ΑΣΥΡΜΑΤΟ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ ΣΤΙΣ ΚΙΝΗΤΕΣ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΕΣ

Transcript

1 ΑΣΥΡΜΑΤΟ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ ΣΤΙΣ ΚΙΝΗΤΕΣ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΕΣ

2 Ραδιοδίαυλοι Ιδανικός Ραδιοδίαυλος Το λαµβανόµενο σήµα αποτελείται από ένα απευθείας λαµβανόµενο σήµα, από το οποίο ανακατασκευάζεται πλήρως το εκπεµπόµενο σήµα Στην πραγµατικότητα τέτοιος ραδιοδίαυλος δεν υπάρχει Σε περιβάλλον κινητών επικοινωνιών όπου η οπτική επαφή ποµπού και δέκτη δεν είναι εφικτή, στις πλείστες των περιπτώσεων είναι επιθυµητό το σήµα να µπορεί να λαµβάνεται από πολλές ανακλάσεις Απαραίτητη η γνώση των χαρακτηριστικών τους προκειµένου να χρησιµοποιηθούν κατάλληλα σχήµατα διαµόρφωσης/κωδικοποίησης κατάλληλοι εξισορροπητές (equalizers) αντίστοιχες κεραίες για ελάττωση ανεπιθύµητων επιδράσεων

3 Μηχανισµοί Ραδιοδιάδοσης Ανάκλαση (reflection) Πρόσκρουση ηλεκτροµαγνητικού κύµατος σε εµπόδιο µεγάλου µεγέθους σε σχέση µε το µήκος κύµατός του Περίθλαση ή διάθλαση (diffraction) Παρεµβολή αδιαπέραστου σώµατος παραγωγή δευτερογενών σηµάτων πίσω από το εµπόδιο, τα οποία φθάνουν στο δέκτη ακόµα και χωρίς οπτική επαφή Σκέδαση (scattering) Πρόσκρουση ηλεκτροµαγνητικού κύµατος σε εµπόδιο συγκρίσιµου µεγέθους σε σχέση µε το µήκος κύµατος (πχ φύλλα δέντρων/επιγραφές/φανάρια/λαµπτηρες) διάχυση επανεκποµπή ενέργειας σε πολλές διαφορετικές κατευθύνσεις Ανάλογα µετοπεριβάλλονλαµβάνεται αντίστοιχο σήµα µέσω των παραπάνω µηχανισµών

4 Μηχανισµοί Ραδιοδιάδοσης

5 Τυπικό µοντέλο ασύρµατης επικοινωνίας Μια η πολλαπλές υπερυψωµένες κεραίες (Σταθµοί Βάσης) Μια ενδεχόµενη διαδροµή οπτικής επαφής µεταξύ ποµπού και δέκτη (Line of Sight - LOS) Πολλαπλές διαδροµές χωρίς οπτική επαφή Μια κινητή κεραία ενός ακίνητου ή κινούµενου συνδροµητή πενθύµιση λ c f λ: µήκος κύµατος ενός ηλεκτροµαγνητικού κύµατος c: ταχύτητα του φωτός ( m/s) f: συχνότητα

6 Επίδραση κινητικότητας Αν δεν είχαµε καµία κίνηση τότε οι πολλαπλές διαδροµές του σήµατος θα ήταν αµετάβλητες χρονικά Αν ο χρήστης κινείται ή/και το περιβάλλον κινείται κάθε διαδροµή µεταβάλλεται χρονικά προκαλώντας µε τη σειρά τους χρονικά µεταβαλλόµενο λαµβανόµενο σήµα. (Κάποιες διαδροµές σηµάτων εξασθενούν άλλες εµφανίζονται)

7 Περιβάλλον κινητών επικοινωνιών Αγροτικές / Ηµιαστικές / Αστικές Περιοχές Πλάτος κτιρίων 15~30m Ύψος κτιρίων ~5 m (+ουρανοξύστες) Για να έχουµε ανακλάσεις πρέπει το µήκος κύµατος να είναι αρκετά µικρότερο των αντικειµένων πρόσκρουσης (διαφορετικά το σήµα «αγκαλιάζει» τα αντικείµενα και τα προσπερνά) Άρα: η συχνότητα πρέπει να είναι µεγαλύτερη από 30 MHz ή λ 10m για να έχουµε σήµα (στο δέκτη) από πολλαπλές ανακλάσεις όπως είναι επιθυµητό στις κινητές επικοινωνίες

8 πώλειες διάδοσης στον ελεύθερο χώρο Απόσβεση Ισχύος στην είσοδο του δέκτη: (1/απόσταση ) (1/συχνότητα ) 1000Km 100~150 Km επιφανειακή διάδοση χωρική διάδοση point to point διάδοση LF MF HF VHF UHF SHF EHF 30 KHz 300 KHz 3 MHz 30 MHz 300 MHz 3 GHz 30 GHz Παράδειγµα GSM: 900 MHz DCS: 1800 MHz Το GSM 900 χρειάζεται περίπου διπλάσιες κεραίες σε µέγεθος από το DCS 1800 διότι το λ 900 λ 1800

9 Στάθµη λαµβανόµενου σήµατος

10 Στάθµη λαµβανόµενου σήµατος Λαµβανόµενο σήµα υπέρθεση όλων των συνιστωσών-διαδροµών Βραχυχρόνιες ιαλείψεις: απότοµη µεταβολή έως και 30-40dB για πολύ µικρές µετακινήσεις της τάξης κλάσµατος κύµατος Μεγάλης κλίµακας µεταβολή: εξασθένηση τοπικής µέσης ισχύος καθώς αυξάνει η απόσταση ποµπού δέκτη

11 Επίδραση περιβάλλοντος στη διάδοση Η διάδοση των ηλεκτροµαγνητικών κυµάτων σε περιβάλλοντα κινητών επικοινωνιών χαρακτηρίζεται από τρία επιµέρους φαινόµενα: Απώλειες διαδροµής (Path Loss) Σκίαση (Shadowing) ιαλείψεις πολλαπλών διαδροµών (Multipath Fading), οι οποίες περιγράφονται από: ιαλείψεις περιβάλλουσας: κατανοµή πλάτους µη επιλεκτική ως προς τη συχνότητα Εξάπλωση Doppler: χρονικά µεταβαλλόµενος θόρυβος τυχαίας φάσης Εξάπλωση χρονοκαθυστέρησης: µεταβλητή απόσταση διάδοσης των ανακλώµενων σηµάτων προκαλεί χρονικές µεταβολές στα ανακλώµενα σήµατα

12 Απώλειες διαδροµής Αν υποθέσουµε ότι ο σταθµός βάσης εκπέµπει ισχύ εξόδου P T watt από κεραία µε κατευθυντικό κέρδος G T και ότι ο δέκτης βρίσκεται σε απόσταση d µέτρων από τον ποµπό, τότε η µέση επιφανειακή πυκνότητα ισχύος (η µέση τιµή του διανύσµατος Poynting) στον δέκτη δίνεται από τη σχέση PT GT S W/m² (1) 0 4πd Αν E 0 και H 0 οι ενεργές τιµές της έντασης του ηλεκτρικού και του µαγνητικού πεδίου στη λήψη αντίστοιχα τότε η µέση τιµή του διανύσµατος αυτού µπορεί να εκφραστεί ως εξής S E W/m² () 0 0 H0 H 0 όπου A/m (3) 0 E 10π Από τις σχέσεις (1), () και (3) λαµβάνουµε τη σχέση µεταξύ της ενεργού τιµής E 0 της έντασης του ηλεκτρικού πεδίου στη λήψη και της εκπεµπόµενης ισχύος P G T T 30P G T T E0 d V/m (4)

13 Απώλειες διάδοσης στον ελεύθερο χώρο Η µέση ισχύς που λαµβάνεται από το κινητό τερµατικό P R δίνεται από τη σχέση W (5) όπου A r G R λ²/ 4π είναι η ενεργός επιφάνεια της κεραίας του κινητού και G R το κέρδος της κεραίας λήψης W (6) Από τις σχέσεις (4) και (6) προκύπτει η σχέση µεταξύ της λαµβανόµενης και εκπεµπόµενης ισχύος > (7) R A r E P 10π R R G E P π λ f d c G P G P T R T R π 4 d G P G P T R T R π λ

14 Απώλειες διάδοσης στον ελεύθερο χώρο Απώλειες διάδοσης ή απώλειες διαδροµής είναι ο λόγος της ισχύος που ακτινοβολείται από την κεραία του σταθµού βάσης προς την ισχύ που λαµβάνεται από την κεραία του κινητού. Όταν το σύστηµα λειτουργεί στον ελεύθερο χώρο οι απώλειες διάδοσης L f για ισοτροπικές κεραίες δηλ. µε µοναδιαίο κέρδος (G R G T 1) δίνονται από την σχέση και σε db L f L f ( db) P P T R 4π d λ 4π d c / f 4πd 4πd 10 log 10 log λ c / f 4πd 4π 0 log 10 0log10 + 0log10 d + 0log c / f c Η παραπάνω σχέση δείχνει ότι οι απώλειες εξαρτώνται από το τετράγωνο της απόστασης του κινητού τερµατικού από τον σταθµό βάσης. Επίσης, όταν µειώνεται το µήκος κύµατος, δηλ. αυξάνεται η συχνότητα εκποµπής αυξάνουν 10 f (8)

15 Σχετική στάθµη ισχύος Όταν θέλουµε να εκφράσουµε τη σχετική ισχύ P Rel της ισχύος P ως προς µια συγκεκριµένη στάθµη αναφοράς P Ref τότε θα έχουµε P 10 log Re l 10 όπου τα µεγέθη P και P ref εκφράζονται στις ίδιες µονάδες Μέτρησης. Αν P Ref 1mW τότε η στάθµη P Rel εκφράζεται σε dbm δηλ. Αν P Ref 1W τότε η στάθµη P Rel εκφράζεται σε dbw δηλ. P P Re f P P dbm 10log10 1 mw P P dbw 10log10 1 W

16 Απώλειες διάδοσης σε συστήµατα διάδοσης µη-οπτικής και οπτικής επαφής

17 Απώλειες διάδοσης σε συστήµατα διάδοσης µη-οπτικής και οπτικής επαφής Απώλειες διάδοσης LOS + N-LOS: Βάσει εµπειρικών δεδοµένων, ισχύει: L( d) Όπου n : εκθέτης των απωλειών διαδροµής d : απόσταση µεταξύ κεραιών εκποµπής και λήψης d 0 : απόσταση αναφοράς ή απόσταση µέχρι την οποία ισχύει LOS L f : Απώλειες διαδροµής σε απόσταση d 0 και διάδοση LOS L : απώλειες διαδροµής για συνδυασµένη διάδοση LOS + NLOS εσωτερικοί χώροι: n 4, d 0 1-3m εξωτερικοί χώροι: 3.5 n 5, d 0 1km L f d d 0 n

18 Μέγιστη απόσταση ραδιοκάλυψης ιάδοση οπτικής επαφής (LOS): όπου P Rmin,η ελάχιστη ισχύς του δέκτη Στο σύστηµα GSM, η ελάχιστη ισχύς P rmin που πρέπει να έχει το κινητό τερµατικό για να ανακατασκευάσει το σήµα είναι 110 dbm ιάδοση µη-οπτικής επαφής(nlos): min 4 d G G P P T R T R π λ min max 4 d P P G G d R T R T π λ n R T R T d P G P G d 1 0 min max 4 π λ

19 Σκίαση Σε δύο σηµεία τα οποία έχουν την ίδια απόσταση από ποµπό, το σήµα µπορεί να είναι πολύ διαφορετικό λόγω της αταξίας του περιβάλλοντος. Οφείλεται στην ύπαρξη εµποδίων (κτίρια, δέντρα, λόφοι) που παρεµβάλλονται µεταξύ ποµπού και δέκτη και το σήµα είναι τυχαία εξασθενισµένο (µε ίδιο λ αλλά µε µικρότερο πλάτος) Αρα η τιµή απωλειών διαδροµής σε µια απόσταση τελικά είναι τυχαία και µοντελοποιείται µε κάποια κατανοµή γύρω από τη µέση τιµή που υπολογίζεται βάση της απόστασης λ λ

20 ιαλείψεις πολλαπλών διαδροµών

21 ιαλείψεις περιβάλλουσας

22 ιαλείψεις περιβάλλουσας Έστω σταθµός βάσης εκπέµπει σήµα S διαµορφωµένο κατά φάση µε σταθερή περιβάλλουσα. Η µιγαδική του έκφραση δίνεται από τη σχέση: j π fct+ψ ( t) S ( ) s όπου Α: σταθερά t t A e f c : η συχνότητα του φέροντος ψ s (t) :η φάση του διαµορφωµένου κατά συχνότητα σήµατος [ ] Η χαρακτηριστική του µέσου µετάδοσης εκφράζεται ως: ψ p( t) όπου r(t) : η χρονικά µεταβαλλόµενη περιβάλλουσα ψ r (t) : η φάση της χαρακτηριστικής του µέσου διάδοσης s ( t ) r( t) e jψr ( t) Το µεταδιδόµενο σήµα S t (t) το οποίο έχει σταθερή περιβάλλουσα πολλαπλασιάζεται µε τη χρονικά µεταβαλλόµενη τυχαία χαρακτηριστική του µέσου διάδοσης, p(t) (µοντέλο γινοµένου). Η µιγαδική περιβάλλουσα του λαµβανόµενου από το κινητό σήµατος S r (t) δίνεται από τη σχέση: S r ( t) j S t ( t) p( t) A r( t) e [ π fct+ ψ ( t) + ψ ( t) ] s r

23 Μακροχρόνιες διαλείψεις

24 Κατανοµή Rayleigh Η κατανοµή Rayleigh είναι ένα µαθηµατικό µοντέλο που χρησιµοποιείται για την περιγραφή της τυχαίας φύσης της λαµβανόµενης ισχύος. Περιγράφει την πιθανότητα το επίπεδο ισχύος που λαµβάνεται, να βρίσκεται σε κάποιο εύρος τιµών Παριστάνει ουσιαστικά την εξασθένιση της έντασης του πεδίου σε συνάρτηση µε την απόσταση από τον Σ.Β. (Η ένταση του πεδίου µεταβάλλεται χρονικά και ανάλογα µε τη συχνότητα ) Αποδεικνύεται πως είναι ένα αρκετά ακριβές µαθηµατικό µοντέλο

25 Εξάπλωση χρονοκαθυστέρησης Αν τα γύρω αντικείµενα είναι ακίνητα και κινείται µόνο το κινητό, τότε οι διαλείψεις είναι καθαρά χωρικό φαινόµενο. Οι µεταβολές του σήµατος στον χώρο µπορεί να θεωρηθούν από τον δέκτη ως χρονικές καθυστερήσεις, καθώς αυτός κινείται σε περιοχή όπου υπάρχουν πολλαπλές διαδροµές. Κοντινές ανακλάσεις: προκαλούν απότοµες αλλαγές στην ένταση του σήµατος (εξαρτώνται από τη συχνότητα frequency selective) Μακρινές ανακλάσεις (µε µεγάλη καθυστέρηση φάσης): προκαλούν εξάπλωση χρονοκαθυστέρησης (χρονική καθυστέρηση µεταξύ σήµατος LOS και πιο αργής ανάκλασης ή γρηγορότερης ανάκλασης και πιο αργής ανάκλασης) Στα αναλογικά συστήµατα ηχώ Στα ψηφιακά συστήµατα διασυµβολική παρεµβολή (παρεµβολή διαδοχικών συµβολών ή bits)

26 Ολίσθηση Doppler Έστω κινητό τερµατικό που κινείται µε ταχύτητα vµεταξύ των θέσεων X και Y, που απέχουν µεταξύ τους απόσταση d, ενώ ταυτόχρονα λαµβάνεται σήµα από S πηγή S. l θ θ X v Η διαφορά l των διαδροµών από την πηγή S προς τα σηµεία X και Y είναι: l dcosθ v t cosθ, όπου t είναι ο χρόνος από το X στο Y Η αλλαγή στη φάση του λαµβανόµενου σήµατος είναι: φ π l πv t λ λ Συνεπώς η φαινοµενική ολίσθηση συχνότητας η ολίσθηση Doppler δίνεται από τη σχέση: Y cosθ f φ D π l v cosθ λ f D

27 Ολίσθηση Doppler Αν το κινητό κινείται προς την κατεύθυνση της πηγής τότε τα ραδιοκύµατα που λαµβάνει συνεχώς προηγούνται χρονικά, δηλαδή η γωνία φάσης είναι θετική, δηλαδή η ολίσθηση είναι θετική ηφαινοµενική συχνότητα αυξάνει Αν το κινητό αποµακρύνεται από την κατεύθυνση άφιξης του κύµατος τότε τα ραδιοκύµατα έπονται χρονικά, δηλαδή η γωνία φάσης είναι αρνητική,δηλαδή η ολίσθηση είναι αρνητική ηφαινοµενική συχνότητα ελαττώνεται Άρα το φαινόµενο Doppler έχει ως αποτέλεσµα την αύξηση της συχνότητας κατά την προσέγγιση του Σταθµού Βάσης και την µείωσή της κατά την αποµάκρυνση από τον Σταθµό Βάσης

28 Παράδειγµα Σταθµός Βάσης εκπέµπει f c 900 MHz Κινητό τερµατικό κινείται µε ταχύτητα Μέγιστη απόκλιση για θ 0,cosθ 1 Υπολογισµός µετατόπισης Doppler v 60km / h v : f D λ 3 v v v fc f Hz D λ 8 c c f c Αν το κινητό κινείται προς τον ΣΒ τότε η λαµβανόµενη συχνότητα ισούται µε: f 6 fc + f D Hz Αν το κινητό αποµακρύνεται από τον ΣΒ τότε η λαµβανόµενη συχνότητα ισούται µε: f 6 fc f D Hz Σε περίπτωση που το κινητό κινείται σε κατεύθυνση κάθετη προς την κατεύθυνση άφιξης του µεταδιδόµενου σήµατος, η γωνία θ 90 και cosθ 0, οπότε δεν υπάρχει ολίσθηση Doppler. Η συχνότητα του λαµβανόµενου σήµατος είναι ίδια µε τη συχνότητα του φέροντος, δηλαδή f c 900 MHz

29 Μερικά αντίµετρα Εξισορρόπηση Viterbi: Στέλνεται ακολουθία bits (training sequence) γνωστή στον δέκτη. Αναλύοντας την επίδραση του περιβάλλοντος στο σήµα πουέπρεπενα λάβουµε, µοντελοποιούµετοασύρµατο κανάλι σαν ένα φίλτρο. Άρα στον δεκτή χρησιµοποιούµε το αντίστροφο φίλτρο για τα λαµβανόµενα σήµατα υναµική µεταβολή του φίλτρου (Συνεχής ενηµέρωση και υπολογισµός) Channel Coding (για frequency dips) Interleaving Εξάπλωση της πληροφορίας σε πολλά bursts (time slots) Frequency hopping ( Frequency Diversity ) Σε διαδοχικά bursts οι συχνότητες εκποµπής εναλλάσσονται Antenna Diversity ύοκεραίεςστοσβγιατηλήψητουσήµατος. Αν υπάρχει fading dip στη µια κεραία η άλλη να µπορεί να λάβει το σήµα.