοντέλο διάδοσης Το Close-in μοντέλο διάδοσης με αναφορά απωλειών ελεύθερου χώρου στο 1μ. από την κεραία του πομπού μπορεί να εκφραστεί ως: PL CI (f, d)[db] = FSPL(f, 1 m)[db] + 10nlog 10 (d) + Χ σ CI (2.5) Ο παράγοντας ελεύθερου χώρου περιγράφεται από την παρακάτω σχέση: FSPL(f, 1 m)[db] = 20log 10 ( 4πf c ) Μπορούν να θεωρηθούν τέσσερις κατηγορίες περιβάλλοντος με αντίστοιχες τιμές των παραμέτρων του εκθετικού απωλειών n (PLE) και του παράγοντα διαλείψεων σκίασης Χ σ CI οι οποίες έχουν προκύψει από διενεργηθείσες μελέτες υποστηριζόμενες από μεγάλες εταιρίες που δραστηριοποιούνται στον χώρο των τηλεπικοινωνιών όπως οι Nokia, Ericsson, Qualcomm, Samsung κ.α. [2]. Συνθήκες LoS (2.6) Στην περίπτωση όπου υπάρχει οπτική επαφή μεταξύ πομπού και δέκτη, οι τιμές εκθετικού που προτείνονται για τις διάφορες περιπτώσεις περιβάλλοντος είναι πολύ κοντά στην αναμενόμενη τιμή του n = 2.0 ενώ οι τιμές του παράγοντα διαλείψεων σκίασης κυμαίνονται μεταξύ των 1.7 και 4.2 db. Συγκεκριμένα, οι τιμές των παραμέτρων που προτείνονται για την περίπτωση LoS συνθηκών, καταγράφονται στον παρακάτω πίνακα: Περιβάλλον και τύπος κυψελίδας n Χ σ CI [db] Urban Macro Urban Micro Street Canyon Urban Micro Open Square Rural Macro Πίνακας 4: Προτεινόμενες τιμές εκθετικού απωλειών και του παράγοντα διαλείψεων σκίασης Close-in μοντέλου σε συνθήκες LoS 15

25 Για την περίπτωση ζεύξης όπου υπάρχει οπτική επαφή μεταξύ πομπού και δέκτη, θα μπορούσε να γίνει εκτίμηση των απωλειών με χρήση των προτεινόμενων τιμών του n = 2.0 και Χ σ CI = 4.1. Συνθήκες nlos Σε περιβάλλοντα πόλης αλλά ακόμα και για περιοχές προαστίων και υπαίθρου, η πιθανότητα να υπάρχει οπτική επαφή μεταξύ πομπού και δέκτη μειώνεται σημαντικά για αποστάσεις μεγαλύτερες των 50μ. [13]. Λόγω της μη ύπαρξης οπτικής επαφής, προτείνονται τιμές εκθετικού απωλειών και του παράγοντα διαλείψεων σκίασης για περιπτώσεις nlos συνθηκών. Στις αστικές περιοχές πολύ μεγάλου ύψους κτιρίων όπου δημιουργούνται συνθήκες φαραγγιού (UMiSC), οι προτεινόμενες τιμές του εκθετικού απωλειών και του παράγοντα διαλείψεων σκίασης είναι n = 3.19 and Χ σ CI = 8.2 αντίστοιχα. Στις περιοχές προαστίων όπου συναντώνται κτίρια χαμηλού ύψους και ενδιάμεση πυκνότητα δόμησης, η χρήση μακροκυψελίδων είναι η καταλληλότερη επιλογή. Οι τιμές που μπορούν να χρησιμοποιηθούν είναι n = 3.0 και Χ σ CI = 6.8. Εντός αστικών περιοχών σε σημεία όπου υπάρχει απουσία κτιρίων και εμποδίων μπορούν να θεωρηθούν συνθήκες ανοιχτής πλατείας (UMiOS). Τα εκπεμπόμενα σήματα μπορούν να μεταδοθούν σε μεγαλύτερες αποστάσεις σε τέτοιες συνθήκες. Αξίζει να σημειωθεί ότι η παρουσία κτιρίων γύρω από τον ανοιχτό χώρο συντελεί στο να παρατηρηθούν σημαντικά φαινόμενα πολλαπλών διαδρομών. Οι προτεινόμενες τιμές που μπορούν να χρησιμοποιηθούν στις περιπτώσεις αυτές είναι n = 2.89 and Χ σ CI = 7.1. Οι προτεινόμενες τιμές για περιοχές υπαίθρου είναι n = 2.75 and Χ σ CI = 6.7 λόγω της απουσίας πυκνής δόμησης εξαιτίας της οποίας προκύπτουν ισχυρά φαινόμενα σκέδασης και περίθλασης με αποτέλεσμα την εμφάνιση μεγάλης εξασθένισης των διαδιδόμενων σημάτων. Παρόλα αυτά, οι πιθανές μεταβολές στο ύψος του εδάφους και η παρουσία ελαφριάς έως και σημαντικής βλάστησης μπορούν να προκαλέσουν σημαντικές απώλειες ισχύος. Λόγω των συνθηκών αυτών προκύπτει τελικά η προτεινόμενη τιμή εκθετικού απωλειών n = 2.75 η οποία είναι σημαντικά υψηλότερη της τιμής n = 2 που αντιστοιχεί σε συνθήκες διάδοσης ελεύθερου χώρου. 16

26 Συνοπτικά, οι τιμές που προτείνονται και βασίζονται σε μελέτες που έχουν πραγματοποιηθεί [2][4] περιέχονται στον παρακάτω πίνακα: Περιβάλλον και τύπος κυψελίδας n Χ σ CI [db] Urban Macro Urban Micro Street Canyon Urban Micro Open Square Rural Macro Πίνακας 5: Προτεινόμενες τιμές εκθετικού απωλειών και του παράγοντα διαλείψεων σκίασης Close-in μοντέλου σε συνθήκες nlos Σύμφωνα με τις τιμές των παραμέτρων που προτείνονται, προκύπτουν τα διαγράμματα απωλειών σε σχέση με την απόσταση πομπού και δέκτη για τις συχνότητες των 28, 38 και 73 GHz: 180 Close-in Path Loss for 28 Ghz 160 Path Loss [db] UMiSC: n=3.19, =8.2 UMa: n=3.0, =6.8 UMiOS: n=2.89, =7.1 RuMa: 2.75, = T-R separation [meters] Διάγραμμα 3: Καμπύλες απωλειών διαδρομής ανά κατηγορία περιβάλλοντος σύμφωνα με το Close-in μοντέλο για την συχνότητα των 28 GHz 17

27 Close-in Path Loss for 38 Ghz Path Loss [db] UMiSC: n=3.19, =8.2 UMa: n=3.0, =6.8 UMiOS: n=2.89, =7.1 RuMa: 2.75, = T-R separation [meters] Διάγραμμα 4: Καμπύλες απωλειών διαδρομής σύμφωνα με το Close-in μοντέλο για την συχνότητα των 38 GHz 180 Close-in Path Loss for 73 Ghz 160 Path Loss [db] UMiSC: n=3.19, =8.2 UMa: n=3.0, =6.8 UMiOS: n=2.89, =7.1 RuMa: 2.75, = T-R separation [meters] Διάγραμμα 5: Καμπύλες απωλειών διαδρομής σύμφωνα με το Close-in μοντέλο για την συχνότητα των 73 GHz 18

28 2.2.3 ABG μοντέλο διάδοσης Οι απώλειες ισχύος μπορούν να υπολογιστούν σύμφωνα με το μοντέλο διάδοσης ABG από την παρακάτω σχέση: PL ABG (f, d)[db] = 10alog 10 (d) + β + 10γlog 10 (f) + Χ σ ABG (2.7) όπου α η παράμετρος του εκθετικού απωλειών καθώς αυξάνεται η απόσταση d μεταξύ πομπού και δέκτη, β η offset τιμή σε db, γ η παράμετρος απωλειών που αντιστοιχεί στην συχνότητα, f η συχνότητα σε GHz και Χ σ ABG ο παράγοντας διαλείψεων σκίασης σε db. Στην περίπτωση του ABG μοντέλου διάδοσης, οι τιμές των παραμέτρων α, β, γ και Χ σ ABG που προτείνονται αναφέρονται στον πίνακα 6: Περιβάλλον και τύπος κυψελίδας α β γ Χ σ ABG [db] Urban Micro Street Canyon Urban Micro Open Square Urban Macro Πίνακας 6: Προτεινόμενες τιμές παραμέτρων ABG μοντέλου σε συνθήκες nlos Παρακάτω παρατίθενται τα διαγράμματα που προκύπτουν σύμφωνα με τις τιμές των παραμέτρων για το ABG μοντέλο διάδοσης για τις διαφορετικές κατηγορίες περιβάλλοντος για τις συχνότητες των 28, 38 και 73 GHz : 180 ABG Path Loss for 28 Ghz 160 Path Loss [db] UMiSC: =3.48, =21.02, =2.34, =7.8 UMiOS: =4.14, =3.66, =2.43, =7.0 UMa: =3.4, =19.2, =2.3, = T-R separation [meters] Διάγραμμα 6: Καμπύλες απωλειών διαδρομής ανά κατηγορία περιβάλλοντος σύμφωνα με το ABG μοντέλο για την συχνότητα των 28 GHz 19

29 180 ABG Path Loss for 38 Ghz 160 Path Loss [db] UMiSC: =3.48, =21.02, =2.34, =7.8 UMiOS: =4.14, =3.66, =2.43, =7.0 UMa: =3.4, =19.2, =2.3, = T-R separation [meters] Διάγραμμα 7: Καμπύλες απωλειών διαδρομής σύμφωνα με το ABG μοντέλο για την συχνότητα των 38 GHz 180 ABG Path Loss for 73 Ghz 160 Path Loss [db] UMiSC: =3.48, =21.02, =2.34, =7.8 UMiOS: =4.14, =3.66, =2.43, =7.0 UMa: =3.4, =19.2, =2.3, = T-R separation [meters] Διάγραμμα 8: Καμπύλες απωλειών διαδρομής σύμφωνα με το ABG μοντέλο για την συχνότητα των 73 GHz 2.3 Εκτίμηση ακτίνας και έκτασης της κυψελίδας Κατά την διαδικασία σχεδιασμού ενός δικτύου κινητών επικοινωνιών πρέπει να γίνει εκτίμηση της ακτίνας της κυψελίδας έτσι ώστε να τοποθετηθεί επαρκής αριθμός σταθμών βάσης για την κάλυψη μιας επιλεγμένης περιοχής. Χρησιμοποιώντας τα μοντέλα διάδοσης 20

30 και για συγκεκριμένη τιμή μέγιστης επιτρεπτής απώλειας διαδρομής (MAPL) μπορούμε να υπολογίσουμε την μέγιστη ακτίνα της κυψελίδας ανά τύπο περιβάλλοντος Μέγιστη επιτρεπτή απώλεια διαδρομής (MAPL) H μέγιστης επιτρεπτή απώλεια διαδρομής μας επιτρέπει να υπολογίσουμε την ακτίνα της κυψελίδας σύμφωνα με το μοντέλο διάδοσης που χρησιμοποιείται, έτσι ώστε το σήμα που θα φτάνει στον δέκτη κινητής συσκευής σε αυτή την απόσταση να είναι μεγαλύτερο ενός συγκεκριμένου κατωφλίου για να εξασφαλίζεται κάλυψη σε όλη την περιοχή της κυψελίδας. Για την επιλογή της μέγιστης επιτρεπτής απώλειας διαδρομής πρέπει να γίνει αρχικά ο υπολογισμός ζεύξης (link budget) για συγκεκριμένη στάθμη ισχύος στον δέκτη. H τιμή του link budget εξαρτάται από την ισχύ εκπομπής, από τον εξοπλισμό που χρησιμοποιείται στον πομπό, από το κατώφλι ισχύος αλλά και από τα χαρακτηριστικά της συσκευής του δέκτη. Πρέπει να λαμβάνεται υπόψη και ένα περιθώριο διαλείψεων (fading margin) για να εξασφαλίζεται επαρκής λαμβανόμενη ισχύς στον δέκτη. Συνοπτικά αν θεωρήσουμε σταθμό βάσης έξι τομέων γωνίας 60 ο μπορούμε να εκτιμήσουμε την μέγιστη επιτρεπτή απώλεια διαδρομής με βάση τις τιμές των παρακάτω πινάκων οι οποίες αντιστοιχούν σε τυπικές τιμές για την περίπτωση του Downlink και του Uplink: Υπολογισμός Link Budget (Downlink) Ισχύς εκπομπής/τομέα Απολαβή κεραίας πομπού (60 ο HPBW) Fading Margin Απολαβή κεραίας δέκτη Κατώφλι ισχύος στον δέκτη MAPL 43 dbm Μέγιστη: 17 dbi Άκρα τομέα: 14 dbi Rural: 6 db Suburban/Open Square: 7 db Urban Street Canyon: 8 db 0 dbi -90 dbm Rural: 141 db Suburban/Open Square: 140 db Urban Street Canyon: 139 db Πίνακας 7: Υπολογισμός Link Budget και ΜΑPL για την περίπτωση του Downlink 21

31 Υπολογισμός Link Budget (Uplink) Ισχύς εκπομπής Απολαβή κεραίας πομπού Fading Margin Απολαβή κεραίας δέκτη (60 ο HPBW) Κατώφλι ισχύος στον δέκτη MAPL 30 dbm 0 dbi Rural: 6 db Suburban/Open Square: 7 db Urban Street Canyon: 8 db Μέγιστη: 17 dbi Άκρα τομέα: 14 dbi dbm Rural: db Suburban/Open Square: db Urban Street Canyon: db Πίνακας 8: Υπολογισμός Link Budget και ΜΑPL για την περίπτωση του Uplink Παρατηρούμε ότι oι τιμές του MAPL για το Uplink και Downlink διαφέρουν αλλά όχι σημαντικά. Για τον υπολογισμό της μέγιστης ακτίνας της κυψελίδας ανά κατηγορία περιβάλλοντος θα ληφθεί υπόψη η τιμή του MAPL για την περίπτωση του Downlink Εμβαδόν κυψελίδας Στην περίπτωση χρήσης εξαγωνικών κυψελίδων στην διαδικασία κάλυψης, το εμβαδόν τους μπορεί να υπολογιστεί από την σχέση: A R 2 (2.8) Σχήμα 1 22

32 2.3.3 Ακτίνα κυψελίδας βάση του Close-in μοντέλου διάδοσης Έχοντας υπολογίσει την μέγιστη επιτρεπτή απώλεια διαδρομής μπορούμε να εκτιμήσουμε την μέγιστη ακτίνα και την έκταση της κυψελίδας ανά τύπο περιβάλλοντος χρησιμοποιώντας το Close-in μοντέλο απωλειών. Γίνεται εκτίμηση για τις συχνότητες των 28, 38 και 73 GHz: 28 GHz Περιβάλλον και τύπος κυψελίδας Urban Microcellular Street Canyon MAPL [db] Ακτίνα Κυψελίδας [meters] Εμβαδόν Κυψελίδας [km 2 ] Σταθμοί Βάσης / km Urban Macrocellular Urban Microcellular Open Square Rural Macrocellular Πίνακας 9: Ακτίνα, εμβαδόν κυψελίδας και σταθμοί βάσης ανά τετρ. χλμ. σύμφωνα με το Close-in μοντέλο στα 28 GHz 38 GHz Περιβάλλον και τύπος κυψελίδας Urban Microcellular Street Canyon MAPL [db] Ακτίνα Κυψελίδας [meters] Εμβαδόν Κυψελίδας [km 2 ] Σταθμοί Βάσης / km Urban Macrocellular Urban Microcellular Open Square Rural Macrocellular Πίνακας 10: Ακτίνα, εμβαδόν κυψελίδας και σταθμοί βάσης ανά τετρ. χλμ. σύμφωνα με το Close-in μοντέλο στα 38 GHz 73 GHz Περιβάλλον και τύπος κυψελίδας Urban Microcellular Street Canyon MAPL [db] Ακτίνα Κυψελίδας [meters] Εμβαδόν Κυψελίδας [km 2 ] Σταθμοί Βάσης/ km Urban Macrocellular Urban Microcellular Open Square Rural Macrocellular Πίνακας 11: Ακτίνα, εμβαδόν κυψελίδας και σταθμοί βάσης ανά τετρ. χλμ. σύμφωνα με το Close-in μοντέλο στα 73 GHz 23

33 2.3.4 Ακτίνα κυψελίδας βάση του ABG μοντέλου διάδοσης Η μέγιστη ακτίνα της κυψελίδας και η έκτασή της υπολογίζεται επίσης και σύμφωνα με το ABG μοντέλο διάδοσης. Στην περίπτωση του ABG μοντέλου δεν υπάρχουν προτεινόμενες τιμές για τις περιοχές υπαίθρου οπότε υπολογίζονται μέγιστες ακτίνες κυψελίδας κατάλληλες για τις αστικές περιοχές και περιοχές προαστίων όπου χρησιμοποιούνται micro ή macrocells: 28 GHz Περιβάλλον και τύπος κυψελίδας Urban Microcellular Street Canyon MAPL [db] Ακτίνα Κυψελίδας [meters] Εμβαδόν Κυψελίδας [km 2 ] Σταθμοί Βάσης / km Urban Macrocellular Urban Microcellular Open Square Πίνακας 12: Ακτίνα, εμβαδόν κυψελίδας και σταθμοί βάσης ανά τετρ. χλμ. σύμφωνα με το ABG μοντέλο στα 28 GHz 38 GHz Περιβάλλον και τύπος κυψελίδας Urban Microcellular Street Canyon MAPL [db] Ακτίνα Κυψελίδας [meters] Εμβαδόν Κυψελίδας [km 2 ] Σταθμοί Βάσης / km Urban Macrocellular Urban Microcellular Open Square Πίνακας 13: Ακτίνα, εμβαδόν κυψελίδας και σταθμοί βάσης ανά τετρ. χλμ. σύμφωνα με το ABG μοντέλο στα 38 GHz 73 GHz Περιβάλλον και τύπος κυψελίδας Urban Microcellular Street Canyon MAPL [db] Ακτίνα Κυψελίδας [meters] Εμβαδόν Κυψελίδας [km 2 ] Σταθμοί Βάσης / km Urban Macrocellular Urban Microcellular Open Square Πίνακας 14: Ακτίνα, εμβαδόν κυψελίδας και σταθμοί βάσης ανά τετρ. χλμ. σύμφωνα με το ABG μοντέλο στα 73 GHz Οι υπολογιζόμενες τιμές ακτίνας που προκύπτουν βάση του ABG μοντέλου είναι πολύ κοντά στις τιμές που υπολογίστηκαν προηγουμένως σύμφωνα με το Close-in μοντέλο, διαφέρουν όμως οι περιπτώσεις μικροκυψελίδας σε open square περιβάλλοντα όπου βάση του ABG μοντέλου υπολογίζονται αρκετά μικρότερες. Το αποτέλεσμα αυτό προκύπτει 24

34 λόγω της υψηλότερης τιμής του εκθετικού απωλειών α=4.14 σε σχέση με την προτεινόμενη τιμή του n=2.89 στην περίπτωση του Close-in μοντέλου. 2.4 Εκτίμηση μέγιστης απόστασης για ζεύξη υπηρεσιών κορμού Οι μιλλιμετρικές συχνότητες μπορούν να βρουν εφαρμογή και σε ζεύξεις υπηρεσιών κορμού (backhaul links) λόγω των δυνατοτήτων μεγάλου διαθέσιμου εύρους ζώνης που διαθέτουν. Επίσης, εξαιτίας του μικρού μήκους κύματος, οι κατάλληλες κεραίες για μιλλιμετρικές συχνότητες μπορούν να εμφανίζουν υψηλές τιμές απολαβής. Λαμβάνοντας στοιχεία από μελέτες που διεξάγονται [19], γίνεται εκτίμηση της μέγιστης απόστασης που θα μπορούσε να επιτευχθεί με χρήση μιλλιμετρικών συχνοτήτων. Στην περίπτωση όπου υπάρχουν LoS συνθήκες, υπολογίζεται το link budget και εκτιμάται η αντίστοιχη τιμή μέγιστης επιτρεπτής απώλειας διαδρομής. Υπολογισμός Link Budget (Backhaul - LoS) Ισχύς εκπομπής 19 dbm Απολαβή κεραίας πομπού 38 dbi Fading Margin 10 db Απολαβή κεραίας δέκτη Κατώφλι ισχύος στον δέκτη 38 dbi -48 dbm MAPL 133 db Πίνακας 15: Υπολογισμός Link Budget και ΜΑPL για την περίπτωση backhaul ζεύξης σε συνθήκες LoS Για τιμή MAPL ίση με 133 db και σύμφωνα με το Close-in μοντέλο απωλειών για LoS συνθήκες, μπορεί να εκτιμηθεί μια μέγιστη απόσταση ζεύξης της τάξης των 2.38 km. 25

35 Για την περίπτωση nlos συνθηκών, μπορεί να απαιτηθεί μεγαλύτερη ισχύς εκπομπής για να επιτευχθούν ικανοποιητικές αποστάσεις ζεύξης. Για τιμή εκπεμπόμενης ισχύος 43 dbm και με χρήση κεραιών απολαβής 38 dbi υπολογίζεται η τιμή MAPL για ζεύξη σε αστικό περιβάλλον: Υπολογισμός Link Budget (Backhaul - nlos) Ισχύς εκπομπής 43 dbm Απολαβή κεραίας πομπού 38 dbi Fading Margin 10 db Απολαβή κεραίας δέκτη Κατώφλι ισχύος στον δέκτη 38 dbi -48 dbm MAPL 157 db Πίνακας 16: Υπολογισμός Link Budget και ΜΑPL για την περίπτωση backhaul ζεύξης σε συνθήκες nlos Προκύπτει σύμφωνα με το Close-in μοντέλο και για την περίπτωση αστικού περιβάλλοντος ότι θα μπορούσαν να επιτευχθούν ζεύξεις σε απόσταση 550μ. Η επίτευξη των ζεύξεων θα μπορούσε να γίνει με επιλογή τον τοποθεσιών εγκατάστασης των κεραιών έτσι ώστε να υπάρχει μία ανάκλαση του εκπεμπόμενου σήματος για να ελαχιστοποιούνται οι απώλειες κατά την διάδοση [19]. Συνοπτικά στον παρακάτω πίνακα αναφέρονται οι μέγιστες εκτιμώμενες αποστάσεις ζεύξεων για LoS και nlos συνθήκες: LoS nlos Μέγιστη Απόσταση Ζεύξης 2.38km 550m Πίνακας 17: Μέγιστη εκτιμώμενη απόσταση backhaul ζεύξης σε συνθήκες LoS και nlos 26

36 Κεφάλαιο 3 ο 3 Εκτίμηση του Απαιτούμενου Αριθμού Σταθμών Βάσης για την Κάλυψη της Περιοχής του Χονγκ Κονγκ Στο κεφάλαιο 3 γίνεται εκτίμηση του απαιτούμενου αριθμού σταθμών βάσης για την περιοχή του Χονγκ Κονγκ με βάση τις ακτίνες κυψελίδων που υπολογίστηκαν σύμφωνα με το Close-in μοντέλο διάδοσης. Οι περιοχές του Χονγκ Κονγκ ανάλογα με την μορφολογία τους και την πυκνότητα δόμησής τους μπορεί να κατηγοριοποιηθούν στις κατηγορίες αστικού περιβάλλοντος όπου συναντώνται ψηλά κτήρια, στα προάστια όπου υπάρχουν κατοικίες και χαμηλά κτίρια και στην κατηγορία υπαίθριου περιβάλλοντος με μικρή ή μέτρια πυκνότητα βλάστησης αλλά και μεμονωμένα κτίρια. Λαμβάνοντας υπόψη τις κατηγορίες περιοχών, παρουσιάζεται ο χάρτης κάλυψης της περιοχής του Χονγκ Κονγκ. Περιγράφονται επίσης τα βασικά σημεία του κώδικα που αναπτύχθηκε για την δημιουργία του χάρτη κάλυψης. 3.1 Χάρτης κάλυψης Δημιουργώντας ένα ιδανικό πλέγμα κυψελίδων, κατανέμονται στον χάρτη του Χονγκ Κονγκ ο απαιτούμενος αριθμός κυψελίδων με ακτίνα που προκύπτει από το Close-in μοντέλο διάδοσης αντίστοιχα με την κατηγορία περιβάλλοντος. Παράγονται τελικά οι παρακάτω χάρτες κάλυψης για τις μιλλιμετρικές συχνότητες των 28, 38 και 73 GHz: 27

37 Υπόμνημα UrbanMicroOpenSquare UrbanMicroStreetCanyon UrbanMacro RuralMacro Συνολική έκταση Κάλυψη του Χονγκ Κονγκ στα 28 GHz χλμ.

38 Κάλυψη του Χονγκ Κονγκ στα 38 GHz Υπόμνημα UrbanMicroOpenSquare UrbanMicroStreetCanyon UrbanMacro RuralMacro Συνολική έκταση χλμ.

39 Κάλυψη του Χονγκ Κονγκ στα 73 GHz Υπόμνημα UrbanMicroOpenSquare UrbanMicroStreetCanyon UrbanMacro RuralMacro Συνολική έκταση χλμ.

40 Η συνολική κάλυψη που επιτυγχάνεται και στις τρεις περιπτώσεις εκτίμησης είναι μεγαλύτερη του 98,5%. Η περιγραφή της θέσης των κυψελίδων στον χάρτη γίνεται με χρήση γεωγραφικών συντεταγμένων στο Παγκόσμιο Γεωδαιτικό Σύστημα συντεταγμένων (WGS84) ενώ χρησιμοποιείται το προβολικό σύστημα EPSG: 3857 (WGS84 Web Mercator) για την εμφάνιση του χάρτη. 3.2 Εκτίμηση απαιτούμενων σταθμών βάσης με χρήση μιλλιμετρικών συχνοτήτων Από την κατανομή αυτή εκτιμάται ο αριθμός για κάθε κατηγορία περιβάλλοντος και ο συνολικός απαιτούμενος αριθμός σταθμών βάσης για τις περιπτώσεις χρήσης συχνοτήτων 28, 38 και 73 GHz: Εκτίμηση απαιτούμενων σταθμών βάσης για τις συχνότητες των 28, 38 και 73 GHz Περιοχές υπαίθρου Περιοχές προαστίων Αστικές Περιοχές Σύνολο 5036 Πίνακας 18: Εκτίμηση απαιτούμενων σταθμών βάσης για την συχνότητα των 28 GHz Περιοχές υπαίθρου Περιοχές προαστίων Αστικές Περιοχές Σύνολο 7393 Πίνακας 19: Εκτίμηση απαιτούμενων σταθμών βάσης για την συχνότητα των 38 GHz Περιοχές υπαίθρου Περιοχές προαστίων Αστικές Περιοχές Σύνολο Πίνακας 20: Εκτίμηση απαιτούμενων σταθμών βάσης για την συχνότητα των 73 GHz Στο κεφάλαιο 4, σύμφωνα με το συνολικό εκτιμώμενο αριθμό σταθμών βάσης για τις τρεις συχνότητες αλλά και τον αριθμό σταθμών ανά κατηγορία περιοχής γίνεται σύγκριση με τον αριθμό σταθμών βάσης δικτύου τέταρτης γενιάς που λειτουργεί στην περιοχή του Χονγκ Κονγκ. 31

41 3.3 Kώδικας Java με χρήση των βιβλιοθηκών Geotools Για την δημιουργία και τοποθέτηση των εξαγωνικών κυψελίδων πάνω στον χάρτη του Χονγκ Κονγκ αναπτύχθηκε ο κατάλληλος κώδικας Java και χρησιμοποιήθηκε η βιβλιοθήκη των Geotools στο περιβάλλον του Eclipse Studio, με την οποία απλουστεύεται η χρήση γεωγραφικών συντεταγμένων. Για την λειτουργία του πακέτου των Geotools της έκδοσης 14.4 απαιτείται η εισαγωγή στο περιβάλλον του Eclipse των αρχείων: gt-epsg-hsgl-14.4.jar gt-shapefile-14.4.jar gt-swing-14.4.jar jts-1.13.jar Σημαντικό σημείο στο κώδικα που αναπτύχθηκε είναι η χρήση ενός βασικού εξαγώνου για την δημιουργία του οποίου απαιτείται η μετατροπή από μέτρα σε διαφορά μοιρών. Η διαφορά γεωγραφικού πλάτους σε μοίρες εξαρτάται από το γεωγραφικό πλάτος της περιοχής που μελετάται. Παρακάτω αναφέρονται οι μετατροπές που χρησιμοποιήθηκαν: Μετατροπή αποστάσεων από μέτρα σε διαφορά γεωγραφικού μήκους και πλάτους: διαφορά γεωγραφικού μήκους ΔΜ 100 για απόσταση 100m: ΔΜ 100= ; διαφορά γεωγραφικού πλάτους ΔΠ 100 για απόσταση 100m: ΔΠ 100= ; διαφορά γεωγραφικού μήκους ΔΜ 50 για απόσταση 50m: ΔΜ 50= ; διαφορά γεωγραφικού πλάτους ΔΠ 86 για απόσταση 86.6m: ΔΠ 86= ; Οι αποστάσεις που συνθέτουν το εξάγωνο της κυψελίδας για ακτίνα 100m χρησιμοποιούνται για την δημιουργία του εξαγώνου όταν δοθούν οι γεωγραφικές συντεταγμένες x, y του κέντρου της κυψελίδας: Διαδικασία δημιουργίας εξαγωνικής κυψελίδας: Καθορισμός γεωγραφικών συντεταγμένων x,y του κέντρου της κυψελίδας Δημιουργία σημείου A στην θέση (x+δμ 50, y+δπ 86) Δημιουργία σημείου B στην θέση (x+δμ 100, y) Δημιουργία σημείου C στην θέση (x+δμ 50, y-δπ 86) Δημιουργία σημείου D στην θέση (x-δμ 50, y-δπ 86) Δημιουργία σημείου E στην θέση (x-δμ 100, y) Δημιουργία σημείου F στην θέση (x-δμ 50, y+δπ 86) Δημιουργία εξαγωνικής κυψελίδας με κορυφές A,B,C,D,E,F Πολλαπλασιάζοντας με μια κατάλληλη σταθερά που προκύπτει σύμφωνα με την ακτίνα που υπολογίζεται από το μοντέλο διάδοσης, μπορεί να δημιουργηθεί η αντίστοιχη κυψελίδα. 32

42 Μετά τον υπολογισμό της ακτίνας της κυψελίδας σύμφωνα με το μοντέλο διάδοσης, παράγεται ένα ιδανικό πλέγμα κυψελίδων από τις οποίες εμφανίζονται στον χάρτη, όσες το κέντρο τους βρίσκεται εντός της επιλεγμένης προς κάλυψη περιοχής. Το πλέγμα παράγεται συνδυάζοντας δύο συμπληρωματικά σύνολα στηλών από κυψελίδες. Επιλέγεται επίσης ένα σημείο εκκίνησης για την δημιουργία του πλέγματος με τις κατάλληλες συντεταγμένες. Ο παρακάτω ψευδοκώδικας περιγράφει την διαδικασία που ακολουθείται: Ψευδοκώδικας που περιγράφει την διαδικασία τοποθέτησης των κυψελίδων στον χάρτη: Καθορισμός γεωγραφικών συντεταγμένων του σημείου εκκίνησης Ε για την δημιουργία του ιδανικού πλέγματος κυψελίδων αποτελούμενο από δύο σύνολα συμπληρωματικών στηλών Επιλογή ορίου επανάληψης L της διαδικασίας Επιλογή της γεωμετρίας Γ της περιοχής προς κάλυψη Υπολογισμός ακτίνας Α της κυψελίδας βάση του μοντέλου διάδοσης για n=1,, L επανέλαβε για m=1,, L επανέλαβε Με αφετηρία το σημείο εκκίνησης Ε και σύμφωνα με την ακτίνα Α, δημιουργία σημείου Κn,m με γεωγραφικές συντεταγμένες (γεωγραφικό μήκοςn, γεωγραφικό πλάτοςm) που αντιστοιχεί στην θέση του σταθμού βάσης στο κέντρο της κυψελίδας αν η γεωμετρία Γ περιέχει το σημείο Κn,m τότε Εμφάνιση εξαγωνικής κυψελίδας με κέντρο το σημείο Κn,m για την δημιουργία του χάρτη κάλυψης τέλος αν τέλος επανάληψης τέλος επανάληψης 33

43 Κεφάλαιο 4 ο 4 Σύγκριση μεταξύ Μιλλιμετρικής και UHF Ζώνης Συχνοτήτων Στο κεφάλαιο αυτό παρουσιάζεται τo μοντέλο διάδοσης COST 231 Walfisch-Ikegami το οποίο είναι κατάλληλο για εφαρμογή στην UHF ζώνη συχνοτήτων ενώ από τις τιμές ακτίνας που προκύπτουν σύμφωνα με το μοντέλο αυτό, γίνεται θεωρητική σύγκριση με τις τιμές ακτίνας κυψελίδας που υπολογίστηκαν σύμφωνα με τα Close-in και ABG μοντέλα διάδοσης. Επίσης παρουσιάζεται χάρτης με τους υπάρχοντες σταθμούς βάσης παρόχου κινητών επικοινωνιών τεχνολογίας LTE που λειτουργεί στην περιοχή του Χονγκ Κονγκ και γίνεται σύγκριση του εκτιμώμενου αριθμού σταθμών βάσης στην περίπτωση χρήσης μιλλιμετρικών συχνοτήτων όπως προκύπτει σύμφωνα με τα αντίστοιχα μοντέλα, σε σχέση με τον αριθμό σταθμών βάσης του δικτύου που βρίσκεται σε λειτουργία έτσι ώστε να εκτιμηθεί η δυνατότητα χρήσης των μιλλιμετρικών συχνοτήτων σε δίκτυα επόμενης γενιάς. 34

44 4.1 Μοντέλο διάδοσης COST 231 Walfisch-Ikegami Το μοντέλο διάδοσης COST 231 Walfisch-Ikegami είναι κατάλληλο για την εκτίμηση των απωλειών κατά την διάδοση όταν χρησιμοποιούνται συχνότητες στη UHF ζώνη συχνοτήτων. Λαμβάνονται υπόψη στο μοντέλο αυτό ορισμένες παράμετροι όπως το μέσο ύψος κτιρίων, το εύρος των δρόμων, η απόσταση μεταξύ των κτιρίων και ο προσανατολισμός των δρόμων σε σχέση με την διαδρομή διάδοσης του σήματος [15]. Αναφέρονται παρακάτω οι σχέσεις βάση των οποίων υπολογίζονται οι απώλειες διάδοσης σύμφωνα με το μοντέλο COST 231 Walfisch-Ikegami: L [ db] L [ db] L [ db] L [ db] b o rts msd L [ db] log( d) 20log( f ) o L log( w) 10log( f ) 20log( h ) L rts mobile ori hmobile hroof hmobile L ori o for 0< 35 o o ( 35) for 35 < 55 o o ( 55) for 55 < 90 L [ db] L k k log( d) k log( f ) 9log( b) msd bsh a d f L bsh 18log(1 hbase ) 0 h >h h BS BS <=h roof roof k f f για αστικές περιοχές 925 k f f για περιοχές προαστίων 925 hbs hbs hroof k d 18 for h hbs for h hroof BS BS h h roof roof 35

45 54 for hbs hroof ka hbs for h BS hroof, d 0.5 km d hbs for h BS hroof, d 0.5 km 0.5 Το μοντέλο COST 231 Walfisch-Ikegami μπορεί να χρησιμοποιηθεί όταν ισχύουν οι παρακάτω συνθήκες : 800 MHz f 2000 MHz 4m h 50 m BS 1m h 3 m mobile 20 m d 5 km 4.2 Θεωρητικός υπολογισμός ακτίνας κυψελίδας στην UHF ζώνη συχνοτήτων Από το μοντέλο COST 231 Walfisch-Ikegami μπορούν να υπολογιστούν θεωρητικά η ακτίνα και η περιοχή κυψελίδας για τρεις περιπτώσεις περιβάλλοντος που αντιστοιχούν σε συνθήκες αστικών περιοχών, περιοχών προαστίων και υπαίθρου: 1.8 GHz Περιβάλλον και τύπος κυψελίδας MAPL [db] Ακτίνα κυψελίδας [meters] Εμβαδόν κυψελίδας [km 2 ] Σταθμοί βάσης / 10 km 2 Urban Suburban Rural Πίνακας 21: Ακτίνα, εμβαδόν κυψελίδας και σταθμοί βάσης ανά 10 τετρ. χλμ. σύμφωνα με το COST 231 Walfisch- Ikegami μοντέλο αντίστοιχα με την κατηγορία περιβάλλοντος και τον τύπο κυψελίδας για τα 1.8 GHz Για τις αστικές περιοχές με χρήση μικροκυψελίδων, από τα μοντέλα Close-in και ABG υπολογίστηκαν ακτίνες κυψελίδας απόστασης 150 και 156μ. αντίστοιχα για την συχνότητα των 28 GHz. Παρατηρείται ότι για τις αστικές περιοχές, οι θεωρητικές τιμές ακτίνας για την συχνότητα των 1.8 GHz σύμφωνα με το μοντέλο COST 231 Walfisch-Ikegami δεν απέχουν σημαντικά από αυτές που υπολογίζονται για την συχνότητα των 28 GHz. Για τις υψηλότερες συχνότητες των 38 και 73 GHz προκύπτουν αρκετά μικρότερες ακτίνες κυψελίδας σε σχέση με αυτές για την UHF ζώνη συχνοτήτων. 36

46 4.3 Σταθμοί βάσης δικτύου τεχνολογίας LTE στην περιοχή του Χονγκ Κονγκ Λαμβάνοντας δεδομένα από την βάση δεδομένων ελεύθερης πρόσβασης OpenCellID, επιλέγονται οι σταθμοί βάσης δικτύου 4 ης γενιάς (LTE) που βρίσκονται στην περιοχή του Χονγκ Κονγκ και αντιστοιχούν σε έναν πάροχο μέσω του αναγνωριστικού κυψελίδας ECI. To ECI περιέχει το αναγνωριστικό του enb και τον κωδικό του LCID. Για την διαδικασία πρέπει να αναζητηθούν ο κωδικός της περιοχής του Χονγκ Κονγκ (MCC: 454) και ο κωδικός δικτύου (MNC). Η εύρεση του αναγνωριστικού του enb και του LCID γίνεται με μετατροπή του αναγνωριστικού ECI σε δυαδική μορφή. Τα τελευταία 8 bits του δυαδικού αριθμού αντιστοιχούν στον κωδικό του LCID ενώ τα υπόλοιπα στο enb-id. Η αναγνώριση των σταθμών βάσης μπορεί να γίνει βρίσκοντας τους μοναδικούς αριθμούς των enbs. Τα στοιχεία προέκυψαν με επιλογή του δικτύου με κωδικό MNC: 03. Παρακάτω παρουσιάζεται ο χάρτης με τις τοποθεσίες των σταθμών βάσης του συγκεκριμένου δικτύου ενώ σύμφωνα με την θέση του σταθμού βάσης μπορεί να βρεθεί o αριθμός σταθμών βάσης ανά κατηγορία περιοχής. Περιοχές υπαίθρου Περιοχές προαστίων Αστικές Περιοχές Σύνολο 2114 Πίνακας 22: Σταθμοί βάσης δικτύου 4 ης γενιάς ανά περιοχή Στον πίνακα 23 καταγράφεται ο αριθμός σταθμών βάσης ανά 10 km 2 για κάθε κατηγορία περιβάλλοντος: Σταθμοί βάσης /10 km 2 Περιοχές υπαίθρου Περιοχές προαστίων Αστικές Περιοχές Πίνακας 23: Πυκνότητα σταθμών βάσης δικτύου 4 ης γενιάς ανά περιοχή Για την περίπτωση της κατανομής του συγκεκριμένου παρόχου στην περιοχή του Χονγκ Κονγκ για δίκτυο τεχνολογίας LTE μπορεί να παρατηρηθεί ότι υπάρχει υπερκάλυψη του θεωρητικά απαιτούμενου αριθμού σταθμών βάσης ανά περιοχή σύμφωνα με το μοντέλο COST 231 Walfisch Ikegami. Από την πυκνότητα των σταθμών βάσης παρατηρούμε ότι δίνεται σημαντικά μεγαλύτερη προτεραιότητα στην τοποθέτηση επαρκή αριθμού σταθμών βάσης στις αστικές περιοχές, μέση προτεραιότητα στις περιοχές προαστίων και χαμηλότερη στις περιοχές υπαίθρου επιβεβαιώνοντας την θεωρητική εκτίμηση σύμφωνα με το μοντέλο COST 231 Walfisch Ikegami. 37

47 Υπόμνημα UrbanMicroStreetCanyon UrbanMicroOpenSquare UrbanMacro RuralMacro Σταθμοί Βάσης UMiSC Σταθμοί Βάσης UMiOS Σταθμοί Βάσης UMa Σταθμοί Βάσης RuMa Σταθμοί βάσης δικτύου 4G στην περιοχή του Χονγκ Κονγκ χλμ.

48 Λόγω της μικρότερης πυκνότητας σταθμών βάσης στις περιοχές υπαίθρου και προαστίων είναι πιθανό να υπάρχουν σημεία στις περιοχές αυτές όπου δεν υπάρχει επαρκής κάλυψη. Η κάλυψη σήματος επαρκούς ισχύος θα μπορούσε να εξασφαλίζεται με την επιπλέον τοποθέτηση σταθμών βάσης δικτύου προγενέστερης τεχνολογίας στις περιοχές αυτές. 4.4 Σύγκριση απαιτούμενων σταθμών βάσης μιλλιμετρικής και UHF ζώνης συχνοτήτων Σύμφωνα με τον εκτιμώμενο αριθμό σταθμών βάσης που παρουσιάστηκαν στο τρίτο κεφάλαιο, γίνεται σύγκριση σε σχέση με τον αριθμό σταθμών βάσης του δικτύου τέταρτης γενιάς που παρουσιάστηκε παραπάνω. Όπως και στην περίπτωση του δικτύου τέταρτης γενιάς που εξετάστηκε, είναι πολύ πιθανό σε ένα αρχικό στάδιο υλοποίησης ενός δικτύου κινητών επικοινωνιών 5ης γενιάς να επιλεγούν αρχικά οι αστικές περιοχές ως οι περιοχές όπου μπορεί να γίνει η απαραίτητη επένδυση για την εγκατάσταση της υποδομής για την λειτουργία δικτύου με εφαρμογή μιλλιμετρικών συχνοτήτων. Για τον λόγο αυτό, εκτός από την εκτίμηση για την συνολική έκταση του Χονγκ Κονγκ, γίνεται εκτίμηση του ποσοστού των επιπλέων σταθμών βάσης για τις αστικές περιοχές σε σχέση με τον αριθμό των σταθμών βάσης του δικτύου τέταρτης γενιάς με το οποίο γίνεται η σύγκριση. Συχνότητα Αστικές περιοχές Συνολική έκταση 28 GHz 38 GHz 73 GHz 7% περισσότεροι σταθμοί βάσης 56.3% περισσότεροι σταθμοί βάσης 3.53 φορές περισσότεροι σταθμοί βάσης 2.83 φορές περισσότεροι σταθμοί βάσης 3.5 φορές περισσότεροι σταθμοί βάσης 8.22 φορές περισσότεροι σταθμοί βάσης Πίνακας 24: Σύγκριση απαιτούμενων σταθμών βάσης δικτύου με εφαρμογή μιλλιμετρικών συχνοτήτων σε σχέση με τον αριθμό σταθμών βάσης δικτύου 4 ης γενιάς Από την σύγκριση προκύπτει το πολύ ενθαρρυντικό στοιχείο ότι για την περιοχή του Χονγκ Κονγκ θα απαιτούνταν μόνο 7% επιπλέον σταθμοί βάσης για την κάλυψη των αστικών περιοχών από ένα δίκτυο που θα χρησιμοποιούσε μιλλιμετρικές συχνότητες στα 28 GHz. 39

49 Η σύγκριση γίνεται θεωρώντας ένα ιδανικό πλέγμα κυψελίδων οπότε στην πράξη θα απαιτούνταν ποσοστό μεγαλύτερο του 7% που υπολογίζεται όμως δεν λαμβάνονται υπόψη δυνατότητες όπως η beamforming τεχνική σύμφωνα με την οποία αναμένεται να λειτουργήσουν κεραίες οι οποίες θα μπορούν να εμφανίζουν πολύ στενούς λοβούς σε συνδυασμό με ένα σχετικά μεγάλο εύρος γωνίας λειτουργίας. Στην περίπτωση αυτή, θα μπορούσε να αξιοποιηθεί η επιπλέον απολαβή για την επέκταση της ακτίνας της κυψελίδας έτσι ώστε να λειτουργήσει ένα δίκτυο με χρήση μιλλιμετρικών συχνοτήτων απλώς με αναβάθμιση των υπαρχόντων τοποθεσιών όπου λειτουργούν ήδη σταθμοί βάσης. Μια τέτοια εξέλιξη θα συγκρατούσε το κόστος επένδυσης που θα απαιτούνταν από έναν πάροχο κινητών επικοινωνιών σε χαμηλά επίπεδα λόγω του ότι η αναβάθμιση μιας υπάρχουσας τοποθεσίας απαιτεί πολύ χαμηλότερο κόστος σε σχέση με την εύρεση και λειτουργία μιας νέας. 4.5 Απώλειες λόγω διείσδυσης σε κτίρια Οι απώλειες που παρατηρούνται στην περιοχή των UHF συχνοτήτων κυμαίνονται μεταξύ των 5 20 db, όταν κύμα διέρχεται από την εξωτερική επιφάνεια ενός κτιρίου. Οι σχετικά χαμηλές τιμές απωλειών επιτρέπουν την δυνατότητα επαρκούς κάλυψης ακόμα και των εσωτερικών χώρων όταν χρησιμοποιούνται συχνότητες της UHF περιοχής. Αντίθετα, οι παρατηρούμενες απώλειες για την ζώνη των μιλλιμετρικών συχνοτήτων είναι σημαντικά υψηλότερες και κυμαίνονται μεταξύ των db [14]. Οι υψηλές τιμές απωλειών καθιστούν δύσκολη την επίτευξη επαρκούς κάλυψης σε εσωτερικούς χώρους όταν χρησιμοποιούνται μιλλιμετρικές ζώνες συχνοτήτων. Συνεπώς, η εκτίμηση κάλυψης μπορεί να έχει ως κύριο στόχο την επαρκή κάλυψη στους εξωτερικούς χώρους. Για την κάλυψη εσωτερικών χώρων, θα μπορούσαν να επιλεχθούν συμπληρωματικές λύσεις όπως η χρήση pico και femtocells με την επιπλέον τοποθέτηση σταθμών βάσης χαμηλής ισχύος εντός των κτιρίων. 4.6 Χρήση μιλλιμετρικών συχνοτήτων σε ετερογενή δίκτυα Σε ένα ετερογενές δίκτυο μπορούν να συνυπάρχουν macrocells μεγάλης ακτίνας σε συνδυασμό με microcells, picocells και femtocells αλλά και διαφορετικές τεχνολογίες δικτύου. 40

50 Σχήμα 2 Σε δίκτυα επόμενης γενιάς αναμένεται να είναι όλο και συχνότερη η χρήση κυψελίδων μικρής εμβέλειας που θα λειτουργούν συμπληρωματικά με κυψελίδες μεγάλης εμβέλειας ακολουθώντας την λογική των ετερογενών δικτύων. Οι μιλλιμετρικές συχνότητες είναι κατάλληλες έτσι ώστε να χρησιμοποιηθούν σε σημεία όπου υπάρχει αυξημένη ζήτηση χωρητικότητας λόγω μεγάλου αριθμού χρηστών όπως π.χ. σε εμπορικά κέντρα, στάδια κλπ. και στις περιπτώσεις όπου δεν απαιτείται κάλυψη περιοχών σε μεγάλες αποστάσεις. Η χρήση μικροκυψελίδων εντός της περιοχής κάλυψης μιας μακροκυψελίδας θα είχε ως αποτέλεσμα την ελάφρυνση του φόρτου κίνησης της μακροκυψελίδας και αύξηση της συνολικά παρεχόμενης χωρητικότητας προς τους χρήστες. 4.7 Σύγκριση χωρητικότητας Η χωρητικότητα καναλιού στην περίπτωση χρήσης συχνοτήτων στις μιλλιμετρικές συχνότητες θα μπορούσε να είναι πολλαπλάσια τις μέγιστης χωρητικότητας που συναντάται σήμερα σε λειτουργία μονού φέροντος σε δίκτυα τεχνολογίας LTE. Η σχέση του Shannon για τον υπολογισμό της μέγιστης χωρητικότητας καναλιού μπορεί να μας βοηθήσει να εκτιμήσουμε την αύξηση που αναμένεται να υπάρξει στους ρυθμούς μετάδοσης αν χρησιμοποιηθούν οι μιλλιμετρικές ζώνες συχνοτήτων σε δίκτυα επόμενης γενιάς: S C 2Blog 2 1 N (4.1) Για την εκτίμηση της μεταβολής χωρητικότητας μπορούμε να θεωρήσουμε εύρος ζώνης καναλιού με χρήση μονού φέροντος της τάξης των 100 MHz. Για χρήση συχνοτήτων στην περιοχή των 38 GHz, θα μπορούσε να είναι εφικτή η παροχή καναλιού τέτοιου εύρους [7]. Στη περίπτωση καναλιού εύρους ζώνης 100 MHz, σύμφωνα με την σχέση του Shannon, η μέγιστη δυνατή χωρητικότητα καναλιού αν θεωρηθεί σταθερή η τιμή λόγου σήματος προς 41

51 θόρυβο, θα ήταν πενταπλάσια σε σχέση με την μέγιστη χωρητικότητα καναλιού εύρους ζώνης 20 MHz που είναι η μέγιστη στην περίπτωση χρήσης μονού φέροντος για την τεχνολογία LTE [18]. Υπάρχουν εκτιμήσεις για πιθανό εύρος ζώνης ακόμα και μεγαλύτερο των 500 MHz σε εφαρμογές σταθερής πρόσβασης ή παροχής υπηρεσιών κορμού με χρήση συχνοτήτων στην μιλλιμετρική περιοχή [1][6]. Ένας επιπλέον παράγοντας που θα οδηγήσει στην αύξηση της διαθέσιμης χωρητικότητας είναι η πολλά υποσχόμενη τεχνολογία ΜΙΜΟ. Αναμένεται να εμφανιστούν λύσεις που θα χρησιμοποιούν μεγάλο αριθμό κεραιών τόσο στον πομπό όσο και στον δέκτη με αποτέλεσμα να αυξηθεί σημαντικά η φασματική απόδοση και τελικά οι επιτεύξιμοι ρυθμοί μετάδοσης [20]. 42

52 Κεφάλαιο 5 ο 5 Συμπεράσματα Η χρήση μιλλιμετρικών συχνοτήτων εμφανίζει το μειονέκτημα των μεγαλύτερων απωλειών διάδοσης σε σχέση με τις απώλειες που παρατηρούνται κατά την χρήση συχνοτήτων της UHF ζώνης, οι οποίες βρίσκουν εφαρμογή στα σημερινά τηλεπικοινωνιακά συστήματα. Στα προηγούμενα κεφάλαια έγινε εκτίμηση της ακτίνας κυψελίδας ενός δικτύου κινητής επικοινωνίας στο οποίο γίνεται χρήση μιλλιμετρικών συχνοτήτων σύμφωνα με τα Close-in και ABG μοντέλα διάδοσης και συγκρίθηκαν οι τιμές αυτές με τις τιμές ακτίνας κυψελίδας για την περίπτωση χρήσης UHF συχνοτήτων. Η ακτίνα υπολογίστηκε αντίστοιχα με την κατηγορία του περιβάλλοντος προς κάλυψη και με βάση συγκεκριμένη τιμή μέγιστης επιτρεπτής απώλειας διαδρομής. Σύμφωνα με τις τιμές που υπολογίστηκαν έγινε εκτίμηση κάλυψης για την περιοχή του Χονγκ Κονγκ και παρουσιάστηκαν χάρτες κάλυψης για τις συχνότητες των 28, 38 και 73 GHz. Συγκρίθηκε επίσης ο εκτιμώμενος αριθμός σταθμών βάσης με τον αριθμό σταθμών βάσης δικτύου τέταρτης γενιάς που λειτουργεί στην περιοχή του Χονγκ Κονγκ. 43

53 Παρατηρήθηκε ότι για τον συγκεκριμένο πάροχο, δίνεται μεγάλη προτεραιότητα στην κάλυψη των αστικών περιοχών, μέση προτεραιότητα για την κάλυψη των περιοχών προαστίων και χαμηλότερη για την κάλυψη των περιοχών υπαίθρου. Μία αντίστοιχη κατεύθυνση αναμένεται να παρατηρηθεί και σε δίκτυα νέας γενιάς όπου θα χρησιμοποιούνται πιθανώς μιλλιμετρικές συχνότητες. Η μεγάλη πυκνότητα σταθμών βάσης όμως στις αστικές περιοχές αναδεικνύει το πολύ ενθαρρυντικό στοιχείο της απαίτησης μικρού επιπλέον αριθμού σταθμών βάσης για την περίπτωση δικτύου κινητών επικοινωνιών στο οποίο θα γίνεται εφαρμογή μιλλιμετρικών συχνοτήτων στην περιοχή των 28 GHz. Ο απαιτούμενος αριθμός των σταθμών βάσης για την περίπτωση δικτύου που χρησιμοποιεί μιλλιμετρικές συχνότητες μπορεί να συγκρατηθεί με την ανάπτυξη και λειτουργία κεραιών με την τεχνική του beamforming. Στην περίπτωση αυτή θα μπορούν να επιτευχθούν μεγαλύτερες τιμές απολαβής και να αυξηθεί η ακτίνα και η περιοχή κάλυψης των κυψελίδων του δικτύου. Αναμένεται επίσης να ακολουθηθεί η γενικότερη κατεύθυνση της λειτουργίας των ετερογενών δικτύων όπου κυψελίδες μικρότερης έκτασης θα λειτουργούν εντός του χώρου κάλυψης μακροκυψελίδων. Στην περίπτωση αυτή, θα μπορούσαν να εφαρμοστούν συνδυαστικές λύσεις με εφαρμογή χαμηλότερων συχνοτήτων για την κάλυψη περιοχών μεγάλης έκτασης όπως π.χ. περιοχών υπαίθρου ενώ σε αστικές περιοχές και περιοχές προαστίων θα μπορούσε να γίνεται χρήση μιλλιμετρικών συχνοτήτων. Πολύ υψηλές συχνότητες όπως στην περίπτωση των 73 GHz μπορούν να βρουν εφαρμογή σε picocells και femtocells τα οποία θα καλύπτουν χώρους όπου υπάρχει μεγάλη απαίτηση χωρητικότητας όπως π.χ. στάδια, εμπορικά κέντρα κ.α. Σε δίκτυα νέας γενιάς αναμένεται η συνδυαστική χρήση συχνοτήτων τόσο από τις UHF όσο και από τις μιλλιμετρικές ζώνες συχνοτήτων. Στην περίπτωση αυτή, οι μιλλιμετρικές συχνότητες θα βοηθήσουν στην κατεύθυνση κάλυψης των αυξημένων απαιτήσεων χωρητικότητας ενώ οι χαμηλότερες συχνότητες θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για την κάλυψη περιοχών μεγάλης έκτασης. 44

54 Η γενικότερη κατεύθυνση ως προς την εξέλιξη των δυνατοτήτων ενός δικτύου 5 ης γενιάς, παρουσιάζεται στο σχήμα που μπορεί να βρεθεί στην σύσταση M της ΙΤU-R [8]. Peak data rate (Gbit/s) User experienced data rate (Mbit/s) Area traffic capacity 2 (Mbit/s/m ) IMT Spectrum efficiency 100 Network energy efficiency 10 1 IMT-advanced Mobility (km/h) Connection density 2 (devices/km ) 1 Latency (ms) Σχήμα 3 M Κατά την εξέλιξη των ασύρματων τηλεπικοινωνιακών συστημάτων τα τελευταία χρόνια, έχει παρατηρηθεί η διασύνδεση παλαιότερων και νεότερων τεχνολογιών για την επίτευξη παροχής υπηρεσιών υψηλού επιπέδου προς τους χρήστες [21]. Στην λογική αυτή, η εφαρμογή των μιλλιμετρικών συχνοτήτων σε ασύρματα τηλεπικοινωνιακά συστήματα αναμένεται να δώσει λύσεις με στόχο την αναβάθμιση των παρεχόμενων υπηρεσιών. 45