Συμπληρωματικές σημειώσεις για τον σχεδιασμό επίγειας ζεύξης

Transcript

1 Συμπληρωματικές σημειώσεις για τον σχεδιασμό επίγειας ζεύξης Υπολογισμός απωλειών ελευθέρου χώρου (Free space loss) Οι απώλειες ελευθέρου χώρου καθορίζουν πόσο ασθενές είναι το σήμα που λαμβάνει η κεραία λήξης σε σχέση με την εκπεμπόμενη ισχύ. Οι FSL εξαρτώνται από την απόσταση μεταξύ πομπού και δέκτη αλλα και από την συχνότητα εκπομπής. Αύξηση της απόστασης ή αύξηση της συχνότητας μεγαλώνουν την τιμή της FSL. Η σχέση υπολογισμού δίνεται παρακάτω FSL = log f + 20log D όπου FSL απώλειες ελευθέρου χώρου - free-space loss (db) f συχνότητα εκπομπής (MHz) D μήκος ζεύξης (km) Υπολογισμός Link budget Σκοπός του σχεδιασμού μιας οποιασδήποτε ζεύξης είναι το σήμα που θα φτάσει στο σημείο λήξης να είναι ισχυρότερο από την ευαισθησία του συστήματος λήξης που καθορίζεται από την απαιτηση του BER (10-3 ή 10-6 ). Το διαδιδόμενο σήμα υπόκειται σε διαλείψεις λόγω διαφόρων παραγόντων (ανακλάσεις από το έδαφος ή εμπόδια, επίδραση βροχής, ατμοσφαιρική απορρόφηση και διάθλαση, σκέδαση από εμπόδια κα.). Η ύπαρξη των διαλείψεων υποχρεώνει τον σχεδιαστή του συστήματος να ρυθμίσει τις διάφορες παραμέτρους ώστε το σήμα που θα φτάσει στην λήψη να είναι μεγαλύτερο από την ισχύ της ευαισθησίας. Η διαφορά μεταξύ της ισχύος λήξης και της ισχύος ευαισθησίας είναι το περιθώριο διαλείψεων (fade margin) και η τιμή της εξαρτάται από τον τρόπο υπολογισμού αυτών των διαλείψεων. Η ελάχιστη τιμή που fade margin καθορίζεται από την απαίτηση που θέτει ο σχεδιαστής για την τιμή της διαθεσιμότητας (availability). Αν αγνοήσουμε τις επιπλέων απώλειες η ισχύς στην λήψη δίνεται από την σχέση P R = P T + G T + G R FSL P R ισχύς λήψης - received power level (dbm) P T ισχύς πομπού - transmitted power (dbm) G T κέρδος κεραίας πομπού - transmitting antenna gain (dbi) G R κέρδος κεραίας λήψης - receiving antenna gain (dbi) FSL απώλειες ελευθέρου χώρου - free space loss (db) Θα πρέπει P R > P S Where: P S ευαισθησία (ισχύς) στον λήπτη - receiver sensitivity (dbm) Η ευαισθησία καθορίζει την ελάχιστη τιμή ισχύος του λαμβανόμενου σήματος κάτω από το οποίο το σύστημα λήψης δεν μπορεί να διαβάσει σωστά με αποτέλεσμα να παρουσιάζει μεγαλύτερο BER από το απαιτούμενο Fade margin Ο καθορισμός του περιθωρίου διαλείψεων είναι σημαντικός για την σχεδίαση μιας ζεύξης Αν το περιθώριο είναι μικρό η ζεύξη θα είναι παρουσιάζεται συχνότερα διαλείψεις (μεγάλη μη-

2 διαθεσιμότητα/non-availability) με αποτέλεσμα να μην μπορεί αν εξασφαλισθεί ότι η ζεύξη θα λειτουργεί παρέχοντας την απαιτούμενη ποιότητα υπηρεσιών (QoS- quality of service). Αν αντίθετα το fade margin είναι υπερβολικά μεγάλο σημαίνει ότι η σχεδίαση έχει μεγαλύτερο κόστος (π.χ μεγαλύτερες και ακριβότερες κεραίες). Οι FSL δεν είναι η μόνη πηγή απωλειών που επιδρά στο εκπεμπόμενο σήμα. Παρακάτω περιγράφονται οι δύο βασικότεροι παράγοντες απωλειών που συμβάλλουν στις διαλείψεις. Ο πρώτος είναι η επίδραση στο διαδιδόμενο σήμα της βροχής και ο άλλος οι διαλείψεις λόγω πολύοδης διάδοσης (multipath fading). Πρέπει να τονίσουμε ότι τα φαινόμενα αυτά είναι στατιστικώς ανεξάρτητα και οι τιμές τις εξασθένησης που προκαλεί κάθε μια δεν προστίθενται. Για να καθορίσουμε το fade margin υπολογίζουμε και την απόσβεση λόγω βροχής και την απόσβεση λόγω multipath και στη συνέχεις επιλέγουμε την υψηλότερη τιμή βάση της οποίας εκτιμάται η τιμή του fade margin. Σε περιοχές με ισχυρή βροχόπτωση αναμένεται η επίδραση της βροχής να είναι σημαντικότερη. Αντίθετα πιο άνυδρες περιοχές εμφανίζουν σημαντικότερη εξασθένηση λόγω multipath. Τέλος η συχνότητα αποδεικνύεται σημαντικός παράγοντας για την επίδραση της βροχής. Για συστήματα μέχρι 10GHz η τιμές unavailability λόγω βροχής είναι αμελητέες για αρκετά μεγάλες αποστάσεις ζεύξεων. Για μεγαλύτερες συχνότητες παρατηρείται αύξηση της επίδρασης απωλειών λόγω βροχής. Rain attenuation Το σήμα που μεταδίδει ο πομπός υφίσταται διαδοχικές σκεδάσεις από τις σταγόνες της βροχής με αποτέλεσμα να φτάνει εξασθενημένο στον σταθμό λήψης. Επειδή η βροχόπτωση διαφέρει αναλογα με τον γεωγραφικό χώρο που βρίσκεται η ζεύξη η ITU έχει εκδώσει την οδηγία ITU- R PN στην οποία διαχωρίζει την γη σε 15 περιοχές ανάλογα με την ένταση βροχής (πινακας 1). Κάποιες γενικές παρατηρήσεις που μπορούμε να κάνουμε όσον αφορά την εξασθένηση λόγω βροχής είναι ότι αυξάνεται εκθετικά με την ένταση της βροχής γίνεται σημαντική για αποστάσεις μεγαλύτερες των 10Km σήματα με οριζόντια πόλωση εμφανίζουν μεγαλύτερες τιμές απωλειών συγκριτικά με αυτά της κάθετης πόλωσης το outage λόγω βροχής αυξάνεται δραματικά με την συχνότητα και την απόσταση της ζεύξης. Για να υπολογίσουμε τις απώλειες της βροχής χρησιμοποιούμε το ITU-R outage μοντέλο. Έστω για παράδειγμα ότι θέλουμε να δούμε ποιες είναι οι απώλειες ώστε η ζεύξη να παρουσιάζει unavailability 0.01%. Από τον πίνακα 1 παίρνουμε την τιμή του ρυθμού βροχόπτωσης R 0.01 με βάση την γεωγραφική περιοχή και την μη διαθεσιμότητα.

3 Στη συνέχεια χρησιμοποιούμε την σχέση Όπου ο συντελεστής k και το εκθετικό α είναι διαφορετικά για οριζόντια (h) και κάθετη (v) πόλωση και για διαφορετικές συχνότητες δίνονται από τον παρακάτω πίνακα

4 Multipath fading To Multipath fading αποτελεί τον δεύτερο καθοριστικό μηχανισμό διαλείψεων μαζί με την βροχή. Οι ανακλάσεις του εδάφους δημιουργούν το φαινόμενο της πολυοδης διάδοσης σύμφωνα με το οποίο το σήμα του πομπού ακολουθεί παραπάνω από μία διαδρομές. Τυπικά, μια απευθείας από τον πομπό στο δέκτη και μια μέσω ανάκλασης από το έδαφος. Για κάθε διαδρομή λαμβάνεται το αντίστοιχο σήμα εκπομπής από τα δέκτη με διαφορετική ένταση και φάση. Όταν οι φάσεις είναι αντίθετες τότε έχουμε downfading λόγω αναιρετικής συμβολής. Το σήμα στην λήψη σχεδόν μηδενίζεται στιγμιαία. Για συμφασικά σήματα έχουμε upfade λόγω θετικής συμβολής. Και αυτή η περίπτωση δεν είναι επιθυμητή γιατί όπως λέγεται απότομη αύξηση της έντασης θαμπώνει το σύστημα λήξης. Ο πολύοδη διάδοση δίνει δύο τύπους διαλείψεων: Flat fading. Ως flat fading χαρακτηρίζονται οι διαλείψεις που προκαλούν την μείωση του σήματος σε όλες τις συχνότητες στο εύρος ζώνης του καναλιού. Αφορά διαλείψεις που προκαλούν οι παρεμβολές και ο θερμικός θόρυβος. Εξαρτώνται σημαντικά από την απόσταση, την συχνότητα την κλίση (path inclination) και τον γεωκλιματικό παράγοντα K (geoclimatic factor). Frequency selective fading. Aφορούν παραμορφώσεις στο πλάτος και την καθυστέρηση ομάδας που προκαλούν τα φαινόμενα τον ανακλάσεων και εξαρτώνται από την συχνότητα.

5 Αυτού του τύπου οι διαλείψεις είναι σημαντικότερες για ταχύτητες μεγαλύτερες των 32Mbps. Στα σύγχρονα συστήματα ζεύξεων οι διαλείψεις αυτού του τύπου είναι συνήθως αμελητέες εκτός αν υπάρχουν προβλήματα σχεδιασμού, όπως χρήση λάθους τύπου κεραίας η κακή ευθυγράμμιση Το μοντέλο που χρησιμοποιείται με βάση την παροδιαγραφή ITU-R P για τον υπολογισμό της πιθανότητας διακοπής της ζεύξης λόγω πολύοδης διάδοσης για μεγάλες τιμές διαλείψεων δίνεται από την παρακάτω σχέση P 0 = K d 3.2 (1+ ε P ) f h L -A/10 d μήκος ζέυξης (link distance) (km) f συχνότητα (frequency) (GHz) h L υψόμετρο χαμηλότερης κεραίας (altitude of lower antenna) (m) A εύρος διαλέιψεων (fade margin) (db) K γεωκλιματικός παράγοντας (geoclimatic factor) ο οποίας δίνεται από την σχεση: K = dn1 Οι τυπικές τιμές του Κ κυμαίνονται από (dν1 = 200 N-units/km) για περιοχές της βόρειας Ευρώπης μέχρι (dn1 = 464 N-units/km) για περιοχές της μεσογείου. Από τις υψομετρικές θέσεις των κεραιών he and hr (σε μέτρα από την επιφάνεια της θάλασας), υπολογίζεται η κλίση της ζεύξης ε P (mrad) από την σχέση Οι διαλείψεις πολύοδης διάδοσης προκαλούν βραχυπρόθεσμες διακοπές (short-term outage) οι οποίες επηρεάζουν τις επιδώσεις σφαλμάτων όπως SES (severe error second). Η μοντελοποιήση των διαλείψεων δινεται από σχέσεις που εκτιμούν την πιθανότητα διακοπών σε μία συχνότητα για τον χειρότερο μήνα στην διάρκεια του χρόνου. Οι διαλείψεις λόγω βροχής χαρακτηρίζονται ως διακοπές λειτουργίας μεγάλης διάρκειας (long-term outage). Προσμετρώνται διακοπές με ελάχιστη διάρκεια 10 secs, με αποτέλεσμα να επηρεάζεται απευθείας η τιμή της μη-διαθεσιμότητας. Οι ζεύξεις που επηρεάζονται περισσότερο είναι αυτές με συχνότητες μεγαλύτερες των 10GHz. Fresnel zones calculation

6 F1 first Fresnel Zone radius in metres d1 distance of P from one end in metres d2 The distance of P from the other end in metres λ wavelength of the transmitted signal in metres r max radius of first Fresnel zone (m) reducing the radius to 60% get values listed in the following table that define the space particularly sensitive to the presence of obstacles D total link distance (km) f frequency (GHz)

7 Παράδειγμα σχεδιασμού Παράμετροι ζεύξης: Μήκος ζεύξης (Link distance): 15 km Ύψος κεραίας πομπού από το επίπεδο της θάλασσας: 295 m Ύψος κεραίας δέκτη από το επίπεδο της θάλασσας: 320 m Κλιματική ζώνη Β, refraction gradient dn1= 300 Απαιτήσεις διάδοσης: Απαιτούμενης ταχύτητα δεδομένων: 170 Mbps Απαιτούμενη διαθεσιμότητα (availability): % Παράμετροι συστήματος: Συχνότητα 10 GHz ταχύτητα δεδομένων 170 Mbps -> Ειδος διαμόρφωσης 256QAM;εύρος ζώνης BW=28 MHz; Ισχύς ευαισθησίας P S (BER 10-3 )= 67 dbm Ισχύς πομπού Tx power =10 dbm (max. Tx power) Κέρδος κεραίας (Antenna gain): o Κεραία Α: διάμετρος 60 cm... κέρδος: 34.6 dbi o Κεραία Β: διάμετρος 90 cm... κέρδος: 38.0 dbi o Κεραία Γ: διάμετρος 120 cm... κέρδος: 40.1 dbi 1 - Free space loss FSL = 32, log f + 20log D = 32, log log15 = 135,9 db 2 - Rain attenuation Για 99.99% διαυεσιμότητα στη ζώνη Β από τον πίνακα έχουμε R 0.01 =12 Για f=10 GHz k h = ; α h =1.2571; k v = ; α v = Vertical polarization: Horizontal polarization: 3 - Attenuation due to multipath propagation Πρέπει να υπολογίσουμε το απαιτούμενο περιθώριο διαλείψεων A (fade margin) έτσι ώστε το ποσοστό χρόνου για το οποίο υπερβαίνουνμε αυτό περιθώριο στον χειρότερο μήνα να είναι 0.01%. Αρχικά υπολογίζουμε την κλίση Και στην συνέχεια εφαρμόζουμε τον τύπο πιθανότητας διακοπής της ζεύξης Για πιστότητα ζέυξης 99.99% είναι P0=0.01, και λείνουμε την τελευταία σχέση ως προς Α:

8 4.Link budget calculation Οπότε Α max{a rain, A multipath }=max{4.15db, 18dB}=18dB Χρησιμοποιώντας στον πομπό και τον δέκτη κεραίες διαμέτρου 60cm έχουμε Το οποίο είναι χαμηλότερο των 18dB. Πρέπει λοιπόν είτε να αυξήσουμε την αρχική ισχύ είτε να χρησιμοποιήσουμε κεραίες με μεγαλύτερο κέρδος Επιλέγουμε την δεύτερη λύση γιατί έχουμε χρησιμοποιήσει την μέγιστη ισχύ πομπού. Αν διαλέξουμε κεραία Γ με διάμετρο 120cm στον πομπό και Β με διάμετρο 90cm στον δέκτη έχουμε Με αυτή την επιλογή μπορούμε να ικανοποιήσουμε τις απαιτήσεις που θέσαμε για την ζεύξη των 10km στα 10GHz.