Περίθλαση από Πολλαπλά Κτήρια

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΕΙΡΑΙΩΣ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΩΝ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ & ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ ΤΜΗΜΑ ΨΗΦΙΑΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ Αναλυτικά & Εμπειρικά Μοντέλα Απωλειών Διάδοσης 3 Καθηγητής Αθανάσιος Κανάτας Περίθλαση από Πολλαπλά Κτήρια Πραγματικές Ακμές Πομπός Δέκτης Ισοδύναμα Ημι-άπειρα Παραπετάσματα Πομπός Δέκτης 1

2 Walfisch Bertoni 3 L LFSL Lmsd Lrts Walfisch Bertoni 4

3 Walfisch Bertoni 5 L rts 10log 10log GMS 1 1 k hroof hms x GMS 1 1 k h roof x k / h 1 roof tan x Walfisch Bertoni 6 L msd 10log 10 GBSQ Αν ο ΣΒ είναι υψηλότερα από τις οροφές των κτηρίων: είναι το κέρδος του ΣΒ στο οριζόντιο επίπεδο G BS b/ b QQE tan h h h tan d d 1 BS roof 1 BS 3

4 Walfisch Bertoni 7 Αν ο ΣΒ είναι χαμηλότερα από τις οροφές των κτηρίων: G BS είναι το κέρδος στην κατεύθυνση της ψηλότερης ακμής κτηρίου που είναι ορατή από το Σταθμό b QQL d b k h BS b tan h h h tan b b 1 roof BS 1 BS Walfisch Bertoni 8 Aν έχουμε πλάγια πρόσπτωση του σήματος ως προς την σειρά των κτηρίων, πρέπει να ληφθεί υπόψη η γωνία φ L Q rts L 10log 10 GMS, 1 1 kcos h roof x b QE.35 cos b d b kcos h BS b 0.9 4

5 Αναλυτικά Μοντέλα Υπολογισμός των σημαντικότερων πεδιακών συνιστωσών στο δέκτη και άθροιση E total E LOS E GO E GTD E Για τον υπολογισμό των συνιστωσών χρησιμοποιούνται αντίστοιχες θεωρίες διάδοσης (π.χ. η Γεωμετρική Οπτική, GO, ή ο νόμος του Snell, η Ομοιόμορφη θεωρία της περίθλασης, UTD, ή ο νόμος του Keller, και η Φυσική Οπτική, PO). PO Σελίδα 9 Αναλυτικά Μοντέλα 10 Γεωμετρία Περίθλασης από Ακμή και Νόμος του Keller Γεωμετρία Σκέδασης 5

6 Αναλυτικά Μοντέλα 11 Συνεισφορά Περίθλασης Source: A.G. Kanatas, I. Kountouris, G. Kostaras, P. Constantinou, A UTD Propagation Model in Urban Microcellular Environments, IEEE Trans. On Vehicular Technology, VOL. 46, NO. 1, Feb Αναλυτικά Μοντέλα 1 Συνεισφορά Συνιστωσών Source: A.G. Kanatas, I. Kountouris, G. Kostaras, P. Constantinou, A UTD Propagation Model in Urban Microcellular Environments, IEEE Trans. On Vehicular Technology, VOL. 46, NO. 1, Feb

7 Αναλυτικά Μοντέλα & Ray Tracing 13 Κάθε συνιστώσα αναπαρίσταται από μια ακτίνα (ray). Απαιτείται πλήρης γνώση της σχετικής γεωμετρίας πομπού δέκτη σκεδαστών καθώς και τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά των σκεδαστών. Υπάρχουν διαφορετικές προσεγγίσεις στο πρόβλημα υπολογισμού των συνιστωσών Ray launching : δηλαδή εκπομπή ακτινών προς όλες τις κατευθύνσεις (ανάλογα και με το διάγραμμα ακτινοβολίας) και άθροιση στο δέκτη όσων καταφθάνουν, ικανοποιώντας τους αντίστοιχους νόμους. Υπολογισμός συγκεκριμένων ακτινών (π.χ. μόνο ανακλάσεις και περιθλάσεις ή υβριδικές μέχρι ης τάξης), οι οποίες βρίσκονται σε συγκεκριμένα επίπεδα. Αναλυτικά Μοντέλα & Ray Tracing 14 Εκτόξευση Ακτινών με προσομοίωση σφαίρας με Εγγεγραμμένο Κανονικό Εικοσάεδρο 1 Κορυφές (άρα 1 Ακτίνες) Διαίρεση κάθε έδρας σε 4 ισόπλευρα τρίγωνα Μέτωπο κύματος r Τ x dω Εκπεμπόμενη Ακτίνα Αρχική Κορυφή Εσωτερική Κορυφή 7

8 Αναλυτικά Μοντέλα & Ray Tracing 15 Βήμα Συχνότητα Διαχωρισμού Ν Αριθμός Τριγώνων t Αριθμός Ακτινών R Γωνιακή Απόσταση Ακτινών Δθ , , , , , , , ,5017 Αναλυτικά Μοντέλα & Ray Tracing 16 Σφαίρα Υποδοχής Ακτίνα πολύ μεγάλη L Tx φ Rx Ακτίνα πολύ μικρή Ακτίνα φl/ Γωνία Εκτόξευσης : φ Μήκος Μονοπατιού : L Μήκος τόξου : φl Ακτίνα Σφαίρας : φl/ 8

9 Αναλυτικά Μοντέλα & Ray Tracing Καβάλα - Σταθμός Βάσης 8 Διαδρομή Ακτίνες Προσομοίωση ανά 5 μ Ολοι οι μηχανισμοί - n =.4 για LOS -40 Μετρήσεις LOS και Περίθλαση -60 Καβάλα - Σταθμός Βάσης 8 Διαδρομή Ακτίνες Προσομοίωση ανά 5 μ Μετρήσεις Ολοι οι μηχανισμοί - n =.4 για LOS LOS και Διάχυση Path Loss (db) Path Loss (db) Covered Distance (m) Covered Distance (m) Απώλειες Διάδοσης 18 Συνήθως εκφράζουμε τη λαμβανόμενη ισχύ ή τις απώλειες διάδοσης σε απόσταση d, συναρτήσει των αντίστοιχων μεγεθών σε μια απόσταση αναφοράς d o. Η ισχύς στην απόσταση αυτή μπορεί να προκύψει είτε από μετρήσεις είτε από την εξίσωση του Friis. Πρέπει η απόσταση αυτή να είναι στο μακρινό πεδίο, αλλά ταυτόχρονα αρκετά μικρή σε σχέση με πιθανές αποστάσεις λειτουργίας του συστήματος και υπολογισμού των απωλειών. 9

10 Απώλειες Διάδοσης και FSL 19 r d0 D 0 για 0 Pr d Pr d d d d P d dbm P d dbm 0 r 0 10 dbm 10log 10log d d Pr d0 10 d0 d PLd db PLdo db10log do d Μοντέλο Απλής Κλίσης 0 Σε πραγματικές συνθήκες το μοντέλο ελεύθερου χώρου δεν είναι ικανοποιητικό. Ένα απλό εμπειρικό μοντέλο για τη λαμβανόμενη ισχύ και τις απώλειες διάδοσης είναι το εξής r P d P d n r 0 10 log10 d0 10 log PL d db PL d db n o do όπου n ο συντελεστής απωλειών διάδοσης (path loss factor), ο οποίος για FSL είναι n=. d d 10

11 Μοντέλο Απλής Κλίσης 1 Συνήθως κυμαίνεται από ως 4 για τυπικές αστικές περιοχές με μακροκυψέλες και από 1.6 ως 8 για μικροκυψελωτό περιβάλλον. Μοντέλο Okumura Hata Ο Okumura ανέπτυξε μια εμπειρική προγνωστική μέθοδο καταλήγοντας σε μια σειρά από χρήσιμες γραφικές καμπύλες για κάθε παράμετρο όπως τη συχνότητα, το ύψος της κεραίας του ΣΒ κ.α. Βασίστηκε σε μετρήσεις στο Τόκιο, σε συχνότητες 150MHz, 450MHz και 900MHz. Στη συνέχεια ο Hata στηριζόμενος στα αποτελέσματα του Okumura και στην προσπάθειά του να απλοποιήσει τη συγκεκριμένη μέθοδο, καθιέρωσε μια σειρά από εμπειρικές μαθηματικές εξισώσεις οι οποίες λαμβάνουν κάποιο καθορισμένο εύρος τιμών και διαφέρουν ανάλογα με το περιβάλλον διάδοσης. 11

12 Μοντέλο Okumura Hata 3 Το εύρος τιμών των παραμέτρων για το οποίο έχει νόημα εφαρμογής το μοντέλο είναι 150 fc 1500 MHz 30 hbs 00 m 1hMS 10 m 1d 0 km Αξιόπιστα αποτελέσματα για μακροκυψελωτά συστήματα και κατοικημένες περιοχές. Οι απώλειες διάδοσης διακρίνονται ανάλογα με τον τύπο της περιοχής (urban, suburban, rural) Μοντέλο Okumura Hata 4 A Blog10 d L50 dbablog10 d C A Blog10 d D για αστικό περιβάλλον για προαστιακό περιβάλλον για αγροτικό περιβάλλον A log f 13.8log h a h B log 10 fc C log c 10 BS MS h D4.78 log f 18.33log f BS 10 c 10 c 1

13 Μοντέλο Okumura Hata 5 όπου a h MS ο διορθωτικός παράγοντας αναφορικά με το ύψος της κεραίας του ΚΣ Για μικρές ή μεσαίου μεγέθους πόλεις 1.1log log 0.8 a h f h f MS 10 c MS 10 c Για μεγάλες πόλεις a h MS 10 MS c 8.9 log 1.54h 1.1 f 00MHz 3.log hMS 4.97 fc 400MHz Μοντέλο Okumura Hata 6 Áðþëåéåò ÄéÜäïóçò (db) ÌéêñÞ Ðüëç ÌåãÜëç Ðüëç f h h c MS BS 900MHz 1.8m 30m Áðüóôáóç (Km) 13

14 Μοντέλο COST31 Hata 7 Αναβάθμιση του Okumura Hata για συχνότητες από 1500 MHz 000 MHz Όλα οι υπόλοιπες συνθήκες είναι ίδιες L db ABlog10 d C A log f 13.8log h ah B log h 10 c 10 BS MS 10 BS Ο παράγοντας C είναι ίσος με 0dB για μεσαίου μεγέθους πόλεις και μικροαστικά κέντρα με μικρή πυκνότητα δέντρων και 3dB για μητροπολιτικά κέντρα (metropolitan centers). COST 31 Walfisch Ikegami 8 To μοντέλο είναι αποτέλεσμα συνδυασμού δύο διαφορετικών μεθόδων, του Walfisch Bertoni και του Ikegami. Οι διορθώσεις και οι προσθήκες έγιναν στα πλαίσια του COST 31 με σκοπό την προσαρμογή του μοντέλου σε συνθήκες και χαρακτηριστικά των Ευρωπαϊκών πόλεων. Λαμβάνονται υπόψη τέσσερις παράγοντες : Τα ύψη των κτιρίων που παρεμβάλλονται μεταξύ πομπού και δέκτη. Το πλάτος των δρόμων. Η απόσταση μεταξύ των κτιρίων. Η κατεύθυνση των δρόμων αναφορικά με την απευθείας συνιστώσα που συνδέει τον πομπό με το δέκτη. 14

15 COST 31 Walfisch Ikegami 9 Το εύρος τιμών των παραμέτρων για το οποίο έχει νόημα εφαρμογής το μοντέλο είναι 800 fc 000 MHz 4hBS 50m 1hMS 3m 0.0 d 5km Εφαρμογή σε macrocell και microcell και σε πυκνά δομημένες πόλεις με επίπεδο έδαφος Η αξιοπιστία του μοντέλου είναι μεγάλη όταν η κεραία του BS είναι πάνω από τις στέγες των κτιρίων. COST 31 Walfisch Ikegami 30 Σε περίπτωση LOS οι απώλειες διάδοσης υπολογίζονται ως εξής 4.6 6log10 0log10 L db d f LOS km MHz Για NLOS οι απώλειες διάδοσης υπολογίζονται από το άθροισμα τριών διαφορετικών όρων: Απώλειες ελεύθερου χώρου (Free space loss). Απώλειες περίθλασης από πολλαπλά συνεχόμενα εμπόδια (Multiple screen diffraction). Επιπλέον απώλειες περίθλασης και σκέδασης από την κορυφή του κτηρίου στο δρόμο (Roof to street diffraction and scatter loss). 15

16 COST 31 Walfisch Ikegami 31 Απεικόνιση της θεωρούμενης γεωμετρίας COST 31 Walfisch Ikegami 3 Διακρίνουμε δύο περιπτώσεις L L FS NLOS db LFS Lrts Lmsd Lrts Lmsd 0 LFS Lrts Lmsd 0 είναι οι απώλειες ελεύθερου χώρου. L rts οι απώλειες περίθλασης και σκέδασης από την κορυφή του κτηρίου στο δρόμο (Roof to street diffraction and scatter loss) (Μοντέλο Ikegami). L msd οι απώλειες περίθλασης από πολλαπλά συνεχόμενα εμπόδια (Multiple screen diffraction) (Μοντέλο Walfisch Bertoni). 16

17 COST 31 Walfisch Ikegami 33 Θεώρηση Walfisch Bertoni k hbs / d COST 31 Walfisch Ikegami 34 Το μοντέλο των Walfisch Bertoni καταρέει για ύψη του ΣΒ μικρότερα της στέγης των κτιρίων. Για το λόγο αυτό έγιναν διορθώσεις από το COST31, και προκύπτει log10 log10 9log10 L db L k k d k f b msd bsh a d f c L bsh 18log 1 h h h h 0 hbs h 10 b roof BS roof roof 17

18 COST 31 Walfisch Ikegami hbs hroof ka hBS hroof hbs hroof d 0.5km d hBS hroof hbs hroof d 0.5km 0.5 k f 18 k h h hroof d BS roof h h BS BS h h roof roof fc Μικρές Πόλεις ή ημιαστικές 95 περιοχές με μικρή βλάστηση fc Μητροπολιτικά Κέντρα 95 COST 31 Walfisch Ikegami 36 Θεώρηση Ikegami Το πεδίο στον ΚΣ είναι το άθροισμα του περιθλώμενου από τη στέγη και του περιθλώμενουανακλώμενου Η γωνία φ σχηματίζεται από τους άξονες του δρόμου πάνω στον οποίο κινείται ο δέκτης και τη γραμμή που τον ενώνει με τον πομπό 18

19 COST 31 Walfisch Ikegami 37 L 8. 10log w10log f 0log h h L rts c 10 roof m ori L ori 10 o o o o o o o o Τυπικές τιμές όταν δεν είναι γνωστές οι παράμετροι h 3m ό ό Ύ έ ί b 3m ί έ Ύ έ ί 0 m ί έ b b0 50 m w 90 o COST 31 Walfisch Ikegami 38 f 1800MHz h m b roof 1.8m h 5m h 18m wb/40 45 Small City 19

20 COST 31 Walfisch Ikegami ZAIMI Str Base Station Antenna Height ht= 10.5m - Path Loss (db) Measured Single Slope Model Walfisch - Ikegami Model Tx - Rx Separation Distance (m) Source: N. Papadakis, A.G. Kanatas, P. Constantinou Microcellular Propagation Measurements and Simulation at 1.8GHz in Urban Radio Environments, IEEE Trans. On Vehicular Technology, VOL. 47, NO. 3, Aug Figure 5. Path Loss Profile for narrow street compared with Walfisch Model Μοντέλο ΙΕΕΕ Στηρίζεται στο μοντέλο απλής κλίσης. Αναπτύχθηκε ώστε να δίνει ικανοποιητικά αποτελέσματα σε τρεις τύπους περιοχών, αντιπροσωπευτικούς εκείνων που συναντά κανείς στις Η.Π.Α. Διενεργήθηκαν εκτεταμένες μετρήσεις από την AT&T σε 95 μακροκυψέλες στα 1.9GHz και προέκυψε το εξής μοντέλο d PLdPLd010nlog10 kf kh d0 0

21 Μοντέλο ΙΕΕΕ Οι απώλειες για την απόσταση αναφοράς d0 100m δίνονται από τις απώλειες ελεύθερου χώρου PL d 4d 0 0log 0 10 Ο συντελεστής απωλειών διάδοσης δίνεται από n abh ch Όπου 10m h και οι τρεις σταθερές BS 80m δίνονται από τον επόμενο Πίνακα για τρεις διαφορετικούς τύπους εδάφους. BS BS abc,, Μοντέλο ΙΕΕΕ Το τύπου Α αντιστοιχεί σε ανώμαλο έδαφος με λόφους και μέτρια προς υψηλή πυκνότητα δέντρων, το τύπου B, αντιστοιχεί σε ανώμαλο έδαφος με λόφους και χαμηλή πυκνότητα δέντρων, ή επίπεδο έδαφος με μέτρια προς υψηλή πυκνότητα δέντρων, και τέλος το έδαφος τύπου C, αντιστοιχεί σε επίπεδο έδαφος με χαμηλή πυκνότητα δέντρων. Σταθερά Έδαφος Τύπου Α Έδαφος Τύπου B Έδαφος Τύπου C a b c

22 Μοντέλο ΙΕΕΕ Προκειμένου να χρησιμοποιηθεί το μοντέλο σε συχνότητες διαφορετικές από τα GHz και για ύψη MS από m ως 10m, προστέθηκαν οι διορθωτικοί παράγοντες k και k f h fmhz k f 6log k h hms 10.8log10 Έδαφος Τύπου Α και Β hms 0 log10 Έδαφος Τύπου C Μοντέλα Εσωτερικών Χώρων 44 Μοντέλο Keenan Motley 10 log10 PL d PL d n d k L k L o fi fi wj wj i1 j1 PL d o : είναι η εξασθένιση αναφορικά με την απόσταση αναφοράς (1 μέτρο)(pl(d o )=37dB). n : είναι ο συντελεστής απωλειών διάδοσης (n=). d : είναι η απόσταση μεταξύ πομπού και δέκτη. L fi : είναι οι απώλειες που προκαλούνται από τα πατώματα του τύπου i. I J

23 Μοντέλο Keenan Motley 45 I : το πλήθος των κατηγοριών για τα πατώματα J : το πλήθος των κατηγοριών για τους τοίχους k fi : είναι ο αριθμός των ορόφων (πατωμάτων) του τύπου i, μεταξύ πομπού και δέκτη. L wj : είναι οι απώλειες που οφείλονται στους τοίχους του τύπου j,που παρεμβάλλονται στο μονοπάτι διάδοσης. k wj : είναι ο αριθμός των τοίχων του τύπου j ανάμεσα στο πομπό και στο δέκτη. Μοντέλο Keenan Motley 46 Τυπικές Τιμές Απωλειών για f=1700mhz- 1900MHz Στη βιβλιογραφία υπάρχουν διάφορες τιμές για διαφορετικές συχνότητες και άλλα υλικά. Υλικό Απώλειες (db) Τούβλο.5 Γυψοσανίδα 1.3 Τσιμέντο 10.8 Πλάκα Ορόφου 3.6 3

24 COST31 Multi Wall Model (MWM) 47 m f I b m f 1 c i wi f f i1 PL d FSL d L ml m L Οι ολικές απώλειες από τη διέλευση πολλών ορόφων δεν είναι γραμμική συνάρτηση του αριθμού των ορόφων. Συνήθως χρησιμοποιούνται τύποι τοίχων και οι εξής τιμές για τις παραμέτρους : I=, L w1 =3.4dB (τοίχος ελαφρύς τύπου γυψοσανίδας <10cm), L w =36.9dB (τοίχος βαρύς π.χ. με τούβλο πάχους >10cm), L f =18.3dB, b=0.46 Προσοχή : Οι τιμές των εξασθενήσεων είναι από προσαρμογές μετρήσεων και όχι οι πραγματικές, συμπεριλαμβάνουν δε και πιθανώς όποια επίπλωση. Μοντέλα Εσωτερικού Χώρου Απλής Κλίσης log PL d PL d n d o Τυπικές Τιμές n και [PL(d o )] για GHz (COST31) Περιβάλλον n [PL(d o )] Κύριος Μηχανισμός Διάδρομοι [ ] Κυματοδήγηση Μεγάλα, ανοικτά ~ [37.5] LOS δωμάτια Πυκνά Επιπλωμένα ~ 4 [33.3] OBS, NLOS Δωμάτια Πολλαπλοί Όροφοι [ ] Εξασθένηση από Δάπεδα και Τοίχους 4

25 Μοντέλα Εσωτερικού Χώρου Απλής Κλίσης Multifloor Propagation Measured Signal 10 MMSE Prediction (n=6.7) Path Loss (db) Tx Floor 11 - Sector B Position:1 Omni Height.6m Pt = 800 mw Floor Separation Source: A.G. Kanatas, N. Moraitis, E. Angelou, P. Constantinou Measurements and Channel Characterization at 1.89GHz in Modern Office Buildings, European Trans. On Telecomms., VOL. 14, Jan. 003 Γραμμικό Μοντέλο Εσωτερικού Χώρου 50 PL d FSL d ad Για εμπορικά κέντρα Για συχνότητες από 0.9 4GHz και Για αποστάσεις BS MS μέχρι 100m a db/ m Παρατηρήστε ότι όσο αυξάνει η απόσταση d, τόσο μεγαλύτερη η απόκλιση από το FSL 5

26 Μοντέλο ITU R P Το μοντέλο λαμβάνει υπόψη του τις απώλειες λόγω διάδοσης μέσα από πολλαπλούς ορόφους, ενώ ο συντελεστής απωλειών διάδοσης έχει συμπεριλάβει και τα φαινόμενα της διάδοσης μέσα από τοίχους, μέσα και γύρω από αντικείμενα που πιθανώς υπάρχουν στη διάδοση 10 MHz 10 f f PL d 0log f 10nlog d L k 8 όπου L f οι απώλειες διάδοσης μέσα από όροφο και k f το πλήθος των ορόφων μεταξύ του Σταθμού Βάσης και του κινητού δέκτη. Μοντέλο ITU R P Τιμές παράγοντα n Συχνότητα Κατοικίες Γραφεία Εμπορικά Κέντρα 900 MHz GHz GHz GHz GHz.7 4 GHz GHz 3 (διαμέρισμα) (μονοκατοικία) 5.8 GHz.4 60 GHz GHz. 6

27 Μοντέλο ITU R P Τιμές παράγοντα L f Συχνότητα Κατοικίες Γραφεία Εμπορικά Κέντρα 900 MHz 9 (1 όροφος) 19 ( όροφοι) 4 (3 όροφοι) 1.8 GHz 4 k f (k f 1) (k f 1).4 GHz 10 (διαμέρισμα) 14 5 (μονοκατοικία) 3.5 GHz 18 (1 όροφος) 6 ( όροφοι) 5. GHz 16 (1 όροφος) 5.8 GHz 13 (διαμέρισμα) 7 (μονοκατοικία) (1 όροφος) 8 ( όροφοι) Απώλειες Διείσδυσης σε Κτήριο 54 Ένα απλό μοντέλο που υπολογίζει τις απώλειες διείσδυσης σε κτήριο σε db δίνεται ως εξής L be log 10 f MHz 7

28 Απώλειες από Ανθρώπινο Σώμα 55 Η παρουσία του ανθρώπινου σώματος γύρω από ένα MS επιδρά αρνητικά στην επίδοση του κεραιοσυστήματος και μάλιστα η επίδραση αυτή εξαρτάται από τη συχνότητα. Όσο πιο κοντά βρίσκεται το σώμα στην κεραία του πομποδέκτη τόσο πιο έντονη είναι η υποβάθμιση του σήματος. Συχνότητα (MHz) Απώλειες στο ύψος Απώλειες στο ύψος της μέσης (db) του κεφαλιού (db) Ευχαριστώ για την προσοχή σας Αθανάσιος Κανάτας Καθηγητής Πανεπιστημίου Πειραιώς Τηλ: e mail: kanatas@unipi.gr 8