Εισαγωγή Multipath fading path loss (Outage) Υπολογισµοί για το Multipath Fade Outage µε το ITU-R Rec

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ και ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ Βασίλης Χατζηαθανασίου Ιωάννης Άγγελος Μπάτας Μάριος Παυλίδης Σωκράτης Κουρτσίδης ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΑΣΥΡΜΑΤΑ ΔΙΚΤΥΑ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΔΙΑΔΟΣΗ ΣΕ ΑΣΤΙΚΟ ΧΩΡΟ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ & ΠΡΟΣΩΜΟΙΩΣΕΙΣ Επιβλέπων: Αναπληρωτής Καθηγητής Θωμάς Δ. Ξένος Θεσσαλονίκη, Μάρτιος 2005

2 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Εισαγωγή 1 1ο κεφάλαιο: Περιγραφή µοντέλων διάδοσης 1.1 Γενικά Μοντέλο Free Area Μοντέλο Free Area + RMD Μοντέλο απωλειών ανακλάσεων και πολλαπλών διαθλάσεων (RMD) α Υπολογισµός συντελεστή ανάκλασης β Υπολογισµός της εξασθένησης λόγω εδαφικής διαθλαστικότητας (Terrain Diffraction Attenuation) γ Απώλειες διαταραχών (Clutter loss) Μοντέλο Okumura (Hata) Μοντέλο Hata Extended / Epstein-Peterson diffraction Μοντέλο COST 231 Walfisch - Ikegami ο κεφάλαιο: Περιγραφή του ασύρµατου δικτύου - Υπολογισµοί ραδιοζεύξης (link budget) 2.1 Ασύρµατα δίκτυα - Γενικά Εξοπλισµός ενός ασύρµατου δικτύου Το ασύρµατα σχολικό δίκτυο της Θεσσαλονίκης Περιγραφή του δικτύου Link budget. 43 3ο κεφάλαιο: Link study µε το πρόγραµµα EDX signalpro (έκδοση 2.0) 3.1 Γενικά για το EDX signalpro ηµιουργία και απεικόνιση χάρτη ηµιουργία των link Επιλογή µοντέλων διάδοσης Μαθηµατικοί υπολογισµοί για τη διαθεσιµότητα ζεύξης Εισαγωγή Χρονική µεταβλητότητα (Time variability) Χωρική µεταβλητότητα (Location variability) Το περιθώριο διαλείψεων (Fade margin) Το επίπεδο περιθώριο διαλείψεων (flat fade margin) Το διαφορικό περιθώριο διαλείψεων (dispersive or frequency-selective fade margin) Multipath fading path loss (Outage) Υπολογισµοί για το Multipath Fade Outage µε το ITU-R Rec

3 3.5.9 Diversity reception improvement Rain path loss (Outage) Crane rain outage calculations Υπολογισµός του rain outage σύµφωνα µε το ITU-R Ετήσια διαθεσιµότητα της ζεύξης (Annual link availability) ο κεφάλαιο: Προσοµοιωτική µελέτη µε το EDX signalpro Αποτελέσµατα 4.1 Γενικά ήλωση των link στο πρόγραµµα EDX signalpro Link study 1 (Κτίριο σεισµολογικού Λύκειο Ευκλείδη) Link study 2 (Κτίριο σεισµολογικού 31 ο Γυµνάσιο παραλίας) Link study 2 (Κτίριο σεισµολογικού Λύκειο Περαίας) ο κεφάλαιο: Εκτίµηση αποτελεσµάτων - Συµπεράσµατα 5.1 Παρατηρήσεις Γενικά συµπεράσµατα Πίνακες και διαγράµµατα Ζεύξη σεισµολογικού λυκείου Ευκλείδη Ζεύξη σεισµολογικού 31 ου γυµνασίου (παραλία) Ζεύξη σεισµολογικού λυκείου Περαίας ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α : ήλωση ενός διαγράµµατος ακτινοβολίας µιας κεραίας στο πρόγραµµα EDX signal pro v ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Β : Βασικοί όροι και ορισµοί. 166 Β.1 db. 167 B.2 Στάθµη σήµατος (RF Power Level). 167 B.3 Εξασθένηση. 167 B.4 Απώλεια καναλιού µετάδοσης (Path Loss) 168 B.5 Εξασθένηση ελεύθερου χώρου (Free Space Loss) B.6 Χαρακτηριστικά κεραιών. 168 B.7 Χαρακτηριστικά συστήµατος B.8 Φθορά σήµατος (signal fading) 171 B.9 Line Of Sight (LOS) και Fresnel Zone. 173 Βιβλιογραφία

4 Εισαγωγή. Εισαγωγή. Τα τελευταία έτη, οι τηλεπικοινωνιακές εφαρμογές έχουν αναβαθμισθεί ποσοτικά και ποιοτικά λόγω της ταχείας διάδοσης της χρήσης του Διαδικτύου και της τεχνολογικής προόδου που έχει συντελεστεί σε συναφείς με τις τηλεπικοινωνίες τομείς της επιστήμης. Αναντίρρητα, λοιπόν, η αρχή της τρίτης χιλιετίας μπορεί να χαρακτηριστεί ως δικτυακή εποχή. Η εξάπλωση των δικτύων υπολογιστών συντελείται µε τέτοιο ρυθμό, που πλέον έχει γίνει αναπόσπαστο κοµµάτι της καθημερινής ζωής του σύγχρονου ανθρώπου. Οι υπολογιστές μετατρέπονται από μεµονωµένες μονάδες σε μέρη ενός ευρύτερου συνόλου. Χαρακτηριστικότερο παράδειγμα αποτελεί η εξάπλωση του internet, του μεγαλύτερου δικτύου του κόσμου. Αιτία αυτής της εξάπλωσης είναι η διαρκής ανάγκη για γρηγορότερη και πιο αποτελεσματική διακίνηση της πληροφορίας. Εκτιμάται ότι η ποσότητα της πληροφορίας που διακινείται παγκόσμια διπλασιάζεται κάθε 100 ημέρες. Η χρήση των υπολογιστών και η νέα τεχνολογία δικτύων είναι απαραίτητη για την ταχύτατη επεξεργασία, οργάνωση και αποστολή αυτού του όγκου πληροφορίας. Επιπλέον, η εδραίωση των δικτύων, έχει επιφέρει δραστικές αλλαγές και στις υπηρεσίες που προσφέρονται, µε αποτέλεσμα να έχουν εμφανιστεί πληθώρα από δικτυακές εφαρμογές και καινούργιες υπηρεσίες. Ένα δίκτυο υπολογιστών αποτελείται από δύο η περισσότερους υπολογιστές συνδεδεμένους μεταξύ τους έτσι ώστε να ανταλλάσσουν πληροφορίες. Η σύνδεση μπορεί να είναι ενσύρματη ή ασύρματη. Ένα ασύρματο δίκτυο δεν χρησιμοποιεί καλώδια για τις συνδέσεις των υπολογιστών, αλλά μετάδοση µέσω ειδικά διαµορφωµένων οπτικών, υπέρυθρων ή ακόμα και ραδιοκυµατικών σημάτων. Τα πλεονεκτήματα του είναι πολλά, όπως η κινητικότητα του χρήστη, η ευκολία και ευελιξία στην εγκατάσταση του, η κλιμάκωση και η εύκολη επέκτασή του, το σχετικά χαμηλό κόστος του, οι ταχύτητες μεταδόσεις και η αξιοπιστία του. Η παρούσα διπλωματική εργασία έχει ως σκοπό τη μελέτη της συμπεριφοράς ενός ασύρματου δικτύου υπό αστικό περιβάλλον, εστιάζοντας κυρίως στις παραμέτρους διάδοσης του σήματος μεταξύ των κεραιών εκπομπής και λήψης. Μελετώνται τρεις διαφορετικές ζεύξεις του ασύρματου σχολικού δικτύου. Αυτές είναι 1

5 Εισαγωγή. μεταξύ κτιρίου σεισμολογικού (κεραία εκπομπής) και των σχολικών μονάδων του λυκείου Ευκλείδη, του 31 ου γυμνασίου (παραλία) και του λυκείου Περαίας. Στο πρώτο κεφάλαιο αναφέρονται τα μοντέλα διάδοσης που χρησιμοποιούνται από το πρόγραμμα προσομοιωτικών μελετών EDX signalpro v2.0 και οι μέθοδοι πρόβλεψης που χρησιμοποιούν. Συγκεκριμένα, τα Free area + RMD, Okumura (Hata), Hata extended / Epstein - Peterson, COST 231 Hata και COST 231 Walfisch Ikegami. Στο δεύτερο κεφάλαιο γίνεται γενική περιγραφή της έννοιας του ασύρματου δικτύου και του εξοπλισμού του και μια σύντομη αναφορά στο ασύρματο σχολικό δίκτυο της Θεσσαλονίκης του οποίου ο φορέας υλοποίησης είναι το Α.Π.Θ. Τέλος, εξηγείται η έννοια του Link budget που είναι υπολογισμοί με τους οποίους αξιολογείται η ραδιοζεύξη για μια ορισμένη συχνότητα, data rate και bandwidth. Στο τρίτο κεφάλαιο περιγράφεται γενικά το πρόγραμμα EDX signalpro v2.0 και η διαδικασία της προσομοιωτικής μελέτης ζεύξης (link study) μέσω του προγράμματος. Επιπρόσθετα, στο τέλος του κεφαλαίου δίνονται οι κυριότερες παράμετροι που εισάγονται στο πρόγραμμα και οι μαθηματικοί τύποι με τους οποίους το τελευταίο υπολογίζει την διαθεσιμότητα της ζεύξης. Στο τέταρτο κεφάλαιο δίνονται τα στοιχεία και τα αποτελέσματα της προσομοιωτικής διαδικασίας για κάθε σχολείο χωριστά. Τέλος, στο πέμπτο κεφάλαιο παρατίθενται τα βασικά διαγράμματα των αποτελεσμάτων και εξάγονται τα απαραίτητα συμπεράσματα. Όπως σε κάθε άλλη προσπάθεια, θα θέλαμε να ευχαριστήσουμε για την καθοδήγησή του τον επιβλέποντα καθηγητή μας Θωμά Δ. Ξένο. Ιδιαίτερες ευχαριστίες στην κυρία Δάφνη Π. Μεϊμαρίδου υποψήφια διδάκτωρ του τμήματος ηλεκτρολόγων μηχανικών & μηχανικών υπολογιστών, η οποία μας παρείχε τον απαραίτητο τεχνολογικό εξοπλισμό και με την καθοδήγησή της συνέβαλε στην ολοκλήρωση της διπλωματικής εργασίας. Επίσης, όλους εκείνους που συνέβαλαν καθοριστικά στη συγγραφή αυτού του συγγράμματος, όπως τους φίλους συμφοιτητές και μεταπτυχιακούς, τους εργαζόμενους της φοιτητικής λέσχης και του κεντρικού αναγνωστηρίου Α.Π.Θ., την δεσποινίδα Aθηνά Πανά που μας βοήθησε στη δακτυλογράφηση, τα παιδιά του εργαστηρίου Ηλεκτρομαγνητικών εφαρμογών και υπολογισμών για τις πολύτιμες συμβουλές τους και τον Μανώλη Παπαδοκαλάκη (η διπλωματική του εργασία υπήρξε η βάση για τη συγγραφή της παρούσας). 2

6 Κεφάλαιο 1ο: Περιγραφή µοντέλων διάδοσης. Κεφάλαιο 1ο Περιγραφή Μοντέλων διάδοσης. 1.1 ΓΕΝΙΚΑ. Ένα από τα θεµελιώδη στοιχεία του σχεδιασµού τηλεπικοινωνιακών συστηµάτων είναι η πρόβλεψη της έντασης σήµατος σε κάποια τοποθεσία ως αποτέλεσµα ενός ποµπού που βρίσκεται σε µια άλλη τοποθεσία. Η µετάδοση ηλεκτροµαγνητικών κυµάτων από ένα σηµείο σε κάποιο άλλο είναι ένα σύνθετο φυσικό φαινόµενο, ειδικά όταν το περιβάλλον είναι πολυσύνθετο, µε πολλά διαφορετικά στοιχεία, όπως βουνά, κτίρια, πυκνή βλάστηση, καθώς και µεταβαλλόµενες ατµοσφαιρικές συνθήκες, βροχές και άλλα µεταβλητά στοιχεία. Εξαρτώµενα από τη συχνότητα µετάδοσης, την τοποθεσία κτλ., όλα τα παραπάνω µπορούν ενδεχοµένως να επηρεάσουν σε κάποιο βαθµό την ένταση του σήµατος του ποµπού. Επειδή, όπως ειπώθηκε, αυτό είναι ένα σύνθετο φαινόµενο, δεν είναι δυνατή η πρόβλεψη της έντασης του πεδίου ή των απωλειών διάδοσης µε ακρίβεια. Ως αποτέλεσµα, µε τα χρόνια τα µοντέλα αναπτύσσονται συνεχώς, προσπαθώντας να εκτιµήσουν όσο το δυνατόν ακριβέστερα τις απώλειες διάδοσης και τις µεταβλητές της 1. Ωστόσο, όλα τα µοντέλα δεν σχεδιάζονται το ίδιο. Λόγω της εξάρτησής τους από τις περιστάσεις, τη συχνότητα, τον τύπο δικτύου και την εµπειρία των µηχανικών που τα σχεδιάζουν, κάθε µοντέλο ακολουθεί διαφορετικό αλγόριθµο πρόβλεψης. Στο παρόν κεφάλαιο θα παρουσιαστούν πέντε µοντέλα διάδοσης που χρησιµοποιούνται από το πρόγραµµα προσοµοιωτικών µελετών ραδιοκάλυψης EDX Signal Pro και οι µέθοδοι πρόβλεψης που χρησιµοποιούν. Συγκεκριµένα τα: Free Area + RMD, Okumura Hata, Hata extended /Epstein Peterson, COST 231 Hata και COST 231 Walfisch Ikegami. 1 EDX Engineering, Inc., EDX Software Reference Manual, κεφ. 24 σελ. 7, Eugene

7 Κεφάλαιο 1ο: Περιγραφή µοντέλων διάδοσης. 1.2 ΜΟΝΤΕΛΟ FREE AREA. Οι εξισώσεις του µοντέλου ελεύθερου χώρου (Free Space) χρησιµοποιούνται µόνες τους µόνο σε πολύ απλές περιπτώσεις διάδοσης. Στην πλειονότητα των καταστάσεων υπάρχουν σχεδόν πάντα εµπόδια µέσα ή κοντά στη διαδροµή διάδοσης ή επιφάνειες στις οποίες τα ραδιοκύµατα µπορούν να ανακλαστούν. Παρόλα αυτά είναι ένα από τα πολύ γνωστά µοντέλα διάδοσης, διότι αποτελεί βασικό µηχανισµό διάδοσης και είναι κύριο συστατικό στοιχείο στα περισσότερα άλλα µοντέλα. Αν µία κατευθυντική κεραία εκποµπής βρίσκεται σε ελεύθερο χώρο (χωρίς εµπόδια), τότε, εάν το κέρδος της προς την κατεύθυνση του δέκτη είναι G T, η πυκνότητα ισχύος σε µια απόσταση d προς την κατεύθυνση αυτή δίνεται από τον τύπο: W = PG T 4πd T (1.1) όπου P T η ισχύς τροφοδοσίας. Η διαθέσιµη ισχύς στην κεραία λήψης, η οποία έχει ενεργό επιφάνεια: είναι τότε: A = λ 4π 2 G R (1.2) P R 2 PG T T PG T T λ G R = A= 2 2 4πd 4πd 4π (1.3) όπου G R το κέρδος της κεραίας λήψης. Σχηµατίζουµε το λόγο P P R T λ = GG T R 4πd 2 (1.4) 4

8 Κεφάλαιο 1ο: Περιγραφή µοντέλων διάδοσης. Η εξίσωση αυτή είναι γνωστή ως εξίσωση ελεύθερου χώρου (free space equation) 2. Χρησιµοποιώντας τη σχέση της ταχύτητας διάδοσης c κύµατος και f η συχνότητα, καταλήγουµε στην εξίσωση: = λ f, όπου λ το µήκος P P R T c = GG T R 4 πfd 2 (1.5) 2 Οι παραπάνω εξισώσεις µπορούν να χρησιµοποιηθούν για d 2 a / λ, όπου α είναι η µεγαλύτερη γραµµική διάσταση µιας εκ των δύο κεραιών. Μεγάλης σηµασίας είναι ο υπολογισµός της µέγιστης δυνατής απόστασης µεταδόσεως του ηλεκτροµαγνητικού κύµατος στον ελεύθερο χώρο. Αν P Rmin είναι η ελάχιστη ισχύς λήψης στους ακροδέκτες της κεραίας λήψεως, ικανή να δώσει ακόµη ένα χρήσιµο σήµα, και Ρ Τ η ισχύς µετάδοσης στους ακροδέκτες της κεραίας εκποµπής, τότε η µέγιστη απόσταση διάδοσης στον ελεύθερο χώρο είναι 3 : d 0 GGλ = = 4π P P 2 T R T R min (1.6) Ο λόγος Ρ Τ /P R ονοµάζεται απώλειες διάδοσης (ή απώλειες διαδροµής) στον ελεύθερο χώρο και εκφράζεται συνήθως σε db. Από την εξίσωση (1.5) µπορούµε να γράψουµε: LF ( db) = 10 log 10( PT / PR) = 10 log G 10 log G + 20 log f + 20 log d + k 10 T 10 R (1.7) 4π k = 20 log = όπου 10 8 Συνήθως είναι χρήσιµο να συγκρίνονται οι απώλειες διαδροµής µε τις βασικές απώλειες L B µεταξύ ισοτροπικών κεραιών, οι οποίες είναι: ( ) ( ) L db = log f + 20 log d B 10 MHz 10 Km (1.8) 2 Larsons J. D., The Mobile Radio Propagation Channel, σελ , John Wiley & Sons Ltd Κουρής Σ. Σ., Στοιχεία θεωρίας κεραιών και διάδοσης ηλεκτροµαγνητικών κυµάτων (Σηµειώσεις τηλεπικοινωνίας), σελ. 184, Θεσσαλονίκη

9 Κεφάλαιο 1ο: Περιγραφή µοντέλων διάδοσης. Η εξίσωση (1.5) δείχνει ότι η διάδοση ελεύθερου χώρου είναι αντιστρόφως ανάλογη του τετραγώνου της απόστασης d. Έτσι, η λαµβανόµενη ισχύς µειώνεται κατά 6 db, όταν η απόσταση διπλασιάζεται. Παρόµοια, οι απώλειες διαδροµής αυξάνουν µε το τετράγωνο της συχνότητας εκποµπής, άρα οι απώλειες αυξάνουν επίσης κατά 6 db, εάν η συχνότητα διπλασιαστεί. Η πυκνότητα ισχύος και η ένταση πεδίου συνδέονται από τη σχέση W 2 E = η (1.9) όπου η είναι η χαρακτηριστική σύνθετη αντίσταση του κύµατος στον ελεύθερο χώρο µε τιµή ίση περίπου µε 120π 377. Έτσι, η (1.1) µπορεί να γραφεί: η οποία µας δίνει 2 E PG T = 120π 4πd T 2 (1.10) E = 30PG T T d (1.11) δέκτη είναι 4 : Η µέγιστη χρήσιµη ισχύς που µπορεί να παραδοθεί στους ακροδέκτες ενός P EA E λgr Eλ GR = = = = η 120π 4π 2π 120 (1.12) 4 Larsons, ό. π., σελ

10 Κεφάλαιο 1ο: Περιγραφή µοντέλων διάδοσης. 1.3 ΜΟΝΤΕΛΟ FREE AREA + RMD. Το µοντέλο αυτό, όπως αναφέρει και το όνοµά του (RMD: Reflection plus Multiple Diffraction loss), εκτός από τις απώλειες διαδροµής του ελεύθερου χώρου συνυπολογίζει και παράγοντες που απορρέουν από το εδαφικό ανάγλυφο της περιοχής µελέτης, όπως ανακλάσεις και διαθλάσεις λόγω εδαφικών εµποδίων, πυκνής βλάστησης, σταθερών εδάφους (αγωγιµότητα, διηλεκτρική σταθερά) κ.ά. Οι τεχνικές υπολογισµού της εξασθένησης σήµατος, λόγω αυτών των παραµέτρων, που χρησιµοποιεί το EDX θα δοθούν αναλυτικά, διότι χρησιµοποιούνται αυτούσιες και σε πολλά άλλα µοντέλα του προγράµµατος. Το παρόν µοντέλο είναι το καταλληλότερο για χρήση σε µελέτες µικροκυµατικών συχνοτήτων (MMDS), όπου οι σταθµοί λήψης δεν είναι τυχαίοι ή µετακινούµενες τοποθεσίες αλλά µηχανικοί σταθµοί µε κατευθυντικές κεραίες Μοντέλο απωλειών ανακλάσεων και πολλαπλών διαθλάσεων (RMD). Το µερίδιο που καταλαµβάνουν οι απώλειες ανακλάσεων και πολλαπλών διαθλάσεων (RMD) από τις συνολικές απώλειες διάδοσης υπολογίζονται ως εξής: Στην περιοχή οπτικής επαφής, όπου φυσικά εµπόδια δεν κωλύουν την απευθείας ακτινοβολία από τον ποµπό στο δέκτη, οι απώλειες καθορίζονται υπολογίζοντας τη συνεισφορά µίας και µόνης εδαφικής ανάκλασης που προστίθεται διανυσµατικά στην άµεσα προσλαµβανόµενη ακτινοβολία. Για τις διαδροµές όπου τα εδαφικά εµπόδια έχουν ικανό ύψος, ώστε να εµποδίζεται µερικώς η πρώτη ζώνη Fresnel, η µέθοδος περιλαµβάνει µια επιπλέον απώλεια, µεγέθους από 0 ως 6 db, που εξαρτάται από την έκταση στην οποία εµποδίζεται η ζώνη Fresnel (η απώλεια είναι 6 db, όταν η διαδροµή άµεσης ακτινοβολίας απλά εφάπτεται στο εµπόδιο). Στις περιοχές «εκτός ορίζοντα» ή µε έντονο εδαφικό ανάγλυφο, οι απώλειες υπολογίζονται χρησιµοποιώντας την προσέγγιση πολλαπλών απωλειών 7

11 Κεφάλαιο 1ο: Περιγραφή µοντέλων διάδοσης. διάθλασης (πάνω από 10 διαδοχικά εδαφικά εµπόδια). Κάθε εµπόδιο αντιµετωπίζεται ξεχωριστά, θεωρώντας το πρώτο εµπόδιο ως ποµπό και το επόµενο ως δέκτη. Οι συγκεκριµένες τεχνικές και εξισώσεις για τον υπολογισµό των συνεισφορών ανάκλασης και διάθλασης δίνονται στη συνέχεια α Υπολογισµός συντελεστή ανάκλασης. Η ανάκλαση χρησιµοποιείται από το RMD, όταν ο ποµπός και ο δέκτης βρίσκονται σε οπτική επαφή. Το πρόγραµµα εντοπίζει το σηµείο ανάκλασης εδάφους εξετάζοντας όλη τη διαδροµή ανάµεσα στον ποµπό και στο δέκτη, για να βρει το σηµείο όπου η γωνία πρόσπτωσης είναι ίση µε τη γωνία ανάκλασης. Συνήθως δεν υπάρχει σηµείο όπου οι δύο γωνίες είναι απόλυτα ίσες, οπότε το πρόγραµµα χρησιµοποιεί την καλύτερη προσέγγιση. Κάποιες φορές δε βρίσκονται σηµεία ανάκλασης. Σε αυτές τις περιπτώσεις δεν προστίθεται ακτινοβολία ανάκλασης στο δέκτη. Όταν βρεθεί ένα σηµείο ανάκλασης, το πρόγραµµα θα υπολογίσει το σύνθετο συντελεστή ανάκλασης για οριζόντια και κάθετη πόλωση χρησιµοποιώντας τις ακόλουθες εξισώσεις 5 : sin cos 2 ψ ε ψ R s, = 2 sin ψ+ ε cos ψ (1.13) sin cos 2 ε ψ ε ψ R s, = 2 εsin ψ+ ε cos ψ (1.14) Σχήµα Γωνίες πρόσπτωσης και ανάκλασης, ίσες 5 Anderson Harry R., A ray-tracing propagation model for digital broadcast systems in urban areas, σελ. 310, IEEE Transactions on Broadcasting,

12 Κεφάλαιο 1ο: Περιγραφή µοντέλων διάδοσης. Τα σύµβολα καθετότητας και παραλληλότητας υποδεικνύουν το συντελεστή ανάκλασης, ο οποίος αναφέρεται στην ακτινοβολία που είναι κάθετη ή παράλληλη στο επίπεδο της πρόσπτωσης. Στις περιπτώσεις που εξετάζονται εδώ το κάθετο αντιστοιχεί σε οριζόντια πόλωση και το παράλληλο σε κάθετη πόλωση. Ο σύνθετος συντελεστής ανάκλασης που δόθηκε παραπάνω αναφέρεται σε οµαλό επίπεδο έδαφος. Η σύνθετη διηλεκτρική σταθερά δίνεται από τον τύπο, ε = εr j60σλ (1.15) όπου ε r είναι σχετική διηλεκτρική σταθερά της επιφάνειας ανάκλασης, σ η αγωγιµότητά της και λ το µήκος κύµατος της προσπίπτουσας ακτινοβολίας. Ο συντελεστής ανάκλασης οµαλού εδάφους µπορεί να διαµορφωθεί έτσι, ώστε να λαµβάνει υπόψη του την ανώµαλη γη, χρησιµοποιώντας τον παράγοντα εξασθένησης της εδαφικής τραχύτητας (ρ) (roughness attenuation factor). ρ = e 28 (1.16) 4π h δ = λ sin ψ (1.17) όπου h είναι η απόκλιση από την κανονική κατανοµή της εδαφικής τραχύτητας 6. Στον αλγόριθµο του RMD ο συντελεστής ανάκλασης του οµαλού εδάφους για οριζόντια και κάθετη πόλωση υπολογίζεται όπως περιγράφηκε παραπάνω, για να βρεθεί η ποσότητα και η φάση της ανακλώµενης ακτινοβολίας. Αυτή έπειτα προστίθεται διανυσµατικά στην απευθείας λαµβανόµενη, για να εξαχθεί τελικά κατά τη διαδικασία της µελέτης η συνολική ένταση του πεδίου στη συγκεκριµένη τοποθεσία. 6 Anderson Harry R., ό.π., σελ

13 Κεφάλαιο 1ο: Περιγραφή µοντέλων διάδοσης β Υπολογισµός της εξασθένησης λόγω εδαφικής διαθλαστικότητας (Terrain Diffraction Attenuation). Οι απώλειες λόγω της διαθλαστικότητας του εδάφους υπολογίζονται από τον αλγόριθµο του EDX, υποθέτοντας ότι ανεξάρτητα εµπόδια στη διαδροµή µπορούν να αντιµετωπιστούν σαν µεµονωµένα στρογγυλεµένα (rounded) εµπόδια. Οι απώλειες για το καθένα από αυτά συνδυάζονται µέσω της τεχνικής πολλαπλών συνεχόµενων εµποδίων (Epstein-Peterson), όπως αυτή αναφέρθηκε παραπάνω. Οι απώλειες πάνω σε ανεξάρτητα στρογγυλεµένα εµπόδια υπολογίζονται χρησιµοποιώντας µια συνάρτηση που κυρίως βασίζεται στην παράµετρο ν, η οποία σχετίζεται µε απόσταση της διαδροµής επάνω από το εµπόδιο. Οι συνολικές απώλειες διάθλασης A(ν,ρ) σε db είναι το άθροισµα τριών παραµέτρων: Α(ν,0), Α(0,ρ) και U(ν,ρ). Οι εξισώσεις για τον υπολογισµό της καθεµίας δίνονται στη συνέχεια: A(, νρ) = A(,0) ν + A(0, ρ) + U(, νρ) (1.18) A ν ν ν ν 2 (,0) = , A( ν,0) = ν 1.27 ν, 0< ν 2.4 A( ν,0) = log ( ν), ν > 2.4 A(0, ρ) = ρ ρ ρ U ν ρ νρ νρ νρ νρ 2 3 (, ) = ( ) 0.206( ) 6.02, U ( ν, ρ) = 13.47νρ ( νρ) 0.084( νρ) 6.02, 3 < νρ 5 U ( νρ, ) = 20νρ 18.2, νρ> 5 (1.19) (1.20) (1.21) (1.22) (1.23) (1.24) (1.25) όπου ο παράγοντας καµπυλότητας είναι: ρ = 0.676R f d dd 1 2 (1.26) 10

14 Κεφάλαιο 1ο: Περιγραφή µοντέλων διάδοσης. Η ακτίνα του εµποδίου µετριέται σε km και η συχνότητα f σε MH Z. Στο EDX η βασική ακτίνα τίθεται πάντα στα 0,001 km (1 µέτρο). Ο όρος d εκφράζει την απόσταση της διαδροµής από τον ποµπό (ή το προηγούµενο εµπόδιο) ως το δέκτη (ή το επόµενο εµπόδιο), d 1 είναι η απόσταση τον ποµπό (ή το προηγούµενο εµπόδιο) ως το εµπόδιο και d 2 η απόσταση από το εµπόδιο ως το δέκτη (ή ως το επόµενο εµπόδιο). Όταν η ακτίνα είναι µηδενική, το εµπόδιο θεωρείται ακµή (knife-edge) και τότε Α(ν,ρ) = Α(ν,0). Η παράµετρος ν στις παραπάνω εξισώσεις λαµβάνει υπόψη τη γεωµετρία της διαδροµής και µπορεί να θεωρηθεί ως η γωνία κύρτωσης της ακτίνας της διαδροµής πάνω από το εµπόδιο. Υπολογίζεται ως: ν = 2d tanαtanβ λ (1.27) Σχήµα «Ακµή». όπου d είναι η απόσταση διαδροµής από τον ποµπό (ή το προηγούµενο εµπόδιο) ως το δέκτη (ή το επόµενο εµπόδιο), α είναι η γωνία που σχηµατίζεται µε τη γραµµή από τον ποµπό ( ή το προηγούµενο εµπόδιο) ως το δέκτη (ή το επόµενο εµπόδιο) και β η γωνία που σχετίζεται µε τη γραµµή από το δέκτη (ή το επόµενο εµπόδιο) έως τον ποµπό (ή το προηγούµενο εµπόδιο). Στην περίπτωση πολλαπλών εµποδίων τα εµπόδια αντιµετωπίζονται επιτυχώς σαν τριάδες ποµπού-δέκτη για τη δηµιουργία της γεωµετρίας της διαδροµής και της 11

15 Κεφάλαιο 1ο: Περιγραφή µοντέλων διάδοσης. γωνίας ν πάνω από κάθε εµπόδιο. Η τιµή του ν έπειτα χρησιµοποιείται για τον υπολογισµό των απωλειών διάθλασης πάνω από κάθε εµπόδιο. Οι επιµέρους απώλειες των εµποδίων αθροίζονται, για να βρεθεί η συνολική για ολόκληρη τη διαδροµή. Αυτή η µέθοδος υπολογισµού των απωλειών διαδροµής είναι γνωστή ως µέθοδος Epstein-Peterson γ Απώλειες διαταραχών (Clutter loss). Στην περίπτωση αυτή το πρόγραµµα προσθέτει έναν επιπλέον παράγοντα στους υπολογισµούς των απωλειών διάδοσης σε όλα τα επίπεδα λαµβανόµενης έντασης σήµατος και ισχύος. Αυτός ο παράγοντας είναι προορισµένος να µετρά την εξασθένηση λόγω κτιρίων ή πυκνής βλάστησης στην περιοχή λήψης. Αυτή η απώλεια θα εφαρµοστεί σε όλα τα σηµεία της περιοχής µελέτης ανεξαρτήτως του ύψους της κεραίας εκποµπής. Αν περιβάλλον διαταραχής είναι η αστική δόµηση, τότε οι επιπλέον απώλειες λόγω διαταραχών υπολογίζονται από την ακόλουθη εξίσωση 7 : Clutter loss ( City) = log ( f /100) 0.12 d, ( db) 10 (1.28) όπου f είναι η συχνότητα σε MH Z και d η απόσταση ανάµεσα στο σηµείο λήψης και στο δέκτη, σε χιλιόµετρα. Αν η περιοχή λήψης είναι προαστιακή, τότε η επιπλέον εξασθένηση υπολογίζεται πάλι από την παραπάνω εξίσωση, αλλά το αποτέλεσµα που δίνει µειώνεται κατά 12 db. Για περιοχές πυκνής βλάστησης η εξίσωση που δίνει τις επιπλέον απώλειες είναι η παρακάτω: Clutter loss ( dense foliage) = 65.0(0.244 log f 0.442),( db) 10 (1.29) Πρόκειται για µία εµπειρική εξίσωση, που αναπτύχθηκε µέσα από τη µελέτη πολλών δηµοσιεύσεων (paper) που είχαν ως αντικείµενο την εξασθένηση σήµατος λόγω δέντρων, δασών και θάµνων για ποικίλες συχνότητες και ύψη κεραιών. Αν η περιοχή έχει αραιή βλάστηση (sparse), οι απώλειες λόγω της παρουσίας διαταραχών 7 Βλέπε Longley A., Radio Propagation in Urban Areas, OT Report, σελ

16 Κεφάλαιο 1ο: Περιγραφή µοντέλων διάδοσης. µειώνονται κατά 6 db σε σχέση µε τις απώλειες πυκνής βλάστησης που µας δίνει η αντίστοιχη εξίσωση. Οι απώλειες λόγω διαταραχών θα πρέπει να αξιολογούνται λαµβάνοντας πάντα υπόψη τις προσεγγίσεις και στρογγυλοποιήσεις που υπεισέρχονται σε αυτές λόγω των στατιστικών βάσεων από τις οποίες προέρχονται. Για το λόγο αυτό οι συγκεκριµένες απώλειες µπορεί να µην είναι κατάλληλες προς χρήση από πολλές µελέτες 8. 8 EDX Engineering Inc., ό.π., Appendix A σελ

17 Κεφάλαιο 1ο: Περιγραφή µοντέλων διάδοσης. 1.4 ΜΟΝΤΕΛΟ OKUMURA (HATA) Η µέθοδος Okumura που χρησιµοποιείται από το πρόγραµµα EDX είναι στην πραγµατικότητα µια υπολογιστή εφαρµογή της µεθόδου Okumura που αναπτύχθηκε από τον Hata 9. Η µέθοδος αυτή αναπτύχθηκε χρησιµοποιώντας δεδοµένα µετρήσεων που έγιναν για διάφορες συχνότητες στην αστική και στην ηµιαστική περιοχή του Τόκιο. Συγκεκριµένα, το µοντέλο υπολογισµών Hata-Okumura περιγράφτηκε για πρώτη φορά από τον Yoshihisa Okumura το 1968 στην παρουσίαση του µε τίτλο "Field Strength and Its Variability in VHF and UHF Land-Mobile Radio Service". Το 1980 o Masaharu Hata απλοποίησε τους υπολογισµούς που περιγράφονταν στην παρουσίαση του Okumura. Αυτές οι απλοποιήσεις οδήγησαν στους περιορισµούς (κριτήρια) ότι πρόβλεψη µπορεί να γίνει µόνο σε περιοχές µε απόσταση µικρότερης των 20 km. Εποµένως, η επιλογή αυτής της µεθόδου είναι περισσότερο κατάλληλη για αστικοποιηµένες περιοχές όπου η απόσταση µελέτης (study distance) είναι σχετικά µικρή (µέχρι και 20 km), το ενεργό ύψος της κεραίας εκποµπής είναι µικρότερο των 200 µέτρων, το ενεργό ύψος της κεραίας λήψης είναι µικρότερο των 10 µέτρων και το εδαφικό ανάγλυφο είναι σχετικά επίπεδο. Επίσης, η συχνότητα λειτουργίας εκποµπής πρέπει να είναι από 150 έως 1500 MHz. Χρησιµοποιώντας αυτή τη µέθοδο για άλλες περιπτώσεις ή για µεγαλύτερες αποστάσεις, τα αποτελέσµατα µπορεί να είναι ανακριβή. Επειδή απαιτούνται µόνο τέσσερεις παράµετροι, ο χρόνος υπολογισµού είναι πολύ µικρός. Αυτό είναι και το µεγάλο πλεονέκτηµα της µεθόδου. Παρόλα αυτά, το µοντέλο αγνοεί το εδαφικό περιβάλλον µεταξύ του ποµπού και του δέκτη µε αποτέλεσµα τυχαίοι λόφοι ή άλλα αντικείµενα να µην λαµβάνονται υπόψη. Βέβαια, αυτό δεν αποτελεί αναγκαστικά µειονέκτηµα, καθώς τόσο ο Okumura όσο και ο Hata υπέθεσαν ότι ο ποµπός λογικά θα βρίσκεται πάνω σε ύψωµα ή σε λόφο. 9 EDX Engineering, Inc., EDX Software Reference Manual, Appendix A σελ. Α-3, Eugene

18 Κεφάλαιο 1ο: Περιγραφή µοντέλων διάδοσης. Καθώς το ύψος του ποµπού και του δέκτη µετρούνται αναφορικά ως προς το έδαφος, ένα ενεργό ύψος κεραίας h eff χρησιµοποιείται προσθετικά στο ύψος του ποµπού, όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήµα, βελτιώνοντας µε αυτόν τον τρόπο την ακρίβεια της πρόβλεψης. Σχήµα 1. 3 Το µοντέλο Okumura - Hata Παρατηρώντας το σχήµα, τα αντικείµενα που είναι σχεδιασµένα µε κόκκινο χρώµα δείχνουν τις παραµέτρους του µοντέλου. Τα αντίστοιχα µε πράσινο χρώµα είναι και αυτά που αγνοούνται από το µοντέλο. Στο παράδειγµα αυτού του σχήµατος η πρόβλεψη θα ήταν πολύ αισιόδοξη, επειδή το µοντέλο θεωρεί εκ των πραγµάτων ότι υπάρχει οπτική επαφή LOS (line of sight), ενώ στην πραγµατικότητα η διαδροµή εµποδίζεται από δύο λόφους. Σε όλες τις µεθόδους Okumura (Hata), είναι δυνατή η επιλογή διάφορων τύπων διαταραχών- σκέδασης (clutter) που είναι οι none, suburban και urban. Αυτές οι επιλογές επικαλούνται τις εξισώσεις Hata που αντιστοιχούν στους τύπους open, suburban και Urban αντίστοιχα. Οι εξισώσεις Hata είναι οι παρακάτω: Βασικές απώλειες διαδροµής (path loss) για αστικές περιοχές: L = log f log h ah + ( log h ) log d db (1.30) u b m 10 b 10 όπου f η συχνότητα σε MHz 15

19 Κεφάλαιο 1ο: Περιγραφή µοντέλων διάδοσης. h b το βασικό ύψος σε µέτρα πάνω από το µέσο ύψος του εδάφους για τον δακτύλιο µελέτης ακτίνας 3-15 km ah m mobile height correction factor d η απόσταση µεταξύ εκποµπού και δέκτη σε km Για µια πόλη µεσαίου µεγέθους (η οποία χρησιµοποιείται αυτόµατα όταν επιλέγεται open ή suburban) ο mobile height correction factor είναι ah = (1.1 log f 0.7) h (1.56 log f 0.8) (1.30) m 10 m 10 Για µια µεγάλη πόλη (επιλογή urban), αντίστοιχα είναι ah m 10 ( h ) 2 = 8.29 (log 1.54 ) 1.1 για f 200 MHz (1.31) m ah m 10 ( h ) 2 = 3.20 (log ) 4.97 για f > 400 MHz (1.32) m όπου h m είναι το ύψος της κινητής κεραίας (mobile antenna) πάνω από το έδαφος σε µέτρα. Για ηµιαστικές περιοχές, οι απώλειες διάδοσης διορθώνονται ως εξής L su f = Lu 2 log db (1.33) όπου L u οι αντίστοιχες απώλειες διάδοσης που δόθηκαν πιο πάνω. Για αγροτικές ή σχεδόν ανοικτές περιοχές, µε τον ίδιο τρόπο είναι ( ) 2 L = L 4.78 log f log f db (1.34) rqo u Αντίστοιχα, για αγροτικές ανοικτές περιοχές είναι ( ) 2 L = L 4.78 log f log f db (1.35) ro u

20 Κεφάλαιο 1ο: Περιγραφή µοντέλων διάδοσης. Ως εφαρµογή, δίνονται οι παρακάτω τιµές propagation frequency f transmitter height h TX receiver height h RX distance d 900 MHz 40 m 1.5 m 10 km Ο υπολογισµοί οδηγούν στα παρακάτω αποτελέσµατα effective antenna height correction factor c basic loss loss in open area 38.5 m -9.19*10-4 db db db Αυτά τα αποτελέσµατα φανερώνουν υψηλότερες απώλειες διαδροµής σε σχέση µε εκείνες του µοντέλου free space (a~109 db). Όπως ήδη αναφέρθηκε, το άνω όριο για τη συχνότητα για το µοντέλο είναι περίπου 1500 MHz. Εποµένως, έπρεπε να βρεθεί µια λύση για την περιοχή συχνοτήτων µεταξύ 1500 ΜHz και 2100 ΜHz (π.χ. για τα GSM1800, GSM1900, UMTS). Η οµάδα COST 231 έχει προτείνει µια επέκταση του µοντέλου αναλύοντας τις εξισώσεις του Okumura στην πιο πάνω περιοχή συχνοτήτων. Αυτό το µοντέλο αποκαλείται COST 231-Hata 1 0. Οι βασικές εξισώσεις του είναι οι παρακάτω L= log f log h c( h ) + ( log h ) log d + C db (1.36) eff r 10 eff 10 m όπου ( ) ch ( ) = 1.1 log f 0.7 h (1.56 log f 0.8) (1.37) r 10 r 10 και C = 0 db για µικρού µεγέθους πόλεις και ηµιαστικά κέντρα m C = 3 db για µητροπολιτικά κέντρα m (1.38) 10 E. Damosso, ed., Digital Mobile Radio: COST 231 View on the Evolution towards 3 rd Generation systems. Bruxelles: Final Report of the COST 231 Project, published by the European Commission,

21 Κεφάλαιο 1ο: Περιγραφή µοντέλων διάδοσης. Τέλος, οι πίνακας 1.4 την µέση (median) εξασθένιση Α( f 0,d ) Με αυτήν και όλα τα προηγούµενα είναι δυνατόν να υπολογιστεί η µέση απόσβεση διάδοσης. Σχήµα 1. 4 Median Attenuation 18

22 Κεφάλαιο 1ο: Περιγραφή µοντέλων διάδοσης. Σχήµα 1. 5 Correction Factor 19

23 Κεφάλαιο 1ο: Περιγραφή µοντέλων διάδοσης. 1.5 ΜΟΝΤΕΛΟ HATA EXTENDED / EPSTEIN-PETERSON DIFFRACTION Πρόκειται για ένα εξειδικευµένο µοντέλο το οποίο βασίζεται στο µοντέλο Hata που περιγράφτηκε προηγουµένως. Στην προσπάθεια να επεκταθούν τόσο το εύρος της συχνότητας όσο και οι αποστάσεις και τα ύψη, χρησιµοποιήθηκαν γραφικές µέθοδοι για γραµµική παρεµβολή των συχνοτήτων από 30 έως και 1500 MHz, των αποστάσεων µέχρι 300 Km και των βασικών υψών των κεραιών από 30 m µέχρι 1000 m. Λαµβάνοντας υπόψη τις απώλειες διαδροµής που βρέθηκαν µε τη µέθοδο Hata, οι παρακάτω εξισώσεις χρησιµοποιούνται για την προσαρµογή των απωλειών διάδοσης. Αν d > 20 km, L = L log (400 h ) ( d 20) (1.39) H E HATA 10 b Αν d > km, L = L 0.28 ( d 64.36) (1.40) H E HATA Αν h b > 300 m, L 6.2 hb 300 = L 4.7 log10 d 600 H E HATA (1.41) Αν d > 40.2 km, 1500 LH E= LHATA 0.18 log 10 ( d 40.2) f (1.42) όπου HATA L οι απώλειες διαδροµής σε db υπολογισµένες µε τη µέθοδο Okumura-Hata 20

24 L οι απώλειες διαδροµής σε db µε τo Hata extended H E Κεφάλαιο 1ο: Περιγραφή µοντέλων διάδοσης. f η συχνότητα σε MHz d η απόσταση µεταξύ εκποµπού και δέκτη σε km h το effective base height σε µέτρα b Μαζί µε τις διορθώσεις, αυτή η επιλογή µοντέλου περιλαµβάνει επιπρόσθετες απώλειες διάδοσης εξαιτίας των απωλειών λόγω περίθλασης (diffraction loss) από τα εµπόδια του εδάφους. 21

25 Κεφάλαιο 1ο: Περιγραφή µοντέλων διάδοσης. 1.6 ΜΟΝΤΕΛΟ COST 231 WALFISCH IKEGAMI Αυτό το εµπειρικό µοντέλο, που είναι ένας συνδυασµός των µοντέλων του J. Walfisch και του F. Ikegami, είναι ειδικά προσαρµοσµένο για µικρής κλίµακας PCS και κυψελωτές εφαρµογές. Αναπτύχθηκε παραπέρα από το COST και µετονοµάστηκε αργότερα σε εµπειρικό µοντέλο COST Walfisch Ikegami. Το µοντέλο λαµβάνει υπόψη τα κτίρια στο κάθετο επίπεδο µεταξύ του ποµπού και του δέκτη. Για την πρόβλεψη λαµβάνονται υπόψη σηµαντικοί παράγοντες από αυτό το επίπεδο. Οι τελικές εξισώσεις που περιέχουν αυτές τις παραµέτρους βελτιστοποιήθηκαν και προσαρµόστηκαν σε αριθµητικές µετρήσεις µε σκοπό να προκύψει ένα µοντέλο πρόβλεψης που να µπορεί να εφαρµοστεί σε διαφορετικά περιβάλλοντα διάδοσης. Από την άλλη, το κύριο πλεονέκτηµα των εµπειρικών µοντέλων είναι ο χαµηλός χρόνος υπολογισµών. Στον αντίποδα η ακρίβεια του συγκεκριµένου µοντέλου δεν είναι αρκετά υψηλή, επειδή λαµβάνεται υπόψη µόνον ένας µικρός αριθµός παραµέτρων και δίνεται υπερβολική έµφαση στην απόσταση από τον ποµπό. Επιπρόσθετα, τα φαινόµενα κυµατοδήγησης στους δρόµους δεν µπορούν να υπολογιστούν µε µια εµπειρική προσέγγιση, παρόλο που κάτω από αστικές συνθήκες η διάδοση πάνω από τις στέγες είναι το κυρίαρχο κοµµάτι λόγω των πολλαπλών περιθλάσεων. Βέβαια, αν το σενάριο αναλυθεί ανεξάρτητα για κάθε λαµβανόµενο pixel, λαµβανοµένου του γεγονότος ότι οι παράµετροι των δεδοµένων για τα κτίρια καθορίζονται συναρτήσει των πραγµατικών κτιρίων µεταξύ του ποµπού και του δέκτη, η ακρίβεια µπορεί να είναι υψηλή. Σε αυτήν την περίπτωση δεν λαµβάνονται υπόψη µόνον τα φαινόµενα κυµατοδήγησης εξαιτίας των πολλαπλών περιθλάσεων. 11 European Cooperation in the field of Scientific and Technical Research 22

26 Κεφάλαιο 1ο: Περιγραφή µοντέλων διάδοσης. Σχήµα 1. 6 το µοντέλο COST 231 Walfisch - Ikegami Οι βασικές παράµετροι του µοντέλου είναι οι εξής: Εύρος συχνότητας f MHz Ύψος κεραίας εκποµπής H b 4 50 m Ύψος κεραίας λήψης H m 1 3 m Απόσταση ποµπού δέκτη d km Μέσο ύψος των οροφών των κτιρίων κατά µήκος της διαδροµής διάδοσης (m) H Μέσο πλάτος των δρόµων µεταξύ των κτιρίων κατά µήκος της διαδροµής διάδοσης (m) w Μέση απόσταση χωρίσµατος των κτιρίων µεταξύ τους (m) b Γωνία προσανατολισµού των δρόµων σε σχέση µε την ευθεία της διάδοσης (σε µοίρες) ϕ roof Σχήµα 1. 7 Οι βασικές παράµετροι του περιβάλλοντος για το µοντέλο 23

27 Κεφάλαιο 1ο: Περιγραφή µοντέλων διάδοσης. Καθώς µόνο αυτές οι χαρακτηριστικές τιµές λαµβάνονται υπόψη για τους υπολογισµούς, το Walfisch Ikegami είναι ένα στατιστικό µοντέλο. Παρόλα αυτά, διακρίνει δύο περιπτώσεις, την οπτική επαφή (line of sight, LOS) και τη µη οπτική επαφή (none line of sight, NLOS). Στην περίπτωση οπτικής επαφής (LOS) η πρόβλεψη είναι πολύ εύκολη, αφού απαιτείται µόνο µια εξίσωση και δύο παράµετροι, όπως φαίνεται παρακάτω. L = log d + 20 log f για d km (1.43) b Αυτή η εξίσωση µοιάζει µε αυτήν της αντίστοιχης για το µοντέλο free space. Τροποποιήθηκε µετά την αξιολόγηση πολλών µετρήσεων σε ευρωπαϊκές πόλεις. Αν η απόσταση είναι 20 µέτρα, οι απώλειες γίνονται ίσες µε τις αντίστοιχες του µοντέλου ελεύθερου χώρου για την ίδια απόσταση. Το σχήµα που ακολουθεί δείχνει τη σύγκριση µεταξύ των απωλειών για το µοντέλο free space και των απωλειών διάδοσης µε τη χρήση της πιο πάνω LOS εξίσωσης για το πλήρες εύρος τιµών της απόστασης d. Με το κόκκινο χρώµα είναι οι απώλειες free space. Σχήµα 1. 8 Σύγκριση των απωλειών free space µε την περίπτωση οπτικής επαφής 24

28 Κεφάλαιο 1ο: Περιγραφή µοντέλων διάδοσης. Η περίπτωση µη οπτικής επαφής (NLOS) είναι αρκετά πιο πολύπλοκη. Η βασική εξίσωση της είναι η παρακάτω. Lb = Lo + Lrts + Lmsd (1.44) Οι απώλειες διάδοσης για τον ελεύθερο χώρο Lo δίνονται από τον τύπο L = log d + 20 log f (1.45) o Επίσης, ο όρος που περιγράφει µαθηµατικά την περίθλαση από την κορυφή της οροφής προς τον δρόµο και τις απώλειες σκέδασης (roof-top-to-street diffraction and scatter loss) είναι L = log w+ 10 log f + 20 log ( H H ) + L (1.46) rts roof m cri µε Lcri Lcri Lcri = ϕ για 0 ϕ 35 = ( ϕ 35) για 35 ϕ 55 = ( ϕ 55) για 55 ϕ 90 (1.47) Οι συνιστώσες για το multiscreen diffraction loss δίνονται ως εξής L = L + ka + kd log d + kf log f + 9 log b (1.48) msd bsh όπου ka = 54 για Hb = Hroof ( ) ka = Hb H roof για d 0.5 και Hb Hroof d ka = ( Hb H roof ) για d < 0.5 και Hb Hroof 0.5 (1.49) kd = 18 για Hb > Hroof Hb H roof kd = H roof H H για b roof (1.50) 25

29 Κεφάλαιο 1ο: Περιγραφή µοντέλων διάδοσης. kf kf f = f = για µέτριου µεγέθους πόλεις και ηµιαστικές περιοχές για µητροπολιτικά κέντρα (1.51) Για το πρόγραµµα EDX signal pro 2.0, κάποιες από τις διάφορες παραµέτρους του περιβάλλοντος διάδοσης που απαιτούνται για αυτό το µοντέλο µπορούν να εξαχθούν από τα δεδοµένα κτιρίων (building database) που προσδιορίζεται στο παράθυρο διαλόγου Databases/Buildings & Floorplans. Αυτές οι παράµετροι είναι το µέσο ύψος των οροφών των κτιρίων και η µέση γωνία δρόµων. Το µοντέλο αυτό έχει, επίσης, γίνει αποδεκτό από το ITU-R και περιλαµβάνεται στο report Η εκτίµηση των απωλειών διάδοσης είναι µάλλον καλύτερη για µετρήσεις όπου τα ύψη των κεραιών εκποµπής είναι πάνω από τη στάθµη των οροφών των κτιρίων. Το µέσο σφάλµα είναι για την περιοχή των 3 db µία απόκλιση 4 έως 8 db. Εν τούτοις, το σφάλµα πρόβλεψης γίνεται µεγαλύτερο για τις περιπτώσεις όπου το ύψος της κεραίας εκποµπής είναι πολύ κοντά στο H roof σε σύγκριση µε τις αντίστοιχες περιπτώσεις όπου αυτό το ύψος είναι πολύ ψηλότερα. Ακόµα πιο πέρα, η απόδοση του µοντέλου είναι φτωχή για Hb Hroof. Οι παράµετροι b, w και φ δεν λαµβάνονται µε έναν φυσικά βαρυσήµαντο τρόπο για τα micro cells. Συνεπώς, το σφάλµα πρόβλεψης για αυτά τα συστήµατα µπορεί να είναι αρκετά µεγάλο. Παρόλα αυτά, όπως έγινε σαφές και πιο πάνω, για τις περιπτώσεις όπου κυριαρχεί η διάδοση πάνω από τις οροφές των κτιρίων το µοντέλο οδηγεί σε καλά αποτελέσµατα. 26

30 Κεφάλαιο 2ο: Περιγραφή του ασύρµατου δικτύου Υπολογισµοί ραδιοζεύξης (Link budget). Κεφάλαιο 2 ο Περιγραφή του ασύρµατου δικτύου - Υπολογισµοί ραδιοζεύξης (link budget) 2.1 ΑΣΥΡΜΑΤΑ ΙΚΤΥΑ - ΓΕΝΙΚΑ Η δυνατότητα για πρόσβαση σε πληροφορίες από οπουδήποτε και οποτεδήποτε φαίνεται ότι θα χαρακτηρίσει τη πληροφορική και τη κοινωνία του 21 ου αιώνα. Η δυνατότητα αυτή υποστηρίζεται από συστήµατα ψηφιακών ασύρµατων επικοινωνιών βασισµένα στις τεχνολογίες κινητής τηλεφωνίας, προσωπικών συστηµάτων επικοινωνίας (Personal Communication Systems - PCS), δορυφορικών επικοινωνιών (περιλαµβανόµενης και ασύρµατης υψηλής ταχύτητας πρόσβασης στο ιαδίκτυο µέσω δορυφόρων) και ασύρµατων τοπικών δικτύων (Wireless Local Area Networks - WLAN). Οι τεχνολογίες αυτές έχουν τη δυνατότητα να αλλάξουν δραµατικά τη κοινωνία καθώς επιτρέπουν στον άνθρωπο να αποδεσµευτεί από τη "µε βάση τη γεωγραφική θέση επικοινωνία" και πρόσβαση σε πηγές πληροφορίας ώστε να κινείται ελευθέρα παγκοσµίως χωρίς να µειώνεται η αποτελεσµατικότητά του. Αν και υπάρχει ένα µεγάλο και κλασσικό πεδίο γνώσης ηλεκτρονικού µηχανικού σε θέµατα ασύρµατων επικοινωνιών, οι απαιτούµενες σήµερα γνώσεις προσανατολίζονται κυρίως προς τα υψηλότερα επίπεδα των συστηµάτων αυτών. Τα ασύρµατα δίκτυα υπολογιστών αναπτύχθηκαν στα τέλη της δεκαετίας του '90, κυρίως λόγω Ι) της ανάγκης για διασύνδεση αποµακρυσµένων ενσύρµατων τοπικών δικτύων (LAN) µε µεγάλες ταχύτητες µεταφοράς δεδοµένων, και ΙΙ) της απαίτησης των χρηστών για πρόσβαση σε υπηρεσίες (που τα κοινά ενσύρµατα δίκτυα προσφέρουν) από οποιοδήποτε µέρος, οποιαδήποτε ώρα της ηµέρας. Προκείµενου λοιπόν να είναι εφικτή αυτή η διασύνδεση ενσύρµατων τοπικών δικτύων και επιπλέον να µπορεί ο τελικός χρήστης να έχει πρόσβαση τόσο σε ενσύρµατα όσο και σε ασύρµατα δίκτυα µε την χρήση µόνο ενός τερµατικού (π.χ. 27

31 Κεφάλαιο 2ο: Περιγραφή του ασύρµατου δικτύου Υπολογισµοί ραδιοζεύξης (Link budget) PC), οι παγκόσµιοι οργανισµοί δηµιουργίας προτύπων (Standardisation bodies) δηµιούργησαν και θέσπισαν πρότυπα λειτουργίας, τα οποία πρέπει να ακολουθεί ένα ασύρµατο δίκτυο. Τέτοια πρότυπα (standards) είναι το ΙΕΕΕ xx, το HIPERLAN I και ΙΙ, το Bluetooth, το HOME RF, κ.α., τα οποία περιγράφουν τον τρόπο λειτουργίας ενός ασύρµατου δικτύου στο φυσικό επίπεδο (Physical Layer - PHY) και στο επίπεδο διασύνδεσης (Data Link Layer), και εστιάζονται στον τρόπο λειτουργίας του Medium Access Control (MAC) ηµι-επιπέδου. Πιο συγκεκριµένα, για το PHY οι επιλογές που υπάρχουν είναι η χρήση τεχνικών διάσπαρτου φάσµατος (Spread Spectrum) όπως η Frequency Hopping, η Direct Sequence, και η Orthogonal Frequency Division Multiplex (OFDM). Όπως είναι λοιπόν φυσικό, οι συσκευές που θα συνδέονται και θα λειτουργούν σε κάποιο ασύρµατο δίκτυο, θα πρέπει να ακολουθούν κάποιο από αυτά τα standards στο PHY και στο MAC, ενώ θα µπορούν διατηρούν τον τρόπο λειτουργίας των παραπάνω επιπέδων (π.χ. Network Layer, Transport Layer, κτλ.). Στο παρακάτω σχήµα φαίνονται οι συχνότητες λειτουργίας των WLAN. Σχήµα 2.1 Οι συχνότητες λειτουργίας των WLAN. Τα κύρια πλεονεκτήµατα των ασύρµατων δικτύων είναι τα εξής παρακάτω: 28

32 Κεφάλαιο 2ο: Περιγραφή του ασύρµατου δικτύου Υπολογισµοί ραδιοζεύξης (Link budget). 1. Κινητικότητα (mobility). Τα WLAN µπορούν να παρέχουν τη δυνατότητα στους χρήστες για πρόσβαση σε πληροφορίες ενώ βρίσκονται σε κίνηση. 2. Ταχύτητα και ευελιξία εγκατάστασης. Η εγκατάσταση ενός WLAN εξαλείφει την ανάγκη της χρήσης των καλωδίων η οποία απαιτεί συνήθως κόπο και χρόνο, ενώ η ασύρµατη τεχνολογία επιτρέπει τη διασύνδεση δικτύων η οποία υπό άλλες συνθήκες θα ήταν αδύνατη. 3. Μειωµένο κόστος κτήσης. Ενώ η αρχική επένδυση που απαιτείται για τον εξοπλισµό µε ένα WLAN µπορεί σε µερικές περιπτώσεις να είναι υψηλότερη από το αντίστοιχο κόστος για µια ενσύρµατη σύνδεση, το συνολικό κόστος λειτουργίας µπορεί να είναι σηµαντικά χαµηλότερο, καθώς τα µακροπρόθεσµα κέρδη είναι πολύ µεγαλύτερα σε δυναµικά περιβάλλοντα όπου απαιτούνται πολύ συχνές µετακινήσεις και αλλαγές. 4. Συµβατότητα. Τα WLAN µπορούν να µεταβληθούν σε µια ποικιλία από τύπους για να ικανοποιήσουν τις ανάγκες συγκεκριµένων εγκαταστάσεων και εφαρµογών. Οι διαµορφώσεις αλλάζουν εύκολα και επεκτείνονται από µικρά δίκτυα κατάλληλα για έναν µικρό αριθµό χρηστών µέχρι πλήρως ανεπτυγµένα δίκτυα που καλύπτουν εκατοντάδες χρήστες. Σχήµα 2. 2 Το τοπικό ασύρµατο δίκτυο (WLAN) Παρόλα αυτά, υπάρχουν προβλήµατα στην εφαρµογή των ασύρµατων δικτύων. Η χρήση των ηλεκτροµαγνητικών κυµάτων (ραδιοκυµάτων και υπέρυθρης 29

33 Κεφάλαιο 2ο: Περιγραφή του ασύρµατου δικτύου Υπολογισµοί ραδιοζεύξης (Link budget) ακτινοβολίας) για την µετάδοση των σηµάτων κάνουν τα δίκτυα αυτά ευπαθή σε πολλά φαινόµενα παρεµβολής (interference) τα οποία αλλοιώνουν σε µικρότερο ή µεγαλύτερο βαθµό την επικοινωνία των ασύρµατων κόµβων. Τα κυριότερα από αυτά τα προβλήµατα αναφέρονται στη συνέχεια. Παρεµβολή λόγω πολλαπλών διαδροµών Όπως φαίνεται και στο επόµενο σχήµα τα µεταδιδόµενα σήµατα µπορούν να συνδυαστούν µε τα ανακλώµενα από διάφορες επιφάνειες ή εµπόδια µε αποτέλεσµα την φθορά ή καταστροφή του σήµατος που ανιχνεύεται από τον δέκτη. Το φαινόµενο αυτό είναι γνωστό ως παρεµβολή λόγω πολλαπλών διαδροµών ή πολύοδη διάδοση (multipath propagation). Ο συνολικός χρόνος καθυστέρησης µεταξύ των ανακλώµενων σηµάτων σε σχέση µε το αρχικό σήµα (primary signal) αναφέρεται ως delay spread. Σχήµα Το φαινόµενο της παρεµβολής λόγω πολλαπλών διαδροµών Οι κατασκευαστές συσκευών για ασύρµατα τοπικά δίκτυα ασχολούνται συνεχώς µε την επεξεργασία διαφόρων τεχνικών για τον περιορισµό των προβληµάτων που προέρχονται από το συγκεκριµένο φαινόµενο, ενώ ανάµεσα στις άλλες µεθόδους που χρησιµοποιούνται είναι και οι equalization και antenna diversity. 30

34 Κεφάλαιο 2ο: Περιγραφή του ασύρµατου δικτύου Υπολογισµοί ραδιοζεύξης (Link budget). Path loss Το φαινόµενο του path loss µεταξύ ποµπού και δέκτη είναι ένα από τα σηµαντικότερα στοιχεία που πρέπει να ληφθούν υπόψη κατά τον σχεδιασµό ενός WLAN. Τα αναµενόµενα επίπεδα του path loss, τα οποία βασίζονται στην απόσταση µεταξύ του ποµπού και του δέκτη, παρέχουν πολύτιµες πληροφορίες για τον καθορισµό των επιπέδων στην ισχύ της εκποµπής, στην ευαισθησία του δέκτη και στον λόγο σήµατος προς θόρυβο (SNR). Το πραγµατικό path loss εξαρτάται από τη συχνότητα µετάδοσης και αυξάνει εκθετικά µε την αύξηση της απόστασης µεταξύ του ποµπού και του δέκτη. Για τυπικές εφαρµογές σε κλειστούς χώρους, το path loss αυξάνεται περίπου 20 db ανά 100 πόδια. Το path loss ισοδυναµεί, ουσιαστικά, µε τον λόγο της ισχύος του δέκτη προς την ισχύ του ποµπού. Για µία δεδοµένη ισχύ µετάδοσης (από τον ποµπό), ένα µοντέλο µπορεί να χρησιµοποιηθεί για την πρόβλεψη του επιπέδου της ισχύος στον δέκτη. Το πιο απλό µοντέλο που χρησιµοποιείται, συνήθως, είναι αυτό που στηρίζεται στην εξής εκθετική σχέση: Η ισχύς του λαµβανόµενου σήµατος είναι ανάλογη µε την ισχύ του µεταδιδόµενου σήµατος και αντιστρόφως ανάλογη µε το τετράγωνο της συχνότητας µετάδοσης και την απόσταση ποµπού-δέκτη υψωµένη στην δύναµη ενός παράγοντα α, ο οποίος κυµαίνεται ανάµεσα στις τιµές 2 (για ελεύθερους χώρους) και 8 (για χώρους µε πολλά εµπόδια). Οι απώλειες από το φαινόµενο αυτό εξαρτώνται άµεσα από την ύπαρξη ή µη οπτικής επαφής (LOS: Line Of Sight) ανάµεσα στον ποµπό και στον δέκτη και αποδίδονται παραστατικά στο επόµενο σχήµα. Σχήµα Η έλλειψη οπτικής επαφής µειώνει περισσότερο απότοµα την ισχύ λήψης ενός ραδιοκύµατος. 31

35 Κεφάλαιο 2ο: Περιγραφή του ασύρµατου δικτύου Υπολογισµοί ραδιοζεύξης (Link budget) Παρεµβολές ραδιοσηµάτων Η διαδικασία της εκποµπής και λήψης ραδιοσηµάτων και σηµάτων laser µέσω του αέρα καθιστά τα ασύρµατα συστήµατα ευπαθή από τον θόρυβο της ατµόσφαιρας και από τις µεταδόσεις άλλων συστηµάτων που λειτουργούν στην ίδια µπάντα συχνοτήτων και λειτουργούν στον ίδιο φυσικό χώρο. Οι παρεµβολές από ραδιοσήµατα (Radio Signal Interference) χωρίζονται σε: Εσωτερικές (inward): Οι παρεµβολές αυτές προέρχονται από τις µεταδόσεις συστηµάτων που χρησιµοποιούν τις ίδιες συχνότητες µε αυτές ενός δικτύου µε το οποίο βρίσκονται στην ίδια περιοχή. Για παράδειγµα, πολλές συσκευές δικτύου λειτουργούν στην περιοχή των 2.4 GHz, στην οποία λειτουργούν και οι φούρνοι µικροκυµάτων µε αποτέλεσµα η µία συσκευή να παρεµβάλλεται στην άλλη, γεγονός που οδηγεί σε καθυστερήσεις και σφάλµατα στην µετάδοση. Εξωτερικές (outward): Οι παρεµβολές αυτού του είδους προκύπτουν όταν το σήµα ενός ασύρµατου δικτύου διακόπτει την µετάδοση ενός άλλου γειτονικού ασύρµατου συστήµατος, όπως είναι ένα δίκτυο. Οι παρεµβολές αυτές είναι σπάνιες καθώς τα προϊόντα των δικτύου λειτουργούν, συνήθως, µε ιδιαίτερα χαµηλή ισχύ (της τάξεως των µερικών mw). Ένα µέρος των παρεµβολών προκύπτει, ακριβώς, από το γεγονός ότι τα προϊόντα που αποτελούν ένα δίκτυο λειτουργούν σε συχνότητες που δεν απαιτούν άδεια από τον FCC. Η αποφυγή και η µείωση τέτοιων παρεµβολών εναπόκειται στους κατασκευαστές των ασύρµατων προϊόντων. Ως προς τις Τεχνολογίες των ασύρµατων δικτύων, για την υλοποίηση τους µπορεί να επιλεχθεί ένα από τα πολλά Standards που οι διάφοροι οργανισµοί και εταιρίες έχουν δηµιουργήσει τα τελευταία χρόνια. Τον Ιούνιο του 1977 η ΙΕΕΕ οριστικοποίησε το πρώτο της Standard για WLANs. Το Standard καθορίζει ως συχνότητα λειτουργίας τα 2.4 GHz και υποστηρίζει ρυθµούς δεδοµένων της τάξεως των 1 Mbps και 2 Mbps. Για την ασύρµατη µεταφορά δεδοµένων καθορίζονται οι λειτουργίες και οι υπηρεσίες ενός υποστρώµατος MAC και τριών διαφορετικών φυσικών στρωµάτων. Το υπόστρωµα MAC έχει 2 τρόπους λειτουργίας: Μία κατανεµηµένη (distributed) λειτουργία (CSMA/CA) 32

36 Κεφάλαιο 2ο: Περιγραφή του ασύρµατου δικτύου Υπολογισµοί ραδιοζεύξης (Link budget). Μια συντονισµένη (coordinated) λειτουργία (polling mode) Στα τέλη του 1999 η ΙΕΕΕ κοινοποίησε δύο νέα συµπληρωµατικά Standards για WLANs, τα a και b: Το a έχει καθοριστεί έτσι ώστε να υποστηρίζει ρυθµούς δεδοµένων έως και 54 Mbps µε χρήση της τεχνικής διαµόρφωσης OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) στην µπάντα των 5 GHz. Το b είναι ουσιαστικά µια προέκταση του αρχικού καθώς χρησιµοποιεί ως διαµόρφωση την τεχνική DSSS και λειτουργεί στα 2.4 GHz. Η διαφορά έγκειται στο γεγονός ότι µπορεί να υποστηρίξει ρυθµούς δεδοµένων έως και 11 Mbps. Προσφάτως, κοινοποιήθηκε το πρότυπο g µε ακόµα µεγαλύτερες δυνατότητες. Οι εφαρµογές των ασύρµατων δικτύων κερδίζουν ολοένα και περισσότερο έδαφος σε διάφορους τοµείς όπως είναι η εκπαίδευση (ασύρµατα σχολικά δίκτυα, τηλε-εκπαίδευση), η υγεία (νοσοκοµεία, ασθενοφόρα, αύξηση φροντίδας των ασθενών) και οι επιχειρήσεις. Ειδικά, στον τοµέα της εκπαίδευσης τα ασύρµατα σχολικά δίκτυα εµφανίζουν ιδιαίτερο ενδιαφέρον και µεγάλη κινητικότητα λόγω των δυνατοτήτων που µπορούν να προσφέρουν. Σχήµα Η σύνδεση από σηµείο σε σηµείο µπορεί να συνδέσει πολλά αποµακρυσµένα κτίρια µεταξύ τους. Ένα τέτοιο δίκτυο είναι αποτελεί και το αντικείµενο αυτής της διπλωµατικής εργασίας. Πρόκειται για ένα ασύρµατο point-to-point δίκτυο. Ο κυριότερος εκπρόσωπος των ασύρµατων δικτύων µε σύνδεση από σηµείο-σε-σηµείο (point-to- 33

37 Κεφάλαιο 2ο: Περιγραφή του ασύρµατου δικτύου Υπολογισµοί ραδιοζεύξης (Link budget) point) είναι τα ασύρµατα µητροπολιτικά δίκτυα WMANs (Wireless Metropolitan Area Networks), τα οποία χρησιµοποιούν τεχνολογίες που οµοιάζουν πολύ µε αυτές των WLAN. Η σύνδεση που χρησιµοποιείται συνήθως φαίνεται στο επόµενο σχήµα. Χρησιµοποιώντας κατευθυντικές κεραίες και τεχνικές διαµόρφωσης όπως η spread spectrum, τα δίκτυα αυτά µπορούν να υποστηρίξουν µετάδοση σε αποστάσεις µέχρι και 45 χιλιόµετρα, απόσταση πάντως που µειώνεται αισθητά από διάφορους παράγοντες όπως οι καθυστερήσεις µετάδοσης και τα διάφορα εµπόδια και παρεµβολές. Ο ρυθµός µετάδοσης για τα WMAN µπορεί να φτάσει τα 11 Mbps για ζεύξεις των 3-5 χιλιοµέτρων. 34

38 Κεφάλαιο 2ο: Περιγραφή του ασύρµατου δικτύου Υπολογισµοί ραδιοζεύξης (Link budget). 2.2 ΕΞΟΠΛΙΣΜΟΣ ΕΝΟΣ ΑΣΥΡΜΑΤΟΥ ΙΚΤΥΟΥ Τα βασικά δοµικά στοιχεία ενός ασύρµατου συστήµατος είναι η ασύρµατη συσκευή και το αντίστοιχο κεραιοσύστηµα. Υπάρχει µεγάλη ποικιλία συσκευών και κεραιών διαφόρων τύπων µε διαφορετικές προδιαγραφές, ποιότητα κατασκευής και κόστος, η σωστή επιλογή ανάµεσα τους απαιτεί στοιχειώδη τουλάχιστον γνώση των χαρακτηριστικών τους. Το παρακάτω σχήµα (2.6) δείχνει ένα απλοποιηµένο λειτουργικό διάγραµµα ενός ασύρµατου συστήµατος. Στην κατεύθυνση της λήψης η κεραία συλλαµβάνει το ηλεκτροµαγνητικό κύµα, το µετατρέπει σε ηλεκτρικό και µέσω κατάλληλου καλωδίου το µεταφέρει στο δέκτη. Εκεί γίνεται ενίσχυση του σήµατος, φιλτράρισµα του ώστε να απορριφθούν τα γειτονικά κανάλια και αποδιαµόρφωσή του. Το ανακτώµενο ψηφιακό σήµα οδηγείται µέσω κατάλληλης διεπαφής προς τον προσωπικό υπολογιστή. Στην κατεύθυνση της εκποµπής το σήµα πληροφορίας µεταφέρεται στην ασύρµατη συσκευή, όπου διαµορφώνεται στο κατάλληλο RF σήµα. Αυτό οδηγείται στην κεραία όπου και εκπέµπεται µε τη µορφή ηλεκτροµαγνητικών κυµάτων στο χώρο. Σχήµα 2. 6 Απλοποιηµένο λειτουργικό διάγραµµα ενός ασύρµατου συστήµατος Κεραία Ο ρόλος της είναι να µετατρέπει τα ηλεκτρικά σήµατα σε ραδιοκύµατα στην περίπτωση της εκποµπής και το αντίστροφο στην κατεύθυνση της λήψης. Στην περίπτωση της κάλυψης 35

39 Κεφάλαιο 2ο: Περιγραφή του ασύρµατου δικτύου Υπολογισµοί ραδιοζεύξης (Link budget) σε εσωτερικούς χώρους ή σε µικρές αποστάσεις η κεραία είναι ενσωµατωµένη στην συσκευή, όπως συµβαίνει στις περισσότερες ασύρµατες συσκευές. Στις περισσότερες µάλιστα συσκευές υπάρχουν δύο τέτοιες κεραίες ώστε να αντιµετωπίζεται το φαινόµενο των ανακλάσεων που είναι έντονο σε εσωτερικούς χώρους. Αντίθετα σε περιπτώσεις κάλυψης εξωτερικών χώρων ή σε περιπτώσεις που είναι επιθυµητό να αυξηθεί η εµβέλεια χρησιµοποιούνται εξωτερικές κεραίες. Αυτές έχουν την ιδιότητα να συγκεντρώνουν την ακτινοβολία σε συγκεκριµένες κατευθύνσεις. Να σηµειωθεί ότι η προσθήκη εξωτερικής κεραίας σε µια συσκευή, αυτόµατα αλλάζει τα χαρακτηριστικά εκποµπής της, αφαιρώντας της την πιστοποίηση καταλληλότητας. Εποµένως, τούτο πρέπει να γίνεται σε εξοπλισµό που προβλέπει την προσθήκη εξωτερικής κεραίας και λαµβάνοντας υπόψη το ρυθµιστικό πλαίσιο, αλλά και τους κανόνες καλής σχεδίασης. Σε αντίθετη περίπτωση παραβαίνεται ο κανόνας χρήσης της ζώνης συχνοτήτων ISM. Ανάλογα µε το εύρος γωνιών στο οποίο εκπέµπουν οι κεραίες χωρίζονται σε κάποιους βασικούς τύπους. Μια κατευθυντική κεραία (directional antenna) συγκεντρώνει την εκποµπή της σε µια κατεύθυνση, έχοντας εύρος του κύριου λοβού ακτινοβολίας λίγες µοίρες, παρέχοντας έτσι µεγάλο κέρδος και δίνοντας την δυνατότητα για πραγµατοποίηση ζεύξεων µεγάλων αποστάσεων. Υπάρχει η οµοιοκατευθυντική κεραία (omni-directional antenna), η οποία εκπέµπει σε εύρος 360 µοιρών, προς όλες της κατευθύνσεις. Αυτές οι κεραίες καλό είναι να αποφεύγονται λόγω του µεγάλου ποσού θορύβου που προκαλούν. Τέλος οι κεραίες τοµέα (sector) έχουν γωνία οριζόντιας κάλυψης από 40 έως 180 µοίρες. Ένα χαρακτηριστικό της κεραίας, που είναι ενδεικτικό για την κατευθυντικότητά της είναι το κέρδος. Το κέρδος µετριέται σε µονάδες dbi και εκφράζει την ενίσχυση της εκποµπής µιας κεραίας προς µια κατεύθυνση σε σχέση µε την περίπτωση που η ισχύς θα σκορπίζονταν οµοιόµορφα προς όλες τις κατευθύνσεις. Έτσι, πρώτη επιλογή είναι ο τύπος της κεραίας και το κέρδος της ανάλογα µε την περιοχή την περιοχή κάλυψης και την επιθυµητή εµβέλεια. Πέρα από την κατευθυντικότητα, και το είδος της κεραίας, πρέπει να ληφθούν σοβαρά υπόψη κατά την επιλογή της και µια σειρά από άλλους παράγοντες: Εγκατάσταση. Κάποιες κεραίες είναι πιο εύκολες στην εγκατάσταση ή απαιτούν καλύτερη στήριξη. 36

40 Κεφάλαιο 2ο: Περιγραφή του ασύρµατου δικτύου Υπολογισµοί ραδιοζεύξης (Link budget). Ποιότητα κατασκευής. Αποτελεί ένα σηµαντικό παράγοντα επιλογής. Όταν επιλεχθεί µια εσωτερική κεραία θα πρέπει να είναι κατασκευασµένη από υλικά τα οποίο δεν είναι εύφλεκτα ή προκαλούν καπνούς και να µην είναι εύθραυστη. Μια εξωτερική κεραία θα πρέπει να έχει µεγάλη αντοχή στον χρόνο, και να αντέχει στις έντονες καιρικές συνθήκες είτε πρόκειται για βροχήυγρασία, είτε για έντονο αέρα. Ποιοτική κατασκευή σηµαίνει, επίσης, ανωτερότητα στα ηλεκτρικά της χαρακτηριστικά. Έτσι, πρέπει να έχει καλό διάγραµµα ακτινοβολίας ώστε να παρεµβάλλει και να επηρεάζεται από παρεµβολές όσο το δυνατό πιο λίγο. ιακριτικότητα. Κάποιες φορές για λόγους αισθητικής, κυρίως σε εσωτερικούς χώρους, χρησιµοποιούνται όσο το δυνατό πιο µικρές και διακριτικές κεραίες. Κόστος. Το κόστος µιας κεραίας διαφέρει όσο και η ποικιλοµορφία της. Μερικές λύσεις είναι αρκετά πιο ακριβές, από κάποιες άλλες. Μια εξισορρόπηση µεταξύ κόστους και αποτελεσµατικότητας, βάση των ιδιαίτερων αναγκών, είναι καλή τακτική. ιασύνδεση κεραίας συσκευής. Εκτός των κεραιών που είναι ενσωµατωµένες στην ασύρµατη συσκευή, στις υπόλοιπες το ραδιοσήµα µεταφέρεται µέσω οµοαξονικού καλωδίου και συνδετήρων κατάλληλων προδιαγραφών. Ασύρµατη συσκευή Πρότυπο. Οι ασύρµατες συσκευές καταρχήν χωρίζονται ανάλογα µε τα πρότυπα που υλοποιούν. Υπάρχουν συσκευές για κάθε ένα από τα πρότυπα b, g, a, ενώ ολοένα και πιο προσιτές και δηµοφιλείς γίνονται οι συσκευές που υλοποιούν περισσότερα του ενός πρότυπα (b/g, a/b, a/g, b/g/a). Κατανοώντας τις ιδιαιτερότητες του κάθε προτύπου επιλέγεται η κατάλληλη λύση για την επιθυµητή εφαρµογή. Τύπος. Οι ασύρµατες συσκευές µπορεί να είναι µε µορφή κάρτας ή αυτόνοµες συσκευές. Μία αυτόνοµη συσκευή συνδέεται µε το υπόλοιπο δίκτυο µέσω µιας τυποποιηµένης διεπαφής Ethernet ή USB. Αυτές µπορούν να εκτελούν κάποιες επιπρόσθετες δικτυακές λειτουργίες όπως να ενσωµατώνουν ένα switch ή ένα ADSL modem ή να υλοποιούν πρωτόκολλα όπως το DHCP ή το ΝΑΤ. 37

41 Κεφάλαιο 2ο: Περιγραφή του ασύρµατου δικτύου Υπολογισµοί ραδιοζεύξης (Link budget) Μια συσκευή µε µορφή κάρτας τοποθετείται σε µια θέση PCI, mini-pci, PCMCIA του υπολογιστή. Στο παρακάτω σχήµα η υλοποίηση είναι ενός ασυρµάτου κόµβου µε χρήση ασύρµατης κάρτας. Σχήµα 2. 7 Υλοποίηση µε ασύρµατη κάρτα Ένας υπολογιστής σε Windows, Linux, BSD λειτουργικό φιλοξενεί την ασύρµατη κάρτα, αναλαµβάνοντας και κάποιες επιπρόσθετες λειτουργίες όπως για παράδειγµα δροµολόγηση, firewalling, και διάφορες υπηρεσίες όπως web hosting, ftp server κ.α. Το τοπικό ενσύρµατο δίκτυο µέσω του υπολογιστή αυτού έχει πρόσβαση στο ασύρµατο δίκτυο. Φυσικά, η πιο απλή υλοποίηση θα περιλάµβανε τον υπολογιστή εφοδιασµένο µε µια ασύρµατη κάρτα. 38

42 Κεφάλαιο 2ο: Περιγραφή του ασύρµατου δικτύου Υπολογισµοί ραδιοζεύξης (Link budget). Λειτουργίες. Υπάρχουν αυτόνοµες συσκευές που έχουν τη λειτουργικότητα ενός σηµείου πρόσβασης, άλλες που έχουν αυτή ενός ασύρµατου σταθµού. Επίσης κάποιες µας δίνουν την δυνατότητα επιλογής του τρόπου λειτουργίας και κάποιες ενσωµατώνουν επιπρόσθετους τρόπους λειτουργίας όπως αυτές του επαναλήπτη (repeater) ή της ασύρµατης γέφυρας (bridge). Είναι σηµαντικό να τονιστεί ότι οι τρόποι λειτουργίας που υπόσχονται οι κατασκευαστές και είναι εκτός προτύπου δουλεύουν µόνο µεταξύ προϊόντων του ίδιου κατασκευαστή και κατά συνέπεια δεν θα πρέπει να αποτελούν κριτήριο για την τελική επιλογή. Οι ασύρµατες κάρτες από την άλλη πλευρά υλοποιούν µόνο τη λειτουργία του ασύρµατου σταθµού. Εξαίρεση αποτελούν οι κάρτες που φέρουν Prism chipset, οι οποίες σε λειτουργικό Linux µε χρήση κατάλληλων οδηγών µπορούν να λειτουργήσουν και σαν σηµείο πρόσβασης (AP). Χρήση. ιαφοροποίηση υπάρχει στις συσκευές ανάλογα µε το αν προορίζονται για εσωτερική ή εξωτερική χρήση. Αυτές για χρήση σε εξωτερικούς χώρους έχουν µεγαλύτερες ανοχές για τη θερµοκρασία λειτουργίας, µπορούν να δουλέψουν σε αντίξοο περιβάλλον, αλλά έχουν αρκετά υψηλότερη τιµή κόστους. υνατότητες. Οι συσκευές του εµπορίου ποικίλουν όσον αφορά τις δυνατότητες τους. Μερικές δυνατότητες µµπορεί να είναι η ρύθµιση της ισχύος εκποµπής, η µέτρηση της στάθµης λήψης και του θορύβου, η ενσωµάτωση επιπλέον λειτουργιών ασφαλείας, η λήψη στατιστικών κ.α. Η διαχείριση τους µπορεί να γίνει µέσω web διεπαφής, µε telnet, µε snmp, µε κάποιο χρηστικό πρόγραµµα από τον κατασκευαστή. 39

43 Κεφάλαιο 2ο: Περιγραφή του ασύρµατου δικτύου Υπολογισµοί ραδιοζεύξης (Link budget) 2.3 ΤΟ ΑΣΥΡΜΑΤΟ ΣΧΟΛΙΚΟ ΙΚΤΥΟ ΤΗΣ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ Το Α.Π.Θ. ως φορέας υλοποίησης του Πανελλήνιου Σχολικού ικτύου στη Θεσσαλονίκη, ανέλαβε το έργο της ασύρµατης δικτύωσης 10 σχολικών µονάδων στην ευρύτερη περιοχή της Θεσσαλονίκης. Η συγκεκριµένη λύση δικτύωσης επιλέχθηκε διότι η τεχνολογία ασύρµατης δικτύωσης είναι µια καινούρια και πολλά υποσχόµενη τεχνολογία η οποία συνδυάζει την ευκολία δικτύωσης περιοχών στις οποίες δεν υπάρχει διαθέσιµη καλωδιακή υποδοµή, καθώς και τις υψηλές ταχύτητες σε σχέση µε άλλες διαθέσιµες τεχνολογίες (πχ. ISDN ). Για το σκοπό αυτό επιλέχθηκαν πιλοτικά 10 σχολικές µονάδες στις οποίες αντικαταστάθηκε ο ήδη υπάρχον εξοπλισµός για διασύνδεση του σχολικού εργαστηρίου µέσω ISDN στο διαδίκτυο, µε ασύρµατο εξοπλισµό που διασυνδέει το σχολείο µε το Internet µέσω της κεντρικής κεραίας που βρίσκεται εγκατεστηµένη σε κτίριο του Α.Π.Θ. Ακολουθεί σχεδιάγραµµα της τοπολογίας δικτύου που υλοποιήθηκε, και αµέσως µετά µια σύντοµη περιγραφή του. Σχήµα Τοπολογία σχολικού ασυρµάτου δικτύου Θεσσαλονίκης 40

44 Κεφάλαιο 2ο: Περιγραφή του ασύρµατου δικτύου Υπολογισµοί ραδιοζεύξης (Link budget). 2.4 ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ ΙΚΤΥΟΥ Το ασύρµατο δίκτυο που έχει υλοποιηθεί αποσκοπεί στην ασύρµατη διασύνδεση 10 σχολικών µονάδων της Θεσσαλονίκης µε το Πανελλήνιο Σχολικό ίκτυο. Για το δίκτυο αυτό χρησιµοποιήθηκαν µια σειρά από δροµολογητές και switch της εταιρίας Cisco, ασύρµατος εξοπλισµός της Alvarion και κεραίες της Superpass. Κεντρικό σηµείο του δικτύου είναι ο δροµολογητής στον οποίο καταλήγουν όλες οι συνδέσεις των δροµολογητών του δικτύου ασύρµατες ή ISDN. Ο δροµολογητής αυτός βρίσκεται στον κόµβο Θεσσαλονίκης του Π.Σ.., που βρίσκεται στο κτίριο του OTE επί της οδού Ερµού. Ο δροµολογητής που αναφέραµε συνδέεται µε τον δροµολογητή του ασύρµατου δικτύου ο οποίος βρίσκεται σε άλλο κτίριο του Α.Π.Θ. Αυτός ο δροµολογητής είναι της εταιρίας Cisco και διαθέτει µία κάρτα WIC-2 T, 2 Interfaces Fast Ethernet και δύο interfaces Serial Sync/ Async. Η σύνδεση των δύο πιο πάνω δροµολογητών γίνεται µε χρήση δισύρµατης ευθείας στην οποία συνδέονται δύο Patton 3086 G. SHDSL modem, τα οποία στη συνέχεια συνδέονται µέσω σειριακών καλωδίων σε αντίστοιχα interfaces των δροµολογητών. Το κτίριο όπου βρίσκεται ο δροµολογητής του ασύρµατου δικτύου συνδέεται µε το κτίριο όπου βρίσκεται εγκατεστηµένος ο ασύρµατος εξοπλισµός του κεντρικού σηµείου για την ασύρµατη σύνδεση των σχολείων του δικτύου. Η σύνδεση γίνεται µέσω ζεύξης µε οπτική ίνα. Υπάρχει εγκατεστηµένος ένας πυλώνας µε τέσσερις κεραίες τύπου panel 45 µοιρών ( Super Pass SPDG 17 E). Στη κάθε κεραία συνδέεται από µία µονάδα Alvarion BreezeaccessII τύπου AU- E- BS-2.4, η οποία αποτελείται από δύο τµήµατα, την εσωτερική µονάδα και την εξωτερική. Η εξωτερική είναι εγκατεστηµένη πάνω στον πυλώνα και η εσωτερική στο υπόγειο του κτιρίου. Η εσωτερική µονάδα είναι κάρτα η οποία είναι εγκατεστηµένη σε ένα σταθµό βάσης στον οποίο υπάρχουν συνολικά αυτή τη στιγµή τέσσερις µονάδες (µία για κάθε κεραία). Οι εσωτερικές µονάδες συνδέονται µέσω Ethernet σε ένα Cisco switch από το οποίο γίνεται η σύνδεση µε τον δροµολογητή του ασυρµάτου δικτύου. 41

45 Κεφάλαιο 2ο: Περιγραφή του ασύρµατου δικτύου Υπολογισµοί ραδιοζεύξης (Link budget) Το κάθε σχολείο του δικτύου συνδέεται ασύρµατα µε το κεντρικό σηµείο και έχει τη δυνατότητα να συνδεθεί απευθείας στον δροµολογητή του σχολικού δικτύου µέσω ISDN σε περίπτωση µη λειτουργίας της ασύρµατης σύνδεσης. Για την ασύρµατη σύνδεση χρησιµοποιείται κεραία Alvarion uni- directional 24 dbi και µονάδα ασύρµατης εκποµπής-λήψης Alvarion BreezaccessII SU- E-1 D- HP2.4. Η µονάδα εκποµπήςλήψης αποτελείται επίσης από την εσωτερική και την εξωτερική µονάδα όπως στις µονάδες του Σεισµολογικού µε τη διαφορά ότι η εσωτερική µονάδα είναι αυτόνοµη και δεν χρειάζεται σταθµό βάσης. Η ασύρµατη σύνδεση καταλήγει σε δροµολογητή Cisco 1721 από τον οποίο γίνεται και η εφεδρική σύνδεση µέσω ISDN. Ο δροµολογητής συνδέεται σε ένα switch Cisco Catalyst από το οποίο γίνεται και η σύνδεση των τερµατικών στο δίκτυο. Στο σχήµα φαίνεται η µια από τις τρεις συνδέσεις για το λύκειο της Περαίας. Σχήµα 2. 9 Η ασύρµατη σύνδεση Σεισµολογικού - Περαίας 42

46 Κεφάλαιο 2ο: Περιγραφή του ασύρµατου δικτύου Υπολογισµοί ραδιοζεύξης (Link budget). 2.5 LINK BUDGET Τα Link budgets είναι πολύ συνηθισµένα για τον υπολογισµό Transmitting power για wireless links, και είναι ένας καλός τρόπος να αξιολογηθεί το κόστος ενός wireless link πριν την εγκατάσταση. Ο ρόλος του Link Budget είναι να προβλέψει για ορισµένη συχνότητα f, data rate, και Bandwidth πόση ισχύς απαιτείται από τον ποµπό (transmitter). Παίρνοντας τα δεδοµένα από την προσφορά µπορούµε να κάνουµε ένα παράδειγµα για να φανεί πως γίνεται ένα link budget. Η απαίτηση για ταχύτητα από το wireless link είναι 3 Mbps σε συχνότητα 2.41GHz (θεωρούµε µια σταθερή συχνότητα εντός του φάσµατος που κάνει hopping) λαµβάνοντας υποθετικά µια απόσταση για το link (από το βιολογικό µέχρι ένα από τα σχολεία) 10Km. Πρώτα ας δούµε κάποια µεγέθη. Ο λόγος E b /N o (energy per bit to noise power density) είναι ένα µέγεθος που µετράει ενέργεια ανά Hz φάσµατος και είναι αντίστοιχο του S/N (Signal to noise ratio) αλλά για ψηφιακές επικοινωνίες. Αυτό µετράται πάντα στην είσοδο του δέκτη (Receiver) και δείχνει ουσιαστικά πόσο δυνατό είναι το σήµα που λαµβάνεται. ιαφορετικοί τύποι διαµόρφωσης (BPSK, QPSK, QAM, GMSK, 8PSK κτλ) έχουν διαφορετικές καµπύλες σε σχέση µε το Bit Error Rate και το E b /N o όπως φαίνεται και στο σχήµα Αυτές οι καµπύλες δείχνουν για διάφορες τεχνικές διαµόρφωσης διαφορετικά χαρακτηριστικά απόδοσης για δεδοµένη ισχύ από τον transmitter. Για το BER µια πολύ ικανοποιητική τιµή για packet transmission είναι Υποθέτοντας ότι τα ελάχιστα πακέτα που θα έχουν λάθη µπορούν να ξανασταλθούν. Για τον υπολογισµό του Link Budget ακολουθούµε τα βήµατα: Υπολογίζουµε το E b /N o για το BER που θέλουµε Από την τιµή E b /N o βρίσκουµε το C/N (carrier to noise ratio) στο δέκτη (receiver) Υπολογίζουµε το receiver noise, το receiver power και το path loss Βάζουµε ένα fade margin και υπολογίζουµε transmitter power από τον τύπο: Pt = Pr - Gt - Gr + PL + Fade Margin 43

47 Κεφάλαιο 2ο: Περιγραφή του ασύρµατου δικτύου Υπολογισµοί ραδιοζεύξης (Link budget) Όπου: Pt transmitter power Pr receiver power Gt, Gr τα gain των κεραιών του transmitter και του receiver αντίστοιχα PL το path loss από την µεταφορά της ενέργειας στον αέρα Σχήµα BER vs E b /N o (Thanks, Intersil for this figure) Από το Figure 1, για GMSK που είναι ουσιαστικά OFSK (FSK όπου οι δύο τόνοι για 0 και 1 είναι στη µικρότερη δυνατή απόσταση µεταξύ τους που µπορεί να είναι orthogonal) βρίσκουµε ότι µια τιµή BER 10-6 απαιτεί E b /N o 14dB. Μετατρέπουµε το E b /N o σε carrier to noise ratio (C/N) µε τον τύπο: Όπου: fb το bit rate, and Bw το noise bandwidth του receiver. C/N = 14 (db) + 3Mbps / 22MHz (db) = 14dB + 10log(3x10 6 / 6x10 6 ) = = 14dB dB = 15.07dB. 44

48 Κεφάλαιο 2ο: Περιγραφή του ασύρµατου δικτύου Υπολογισµοί ραδιοζεύξης (Link budget). Σηµ. όπου ΒW δεν βάζουµε 1MHz που είναι το πλάτος καθενός από τα 79 κανάλια που κάνει hopping ο carrier αλλά το ΒW που προκύπτει για διαµόρφωση GMSK και είναι περίπου ίση µε το διπλάσιο του bit rate. Για την τον υπολογισµό της ισχύς του transmitter πρέπει να υπολογιστεί και ο θόρυβος του δέκτη (receiver noise power) ο οποίος είναι thermal noise, είναι αναπόφευκτος και έχει να κάνει µε τα φυσικά κυκλώµατα της συσκευής. Το Noise power βρίσκεται από το τύπο Boltzmann: Όπου: N = ktb k Boltzmann's constant = x10-23 J/K; T effective temperature in Kelvin, B is the receiver bandwidth. Για Β=6MHz και εξωτερική θερµοκρασία 20 ο : N1 = ( x10-23 J/K) * (290K) *(6MHz) = 2.402x = 2.4x mw = dBm Ο receiver παράγει επιπλέον και αυτός θόρυβο κάνοντας amplification και processing το σήµα. Αυτός ο θόρυβος ονοµάζεται receiver noise figure Nf. Μια συνηθισµένη τιµή είναι 7 db και προστίθεται στον υπολογισµό του noise figure. Οπότε: Receiver noise N = = dbm. Τώρα µπορούµε να υπολογίσουµε την ισχύ που θα πρέπει να έχει το σήµα στην είσοδο του δέκτη receiver από το τύπο Pr = C/N * N, ή σε db Pr = C/N + N. Αυτή είναι και η ισχύς του σήµατος που θα πρέπει να έχει ο δέκτης για το συγκεκριµένο BER. 45

49 Κεφάλαιο 2ο: Περιγραφή του ασύρµατου δικτύου Υπολογισµοί ραδιοζεύξης (Link budget) Pr = db dBm = dbm Το path loss για open air βρίσκεται από το τύπο: PL = (4πd /λ) 2 και σε λογαριθµική µορφή: PL = 22 db + 20log(d/λ) Όπου: PL path loss σε db; d απόσταση του transmitter από τον receiver λ Μήκος κύµατος RF ( λ = c / f ) PL = 22 db + 20log(10*10 3 /.124) = = 120.1dB Βάζοντας και ένα fading margin 20 db που είναι ασφαλιστική δικλίδα για περίπτωση απότοµου fading και βάζοντας και τα gain Gt, Gr των κεραιών του transmitter και του receiver αντίστοιχα µπορούµε να υπολογίσουµε την ισχύ που χρειάζεται ο transmitter από το τύπο που είδαµε στην αρχή: Pt = Pr - Gt - Gr + PL + Fade Margin Pt = dBm dBi - 24 dbi db +20 db = 14.9 dbm = 30.9 mw Αυτή είναι η ισχύς που θα πρέπει να έχει ο transmitter ώστε η σχολική µονάδα που απέχει (υποθετικά) 10 Km από το βιολογικό να έχει ικανοποιητικό link. Στους υπολογισµούς δεν λήφθηκαν υπόψη οι απώλειες των καλωδίων από τις κεραίες ως τις εξωτερικές µονάδες αλλά αυτές για µικρές αποστάσεις και για καλής ποιότητας καλώδιο είναι µικρές (~1dB). 46

50 Κεφάλαιο 3ο: Link study µε το πρόγραµµα EDX signalpro 2.0 Κεφάλαιο 3 ο Link study µε το πρόγραµµα EDX signal pro (έκδοση 2.0) 3.1 ΓΕΝΙΚΑ ΓΙΑ ΤΟ EDX Signalpro 2.0 Το υπολογιστικό πακέτο ΕDX Signal Pro εντάσσεται στην ευρύτερη περιοχή του εξειδικευµένου λογισµικού τεχνολογίας τηλεπικοινωνιών και θεωρείται από τα πλέον αναλυτικά και ολοκληρωµένα εργαλεία για την πραγµατοποίηση µελετών ραδιοκάλυψης. Η πληθώρα προχωρηµένων µοντέλων διάδοσης που µπορούν να προσοµοιωθούν από το EDX, επιτρέπει στους χρήστες του τη µελέτη και πρόβλεψη των περιοχών κάλυψης µεγάλου αριθµού συστηµάτων ακτινοβολίας. Το EDX καλύπτει σε ένα µεγάλο ποσοστό το σύνολο των παραγόντων που πρέπει να συνυπολογιστούν κατά την ανάλυση ενός συστήµατος ακτινοβολίας, µέσω της δυνατότητας σύνδεσής του µε κατάλληλες χαρτογραφικές βάσεις δεδοµένων, που σχετίζονται µε πληροφορίες όπως: µορφολογία εδάφους, πολιτικοί χάρτες (διάφορα επίπεδα δρόµων, σιδηροδροµικά δίκτυα, πολιτικά σύνορα, πόλεις), κατανοµή πληθυσµού και γεωφυσικό ανάγλυφο. Επιπρόσθετα, παρέχεται η δυνατότητα στο χρήστη να αντλήσει πληροφορίες και από άλλες βάσεις δεδοµένων, έτσι ώστε να καλύπτονται και περιπτώσεις που δεν εντάσσονται σε κάποια από τις προαναφερθείσες κατηγορίες. Το χαρακτηριστικό αυτό του EDX προσφέρει στο χρήστη το πλεονέκτηµα να προβλέπει και να αποτυπώνει µε ικανοποιητική ακρίβεια περιοχές ραδιοκάλυψης και εποµένως να εκπονεί αξιόπιστες µελέτες. Έτσι, µε βάση τα παραπάνω, το EDX Signal Pro µπορεί να µοντελοποιεί τη συµπεριφορά ραδιοσηµάτων σε αστικές, αγροτικές ή ορεινές περιοχές, σε εσωτερικούς ή εξωτερικούς χώρους, λαµβάνοντας υπόψη παράγοντες που επηρεάζουν τη διάδοση του σήµατος, όπως εδαφικές ανωµαλίες, είδος δόµησης, επιδράσεις άλλων πηγών ηλεκτροµαγνητικής ακτινοβολίας και κλιµατολογικές συνθήκες. 47

51 Κεφάλαιο 3ο: Link study µε το πρόγραµµα EDX signalpro 2.0 Σ αυτό το κεφάλαιο θα επιχειρήσουµε µια εύληπτη παρουσίαση του προγράµµατος. Με µία βήµα προς βήµα περιγραφή για το πώς µπορεί να πραγµατοποιηθεί µια προσοµοιωτική µελέτη ραδιοκάλυψης µε το EDX Signal Pro, λαµβάνοντας σαν µοναδικό δεδοµένο ότι ο αναγνώστης είναι εξοικειωµένος µε τη βασική χρήση προγραµµάτων των Windows (χρήση των παραθύρων, µενού επιλογών, γραµµών εργαλείων κτλ.). Η διαδικασία προσοµοίωσης µπορεί να συνοψισθεί στα παρακάτω βασικά βήµατα: ηµιουργία του χάρτη, καθορισµός του µεγέθους (κλίµακας) της περιοχής µελέτης και εισαγωγή των λοιπών χαρακτηριστικών της (τοπολογία εδάφους, σχεδιαγράµµατα πόλεων, οδικών αρτηριών, σιδηροδροµικών γραµµών και γενικά οποιαδήποτε πληροφορία θεωρούµε χρήσιµη). Τοποθέτηση των κεραιών πάνω στο χάρτη και καθορισµός των επιµέρους παραµέτρων τους (στίγµα, συχνότητα λειτουργίας, ισχύς τροφοδοσίας κ.ά.). Επιλογή Μοντέλου ιάδοσης και πλήρης καθορισµός των παραµέτρων αυτού (αγωγιµότητα εδάφους, διηλεκτρική του σταθερά κ.ά.). Καθορισµός του τύπου της µελέτης. Εκτέλεση της προσοµοίωσης. 48

52 Κεφάλαιο 3ο: Link study µε το πρόγραµµα EDX signalpro ΗΜΙΟΥΡΓΙΑ ΚΑΙ ΑΠΕΙΚΟΝΙΣΗ ΧΑΡΤΗ. Ξεκινώντας την εφαρµογή εµφανίζεται ένα κενό παράθυρο του προγράµµατος (εικόνα 3.2.1). Ο χάρτης είναι το θεµελιώδες στοιχείο πάνω στο οποίο το EDX συγκροτεί όλη τη µελέτη του. Εικόνα Βασικό παράθυρο προγράµµατος. 49

53 Κεφάλαιο 3ο: Link study µε το πρόγραµµα EDX signalpro 2.0 Για να δηµιουργήσουµε ένα χάρτη µπορούµε να ακολουθήσουµε τη διαδροµή File New map file (εικόνα 3.2.2) ή εναλλακτικά να επιλέξουµε το κουµπί New Map από τη γραµµή εργαλείων. Το EDX περιέχει έναν παγκόσµιο χάρτη (αρχείο Default.map) µε όλες τις βασικές παραµέτρους, όπως σύνορα, κλίµακες, γεωγραφικές συντεταγµένες κτλ., τον οποίο και «φορτώνει» αυτόµατα. Στο παράθυρο του προγράµµατός µας τώρα εξ ορισµού εµφανίζεται η γεωγραφική περιοχή του Eugene στο Oregon των Ηνωµένων Πολιτειών (εικόνα 3.2.3). Εικόνα Επιλογή New map file από µενού File. Εικόνα Βασικό παράθυρο χάρτη. 50

54 Κεφάλαιο 3ο: Link study µε το πρόγραµµα EDX signalpro 2.0 Προκειµένου να µεταφερθούµε ταχύτερα στην περιοχή που µας ενδιαφέρει θα πρέπει να γνωρίζουµε τις συντεταγµένες κάποιου σηµείου της περιοχής αυτής. Σε διαφορετική περίπτωση θα πρέπει να µετακινούµε τον δείκτη(κέρσορα) µέχρι να φτάσουµε στο επιθυµητό σηµείο, πράγµα το οποίο είναι χρονοβόρο και αµφιβόλου αποτελεσµατικότητας. Πηγαίνοντας, λοιπόν, από το µενού Map Current view (εικόνα 3.2.4), ανοίγουµε το παράθυρο της εικόνας Εδώ, και συγκεκριµένα στο τµήµα Centerpoint coordinates (εικόνα 3.2.6), εισάγουµε τις επιθυµητές συντεταγµένες και πατάµε το πλήκτρο ΟΚ. Αυτόµατα το πρόγραµµα µας µεταφέρει στην περιοχή των συντεταγµένων αυτών. Προτρέπουµε τον αναγνώστη να εξοικειωθεί µε τη συγκεκριµένη διαδροµή, διότι αποτελεί τον πιο εύκολο τρόπο για γρήγορη και ακριβή µετάβαση σε οποιοδήποτε επιθυµητό σηµείο του χάρτη, κάτι που είναι σίγουρο ότι θα κληθεί να κάνει πολλές φορές κατά τη χρήση του προγράµµατος. Εικόνα Επιλογή Current view από µενού map. 51

55 Κεφάλαιο 3ο: Link study µε το πρόγραµµα EDX signalpro 2.0 Εικόνα Παράθυρο διαλόγου Current View Setup. Εικόνα Πλαίσιο εισαγωγής συντεταγµένων. Το συγκεκριµένο παράθυρο µας δίνει κάποιες ακόµη επιλογές, τις οποίες, για λόγους πληρότητας, θα αναφέρουµε τώρα. Από εδώ ορίζεται η κλίµακα εµφάνισης του χάρτη (πλαίσιο Scale) καθώς και η προοπτική του (πλαίσιο View perspective). Συνήθως θέτουµε ϑ =90 και π =180. Τέλος, µε το Reference grid properties (εικόνα 3.2.7) προσδιορίζεται η εµφάνιση ή µη του πλέγµατος του χάρτη, το πάχος των γραµµών του, το χρώµα κτλ. 52

56 Κεφάλαιο 3ο: Link study µε το πρόγραµµα EDX signalpro 2.0 Εικόνα Παράθυρο διαλόγου Reference Grid Style. Επίσης βοηθητικά παρατηρούµε ότι δεξιά στη γραµµή κατάστασης του παραθύρου εργασιών αναγράφονται οι ακριβείς συντεταγµένες του σηµείου που βρίσκεται ο δείκτης του προγράµµατος. Στη συνέχεια, προχωρούµε στην εισαγωγή των απαραίτητων στοιχείων της επιλεγµένης περιοχής. Ο σηµαντικότερος τύπος δεδοµένων που χρειαζόµαστε είναι αυτός της κλιµάκωσης του εδαφικού ανάγλυφου. Από το µενού Databases επιλέγουµε Terrain (εικόνα 3.2.8) και οδηγούµαστε στο παρακάτω παράθυρο (εικόνα 3.2.9). Εικόνα Επιλογή Terrain από µενού Databases. 53

57 Κεφάλαιο 3ο: Link study µε το πρόγραµµα EDX signalpro 2.0 Εικόνα Παράθυρο διαλόγου Terrain Databases. Μέσω των επιλογών Type EDX Planimetric.PTR format εισάγουµε το αρχείο δεδοµένων µας. Η κάθε βάση δεδοµένων ενεργοποιείται µε την επιλογή της αντίστοιχης ένδειξης (Active) στη δεξιά πλευρά της εικόνας Αν έχουν γίνει όλα σωστά, στη γραµµή κατάστασης θα µας εµφανίζεται τώρα και το υψόµετρο του σηµείου στο οποίο βρίσκεται ο δείκτης. Έχοντας εισάγει τη βάση δεδοµένων του εδάφους, µπορούµε τώρα να πετύχουµε την απεικόνιση των υψοµετρικών διαφορών στο χάρτη µας. Για το σκοπό αυτό θα πρέπει να καθορίσουµε πρώτα το µέγεθος του πλέγµατος του χάρτη µας (grid). Από το µενού Studies επιλέγουµε το υποµενού Define study grid (εικόνες και ). Εισάγουµε το γεωγραφικό µήκος και πλάτος ενός κεντρικού σηµείου του χάρτη µας στα αντίστοιχα πεδία του παραθύρου Study grid και καθορίζουµε το επιθυµητό µήκος και ύψος του πλέγµατος. Οι τιµές αυτές αντιπροσωπεύουν την απόσταση από το κέντρο ως την άκρη του πλέγµατος (συνήθως η τιµή των 20 km και στα δύο πεδία µάς δίνει καλή απεικόνιση). Στο πεδίο Grid point Spacing εισάγουµε την ανάλυση του πλέγµατος (τυπική τιµή τα 0,5 km). Τέλος, αν είναι επιθυµητό, επιλέγουµε το κουτί ελέγχου Auto grid ή και το αντίστοιχό του Show grid boundary on map και πατάµε ΟΚ. Εικόνα Επιλογή Define study grid από µενού Studies. 54

58 Κεφάλαιο 3ο: Link study µε το πρόγραµµα EDX signalpro 2.0 Εικόνα Παράθυρο διαλόγου εισαγωγής στοιχείων πλέγµατος χάρτη. Έχοντας ολοκληρώσει τον καθορισµό των παραµέτρων του πλέγµατος, προχωρούµε στην απεικόνιση όλων των προαναφερθέντων τοπογραφικών στοιχείων στο χάρτη. Οδηγούµαστε, λοιπόν, στο µενού Map και επιλέγουµε το υποµενού Terrain Data (εικόνα ). Στο παράθυρο που εµφανίζεται (εικόνα ) επιλέγουµε το κουτί ελέγχου Show terrain data? και στο πλαίσιο Type of terrain plot την επιλογή flat grid. Εάν θέλουµε τρισδιάστατη απεικόνιση, επιλέγουµε 3D. Εικόνα Επιλογή Terrain data από µενού Map. 55

59 Κεφάλαιο 3ο: Link study µε το πρόγραµµα EDX signalpro 2.0 Εικόνα Επιλογές τύπου απεικόνισης εδαφικού ανάγλυφου στο παράθυρο διαλόγου Terrain Data. Ένα σηµαντικό βήµα για τη σωστή απεικόνιση του εδαφικού ανάγλυφου του χάρτη είναι η χρωµατική κλίµακα που θα επιλεγεί για τις διάφορες υψοµετρικές διαφορές. Αυτή καθορίζεται µέσω του κουµπιού Set color levels (εικόνα ), απ όπου επιλέγουµε τον αριθµό των χρωµατικών διαβαθµίσεων, τα χρώµατα καθώς και το εύρος της υψοµετρικής διαφοράς που αντιπροσωπεύει το καθένα από αυτά. Στη συνέχεια θα πραγµατοποιηθεί η εισαγωγή επιπρόσθετων πληροφοριών εφόσον αυτές είναι διαθέσιµες που αφορούν στην εν λόγω περιοχή, όπως περιγράµµατα πόλεων, δίκτυα σιδηροδροµικών γραµµών, οδικών αρτηριών κ.ά. Εικόνα Παράθυρο καθορισµού χρωµατικών διαβαθµίσεων χάρτη. 56

60 Κεφάλαιο 3ο: Link study µε το πρόγραµµα EDX signalpro 2.0 Ακολουθώντας τη διαδροµή Map Maplayers (εικόνα ) οδηγούµαστε στο παρακάτω παράθυρο (εικόνα ). Μια γρηγορότερη λύση είναι η επιλογή του κουµπιού map layer της γραµµής εργαλείων. Εδώ µας παρέχονται αρκετές δυνατότητες. Ας τις εξερευνήσουµε. Στο κεντρικό πλαίσιο του παραθύρου φαίνονται όλες τις διαφορετικές βάσεις δεδοµένων που έχουν εισαχθεί, ακόµα και τις µελέτες προσοµοίωσης που έχουµε διενεργήσει. Ιδιαίτερης σηµασίας αποτελεί η δυνατότητα ελέγχου εµφάνισης των διαφόρων στοιχείων του χάρτη (κατά προτεραιότητα) µέσω των κουµπιών Move up / Move down ή µέσω των Show layer / Hide layer παρέχοντάς µας µεγάλη ευελιξία παραµετροποίησης της απεικόνισης. Εικόνα Επιλογή Map layers από µενού Map. Εικόνα Παράθυρο διαλόγου Map Layers. 57

61 Κεφάλαιο 3ο: Link study µε το πρόγραµµα EDX signalpro 2.0 Με τη βοήθεια του κουµπιού Add layer βρισκόµαστε µπροστά στην εικόνα , απ όπου πραγµατοποιείται η εισαγωγή των γεωγραφικών στοιχείων. (Add geographic file). Εικόνα Παράθυρο διαλόγου Add Map Layer. Όπως τονίσαµε και παραπάνω, αυτά µπορεί να είναι περιγράµµατα πόλεων, οικοδοµικά τετράγωνα, οδικά δίκτυα κ.ά. Στην παρακάτω εικόνα φαίνεται η πόλη της Θεσσαλονίκης και η ευρύτερη περιοχή της. Παρατηρούµε ότι στο χάρτη εµφανίζεται το εδαφικό ανάγλυφο µέσω χρωµατικών διαβαθµίσεων καθώς και το περίγραµµα της πόλης (εικόνα ). 58

62 Κεφάλαιο 3ο: Link study µε το πρόγραµµα EDX signalpro 2.0 Εικόνα Απεικόνιση εδαφικού ανάγλυφου περιοχής µέσω χρωµατικών διαβαθµίσεων. Το κουµπί Add measurement file µπορεί να χρησιµοποιηθεί, για να εµφανίσει κάποια συγκεκριµένα σηµεία που µας ενδιαφέρουν πάνω στο χάρτη (εικόνα ). Εικόνα Παράθυρο προσθήκης αριθµητικών δεδοµένων στο πρόγραµµα. 59

63 Κεφάλαιο 3ο: Link study µε το πρόγραµµα EDX signalpro 2.0 Για να είναι δυνατή η εµφάνιση αυτών των σηµείων όµως, θα πρέπει προηγουµένως να έχουµε δηµιουργήσει ένα αρχείο TEXT, το οποίο θα περιέχει τις συντεταγµένες των σηµείων αυτών. Αυτό το αρχείο θα εισαχθεί στο πρόγραµµα. Ένα παράδειγµα για τη µορφή που θα έχει είναι η εικόνα Στην τελευταία περίπτωση είναι σίγουρα χρήσιµο να δώσουµε και µια περιγραφή των σηµείων µέσω κάποιας ετικέτας δίπλα από το καθένα από αυτά. Αυτό επιτυγχάνεται µε την επιλογή Text του µενού Draw Graphic objects (εικόνα ). Γράφουµε το επιθυµητό κείµενο, επιλέγουµε γραµµατοσειρά και χρωµατικό υπόβαθρο για το υπόµνηµα και πατώντας το ΟΚ µπορούµε να την τοποθετήσουµε σε όποιο σηµείο του χάρτη θέλουµε. υστυχώς το πρόγραµµα υποστηρίζει µόνο λατινικούς χαρακτήρες και θα πρέπει να αρκεστούµε σε αυτούς. Εικόνα Υπόδειγµα αρχείου εισαγωγής αριθµητικών δεδοµένων. Εικόνα Παράθυρο εισαγωγής ετικετών. 60

64 Κεφάλαιο 3ο: Link study µε το πρόγραµµα EDX signalpro 2.0 Συνεχίζοντας την αναφορά µας στο υπόµνηµα, περιγράφουµε και ένα ακόµη πολύ χρήσιµο κουµπί του προγράµµατος. Πρόκειται για το Toggle map legend, το οποίο εµφανίζει ή αποκρύπτει το υπόµνηµα του χάρτη (εικόνα ). Πρόκειται για ένα πολύ χρήσιµο παράθυρο, µια και παρέχει συγκεντρωτικά πάρα πολλές πληροφορίες για τις παραµέτρους που έχουµε επιλέξει. Επίσης, µπορούµε µέσω της διαδροµής Map Legend Legend options (εικόνα ) να παραµετροποιήσουµε το υπόµνηµα, επιλέγοντας να δείχνει µόνο τις πληροφορίες που είναι χρήσιµες (εικόνα ). Εικόνα Επιλογή Legend options από µενού Map Legend. Εικόνα Υπόδειγµα λεζάντας χάρτη. 61

65 Κεφάλαιο 3ο: Link study µε το πρόγραµµα EDX signalpro 2.0 Εικόνα Παράθυρο παραµετροποίησης στοιχείων απεικόνισης στη λεζάντα. Τελειώνοντας το υποκεφάλαιο αυτό θα πρέπει να αναφερθούµε και σε κάποιες επιπρόσθετες λειτουργίες. Πρώτα απ όλα το πολύ γνωστό µενού File Save as (εικόνα ), απ όπου, αποθηκεύεται ο χάρτης. Μετά την αρχική αποθήκευση οι υπόλοιπες µπορούν να γίνουν πολύ εύκολα, πατώντας απλώς πάνω στο κουµπί Save της γραµµής εργαλείων. Επίσης, οποιοσδήποτε αποθηκευµένος χάρτης εµφανίζεται στο πρόγραµµα µέσω του κουµπιού Open. Μερικά ακόµα πολύ χρήσιµα εργαλεία είναι το pan view, το οποίο «κεντράρει» το χάρτη γύρω από το σηµείο όπου βρίσκεται Εικόνα Επιλογή Save as του µενού File. 62

66 Κεφάλαιο 3ο: Link study µε το πρόγραµµα EDX signalpro 2.0 ο δείκτης, τα zoom in / zoom out, ο ρόλος των οποίων είναι προφανής, καθώς και το zoom rectangle χάρτη και το πρόγραµµα την εµφανίζει σε πλήρη οθόνη., µε το οποίο επιλέγουµε οποιαδήποτε περιοχή του 63

67 Κεφάλαιο 3ο: Link study µε το πρόγραµµα EDX signalpro ΗΜΙΟΥΡΓΙΑ ΤΩΝ LINK. Εφόσον έχουµε εισάγει στο πρόγραµµα τις απαραίτητες πληροφορίες για το εδαφικό ανάγλυφο και άλλα στοιχεία, όπως πληροφορίες για τα κτίρια και τα οδικά κτίρια, µπορούµε στη συνέχεια να δηλώσουµε στο πρόγραµµα και τις ζεύξεις που θέλουµε να πραγµατοποιήσουµε. Από το µενού RF Systems επιλέγουµε Link systems (εικόνα 3.3.1) και οδηγούµαστε στο παρακάτω παράθυρο (εικόνα 3.3.2). Εικόνα Επιλογή Link systems από µενού RF systems. Με την επιλογή Add new link µπορούµε να δηµιουργήσουµε µια καινούρια ζεύξη (link). Στην εικόνα φαίνεται το παράθυρο διαλόγου για τη ζεύξη. Στο αριστερό µέρος δηλώνουµε στοιχεία για τον κεραίας εκποµπής, ενώ στο αντίστοιχο δεξί στοιχεία για την κεραία λήψης. Στο site ID δηλώνουµε ένα δικό µας κωδικό όνοµα για την κεραία και αµέσως από κάτω στο site name ένα επιθυµητό όνοµα. Εισάγουµε το γεωγραφικό µήκος και πλάτος του σηµείου που θέλουµε να τοποθετηθούν οι κεραίες στις περιοχές coordinates. Πατώντας το κουµπί Set elevation from terrain database, το πρόγραµµα βρίσκει αυτόµατα από τη βάση δεδοµένων εδάφους, που έχουµε εισαγάγει κατά τη δηµιουργία του χάρτη, το υψόµετρο του συγκεκριµένου σηµείου και το αναγράφει στο πλαίσιο Site elevation εκφρασµένο σε µέτρα. Στα πλαίσια Antenna COR height και Frequency ορίζουµε 64

68 Κεφάλαιο 3ο: Link study µε το πρόγραµµα EDX signalpro 2.0 Εικόνα Παράθυρο διαλόγου για τα Link systems. Εικόνα Παράθυρο διαλόγου για τα χαρακτηριστικά του link. την ανύψωση της κεραίας από το έδαφος (σε µέτρα) καθώς και τη συχνότητα λειτουργίας (σε MH Z ). 65

69 Κεφάλαιο 3ο: Link study µε το πρόγραµµα EDX signalpro 2.0 Το EDX Signal Pro µάς δίνει τη δυνατότητα χρήσης συχνοτήτων λειτουργίας, εύρους από 30 MH Z έως και 40 GH Z, ανάλογα µε το µοντέλο διάδοσης που θα επιλέξουµε. Επίσης, επιτρέπει την τοποθέτηση έως και 1000 ποµπών. Ακόµα µια χρήσιµη παρατήρηση εδώ είναι ότι το παράθυρο, στο οποίο βρισκόµαστε, είναι άµεσα προσπελάσιµο από το χάρτη, κάνοντας απλώς δεξί κλικ µε το ποντίκι πάνω στο σύµβολο της κεραίας. Έχοντας ορίσει τα γενικά στοιχεία για τον ποµπό και τον δέκτη, θα πρέπει τώρα να ασχοληθούµε µε τον καθορισµό των ειδικών χαρακτηριστικών τους. Επιλέγουµε το κουµπί Antenna/RF system για τον ποµπό (εικόνα 3.3.4). Εικόνα Χαρακτηριστικά της κεραίας του ποµπού. 66

70 Κεφάλαιο 3ο: Link study µε το πρόγραµµα EDX signalpro 2.0 Μπορούµε να παραµετροποιήσουµε πλήρως την κεραία µας. Είναι δυνατός ο καθορισµός της κατευθυντικότητας, της πολικότητας (οριζόντια ή κάθετη), του προσανατολισµού της σε σχέση µε το χάρτη, της ισχύος τροφοδοσίας της σε dbw καθώς και του κέρδους της. Επίσης επιλέγουµε τη διάµετρο της γραµµικής τροφοδοσίας και το µήκος της. Οι απώλειες της γραµµής καθώς και η ERP (effective radiated power) υπολογίζονται αυτόµατα από το πρόγραµµα, βασιζόµενες στα υπόλοιπα στοιχεία που έχουµε εισαγάγει. Στην περίπτωση επιλογής κατευθυντικής κεραίας θα πρέπει να ορισθεί και το διάγραµµα ακτινοβολίας της. Για να γίνει σωστά η µελέτη είναι ανάγκη αυτά τα διαγράµµατα να εισαχθούν σωστά στο πρόγραµµα, κυρίως αυτά των πολύ κατευθυντικών κεραιών. Η εισαγωγή γίνεται µε τη µορφή αρχείων τύπου pat, ενώ περισσότερες πληροφορίες παρατίθενται στο παράρτηµα Α. Η επιλογή από το πρόγραµµα γίνεται µέσω του κουµπιού Display Pattern. Ένα παράδειγµα δίδεται στην εικόνα Εικόνα Παράθυρο επιλογής διαγράµµατος ακτινοβολίας κατευθυντικών κεραιών. 67

71 Κεφάλαιο 3ο: Link study µε το πρόγραµµα EDX signalpro 2.0 Έχοντας ολοκληρώσει την εισαγωγή των δεδοµένων, πατάµε το πλήκτρο ΟΚ και µε τον ίδιο ακριβώς τρόπο ανοίγουµε το αντίστοιχο παράθυρο της κεραίας του δέκτη και εισάγουµε και εκεί τα απαραίτητα χαρακτηριστικά. Με την ολοκλήρωση της εισαγωγής των στοιχείων επανερχόµαστε στο παράθυρο διαλόγου link systems στο οποίο φαίνεται και το link που µόλις δηµιουργήσαµε. Με τον ίδιο τρόπο, µπορούµε να δηµιουργήσουµε περισσότερες ζεύξεις. Επιλέγοντας το κουµπί ελέγχου Active µπορούµε να ενεργοποιήσουµε τη µαρκαρισµένη ζεύξη, ενώ µε το αντίστοιχο Focus µπορούµε να εστιάσουµε τη µελέτη µας αποκλειστικά σε ένα link κάθε φορά. Μόλις επιστρέψουµε στον χάρτη του προγράµµατος µπορούµε να πραγµατοποιήσουµε τη µελέτη ζεύξης όπως θα δείξουµε παρακάτω. Από το µενού επιλέγουµε studies και έπειτα Link study (εικόνα 3.3.6) Εικόνα Επιλογή Link systems από µενού RF systems. Αµέσως εµφανίζεται το βασικό παράθυρο για τη µελέτη της ζεύξης που έχουµε επιλέξει από πριν µέσω της εντολής focus (εικόνα 3.3.7). Ακριβώς πάνω από τα διαγράµµατα υπάρχουν κάποια κουµπιά. Η σηµασία τους είναι η εξής: 1. Με το Recalc η µελέτη υπολογίζεται ξανά. 2. Με το hide signal κρύβεται το πάνω από τα δύο διαγράµµατα. 3. Τα κουµπιά Up, down, Zoom in, Zoom out, Pan, set viewpoint και Flat disp. χρησιµεύουν για την καλύτερη απεικόνιση των διαγραµµάτων. 4. Το link details ανοίγει ξανά το παράθυρο Link site details που έχει εξηγηθεί παραπάνω (εικόνα 3.3.3). Έτσι, είναι δυνατή η άµεση αλλαγή στοιχείων για τη ζεύξη, όπως οι κεραίες ή η συχνότητα λειτουργίας του 68

72 Κεφάλαιο 3ο: Link study µε το πρόγραµµα EDX signalpro 2.0 ποµπού κτλ. 5. Το Prop. Model ανοίγει το παράθυρο διαλόγου για την επιλογή του µοντέλου διάδοσης (εικόνα 3.3.8). Περισσότερα για αυτό, όπως και για το παράθυρο διαλόγου Link rel., το οποίο ανοίγει το αντίστοιχο παράθυρο για την επιλογή ρυθµίσεων πάνω στην αξιοπιστία της ζεύξης, θα αναφερθούν πιο κάτω. 6. Το Path loss µας δίνει τις συνολικές απώλειες διαδροµής. 7. Το flat display (flat earth display) απεικονίζει τη γη και τη γραφική παράσταση χωρίς καµπυλότητα. Στην πραγµατικότητα, οι διαδροµές ζεύξης καµπυλώνονται ανάλογα µε τους τρεις συντελεστές k όπως αυτοί επιλέγονται µέσα από τα παράθυρα του Propagation Model (εικόνα 3.4.1) και του Link Reliability (εικόνα 3.4.4). 8. Τέλος, µπορούµε µε το File να αποθηκεύσουµε τα πληροφοριακά στοιχεία της µελέτης σε ένα αρχείο τύπου txt. Εικόνα Το βασικό παράθυρο για το link study. 69

73 Κεφάλαιο 3ο: Link study µε το πρόγραµµα EDX signalpro 2.0 Στο βασικό παράθυρο για το link study δίνονται δύο διαγράµµατα. Το πιο πάνω απεικονίζει τη στάθµη ισχύος του σήµατος συναρτήσει της απόστασης από τον ποµπό στον δέκτη. Παροµοίως, στο αµέσως κάτω διάγραµµα φαίνεται η στάθµη του εδάφους σε όλη τη διαδροµή της ζεύξης. Μπορεί να φανεί αν υπάρχει οπτική επαφή (line of sight LOS) όπως και αν παρεµβάλλονται εµπόδια στη ζώνη fresnel η οποία φαίνεται µε διακεκοµµένες γραµµές. Τέλος, κάτω αριστερά φαίνονται βασικές πληροφορίες για τη ζεύξη, όπως η διαθεσιµότητα και η στάθµη ισχύος που λαµβάνεται στον δέκτη. 70

74 Κεφάλαιο 3ο: Link study µε το πρόγραµµα EDX signalpro ΕΠΙΛΟΓΗ ΜΟΝΤΕΛΩΝ ΙΑ ΟΣΗΣ. Το µοντέλο διάδοσης, δηλαδή ο αλγόριθµος που θα χρησιµοποιηθεί για τον υπολογισµό των απωλειών διάδοσης, είναι ένα από τα σηµαντικότερα τµήµατα µιας µελέτης µε το πρόγραµµα EDX Signal Pro. Η επιλογή του καλύτερου µοντέλου για µια συγκεκριµένη µελέτη είναι ένα πρόβληµα που, για να λυθεί, θα πρέπει να απαντηθούν από πριν τα εξής ερωτήµατα: Τι τύπου τηλεπικοινωνιακό σύστηµα µελετάµε; Σε τι είδους περιοχή βρίσκεται το σύστηµά µας; Σε πεδινή, ορεινή ή παραθαλάσσια; Στα προάστια, σε µικρό ή σε µεγάλο αστικό κέντρο; Χρειάζεται να συµµορφωθούµε µε κάποιους διεθνείς κανονισµούς (π.χ. FCC, ITU-R); Το EDX µάς παρέχει µια πληθώρα διαφορετικών µοντέλων µε προχωρηµένα αλγοριθµικά χαρακτηριστικά, επιτρέποντας τη µελέτη και πρόβλεψη των περιοχών κάλυψης ενός οποιουδήποτε συστήµατος ακτινοβολίας. Παρακάτω, περιγράφεται πως επιλέγονται τα µοντέλα διάδοσης και πως υπολογίζεται η αξιοπιστία της ζεύξης. Από το παράθυρο διαλόγου link study (εικόνα 3.3.3) επιλέγουµε το κουµπί Prop. Model και ανοίγει το βασικό παράθυρο διαλόγου για τα µοντέλα διάδοσης Propagation Models (εικόνα 3.4.1). 71

75 Κεφάλαιο 3ο: Link study µε το πρόγραµµα EDX signalpro 2.0 Εικόνα Το βασικό παράθυρο για την επιλογή µοντέλων διάδοσης. Όπως ειπώθηκε και παραπάνω, το πρόγραµµα περιλαµβάνει µοντέλα για κάθε είδους µελέτη. Αν ενδιαφερόµαστε για ραδιοκάλυψη ευρείας περιοχής, τα µοντέλα Free-Space + RMD ή Anderson 2D είναι µια καλή επιλογή. Για κυψελοειδή συστήµατα µπορούµε να επιλέξουµε το Hata-Extended / Epstein-Peterson Diffraction, το οποίο είναι βελτιστοποιηµένο για χαµηλής ισχύος πολυκατευθυντικούς µεταδότες και κινητούς δέκτες. Σε συστήµατα εύρους συχνοτήτων ΜΗ Ζ (PCS) είναι χρήσιµο το COST 231-Hata, το οποίο ενδείκνυται για µελέτες µικρών σχετικά αποστάσεων (< 20 km), µε ύψος κεραίας µικρότερο των 200 µέτρων, ύψος δέκτη µικρότερο των 10 µέτρων και περιοχή µελέτης σχετικά επίπεδη. Εάν µας ενδιαφέρει η συµµόρφωση µε κάποια ρυθµιστική αρχή, το πρόγραµµα µας παρέχει αρκετά µοντέλα, στα οποία ο υπολογισµός των απωλειών βασίζεται στις καµπύλες διάδοσης που έχουν υιοθετηθεί από την Οµοσπονδιακή 72

76 Κεφάλαιο 3ο: Link study µε το πρόγραµµα EDX signalpro 2.0 Επιτροπή Επικοινωνιών των ΗΠΑ (FCC) και από τη ιεθνή Ένωση Τηλεπικοινωνιών (ITU). Εκτός όµως από την επιλογή µοντέλου, θα κληθούµε να καθορίσουµε και κάποιες άλλες παραµέτρους, οι οποίες ανάλογα µε το µοντέλο ενδέχεται να διαφέρουν. Ενδεικτικά, και µέσω του παραδείγµατος της εικόνας 3.4.2, θα αναφερθούµε σε αυτές που χρησιµοποιούµε συχνότερα. Για το παράδειγµά µας αποφασίσαµε να επιλέξουµε το COST 231-Hata, ένα ευρέως χρησιµοποιούµενο µοντέλο για προσοµοιώσεις ραδιοκάλυψης ευρείας περιοχής µε κατευθυντικές κεραίες. Με το κουµπί supplemental model parameters µπορούµε να καθορίσουµε επιµέρους παραµέτρους που ποικίλουν από µοντέλο σε µοντέλο. Στην προκειµένη περίπτωσή για το COST 231-Hata θα έχουµε τις παρακάτω επιλογές (εικόνα 3.4.2). Εικόνα Supplemental model parameters για το Cost 231-Hata Μπορεί, έτσι, να δηλωθεί το είδος της περιοχής όπου λειτουργεί η ζεύξη. Υπάρχουν τρεις επιλογές, για ανοικτό χώρο (open), για ηµιαστικές περιοχές (suburban) και για αστικές περιοχές (urban). Αυτές οι παράµετροι ισχύουν µάλιστα και για τα µοντέλα Free space + RMD, Okumura (Hata) και το Hata extended. Για το µοντέλο διάδοσης Ikegami-Walfish το πλαίσιο είναι διαφορετικό (εικόνα 3.4.3). 73

77 Κεφάλαιο 3ο: Link study µε το πρόγραµµα EDX signalpro 2.0 Εικόνα Supplemental model parameters για το Ikegami-Walfish Εδώ δίνονται στοιχεία για το µέσος ύψος των κτιρίων στην περιοχή, το µέσο πλάτος του δρόµου, τη µέση απόσταση µεταξύ των κτιρίων που βρίσκονται στην ίδια πλευρά του δρόµου, τη µέση γωνία προσανατολισµού και το τοπικό περιβάλλον. Επιστρέφοντας στο βασικό παράθυρο, τα πεδία Percentage of time και Percentage of location αναφέρονται στο ποσοστό χρόνου και τοποθεσιών αντίστοιχα, στα οποία η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου ή η ισχύς λήψης υπερβαίνει µια δεδοµένη τιµή. Η ίδια η κατασκευάστρια εταιρία του προγράµµατος προτείνει να θέσουµε την τιµή 50 και στα δύο πεδία, λέγοντας ότι είναι η καλύτερη επιλογή για όλα τα µοντέλα. Στο πλαίσιο µε τον τίτλο Environment (περιβάλλον) ορίζουµε ένα πλήθος παραµέτρων που αφορούν την εκάστοτε περιοχή στην οποία διεξάγουµε τη µελέτη, όπως: την ατµοσφαιρική διαθλαστικότητα (k factor) (τυπική τιµή: 1.333), την αγωγιµότητα του εδάφους (Ground conductivity) (τυπική τιµή: 1), τη διηλεκτρική σταθερά του (Ground dielectric constant) (τυπική τιµή: 15), την ατµοσφαιρική απορρόφηση (Atmospheric absorption) (τυπική τιµή: none) και τον τύπο κλίµατος που επικρατεί στην περιοχή (Climate type). 74

78 Κεφάλαιο 3ο: Link study µε το πρόγραµµα EDX signalpro 2.0 Αν για οποιονδήποτε λόγο επιθυµούµε ο αλγόριθµος του µοντέλου διάδοσης να µη συνυπολογίσει την επίδραση των σταθερών εδάφους (αγωγιµότητα, διηλεκτρική σταθερά), τότε αφήνουµε το κουτί ελέγχου της επιλογής include ground reflection κενό. Το ίδιο ακριβώς πράττουµε, αν θέλουµε ή όχι να χρησιµοποιηθεί το εδαφικό ανάγλυφο της περιοχής ή να συνυπολογιστούν οι απώλειες Fresnel, µέσω των κουτιών ελέγχου use terrain data και include Fresnel zone loss αντίστοιχα. Επίσης, είναι ανάγκη να τονίσουµε την προσοχή που χρειάζεται να επιδεικνύουµε στην επιλογή των τιµών των παραµέτρων ανά περίπτωση. Για παράδειγµα, η ατµοσφαιρική απορρόφηση στην πλειοψηφία των διεξαγόµενων µελετών στις οποίες οι συχνότητες είναι οι ευρέως χρησιµοποιούµενες είναι αµελητέα. Όµως, για συχνότητες µεγαλύτερες των 20 GH Z, ο ρόλος της καθίσταται σηµαντικός ως προς τις απώλειες διάδοσης του σήµατός µας. Τελευταίο στο βασικό παράθυρο είναι το κουµπί Microwave Reliability parameters. Με την επιλογή του εµφανίζεται το αντίστοιχο παράθυρο (εικόνα 3.4.4) Εικόνα Παράθυρο διαλόγου για την link reliability analysis 75

79 Κεφάλαιο 3ο: Link study µε το πρόγραµµα EDX signalpro 2.0 Σε αυτό το παράθυρο παρουσιάζονται όλες οι παράµετροι που επηρεάζουν τον υπολογισµό της αξιοπιστίας (ή διαθεσιµότητας) της ζεύξης. ίνονται επιλογές για το πώς θα υπολογιστούν µεγέθη οι πιθανότητες διαλείψεων λόγω της βροχής και του φαινόµενου των πολλαπλών διαδροµών. Επίσης, στο κάτω µέρος δηλώνεται η ακτίνα της ζώνης Fresnel, όπως και οι δύο επιπρόσθετοι παράγοντες k για την ατµοσφαιρική διαθλασιµότητα. Για να γίνουν σωστές επιλογές, στο επόµενο κεφάλαιο γίνεται µια ευρύτερη περιγραφή αυτών των παραµέτρων καθώς και του τρόπου µε τον οποίο αυτές υπολογίζονται από το ΕDX. 76

80 Κεφάλαιο 3ο: Link study µε το πρόγραµµα EDX signalpro ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟΙ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΙ ΓΙΑ ΤΗ ΙΑΘΕΣΙΜΟΤΗΤΑ ΤΗΣ ΖΕΥΞΗΣ Σηµ. Οι υπολογισµοί αυτοί είναι σύµφωνα µε το πρόγραµµα EDX signalpro, ver Εισαγωγή Οι διαλείψεις (fading) και η βροχή προκαλούν σηµαντικές µεταβολές στο path loss που υπάρχει σε ένα τηλεπικοινωνιακό σύστηµα. Αυτοί οι παράγοντες είναι ιδιαιτέρως σηµαντικοί στα point-to-point link systems που απαιτούν υψηλή αξιοπιστία, όπου η εξασθένιση του σήµατος από τις διαλείψεις (fading) και τις σφοδρές βροχοπτώσεις, ακόµα και όταν οι τελευταίες συµβαίνουν για ένα µικρό κλάσµα του χρόνου λειτουργίας, µπορεί να παίξουν ουσιαστικό ρόλο στη ζεύξη. Για αυτόν τον λόγο, τα περιεχόµενα αυτού του κεφαλαίου µπορούν να εφαρµοστούν αποκλειστικά και µόνο για µελέτες µέσω του προγράµµατος EDX signalpro στην περιοχή των µικροκυµατικών συχνοτήτων και εκεί όπου η αναµενόµενη αξιοπιστία του συστήµατος ή τα ποσοστά διαθεσιµότητας (availability) απαιτείται να είναι τουλάχιστον 99%. H διαθεσιµότητα (availability), ορίζεται ως το χρονικό ποσοστό στη διάρκεια ενός έτους κατά το οποίο ένα τηλεπικοινωνιακό σύστηµα είναι ικανό να προσφέρει υπηρεσίες στους χρήστες του. Ο στόχος αυτού του κεφαλαίου είναι να προσδιορίσει κατά πόσο υποβαθµίζεται η διαθεσιµότητα της ζεύξης (link availability) λόγω των διαλείψεων που οφείλονται στο φαινόµενο των πολλαπλών διαδροµών (multipath fading) και της βροχής. Η διαθεσιµότητα της ζεύξης (link availability) υπολογίζεται ως ένα ποσοστό δευτερολέπτων µέσα σε ένα έτος για το δεδοµένο η ζεύξη να είναι διαθέσιµη. Η τελευταία συµβαίνει όταν η στάθµη του σήµατος που φτάνει στον δέκτη βρίσκεται πάνω από µία τιµή (κατώφλι), η οποία και χαρακτηρίζει την επίτευξη της αποδεκτής απόδοσης. Κάτω από αυτό το κατώφλι, η απόδοση είναι µη αποδεκτή και η ζεύξη θεωρείται µη διαθέσιµη. Ο τρόπος προσέγγισης ώστε να υπολογιστεί η διαθεσιµότητα, ή το αντίστροφό της, η προσωρινή διακοπή λειτουργίας της ζεύξης (link outage), είναι 77

81 Κεφάλαιο 3ο: Link study µε το πρόγραµµα EDX signalpro 2.0 να προσδιοριστεί η υποβάθµιση στο περιθώριο διαλείψεων (fade margin) ως ένα αποτέλεσµα εξαιτίας των διαλείψεων και της βροχής. Για αυτόν τον σκοπό θα προχωρήσουµε αµέσως στους ορισµούς της χρονικής και χωρικής µεταβλητότητας (time variability, location variability) και του περιθωρίου διαλείψεων (fade margin) Χρονική µεταβλητότητα (Time variability) Ως χρονική µεταβλητότητα (time variability) ορίζεται η µεταβολή της στάθµης του σήµατος ( signal level) σαν συνάρτηση του χρόνου σ έναν σταθερό δέκτη (receiver), µε τις υπόλοιπες φυσικές παραµέτρους του περιβάλλοντος αµετάβλητες. Πιο συγκεκριµένα, η µεταβολή στη στάθµη του σήµατος συµβαίνει εξαιτίας των εξαρτούµενων από το χρόνο µεταβολών των διάφορων παραµέτρων της ατµόσφαιρας και κυρίως λόγω των διακυµάνσεων της ατµοσφαιρικής διαθλαστικότητας (atmospheric refractivity Ν). Αυτές οι αλλαγές έχουν ως αποτέλεσµα την µη αποτελεσµατική ευθυγράµµιση των κεραιών γεγονός που επηρεάζει την απευθείας λαµβανόµενη ισχύ του σήµατος µε αποτέλεσµα να παρουσιάζονται οι λεγόµενες «διαλείψεις ισχύος». Οι διαλείψεις αυτές, οφείλονται σε µακροπρόθεσµες µεταβολές που προέρχονται από τη συµβολή κυµάτων που φτάνουν στο δέκτη µέσω πολλαπλών οδεύσεων (multipath) και υπολογίζονται από συνεχείς µετρήσεις της µέσης τιµής της στάθµης του λαµβανόµενου σήµατος. Ο δεύτερος τύπος διαλείψεων, είναι οι λεγόµενες «γρήγορες διαλείψεις» (rapid fading) που παρατηρούνται σε µικροκυµατικά ασύρµατα δίκτυα, στα οποία οι µεταβαλλόµενες ατµοσφαιρικές συνθήκες αλλάζουν τα µήκη των σχετικών διαδροµών του σήµατος. Έτσι το σήµα στο δέκτη είναι το άθροισµα συνιστωσών που έχουν συγκρίσιµα πλάτη, αλλά η φάση µετατοπίζεται κατά µήκος της ζεύξης κατά τέτοιο τρόπο ώστε οι απευθείας (direct) και οι ανακλώµενες (reflected) ακτίνες να προστίθενται µε ή χωρίς διαφορά φάσης σε συνάρτηση µε το χρόνο. Αυτό έχει ως αποτέλεσµα η περιβάλλουσα (envelope) του λαµβανόµενου σήµατος να παρουσιάζει χρονική µεταβλητότητα (time variability), που πολλές φορές πλησιάζει την κατανοµή Rayleigh. Οι τυπικές τιµές των διαλείψεων ισχύος (power fading) είναι µόνο µερικά db µε µεγαλύτερες αυξοµειώσεις καθώς το µήκος της ζεύξης αυξάνει. Το βάθος των διαλείψεων στη χειρότερη περίπτωση µπορεί να φτάσει τα 40 db ή και περισσότερο. Τέτοιου είδους ατµοσφαιρικές διαλείψεις είναι συνάρτηση της ώρας της ηµέρας, της 78

82 Κεφάλαιο 3ο: Link study µε το πρόγραµµα EDX signalpro 2.0 εποχής και του κλιµατικού τύπου της συγκεκριµένης περιοχής. Από το πρόγραµµα µπορούµε να επιλέξουµε τον κλιµατικό τύπο που επηρεάζει την χρονική µεταβλητότητα (time variability) την οποία υπολογίζει το πρόγραµµα. Για µικρές αποστάσεις διάδοσης η χρονική µεταβλητότητα έχει ως αποτέλεσµα τη διακύµανση της στάθµης του σήµατος κατά µερικά µόνο db. Οι «γρήγορες διαλείψεις» δεν υπεισέρχονται σε µελέτες κάλυψης ευρείας ζώνης για µεγάλες αποστάσεις Χωρική µεταβλητότητα ( Location variability) Πολλά από αυτά που περιγράφονται ως χρονική µεταβλητότητα είναι στην ουσία χωρική µεταβλητότητα, αν όπου «χώρος» σε γενικές γραµµές ερµηνεύεται ως οποιαδήποτε µεταβολή του δέκτη (receiver) στο χώρο, σε σχέση µε όποια άλλη φυσική παράµετρο του περιβάλλοντος. Έτσι, ένας σταθερός δέκτης µπορεί να εµφανίσει µια ταχύτατα χρονικά µεταβαλλόµενη στάθµη σήµατος, µεγάλου βάθους εξαιτίας των ανακλάσεων από ένα διερχόµενο δίαυλο (bus). Όµως ο δίαυλος είναι µέρος του ευρύτερου περιβάλλοντος διάδοσης του σήµατος και συνεπώς οι διακυµάνσεις της στάθµης του σήµατος που προκαλεί πρέπει να εκλαµβάνονται ως χωρική µεταβλητότητα (location variability), ακόµη κι αν η τοποθεσία του δέκτη που µελετούµε δεν έχει αλλάξει. Ορίζοντας, λοιπόν, τη χωρική µεταβλητότητα κατ αυτό τον τρόπο, µας βοηθά να ξεχωρίσουµε τι είναι χρονική και τι χωρική µεταβλητότητα. Να σηµειωθεί πως η χωρική µεταβλητότητα αναφέρεται στη στάθµη σήµατος σε σηµεία στα οποία, όσον αφορά το µοντέλο διάδοσης, παραµένει η ίδια. Μεταβολές της στάθµης σήµατος που παρατηρούνται σε πολλά σηµεία στην αστική ζώνη, µερικά από τα οποία είναι σκιασµένα (shadowed) και άλλα χωρίς οπτική επαφή, δεν αντιστοιχούν σε χωρική µεταβλητότητα, εφόσον τα διαφορετικά επίπεδα σήµατος οφείλονται σε µεγάλο βαθµό σε συνθήκες µη οπτικής επαφής και σκίασης. Με άλλα λόγια, η χωρική µεταβλητότητα είναι τοπικές διακυµάνσεις της στάθµης σήµατος οι οποίες λαµβάνονται ως αλλαγές στο µέσο διάδοσης και οι οποίες δεν ορίζονται ρητά στο µοντέλο διάδοσης. Αν η τοποθεσία του δέκτη είναι σταθερή και κάθε τι άλλο στο περιβάλλον διάδοσης είναι σταθερό, τότε η χωρική µεταβλητότητα (location variability) προκύπτει µηδενική (η µόνη µεταβολή στη στάθµη του σήµατος οφείλεται στην χρονική µεταβλητότητα). 79

83 Κεφάλαιο 3ο: Link study µε το πρόγραµµα EDX signalpro 2.0 Η χωρική µεταβλητότητα µπορεί να χαρακτηριστεί σαν µια τυχαία µεταβλητή µε κατανοµή παρόµοια µε την κατανοµή Rayleigh. Ο βαθµός των αυξοµειώσεων µπορεί να εκτιµηθεί αναγνωρίζοντας ότι η στάθµη του σήµατος που υπερβαίνεται για κάποιο ποσοστό του χώρου αυξάνει κατά περίπου 10 db για κάθε αλλαγή της κλίµακας µεγέθους στο ποσοστό του χώρου. Για παράδειγµα, αν η προβλεπόµενη µέση στάθµη του σήµατος είναι -100dBmW ( δηλαδή τιµές της στάθµης του σήµατος που υπερβαίνονται για το 50% του χώρου), η τιµή της στάθµης του σήµατος που υπερβαίνεται στο 90% του χώρου είναι περίπου -110dBmW. Παρόµοια η στάθµη του σήµατος που υπερβαίνεται για το 99% του χώρου είναι -120dBmW. Η παραπάνω αντιστοιχία εφαρµόζεται και προς τα κάτω. ηλαδή οι στάθµες του σήµατος που υπερβαίνονται στο 10% και 1% του χώρου προκύπτουν -90dBmW και -80dBmW αντίστοιχα. Εικόνα Το περιθώριο διαλείψεων (fade margin) 80

84 Κεφάλαιο 3ο: Link study µε το πρόγραµµα EDX signalpro Το περιθώριο διαλείψεων (fade margin) Το περιθώριο διαλείψεων (fade margin) είναι εκείνο ακριβώς το ποσό της επιπρόσθετης απώλειας διαδροµής (path loss) στην ήδη υπάρχουσα (από το µέσο διάδοσης) το οποίο µειώνει την απόδοση του συστήµατος κάτω από µία αποδεκτή στάθµη. Τα σχετικά επίπεδα συνήθως καθορίζονται χρησιµοποιώντας επίπεδα ισχύος υπολογισµένα στην είσοδο του δέκτη. Πιο συγκεκριµένα, το περιθώριο διαλείψεων αποτελείται από δύο µέρη το επίπεδο περιθώριο διαλείψεων (flat fade margin) και το διαφορικό ή εξαρτώµενο από τη συχνότητα περιθώριο διαλείψεων (dispersive or frequency-selective fade margin). Το διαφορικό περιθώριο διαλείψεων είναι σηµαντικό µόνο στα ψηφιακά (digital) ή στα συστήµατα wideband όπου η απόκριση του επιλεγµένου µέσω της συχνότητας καναλιού επιδρά στην απόδοση του συστήµατος Tο επίπεδο περιθώριο διαλείψεων (flat fade margin) Το επίπεδο περιθώριο διαλείψεων (flat fade margin) υπολογίζεται βασικά από έναν συνδυασµό του περιθωρίου διάλειψης λόγω θερµικού θορύβου (thermal noise fade margin), του περιθωρίου διάλειψης λόγω παρακείµενου καναλιού (adjacent channel fade margin) και του περιθωρίου διάλειψης που οφείλεται σε κάθε άλλη εξωτερική παρεµβολή στο κύκλωµα (external channel interference fade margin). Το περιθώριο διάλειψης λόγω θερµικού θορύβου (thermal noise fade margin), A t, είναι το ποσοστό της επιπρόσθετης απώλειας διαδροµής στην ήδη υπάρχουσα από το µέσο η οποία θα προκαλέσει προσωρινή διακοπή της λειτουργίας (outage) εξαιτίας του θερµικού θορύβου. Στον υπολογισµό του δεν λαµβάνονται υπόψη τα παρακείµενα κανάλια και άλλες εξωτερικές παρεµβολές. Στην ουσία είναι η διαφορά σε db µεταξύ των ενδιάµεσων απωλειών διάδοσης (median path loss) στον δέκτη και της προδιαγραφής κατωφλιού όπως αυτή γράφεται στο φυλλάδιο του κατασκευαστή. Το περιθώριο διάλειψης λόγω παρακείµενου καναλιού (adjacent channel fade margin), A ac, είναι το ποσοστό της επιπρόσθετης απώλειας διαδροµής στην ήδη υπάρχουσα από το µέσο η οποία θα προκαλέσει προσωρινή διακοπή της λειτουργίας (outage) εξαιτίας της παρεµβολής γειτονικού καναλιού. Στον υπολογισµό του δεν λαµβάνονται υπόψη ο θερµικός θόρυβος και άλλες εξωτερικές παρεµβολές. Υπολογίζεται ως η 81

85 Κεφάλαιο 3ο: Link study µε το πρόγραµµα EDX signalpro 2.0 διαφορά µεταξύ των ενδιάµεσων απωλειών διαδροµής (median path loss) στον δέκτη και του συνολικού επίπεδου παρεµβολής παρακείµενου καναλιού (total adjacent channel interference level), µείον την επιθυµητή στάθµη παρεµβολής φέροντος-προς-παρακείµενα κανάλια (carrier-to-adjacent channel interference level) που απαιτείται για την επίτευξη αποδεκτής απόδοσης. Το περιθώριο διαλείψεων από παρεµβολές εξωτερικών καναλιών (external channel interference fade margin), A ex, είναι το ποσοστό της επιπρόσθετης απώλειας διαδροµής στην ήδη υπάρχουσα από το µέσο, η οποία θα προκαλέσει προσωρινή διακοπή της λειτουργίας (outage) εξαιτίας διάφορων άλλων παρεµβολών που οφείλονται σε εξωτερικά κανάλια. Στον υπολογισµό της δεν λαµβάνονται υπόψη ο θερµικός θόρυβος και τα παρακείµενα κανάλια. Η εξωτερική παρεµβολή συνήθως συνίσταται από παρεµβολή άλλων οµοειδών καναλιών. Όπως και προηγουµένως, αυτό το περιθώριο διαλείψεων υπολογίζεται ως η διαφορά µεταξύ των ενδιάµεσων απωλειών διάδοσης (median path loss) στον δέκτη και της συνολικής στάθµης της εξωτερικής παρεµβολής, µείον την επιθυµητή στάθµη παρεµβολής φέροντος-προς-οµοειδή κανάλια (carrier-to-cochannel interference level) που απαιτείται για την επίτευξη αποδεκτής απόδοσης. Τα παραπάνω τρία περιθώρια διαλείψεων µπορούν να συνδυαστούν στην παραγωγή µιας και µόνης τιµής για το επίπεδο περιθώριο (flat margin) όπως φαίνεται παρακάτω: A F = 10log At Aac Aex db (3-1) Το διαφορικό περιθώριο διαλείψεων (dispersive or frequency-selective fade margin) Έχει εφαρµογή στα ψηφιακά συστήµατα στα οποία οι ανακλάσεις από το σήµα πολλών διαδροµών (multipath signal reflections) προκαλούν όχι µόνο µεταβολές στο πλάτος του φέροντος σε συγκεκριµένες συχνότητες, αλλά επίσης και διασυµβολική παρεµβολή intersymbol interference (ISI) από τους καθυστερηµένους παλµούς στα σήµατα πολλαπλών διαδροµών. Τα περισσότερα ψηφιακά ραδιόφωνα σχεδιάζονται 82

86 Κεφάλαιο 3ο: Link study µε το πρόγραµµα EDX signalpro 2.0 έτσι ώστε να αντιµετωπίζουν ένα αναπόφευκτο ποσό ενός τέτοιου φάσµατος παλµών, συνήθως µε έναν προσαρµοστικό αντισταθµιστή (adaptive equalizer), ο οποίος «αναιρεί» τη συµβολή των αντηχήσεων που δηµιουργούνται από το φαινόµενο των πολλαπλών διαδροµών και που παράγουν το ISI. Ο προσδιορισµός της απόδοσης ενός ψηφιακού συστήµατος ευρέως φάσµατος σε ένα κανάλι πολλαπλών διαδροµών είναι µια δύσκολη εργασία. Μια απλή και συνηθισµένη στην πράξη προσέγγιση είναι βασισµένη πάνω στην αναγνώριση ότι τα περισσότερα σφάλµατα σε τέτοια συστήµατα συµβαίνουν όταν το ISI γίνεται τόσο µεγάλο σχετικά προς το επιθυµητό pulse sampling point ώστε ο αντισταθµιστής να µην µπορεί να το αποµακρύνει πλέον. Τέτοιες καταστάσεις συµβαίνουν συνήθως στα βάθη των διαλείψεων, παρόλο που οι βαθιές διαλείψεις µπορούν να εµφανιστούν και σε περιπτώσεις όπου το σχετικό ISI δεν έχει αυξηθεί τόσο πολύ ώστε να προκαλέσει σφάλµατα. Είναι, επίσης, αποδεκτό ότι σφάλµατα µπορούν να εµφανιστούν και χωρίς διάλειψη και µε µια µόνη σχετική µετατόπιση της κατανοµής ισχύος (power distribution) από τον επιθυµητό παλµό δειγµατοληψίας (sampled pulse) προς τους καθυστερηµένους ISI παλµούς. Παρόλα αυτά, η συνολική περιβάλλουσα ισχύς όπως αυτή καθορίζεται για ένα κανάλι διαλείψεων στενής ζώνης σήµατος (narrowband fading channel) είναι ένα χρήσιµο χαρακτηριστικό σήµα εκποµπής το οποίο µπορεί να υποδείξει την πιθανότητα ένα σύστηµα ευρέως φάσµατος να βρεθεί προσωρινά εκτός λειτουργίας λόγω µη αποδεκτού ρυθµού σφαλµάτων (error rate). Για αυτόν τον σκοπό, οι προδιαγραφές του εξοπλισµού που αφορά ψηφιακή ζεύξη συνήθως εµπεριέχουν µια dispersive fade margin τιµή, η οποία ερµηνεύεται ως η επιπρόσθετη απώλεια διαδροµής πάνω στις ενδιάµεσες απώλειες διάδοσης (median path loss) που θα προκαλέσει µια προσωρινή διακοπή λειτουργίας της ζεύξης (outage) εξαιτίας απαράδεκτα υψηλών ρυθµών σφαλµάτων σε ψηφιακά συστήµατα ευρέως φάσµατος. Όπως και µε το flat fade margin, τέτοια µη αποδεκτή απόδοση εκλαµβάνεται ως µια µη διαθέσιµη ζεύξη. Το dispersive-fade margin µπορεί να συνδυαστεί µαθηµατικά µε το flat-fade margin παράγοντας έτσι ένα συνολικό περιθώριο διαλείψεων (overall fade margin), όπως φαίνεται στον µαθηµατικό τύπο που ακολουθεί: 83

87 Κεφάλαιο 3ο: Link study µε το πρόγραµµα EDX signalpro 2.0 AFD = 10log RDF 10 AF AD db (3-2) Ο όρος RDF είναι ο σχετικός παράγοντας σκέδασης (relative dispersive factor) ο οποίος δηλώνει πόση σκέδαση υπάρχει στη διαδροµή σε σύγκριση µε µια ζεύξη αναφοράς µετρηµένη από τον Rummler [4]. Στο πρόγραµµα EDX signalpro 2.0 ο όρος αυτός είναι προκαθορισµένα ρυθµισµένος στην τιµή 5, η οποία ανταποκρίνεται στις µέσες συνθήκες διάδοσης. Χρησιµοποιώντας την τιµή A FD, το επόµενο βήµα είναι να εξεταστεί η πιθανότητα µιας επιπλέον απώλειας διαδροµής ίσης µε το A FD εξαιτίας των διαλείψεων και/ή της βροχής. Η πιθανότητα ότι η απώλεια διαδροµής που θα αυξηθεί, µε συνακόλουθο τη µείωση του επιπέδου του σήµατος (signal level), κατά AFD db θα συµβεί λόγω διαλείψεων ή λόγω βροχής είναι η πιθανότητα να συµβεί µια προσωρινή διακοπή λειτουργίας (outage) και η ζεύξη να µην είναι διαθέσιµη Multipath Fading Path loss (Outage) Οι ανακλάσεις πολλαπλών διαδροµών (multipath reflections) καταλήγουν στην κεραία λήψεως και προστίθενται ανυσµατικά στο άµεσα λαµβανόµενο σήµα. Η συνισταµένη περιβάλλουσα του σήµατος είναι το διανυσµατικό άθροισµα των ανυσµάτων και εξαρτάται γενικά από τις σχέσεις πλάτους και φάσης αυτών. Για παράδειγµα, ένα σήµα από ανάκλαση (reflection) που έχει πλάτος ίσο µε το µισό σε σχέση και διαφορά φάσης 180 σε σχέση µε εκείνη του άµεσα λαµβανόµενου σήµατος (LOS signal), θα έχει ως τελικό αποτέλεσµα το πλάτος της τάσης της λαµβανόµενης περιβάλλουσας (envelope) να είναι κατά 6 db µικρότερο από το αντίστοιχο που θα υπήρχε χωρίς ανακλάσεις. Το διανυσµατικό άθροισµα των τάσεων στην κεραία λήψης θα εξαρτηθεί τελικά από όλες τις πολλαπλές ανακλάσεις. Τώρα, επειδή τα πλάτη και οι φάσεις των πολλαπλών ανακλάσεων συνήθως δεν είναι αναλυτικά γνωστά, η αµιγώς παραγόµενη στον δέκτη περιβάλλουσα σήµατος (net resulting signal envelope) µπορεί να περιγραφτεί µόνο µε στατιστικούς όρους. Παραδοσιακά, η θεωρητική στατιστική περιγραφή για την τάση περιβάλλουσας για ένα δείγµα τυχαίων φασιθετών είναι µια κατανοµή Rayleigh. 84

88 Κεφάλαιο 3ο: Link study µε το πρόγραµµα EDX signalpro 2.0 Παρόλα αυτά, έχουν αναπτυχθεί περισσότερο βελτιωµένες εµπειρικές περιγραφές για τις στατιστικές που αφορούν το πλάτος περιβάλλουσας ή την πιθανότητα διαλείψεων, οι οποίες µάλιστα λαµβάνουν υπόψη κατά προσέγγιση τις κλιµατικές συνθήκες και το εδαφικό ανάγλυφο. ύο τέτοιες εµπειρικές µέθοδοι προσφέρονται ήδη στο πρόγραµµα EDX. Αυτές είναι 1) η µέθοδος Vigants-Barnett, και 2) η µέθοδος ITU-R Rec Στη µελέτη ζεύξης αυτής της διπλωµατικής θα γίνει χρήση της δεύτερης από αυτές, οπότε και είναι αυτή που θα περιγραφτεί αµέσως παρακάτω Υπολογισµοί για το Mulipath Fade Outage µε το ITU-R Rec Η βασική εξίσωση για τους υπολογισµούς είναι η παρακάτω: ( ε ) 1.1 A PF = K d f 1+ ρ ϕ 10 (3-3) όπου: P F η ποσοστιαία πιθανότητα διαλείψεων. Η τιμή του αποτελέσματος διαιρείται με το 100 για να αποδοθεί η πιθανότητα διαλείψεων ως κλάσμα του χρόνου K ο τροποσφαιρικός δείκτης για τον δυσμενέστερο μήνα ως προς τις διαλείψεις d το μήκος της διαδρομής (path length) σε km f η συχνότητα σε GHz ε ρ η κλίση της διαδρομής ως προς το οριζόντιο επίπεδο (path inclination) σε milliradians ϕ η average grazing γωνία ανταποκρινόμενη στο 4/3 της γης σε milliradians A το βάθος των διαλείψεων σε db. Χρησιμοποιείται μόνο για τιμές από 15 db και πάνω. 85

89 Κεφάλαιο 3ο: Link study µε το πρόγραµµα EDX signalpro 2.0 Ο τροποσφαιρικός δείκτης K καθορίζεται στα όρια του p L, το ποσοστό του χρόνου όταν ο relative refractivity gradient είναι µικρότερος από την τιµή - 100N/km. Αυτός ο παράγοντας µπορεί να βρεθεί από τους αντίστοιχους πίνακες στα διαγράµµατα 4.1 και 4.2. Θα πρέπει να χρησιµοποιηθεί ο µήνας µε την υψηλότερη τιµή του p L. K = 10 pl για χερσαίες διαδρομές όχι σε ορεινές περιοχές (3-4) K = 10 pl για χερσαίες διαδρομές σε ορεινές περιοχές (3-5) K = 10 pl για διαδρομές πάνω από εκτεταμένες υδάτινες περιοχές (3-6) To path inclination ε ρ υπολογίζεται χρησιµοποιώντας το ύψος της κεραίας εκποµπής h t, το αντίστοιχο της κεραίας λήψης h r (σε m) και το µήκος της διαδροµής d (σε km) όπως ακολουθεί: h h r t ε ρ = (3-7) d όπου το ύψος των κεραιών υπολογίζεται σε µέτρα πάνω από την επιφάνεια της θάλασσας. Η average grazing angle ϕ στο ITU-R Rec υπολογίζεται ως εξής: h1+ h2 ϕ = 1 m 1+ d 2 ( b ) milliradians (3-8) 86

90 Κεφάλαιο 3ο: Link study µε το πρόγραµµα EDX signalpro 2.0 όπου: 2 d m = (3-9) 4 a e h + h ( ) 1 2 c = h + h 1 2 ( h + h ) 1 2 (3-10) m+ 1 π 1 3c 3m b = 2 cos + arccos 3 m ( m 1) 3 + (3-11) Στους πιο πάνω υπολογισµούς οι συντελεστές m και c και οι µεταβλητές a e, d, h 1 και h 2 πρέπει να είναι στις ίδιες µονάδες µέτρησης. Το ITU-R αποσαφηνίζει ότι η τιµή του a e είναι ρυθµισµένη στα 4/3 της γήινης ακτίνας, ή αλλιώς στα 8500 km. Η grazing angle είναι σε milliradians όταν τα ύψη h 1 και h 2 είναι σε µέτρα και το µήκος της διαδροµής d (path length) είναι σε χιλιόµετρα. Στο ITU-R Rec τα ύψη των κεραιών h 1 και h 2 είναι τα ύψη των κεραιών εκποµπής και λήψης αντίστοιχα, όπως αυτά προσαρµόζονται γραµµικά µέσω της µεθόδου ελάχιστου τετραγώνου στο εδαφικό ανάγλυφο. Για την εφαρµογή EDX, αυτά τα ύψη λαµβάνονται σχετικά ως προς το µέσο ύψος του εδαφικού ανάγλυφου περισσότερο, παρά µε την προαναφερθείσα µέθοδο του ελάχιστου τετραγώνου. Η γενική εξίσωση του P F χρησιµοποιείται για να βρεθεί η πιθανότητα να υπάρξει διάλειψη βάθους A= A, γεγονός που συνεπάγεται µια προσωρινή FD διακοπή λειτουργίας (outage). Εν συνεχεία αυτή η τιµή χρησιµοποιείται µε τη σειρά της στην εύρεση του annual fade outage time σε δευτερόλεπτα όπως έχει ήδη αναφερθεί πιο πάνω. 87

91 Κεφάλαιο 3ο: Link study µε το πρόγραµµα EDX signalpro Diversity Reception Improvement Η πιθανότητα να µη λειτουργεί προσωρινά το σύστηµα εξαιτίας του φαινόµενου πολλαπλών διαδροµών (multipath fade outage) µπορεί να µειωθεί σηµαντικά αν χρησιµοποιηθούν τεχνικές διαφορικής λήψης (diversity). Μια τέτοια τεχνική χρησιµοποιεί δύο ή περισσότερους κλάδους λήψης για να επωφεληθεί από το γεγονός ότι αυτοί οι κλάδοι µπορούν να είναι σχετικώς ασυσχέτιστοι. Αυτή η έλλειψη συνέλιξης µεταξύ των κλάδων σηµαίνει ότι είναι απίθανο να συµβούν βαθιές διαλείψεις (deep fades) ταυτόχρονα σε δύο ή περισσότερους κλάδους. Οι τεχνικές διαφορικής λήψης (diversity) που χρησιµοποιούνται συνήθως στα link systems είναι: 1. ιαφορική λήψη χώρου µε µεταγωγή µεταξύ δύο κλάδων στη βασική συχνότητα (Space diversity with switching between two branches at baseband) 2. ιαφορική λήψη χώρου µε επιλεκτικό συνδυασµό στο IF (Space diversity with combining at IF) 3. ιαφορική λήψη συχνότητας (Frequency diversity) Η ιαφορική λήψη συχνότητας (Frequency diversity) δεν χρησιµοποιείται πλέον ευρέως επειδή δεν είναι φασµατικά αποδοτική, και η αποδοτικότητα ως προς τη χρήση του φάσµατος παρουσιάζει υψίστης σηµασίας σπουδαιότητα στις περισσότερες αναπτυγµένες χώρες. Για τον λόγο αυτό, µια βελτιωµένη ανάλυση πάνω σε αυτήν τη µέθοδο δεν προσφέρεται στο πρόγραµµα EDX. Τα αποτελέσµατα της διαφορικής λήψης (diversity) πάνω στην πιθανότητα προσωρινής διακοπής λειτουργίας σε ένα σύστηµα ζεύξης υπολογίζονται συνήθως ως ένας παράγοντας βελτίωσης της διαφορικής λήψης (diversity improvement factor) I SD. Για τη διαφορική λήψη µε µεταγωγή στη βασική συχνότητα, ο παράγοντας αυτός µπορεί να υπολογιστεί από την παρακάτω σχέση f ISD = s v 10 d A (3-12) 88

92 όπου: s Κεφάλαιο 3ο: Link study µε το πρόγραµµα EDX signalpro 2.0 η κατακόρυφη ή οριζόντια απόσταση μεταξύ των κεραιών σε μέτρα f η χρησιμοποιούμενη συχνότητα σε GHz d το μήκος της ζεύξης σε km v ο λόγος των κερδών μεταξύ της κύριας και των κεραιών διαφορικής λήψης. Το κέρδος της κεραίας διαφορικής λήψης μπορεί να δοθεί στο Link Reliability Analysis dialog box Ο παράγοντας βελτίωσης της διαφορικής λήψης τροποποιεί την πιθανότητα P F έτσι ώστε να δώσει την µειωµένη πιθανότητα µη λειτουργίας (reduced outage probability) P SD P I F = (3-13) SD Αυτή η προσαρµοσµένη πιθανότητα χρησιµοποιείται για να βρεθεί η συνολική ετήσια µη λειτουργία λόγω διαλείψεων (annual fade outage) και η συνολική ετήσια διαθεσιµότητα της ζεύξης (annual link availability). Για τη διαφορική λήψη χώρου µε επιλεκτικό συνδυασµό στο IF (Space diversity with combining at IF), ο υπολογισµός του παράγοντα βελτίωσης είναι λίγο πιο περίπλοκος. Συνδυάζοντας τα σήµατα στο IF, το thermal fade margin αυξάνεται δραστικά σύµφωνα µε την παρακάτω εξίσωση A c A log 1+ v 2 = t + 10 db (3-14α) 89

93 Κεφάλαιο 3ο: Link study µε το πρόγραµµα EDX signalpro 2.0 όπου v είναι ο λόγος των κερδών µεταξύ της κύριας και των κεραιών διαφορικής λήψης. Με αυτόν τον τρόπο υπολογίζεται ένα καινούριο flat-fade margin A F. Κατόπιν, αυτό χρησιµεύει για να υπολογιστεί ο παράγοντας βελτίωσης της διαφορικής λήψης µε συνδυασµό IF σύµφωνα µε τον παρακάτω τύπο από τον Vigants I SD f 6 v = d ( 1+ v) 2 A s 4 db (3-14β) Rain Path Loss (Outage) Η αύξηση των απωλειών διαδροµής λόγω σφοδρών βροχοπτώσεων είναι ένα φαινόµενο επίπεδων διαλείψεων µικρής κλίµακας µη εξαρτώµενων από τη συχνότητα (flat fading non-frequency selective). εν µπορεί να βελτιωθεί µε τη µέθοδο της διαφορικής λήψης αφού και οι δύο κλάδοι λήψης θα υποβάλλονται στον ίδιο βαθµό διάλειψης λόγω της ταυτόχρονης βροχής. Έτσι, ο χρόνος προσωρινής µη λειτουργίας του δικτύου εξαιτίας της βροχής υπολογίζεται σχετικά ως προς τον θερµικό θόρυβο Crane Rain Outage Calculations Η µέθοδος Crane για τον υπολογισµό του outage λόγω υψηλής έντασης βροχοπτώσεων βασίζεται σε µια δηµοσίευση η οποία εµφανίστηκε στη δεκαετία του 90. Ο υπολογισµός γίνεται σύµφωνα µε τις παρακάτω εξισώσεις A R µ α d α c α d α c α D α e 1 b e b e = k Rp + µα c a c a db (3-15) για d D 22.5 km A R µα D α e 1 = k Rp db µα για D< d (3-16) 90

94 Κεφάλαιο 3ο: Link study µε το πρόγραµµα EDX signalpro 2.0 όπου: µ = cd ln ( be ) d (3-17) b 0.17 = R (3-18) 2.3 p ( R ) c= ln p (3-19) ( R ) d = ln p (3-20) R p ο ρυθμός της βροχής σε millimeters ανά ώρα D το μήκος της διαδρομής σε χιλιόμετρα k,α οι αποκλίσεις των συντελεστών από τον πίνακα 3 1 για τη συχνότητα που μας ενδιαφέρει. Προσοχή στο γεγονός ότι αυτές οι τιμές έχουν παρθεί από το ITU R Rec. 838 και διαφέρουν από τους αντίστοιχους συντελεστές Crane που υπάρχουν στην πρωτότυπη δημοσίευση. Οι τιµές του ρυθµού βροχόπτωσης σε mm ανά ώρα σχετίζονται άµεσα µε τη γεωγραφική περιοχή όπου θα λειτουργήσει η ζεύξη. Ο χάρτης στο διάγραµµα 3.4 απεικονίζει τις Crane περιοχές βροχής ανά τον κόσµο µε ονοµασίες από το A έως το H. Επίσης, οι ρυθµοί βροχόπτωσης για κάθε περιοχή ως ποσοστό του χρόνου στο χρονικό διάστηµα ενός έτους δίνονται στον πίνακα Η-2. (Σηµ. αυτές οι τιµές περιέχονται στο αρχείο Crane.rai το οποίο εµπεριέχεται στη δισκέτα του προγράµµατος. Για να χρησιµοποιηθεί το πρόγραµµα θα πρέπει να υπάρχουν αυτές οι τιµές). Η παραπάνω πιθανότητα διάλειψης λόγω βροχής ισχύει για µήκη διαδροµής των 22.5 km ή βραχύτερα. Για αντίστοιχα µήκη διαδροµής µεγαλύτερα από 22.5 km, ο υπολογισµός γίνεται για 22.5 km και η τελική προσαρµοσµένη πιθανότητα του annual outage υπολογίζεται ως εξής 91

95 Κεφάλαιο 3ο: Link study µε το πρόγραµµα EDX signalpro 2.0 D PR = P 22.5 (3-21) όπου D είναι το πραγµατικό µήκος ζεύξης σε km. Η πιθανότητα του annual outage πολλαπλασιάζεται µε την τιµή των δευτερολέπτων ενός έτους για να δώσει τον συνολικό αριθµό των δευτερολέπτων ανά έτος κατά το οποία η ζεύξη είναι µη διαθέσιµη από διαλείψεις λόγω βροχής. Οι εξισώσεις (3-15) και (3-16) λύνονται επαναληπτικά για διαφορετικούς ρυθµούς βροχόπτωσης στην περιοχή που επιλέγεται στο πλαίσιο Link Reliability Analysis όπως αυτό φαίνεται στην εφαρµογή EDX. Όταν (και αν) βρεθεί µια τιµή του ρυθµού βροχόπτωσης, η οποία να παράγει εξασθένιση λόγω βροχής A R ίση ή µεγαλύτερη από το thermal fade margin A t, το αντίστοιχο ποσοστό του χρόνου που εµφανίζει αυτός ο ρυθµός βροχόπτωσης λαµβάνεται ως η πιθανότητα rain outage P R. Αυτό απαιτεί µέθοδο παρεµβολής µεταξύ των τιµών στον πίνακα Η Υπολογισµός του rain outage σύµφωνα µε το ITU-R Ο υπολογισµός της εξασθένισης λόγω βροχής µε τη µέθοδο ITU-R γίνεται µε έναν παρόµοιο τρόπο µε αυτόν της ανάλυσης Crane. Παρόλα αυτά, η βασική εξίσωση και ο χάρτης περιοχών βροχόπτωσης είναι διαφορετικά. Έτσι, η βασική εξίσωση για την εξασθένιση βροχής λαµβάνεται τα ITU-R Rec (1994) και Rec. 838 (1994) όπως ακολουθεί: a γ R = k R db/km (3-22) όπου k και α είναι συντελεστές οι οποίοι βρίσκονται από τις τιµές στον πίνακα 3.1 για τη σχετική συχνότητα, και R είναι ο ρυθµός βροχόπτωσης σε mm/hr για ένα δοθέν ποσοστό του χρόνου και για µια δοθείσα περιοχή βροχόπτωσης της γης. Οι τιµές στον πίνακα 3.1 χρησιµοποιούνται για να βρεθούν τα k και α σύµφωνα µε τις παρακάτω εξισώσεις 92

96 Κεφάλαιο 3ο: Link study µε το πρόγραµµα EDX signalpro 2.0 ( ) 2 kh + kv + kh kv cos Θ cos 2τ k = (3-23) 2 ( ) 2 kh ah + kv av + kh ah kv av cos Θ cos 2τ a = (3-24) 2 όπου Θ είναι η γωνία ανύψωσης της διαδροµής (path elevation angle) και τ η επικλινής γωνία πόλωσης ως προς τον ορίζοντα. Για τη γραµµική οριζόντια ή κάθετη πόλωση που χρησιµοποιούνται εδώ, η γωνία τ είναι ή µηδενική ή 90 µοιρών αντίστοιχα. Παροµοίως, για ραδιοκυµατικές διαδροµές στην επιφάνεια της γης η γωνία τ είναι τυπικά πολύ µικρή, ειδικότερα για αποστάσεις διαδροµής όπου η εξασθένιση εξαιτίας της βροχής µπορεί να είναι σηµαντική. Στη χρήση του προγράµµατος EDX, υποτίθεται ότι η γωνία Θ είναι ίση µε το µηδέν. Για να βρεθεί η συνολική εξασθένιση πάνω στη διαδροµή εξαιτίας της βροχής, ο παράγοντας εξασθένισης της διαδροµής (effective path length) d eff γ R πρέπει να πολλαπλασιαστεί µε το δραστικό µήκος, το οποίο υπολογίζεται ως εξής d eff d = d 1+ d0 (3-25) όπου d είναι το πραγµατικό µήκος της διαδροµής σε km και για R mm/hr (ο ρυθµός βροχόπτωσης για το 0.01% του χρόνου) d0 35 e R = (3-26) Η συνολική εξασθένιση διαδροµής για το 0.01% του χρόνου δίνεται τότε από τον τύπο A = γ d db (3-27) 0.01 R eff Αυτή η απώλεια για το 0.01% του χρόνου µπορεί να µετατραπεί σε µερικά άλλα ποσοστά p κυµαινόµενα από 0.01% µέχρι το 1% χρησιµοποιώντας την ακόλουθη εξίσωση από το ITU-R Rec

97 Κεφάλαιο 3ο: Link study µε το πρόγραµµα EDX signalpro 2.0 p ( ) A = A p + db (3-28) log 10 p 0.01 Όπως και µε τη µέθοδο Crane, η εξίσωση (3-28) λύνεται µε επαναληπτικό τρόπο για να µια εξασθένιση λόγω βροχής που να είναι ίση ή µεγαλύτερη από το thermal fade margin A t. Μόλις αυτή η τιµή βρεθεί, η αντίστοιχη πιθανότητα χρησιµοποιείται ως η πιθανότητα προσωρινής διακοπής λειτουργίας λόγω βροχής (rain outage) P R για τον υπολογισµό της διαθεσιµότητας της ζεύξης. Αυτή η προσέγγιση είναι βάσιµη µόνο για τιµές από 0.001% έως 1% σύµφωνα µε τους περιορισµούς που διατυπώνονται στο ITU-R Rec Οι ITU-R περιοχές βροχόπτωσης απεικονίζονται στο διάγραµµα 3.2 ως απλές ονοµασίες γραµµάτων. Η κατάλληλη δήλωση της περιοχής όπου θα λειτουργήσει η ζεύξη γίνεται στο πλαίσιο διαλόγου Link Reliability Analysis του προγράµµατος EDX. Οι ρυθµοί βροχόπτωσης για κάθε περιοχή φαίνονται στον πίνακα Η Ετήσια διαθεσιµότητα της ζεύξης (Annual Link Availability) Οι τελικές τιµές των annual multipath fade και rain outage για µια ζεύξη µπορούν να µετατραπούν στην ετήσια διαθεσιµότητα της ζεύξης χρησιµοποιώντας τον ακόλουθο τύπο Annual link availability (%) = ( P P ) F R Αυτή είναι και η τιµή που αναφέρεται στα τελικά αποτελέσµατα της διαδικασίας προσοµοίωσης από το πρόγραµµα. 94

98 Κεφάλαιο 3ο: Link study µε το πρόγραµµα EDX signalpro 2.0 Πίνακας 3. 1 Πίνακας συντελεστών βροχόπτωσης (Crane) 95

99 Κεφάλαιο 3ο: Link study µε το πρόγραµµα EDX signalpro 2.0 Πίνακας 3. 2 Πίνακας

100 Κεφάλαιο 3ο: Link study µε το πρόγραµµα EDX signalpro 2.0 ιάγραµµα 3. 1 To percentage of time gradient (µήνες Φεβρουαρίου Μαρτίου) 97

101 Κεφάλαιο 3ο: Link study µε το πρόγραµµα EDX signalpro 2.0 ιάγραµµα 3. 2 To percentage of time gradient (µήνες Αυγούστου - Νοεµβρίου) 98

102 Κεφάλαιο 3ο: Link study µε το πρόγραµµα EDX signalpro 2.0 ιάγραµµα 3. 3 Οι περιοχές βροχόπτωσης ανά τον κόσµο για το CCIR 99

103 Κεφάλαιο 3ο: Link study µε το πρόγραµµα EDX signalpro 2.0 ιάγραµµα 3. 4 Οι περιοχές βροχόπτωσης ανά τον κόσµο για το Crane 100

104 Κεφάλαιο 4ο: Προσοµοιωτική µελέτη µε το EDX signalpro Αποτελέσµατα Κεφάλαιο 4 ο Προσοµοιωτική µελέτη µε το EDX signalpro Αποτελέσµατα 4.1 ΓΕΝΙΚΑ Σε αυτό το κεφάλαιο περιγράφεται ένα σύνολο µελετών ζεύξης (link study) µε τη βοήθεια του προγράµµατος EDX signalpro 2.0. Αυτές οι µελέτες θα γίνουν πάνω στο σχολικό ασύρµατο δίκτυο που περιγράφεται στο Πιο συγκεκριµένα, θα µελετηθούν οι τρεις παρακάτω ζεύξεις: 1. Ζεύξη κτιρίου σεισµολογικού µε το λύκειο του Ευκλείδη 2. Ζεύξη κτιρίου σεισµολογικού µε το 31 ο Γυµνάσιο (παραλία) 3. Ζεύξη κτιρίου σεισµολογικού µε το λύκειο της Περαίας. Η κεραία εκποµπής βρίσκεται πάνω στο κτίριο όπου στεγάζεται το σεισµολογικό τµήµα του ΑΠΘ και έχει οπτική επαφή (LOS) µόνο µε το λύκειο της Περαίας. Επιλέχθηκαν πέντε (5) µοντέλα διάδοσης όπως φαίνονται παρακάτω. Free Space + RMD Okumura (Hata) Μοντέλο διάδοσης Hata- Extended /E-P diff. Cost 231 (Hata) Walfish- Ikegami Link 01 - Σεισµολογικό - Ευκλείδης ναι ναι ναι ναι ναι 02 - Σεισµολογικό - Παραλία ναι ναι ναι ναι ναι 03 - Σεισµολογικό - Περαία ναι ναι ναι ναι ναι Πίνακας 4.1 Οι ζεύξεις (links) και τα αντίστοιχα µοντέλα διάδοσης Η περιγραφή αυτών των µοντέλων έχει ήδη γίνει στο 1 ο κεφάλαιο αυτού του συγγράµµατος. 101

105 Κεφάλαιο 4ο: Συγκρίσεις αποτελεσµάτων µε πραγµατικές µετρήσεις. 4.2 ΗΛΩΣΗ ΤΩΝ LINK ΣΤΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ EDX Signalpro 2.0 Τα βήµατα για τη δήλωση των ζεύξεων στο πρόγραµµα EDX είναι ακριβώς αυτά που περιγράφονται στο 3 ο κεφάλαιο. Σε αυτό το σηµείο µένει µόνο να δοθούν τα στοιχεία των ζεύξεων που πρέπει να εισαχθούν στο πρόγραµµα. Οι συντεταγµένες των κεραιών, όπως αυτές µετρήθηκαν µε όργανο GPS για τους σκοπούς αυτής της εργασίας, φαίνονται στον παρακάτω πίνακα Συντεταγµένες North East ύψος Κεραία Σεισµολογικού ΑΠΘ Ν 40º 37' 55.2'' Ε 22º 57' 54'' 70m Κεραία λυκείου Ευκλείδη Ν 40º 37' 04.2'' Ε 22º 57' 41.7'' 52m Κεραία γυµνασίου παραλίας Ν 40º 37' 23.5'' Ε 22º 57' 10.7'' 7m Κεραία λυκείου Περαίας Ν 40º 30' 03.9'' Ε 22º 57' 01.5'' 47m Πίνακας 4.2 οι γεωγραφικές συντεταγµένες των κεραιών Επειδή υπάρχουν κάποιες αποκλίσεις των υψών από αυτά του αντίστοιχου χάρτη στο πρόγραµµα, αυτά προσαρµόζονται κάθε φορά ανάλογα µε τη ζεύξη. Οι κεραία εκποµπής (εικόνα 4.1) που βρίσκεται στο κτίριο του σεισµολογικού του ΑΠΘ (40 εκλλησιές, Καθ. Βυζουκίδη 43) είναι της εταιρίας Superpass και το µοντέλο είναι το SPDG17E. Πρόκειται για µια 45 degree sector panel antenna µε συχνότητα λειτουργίας 2.4GHz και κέρδος 17.8 dbi. Στην πραγµατικότητα αυτή η κεραία έχει 4 sectors για την εκποµπή προς 10 σχολεία. Χωρίς να µειώνεται η γενικότητα της ανάλυσης, αυτή θα συνεχιστεί στον έναν από τους τέσσερεις sectors. Εικόνα 4.1 η κεραία εκποµπής 102

106 Κεφάλαιο 4ο: Προσοµοιωτική µελέτη µε το EDX signalpro Αποτελέσµατα Τα διαγράµµατα ακτινοβολίας αυτής της κεραίας φαίνονται στην εικόνα 4.2 Εικόνα 4.2 τα διαγράµµατα ακτινοβολίας της κεραίας εκποµπής Τα χαρακτηριστικά της κεραίας εκποµπής φαίνονται στον πίνακα 4.3. No ITEM TYPICAL REMARKS 1 Frequency Range MHz 2 Impedance 50 Ω 3 VSWR (or Return Loss) < 1.5:1 ( or > 14dB) 4 Gain > 17.8dBi 5 Polarization Vertical, Linear 6 3dB Horizontal Beamwidth 45 Degrees 7 3dB Vertical Beamwidth 9 Degrees 8 Front to Back Ratio > 35dB 9 Max. Power Input 20W 10 Connector N female, Bottom Feed Or Custom Design 11 Appearance Panel Type 12 Size 7.5 x 23.5 x 2.8 [inch] 13 Housing Material Powder Coated Aluminum 14 Radom Material ABS with UV Protection 15 Radom Color White 16 Case Design Water Resistance 17 Weight 4.5 Lb 18 Wind Loading (Frontal) > 10Kg 200km/h 19 Temperature Range -45 to +75 Degrees 20 Storage Temperature -30 to +75 Degrees 21 Lighting Protection Direct Grounding 22 Mounting Hardware Clamp Set 23 Life Expectancy 20 years Πίνακας 4.3 τα χαρακτηριστικά της κεραίας εκποµπής 103

107 Κεφάλαιο 4ο: Συγκρίσεις αποτελεσµάτων µε πραγµατικές µετρήσεις. Για την κεραία λήψης των σχολείων έγινε παραδοχή ότι τα διαγράµµατα ακτινοβολίας της είναι τα παρακάτω Εικόνα 4.3 τα διαγράµµατα ακτινοβολίας της κεραίας λήψης 104

108 Κεφάλαιο 4ο: Προσοµοιωτική µελέτη µε το EDX signalpro Αποτελέσµατα Είναι φανερό ότι αυτά τα διαγράµµατα µε σχετικά µεγάλα κέρδη στους πλαϊνούς λοβούς συνεισφέρουν στο να µελετηθεί η χείριστη περίπτωση του φαινόµενου πολλαπλών διαδροµών (multipath propagation). Τα χαρακτηριστικά της κεραίας λήψης φαίνονται στον πίνακα 4.4 No ITEM TYPICAL REMARKS 1 Frequency Range MHz 2 Gain > 24 dbi 3 Polarization Vertical, Linear 4 3dB Horizontal Beamwidth 10 Degrees 5 3dB Vertical Beamwidth 7 Degrees Πίνακας 4. 4 χαρακτηριστικά της κεραίας λήψης Τα παραπάνω διαγράµµατα ακτινοβολίας δηλώθηκαν στο EDX, µε τη βοήθεια δύο αρχείων τύπου pat. Για τον σκοπό αυτό γράφτηκαν δύο προγράµµατα στο MATLAB (παράρτηµα Α ). Στο 3 ο κεφάλαιο έγινε µια εκτενής περιγραφή για τον τρόπο µε τον οποίο γίνεται η προετοιµασία για µια µελέτη ζεύξης (link study) µε το πρόγραµµα EDX. Έτσι, στην επιµέρους περιγραφή κάθε µελέτης που γίνεται παρακάτω θα γίνει κυρίως αναφορά στις βασικές παραµέτρους της ζεύξης και στα αποτελέσµατα που υπολογίζει το πρόγραµµα. Σηµείωση: Τα ψηφιοποιηµένα δεδοµένα του γεωγραφικού ανάγλυφου της περιοχής της Θεσσαλονίκης που εισήχθησαν στο ΕDX (terrain data), παρατηρήθηκε ότι παρουσιάζουν κατά τόπους σηµαντικές αποκλίσεις από τις πραγµατικές τιµές. Για τον λόγο αυτό τροποποιήθηκαν όπου χρειάστηκε τα ύψη των κεραιών, µε κύριο κριτήριο να παραµένει σταθερή η διαφορά µεταξύ των πραγµατικών υψών των κεραιών εκποµπής και λήψης αντίστοιχα. 105

109 Κεφάλαιο 4ο: Συγκρίσεις αποτελεσµάτων µε πραγµατικές µετρήσεις. 4.3 LINK STUDY 1 (ΚΤΙΡΙΟ ΣΕΙΣΜΟΛΟΓΙΚΟΥ ΛΥΚΕΙΟ ΕΥΚΛΕΙ Η) Το σχολικό συγκρότηµα του Ευκλείδη βρίσκεται 1.6 km νοτιοανατολικά του κτιρίου του σεισµολογικού. Τα περισσότερα κτίρια σε αυτήν την περιοχή έχουν έξι ορόφους και η δόµηση µπορεί να χαρακτηριστεί σχετικά πυκνή, αν και από την πλευρά της ζεύξης είναι πιο αραιή. Επίσης, το κλίµα είναι µεσογειακό παραθαλάσσιο. Οι βασικές παράµετροι για τη ζεύξη φαίνονται στους πίνακες 4.5 έως 4.9. Transmitter Data Transmitter site tx01 (Seismologiko) Coordinates N40 37'55.20" E22 57'54.00" Site elevation m Antenna height 10.0 m Pointing azimuth Transmitter power dbmw Line loss 4.67 db Other losses 5.00 db Antenna gain dbi Antenna pattern file seismologiko.pat Transmitter ERP (< dbmw) dbmw Πίνακας 4. 5 χαρακτηριστικά της κεραίας εκποµπής Receiver Data Receive site rx01 (Eykleidhs) Coordinates N40 37'04.20" E22 57'41.70" Site elevation 95.9 m Antenna height 15.0 m Pointing azimuth Receiver threshold dbmw Line loss 1.07 db Other losses 5.00 db Antenna gain dbi Antenna pattern file sxoleia.pat Πίνακας 4. 6 χαρακτηριστικά της κεραίας λήψης Free space + RMD Urban Okumura - Hata Urban Hata-Extended/E-P diff. Urban Cost 231 (Hata) Urban Πίνακας 4. 7 Supplemental study parameters 106

110 Κεφάλαιο 4ο: Προσοµοιωτική µελέτη µε το EDX signalpro Αποτελέσµατα Average building roof height (m) 20 Average road width (m) 10 Average building separation (m) 5 Average road orientation (m) 90 Local environment small cities Πίνακας 4. 8 Supplemental study parameters (Walfish ikegami) Free Space + RMD Okumura (Hata) Hata- Extended /E-P diff. Cost 231 (Hata) Walfish- Ikegami Percentage of time 99% 99% 99% 99% 99% Percentage of location 50% 50% 50% 50% 50% Confidence margin 0% 0% 0% 0% 0% k-factor (τροπόσφαιρα) 1 / / / / / Ground conductivity Ground dielectric constant Atmospheric absorption Dry 02, 10.0 gm Dry 02, 10.0 gm Dry 02, 10.0 gm Dry 02, 10.0 gm Dry 02, 10.0 gm Climate type Fade outrage analysis Method *ITU-R (Path terrain) Maritime Temerate (land) ITU-R Rec Flat or low hills Maritime Temerate (land) ITU-R Rec Flat or low hills Maritime Temerate (land) ITU-R Rec Flat or low hills Maritime Temerate (land) ITU-R Rec Flat or low hills Maritime Temerate (land) ITU-R Rec Flat or low hills *ITU-R refractivity gradient % % % % % Adjacent channel interference (dbmw) Other exterior interference (dbmw) Dispersive fade margin (BER = 0.001) 60 db 60 db 60 db 60 db 60 db Diversity type unprotected unprotected unprotected unprotected unprotected Antenna spacing for diversity 0.10 m 0.10 m 0.10 m 0.10 m 0.10 m Diversity antenna gain 0 db 0 db 0 db 0 db 0 db Rain outage analysis method ITU-R Rec ITU-R Rec ITU-R Rec ITU-R Rec ITU-R Rec Rain Region L L L L L Fresnel zone radius K factor #2 (0.0 for none) K factor #3 (0.0 for none) Frequency 2400 MHz 1500 MHz 1500 MHz 2000 MHz 2400 MHz Polarization V V V V V Length (km) 1.60 km 1.60 km 1.60 km 1.60 km 1.60 km Πίνακας 4. 9 οι βασικές παράµετροι της ζεύξης για τα διάφορα µοντέλα διάδοσης Η µελέτη έγινε κάθε φορά για δύο τιµές του k-factor. Την πρώτη φορά αυτή η παράµετρος δηλώθηκε µε την τιµή k=1, ενώ τη δεύτερη µε την τιµή k=

111 Κεφάλαιο 4ο: Συγκρίσεις αποτελεσµάτων µε πραγµατικές µετρήσεις. Τα αποτελέσµατα των µετρήσεων φαίνονται στους πίνακες 4.10 και Free Space + RMD Okumura (Hata) Hata- Extended /E-P diff. Cost 231 (Hata) Walfish- Ikegami Path loss for prop. stats db db db db db Flat fade margin db 1.16 db 1.16 db db db Total fade margin db 1.16 db 1.16 db db db Annual fade outage 0.01 sec 0.23 sec 0.23 sec 0.00 sec 0.01 sec Annual rain outage 0.00 sec 0.00 sec 0.00 sec 0.00 sec 0.00 sec Link availability 100% 100% 100% 100 % 100% Number of obstacles Antenna received signal (dbmw) Path Loss Details Basic free space transmission loss db db db db db Clutter loss 0.00 db 0.00 db 0.00 db 0.00 db 0.00 db Πίνακας Τα αποτελέσµατα της µελέτης για τα διάφορα µοντέλα και k=1 Free Space + RMD Okumura (Hata) Hata- Extended /E-P diff. Cost 231 (Hata) Walfish- Ikegami Path loss for prop. stats db db db db db Flat fade margin db 1.16 db 1.16 db db db Total fade margin db 1.16 db 1.16 db db db Annual fade outage 0.01 sec 0.23 sec 0.23 sec 0.00 sec 0.01 sec Annual rain outage 0.00 sec 0.00 sec 0.00 sec 0.00 sec 0.00 sec Link availability 100% 100% 100% 100 % 100% Number of obstacles Antenna received signal (dbmw) Path Loss Details Basic free space transmission loss db db db db db Clutter loss 0.00 db 0.00 db 0.00 db 0.00 db 0.00 db Πίνακας Τα αποτελέσµατα της µελέτης για τα διάφορα µοντέλα και k=1.333 Είναι φανερό ότι και οι δυο περιπτώσεις δίνουν ίδια αποτελέσµατα, σύµφωνα µε τους υπολογισµούς του EDX signalpro 2.0. Τα αποτελέσµατα που δίνει κάθε φορά το πρόγραµµα φαίνονται στα διαγράµµατα 4.1 έως και

112 Κεφάλαιο 4ο: Προσοµοιωτική µελέτη µε το EDX signalpro Αποτελέσµατα ιάγραµµα 4.1 Αποτελέσµατα για το µοντέλο Freespace + RMD µε k=1 109

113 Κεφάλαιο 4ο: Συγκρίσεις αποτελεσµάτων µε πραγµατικές µετρήσεις. ιάγραµµα 4.2 Αποτελέσµατα για το µοντέλο Freespace + RMD µε k=

114 Κεφάλαιο 4ο: Προσοµοιωτική µελέτη µε το EDX signalpro Αποτελέσµατα ιάγραµµα 4.3 Αποτελέσµατα για το Okumura - Hata µε k=1 111

115 Κεφάλαιο 4ο: Συγκρίσεις αποτελεσµάτων µε πραγµατικές µετρήσεις. ιάγραµµα 4.4 Αποτελέσµατα για το Okumura - Hata µε k=

116 Κεφάλαιο 4ο: Προσοµοιωτική µελέτη µε το EDX signalpro Αποτελέσµατα ιάγραµµα 4.5 Αποτελέσµατα για το Hata extended µε k=1 113

117 Κεφάλαιο 4ο: Συγκρίσεις αποτελεσµάτων µε πραγµατικές µετρήσεις. ιάγραµµα 4.6 Αποτελέσµατα για το Hata extended µε k=

118 Κεφάλαιο 4ο: Προσοµοιωτική µελέτη µε το EDX signalpro Αποτελέσµατα ιάγραµµα 4.7 Αποτελέσµατα για το Cost Hata µε k=1 115

119 Κεφάλαιο 4ο: Συγκρίσεις αποτελεσµάτων µε πραγµατικές µετρήσεις. ιάγραµµα 4.8 Αποτελέσµατα για το Cost Hata µε k=

120 Κεφάλαιο 4ο: Προσοµοιωτική µελέτη µε το EDX signalpro Αποτελέσµατα ιάγραµµα 4.9 Αποτελέσµατα για το Walfish - Ikegami µε k=1 117

121 Κεφάλαιο 4ο: Συγκρίσεις αποτελεσµάτων µε πραγµατικές µετρήσεις. ιάγραµµα 4.10 Αποτελέσµατα για το Walfish - Ikegami µε k=

122 Κεφάλαιο 4ο: Προσοµοιωτική µελέτη µε το EDX signalpro Αποτελέσµατα 4.4 LINK STUDY 2 (ΚΤΙΡΙΟ ΣΕΙΣΜΟΛΟΓΙΚΟΥ 31 Ο ΓΥΜΝΑΣΙΟ ΠΑΡΑΛΙΑΣ) Το σχολικό συγκρότηµα του 31 ου Γυµνασίου βρίσκεται 1.41 km νοτιοανατολικά του κτιρίου του σεισµολογικού. Κατά µήκος της ζεύξης ο χώρος µπορεί να θεωρηθεί ηµιαστικός έως και ανοικτός. Επίσης, το κλίµα είναι µεσογειακό παραθαλάσσιο. Οι βασικές παράµετροι για τη ζεύξη φαίνονται στους πίνακες 4.12 έως Transmitter Data Transmitter site tx02 (Seismologiko) Coordinates N40 37'55.20" E22 57'54.00" Site elevation m Antenna height 10.0 m Pointing azimuth Transmitter power dbmw Line loss 4.67 db Other losses 5.00 db Antenna gain dbi Antenna pattern file seismologiko.pat Transmitter ERP (< dbmw) dbmw Πίνακας χαρακτηριστικά της κεραίας εκποµπής Receiver Data Receive site rx02 (Paralia) Coordinates N40 37'23.50" E22 57'10.70" Site elevation 83.0 m Antenna height 10.0 m Pointing azimuth Receiver threshold dbmw Line loss 2.68 db Other losses 5.00 db Antenna gain dbi Antenna pattern file sxoleia.pat Πίνακας χαρακτηριστικά της κεραίας λήψης Free space + RMD suburban Okumura - Hata suburban Hata-Extended/E-P diff. suburban Cost 231 (Hata) suburban Πίνακας Supplemental study parameters 119

123 Κεφάλαιο 4ο: Συγκρίσεις αποτελεσµάτων µε πραγµατικές µετρήσεις. Average building roof height (m) 8 Average road width (m) 20 Average building separation (m) 5 Average road orientation (m) 90 Local environment small cities Πίνακας Supplemental study parameters (Walfish ikegami) Free Space + RMD Okumura (Hata) Hata- Extended /E-P diff. Cost 231 (Hata) Walfish- Ikegami Percentage of time 99% 99% 99% 99% 99% Percentage of location 50% 50% 50% 50% 50% Confidence margin 0% 0% 0% 0% 0% k-factor (τροπόσφαιρα) 1 / / / / / Ground conductivity Ground dielectric constant Atmospheric absorption Dry 02, 10.0 gm Dry 02, 10.0 gm Dry 02, 10.0 gm Dry 02, 10.0 gm Dry 02, 10.0 gm Climate type Fade outrage analysis Method *ITU-R (Path terrain) Maritime Temerate (land) ITU-R Rec Flat or low hills Maritime Temerate (land) ITU-R Rec Flat or low hills Maritime Temerate (land) ITU-R Rec Flat or low hills Maritime Temerate (land) ITU-R Rec Flat or low hills Maritime Temerate (land) ITU-R Rec Flat or low hills *ITU-R refractivity gradient % % % % % Adjacent channel interference (dbmw) Other exterior interference (dbmw) Dispersive fade margin (BER = 0.001) 60 db 60 db 60 db 60 db 60 db Diversity type unprotected unprotected unprotected unprotected unprotected Antenna spacing for diversity 0.10 m 0.10 m 0.10 m 0.10 m 0.10 m Diversity antenna gain 0 db 0 db 0 db 0 db 0 db Rain outage analysis method ITU-R Rec ITU-R Rec ITU-R Rec ITU-R Rec ITU-R Rec Rain Region L L L L L Fresnel zone radius K factor #2 (0.0 for none) K factor #3 (0.0 for none) Frequency 2400 MHz 1500 MHz 1500 MHz 2000 MHz 2400 MHz Polarization V V V V V Length (km) 1.41 km 1.41 km 1.41 km 1.41 km 1.41 km Πίνακας οι βασικές παράµετροι της ζεύξης για τα διάφορα µοντέλα διάδοσης Η µελέτη έγινε και αυτή τη φορά για δύο τιµές του k-factor. Την πρώτη φορά αυτή η παράµετρος δηλώθηκε µε την τιµή k=1, ενώ τη δεύτερη µε την τιµή k= Τα αποτελέσµατα των µετρήσεων φαίνονται στους πίνακες 4.17 και

124 Κεφάλαιο 4ο: Προσοµοιωτική µελέτη µε το EDX signalpro Αποτελέσµατα Free Space + RMD Okumura (Hata) Hata- Extended /E-P diff. Cost 231 (Hata) Walfish- Ikegami Path loss for prop. stats db db db db db Flat fade margin db db db db db Total fade margin db db db db db Annual fade outage 0.00 sec 0.00 sec 0.00 sec 0.00 sec 0.00 sec Annual rain outage 0.00 sec 0.00 sec 0.00 sec 0.00 sec 0.00 sec Link availability 100% 100% 100% 100 % 100% Number of obstacles Antenna received signal (dbmw) Path Loss Details Basic free space db db db db db transmission loss Clutter loss 0.00 db 0.00 db 0.00 db 0.00 db 0.00 db Πίνακας Τα αποτελέσµατα της µελέτης για τα διάφορα µοντέλα και k=1 Free Space + RMD Okumura (Hata) Hata- Extended /E-P diff. Cost 231 (Hata) Walfish- Ikegami Path loss for prop. stats db db db db db Flat fade margin db db db db db Total fade margin db db db db db Annual fade outage 0.00 sec 0.00 sec 0.00 sec 0.00 sec 0.00 sec Annual rain outage 0.00 sec 0.00 sec 0.00 sec 0.00 sec 0.00 sec Link availability 100% 100% 100% 100 % 100% Number of obstacles Antenna received signal (dbmw) Path Loss Details Basic free space db db db db db transmission loss Clutter loss 0.00 db 0.00 db 0.00 db 0.00 db 0.00 db Πίνακας Τα αποτελέσµατα της µελέτης για τα διάφορα µοντέλα και k=1.333 Είναι φανερό ότι και οι δυο περιπτώσεις δίνουν ίδια αποτελέσµατα, σύµφωνα µε τους υπολογισµούς του EDX signalpro 2.0. Τα αποτελέσµατα που δίνει κάθε φορά το πρόγραµµα φαίνονται στα διαγράµµατα 4.11 έως

125 Κεφάλαιο 4ο: Συγκρίσεις αποτελεσµάτων µε πραγµατικές µετρήσεις. ιάγραµµα 4.11 Αποτελέσµατα για το µοντέλο Freespace + RMD µε k=1 122

126 Κεφάλαιο 4ο: Προσοµοιωτική µελέτη µε το EDX signalpro Αποτελέσµατα ιάγραµµα 4.12 Αποτελέσµατα για το µοντέλο Freespace + RMD µε k=

127 Κεφάλαιο 4ο: Συγκρίσεις αποτελεσµάτων µε πραγµατικές µετρήσεις. ιάγραµµα 4.13 Αποτελέσµατα για το µοντέλο Okumura - Hata µε k=1 124

128 Κεφάλαιο 4ο: Προσοµοιωτική µελέτη µε το EDX signalpro Αποτελέσµατα ιάγραµµα 4.14 Αποτελέσµατα για το µοντέλο Okumura - Hata µε k=

129 Κεφάλαιο 4ο: Συγκρίσεις αποτελεσµάτων µε πραγµατικές µετρήσεις. ιάγραµµα 4.15 Αποτελέσµατα για το µοντέλο Hata extended µε k=1 126

130 Κεφάλαιο 4ο: Προσοµοιωτική µελέτη µε το EDX signalpro Αποτελέσµατα ιάγραµµα 4.16 Αποτελέσµατα για το µοντέλο Hata extended µε k=

131 Κεφάλαιο 4ο: Συγκρίσεις αποτελεσµάτων µε πραγµατικές µετρήσεις. ιάγραµµα 4.17 Αποτελέσµατα για το µοντέλο COST Hata µε k=1 128

132 Κεφάλαιο 4ο: Προσοµοιωτική µελέτη µε το EDX signalpro Αποτελέσµατα ιάγραµµα 4.18 Αποτελέσµατα για το µοντέλο COST Hata µε k=

133 Κεφάλαιο 4ο: Συγκρίσεις αποτελεσµάτων µε πραγµατικές µετρήσεις. ιάγραµµα 4.19 Αποτελέσµατα για το µοντέλο Walfisch - Ikegami µε k=1 130

134 Κεφάλαιο 4ο: Προσοµοιωτική µελέτη µε το EDX signalpro Αποτελέσµατα ιάγραµµα 4.20 Αποτελέσµατα για το µοντέλο Walfisch - Ikegami µε k=

135 Κεφάλαιο 4ο: Συγκρίσεις αποτελεσµάτων µε πραγµατικές µετρήσεις. 4.5 LINK STUDY 3 (ΚΤΙΡΙΟ ΣΕΙΣΜΟΛΟΓΙΚΟΥ ΛΥΚΕΙΟ ΠΕΡΑΙΑΣ) Το σχολικό συγκρότηµα του Περαίας βρίσκεται km νότια του κτιρίου του σεισµολογικού. Η ραδιοζεύξη στο µεγαλύτερό της µέρος είναι υπεράνω θαλάσσης. Τα περισσότερα κτίρια σε αυτήν την περιοχή έχουν δύο µε τρεις ορόφους και η δόµηση µπορεί να χαρακτηριστεί σχετικά αραιή. Τέλος, το κλίµα είναι µεσογειακό παραθαλάσσιο µε αρκετή υγρασία. Οι βασικές παράµετροι για τη ζεύξη φαίνονται στους πίνακες 4.19 έως Transmitter Data Transmitter site tx02 (Seismologiko) Coordinates N40 37'55.20" E22 57'54.00" Site elevation m Antenna height 10.0 m Pointing azimuth Transmitter power dbmw Line loss 4.67 db Other losses 5.00 db Antenna gain dbi Antenna pattern file seismologiko.pat Transmitter ERP (< dbmw) dbmw Πίνακας χαρακτηριστικά της κεραίας εκποµπής Receiver Data Receive site rx03 (Peraia) Coordinates N40 30'03.90" E22 57'01.50" Site elevation 90.9 m Antenna height 10.0 m Pointing azimuth Receiver threshold dbmw Line loss 2.68 db Other losses 5.00 db Antenna gain dbi Antenna pattern file sxoleia.pat Πίνακας χαρακτηριστικά της κεραίας λήψης Free space + RMD open Okumura - Hata open Hata-Extended/E-P diff. open Cost 231 (Hata) open Πίνακας Supplemental study parameters 132

136 Κεφάλαιο 4ο: Προσοµοιωτική µελέτη µε το EDX signalpro Αποτελέσµατα Average building roof height (m) 12 Average road width (m) 10 Average building separation (m) 5 Average road orientation (m) 90 Local environment small cities Πίνακας Supplemental study parameters (Walfish ikegami) Free Space + RMD Okumura (Hata) Hata- Extended /E-P diff. Cost 231 (Hata) Walfish- Ikegami Percentage of time 99% 99% 99% 99% 99% Percentage of location 50% 50% 50% 50% 50% Confidence margin 0% 0% 0% 0% 0% k-factor (τροπόσφαιρα) 1 / / / / / Ground conductivity Ground dielectric constant Atmospheric absorption Dry 02, 10.0 gm Dry 02, 10.0 gm Dry 02, 10.0 gm Dry 02, 10.0 gm Dry 02, 10.0 gm Climate type Maritime Temerate (land) ITU-R Rec Maritime Temerate (land) ITU-R Rec Maritime Temerate (land) ITU-R Rec Maritime Temerate (land) ITU-R Rec Maritime Temerate (land) ITU-R Rec Fade outrage analysis Method *ITU-R (Path terrain) Over water Over water Over water Over water Over water *ITU-R refractivity gradient 10.0 % 10.0 % 10.0 % 10.0 % 10.0 % Adjacent channel interference (dbmw) dbmw dbmw dbmw dbmw dbmw Other exterior interference (dbmw) dbmw dbmw dbmw dbmw dbmw Dispersive fade margin (BER = 0.001) 6.2 db 6.2 db 6.2 db 6.2 db 6.2 db Diversity type unprotected unprotected unprotected unprotected unprotected Antenna spacing for diversity 0.10 m 0.10 m 0.10 m 0.10 m 0.10 m Diversity antenna gain 0 db 0 db 0 db 0 db 0 db Rain outage analysis method Crane Crane Crane Crane Crane Rain Region L D2 L D2 L Fresnel zone radius K factor #2 (0.0 for none) K factor #3 (0.0 for none) Frequency 2400 MHz 1500 MHz 1500 MHz 2000 MHz 2400 MHz Polarization V V V V V Length (km) km km km km km Πίνακας οι βασικές παράµετροι της ζεύξης για τα διάφορα µοντέλα διάδοσης Η µελέτη έγινε κάθε φορά για δύο τιµές του k-factor. Την πρώτη φορά αυτή η παράµετρος δηλώθηκε µε την τιµή k=1, ενώ τη δεύτερη µε την τιµή k=

137 Κεφάλαιο 4ο: Συγκρίσεις αποτελεσµάτων µε πραγµατικές µετρήσεις. Τα αποτελέσµατα των µετρήσεων φαίνονται στους πίνακες 4.24 και Free Space + RMD Okumura (Hata) Hata- Extended /E-P diff. Cost 231 (Hata) Walfish- Ikegami Path loss for prop. stats db db db db db Flat fade margin db db db db db Total fade margin db db db db db Annual fade outage sec sec sec sec sec Annual rain outage sec sec sec sec sec Link availability % % % % % Number of obstacles Antenna received signal (dbmw) Path Loss Details Basic free space db db db db db transmission loss Clutter loss 0.00 db db 0.00 db Πίνακας Τα αποτελέσµατα της µελέτης για τα διάφορα µοντέλα και k=1 Free Space + RMD Okumura (Hata) Hata- Extended /E-P diff. Cost 231 (Hata) Walfish- Ikegami Path loss for prop. stats db db db db db Flat fade margin db db db db Total fade margin db db db db Annual fade outage sec sec sec sec sec Annual rain outage sec sec sec sec sec Link availability % % % % % Number of obstacles Antenna received signal (dbmw) Path Loss Details Basic free space db db db db db transmission loss Clutter loss 0.00 db 0.00 db 0.00 db 0.00 db 0.00 db Πίνακας Τα αποτελέσµατα της µελέτης για τα διάφορα µοντέλα και k=1.333 Είναι φανερό ότι και οι δυο περιπτώσεις δίνουν σχεδόν τα ίδια αποτελέσµατα, σύµφωνα µε τους υπολογισµούς του EDX signalpro 2.0. Τα αποτελέσµατα που δίνει κάθε φορά το πρόγραµµα φαίνονται στα διαγράµµατα 4.21 έως και

138 Κεφάλαιο 4ο: Προσοµοιωτική µελέτη µε το EDX signalpro Αποτελέσµατα ιάγραµµα 4.21 Αποτελέσµατα για το µοντέλο Freespace + RMD µε k=1 135

139 Κεφάλαιο 4ο: Συγκρίσεις αποτελεσµάτων µε πραγµατικές µετρήσεις. ιάγραµµα 4.22 Αποτελέσµατα για το µοντέλο Freespace + RMD µε k=1 136

140 Κεφάλαιο 4ο: Προσοµοιωτική µελέτη µε το EDX signalpro Αποτελέσµατα ιάγραµµα 4.23 Αποτελέσµατα για το µοντέλο Okumura - Hata µε k=1 137

141 Κεφάλαιο 4ο: Συγκρίσεις αποτελεσµάτων µε πραγµατικές µετρήσεις. ιάγραµµα 4.24 Αποτελέσµατα για το µοντέλο Okumura - Hata µε k=

142 Κεφάλαιο 4ο: Προσοµοιωτική µελέτη µε το EDX signalpro Αποτελέσµατα ιάγραµµα 4.25 Αποτελέσµατα για το µοντέλο Hata extended µε k=1 139

143 Κεφάλαιο 4ο: Συγκρίσεις αποτελεσµάτων µε πραγµατικές µετρήσεις. ιάγραµµα 4.26 Αποτελέσµατα για το µοντέλο Hata extended µε k=

144 Κεφάλαιο 4ο: Προσοµοιωτική µελέτη µε το EDX signalpro Αποτελέσµατα ιάγραµµα 4.27 Αποτελέσµατα για το µοντέλο COST Hata µε k=1 141

145 Κεφάλαιο 4ο: Συγκρίσεις αποτελεσµάτων µε πραγµατικές µετρήσεις. ιάγραµµα 4.28 Αποτελέσµατα για το µοντέλο COST Hata µε k=

146 Κεφάλαιο 4ο: Προσοµοιωτική µελέτη µε το EDX signalpro Αποτελέσµατα ιάγραµµα 4.29 Αποτελέσµατα για το µοντέλο Walfisch - Ikegami µε k=1 143

147 Κεφάλαιο 4ο: Συγκρίσεις αποτελεσµάτων µε πραγµατικές µετρήσεις. ιάγραµµα 4.30 Αποτελέσµατα για το µοντέλο Walfisch - Ikegami µε k=

148 Κεφάλαιο 5ο: Εκτίμηση αποτελεσμάτων - συμπεράσματα. Κεφάλαιο 5 ο Εκτίμηση αποτελεσμάτων - Συμπεράσματα 5.1 ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΕΙΣ Υπενθύμιση: Τα ψηφιοποιημένα δεδομένα του γεωγραφικού ανάγλυφου της περιοχής της Θεσσαλονίκης που εισήχθησαν στο ΕDX (terrain data), παρατηρήθηκε ότι παρουσιάζουν στο μεγαλύτερό τους μέρος σημαντικές αποκλίσεις από τις πραγματικές τιμές. Για τον λόγο αυτό τροποποιήθηκαν όπου χρειάστηκε τα ύψη των κεραιών. Σε αυτό το σημείο παρουσιάζονται γενικά συμπεράσματα για όλες τις ζεύξεις ως προς τις διάφορες παραμέτρους. Κρίνεται αναγκαίο να τονιστούν κάποιες αδυναμίες οι οποίες παρουσιάστηκαν κατά την προσομοιωτική μελέτη και οι οποίες δεν ήταν δυνατόν να ξεπεραστούν. Αυτές είναι οι εξής: Η απουσία ψηφιοποιημένου χάρτη της πόλης της Θεσσαλονίκης ο οποίος θα έδινε περισσότερη ακρίβεια στις προσομοιώσεις των μοντέλων. Τα σφάλματα που υπεισέρχονται στις προσομοιώσεις εξαιτίας των αποκλίσεων που εισάγουν τα δεδομένα από το εδαφικό ανάγλυφο του χάρτη. Η επίδραση των πραγματικών κλιματολογικών συνθηκών που επικρατούν στην περιοχή οι οποίες και επιδρούν πάνω στις παραμέτρους και ιδιαίτερα στον συντελεστή ατμοσφαιρικής διαθλαστικότητας και μπορούν να προκαλέσουν διαλείψεις (fading) στο λαμβανόμενο σήμα. Απώλειες 1. Παρατηρείται ότι για την κάθε ζεύξη ξεχωριστά και τα πέντε μοντέλα διάδοσης υπολογίζουν τις ίδιες βασικές απώλειες διάδοσης (basic free space transmission loss). Βέβαια, υπάρχει μια μικρή διαφοροποίηση (έως και 4 db) 145

149 Κεφάλαιο 5ο: Εκτίμηση αποτελεσμάτων συμπεράσματα. αυτών των τιμών μεταξύ τους που οφείλεται στη διαφορετική συχνότητα με την οποία έγινε η προσομοίωση για τα διάφορα μοντέλα. 2. Ο τροποσφαιρικός δείκτης k δεν επηρεάζει πρακτικά τα αποτελέσματα για μεταβολή του από k = 1 έως έ 4 k = Τα τρία μοντέλα Free space + RMD, COST 231 Hata και το Walfisch-Ikegami εμφανίζουν πολύ μικρή διαφορά μεταξύ των τιμών των βασικών απωλειών διάδοσης (basic free space transmission loss) και των συνολικών απωλειών διάδοσης (path loss) που αυτά υπολογίζουν σε κάθε περίπτωση. Πρακτικά, στις συγκεκριμένες ζεύξεις δεν υπολογίζουν επιπρόσθετες απώλειες (διαθλάσεις, περιθλάσεις, κτλ.). 4. Τα μοντέλα Okumura (Hata) και Hata extended δίνουν ακριβώς τα ίδια αποτελέσματα, αφού για τις αποστάσεις μελέτης (d<20 km) τα δύο αυτά μοντέλα συμπεριφέρονται το ίδιο. Παρατήρηση: Το πρόγραμμα EDX δεν επέτρεψε δυνατότητα επέκτασης σε συχνότητα πάνω από τα 1500 MHz. Λαμβανόμενο σήμα (received signal) 1. Στην περίπτωση τόσο της Παραλίας όσο και του Ευκλείδη η στάθμη του λαμβανόμενου σήματος στον δέκτη βρίσκεται πάνω από τα -86 dbmw που είναι το κατώφλι ευαισθησίας του δέκτη (κυμαίνεται από μέχρι dbmw για την περίπτωση του Ευκλείδη και -67 μέχρι -73 dbmw για την παραλία). 2. Το καλύτερα λαμβανόμενο σήμα παρουσιάζεται στην παραλία. Περιθώριο διαλείψεων (fade margin) 1. Παρατηρείται ικανοποιητικό συνολικό περιθώριο διαλείψεων (total fade margin) της τάξης των 20 db στον Ευκλείδη όπως αυτό υπολογίστηκε από το μοντέλο COST 231 Hata. Αντίθετα, με τα μοντέλα Okumura και Hata extended το περιθώριο αυτό υπολογίζεται πολύ μικρό (1.16 db). Ετήσια μη λειτουργία λόγω διαλείψεων (Annual fade outage) 1. Για όλες της περιπτώσεις της παραλίας και του Ευκλείδη το annual fade outage είναι μηδενικό. 146

150 Κεφάλαιο 5ο: Εκτίμηση αποτελεσμάτων - συμπεράσματα. 2. Η δυσμενέστερη περίπτωση που είναι αυτή της Περαίας για το μοντέλο free area + RMD δίνει 19104,99 sec (5 ώρες, 18 λεπτά και 25 δευτερόλεπτα ανά έτος), το οποίο αντιστοιχεί σε ένα ποσοστό 0.06%. Ετήσια μη λειτουργία λόγω διαλείψεων (Annual rain outage) 1. Για όλες της περιπτώσεις της παραλίας και του Ευκλείδη το annual rain outage είναι μηδενικό. 2. Στην Περαία σε όλες τις περιπτώσεις το annual rain outage είναι sec (γύρω στις 7 μέρες ανά έτος), το οποίο αντιστοιχεί σε ένα ποσοστό 2%. To γεγονός αυτό μειώνει την αξιοπιστία του συστήματος κάτω από το 99% που είναι η αποδεκτή τιμή για αξιόπιστες ζεύξεις. 3. Η μέθοδος ITU-R Rec όταν δοκιμάστηκε στην περίπτωση της Περαίας, έδωσε εξωπραγματικές τιμές για όλα τα μοντέλα. Συγκεκριμένα στην πιο αισθητή περίπτωση για το μοντέλο free space + RMD έδωσε τιμή sec = 27 χρόνια ανά έτος! Προφανώς, πρόκειται για bug του προγράμματος. Διαθεσιμότητα της ζεύξης (link availability) 1. Η διαθεσιμότητα των ζεύξεων για την Παραλία και τον Ευκλείδη είναι 100%. 2. H διαθεσιμότητα της ζεύξης σεισμολογικού Περαίας κυμαίνεται από % (k=4/3) έως % (k=4/3). Αυτό σημαίνει, όπως αναμένονταν από τις τιμές του annual rain outage, ότι το σύστημα δεν είναι αξιόπιστο. 5.2 ΓΕΝΙΚΑ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ 1. Τα αποτελέσματα που δίνουν οι προσομοιώσεις με τα μοντέλα Okumura (Hata) και Hata Extended δίνουν για την κάθε ζεύξη ξεχωριστά κάποιες επιπρόσθετες απώλειες διάδοσης που οφείλονται σε περιθλάσεις που υπολογίζουν τα μοντέλα ανάλογα με τον τύπο της περιοχής που επιλέγεται για το μοντέλο την κάθε φορά (urban, suburban, open). Έτσι στην περίπτωση του Ευκλείδη η επιλογή urban οδηγεί σε παραπάνω απώλειες (21,91dB) απ ότι αυτές που υπολογίζονται στον ελεύθερο χώρο. Αντίστοιχα στην Παραλία η επιλογή suburban δίνει 8,26 db παραπάνω. 147

151 Κεφάλαιο 5ο: Εκτίμηση αποτελεσμάτων συμπεράσματα. Στην Περαία η επιλογή open δίνει 2,83 db επιπλέον. 2. Στην ουσία συμπεραίνεται ότι τα μοντέλα free area+rmd, COST 231 Hata, και Walfish Ikegami δίνουν για τον Ευκλείδη (εξαιτίας του γεγονότος ότι όσον αφορά το Terrain Data στο σημείο αυτό έχουμε οπτική επαφή LOS ενώ στη πραγματικότητα ο Ευκλείδης είναι NLOS ) αποτελέσματα πολύ αισιόδοξα για τις συνολικές απώλειες διάδοσης, σε αντίθεση με τα μοντέλα Okumura (Hata) και Hata Extended. 3. Στην ραδιοζεύξη Σεισμολογικού Ευκλείδη (περίπτωση NLOS) μπορούν να χρησιμοποιηθούν όλα τα μοντέλα με καταλληλότερα τα Okumura (Hata) και Hata Extended. 4. Στην ραδιοζεύξη Σεισμολογικού Παραλίας (περίπτωση LOS) καταλληλότερο φαίνεται να είναι το μοντέλο free area+rmd. 5. Στην ραδιοζεύξη Σεισμολογικού Περαίας (περίπτωση LOS) το μοντέλο Walfish Ikegami δεν ενδείκνυται, λόγω του περιορισμού της απόστασης και του γεγονότος ότι είναι ένα αστικό μοντέλο, παρόλο που εδώ εφαρμόστηκε για εκπαιδευτικούς σκοπούς. Το free area+rmd είναι πιθανότατα το πιο κατάλληλο μοντέλο παρόλο που δίνει τις πιο αυστηρές μετρήσεις. 148

152 Κεφάλαιο 5ο: Εκτίμηση αποτελεσμάτων - συμπεράσματα. 5.3 ΠΙΝΑΚΕΣ ΚΑΙ ΔΙΑΓΡΑΜΜΑΤΑ Ζεύξη Σεισμολογικού λυκείου Ευκλείδη Στον πίνακα (5-1) φαίνονται τα αποτελέσματα για το λύκειο του Ευκλείδη. Οι γραμμές με χρώμα αντιστοιχούν στις τιμές όπου ισχύει k = 1. Μοντέλα διάδοσης Αποτελέσματα Free Space + RMD Okumura (Hata) Hata- Extended /E- P diff. Cost 231 (Hata) Walfish - Ikegami Basic free space 104,14 100,05 100,05 102,55 104,14 transmission loss (db) 104,14 100,05 100,05 102,55 104,14 Path loss for prop. stat. 105,16 121,96 121,96 102,56 104,14 (db) 105,31 121,96 121,96 102,56 104,14 Antenna received -69,25-84,84-84,84-66,01-68,08 signal (dbmw) -69,25-84,84-84,84-65,44-68,08 Clutter loss (db) 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 Flat fade margin 16,90 1,16 1,16 19,99 17,92 (db) 16,75 1,16 1,16 20,56 17,92 Total fade margin 16,90 1,16 1,16 19,99 17,92 (db) 16,74 1,16 1,16 20,55 17,92 Annual fade outage 0,01 0,23 0,23 0,00 0,01 (sec) 0,01 0,23 0,23 0,00 0,01 Annual rain outage 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 (sec) 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 Link availability 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 (100%) 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 Πίνακας 5. 1 Τα αποτελέσματα για το λύκειο του Ευκλείδη Αμέσως μετά φαίνονται τα αντίστοιχα διαγράμματα για αυτές τις τιμές. 149

153 Κεφάλαιο 5ο: Εκτίμηση αποτελεσμάτων συμπεράσματα. Διάγραμμα 5. 1 Path loss για τον Ευκλείδη. Διάγραμμα 5. 2 Received signal για τον Ευκλείδη. 150

154 Κεφάλαιο 5ο: Εκτίμηση αποτελεσμάτων - συμπεράσματα. Διάγραμμα 5. 3 Flat fade margin (Ευκλείδης) Διάγραμμα 5. 4 Total fade margin (Ευκλείδης) 151

155 Κεφάλαιο 5ο: Εκτίμηση αποτελεσμάτων συμπεράσματα. Διάγραμμα 5. 5 Flat & total fade margin (Ευκλείδης). Διάγραμμα 5. 6 Annual fade outage (Ευκλείδης) 152

156 Κεφάλαιο 5ο: Εκτίμηση αποτελεσμάτων - συμπεράσματα. Διάγραμμα 5. 7 Link availability (Ευκλείδης) 153

157 Κεφάλαιο 5ο: Εκτίμηση αποτελεσμάτων συμπεράσματα Ζεύξη Σεισμολογικού 31 ου Γυμνάσιου (παραλία) Μοντέλα διάδοσης Αποτελέσματα Free Space + RMD Okumura (Hata) Hata- Extended /E- P diff. Cost 231 (Hata) Walfish - Ikegami Basic free space 102,98 98,89 98,89 101,39 102,98 transmission loss (db) 102,98 98,89 98,89 101,39 102,98 Path loss for prop. stat. 102,98 107,15 107,15 101,40 102,98 (db) 102,98 107,15 107,15 101,40 102,98 Antenna received -68,53-72,70-71,64-66,95-68,53 signal (dbmw) -68,53-72,70-71,64-66,95-68,53 Clutter loss (db) 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 Flat fade margin 17,47 13,30 14,36 19,05 17,47 (db) 17,47 13,30 14,36 19,05 17,47 Total fade margin 17,47 13,30 14,36 19,05 17,47 (db) 17,47 13,30 14,36 19,05 17,47 Annual fade outage 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 (sec) 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 Annual rain outage 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 (sec) 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 Link availability 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 (100%) 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 Πίνακας Παραλία - αποτελέσματα της μελέτης για τα διάφορα μοντέλα 154

158 Κεφάλαιο 5ο: Εκτίμηση αποτελεσμάτων - συμπεράσματα. Διάγραμμα 5. 8 Path loss (31 ο γυμνάσιο) Διάγραμμα 5. 9 received signal (31 ο γυμνάσιο) 155

159 Κεφάλαιο 5ο: Εκτίμηση αποτελεσμάτων συμπεράσματα. Διάγραμμα flat fade margin (31 ο γυμνάσιο) Διάγραμμα Total fade margin (31 ο γυμνάσιο) 156

160 Κεφάλαιο 5ο: Εκτίμηση αποτελεσμάτων - συμπεράσματα. Διάγραμμα Flat & total fade margin Διάγραμμα Link availability (31 ο γυμνάσιο) 157

161 Κεφάλαιο 5ο: Εκτίμηση αποτελεσμάτων συμπεράσματα Ζεύξη Σεισμολογικού λυκείου Περαίας Μοντέλα διάδοσης Αποτελέσματα Basic free space transmission loss (db) Path loss for prop. stat. (db) Antenna received signal (dbmw) Clutter loss (db) Flat fade margin (db) Total fade margin (db) Annual fade outage (sec) Annual rain outage (sec) Link availability (100%) Free Space + RMD Okumura (Hata) Hata- Extended /E- P diff. Cost 231 (Hata) Walfish - Ikegami 123,34 119,26 119,26 121,76 123,34 123,34 119,26 119,26 121,76 123,34 123,34 122,09 122,10 122,71 123,34 124,59 122,09 122,10 122,71 123,34-87,96-86,32-86,32-86,94-87,96-89,21-86,32-86,32-86,94-87,96 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00-1,96-0,32-0,32-0,94-1,96-3,21-0,32-0,32-0,94-1,96-1,96-0,32-0,32-0,94-1,96-3,21-0,32-0,32-0,94-1, , , , , , , ,5 6336,5 9565, , , , , , , , , , , ,8183 Πίνακας 5. 3 Τα αποτελέσματα για το λύκειο της Περαίας 158

162 Κεφάλαιο 5ο: Εκτίμηση αποτελεσμάτων - συμπεράσματα. Διάγραμμα Path loss (Περαία) Διάγραμμα received signal (Περαία) 159

163 Κεφάλαιο 5ο: Εκτίμηση αποτελεσμάτων συμπεράσματα. Διάγραμμα Flat fade margin (Περαία) Διάγραμμα Total fade margin (Περαία) 160

164 Κεφάλαιο 5ο: Εκτίμηση αποτελεσμάτων - συμπεράσματα. Διάγραμμα Flat & total fade margin (Περαία) 161

165 Κεφάλαιο 5ο: Εκτίμηση αποτελεσμάτων συμπεράσματα. Διάγραμμα Annual fade outage (Περαία) Διάγραμμα Annual rain outage (Περαία) 162

166 Κεφάλαιο 5ο: Εκτίμηση αποτελεσμάτων - συμπεράσματα. Διάγραμμα Link availability (Περαία) 163

167 Παράρτηµα Α: ιάγραµµα ακτινοβολίας στο EDX Παράρτηµα Α ήλωση ενός διαγράµµατος ακτινοβολίας µιας κεραίας στο πρόγραµµα EDX signal pro v. 2.0 Ένας µεγάλος αριθµός κατασκευαστών κεραιών έχουν προµηθεύσει την εταιρία EDX µε ψηφιακά αρχεία, τα οποία περιέχουν πληροφορίες για τις κεραίες τους. Όλα αυτά τα αρχεία προσφέρονται από την εταιρία σε µορφή edx ή σε αρχείο προέκτασης τύπου *.pat. Η ακριβής δικτυακή διεύθυνση τους είναι η Παρόλα αυτά, πολλές φορές κάποιο αρχείο που αντιστοιχεί σε κάποια κεραία είναι δυνατόν να µην υπάρχει στη βάση δεδοµένων της EDX, οπότε και εµφανίζεται η ανάγκη της δηµιουργίας του. Σε αυτό το παράρτηµα δίνεται ένα παράδειγµα της συγγραφής κώδικα στο MATLAB για τη δηµιουργία δύο αρχείων τύπου *.pat. Με τον ίδιο τρόπο γράφτηκε και ο κώδικας για τα αρχεία seismologiko.pat και sxoleia.pat που χρησιµοποιήθηκαν στο πρόγραµµα για τον σκοπό αυτής της διπλωµατικής εργασίας. Τα αρχεία pat είναι εύκολο να δηµιουργηθούν αρκεί να είναι γνωστό για κάθε µοίρα το αντίστοιχο κέρδος. Στο παρακάτω παράδειγµα, ο κώδικας ξεκινάει µε τη γραµµή 'Sincla SRL411 C9 L/2', 10.0,2. Εδώ, 'Sincla SRL411 C9 L/2' είναι το όνοµα της κεραίας, 10.0 το κέρδος της και 2 ένας κωδικός που χρησιµοποιεί το πρόγραµµα EDX. Αµέσως µετά ακολουθούν γραµµές, όπου η κάθε µια περιέχει δύο τιµές χωρισµένες µε κόµµα. Η πρώτη είναι η τιµή µιας γωνίας στο οριζόντιο επίπεδο, ενώ η δεύτερη το κέρδος σε αυτή τη γωνία. Αµέσως µετά υπάρχει ο αριθµός 999 που σηµαίνει τέλος για το οριζόντιο επίπεδο. Στην πιο κάτω γραµµή υπάρχουν πληροφορίες για το κατακόρυφο επίπεδο, συγκεκριµένα δύο νούµερα (εδώ είναι τα 2, 50). Το 2 σηµαίνει δύο slices, ενώ το 50 σηµαίνει ότι κάθε slice θα έχει 50 τιµές. Αµέσως µετά υπάρχει ο αριθµός 0.0 που σηµαίνει ότι µετά ξεκινάει το πρώτο slice µε 50 τιµές. Μόλις τελειώσουν οι τιµές, 163

168 Παράρτηµα Α: ιάγραµµα ακτινοβολίας στο EDX υπάρχει ο αριθµός που σηµαίνει ότι ξεκινάνε οι 50 τιµές για το δεύτερο slice. Είναι σηµαντικό να τονιστεί ότι δεν είναι ανάγκη να δοθούν υποχρεωτικά όλες οι τιµές, αφού το πρόγραµµα κάνει γραµµική παρεµβολή. Ακολουθεί ο κώδικας του αρχείου. 'Sincla SRL411 C9 L/2', 10.0,2.0, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,

169 Παράρτηµα Α: ιάγραµµα ακτινοβολίας στο EDX -11.0, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,

170 Παράρτηµα Β: Βασικοί όροι Παράρτηµα Β Βασικοί όροι και ορισµοί Αυτό το παράρτηµα παρουσιάζει και εξηγεί τους βασικούς όρους που χρησιµοποιούνται στα ασύρµατα δίκτυα επικοινωνιών και οι οποίοι σχετίζονται µε τις κεραίες µετάδοσης και τα ηλεκτροµαγνητικά σήµατα (RF). Ένα τέτοιο τηλεπικοινωνιακό σύστηµα αποτελείται από έναν ποµπό, οποίος µεταδίδει τα σήµατα πληροφοριών, και από έναν δέκτη που λαµβάνει τα εκπεµπόµενα αυτά σήµατα. Στο σχήµα Β.1 φαίνεται ένα απλό σύστηµα ασύρµατης επικοινωνίας. Κεραία εκποµπής Μέσο διάδοσης Κεραία λήψης Πληροφορία (Baseband signal) ιαµορφωτής Βαθµίδες Ποµπού Βαθµίδες έκτη Απόδιαµορφωτής Πληροφορία (Baseband signal) Σχήµα Β.1 Τυπικό ασύρµατο σύστηµα επικοινωνίας Σύµφωνα µε αυτό το σύστηµα, τα σήµατα πληροφορίας διαµορφώνονται και µεταφέρονται από τον δέκτη προς τον ποµπό µέσω ηλεκτροµαγνητικών κυµάτων αφού πρώτα µετατραπούν, από την κεραία εκποµπής, από ηλεκτρικά σε ηλεκτροµαγνητικά σήµατα (το µέσω διάδοσης στο σύστηµα του σχήµατος 1 είναι ο ελεύθερος χώρος free space). Στην µεριά του δέκτη, η κεραία λήψης λαµβάνει τα ηλεκτροµαγνητικά σήµατα και τα µετατρέπει σε ηλεκτρικά. Στην ιδανική περίπτωση, το λαµβανόµενο ηλεκτρικό σήµα είναι ίδιο µε αυτό που εκπέµφθηκε από τον ποµπό. Αποδιαµορφώνοντας το λαµβανόµενο ηλεκτρικό σήµα, παίρνουµε τελικά το σήµα πληροφορίας (baseband signal). 166

171 Παράρτηµα Β: Βασικοί όροι Β.1 db Ο συµβολισµός db είναι µια συντόµευση του όρου decibel, ο οποίος δείχνει την σχέση µεταξύ δύο τιµών του ίδιου µεγέθους, και υπολογίζεται από την σχέση: A xdb = 10 Log Β όπου Α και Β οι τιµές ενός µεγέθους εκφρασµένες στις ίδιες µονάδες µέτρησης. Εποµένως, το db δεν εκφράζει µονάδα µέτρησης όπως για παράδειγµα το second, και οι τιµές των µεγεθών που αναφέρονται σε db είναι "καθαρές". Β.2 Στάθµη σήµατος (RF Power Level) Η στάθµη σήµατος, είτε στον ποµπό είτε στον δέκτη, εκφράζεται σε Watts. Μπορεί όµως να εκφραστεί και σε dbm. Η σχέση µεταξύ dbm και Watt είναι: Για παράδειγµα: P = 10 dbm LogP mw Στην περίπτωση που η στάθµη σήµατος είναι 1 Watt ( 1 Watt = 1000mW ) P dbm = 10 Log1000 = 30dBm ενώ στην περίπτωση που η στάθµη σήµατος είναι 100mW P dbm = 10 Log100 = 20dBm Β.3 Εξασθένηση Η εξασθένηση ενός σήµατος ορίζεται ως εξής: Εξασθένηση Ισχύς εισόδου (P in ) Ισχύς εξόδου (P out ) P in είναι η προσπίπτουσα στάθµη σήµατος στην είσοδο της εξασθένησης P out είναι η στάθµη σήµατος στην έξοδο της εξασθένησης Η εξασθένηση εκφράζεται συνήθως σε db σύµφωνα µε τον τύπο: P PdB = 10 Log P Για παράδειγµα, εάν εξαιτίας εξασθένησης η µισή ισχύς του σήµατος χάνεται (P out /P in =1/2), τότε η εξασθένηση εκφρασµένη σε db είναι: 167 out in

172 Παράρτηµα Β: Βασικοί όροι 1 10 Log = 3dB 2 Β.4 Απώλεια καναλιού µετάδοσης (Path Loss) Ως απώλεια του καναλιού µετάδοσης (Path Loss) ορίζεται η εξασθένηση που προκαλείται σε ένα ηλεκτροµαγνητικό σήµα κατά την µετάδοσή του µέσα από ένα κανάλι µεταφοράς, και εκφράζεται σε db. Η απώλεια αυτή εξαρτάται από: Την απόσταση µεταξύ των κεραιών ποµπού και δέκτη Την ύπαρξη ή µη οπτικής επαφής µεταξύ των επικοινωνούντων κεραιών Το ύψος των κεραιών Β.5 Εξασθένηση ελεύθερου χώρου (Free Space Loss) Είναι η εξασθένηση που προκαλείται σε ένα ηλεκτροµαγνητικό κύµα όταν αυτό διαδίδεται στον ελεύθερο χώρο. Αυτή η εξασθένηση υπολογίζεται από τον παρακάτω τύπο: FreeSpaceL oss = Log( FMHz ) + 20Log( RKm ) όπου F είναι η συχνότητα των ηλεκτροµαγνητικών σηµάτων εκφρασµένη σε MHz, και R είναι η απόσταση µεταξύ των κεραιών επικοινωνίας (εκποµπής και λήψης). Β.6 Χαρακτηριστικά κεραιών Β.6.α Ισοτροπική κεραία (Isotropic Antenna) Η ισοτροπική κεραία είναι µια φανταστική κεραία (δεν υπάρχει στην πράξη) που έχει ίση ένταση εκποµπής σε όλες τις κατευθύνσεις. Αυτή η κεραία χρησιµοποιείται ως κεραία αναφοράς µε κέρδος κατευθυντικότητας 0dB. Β.6.β Κέρδος κεραίας (Antenna Gain) Το κέρδος µιας κεραίας δηλώνει την κατευθυντικότητά της. Ορίζεται ως ο λόγος της έντασης του πεδίο που αυτή δηµιουργεί σε µια συγκεκριµένη στην κατεύθυνση εκποµπής, προς την ένταση του πεδίου που θα δηµιουργούσε µια ισοτροπική κεραία (όταν αυτή τροφοδοτούταν µε την ίδιο ισχύ εισόδου). Το κέρδος µιας κεραίας εκφράζεται σε dbi (db µε αναφορά την ισοτροπική κεραία - isotropic). 168

173 Παράρτηµα Β: Βασικοί όροι Β.6.γ ιάγραµµα ακτινοβολίας (Radiation Pattern) Είναι η γραφική αναπαράσταση, είτε στο σε πολικές (polar) είτε σε ορθογώνιες (rectangular) συντεταγµένες της κατανοµής της εκπεµπόµενης ενέργειας (από µια κεραία) στον χώρο. Β.6.δ Πλευρικοί λοβοί (Side Lobes) Είναι οι λοβοί εκποµπής σε οποιαδήποτε άλλη διεύθυνση εκτός από τον κεντρικό λοβό. Β.6.ε Παν-κατευθυντική κεραία (Omni-directional Antenna) Αυτή η κεραία εκπέµπει και λαµβάνει το ίδιο καλά σε όλες τις διευθύνσεις του αζιµουθίου Azimuth). Στο σχήµα Β.2 φαίνεται το διάγραµµα ακτινοβολίας µιας πανκατευθυντικής κεραίας µε τους πλευρικούς της λοβούς σε πολική µορφή. Πλευρική όψη Άποψη Σχήµα Β.2 ιάγραµµα ακτινοβολίας παν-κατευθυντικής κεραίας Β.6.στ Κατευθυντική κεραία (Directional Antenna) Εκπέµπει και λαµβάνει την µεγαλύτερη ισχύ του σήµατος σε µια µόνο κατεύθυνση. Στο σχήµα Β.3 φαίνεται το διάγραµµα ακτινοβολίας µιας κατευθυντικής κεραίας, καθώς επίσης και οι πλευρικοί της λοβοί σε πολικές συντεταγµένες. 169

174 Παράρτηµα Β: Βασικοί όροι Σχήµα Β.3 ιάγραµµα ακτινοβολίας µιας κατευθυντικής κεραίας Β.6.ζ Εύρος ζώνης κεραίας (Antenna Bandwidth) Ως εύρος ζώνης µιας κεραίας ορίζεται η κατευθυντικότητά της. Είναι δηλαδή η γωνία µεταξύ των σηµείων µισής ισχύος (-3dB), είτε στον κεντρικό είτε σε πλευρικό λοβό ακτινοβολίας. Β.7 Χαρακτηριστικά συστήµατος Β.1.7.α Ευαισθησία δέκτη (Receiver Sensitivity) Είναι η ελάχιστη στάθµη σήµατος που απαιτείται στην είσοδο του δέκτη για την σωστή λειτουργία αυτού (π.χ. Bit Error Rate - BER). Β.7.β Effective Isotropic Radiated Power - EIRP Είναι η ισχύς που ακτινοβολεί η κεραία. Αυτή ισούται µε την ισχύ εξόδου του ποµπού, µείον την απώλεια των καλωδίων µεταφοράς (µέχρι την είσοδο της κεραίας) συν το κέρδος της κεραίας. P out C t G t G r P l C r S i P s Ισχύς εξόδου του ποµπού (σε dbm) Απώλεια ισχύος του καλωδίου µεταφοράς του ποµπού (σε db) Κέρδος κεραίας εκποµπής (σε dbi) Κέρδος κεραίας λήψης (σε dbi) Απώλειες καναλιού µετάδοσης (σε db) Απώλεια ισχύος του καλωδίου µεταφοράς του δέκτη (σε db) Στάθµη σήµατος στην είσοδο του δέκτη (σε dbm) Ευαισθησία δέκτη (σε dbm) 170

175 Παράρτηµα Β: Βασικοί όροι S i = P out C t + G t P l + G r C r EIRP = P C + G out t t Σχήµα Β.4 Η ενεργός ακτινοβολούµενη ισχύς (ERP) Για παράδειγµα Link Parameters: Frequency: 2.4 GHz P OUT = 4 dbm (2.5 mw) Tx and Rx µήκος καλωδίου = 10 m. Τύπος καλωδίου RG214 (0.6 db/meter) Tx and Rx antenna gain (G t and G r ) = 18 dbi Distance between sites = 3 Km Receiver sensitivity (P s ) = -84 dbm Link Budget Calculation EIRP = Pout - C t + G t = 16 dbm Pl = xLog(F MHz ) + 20xLog(R Km ) 110 db S i = EIRP - P l + G r - C r = -82 dbm Β.8 Φθορά σήµατος (signal Fading) Η φθορά σε ένα ηλεκτροµαγνητικό σήµα µπορεί να προέλθει από πολλούς παράγοντες. Μερικοί από αυτούς αναλύονται παρακάτω. 171

176 Παράρτηµα Β: Βασικοί όροι Β.8.α Multipath Το εκπεµπόµενο σήµα φτάνει στον δέκτη από διαφορετικές κατευθύνσεις, αφού πρώτα έχει διανύσει διαφορετικές διαδροµές, και έχει υποστεί εξασθένηση και καθυστέρηση (σχήµα Β.4). Το άθροισµα των σηµάτων αυτών στην είσοδο του δέκτη, µπορεί να προκαλέσει περαιτέρω εξασθένηση στο σήµα πληροφορίας. Σχήµα Β.4 Το φαινόµενο του Multipath Β.8.β Κακή οπτική επαφή (bad Line Of Sight) Οπτική επαφή υπάρχει εάν µια φανταστική ευθεία γραµµή µπορεί να συνδέσει τις κεραίες του ποµπού και του δέκτη. Καθαρή οπτική επαφή υπάρχει εάν µια συγκεκριµένη περιοχή γύρω από την γραµµή οπτικής επαφής (Fresnel Zone) δεν έχει εµπόδια διάδοσης. Κακή οπτική επαφή υπάρχει όταν η πρώτη Fresnel Zone είναι "σκιασµένη". Β.8.γ Καιρικές συνθήκες (Rain, Wind, κ.α.) Με µεγάλη πυκνότητα βροχής (150mm/hr) η φθορά του σήµατος στους 2.4GHz (για παράδειγµα) µπορεί να φτάσει µέχρι 0.02dB/Km. Ο άνεµος µπορεί να προκαλέσει φθορά στο σήµα λόγω της κίνησης των κεραιών. Β.8.δ Παρεµβολές (Interference) παρεµβολές µπορεί να προκληθούν από ένα άλλο τηλεπικοινωνιακό σύστηµα που λειτουργεί στην ίδια περιοχή συχνοτήτων, από εξωτερική πηγή θορύβου, κτλ. 172

177 Παράρτηµα Β: Βασικοί όροι Β.9 Line Of Sight (LOS) και Fresnel Zone Οπτική επαφή υπάρχει εάν µια φανταστική ευθεία γραµµή µπορεί να συνδέσει τις κεραίες του ποµπού και του δέκτη. Η ζώνη Fresnel είναι η περιοχή ενός κύκλου γύρω από την γραµµή οπτικής επαφής. Αυτή η ζώνη ορίζεται όπως δείχνει το σχήµα Β.5. Όπου Σχήµα Β.5 Fresnel Zone R = 1 / 2 λ D R: ακτίνα της ζώνης Fresnel λ: µήκος κύµατος D: απόσταση µεταξύ των επικοινωνούντων σταθµών Καθαρή οπτική επαφή υπάρχει εάν µια συγκεκριµένη περιοχή γύρω από την γραµµή οπτικής επαφής (Fresnel Zone) δεν έχει εµπόδια διάδοσης. Όταν τουλάχιστον το 80% της ζώνης Fresnel δεν έχει εµπόδια, τότε η διάδοση του σήµατος είναι ισοδύναµη µε αυτή σε ελεύθερο χώρο (free space). Σχήµα Β.6 Ζώνη Fresnel µε εµπόδιο 173