ΔΙΚΤΥΑ ΚΙΝΗΤΩΝ ΚΑΙ ΠΡΟΣΩΠΙΚΩΝ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ. Το ασύρματο περιβάλλον στις κινητές επικοινωνίες

Transcript

1 ΔΙΚΤΥΑ ΚΙΝΗΤΩΝ ΚΑΙ ΠΡΟΣΩΠΙΚΩΝ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ Το ασύρματο περιβάλλον στις κινητές επικοινωνίες

2 Περίληψη Γενικές αρχές για τη διάδοση Απώλειες διαδρομής Διάδοση στον ελεύθερο χώρο Διάδοση πάνω από επίπεδη και αγώγιμη επιφάνεια Διάδοση μη-οπτικής επαφής Σκίαση Διαλείψεις πολλαπλών διαδρομών σε διαύλους στενής ζώνης σε διαύλους ευρείας ζώνης Παράμετροι διαύλων με πολλαπλές διαδρομές Αρχή της αντιστροφής

3 Γενικές αρχές για τη διάδοση Βασικές απαιτήσεις για αξιόπιστη επικοινωνία κατανομή της μέσης ηλεκτρομαγνητικής ισχύος σε συγκεκριμένη περιοχή επαρκής ισχύς, όχι παρεμβολές ενδιαφέρει όχι μόνο η μέση ισχύς αλλά και στατιστική συμπεριφορά της ισχύος, λόγω της κίνησης του τερματικού ενδιαφέρει επίσης η ποιότητα του σήματος, ώστε να μην εμφανίζονται σφάλματα

4 Γενικές αρχές για τη διάδοση Απαιτείται να υπάρχει επαρκής γνώση για τη συμπεριφορά του διαύλου διαμόρφωση, κωδικοποίηση, εξισορρόπηση Μοντέλα για τη μελέτη των ραδιοδιαύλων παραμετρικά στατιστικά: απλά στη χρήση τους, αλλά σχετικά χονδρικά ντετερμινιστικά: ειδικά για κάθε περιβάλλον, παρέχουν καλύτερη ακρίβεια

5 Γενικές αρχές για τη διάδοση Οι μηχανισμοί που διέπουν τη διάδοση είναι πολύπλοκοι και ποικίλοι και μπορεί να συνοψιστούν σε τρεις βασικούς: ανάκλαση reflecon: διαστάσεις εμποδίων >>λ περίθλαση dffracon: παρεμβολή αδιαπέραστου σώματος στη διαδρομή διάδοσης σκέδαση scaerng: διαστάσεις εμποδίων λ Reflecon Scaerng Dffracon

6 Γενικές αρχές για τη διάδοση Καθώς το κινητό τερματικό κινείται σε μια περιοχή, οι τρεις μηχανισμοί διάδοσης επιδρούν κάθε στιγμή στο λαμβανόμενο σήμα κατά διαφορετικούς τρόπους. Ακόμη και αν το κινητό τερματικό διανύει μικρές αποστάσεις, η λαμβανόμενη στιγμιαία ισχύς μεταβάλλεται απότομα και εμφανίζονται βραχύχρονες διαλείψεις.

7 Γενικές αρχές για τη διάδοση Η διάδοση των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων σε περιβάλλοντα κινητών επικοινωνιών χαρακτηρίζεται από τρία επιμέρους φαινόμενα: απώλειες διαδρομής pah loss σκίαση shadowng διαλείψεις πολλαπλών διαδρομών mulpah fadng

8 Γενικές αρχές για τη διάδοση dbm m

9 Απώλειες διαδρομής Διάδοση στον ελεύθερο χώρο P G So W / m S 4 π d S o E o E o H o 30PG d W / m Eo So 10 V / m E H o W / m om E Eo 10 π 60PG d H A/ m V / m 60PG 60PG Eo cos f d / c cos f d d d

10 Απώλειες διαδρομής Διάδοση στον ελεύθερο χώρο P P or or Eo 10π A r Eo π W Gr 10 W P P or A r G G r Gr 4 π 4 π d G G r c / 4 π f d Για ισοτροπικές κεραίες με G=1 P or P 4 π d c / 4 π f d

11 Απώλειες διαδρομής Διάδοση στον ελεύθερο χώρο Απώλειες διαδρομής L f P P or 4 π d λ 4 π c / d f Εξαρτώνται από το d και το f Απώλειες διαδρομής σε db L f 4 π d [ db] 0log10 0log10 4 π c / d f

12 Απώλειες διαδρομής Διάδοση στον ελεύθερο χώρο Η διαφορά Δp σε db των ισχύων δύο σημάτων που λαμβάνονται από δύο διαφορετικούς δέκτες σε αποστάσεις d 1 και d από τον πομπό p 10log P d d or log10 Por1 db

13 Σχετική στάθμη ισχύος Λόγος ισχύων εκφραζόμενος σε db P db 10log 10 Για R 1 = R P db P P 1 P db 10log P1 10log10 0log P 1 V1 R1 V log 10 10log 10 1 V V R 10 V V 1 R R 1

14 Σχετική στάθμη ισχύος Σχετική τιμή ως προς στάθμη αναφοράς P 1 Prel 10log10 10log10 P1 10log10 Pref P ref P1 P dbm 10log10 1mW P1 P dbw 10log10 1W P dbm P dbw 30

15 Σχετική στάθμη ισχύος Άλγεβρα P / P 10log10 log P1 1 ref P1 P 10log10 10log P P / Pref Pref Pref Αν P ref = 1mW P1 10log 10 P1 dbm P dbm P P 1dBm P dbm 10log10 P P 1 P 1 dbm P dbm P db

16 Σχετική στάθμη ισχύος Παράδειγμα P n = -100 dbm G G = 80 db P ou = P n + G = = -100 dbm + 80 db = = -0 dbm = -50 dbw

17 Σχετική στάθμη ισχύος Παράδειγμα.1 Αν P = 40W, P dbm = ;,P dbw = ; Αν G = 1, f c = 1.8 GHz και έχουμε διάδοση σε ελεύθερο χώρο P or 300m = ;, P or 8 km = ; Θεωρήστε G r = 1.

18 Απώλειες διαδρομής Διάδοση πάνω από επίπεδη επιφάνεια Α α x d β h b Eo 1 60PG x d cosf Β θ θ h m x Γ 60PG π x Eo R cos f x x d

19 Απώλειες διαδρομής Διάδοση πάνω από επίπεδη επιφάνεια A α h b Β' β x d B Δ θ θ h m x Γ h b Α'

20 Απώλειες διαδρομής Διάδοση πάνω από επίπεδη επιφάνεια P rx 4P 4π x G G r sn πhbh x m Για μικρή τιμή του πh b h m /λx P rx PG G r h h b m x P rx 10log PG G 40log x 0logh r b 0logh m

21 Απώλειες διαδρομής Διάδοση πάνω από επίπεδη επιφάνεια Παράδειγμα: Σύγκριση καλύψεων Σταθμός βάσης καλύπτει 1 km σε περιοχή που μοντελοποιείται ως δίαυλος δύο ακτίνων. Ποια θα ήταν η απόσταση κάλυψής του αν χρησιμοποιούταν σε δορυφόρο;

22 Απώλειες διαδρομής Διάδοση μη-οπτικής επαφής d 3 d 0 d 1 d 4 d d

23 Απώλειες διαδρομής Διάδοση μη-οπτικής επαφής Βάσει εμπειρικών δεδομένων έχει αναπτυχθεί ένα γενικό μοντέλο για διάδοση NLOS n :3.5 n 5. L d L d 0 d = Απόσταση μεταξύ κεραιών εκπομπής και λήψης d 0 = Απόσταση αναφοράς 1 km ή 1-3 m Ld 0 = Απώλειες διαδρομής σε απόσταση d 0 και διάδοση LOS Ld = Απώλειες διαδρομής για διάδοση LOS και NLOS d d 0 n

24 Απώλειες διαδρομής Διάδοση μη-οπτικής επαφής Απόλυτη μέση τιμή απωλειών διαδρομής absolue mean pah loss L d L d0 10nlog10 d / d0 db

25 Απώλειες διαδρομής Διάδοση μη-οπτικής επαφής Παράδειγμα. d = 1500m, f c = 840 MHz. P or = -80dBm. Το ΜΤ ταξιδεύει με 80km/h σε ευθεία διαδρομή και απομακρύνεται από τον σταθμό βάσης. n = 4 και αμελείται η σκίαση. Ποια θα είναι η μέση ισχύς του σήματος ένα λεπτό αργότερα;

26 Μέγιστη απόσταση ραδιοκάλυψης 4 π / 4 π d f c G G d G G P d P r r r mn r r P d P 4 π 1 4 π 1/ mn 1/ mn max m f c P PG G P PG G d r r r r Για συνθήκες LOS

27 Μέγιστη απόσταση ραδιοκάλυψης Για γενικότερες συνθήκες NLOS TOT r r L G G P P NLOS LOS TOT L L L 4π 0 0 NLOS LOS d d d d L n TOT 4 π 0 1/ mn 0 max m d P d PG G d n r r

28 Σκίαση και απώλειες διαδρομής Η τιμή των απωλειών διαδρομής Ld είναι τυχαία μεταβλητή και έχει λογαριθμική-κανονική κατανομή γύρω από την απόλυτη μέση τιμή L d L d X L d 10 n log10 d / d0 X 0 db Χ σ db: τυχαία μεταβλητή Gauss, με μηδενική μέση τιμή και τυπική απόκλιση σ db P d P L ddb r

29 Σκίαση και απώλειες διαδρομής Η λογαριθμική-κανονική κατανομή περιγράφει τις τυχαίες επιδράσεις σκίασης σε θέσεις που έχουν μεν την ίδια απόσταση από τον πομπό, αλλά έχουν διαφορετικούς βαθμούς αταξίας στη διαδρομή διάδοσης. Η λογαριθμική-κανονική σκίαση συνεπάγεται ότι οι μετρούμενες στάθμες σήματος, για συγκεκριμένη απόσταση από τον πομπό, έχουν κατανομή Gauss γύρω από την απόλυτη μέση τιμή στάθμης Ld. Οι απώλειες διαδρομής είναι η μέση τιμή της λογαριθμικής κανονικής σκίασης, που ονομάζεται επίσης και μέσος όρος περιοχής area mean.

30 Σκίαση και απώλειες διαδρομής Υπολογισμός περιθωρίου διαλείψεων Παράδειγμα.3 Σύστημα κινητών επικοινωνιών πρέπει να παρέχει κατά 90% επιτυχείς επικοινωνίες στα όρια της περιοχής κάλυψης κάθε σταθμού βάσης. Η συνιστώσα της σκίασης έχει κατανομή Gauss με μηδενική μέση τιμή και τυπική απόκλιση 8 db. Ποιο περιθώριο διαλείψεων απαιτείται;

31 Σκίαση και απώλειες διαδρομής Διευκρινίσεις Ι r Ελεύθερος χώρος: Όλα τα σημεία του κύκλου έχουν την ίδια στάθμη λήψης ή τον ίδιο S/N uplnk ή downlnk Ιδανικό επίπεδο έδαφος: Η ίδια θεώρηση NLOS δηλ. d -n και λογαριθμική κανονική σκίαση: τα σημεία στην περιφέρεια θα έχουν την ίδια πιθανότητα για μια συγκεκριμένη στάθμη σήματος ή για έναν συγκεκριμένο S/N σε όλη την περιφέρεια, ο λόγος του μήκους του τόξου στο οποίο έχουμε σήμα πάνω ή κάτω από μια στάθμη προς το ολικό μήκος της περιφέρειας θα έχει καθορισμένη τιμή δεν αποτελεί ο κύκλος γεωμετρικό τόπο συγκεκριμένης στάθμης σήματος

32 Σκίαση και απώλειες διαδρομής Διευκρινίσεις ΙΙ ένα περίγραμμα όπου όλα τα σημεία του θα έχουν ίδια στάθμη σήματος ή ίδιον λόγο S/N, θα έχει ακανόνιστο σχήμα και μπορεί ακόμη να είναι πολλαπλά συνδεδεμένο έτσι, ο όρος κάλυψη ή ο επιτρεπόμενος διαχωρισμός σταθμών βάσης κυψελών είναι στατιστικός για το γενικό ασύρματο περιβάλλον

33 Σκίαση και απώλειες διαδρομής Διευκρινίσεις ΙΙΙ Στην τυπική διάδοση στα επίγεια συστήματα κινητών επικοινωνιών ισχύουν τρία καθεστώτα, ανάλογα με τη χωρική κλίμακα: Μέσος όρος περιοχής area mean: χαρακτηρίζεται από τον εκθέτη n, με το οποίο μειώνεται η μέση ισχύς Τοπικός μέσος όρος local mean: η ισχύς σε μια περιοχή είναι κατανεμημένη λογαριθμικά- κανονικά γύρω από την area mean σ = 6-8 db Σε αποστάσεις <100λ η μέση ισχύς είναι ουσιαστικά σταθερή. Οι μεταβολές στην περιβάλλουσα έχουν κατανομή Raylegh

34 Στάθμη του λαμβανόμενου σήματος dbm -30 Local mean Area mean m

35 Διαλείψεις στο ασύρματο περιβάλλον των κινητών επικοινωνιών Σταθμός βάσης α Περιοχή απωλειών διαδρομής μέχρι 4 km Περιοχή διαλείψεων περιβάλλουσας λ Κάτοψη

36 Διαλείψεις στο ασύρματο περιβάλλον των κινητών επικοινωνιών Το κινητό τερματικό γενικά λαμβάνει ένα άμεσο και πολλά ανακλώμενα κύματα Στατιστικό μοντέλο Rce Το άμεσο κύμα παρουσιάζεται σχετικά πιο ισχυρό Kατανομή Raylegh Ο αριθμός των επιπέδων κυμάτων που καταφθάνουν από διάφορες κατευθύνσεις είναι αρκούντως μεγάλος και δεν υπάρχει ισχυρή συνιστώσα από διάδοση οπτικής επαφής

37 Διαλείψεις περιβάλλουσας s r s x=υ

38 Διαλείψεις περιβάλλουσας ~ j[π f ] c s Ae s Το χρονικά μεταβαλλόμενο τυχαίο μέσο διάδοσης εκφράζεται με τη χαρακτηριστική ~ j p rp e r r p m r 0 m: αφορά τις μακρόχρονες διαλείψεις, δηλ. τον τοπικό μέσο όρο r 0 : αφορά τις βραχύχρονες διαλείψεις, έχει μέση τιμή 1 αλλιώς δεν ισχύει ο ορισμός

39 Διαλείψεις περιβάλλουσας Μοντέλο γινομένου ] [ 0 ~ ~ ~ f j r r s c e r m A p s s r = Amr 0 : περιβάλλουσα ψ r : τυχαία συνιστώσα φάσης 0 x r x m x r p x

40 Μακρόχρονες διαλείψεις Τοπικός μέσος όρος Είναι ο μέσος όρος της περιβάλλουσας του λαμβανόμενου ραδιοσήματος. Κάθε τιμή του αντιστοιχεί στη μέση τιμή της έντασης του πεδίου σε κάθε σημείο. ry m ˆ x m ˆ x m x xl 1 m ˆ x r y dy L xl L L L = 0λ 40λ x-l x x+l y

41 Για L = 0λ έως 40λ ˆ x m x m L x L x dy y r L x m x m 1 ˆ L x L x dy y r L Μακρόχρονες διαλείψεις Τοπικός μέσος όρος L x L x L x L x dy y r y m L dy y r L x m 1 1 ˆ 0

42 Μακρόχρονες διαλείψεις Τοπικός μέσος όρος r 0 y r y mˆ x y r 0 y y db r y 0 db m ˆ x r y db y

43 Μακρόχρονες διαλείψεις Τοπικός μέσος όρος Για περιοχές με επίπεδη επιφάνεια το my είναι σταθερό σε όλη τη μετρούμενη περιοχή Σε μη επίπεδες περιοχές το my παρουσιάζει διακυμάνσεις ανάλογες με το περίγραμμα της περιοχής Οι διακυμάνσεις οφείλονται κυρίως στη μορφολογία του εδάφους της περιοχής και στα κτίρια που υπάρχουν μεταξύ σταθμού βάσης και κινητού

44 Μακρόχρονες διαλείψεις Τοπικός μέσος όρος Διαδρομή κινητού Σταθμός βάσης Υψόμετρο m y y Ένταση πεδίου db Τοπικός μέσος όρος Διαδρομή κινητού y y

45 Μακρόχρονες διαλείψεις Τοπικός μέσος όρος Σταθμός βάσης y ή y

46 Βραχύχρονες διαλείψεις Οφείλονται κυρίως στις πολλαπλές διαδρομές Τρεις κυριότερες συνέπειες από τις πολλαπλές διαδρομές: Απότομες αλλαγές στη στάθμη του σήματος, όταν διανύονται μικρές αποστάσεις ή μεσολαβούν μικρά χρονικά διαστήματα Τυχαία διαμόρφωση συχνότητας λόγω της ολίσθησης Doppler, που είναι διαφορετική για τα διάφορα σήματα πολλαπλών διαδρομών, λόγω διαφορετικής γωνίας άφιξης των σημάτων ως προς την κατεύθυνση κίνησης του δέκτη Εξάπλωση χρονοκαθυστέρησης, η οποία προκαλείται από διαφορετική καθυστέρηση σε κάθε διαδρομή που ακολουθείται από το σήμα.

47 Βραχύχρονες διαλείψεις Ολίσθηση Doppler S l d cos cos θ θ X v d Y l π cos f D π cos

48 Βραχύχρονες διαλείψεις Παράγοντες που επηρεάζουν τις βραχύχρονες διαλείψεις: Πολλαπλές διαδρομές Ταχύτητα κινητού Ταχύτητα περιβαλλόντων αντικειμένων Εύρος ζώνης του μεταδιδόμενου σήματος

49 Διαλείψεις πολλαπλών διαδρομών σε επίπεδους διαύλους Επίπεδος δίαυλος ή δίαυλος στενής ζώνης Το αντίστροφο του εύρους ζώνης του σήματος είναι πολύ μεγαλύτερο από τη χρονική διασπορά των καθυστερήσεων λόγω πολλαπλών διαδρομών, ή Η διάρκεια των διαμορφωμένων συμβόλων είναι πολύ μεγαλύτερη από τη διασπορά καθυστέρησης Όλες οι συχνότητες του μεταδιδόμενου σήματος θα υφίστανται την ίδια τυχαία εξασθένηση και μετατόπιση φάσης, λόγω πολλαπλών διαδρομών

50 Διαλείψεις πολλαπλών διαδρομών σε επίπεδους διαύλους z y - στό εισερχόμενο επίπεδο κύμα θ v x y z θ χ

51 Στάθμη σε db Διαλείψεις πολλαπλών διαδρομών σε επίπεδους διαύλους Διαλείψεις για Ν διαδρομές x/λ ή υ/λ

52 Διαλείψεις πολλαπλών διαδρομών σε επίπεδους διαύλους fd, cos fm cos x Re u~ e j f c Hz s Re ~ r e j f c ~ N j [ fc fd r A e ] 1, fd, u~

53 ~ ~ 1 u e A r j N ] [,, f f f D D c, ~ 1 e A h j N Ο δίαυλος μπορεί να μοντελοποιηθεί ως χρονικά μεταβαλλόμενο φίλτρο με μιγαδική κρουστική απόκριση Διαλείψεις πολλαπλών διαδρομών σε επίπεδους διαύλους : είναι η απόκριση του διαύλου τη στιγμή σε παλμό δ-τ, ~ h

54 Διαλείψεις πολλαπλών διαδρομών σε επίπεδους διαύλους Επειδή το f c +f D, είναι πολύ μεγάλο, μικρή μεταβολή στο τ προκαλεί μεγάλη μεταβολή στη φάση φ. Σε οποιαδήποτε χρονική στιγμή, οι συνιστώσες με τις τυχαίες φάσεις προστίθενται εποικοδομητικά ή μη. Το πλάτος A εξαρτάται από την ενεργό επιφάνεια του -στού σκεδαστή δεν αλλάζει για μικρές αποστάσεις.

55 Διαλείψεις πολλαπλών διαδρομών σε επίπεδους διαύλους αν θεωρήσουμε επίπεδους διαύλους, όλες οι καθυστερήσεις είναι περίπου ίσες με οι διαλείψεις οφείλονται κυρίως στις χρονικές μεταβολές της τυχαίας φάσης φ που προκαλούνται από τις ολισθήσεις Doppler f D,. ~ N j A e 1 h, g~ ~ jf H, f g~ e όλες οι συνιστώσες συχνότητας στο φάσμα υφίστανται την ίδια εξασθένηση g ~ ~ H, f g~

56 Διαλείψεις πολλαπλών διαδρομών σε επίπεδους διαύλους Μελετώντας τη βαθυπερατή μιγαδική περιβάλλουσα του λαμβανόμενου σήματος για αδιαμόρφωτο φέρον, βρίσκουμε ότι, για μεγάλο αριθμό πολλαπλών διαδρομών, Ν, η pdf της r είναι Raylegh και εκφράζεται ως r r P p r e 0 P, ά 0 όπου Ρ 0 είναι η μέση ισχύς του σήματος Η φάση φ του λαμβανόμενου σήματος είναι ομοιόμορφα κατανεμημένη στο διάστημα -π έως π r 0

57 Διαλείψεις πολλαπλών διαδρομών σε επίπεδους διαύλους Κατανομή Raylegh p x x x e

58 Διαλείψεις πολλαπλών διαδρομών σε επίπεδους διαύλους Κατανομή Raylegh Η πιθανότητα ότι η περιβάλλουσα του λαμβανόμενου σήματος δεν υπερβαίνει δοθείσα τιμή R P R prob r R R r P 0 0 e r P 0 dr P R 1 e R P 0

59 Διαλείψεις πολλαπλών διαδρομών σε επίπεδους διαύλους Η διάδοση μέσω πολλαπλών διαδρομών είναι συνήθως στοχαστική ανέλιξη στον χώρο, αφού οι διαδρομές είναι συναρτήσεις των συντεταγμένων x, y, z. Η κίνηση μέσω μιας χωρικής μεταβολής παράγει μια χρονικά μεταβαλλόμενη στοχαστική ανέλιξη. Η κίνηση υ x με ταχύτητα υ x, μετατρέπει τις μεταβολές απόστασης σε χρονικές με ρυθμό μεταβολής διαλείψεων: υ x / c f = υ x / λ. cos f x cos[ f x ]

60 Διαλείψεις πολλαπλών διαδρομών σε επίπεδους διαύλους Η pdf Raylegh περιγράφει τη στατιστική πρώτου βαθμού για την περιβάλλουσα του σήματος σε αποστάσεις σχετικά μικρές, ώστε η μέση τιμή της να εκλαμβάνεται ως σταθερή. Ενδιαφέρει μια ποσοτική περιγραφή του ρυθμού διαλείψεων της περιβάλλουσας και η μέση διάρκειά τους κάτω από δοθείσα στάθμη. Βοηθάει στην επιλογή του b rae, του μήκους της κωδικής λέξης και επιτρέπει μια εκτίμηση της επίδοσης του συστήματος.

61 Διαλείψεις πολλαπλών διαδρομών σε επίπεδους διαύλους Ρυθμός υπέρβασης στάθμης dr d r0 N R rp R, r dr 0 N R π f me R / R rms f m R rms P 0 / N R π

62 Μέση διάρκεια διαλείψεων ] [ ] [ R N R r prob R E R m n o e f e R 1 π 1 π R Διαλείψεις πολλαπλών διαδρομών σε επίπεδους διαύλους

63 Διαλείψεις πολλαπλών διαδρομών σε επίπεδους διαύλους Παράδειγμα.6 Να βρεθεί η μέση διάρκεια διαλείψεων για ρ = 1/, f D = 30 Hz. Για δυαδική ψηφιακή διαμόρφωση με R = 40 bps, είναι οι διαλείψεις Raylegh αργές ή γρήγορες; Ποιος είναι ο μέσος αριθμός εσφαλμένων b ανά sec για τον δοθέντα ρυθμό μετάδοσης; Θεωρήστε ότι εμφανίζεται ένα εσφαλμένο b κάθε φορά που οποιοδήποτε τμήμα του b αντιμετωπίζει διάλειψη για την οποία ρ < 0.1.

64 Διαλείψεις πολλαπλών διαδρομών σε διαύλους ευρείας ζώνης Η διασπορά των καθυστερήσεων λόγω πολλαπλών διαδρομών είναι μεγάλη σε σύγκριση με το αντίστροφο του εύρους ζώνης του σήματος Οι συνιστώσες συχνότητας του μεταδιδόμενου σήματος θα υφίστανται διαφορετικές καθυστερήσεις φάσης κατά μήκος των διαφόρων διαδρομών Καθώς μεγαλώνουν οι διαφορές στις καθυστερήσεις, ακόμη και παραπλήσιες συχνότητες στο μεταδιδόμενο σήμα μπορεί να υφίστανται σημαντικά διαφορετικές μετατοπίσεις φάσης

65 Διαλείψεις πολλαπλών διαδρομών σε διαύλους ευρείας ζώνης Οι ραδιοδίαυλοι εισάγουν παραμόρφωση πλάτους και φάσης στο σήμα πληροφορίας. Διαλείψεις επιλεκτικές ως προς τη συχνότητα frequency selecve fadng.

66 Διαλείψεις πολλαπλών διαδρομών σε διαύλους ευρείας ζώνης Κρουστική απόκριση διαύλου ευρείας ζώνης Μεταδοθείς στενός παλμός καταφθάνει μέσω πολλαπλών διαδρομών με διαφορετικό εύρος και διαφορετικές καθυστερήσεις Αφίξεις από πολλαπλές διαδρομές

67 Διαλείψεις πολλαπλών διαδρομών σε διαύλους ευρείας ζώνης Απόκριση συχνότητας διαύλου ευρείας ζώνης Εύρος ζώνης 00 MHz και φέρον 1 GHz Διαλείψεις επιλεκτικές ως προς τη συχνότητα

68 Διαλείψεις πολλαπλών διαδρομών σε διαύλους ευρείας ζώνης Η έξοδος της κεραίας του δέκτη είναι άθροισμα πολλών εκδοχών του σήματος που καταφθάνουν μέσω διαφορετικών διαδρομών. Υποθέσεις: κάθε διαδρομή είναι γραμμική, χρονικά αμετάβλητη και χωρίς διασπορά η απόσταση πομπού-δέκτη είναι αρκετά μεγάλη επίπεδο κύμα η θέση του πομπού είναι σταθερή

69 ] [, 1 R R A R h R N ] [,, 1 R x R A R h x R s R N Αν x το μεταδιδόμενο σήμα: Αν μεταδοθεί κρουστικός παλμός δ, το λαμβανόμενο σήμα στη θέση θα είναι: Διαλείψεις πολλαπλών διαδρομών σε διαύλους ευρείας ζώνης R

70 , ~ ~, ~ R h u R r ] [, ~ 1 R e R A R h R f j R N c Για ραδιοδίαυλο ζωνοπερατό, περιορισμένου εύρους ζώνης: Για περιοχή με μικρή έκταση Ð R R e A R h R f j N c ], [, ~ 1 Διαλείψεις πολλαπλών διαδρομών σε διαύλους ευρείας ζώνης

71 Διαλείψεις πολλαπλών διαδρομών σε διαύλους ευρείας ζώνης Μεταβολές μικρής κλίμακας N ~ r jf R R A e c, u~ 1 R Ð Αν η περιοχή που μας ενδιαφέρει έχει μικρή έκταση, η ~, R r, όταν λαμβάνεται στο σύνολο των χρονικών συναρτήσεων στις θέσεις R έχει κατανομή Raylegh και η φάση της περιβάλλουσας είναι ομοιόμορφα κατανεμημένη στο διάστημα 0,π. Οι κατανομές της περιβάλλουσας και της φάσης του λαμβανόμενου αποδιαμορφωμένου σήματος είναι ακριβώς όμοιες με εκείνες που παρατηρούνται κατά τη μετάδοση σήματος μιας συχνότητας,0,

72 Διαλείψεις πολλαπλών διαδρομών σε διαύλους ευρείας ζώνης Χρονικό φάσμα ~ R f, R U ~ N j f f R f A c e 1 ~ Το πλάτος και η φάση του R f, R έχουν αντίστοιχα κατανομή Raylegh και ομοιόμορφη κατανομή, όταν λαμβάνονται στο σύνολο των συναρτήσεων συχνότητας στις θέσεις R.

73 Διαλείψεις πολλαπλών διαδρομών σε διαύλους ευρείας ζώνης Χωρικό φάσμα d,0 d,x 0 θ d x R d x d, 0 x cos x

74 Διαλείψεις πολλαπλών διαδρομών σε διαύλους ευρείας ζώνης Χωρικό φάσμα Η καθυστέρηση στην -στή διαδρομή R x, 0 A e x c u~ x cos Η συνεισφορά της -στής διαδρομής στο λαμβανόμενο σήμα jf x ~ r, R ~ r, x c,0 A ~ e u,0 Για σταθερό, μεταβάλλεται ημιτονικά συναρτήσει c jf,0 cos του x, με χωρική συχνότητα ν = cosθ /λ κύκλους ανά μήκος κύματος.

75 Διαλείψεις πολλαπλών διαδρομών σε διαύλους ευρείας ζώνης Φάσμα Doppler Θεωρούμε ότι ο δέκτης κινείται με σταθερή ταχύτητα υ κατά τη διεύθυνση +x και εκφράζουμε το μήκος της -στής διαδρομής x = 0 για = 0. d R d d, 0 Η καθυστέρηση στην -στή διαδρομή cos R, 0 c cos

76 Φάσμα Doppler ~ ~ ~,0 cos,0,0 c f j f j u e A u e A r c c Η συνεισφορά της -στης διαδρομής στο λαμβανόμενο σήμα c d c f f cos cos, Η φαινομενική μεταβολή της συχνότητας και αναφέρεται ως ολίσθηση συχνότητας Doppler Διαλείψεις πολλαπλών διαδρομών σε διαύλους ευρείας ζώνης

77 Παράμετροι διαύλων με πολλαπλές διαδρομές Έχουν αναπτυχθεί πολλές μέθοδοι για την πραγματοποίηση μετρήσεων με σκοπό τη μελέτη της συμπεριφοράς των ραδιοδιαύλων. Οι μετρήσεις πραγματοποιούνται είτε στο πεδίο του χρόνου με άμεση αποστολή παλμών RF, είτε στο πεδίο συχνότητας με σάρωση κατάλληλης περιοχής συχνοτήτων. Από τις μετρήσεις υπολογίζονται παράμετροι που χαρακτηρίζουν τη συμπεριφορά των ραδιοδιαύλων, τόσο στο πεδίο του χρόνου όσο και της συχνότητας.

78 Παράμετροι διαύλων με πολλαπλές διαδρομές Παράμετροι χρονικής διασποράς 3 a h, R N R 1 A R [ R] α h τ 1 τ τ 3 τ 4 N=4 N=4 N>>4 a 0 β τ d d

79 Παράμετροι διαύλων με πολλαπλές διαδρομές Παράμετροι χρονικής διασποράς Ο αναμενόμενος βαθμός διασποράς καθυστέρησης καθορίζεται μέσω της μέτρησης του προφίλ καθυστέρησης ισχύος power delay profle του διαύλου Τα προφίλ καθυστέρησης ισχύος μετρούνται με διάφορες τεχνικές και παριστάνονται γραφικά ως διαγράμματα της σχετικής λαμβανόμενης ισχύος συναρτήσει της επιπρόσθετης καθυστέρησης ως προς σταθερή χρονική αναφορά.

80 Παράμετροι διαύλων με πολλαπλές διαδρομές Προφίλ καθυστέρησης ισχύος Καθυστέρηση πρώτης άφιξης 0 db Μέση επιπρόσθετη καθυστέρηση τ d Rms καθυστέρηση D S S Dτ τ τ Α A Dτ Μέγιστη επιπρόσθετη καθυστέρηση -30 db 0 τ e τ τ m

81 Παράμετροι διαύλων με πολλαπλές διαδρομές Εύρος ζώνης συνοχής Το εύρος ζώνης μέσα στο οποίο οι φασματικές συνιστώσες των σημάτων επηρεάζονται κατά παρόμοιο τρόπο, ονομάζεται εύρος ζώνης συνοχής coherence bandwdh, Bc. Συσχέτιση >0.9 Συσχέτιση >0.5 B c B c d d

82 Παράμετροι διαύλων με πολλαπλές διαδρομές Εύρος ζώνης συνοχής Παράδειγμα.9 Το προφίλ πολλαπλών διαδρομών ενός διαύλου αποτελείται από τέσσερις συνιστώσες με στάθμες 0, -6, -10 και 0 db και καθυστερήσεις 0, 1, 3 και 5 μs. τ e, τ d, τ M -10 db; B c για συσχέτιση 0.5 Ποια συστήματα χωρίς ισοσταθμιστές;

83 Παράμετροι διαύλων με πολλαπλές διαδρομές Εξάπλωση Doppler-χρόνος συνοχής Η εξάπλωση Doppler και ο χρόνος συνοχής περιγράφουν τη χρονικά μεταβαλλόμενη φύση του διαύλου σε περιοχή μικρής κλίμακας Η εξάπλωση Doppler B D είναι ένα μέτρο της διεύρυνσης του φάσματος που προκαλείται από τον ρυθμό χρονικής μεταβολής του ραδιοδιαύλου. Αν το εύρος ζώνης του σήματος είναι πολύ μεγαλύτερο από το B D οι επιδράσεις της εξάπλωσης Doppler στον δέκτη είναι αμελητέες.

84 Παράμετροι διαύλων με πολλαπλές διαδρομές Εξάπλωση Doppler-χρόνος συνοχής Ο χρόνος συνοχής coherence me C T είναι η αντίστοιχη προς την εξάπλωση Doppler έννοια στο πεδίο του χρόνου. Χρησιμοποιείται για να χαρακτηρίζει, στο πεδίο του χρόνου, την ιδιότητα του διαύλου να εμφανίζει διασπορά συχνότητας. C 1/ f T m

85 Παράμετροι διαύλων με πολλαπλές διαδρομές Εξάπλωση Doppler-χρόνος συνοχής Ο χρόνος συνοχής είναι μια στατιστική μέτρηση του χρονικού διαστήματος στο οποίο η απόκριση του διαύλου είναι ουσιαστικά αμετάβλητη. Είναι το χρονικό διάστημα στο οποίο δύο λαμβανόμενα σήματα έχουν μεγάλη πιθανότητα να εμφανίζουν συσχέτιση πλάτους. C T 9 16 π f m Συσχέτιση >0.5 C T 9 16 π m 0.43 f f m

86 Παράμετροι διαύλων με πολλαπλές διαδρομές Τύποι βραχύχρονων διαλείψεων Ανάλογα με τη σχέση των παραμέτρων του σήματος και των παραμέτρων του διαύλου, τα διάφορα μεταδιδόμενα σήματα υφίστανται διαφορετικούς τύπους διαλείψεων. Η εξάπλωση καθυστέρησης προκαλεί χρονική διασπορά και διαλείψεις επιλεκτικές ως προς συχνότητα. Η εξάπλωση Doppler προκαλεί διασπορά συχνότητας και διαλείψεις επιλεκτικές ως προς χρόνο.

87 Παράμετροι διαύλων με πολλαπλές διαδρομές Χαρακτηριστικά διαύλου με επίπεδες διαλείψεις

88 Παράμετροι διαύλων με πολλαπλές διαδρομές Διαλείψεις εξάπλωσης χρονοκαθυστέρησης Ένα σήμα υφίσταται επίπεδες διαλείψεις όταν: B B s c και Ts d Ένα σήμα υφίσταται διαλείψεις επιλεκτικές ως προς συχνότητα, όταν: B s B c και T s d

89 Παράμετροι διαύλων με πολλαπλές διαδρομές Χαρακτηριστικά διαύλου με διαλείψεις επιλεκτικές ως προς συχνότητα

90 Παράμετροι διαύλων με πολλαπλές διαδρομές Διαλείψεις εξάπλωσης Doppler Ένα σήμα υφίσταται ταχείες διαλείψεις όταν: T s C T και B s B D Ένα σήμα υφίσταται αργές διαλείψεις, όταν: Ts C T και B s B D

91 Παράμετροι διαύλων με πολλαπλές διαδρομές Τύποι βραχύχρονων διαλείψεων T s Fla slow Fla fas τ d Frequency selecve slow Frequency selecve fas c T T s

92 Παράμετροι διαύλων με πολλαπλές διαδρομές Τύποι βραχύχρονων διαλείψεων B s Frequency selecve fas Frequency selecve slow B c Fla fas Fla slow B D B s

93 Αρχή της αντιστροφής Η στάθμη του σήματος που λαμβάνεται στην κεραία του σταθμού βάσης, και προέρχεται από κάποιον κινητό πομπό, είναι η ίδια με εκείνη που λαμβάνεται στην κεραία του κινητού και προέρχεται από τον σταθμό βάσης. Ισχύει σε ασύρματο περιβάλλον κινητών επικοινωνιών για συγκεκριμένες καταστάσεις