Εφαρμογές των Ηλεκτρομαγνητικών πεδίων στη σχεδίαση τηλεπικοινωνιακών συστημάτων και διαδικασιών

Transcript

1 Εφαρμογές των Ηλεκτρομαγνητικών πεδίων στη σχεδίαση τηλεπικοινωνιακών συστημάτων και διαδικασιών Σταύρος Κωτσόπουλος, Καθηγητής Δ/ντής Εργαστηρίου Ασύρματης Τηλεπικοινωνίας

2 URL:

3

4

5 Εφαρμογή 1 η : Διάγραμμα Ακτινοβολίας Κεραιών Εφαρμογή η : Εκτίμηση των απωλειών ραδιοδρόμου Εφαρμογή 3 η : Εντοπισμός θέσης φορητής συσκευής Γεωγραφικές Συντεταγμένες?

6 Εφαρμογή 1 η : Διάγραμμα Ακτινοβολίας Κεραιών Διάνυσμα Poynting Διάγραμμα Ακτινοβολίας

7

8 Shannon s s Communication Model Π Ο Μ Π Ο Σ (Transmitter) ΠΗΓΗ Κωδικοποιητής Πηγής Κωδικοποιητής Καναλιού Διαμορφωτής Bit streams ΚΑΝΑΛΙ Noise ΠΡΟΟΡΙΣΜΟΣ Αποδιαμορφωτής Πηγής Αποδιαμορφωτής Καναλιού Αποδιαμορφωτής Δ Ε Κ Τ Η Σ (Receiver)

9 Το Ασύρματο Σύστημα Πομπός Δέκτης

10 Κεραία Εκπομπής Η ΚΕΡΑΙΑ ΕΚΠΟΜΠΗΣ είναι μια τηλεπικοινωνιακή μονάδα και συγκεκριμένα ένας Μετατροπέας, όπου μετατρέπει την Ηλεκτρική Ενέργεια σε Ηλεκτρομαγνητική Ακτινοβολία. Η ηλεκτρομαγνητική αυτή Ενέργεια διαδίδεται στον ελεύθερο χώρο.

11 Κεραία Λήψης Η Κεραία στην φάση της λήψης μετατρέπει την ηλεκτρομαγνητική ενέργεια σε ηλεκτρική ενέργεια. Ηέξοδος από την κεραία είναι μια μικρή στάθμη τάσης ή ρεύματος. Στο Πεδίο Συχνοτήτων (frequency domain), μια τυπική έξοδος από την κεραία είναι: Undesired Signals Desired Signal 0 Carrier Frequency frequency of desired station

12 Shannon s s Communication Model Π Ο Μ Π Ο Σ (Transmitter) Δ Ε Κ Τ Η Σ (Receiver) Κεραία Πομπού Κεραία Δέκτη Κυκλώματα εξόδου Πομπού Γραμμή Μεταφοράς Γραμμή Μεταφοράς Κυκλώματα εισόδου Δέκτη

13 Π ΓΜ Κ ΚΑΝΑΛΙ πριν Κ μετά Κ ΓΜ Δ

14 4 log 10 ] [ ] [ ] [ 4 ) ( ) ( = = = = = λ π π λ π λ π π r R G EIRP R P r R G EIRP R G r EIRP eff A s R P r EIRP s ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΚΟ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΚΟ ΑΣΥΡΜΑΤΟ ΑΣΥΡΜΑΤΟ ΚΑΝΑΛΙ ΚΑΝΑΛΙ

15 ] [ ] [ ] [ ] [ log 0 log ] [ / log 10 ] [.... : ] [ 8 FSL G EIRP P f r FSL s m c f c r FSL Loss Space Free FSL R R + = + + = = = = λ λ π Απώλειες Υδρομετεώρων Απώλειες Απώλειες Υδρομετεώρων Υδρομετεώρων ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΚΟ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΚΟ ΑΣΥΡΜΑΤΟ ΑΣΥΡΜΑΤΟ ΚΑΝΑΛΙ ΚΑΝΑΛΙ

16 Quality of Service - QoS S / N BER G / T Τεχνικά Χαρακτηριστικά Δέκτη Τεχνικά Χαρακτηριστικά Κεραιών Χαρακτηριστικά Μέσου Διάδοσης Κατώφλι Ευαισθησίας Δέκτη Απολαβή, Διάγραμμα Ακτινοβολίας, κ.λ.π Συχνότητα Λειτουργίας

17 Διάγραμμα Ακτινοβολίας: Γεωμετρικός τόπος του πέρατος του Διανύσματος του Poynting /... 3 sin m Watts R c l I S = ε π θ ω x y z r θ φ l Τελικά φ θ θ φ θ θ θ φ d d r S d d r S P S = = sin sin 0 0

18 ή sin 3 sin 3 sin π ε π ω φ θ θ ε π ω φ θ θ ε π θ ω π π π π = = = = = c l I d d c l I d d r r c l I P και Watts c l I P = ε π ω

19 Ισχύει ε μ ε λ π ε λ π ε π ω = = = l I c l I c l I P διότι c = λ π ω και μ ε = c

20 Αρα = = λ π λ π ε μ l I l I P Αλλά I eff I = 0 Επομένως 80 = λ π l I P eff 19

21 Διάνυσμα Poynting P = E H Μονάδες Ένταση μαγνητικού πεδίου Ένταση ηλεκτρικού πεδίου Watts m S = ERP 4 π r Μονάδες Watts m

22 Ε Η P = E x H P

23 G S = ERP 4 π r ERP = P in G Π Ο Μ Π Ο Σ (Transmitter) r P in

24 Τρόποι υπολογισμού του Διανύσματος Poynting 1. Να γνωρίζουμε τις συναρτήσεις E H Οπότε: P = E H και. Να γνωρίζουμε τις ηλεκτρικές και τις ηλεκτρομαγνητικές παραμέτρους του συστήματος εκπομπής καθώς και την απόσταση μεταξύ της κεραίας εκπομπής και της κεραίας λήψης P in και G r S = ERP 4 π r

25 3. Πειραματικός προσδιορισμός Χρήση πεδιομέτρου Μέτρηση της παραμέτρου του ηλεκτρομαγνητικού κύματος E

26 Εφαρμογή στρατηγικής πεδιομετρήσεων Εκτίμηση της συνάρτησης E Χρήση εξισώσεων Maxwell Εκτίμηση της συνάρτησης H P = E H

27 Γραμμικό Πολωμένο Κύμα Κυκλικά Πολωμένο Κύμα Ελλειπτικά Πολωμένο Κύμα

28 Κυκλικά Πολωμένο Κύμα Γραμμικό Πολωμένο Κύμα

29 Υλοποίηση του διαγράμματος ακτινοβολίας z θ Γεωμετρικός τόπος P για όλες τις γωνίες x θ και ϕ ϕ y

30 Σφαιρικό διάγραμμα ακτινοβολίας Οριζόντιο διάγραμμα ακτινοβολίας Κατακόρυφο διάγραμμα ακτινοβολίας

31 Antenna Gain (dbi) Antenna Gain (dbi) A B Path Loss (db) Field Factor (db) Connector Losses Connector (db) Cable Losses (db) Cable Losses (db) Losses (db) Tx Output (dbm) Tx Output (dbm) Received Signal Level (dbm) = Tx Output (dbm) - Path Loss(dB) - Field Factor (db) + Total Antenna Gains (db) - Total Cable Losses (db) - Total Connector Losses (db) ΔΕΥΤΕΡΕΥΟΝΤΕΣ ΛΟΒΟΙ Αξονας Ζεύξης & Αξονας Κύριων Λοβών ΔΕΥΤΕΡΕΥΟΝΤΕΣ ΛΟΒΟΙ ΚΥΡΙΟΣ ΛΟΒΟΣ ΚΥΡΙΟΣ ΛΟΒΟΣ Τx Τx Rx Rx

32 R ΠΟΜΠΟΣ ΔΕΚΤΗΣ Κύριος λοβός ακτινοβολίας Γωνία 3 db θ Δευτερεύων λοβός ακτινοβολίας Πολικό διάγραμμα ακτινοβολίας

33 Ακτινοβολία η οποία οφείλεται σε Στάσιμο Κύμα Ρεύματος επί Κεραίας Διάνυσμα Poynting Διάγραμμα Ακτινοβολίας S r F = ( θ ) = μ 0 ε 0 cos Ι 8 π 0 r cos ( k l cosθ ) cos( k l) sin θ ( k l cosθ ) cos( k l) sin θ Διερεύνηση: F k l k l 1 = sin θ ( θ ) ( k l) k l 0 > π π π Ισχύει όταν: kl<<1 O Κύριος Λοβός γίνεται στενότερος Εμφανίζονται Πλευρικοί Λοβοί Οι Πλευρικοί Λοβοί γίνονται Ευρύτεροι του Κυρίως Λοβού

34 ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) sin cos cos cos sin cos cos cos 8 = Ι = θ θ θ θ θ π ε μ l k l k F l k l k r S r Πολικό διάγραμμα ακτινοβολίας

35 Εφαρμογή η : Εκτίμηση των απωλειών ραδιοδρόμου Site A Site B Tx A Rx A Transceiver A Tx B Rx B Transceiver B

36 Δορυφορικά δίκτυα GEO MEO LEO HAPS Εκτίμηση των απωλειών του ραδιοδρόμου Επίγεια δίκτυα Κινητή τηλεφωνία Ραδιοφωνία Τηλεόραση WiFi

37 Δορυφορικά δίκτυα

38 Κινητή Τηλεφωνία Όρια Κυψέλης MSC

39 Δίκτυα 4ης Γενιάς Μεταγωγή (Handover) + Περιαγωγή (Roaming) Ασυρματικά Δίκτυα & Διασύνδεση αυτών Στόχος: Διασύνδεση των Συνδρομητών με Ζεύξεις Οπτικής Επαφής για την βελτιστοποίηση του QoS Μεταγωγή Συστήματος (System Handover) Satellite Ασύρματα Δίκτυα Cellular Switch 基地局 HAPS SkyNet System Handover System Handover System Handover System Handover ITS Broadband Fixed Backbone Networks

40 Κινητή Τηλεφωνία Θέσεις Διαχείρισης Επίπεδο Διαχείρισης X 5 Δίκτυο Διεπαφές πρός - εξωτερικό IP network - PSTN - εξωτερικά ραδιο-δίκτυα SSW MSW SSW MSW MSW ΚύριοΚέντροΜεταγωγής (Μain Switch) Επίπεδο Μεταγωγής DL SSW Δευτερεύον Κέντρο Μεταγωγής (Secondary Switch) BS BS Σταθμός Βάσης Επίπεδο Ραδιο-δικτύου DL Ψηφιακή Ζεύξη

41 Π ΓΜ Κ ΚΑΝΑΛΙ πριν Κ μετά Κ ΓΜ Δ

42 Χαρακτηρισμός Ασύρματου Καναλιού υπό συνθήκες ισχυρών φαινομένων διαλείψεων Εμπλεκόμενες ασύρματες τεχνολογίες: UMTS

43 Rice Raleigh Nakagami Hoyt

44 Κινητή Τηλεφωνία P = E x H A Ισχύς σήματος στη θέση Α P A Α Β ( ) P = ExH B Ισχύς σήματος στη θέση Β PB Απώλειες ραδιοδρόμου PA P B Χαρακτηρισμός Ασύρματου Καναλιού (RF Modeling)

45 RF Modeling Παραμετροποίηση του Προβλήματος Επιλογή Γεωγραφικής Περιοχής Συσχέτιση των Τεχνικών Παραμέτρων Πειραματικές Μετρήσεις Εύρεση της Συνάρτησης του Path Loss Απεικόνιση του Path Loss σε σχέση με την Απόσταση Σύγκριση και εύρεση της απόκλισης των Θεωρητικών και Πειραματικών Τιμών Προσδιορισμός των Διορθωτικών Συντελεστών Βαρύτητας Τελική Μαθηματική Εκφραση του path Loss

46 S r = μ 0 ε 0 Ι 8 π 0 r cos ( k l cosθ ) cos( k l) sin θ 100 m r = Km F ( θ ) = cos ( k l cosθ ) cos( k l) sin θ Α P A Β P B θ l r Μακρινό πεδίο της κεραίας S r = f (r) P r = S r A eff I 0 μ0 ε 0 Gr = 1. λ r A = 100 m r B = Km P r = f (r) A λ = λ = 4 π eff G r c f ( m ) = sec 900 MHz G r = 1. r = Km Εκτίμηση των απωλειών του ραδιοδρόμου P A P B

47 Εφαρμογή 3 η : Εντοπισμός θέσης φορητής συσκευής Χρήση Δορυφορικών Δικτύων GPS GALILEO Χρήση Επίγειων Ασύρματων Δικτύων GSM

48 Σε ποια φιλοσοφία στηρίζεται ο εντοπισμός μιας φορητής συσκευής? Προϋπόθεση Επιλογή της τεχνολογίας του ασύρματου δικτύου Για την εφαρμογή επιλέγεται η τεχνολογία To πρόβλημα ανάγεται στον εντοπισμό φορητής συσκευής GSM (δηλαδή εντοπισμός ΚΙΝΗΤΟΥ που χρησιμοποιούμε)

49 Σε ποια φιλοσοφία στηρίζεται ο εντοπισμός μιας φορητής συσκευής? Τεχνική Μέθοδος τριγωνισμού (trilateration technique) Χρήση τουλάχιστον 3 κεραιοσυστημάτων σταθμών βάσης Προτεινόμενη μεθοδολογία Χρήση 6 κεραιοσυστημάτων σταθμών βάσης

50 Σε ποια φιλοσοφία στηρίζεται ο εντοπισμός μιας φορητής συσκευής? Αναγκαίος RF εξοπλισμός για την υλοποίηση της εφαρμογής Κεραιοσύστημα Σταθμού Βάσης (τεχνολογία GSM) Κινητό (φορητή συσκευή) [τεχνολογία GSM] To συγκεκριμένο κινητό υποστηρίζεται με λογισμικό όπου με χρήση πρακτόρων (agents) διαβάζει τις ηλεκτρικές παραμέτρους του συστήματος εκπομπής και την ακριβή στάθμη ισχύος του λαμβανομένου σήματος Τον αύξοντα αριθμό της κυψέλης ενδιαφέροντος (π.χ CELL 1) Τον αύξοντα αριθμό του καναλιού (δηλαδή την συχνότητα λειτουργίας) Την ακριβή τιμή της στάθμης του σήματος λήψης

51 Rohde & Schwarz CELL = αύξων αριθμός κυψέλης ΙΜΕΙ = Διεθνής ταυτότητα φορητής συσκευής (15 ψηφία) CH = Αύξων αριθμός καναλιού TS = Αύξων αριθμός χρονοθυρίδας (time slot) Tx = Κωδικός [ταυτότητα πομπού (αύξων αριθμός)] RM = Στάθμη λήψης στο δέκτη του σταθμού βάσης (dbm) BSIC = Κωδικός BTS [σύστημα εκπομπής λήψης του Σταθμού Βάσης]

52 Μέθοδος τριγωνισμού (trilateration technique) frequency reuse Το Σύστημα GSM λειτουργεί στην περιοχή των 900 MHz. Συγκεκριμένα: Άνω Ζεύξη (Up Link): Κάτω Ζεύξη (Down Link) : MHz MHz άνω ζεύξη κάτω ζεύξη Tx ΣΤΑΘΜΟΣ ΒΑΣΗΣ

53 Πίνακας 1: Συχνότητες Συστημάτων Κινητής Τηλεφωνίας System Band Uplink (MHz) Downlink (MHz) Channel number T-GSM dynamic T-GSM dynamic GSM GSM GSM dynamic GSM T-GSM dynamic GSM P-GSM E-GSM , 0-14 R-GSM , 0-14 T-GSM dynamic^ DCS ,710. 1, ,805. 1, PCS ,850. 1, ,930. 1,

54 Μέθοδος τριγωνισμού (trilateration technique) κάτω ζεύξη Για τις ανάγκες του εντοπισμού χρησιμοποιείται η ΚΑΤΩ ΖΕΥΞΗ Tx MHz Χρήση ενός κεραιοσυστήματος r Εντοπισμός σημαίνει ακριβείς ΓΕΩΓΡΑΦΙΚΕΣ ΣΥΝΤΕΤΑΓΜΕΝΕΣ

55 r Σε πρώτη φάση θα πρέπει να υπολογισθεί η απόσταση «r» ΘΑ ΠΡΕΠΕΙ ΝΑ ΓΝΩΡΙΖΟΥΜΕ Το μοντέλο ηλεκτρομαγνητικής διάδοσης Απώλειες του ραδιοδρόμου συναρτήσει της απόστασης

56 Εξίσωση των ασύρματων τηλεπικοινωνιών Απώλειες του ραδιοδρόμου συναρτήσει της απόστασης

57 Σε πρώτη φάση θα πρέπει να υπολογισθεί η απόσταση «r» P r P t Επομένως αν γνωρίζουμε: G r G t λ r Υπολογίζουμε την απόσταση «r»

58 Τι γνωρίζουμε εμείς στο πλαίσιο του εξοπλισμού που χρησιμοποιούμε?: ΓΝΩΣΤΟ: την ακριβή τιμή την γνωρίζουμε από τον κατασκευαστή της κεραίας (8 dbi) ΓΝΩΣΤΟ: την ακριβή τιμή την γνωρίζουμε από τον κατασκευαστή της κεραίας (1.) ΓΝΩΣΤΟ: την ακριβή τιμή την διαβάζουμε στη φορητή συσκευή (f) ΓΝΩΣΤΟ: την ακριβή τιμή της στάθμης την διαβάζω στη φορητή συσκευή ΓΝΩΣΤΟ: την ακριβή τιμή της στάθμης την γνωρίζει ο ΠΑΡΟΧΟΣ Μπορούμε όμως να την υπολογίσουμε με ακρίβεια ΛΥΝΟΥΜΕ ΤΗΝ ΕΞΙΣΩΣΗ ΩΣ ΠΡΟΣ «r» που είναι και ο μοναδικός άγνωστος

59 r Χρήση ενός (1) κεραιοσυστήματος r r Δεν μπορεί να προσδιορισθεί η ακριβής γεωγραφική θέση της φορητής συσκευής r?

60 Χρήση δύο () κεραιοσυστημάτων r 1 r f 1 f λ 1 λ r 1 r

61 Χρήση τριών (3) κεραιοσυστημάτων f 1 f r1 r f 3 r 3 λ 1 λ r 1 r λ 3 r 3

62 Προτεινόμενη μέθοδος: Χρήση εξ (6) κεραιοσυστημάτων r1 r r 3 r 6 r 4 r 5

63 Ακρίβεια του εντοπισμού με την προτεινόμενη μέθοδο Ακριβής χαρακτηρισμός του ασύρματου καναλιού Ακριβές μοντέλο ηλεκτρομαγνητικής διάδοσης για την γεωγραφική περιοχή ενδιαφέροντος όπου κινείται η φορητή συσκευή του κινητού συνδρομητή

64 Μοντέλο ηλεκτρομαγνητικής διάδοσης ( P ) = ( P ) + ( K ) r dbm t dbm Θεωρητική + Πειραματική ανάλυση db 10 n log 10 d d 0 db Απόσταση φορητής συσκευής: άγνωστος d1 d d3 d4 d5 d6 Απόσταση αναφοράς κεραίας: 100 m Δείκτης απωλειών του ασύρματου καναλιού Διαβάζεται κάθε φορά από την φορητή συσκευή K = 0 log 10 4 λ π d 0 f 1 f f 3 f f 4 5 f 6 λ = i c f i Πίνακας 3: Χαρακτηριστικά συστήματος εκπομπής και μέσου διάδοσης Cell 1 Cell Cell 3 Cell 4 Cell 5 Cell 6 λ 1 λ λ 3 λ λ 4 5 λ 6 n d m 100 m 100 m 100 m 100 m 100 m P t 66.6 dbm 1.46 dbm 54.3 dbm dbm dbm dbm Έχει υπολογισθεί με μεγάλη ακρίβεια Έχει υπολογισθεί με μεγάλη ακρίβεια Είναι γνωστό από τον ΠΑΡΟΧΟ (έχει επίσης υπολογισθεί)

65 Υλοποίηση υπηρεσίας εντοπισμού θέσης φορητής συσκευής από πλευράς ΠΑΡΟΧΟΥ Μαθηματικός τύπος της εξίσωσης των ασύρματων επικοινωνιών Ψηφιακός Χάρτης της γεωγραφικής περιοχής κάλυψης Ανάγνωση των ηλεκτρικών και ηλεκτρομαγνητικών παραμέτρων του ραδιοεξοπλισμού Ανάπτυξη λογισμικού εφαρμογής Η επεξεργασία του λογισμικού εφαρμογής θα πραγματοποιείται στο ΨΗΦΙΑΚΟ ΚΕΝΤΡΟ του Δικτύου Σύγκριση μεθόδων εντοπισμού θέσης Ανοικτές εξωτερικές γεωγραφικές περιοχές: Η απόκλιση της ακρίβειας είναι -3 μέτρα Τεχνική GPS Αστικές γεωγραφικές περιοχές: έχει παρατηρηθεί απόκλιση της ακρίβειας μέχρι και 10 μέτρα Εσωτερικοί χώροι: πρόβλημα μη εντοπισμού λόγω απώλειας δορυφορικού σήματος Ανοικτές εξωτερικές γεωγραφικές περιοχές: υψηλή ακρίβεια εντοπισμού Τεχνική EAT Αστικές γεωγραφικές περιοχές: υψηλή ακρίβεια εντοπισμού Εσωτερικοί χώροι: υψηλή ακρίβεια εντοπισμού